Tesis Doctorado
Morteros acumuladores con parafinas microencapsuladas para el aprovechamiento de energía solar en el suelo radiante
Mortars accumulators with paraffin microencapsulated for the use of solar energy in the radiant floor;
Morteros acumuladores con parafinas microencapsuladas para el aprovechamiento de energía solar en el suelo radiante;
mortars accumulators with paraffin microencapsulated for the use of solar energy in the radiant floor
Autor
Zetola Vargas, Vicente Andrés
Institución
Resumen
Esta Tesis plantea la pregunta de si el uso de morteros con parafinas
microencapsuladas combinado con colectores solares térmicos puede
reducir el consumo de energías convencionales, en un sistema tradicional
de suelo radiante. Se pretende contribuir al conocimiento acerca del efecto
que produce en el edificio, el calor latente acumulado en suelos radiantes,
utilizando morteros de cemento Portland con material de cambio de fase
(PCM), en conjunto con la energía solar.
Para cumplir con este propósito, la investigación se desarrolla
considerando diversos aspectos.
En primer lugar, se revisa y analiza la documentación disponible en la
actualidad, de almacenamiento de energía mediante calor latente en la
construcción, y en particular la aplicación de microcápsulas de PCM en
morteros y suelos radiantes. También se revisa la documentación
relacionada con la aplicación de la energía solar térmica y en suelo
radiante.
Se analiza la normativa vigente respecto al material, a los colectores
solares y al suelo radiante. Se verifica que no hay normativa relacionada
con mortero-PCM, debido a esto se aplica en la investigación una
adaptación de la existente.
La fase experimental desarrollada esta principalmente dirigida a la
cuantificación, caracterización y evaluación de las propiedades físicas,
mecánicas y térmicas del mortero de cemento Portland con parafinas
microencapsuladas. Los resultados obtenidos y su análisis, permiten
conocer el comportamiento de este tipo de morteros, con las diferentes
variables aplicadas en la investigación. Además, permite disponer de la
información necesaria, para crear una metodología para el diseño de
morteros con parafina microencapsulada, tanto del punto de vista de su
resistencia a la compresión y contenido de PCM, como de su
comportamiento térmico como acumulador de calor. Esto se logra
procesando la información obtenida y generando modelos matemáticos,
para dosificar mezclas, y predecir la acumulación de calor en función de su
composición.
Se determinan los tipos y cantidades de PCM, y el cemento más adecuado.
Se obtienen importantes conclusiones respecto a los aspectos constructivos a considerar en la aplicación de morteros con PCM, en suelo
radiante.
Se analiza y evalúa la demanda térmica que se puede cubrir con el suelo
radiante, utilizando morteros con parafina microencapsulada, a través de la
acumulación de energía solar producida por colectores solares, para
condiciones climáticas, técnicas y tipologías constructivas específicas. Se
determina que cuando los paneles cubren más de 60 % de la demanda por
calefacción, se puede almacenar en los morteros con PCM, el excedente
generado durante el día. Se puede cubrir la demanda de acumulación de
energía con los morteros con PCM, en la mayoría de los casos analizados.
Con esto, se determina que el uso de morteros con PCM, aporta a la
eficiencia energética de los edificios, disminuyendo el consumo de energías
convencionales, reemplazándola por energía solar térmica.
En esta investigación, el énfasis está en las propiedades del material
mortero de cemento-PCM y en poder generar metodologías que faciliten su
uso. Se aborda el uso de la energía solar, para verificar que es posible su
acumulación en morteros con PCM aplicados en suelo radiante,
posibilitando el reemplazo de energías convencionales. Quedan algunos
aspectos de la aplicación de energía solar a suelo radiante con morteros
con PCM, que no han sido tratados con la profundidad que requieren, y
que resultan interesantes de evaluar en este tipo de aplicaciones
constructivas, como entre otros, los relacionados con la cuantificación de
los ahorros de energía en las diferentes estaciones del año, de la
estabilización de temperaturas internas, su análisis de costo y la
optimización de este tipo de sistemas para utilización en verano, los que
dan pie para otras Tesis o proyectos de investigación. This Thesis proposes the question of whether the use of mortars with
microencapsulated paraffin combined with solar thermal collectors can
reduce conventional energy consumption in a traditional heating floor
system. It aims to contribute to knowledge about the effect that it has on the
building, the latent heat accumulated in heating floor, using Portland cement
mortars with phase change material (PCM), in conjunction with solar
energy.
To fulfill this purpose, the research develops it considering various aspects.
First, it reviews and analyzes the documentation available today, about
energy storage by latent heat in the building, and in particular the
application of PCM microcapsules in mortars and heating floors. It also
reviews the documentation related to the application of solar thermal energy
and heating floor. Additionally, it analyzes the current regulations regarding
to material, solar collectors and heating floors. It verifies that there aren’t
regulations related to PCM mortar, due to this, it applies an adaptation in
the investigation.
The experimental phase is aimed to the quantification, mainly,
characterization and evaluation of physical, mechanical and thermal
properties of Portland cement mortar with microencapsulated paraffin. The
results and analysis, which allow us to know the behavior of this type of
mortars with different variables applied in research. It also allows having the
information necessary to create a methodology for designing mortars with
microencapsulated paraffin, both from the standpoint of its resistance to
compression and PCM content, and its thermal performance as a heat
accumulator. This accomplishes by processing the information obtained,
and generating mathematical models for dosing mixtures, and predicting
heat accumulation depending on their composition.
The research determines the kinds and amounts of PCM, and the most
suitable cement. Relevant conclusions obtain it regarding constructive
aspects to consider in the implementation of PCM mortars in heating floor.
Also, it analyzes and evaluates the thermal demand that it can be covered
in heating floor using microencapsulated paraffin mortars, through the
accumulation of solar energy produced by solar collectors to weather
conditions, technical and specific building typologies. It determines that if
the panels cover more than 60% of the demand for heating, the surplus
generated during the day can be stored in PCM mortars. It meets the
demand of energy storage with PCM mortars, in most of the cases
analyzed. With this, it determines that the use of PCM mortars contributes to building energy efficiency, reducing consumption of conventional energy,
replacing it with solar thermal energy.
In this research approaches the use of solar energy to determine that it’s
possible to verify its accumulation in PCM mortars applied in heating floor,
enabling the replacement of conventional energy. The emphasis is on
material properties of PCM mortar and, in order to generate methodologies
to facilitate their use. There are some aspects of solar energy application in
PCM mortars in heating floor, which have not been discussed with the
depth required, and that they are relevant to evaluate in this kind of
construction applications, including among others: the applications related
to the energy savings quantification in different seasons of the year, the
stabilizing internal temperatures, its cost analysis and optimization of these
systems for use in summer, which can give ideas for other thesis or
research projects. PFCHA-Becas PFCHA-Becas