Almacenamiento de energía térmica por calor latente en los edificios: bases para la optimización de aplicaciones pasivas, opacas y traslúcidas

La principal motivacion para la eleccion del tema de la tesis es nuestra realidad energetica y ambiental. Y mas especificamente, la necesidad urgente de dar una respuesta a esta realidad desde el sector de la edificacion. Por lo que, el trabajo parte de la busqueda de soluciones pasivas que ayuden a la reduccion del consumo energetico y de las emisiones de C02 de los edificios, tanto nuevos como existentes. El objeto de estudio son aplicaciones innovadoras, basadas en el uso de materiales reactivos, con un efecto termico de memoria bidireccional. La energia es un elemento imprescindible para el desarrollo. Sin embargo, el modelo energetico predominante, basado principalmente en la utilizacion de combustibles de origen fosil, es uno de los importantes responsables del deterioro ambiental que sufre el planeta. Ademas, sus reservas son limitadas y estan concentradas en unas pocas regiones del mundo, lo que genera problemas de dependencia, competitividad y de seguridad de suministro. Dado el gran potencial de ahorro energetico del sector de la edificacion, la Union Europea en sus directivas enfatiza la necesidad de mejorar la eficiencia energetica de los edificios. Anadiendo, ademas, la obligatoriedad de desarrollar edificios “energia casi nula”, cuyo prerrequisito es tener un muy alto rendimiento energetico. En Espana, los edificios son responsables del 31% del consumo de energia primaria. La mayor parte de este consumo se relaciona a la utilizacion de sistemas activos de acondicionamiento. Una medida efectiva para reducir la demanda es mejorar la envolvente. Sin embargo, hay que buscar estrategias adicionales para aumentar aun mas la eficiencia de los edificios nuevos y existentes. Para los climas de Espana, el uso de la inercia termica ha probado ser una estrategia valida. Sin embargo, su funcionamiento esta vinculado al peso y al volumen de los materiales utilizados. Esto limita sus posibilidades en la rehabilitacion energetica y en los nuevos edificios basados en la construccion ligera. Una alternativa es el uso de aplicaciones de almacenamiento termico por calor latente, utilizando materiales de cambio de fase (PCM). Los PCM son sustancias con un muy alto calor de fusion, capaces de almacenar una gran cantidad de energia termica sin requerir aumentos significativos de peso o volumen. Estas caracteristicas los hacen idoneos para reducir el consumo relacionado con el acondicionamiento termico, en edificios nuevos y existentes. En la parte preliminar de la investigacion, se encontro que para lograr un aprovechamiento optimo de las aplicaciones con PCM es necesario tener un conocimiento profundo de su funcionamiento y de las variables del sistema. De ahi que el objetivo principal de la presente tesis sea: establecer las bases para la optimization integral de las aplicaciones con almacenamiento de energia termica por calor latente, identificando y validando sus variables mas relevantes. La investigacion consta de tres partes. La primera, documental, sistematizando y jerarquizando la informacion cientifica publicada; la segunda, numerica, basada en un analisis parametrico de una aplicacion con PCM, utilizando simulaciones termicas; y la tercera, experimental, monitorizando el funcionamiento termico y energetico de diferentes aplicaciones con PCM en modulos a escala real. Los resultados brindan un mas profundo entendimiento del funcionamiento de las aplicaciones evaluadas. Han permitido identificar sus variables relevantes, cuantificar su influencia, y determinar condiciones optimas para su utilizacion asi como situaciones en las que seria muy dificil justificar su uso. En el proceso, se realizo la caracterizacion termica y energetica de aplicaciones con PCM, tanto opacas como traslucidas. Ademas, se ha encontrado que las aplicaciones con PCM son capaces de aumentar la eficiencia energetica inclusive en recintos con disenos optimizados, demostrando ser una de las estrategias adecuadas para lograr el muy alto desempeno energetico requerido en los edificios energia nula. ABSTRACT The main motivation for choosing the theme of the thesis is our energy and environmental reality. And more specifically, the urgent need to respond to this reality from the building sector. This is why, the work start with the search of passive solutions that help reduce energy consumption and C02 emissions of buildings, in both new and existing ones. The object of study is innovative applications based on the use of responsive materials, with bidirectional thermal memory. Energy is an essential element for development. However, the predominant energy model, based primarily on the use of fossil fuels, is one of the major responsible for the environmental deterioration of the planet, the cause of most of the CO2 emissions. Furthermore, reserves of fossil fuels are limited and are concentrated in a few regions of the world, which creates issues related to dependency, competitiveness, and security of supply. Given the large potential for energy savings in the building sector, the European Union in its directives emphasizes the need to improve energy efficiency in buildings. Also, adding the obligation to develop "nearly zero energy" buildings, whose first prerequisite is to achieve a very high energy efficiency. In Spain, buildings are responsible for 31% of primary energy consumption and most of this consumption is related to the used of HVAC systems. One of the most effective measures to reduce demand is to improve the envelope. However, it is necessary to look for additional strategies to further increase the efficiency of new and existing buildings. For the predominant climates in Spain, use of the thermal inertia may be a valid strategy. Nevertheless, its operation is linked to weight and volume of the materials used. This limits their possibilities in the existing buildings energy retrofitting and in the new buildings based on lightweight construction. An alternative is the use of latent heat thermal energy storage applications (LHTES), using phase change materials (PCM). PCM are substances with a high heat of fusion, capable of storing a large amount of thermal energy without requiring significant increases in weight or volume. These features make them ideal for reducing energy consumption associated with thermal conditioning in both new and existing buildings. In the preliminary part of the investigation, it was found that to get optimum utilization of the PCM applications is needed to have a deep understanding of its operation and, in particular, how the system variables affect its performance. Hence, the main objective of this thesis is: to establish the basis for the integral optimization of applications with latent heat thermal energy storage, identifying and validating the most relevant variables. The research comprises of three parts. The first, documentary, systematizing and prioritizing published scientific information. The second, numeric, based on a parametric analysis of an application PCM using thermal simulations. The third, experimental, monitoring the thermal and energy performance of different applications with PCM on real scale test cells. The results provide a complete understanding of the functioning of the evaluated LHTES application. They have allowed to identify their relevant variables, quantify their influence and determine optimum conditions for use as well as situations where it would be very difficult to justify its use. In the process, it was carried out the power and thermal characterization of various opaque and translucent PCM applications. Furthermore, it has been found that applications with PCM can increase the energy efficiency, even in buildings with optimized designs; proving to be one of the appropriate measures to achieve the high energy performance required in zero energy buildings.