Materiales cromogénicos para mejorar el desempeño térmico del muro Trombe en regiones con veranos cálidos
Authors:   , Martínez García Arturo 
Published: May 2024

Given the current climatic conditions, it is necessary to establish efficient strategies to generate energy savings. In this context, actions in buildings are significant when considering their energy consumption, consumption mostly destined for the use of artificial air conditioning systems. Heating and cooling demands can be reduced through passive systems. One of the most established systems is the Trombe wall (MT), a heat accumulation and transmission technique that works through a massive wall and glazing. The wall is exposed to solar radiation so that it stores and transmits heat to the room and the glass placed in front of the wall prevents the loss of heat accumulated by the greenhouse effect. Despite the benefits in winter, in climates with hot summers it represents a risk of overheating the space. To avoid heat input from the system in summer, devices are used to block solar radiation. However, the present study tries to use chromogenic materials to reduce the heating of the massive wall and avoid unnecessary heating of a room in summer. Chromogenic materials vary their optical properties depending on a stimulus. Two chromogenic materials are used in the research: a thermochromic mortar (MTC) and a hydrochromic glass (EMD). As its name indicates, the first is an opaque material that varies its optical properties depending on temperature and the second is double glazing that varies depending on humidity. The main objectives of the work were to measure the optical properties of both materials (including a photodegradation analysis), perform comparative experimental tests between chromogenic and conventional materials based on the heating of the massive wall, and determine the applicability of these and other materials with greater optical variability in a room equipped with an MT through computational simulation and prior calibration of the experimental modules. The results are divided into the same axes: measurements, experimentation and applicability. From the measurements, the optical properties of the experimental MTC in light and dark states were established, identifying a change temperature (Tc) of 27C, which differs from that of the thermochromic pigment used for its manufacture. The photodegradation analysis shows how exposure to solar radiation deteriorates the MTC. The experimental analysis demonstrated how EMD glass in a translucent state reduces the temperature of a wall with black paint by up to 20.80% compared to clear glass, within a representative module of the MT. According to the simulation, the optical change of the experimental MTC does not present a significant change in the temperature of the massive wall. Taking the MTC values from the previous literature, a non-significant change in the interior temperature of the room was estimated; during the coldest month the change from light to dark MTC represents 12 more hours of comfort, while in summer the dark MTC in Compared to the clear one you get 19 more hours. By establishing a hypothetically ideal opaque chromogenic material (black to white variability) the benefits are notable. In the warmest month, the change from black to white implies an increase of 131 hours of comfort compared to a black coating. In the same season, the clear glass obtains 350 hours of comfort, the translucent EMD 462 and the electrochromic glass (same U value) 593. However, in winter the hours of comfort obtained for the three glazing are 364, 338 and 241 respectively. Chromogenic materials have the potential to improve MT performance in climates with hot summers. Glass with optical variability improves the management of solar incidence on the massive wall of the MT.

RESUMEN

Ante las condiciones climáticas actuales es necesario establecer estrategias eficientes para generar ahorros energéticos. En este contexto, las acciones en los edificios resultan significativas al considerar su consumo energético, consumo mayormente destinado al uso de sistemas de climatización artificial. Las demandas de calefacción y refrigeración pueden ser reducidas a través de sistemas pasivos. Uno de los sistemas más consolidados es el muro Trombe (MT), una técnica de acumulación y transmisión de calor que funciona a través de un muro masivo y un acristalamiento. El muro es expuesto a la radiación solar para que almacene y trasmita calor a la habitación y el vidrio colocado al frente del muro evita la pérdida del calor acumulado por efecto invernadero. A pesar de los beneficios en invierno, en climas con veranos cálidos representa un riesgo de sobrecalentamiento del espacio. Para evitar las aportaciones de calor del sistema en verano se utilizan dispositivos para bloquear la radiación solar. No obstante, el presente estudio trata de utilizar materiales cromogénicos para reducir el calentamiento del muro masivo y evitar el calentamiento innecesario de una habitación en verano. Los materiales cromogénicos varían sus propiedades ópticas en funciona de un estímulo. En la investigación se utilizan dos materiales cromogénicos: un mortero termocrómico (MTC) y un vidrio hidrocrómico (EMD). Como su nombre lo indica el primero es un material opaco que varía sus propiedades ópticas en función de la temperatura y el segundo es un doble acristalamiento que varía en función de la humedad. Los principales objetivos del trabajo fueron medir las propiedades ópticas de ambos materiales (incluyendo un análisis de foto degradación), realizar pruebas experimentales comparativas entre materiales cromogénicos y convencionales basadas en el calentamiento del muro masivo, y determinar la aplicabilidad de estos y de otros materiales con mayor variabilidad óptica en una habitación dotada con un MT a través de la simulación computacional y una calibración previa de los módulos experimentales. Los resultados están divididos en los mismos ejes: mediciones, experimentación y aplicabilidad. A partir de las mediciones se establecieron las propiedades ópticas del MTC experimental en estado claro y oscuro, identificando una temperatura de cambio (Tc) de 27C, la cual difiere con la del pigmento termocrómico utilizado para su fabricación. El análisis de foto degradación muestra cómo la exposición a la radiación solar va deteriorando el MTC. El análisis experimental demostró como el vidrio EMD en estado traslúcido reduce hasta 20.80% la temperatura de un muro con pintura negra en comparación con un vidrio claro, dentro de un módulo representativo del MT. De acuerdo con la simulación, el cambio óptico del MTC experimental no presenta un cambio significativo en la temperatura del muro masivo. Tomando los valores del MTC de la literatura precedente se estimo un cambio poco significativo en la temperatura interior de la habitación, durante el mes más frio el cambio del MTC claro a oscuro representa 12 horas más de confort, mientras que en verano el MTC oscuro en comparación al claro obtiene 19 horas más. Al establecer un material cromogénico opaco hipotéticamente ideal (variabilidad de negro a blanco) los beneficios son notables. En el mes más cálido, el cambio de negro a blanco implica un aumento de 131 horas de confort respecto a un recubrimiento negro. En la misma temporada el vidrio claro obtiene 350 horas de confort, el EMD traslucido 462 y el vidrio electrocrómico (mismo valor U) 593. No obstante, en invierno las horas de confort obtenidas para los tres acristalamientos son de 364, 338 y 241 respectivamente. Los materiales cromogénicos tienen el potencial para mejorar el desempeño del MT en climas con veranos cálidos. Los vidrios con variabilidad óptica mejoran la gestión de la incidencia solar sobre el muro masivo del MT.