Sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos,

que tiene al menos una placa soporte (1) cuadrangular dispuesta bajo el suelo técnico (7) de un edificio en el que existe circulación de aire. En esta placa soporte (1) se dispone una pluralidad de cápsulas metálicas (2) estancas, albergando cada una de ellas en su interior un material de cambio de fase que acumula calor cuando dicho material pasa de fase sólida a fase líquida y libera dicho calor cuando pasa de fase líquida a fase sólida, para el aprovechamiento de los ciclos de calor y frío naturales para conseguir un adecuado acondicionamiento térmico y minimizar los sistemas de climatización disminuyendo el consumo de energía

Sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos.

Campo técnico de la invención

La presente invención pertenece al campo técnico de los acondicionamientos térmicos utilizados en la construcción, más concretamente los que utilizan energías renovables, y más concretamente a los sistemas de acondicionamiento térmico pasivos instalados en suelos técnicos basados en al almacenamiento de energía por parte de materiales de cambio de fase.

Antecedentes de la invención

El aprovechamiento de la energía solar de forma directa o indirecta ha sido desde el origen de la arquitectura una principal fuente de recursos, sin límite ni costo. Nos aporta iluminación, climatización o suministro de energía eléctrica para instalaciones de electrodomésticos y/o equipos eléctricos, en las edificaciones. Como energía renovable, el aprovechamiento del calor de origen solar es un tema en desarrollo. Existen diversos sistemas de captura, almacenamiento y liberación de la energía, clasificándose entre activos y pasivos.

Los sistemas de acumulación energética activa requieren para su funcionamiento equipos mecánicos que capturen, almacenen y distribuyan la energía capturada, y del empleo de sistemas eléctricos y/o hidráulicos, que consumen energía convencional.

En cuanto a los sistemas de acondicionamiento energético pasivos, el aprovechamiento de la energía del sol o de cualquier otro recurso renovable, se hace sin el uso de ningún sistema mecánico adicional, de manera que únicamente se tiene en cuenta en estos tipos de diseños las condiciones naturales y el buen empleo de ellas para capturar la energía, almacenar y distribuir el calor. Existen diversos sistemas de acumulación de energía pasiva.

Entre ellos está el almacenamiento en forma de calor sensible, que se da cuando un material líquido o sólido aumenta o disminuye su temperatura debido a ciertas propiedades físicas del mismo, como son el calor específico y la masa. La cantidad de calor sensible que puede almacenar un cuerpo o sustancia esta dado por la siguiente expresión:

Donde m es la masa del medio, Ce es el calor específico del material y ΔT es la variación de la temperatura entre su estado final y su estado inicial a que haya sido sometido.

El almacenamiento de energía en forma de calor latente se realiza cuando un material cambia de estado, por lo general, de sólido a líquido y viceversa. La energía que recibe el material se ocupa de realizar el cambio de estado pero no cambia la temperatura del cuerpo, por lo tanto, la energía queda almacenada de forma latente mientras el cambio de fase se completa. De igual manera ocurre cuando el material se descarga, al invertir el proceso de cambio de fase, la energía que ha sido almacenada se libera y se devuelve al medio. Mientras ocurre este fenómeno la temperatura del cuerpo también permanece constante. Este procedimiento de almacenamiento de calor latente lo realizan todos los materiales, pero existe un grupo de materiales que por sus condiciones químicas y físicas son más eficaces que otros para realizar este tipo de almacenamiento. Este grupo de materiales son los llamados Materiales de Cambio de Fase (MCF por sus siglas en castellano, o PCM, por sus siglas en inglés, Phase Change Materials). En este almacenamiento la cantidad de energía almacenada se puede escribir de la siguiente manera:

Donde m es la masa del material, Cps es el calor específico en estado sólido, Lp es el calor latente en la fase de cambio de sólido-sólido, L es el calor latente en la fase de cambio de sólido a líquido, Cpl es el calor específico del material en estado liquido y por último, Lg es el calor latente en el cambio de fase de líquido a gaseoso.

La principal complicación de los materiales de cambio de fase es trabajar con ellos en dos estados físicos distintos, que por lo general, a temperatura ambiente pueden son el sólido y el líquido. Se han de tener en cuenta ambos estados para su utilización en sistemas combinados con otros elementos. Hasta el momento se contemplan tres métodos para ello. El primero de ellos es la inmersión, en la que el PCM se impregna, generalmente en estado líquido, en el elemento que actuará como acumulador de calor y se deja secar. Su principal inconveniente es que este elemento acumulador tendrá un efecto "llorado", al volverse a licuar el PCM y gotear. El segundo es la incorporación directa, que supone una integración en forma de mezcla homogénea en la preparación junto con otro material. El resultado es relativamente inestable al cambiar de fase el PCM dentro de la estructura resultante, sin garantías de un comportamiento homogéneo de esta, y también existirá un efecto de "llorado" producido por las partículas de PCM que queden en la superficie.

Por último, la encapsulación supone introducir el PCM dentro de un contenedor que retenga el material cuando éste cambie de fase. Este contenedor puede ser de diferentes tamaños, materiales y formas, según las necesidades de aplicación y posibilidades desarrolladas por la industria. En este apartado, se pueden diferenciar dos grandes grupos de tipos de encapsulación. En primer lugar, el macro-encapsulado, que consiste en encapsular el PCM en contenedores de dimensiones relativamente grandes, desde milímetros hasta incluso metros. Pueden ser desde tubos, bolsas, bolas, latas, piezas cerámicas o cualquier otro tipo de recipiente con las características adecuadas para albergarlo. Pueden contener desde unos pocos gramos de PCM hasta kilogramos. La gran ventaja de esta encapsulación es su amplia aplicación con líquidos y la facilidad de la transferencia de calor por aire, además de ser, por lo general, fáciles de manejar. Estos contenedores pueden ser utilizados como intercambiadores de calor o también se pueden utilizar incorporándolos directamente dentro de la construcción. El éxito del macro-encapsulado es diseñar la macro-cápsula para que encaje a la perfección con su aplicación y tenga las mejores características para la transmisión del calor al PCM. El segundo tipo es el micro-encapsulado, en el que la encapsulación en este caso es a través de un delgado envoltorio polimérico de de dimensiones tan reducidas que almacenan únicamente micro-partículas de PCM. Para observar el PCM es necesario un microscopio de alta resolución. Se trata de un proceso de diseño y fabricación químicos complejo y realizado en laboratorio, por lo que se requiere un fabricante especializado.

En el caso de sistemas de acondicionamiento colocados en el suelo, los prototipos que se conocen comercialmente en su mayoría están relacionados con sistemas de acumulación energética activos, básicamente por radiación, mediante agua, otros líquidos conductores o energía eléctrica, que requieren un mantenimiento periódico.

El acondicionamiento térmico pasivo que en la actualidad se conoce para pavimentos está vinculado al aumento de la inercia térmica de los materiales lo que implica el aumento de espesor y masa del forjado, y son siempre sistemas de acumulación sensible. Estos sistemas tienen bastantes desventajas. La primera, es que no se consigue almacenar a temperaturas mayores a las que se encuentra sometido el ambiente exterior, y por tanto, la acumulación de energía es bastante ineficaz. Como la acumulación se hace generalmente en las capas superficiales de los materiales, el acondicionamiento no cubre largos períodos de tiempo. Otra desventaja es que aumentar la inercia térmica a través de la masa supone aumentar el peso, encareciendo el costo de la obra, por lo que esta solución no es adecuada.

Otros sistemas de acondicionamiento térmico más recientes son los que se describen a continuación.

En el año 2002, la Universidad de Colorado (C. Hittle, Douglas, Universidad Estatal de Colorado 2002) desarrolló un grupo de prototipos de prueba de baldosas para el Departamento de Energía de Los Estados Unidos, constituidos por polvo de cuarzo, resina y micro encapsulado de parafina (PCM), demostraron en una primera fase de pruebas, tanto físicas como químicas, que el ahorro anual en calefacción se podía situar en un 24% anual. El sistema aún sigue siendo sometido a estudios con variaciones en la proporción de los materiales. Se estima que, para...

1. Sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos, caracterizado porque comprende

- al menos una placa soporte (1) cuadrangular dispuesta bajo el suelo técnico (7) de un edificio en el que existe circulación de aire, estando insertadas en dicha placa soporte (1)

- una pluralidad de cápsulas metálicas (2) estancas, albergando cada una de ellas en su interior

- un material de cambio de fase que acumula calor cuando dicho material pasa de fase sólida a fase líquida y libera dicho calor cuando pasa de fase líquida a fase sólida.

2. Sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos, según la reivindicación 1, caracterizado porque la placa soporte (1)

- está realizada en poliestireno expandido

- y porque comprende una pluralidad de alojamientos (3) para las cápsulas metálicas (2).

3. Sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una pluralidad de placas soporte (1) unidas entre sí mediante medios machihembrados (6) realizados en las esquinas de dichas placas soporte (1).

4. Sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las cápsulas metálicas (2) están realizadas en aluminio y porque comprenden un cilindro (4) y una cubierta (5).

5. Sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el material de cambio de fase es una mezcla orgánica a base de parafinas que tiene una temperatura de cambio de fase situada entre 21ºC y 28ºC.

6. Sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las placas soporte (1) están dispuestas a una distancia de un centímetro del acabado inferior del suelo técnico (7), siendo forzado el recorrido del aire a través de dichas placas soporte (1).