Este invento es una composición de materiales de cambio de fase (PCM) y su aplicación a la piedra natural con el objeto de mejorar sus propiedades térmicas.

Se utilizan distintos PCM en función del tipo de piedra y de la forma en la que se introduce o aplica a la piedra: El uso de los PCM en polvo, emulsiones, etc., depende de la porosidad de la piedra y de la forma en las que se apliquen los PCM.Los PCM se incorporan a la piedra natural como:Capa sobre la superficie de la piedra.Como masilla aplicada en la superficie trasera de la piedra natural.Como capa de refuerzo (por ejemplo, en forma de mortero) aplicada en la superficie trasera de la piedra natural.Impregnación por inmersión de la piedra en una solución con PCM

Composición y procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) a la piedra natural.

Objeto de la invención

El sector industrial al que pertenece este invento es el de materiales de construcción.

Este invento tiene como objeto la descripción de la composición y del procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM: Phase Change materials) en capas o por impregnación a la piedra natural para mejorar sus propiedades térmicas (conductividad térmica y calor específico).

El uso de estos materiales respetuosos con el medio ambiente en la construcción de edificios, mejoraría notablemente la inercia térmica de los cerramientos y reduciría el consumo de energía de aparatos de climatización. La piedra natural es un material de construcción que puede contribuir de manera efectiva al ahorro de energía.

Antecedentes de la invención

El desarrollo económico y tecnológico mundial exige una mayor demanda de energía y mayores expectativas de comodidad (sistemas de calefacción y aire acondicionado). Sin embargo, los recursos energéticos son limitados y están relacionados con la emisión de gases perjudiciales, que son responsables del cambio climático, el calentamiento global y los problemas medioambientales. Los PCM se presentan como una solución para reducir la demanda energética mediante la adición de PCM a los materiales de construcción como el cemento, el yeso o las placas de yeso laminado.

- D. Zhang, Z. Li, J. Zhou, K, Wu, "Development of thermal energy storage concrete" ("Desarrollo de cemento almacenador de energía térmica"), Cement and Concrete Research, 34 (2004), 927-934.

- A. M. Khudhair, M. M. Farid, "A review on energy conservation in buildings applications with thermal storage by latent heat using phase change materials" ("Estudio sobre la conservación de energía en aplicaciones a la construcción mediante almacenamiento térmico por calor latente con materiales de cambio de fase"), Energy Conversión and Management, 45 (2004), 263-275.

Se han empleado varios compuestos químicos que se pueden utilizar como materiales de almacenamiento de calor latente: cera de parafina, ácidos grasos, sales hidratadas, etc.

El uso de los PCM como sistemas de almacenamiento térmico ha sido un tema de interés desde su primera aplicación en los años 40. Los PCM almacenan calor latente conforme la temperatura ambiente sube hasta el punto de fusión (los PCM cambian de estado sólido a estado líquido). Conforme la temperatura baja, los PCM vuelven al estado sólido y el calor latente es liberado. Esta absorción y liberación de calor tiene lugar a una temperatura constante, lo que resulta ideal para moderar las fluctuaciones de temperatura.

La propiedad de almacenamiento de energía térmica de los PCM se basa en su capacidad de almacenamiento del calor latente, debido a que se pueden almacenar grandes cantidades de energía en un volumen pequeño de PCM. Por consiguiente, los materiales que contienen PCM pueden absorber y liberar calor de una manera más eficiente que los materiales de construcción convencionales [D.W. Hawes, D. Feldman, "Latent heat storage in building materials" ("Almacenamiento de calor latente en materiales de construcción", Energy and Buildings, 20, 77-86 (1993)]. Sin embargo, para poder hacer un uso efectivo de los PCM es importante seleccionar el punto de fusión.

Los PCM se incorporan directamente a las placas de yeso para la construcción de tabiques en la fase de mezcla durante la producción del yeso. Feldman et al [D. Feldman, D. Banu, "Obtaining an energy storing building material by direct incorporation of an organic phase change material in gypsum wallboard" ("Obtención de un material de construcción con capacidad de almacenamiento energético mediante la incorporación directa de un material de cambio de fase en la placa de yeso para tabicación"), Solar Energy Materials, 22, 231-242 (1991)] incorporaron directamente estearato de butilo como PCM durante la producción del yeso consiguiendo aumentar diez veces la capacidad de almacenamiento térmico en comparación al yeso sin PCM.

Se han encontrado algunas referencias sobre el uso de los PCM para mejorar las propiedades del cemento o el yeso. Algunos autores [D.W. Hawes, D. Banu, D. Feldman, "Latent heat storage in concrete" ("Almacenamiento de calor latente"). Solar Energy Mater, 21, 61-80 (1990)] han estudiado el rendimiento térmico de los PCM en diferentes tipos de bloques de cemento. El almacenamiento térmico en cemento con PCM aumentó en más de un 200%.

Salyer et al [I.O. Salyer, A.K. Sircar, A. Kumar, "Advanced phase change materials technology: evaluation in lightweight solite hollow-core building blocks" ("Tecnología avanzada sobre materiales de cambio de fase: Evaluación en ladrillos cerámicos huecos ligeros". En: Proceedings of the 30th Intersociety Energy Conversión Engineering Conference, Orlando, FL, USA, 1995, pp.217-224.] han desarrollado varios métodos de incorporación de PCM en ladrillos: materiales porosos embebidos con PCM, mediante la absorción de los PCM en sílice o la incorporación de los PCM a portadores poliméricos.

Se han encontrado varias aplicaciones de los PCM como sistemas de almacenamiento energético. En la actualidad, los PCM se usan en aplicaciones térmicas solares de baja temperatura [S.D. Sharma, H, Kitano, K. Sagara, "Phase Change Materials for low temperature solar thermal applications" ("Materiales de cambio de fase para aplicaciones térmicas solares de baja temperatura"), Res. Rep. Fac. Eng. Mie Univ., Vol.29, pp.31-64 (2004)], en colectores solares, como materiales aislantes en ropa e indumentaria deportiva [S. Moldal, "Phase change materials for smart textiles" ("Materiales de cambio de fase en tejidos inteligentes"), Applied Thermal Engineering, 28, 1536-1550 (2008)] o en accesorios de cama [I.O. Salyer, "Phase change materials incorporated throughout the structure of polymer fibers" ("Materiales de cambio de fase incorporados en la estructura de fibras poliméricas"), US Patent 5.885.475 (1999)], para el almacenamiento térmico de frío en refrigeración de hortalizas [H. Kowata, S. Sase, M. Ishii, H. Moriyama, "Cold water thermal storage with phase change materials using nocturnal radiative cooling for vegetable cooling" ("Almacenamiento térmico de agua fría con materiales de cambio de fase usando refrigeración por radiación nocturna para la refrigeración de hortalizas"), Proceedings of the World Renewable Energy Congress Wll, Cologne (Alemania). 2002].

Por otro lado, la principal dificultad en el uso de los PCM es su incorporación a los materiales de construcción. Pueden ser incorporados directamente por inmersión, como polvo (microencapsulados) o como lodos, en grandes tanques, tuberías o depósitos (macroencapsulados), etc. Por esta razón, esta invención propone varios métodos para la incorporación de los PCM en la piedra natural en función de la porosidad de la piedra natural.

La Directiva 2002/91/EC sobre el rendimiento energético de los edificios indica que las medidas para mejorar el ahorro energético de los edificios deberían tener en cuenta las condiciones climáticas y las locales así como el entorno climático del interior. Por esta razón, esta invención considera aplicaciones y usos distintos de los PCM incorporados a la piedra natural.

Descripción de la invención

Esta patente trata de la composición y del procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) a la piedra natural con el objeto de mejorar sus propiedades térmicas.

Los procedimientos para la aplicación del nuevo material (piedra natural-PCM) pueden diferir en función de cómo se aplique: piedra natural para exteriores o fachadas, calentamiento del suelo o calefacción bajo suelo.

Se utilizan distintos PCM en función del tipo de piedra y de la forma en la que se introduce o aplica a la piedra: El uso de los PCM en polvo, emulsiones, etc. depende de la porosidad de la piedra y de la forma en las que se apliquen los PCM.

Los PCM se incorporan a la piedra natural como:

Capa sobre la superficie de la piedra. Los PCM se pueden introducir en la fórmula de la resina utilizada para la consolidación de la piedra.

Como masilla aplicada en la superficie trasera de la piedra natural.

Como capa de refuerzo (por ejemplo, en forma de mortero) aplicada en la superficie trasera... [Seguir leyendo]

1. Composición de materiales de cambio de fase (PCM) para su aplicación a la piedra natural de baja, media y alta porosidad (piedra macroporosa), con el objeto de aumentar su inercia térmica debido a su capacidad para almacenar calor latente caracterizado porque, los componentes y proporciones de masillas de relleno de resinas de consolidación utilizadas en el proceso de refuerzo de la piedra natural de baja porosidad (en la superficie expuesta) o incluidos en la composición de los morteros aplicados en la superficie trasera de la piedra natural de baja porosidad son los siguientes:

- Resina epoxy: 83,3 g

- Agente endurecedor para la resina epoxy: 50 g

- Agua: 80 g

- PCM (polvo): 10,66 g.

2. Composición de materiales de cambio de fase (PCM) para su aplicación a la piedra natural de baja, media y alta porosidad (piedra macroporosa) con el objeto de aumentar su inercia térmica debido a su capacidad para almacenar calor latente según reivindicación primera caracterizado porque, los componentes y proporciones de masillas de relleno de morteros, utilizados también como capa de refuerzo aplicada en la superficie trasera de la piedra natural de baja porosidad son los siguientes:

- Resina epoxy: 8,33 g

- Agente endurecedor para la resina epoxy: 5 g

- Agua: 6,67 g

- PCM (polvo): 5 g.

3. Composición de materiales de cambio de fase (PCM) para su aplicación a la piedra natural de baja, media, y alta porosidad (piedra macroporosa), con el objeto de aumentar su inercia térmica debido a su capacidad para almacenar calor latente según reivindicación primera caracterizado porque, los componentes y proporciones de masillas con PCM de alta viscosidad utilizados para rellenar los poros de la piedras macroporosas son los siguientes:

- Resina epoxy: 15 g

- Agente endurecedor para la resina epoxy: 9 g

- Agua: 9,6 g

- PCM (polvo): 6,72 g.

4. Procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) a la piedra natural en función de su baja, media o alta porosidad, según reivindicación primera caracterizado porque, para la piedra natural de baja porosidad utilizado como masilla de relleno de resinas de consolidación, los componentes siguientes:

- Resina epoxy: 83,3 g

- Agente endurecedor para la resina epoxy: 50 g

- Agua: 80 g

- PCM (polvo): 10,66 g.

se mezclan y remueven durante 1 o 2 minutos a 400 rpm, antes de ser aplicada la mezcla resultante a la superficie de la piedra natural utilizando una espátula o paleta. Luego las piezas de piedra natural-PCM, se colocan en un horno a una temperatura de 70ºC durante 24 horas para la polimerización de la resina.

5. Procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) a la piedra natural en función de su baja, media o alta porosidad, según reivindicación segunda caracterizado porque, para la piedra natural de baja porosidad utilizado como masilla de relleno, los componentes siguientes:

- Resina epoxy: 83,3 g

- Agente endurecedor para la resina epoxy: 5 g

- Agua: 6,67 g

- PCM (polvo): 5 g.

se mezclan y remueven durante 1 o 2 minutos a 400 rpm, antes de ser añadir los agregados de la piedra. Finalmente se remueve durante 1 o 2 minutos antes de ser aplicada la mezcla resultante a la superficie de la piedra natural utilizando una espátula o paleta.

6. Procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) a la piedra natural en función de su baja, media o alta porosidad, según reivindicación primera caracterizado porque, para la piedra natural de media porosidad los pasos del procedimiento son los siguientes:

- Se coloca la piedra natural en una bandeja al vacío (100 mbar) durante 1-3 horas.

- Se incorpora la solución de PCM a la cámara de vacío y la piedra natural se baña en esta solución.

- El vacío se mantiene durante una hora.

- Se rompe el vacío.

- La piedra natural sigue en el baño durante 2 horas mas a presión atmosférica.

- El producto final, es decir, la piedra natural-PCM, se coloca en un horno a 50ºC durante 24 horas con el objeto de secarla.

7. Procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) a la piedra natural en función de su baja, media o alta porosidad, según reivindicación tercera caracterizado porque, para la piedra natural de alta porosidad utilizada como masilla de relleno de los macroporos de la piedra, los componentes siguientes:

- Resina epoxy: 15 g

- Agente endurecedor para la resina epoxy: 9 g

- Agua: 9,6 g

- PCM (polvo): 6,72 g.

se mezclan y remueven durante 1 ó 2 minutos a 400 rpm, antes de ser aplicada la mezcla resultante a la superficie de la piedra natural utilizando una espátula o paleta.