ES2351290B2 - Sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos. - Google Patents

Abstract

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.

Description

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:

1

Donde m es la masa del medio, Ce es el calor específico del material y \DeltaT 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:

2

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 que la baldosa cumpla con la capacidad portante necesaria, el porcentaje de polvo de cuarzo debe mantenerse constante pero que aún se puede aumentar la cantidad de PCM para aumentar la eficiencia de la pieza.

Otra forma de estudiar los materiales de cambio de fase PCM en suelos, la ha estado realizando la Universidad de Tsinghua de Pequín (Xu, Xu 2005). En el año 2004 desarrollaron un modelo analítico y posteriormente experimental que consistía en una placa con PCM estabilizado, compuesto por un 70% del peso en PCM a granel, un 15% de polietileno y otro 15% de un copolímero en bloque de estireno-butadieno-estireno (SBS), como material de soporte del PCM. En el modelo teórico, la placa de 20 mm de espesor se colocó sobre un suelo de 50 mm recubierto con una capa aislante de poliestireno. Sobre la placa se contempló un pavimento de 10 mm, además de las variaciones en tres tipos de climatologías típicas de las ciudades de China (Urunchi, Beijing, Shangai), y tres tipos de materiales de pavimentos diferentes (baldosa, metales y madera). Para validar los resultados se monitorizó un prototipo durante 4 meses, compuesto por una placa de PCM de 8 mm de espesor, colocado sobre una capa de aislante de 50 mm de espesor de poliestireno.

Los modelos analizados bajo esas circunstancias revelaron que la temperatura adecuada de fusión del PCM debe ser igual a la temperatura media de un día soleado de invierno, el calor de fusión y la conductividad térmica del PCM deben ser mayores de 120 kJ/kg y 0,5 W/(m\cdotK) respectivamente. El espesor de la placa de PCM no debe sobrepasar los 20 mm. El comportamiento de la baldosa y del metal fue mejor que el de la madera para este tipo de suelos y, por último, el espacio donde circulaba el aire entre las placas de PCM y el suelo deba ser mínimo.

La misma Universidad de Tsinghua (Zhu. Yingxin, Yi. Jiang, Qin. Youguo), desarrolló un sistema de suelo técnico con materiales de cambio de fase que empleó como sistema complementario de acondicionamiento bioclimática en su edificio, como parte del proyecto GOBAS (Green Olympic Building Assessment Systems), promovido por el ministerio de Ciencia y Tecnología en busca de una construcción sostenible.

En España, la universidad de Lérida junto con la Universidad de Zaragoza (Ibáñez, Manuel, 2005) desarrolló, en el año 2004, un modelo teórico de simulación de paneles de hormigón con PCM empleando el programa de cálculo energético en construcción TRNSYS. Los resultados fueron validados experimentalmente con un prototipo de bloque de hormigón de 8 cm x 8 cm x 15 cm, mezclado en proporción de 5% PCM/kg hormigón. El PCM utilizado para tal prototipo fue el micro-encapsulado MICRONAL® de la empresa Basf.

Los resultados obtenidos demostraron que el programa de simulación empleado puede ser bastante eficiente como herramienta para este tipo de estudios, sin embargo, se necesita una validación experimental más profunda que aporte datos reales del comportamiento térmico de los materiales. El documento no muestra resultados claros de la temperatura medida.

En Holanda, la facultad de ingeniería de la Universidad de Twente (Hunger, M., Brouwers, J. 2009) está estudiando diferentes tipos de mezclas de hormigón con PCM, y hasta la fecha han podido concluir que, dependiendo del tipo de mezcla, basada en la temperatura de cambio de fase que se elija, se pueden conseguir diferentes porcentajes de reducción de la temperatura en interiores, y hasta puede llegar a ser bastante beneficioso para el curado de hormigón en épocas de heladas la inserción del PCM para pavimentos de exteriores.

En cuanto a sistemas mixtos pasivos y activos, en 2001 en la Universidad de Auckland, Nueva Zelanda (M. Farid, W.J. Kong 2001), se realizaron una serie de ensayos introduciendo PCM (CaCl_{2} 6H_{2}O con Tª de cambio de fase 28ºC) encapsulado embebido en losas de hormigón en el solado. Éstas se colocaban en contacto con un sistema de tuberías de suelo radiante, de forma que se aprovechaba como sistema de almacenamiento y regulador de la temperatura, manteniendo la superficie de la losa constante durante un mayor periodo del día que el periodo activo del suelo radiante.

En esta línea de investigación, y continuando con las investigaciones que realizaban en los sistemas pasivos, también en la Universidad de Tsinghua, Pequín (Xu. Xu, Lin. Kunping) en 2004, integraron las placas de PCM, estabilizado en matrices de polietileno y composite, en un sistema combinado de calentamiento mediante suelo eléctrico radiante. De esta manera se aprovecha la tarifa eléctrica nocturna en invierno para el calentamiento de las placas y se reducía el consumo durante el día, manteniendo temperaturas constantes de forma más eficiente. El proyecto fue continuado recientemente, en 2009, en la misma Universidad de Beijing (Li. Jian li, Xue. Ping, He, Hong) con el mismo concepto pero modificando la placa de PCM. En esta ocasión, el material de cambio de fase estaba en forma micro-encapsulada, evitando el goteo del material, introduciéndose en una matriz de composite de polietileno y residuos de madera de alta densidad. De esta forma la placa trabajaba como capa de almacenamiento de calor en un sistema eléctrico de suelo radiante. Los resultados reflejaron una mejora en la regulación de la temperatura a lo largo del día y una reducción del coste energético, verificando la idoneidad del material para funcionar como capa almacenadora de calor.

En este campo, dentro del terreno de las estrategias de verano, la Universidad de Hokkaido en colaboración con el Instituto Tecnológico de Tokio, Japón, (K. Nagano, S. Takeda) desarrolló en 2005 un sistema de almacenamiento de frío nocturno mediante climatización que aprovechaba la tarifa nocturna. Este sistema comprendía una capa de unos 3 cm de PCM (parafinas con Tª de cambio de fase de 20ºC) encapsulado en esferas de vidrio poroso obtenido de reciclaje, creando un granulado de varios centímetros. Esta capa se colocaba directamente sobre el forjado y sobre ella una baldosa perforada que facilita el paso de aire, cubierta a su vez por una alfombra o moqueta que permitía esta ventilación. La capa granular, porosa al aire, permitía que durante la noche un flujo de aire de climatización cargara el PCM de frío que luego se liberaría durante el día reduciendo el consumo de climatización diurno. Los resultados de los ensayos demostraron la alta efectividad del sistema, reduciendo a 3 h la necesidad de uso de climatización durante el día y una menor variación de la temperatura del local a lo largo de ese periodo.

En el año 2005, el Departamento de Construcción y Tecnología Arquitectónicas, de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), desarrolló un sistema de acumulación de energía con PCM, integrado en baldosas contenedoras de pavimento del suelo técnico, y un sistema de ventilación auxiliar para verano. Este sistema estaba integrado en una vivienda bioclimática denominada Magic-Box. Con ella participaron en el concurso Solar Decathlon 2005 organizado por el Departamento de Energía de los EE.UU. El objetivo principal de este evento consiste en diseñar, construir y monitorizar el funcionamiento real una casa autosuficiente en energía. Esto supuso un diseño que contemple tanto el suministro de energía eléctrica como una arquitectura bioclimática de acumulación térmica pasiva. La construcción se efectuó a lo largo de los meses de septiembre y octubre de 2005 en Washington. Durante el período previo de ensayos y posteriormente el de competición que permaneció la casa construida en EE.UU., se monitorizó la temperatura. Los resultados obtenidos demostraron que se pueden obtener bastantes beneficios con el empleo de este sistema de suelo. En la actualidad uno de los dos prototipos que se construyó se encuentra instalado y recogiendo datos de funcionamiento en Pequín, en el recinto de Future House, representando a España.

Los sistemas de acondicionamiento pasivo presentan una limitación en general, y esta es que dependen para funcionar de las cambiantes condiciones meteorológicas de la zona donde se instalen y, por tanto, de un sistema de almacenamiento de energía.

Uno de los inconvenientes más notorios de este tipo de sistemas de acondicionamiento térmico pasivo reside en que los sistemas de almacenamiento energético que precisan, se integran con mucha dificultad en el edificio, no se adaptan a las condiciones cambiantes del momento, no son controlables ya que su funcionamiento es autónomo y en definitiva, no se pueden regular correctamente.

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Aun así, sería deseable un sistema que consiguiera un acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para edificios los más eficiente posible, evitando o minimizando los inconvenientes existentes en los anteriores sistemas del estado de la técnica.

Descripción de la invención

La presente invención consiste en un sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético para suelos técnicos, que está formado por al menos una placa soporte cuadrangular, que está dispuesta bajo el suelo técnico de un edificio en el que existe circulación de aire. En esta placa o placas soporte, está insertada una pluralidad de cápsulas metálicas estancas, albergando cada una de ellas en su interior un material de cambio de fase, o PCM, el cual acu-
mula calor cuando pasa de fase sólida a fase líquida y libera dicho calor cuando pasa de fase líquida a fase sólida.

Este sistema incrementa la masa térmica del edificio, sobre un material aislante industrializado, que facilita y acelera su colocación, al tiempo que aísla el suelo térmica y acústicamente. El sistema se adapta a cualquier tipología edificatoria, a diferentes dimensiones del suelo técnico, a diferentes cargas térmicas y a diferentes condiciones climáticas. Este sistema aprovecha los ciclos de calor y frío naturales a lo largo del día y de las estaciones del año para conseguir minimizar los sistemas de climatización en invierno y verano, y disminuir el consumo de energía.

De forma preferente, la placa soporte está realizada mediante moldeo y fresado, en poliestireno expandido y tiene unos alojamientos en los que se alojan las cápsulas metálicas que albergan el material de cambio de fase. Así, las cápsulas metálicas con el PCM en su interior quedan incrustadas en las placas para evitar el vuelco y mantener la necesaria distancia mínima entre dichas cápsulas para la correcta circulación del aire.

Cuando el soporte está formado por una pluralidad de placas, éstas encajan entre sí mediante medios machihembrados en las esquinas de dichas placas, creando una superficie continua, salvando los puntos de apoyo para el suelo técnico.

La placa soporte de poliestireno aporta aislamiento a las propias cápsulas y el aislamiento térmico y acústico que precisan las divisiones horizontales de la edificación. El sistema prevé cubrir la superficie bajo el suelo técnico precisa en cada caso, sin ser necesario cubrirlo totalmente.

De acuerdo con una realización particular de la invención, el material de cambio de fase PCM es una mezcla orgánica a base de parafinas que tiene una temperatura de cambio de fase variable, para adaptarse al clima de cada lugar y a las necesidades del edificio, pudiendo variar entre 21ºC y 28ºC. Sin embargo, se pueden emplear otros tipos de PCM siempre que se asegure la compatibilidad química entre el PCM y su envase. El producto, previamente a alcanzar la temperatura de cambio de fase, se encuentra en estado sólido. Una vez llega a este punto comienza a licuarse manteniendo su temperatura constante en la franja establecida, hasta que se haya licuado toda su masa, almacenando así el calor latente del cambio de estado.

El funcionamiento del sistema trabaja con las variaciones de temperatura que se producen durante el día y la noche. El PCM se solidifica o licúa al absorber o ceder este calor, que se produce cíclicamente, y se transmite a través del aire del ambiente. Siendo una estrategia que funciona tanto en verano como en invierno, durante el día absorbe el calor sobrante y por la noche lo cede, la diferencia radica en hacia donde se libera esta energía durante las horas nocturnas, si hacia el local o hacia el exterior, de esta forma se recupera o se expulsa el calor según necesidad.

En invierno, la energía calorífica recibida y creada en los interiores se hace circular mediante ventilación bajo el suelo técnico cediendo el calor transportado a las cápsulas con el PCM donde quedará almacenado en forma de calor latente produciendo su cambio de estado. Posteriormente al enfriarse el ambiente, este calor será liberado cuando la temperatura descienda por debajo de la temperatura de cambio de estado del material, emitiendo energía de vuelta al ambiente y manteniendo una temperatura constante del local durante un mayor periodo de tiempo.

En verano, la estrategia de funcionamiento hace que al anochecer descargue y libere el calor solidificándose, es decir, "almacenando el frío nocturno", al ventilar en las horas de noche. Durante el día, el calor va siendo absorbido por el PCM, a medida que vuelve a licuarse, reduciendo la temperatura del local respecto al exterior y manteniéndola constante a la temperatura de cambio de fase.

Dado que la transferencia de calor siempre se realiza desde un punto de mayor temperatura a uno de menor temperatura, en un sistema si uno de sus componentes está más caliente tiende a ceder su calor a otro menos caliente hasta encontrar el equilibrio. En el sistema objeto de esta patente, a primera hora de la mañana de un típico día de invierno, la parafina aparecerá congelada. Lo primero será capturar la energía solar, sacando partido del diseño arquitectónico mediante los huecos acristalados. Cabe recordar que cuanto mayor sea la captación de los rayos del sol mayor será el ahorro energético en una vivienda bioclimática. Cuando la radiación caliente el aire a la temperatura de cambio de fase del PCM, se producirá una circulación por convección bajo el falso suelo a través de las cápsulas y el calor licuará el PCM manteniendo su temperatura constante mientras que realiza el cambio de estado. En general para las condiciones de invierno la cantidad total de parafina prevista, en la opción de todos los envases colocados, no alcanza a licuarse/derretirse totalmente con el calor que recibe; sin embargo, cuando la parafina comienza a licuarse el material almacena el exceso de energía haciendo que la temperatura del ambiente esté por encima o muy cerca de este valor. Cuando la radiación disminuya y la temperatura del ambiente comience a descender hasta ser inferior de la temperatura de cambio de fase, la parafina comenzará a solidificar permaneciendo la temperatura constante a la de cambio de fase, cediendo energía al recinto durante este intercambio, y por tanto equilibrando la temperatura ambiente que superará a la temperatura exterior.

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En condiciones de verano, durante las horas nocturnas, el PCM permanece solidificado, al bajar la temperatura por debajo de la de cambio de fase con la colaboración de la ventilación nocturna. Con la salida del sol y la radiación solar, la temperatura exterior comienza a incrementarse, y por transmisión también lo hará la temperatura en el interior del sistema. De este modo, el PCM se licuará conservando su temperatura constante durante el cambio de fase, por lo tanto regulará la temperatura del ambiente al absorber constantemente el calor que le aporta el local hasta que ambos valores se equilibren, por lo que la temperatura interior al local será inferior que la exterior al local. Cuando el PCM esté completamente licuado y la temperatura exterior comience a descender, al hacerlo por debajo de la Temperatura de cambio de estado el PCM se solidificará de nuevo y comenzará a ceder calor al medio hasta conseguir el equilibrio alrededor de la temperatura de cambio de estado. Si no desciende lo suficiente por debajo de la Temperatura de cambio de estado, será la parafina la que absorba calor hasta encontrar el equilibrio, completando ciclos de almacenamiento y cesión de energía para equilibrarse con la temperatura del local donde se encuentre instalado.

Como consecuencia, la sensación de confort en el interior del local será más estable que en el exterior del local, pues la temperatura estará próxima siempre a la temperatura del cambio de estado, ganando o cediendo calor ya sea en invierno por debajo de la Temperatura de cambio de estado, y en verano por encima.

Por tanto, el sistema de acondicionamiento objeto de la invención presenta una serie de ventajas con respecto a los sistemas de acondicionamiento para edificaciones existentes en el estado de la técnica.

En primer lugar, se produce un importante ahorro energético al reducir el consumo de energía para la climatización de los espacios interiores debido a el almacenamiento de energías renovables y su posterior reutilización. Además, no requiere para su uso ningún tipo de equipos o de adecuaciones constructivas para su funcionamiento. El presente sistema mejora las condiciones térmicas interiores, en invierno y en verano, al conseguir un desfase entre la captación de la energía y su posterior emisión de vuelta al ambiente, lo que no consiguen los sistemas de almacenamiento de calor sensibles. Se obtiene una temperatura más homogénea y constante en torno al bienestar higrotérmico a lo largo de la mayor parte del día.

La placa de poliestireno expandido se puede utilizar además como elemento de aislamiento térmico y acústico para los forjados. Además, todos los materiales empleados son reciclables, colaborando con la sostenibilidad, e incluso se puede fabricar con materiales reciclados o reutilizados. El sistema es fácil de instalar, no requiriendo mano de obra especializada, a la vez que no requiere mantenimiento y tiene una vida útil igual a la del edificio en el que se instala.

Este sistema se puede instalar en cualquier tipo de edificios, ya que es un sistema pasivo que sólo requiere la colocación de suelos técnicos para poder ser ubicado debajo.

Descripción de las figuras

A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a una serie de figuras.

La figura 1 es una vista en planta (1a) y en alzado (1b) de una realización de la placa soporte del sistema de acondicionamiento térmico objeto de la presente invención.

La figura 2 muestra de forma esquemática la ubicación del sistema objeto de la presente invención bajo un suelo técnico.

La figura 3 muestra de forma esquemática el montaje de las cápsulas con el material de cambio de fase PCM en la placa soporte.

En estas figuras se hace referencia a un conjunto de elementos que son:

1.

placa soporte

2.

cápsulas metálicas

3.

alojamientos de la placa soporte para las cápsulas metálicas

4.

cilindro de las cápsulas metálicas

5.

cubierta de las cápsulas metálicas

6.

medios machihembrados en las esquinas de las placas soporte

7.

suelo técnico.

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Descripción de realizaciones preferentes de la invención

La presente invención consiste en un sistema de acondicionamiento térmico y almacenamiento energético, de los utilizados para suelos técnicos de edificaciones.

Tal y como se observa en las figuras, según una realización preferente de la invención, cada placa soporte 1 tiene capacidad para un máximo de 45 cápsulas cilíndricas 2, metálicas y herméticas. Éstas irán rellenas con un material de cambio de fase PCM, tipo parafina, con una temperatura de cambio de fase variable, para adaptarse al clima de cada lugar y a las necesidades del edificio, pudiendo variar entre 21ºC y 28ºC. Las cápsulas 2 se colocan encajadas sobre una placa soporte 1 moldeada y fresada de poliestireno expandido de medidas 60 cm x 60 cm que constituye la unidad base. Las placas soporte 1 de poliestireno encajan entre sí machihembradas creando una superficie continua, salvando los puntos de apoyo para el suelo técnico 7. Esta placa soporte 1 de poliestireno aporta aislamiento a las propias cápsulas 2 y el aislamiento térmico y acústico que precisan las divisiones horizontales. El sistema prevé cubrir la superficie bajo el suelo técnico 7 precisa en cada caso, sin ser necesario cubrirlo totalmente.

Las placas soporte 1 deben estar, bajo el suelo técnico 7, a una distancia mínima, alrededor de 1cm, del acabado inferior del suelo técnico 7, para forzar el recorrido del aire a través de las cápsulas 2 en lugar de por encima de ellas. De la misma manera, la distancia establecida entre cápsulas 2 por la placa soporte 1 de poliestireno es importante porque condiciona un correcto flujo entre ellas para que se produzca una adecuada transmisión térmica.

Para obtener esta realización preferente del sistema de acondicionamiento térmico objeto de la presente invención, cada uno de sus componentes tiene las siguientes características:

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Las cápsulas metálicas 2 con el material de cambio de fase PCM en su interior quedan incrustados en las placas soporte 1 para evitar el vuelco y mantener la necesaria distancia mínima entre dichas cápsulas 2 para la correcta circulación del aire entre éstas y una mayor transmisión del calor entre el ambiente interior del edificio y las cápsulas 2.

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Estas cápsulas 2, o contenedores para el material de cambio de fase PCM son piezas metálicas de aluminio fabricadas en dos piezas: un cilindro 4 con base, conformados en una sola pieza mediante un proceso de extrusión profunda sobre una plancha de aluminio y sellados mediante la colocación de la cubierta 5, pieza que hace de tapa una vez que las cápsulas 2 han sido llenadas con el material de cambio de fase PCM. Debido a las posibles dilataciones del material, sumado a la posibilidad de errores en la colocación o llenado se establece un volumen de 200 mi por cápsula 2 grande, y de 100 mi por cápsula 2 pequeña, de forma que por cada placa soporte 1, con una capacidad máxima de 45 cápsulas 2, podrá portar un máximo 9.2 litros de material de cambio de fase.

De acuerdo con la realización preferente de la invención, a continuación se presentan las dimensiones óptimas de los componentes del sistema de acondicionamiento térmico.

Las placas soporte 1 de poliestireno expandido presentan unas medidas 600 mm x 600 mm, con un espesor de 60 mm, con cajeado 6 en las esquinas y escalonamiento para montaje. La pieza tiene 53 huecos cilíndricos fresados, siendo 8 de ellos medios huecos, en el escalonamiento para montaje. Esto hace una capacidad de un máximo de 45 cápsulas metálicas 2 por placa soporte 1, estando 8 de ellos compartidos con dos placas soporte 1 contiguas. Hay que indicar que el número de cápsulas 2 puede ser variable dependiendo de la necesidad de acumulación.

Existen dos tamaños de cápsulas 2 para el alojamiento del material de cambio de fase PCM, uno grande, de 13,4 cm de altura, y otro de la mitad de altura, para aquellos casos en los que el suelo técnico 7 sea de poca altura. El volumen de la cápsula 2 grande es de 25 el = 250 cm^{3}, con un diámetro del cilindro 4, tanto del cuello como del cuerpo de 50 mm, con lo que el PCM alcanzaría una altura de casi 12.75 cm, siendo la altura del contenedor de 13.4 cm. Este envase coincide con el modelo comercial de algunos recipientes de refresco, por lo que podrían reutilizarse directamente, siendo ésta una medida altamente sostenible. El volumen de la cápsula 2 pequeña es de 12,5 el = 125 cm^{3}, con un diámetro del cilindro 4, tanto del cuello como del cuerpo de 50 mm, con lo que el PCM alcanzaría una altura de casi 6.00 cm, siendo la altura de la cápsula 2 de 6,70 cm. Las dimensiones y el material establecidos tienen relación directa con las necesidades y características del PCM, para un adecuado funcionamiento de los ciclos de carga y descarga del material de acuerdo a la transmisividad.

Según estos valores, la capacidad de almacenamiento energético sería la siguiente:

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La realización preferente del sistema de acondicionamiento térmico objeto de la presente invención particularmente se llevará a cabo de la siguiente forma:

En primer lugar se fabricarán las placas soporte 1 de poliestireno expandido de medidas 600 mm x 600 mm x 60 mm con cajeado 6 en las esquinas de 70 mm y escalonamiento para montaje de 30 mm, con fresado de 53 huecos cilíndricos 3 y capacidad para 45 cápsulas 2, ocho de ellos medios alojamientos 3.

Paralelamente se fabrican las cápsulas 2 de aluminio mediante un proceso de extrusión profunda de 134 mm de altura y 50 mm de diámetro. Estos se rellenarán con 200 cc de PCM en estado líquido y se sellarán con una cubierta 5, igualmente de aluminio, para evitar pérdidas y deterioros del material.

El PCM será de tipo parafina de mezcla orgánica con una temperatura de cambio de fase entre 21ºC y 28ºC, preferentemente 23ºC, adecuado para un clima medio español.

A continuación se encajan las cápsulas 2 rellenas de PCM en los alojamientos 3 de la placa soporte 1 de poliestireno expandido, verificando que quedan adecuadamente ajustados y verticales. De esta forma queda conformada la unidad del sistema.

A continuación se sitúan las placas soporte 1 sobre el forjado. Posteriormente se colocarán los pedestales de suelo técnico 7 en los huecos donde las placas soporte 1 del sistema van dando su ubicación, y sobre ellos las baldosas de acabado del suelo.

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De este modo se evitará el pisado sobre las placas soporte 1 de poliestireno expandido posteriormente a su colocación, ya que su resistencia a compresión es baja y se deterioraría la integridad del material.

El interior del local recibirá la energía calorífica a través de la radiación solar, la propia actividad de los usuarios o la ventilación nocturna, acondicionando el aire que se impulsará mediante ventilación natural o forzada bajo el suelo técnico 7, transfiriendo su energía al material de cambio de fase PCM, concretamente las parafinas, al circular entre los envases.

Una vez descrita de forma clara la invención, se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims (6)

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.

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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).

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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).