WO2010084223A1 - Composición y procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (pcm) a la piedra natural - Google Patents

Composición y procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (pcm) a la piedra natural Download PDF

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WO2010084223A1
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natural stone
stone
epoxy resin
phase change
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María Dolores ROMERO SÁNCHEZ
Celia GUILLEM LÓPEZ
Ángel Miguel LÓPEZ BUENDÍA
Founti Maria Aristeidis Elissabet
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Asociación De Investigación De Industrias De La Construcción Aidico - Instituto Tecnológico De La Construcción
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Definitions

  • the industrial sector to which this invention belongs is that of construction materials.
  • This invention has as its object the description of the composition and of the process of application of phase change materials (PCM: Phase Change materials) in layers or by impregnation to the natural stone to improve its thermal properties (thermal conductivity and specific heat).
  • PCM Phase Change materials
  • Natural stone is a building material that can contribute effectively to energy savings.
  • PCMs are presented as a solution to reduce energy demand by adding PCM to construction materials such as cement, plaster or laminated plasterboard. -D.Zhang, Z. Li, J. Zhou, K. Wu, "Development of thermal energy storage concrete", Cement and Concrete Research, 34 (2004), 927-934 .
  • paraffin wax Several chemical compounds that can be used as latent heat storage materials have been used: paraffin wax, fatty acids, hydrated salts, etc.
  • PCM thermal storage systems
  • PCMs The thermal energy storage property of PCMs is based on their latent heat storage capacity, because large amounts of energy can be stored in a small volume of PCM. Therefore, PCM-containing materials can absorb and release heat more efficiently than conventional building materials [D.W. Hawes, D. Feldman, "Latent heat storage in building materials", Energy and Buildings, 20, 77-86 (1993). However, in order to make effective use of PCM is important to select the melting point.
  • 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” (Obtaining a building material with energy storage capacity by directly incorporating a phase change material into The plasterboard for partition "), Solar Energy Materials,
  • PCMs are used in low temperature solar thermal applications [S. D. Sharma, H, Kitano, K. Sagara,
  • PCMs the main difficulty in the use of PCMs is their incorporation into building materials. They can be incorporated directly by immersion, as dust (microencapsulated) or as sludge, in large tanks, pipes or tanks (macroencapsulated), etc. For this reason, this invention proposes several methods for the incorporation of PCMs in the natural stone depending on the porosity of the natural stone.
  • This patent deals with the composition and the process of applying phase change materials (PCM) to the natural stone in order to improve its thermal properties.
  • PCM phase change materials
  • natural stone-PCM natural stone-PCM
  • natural stone for exteriors or facades natural stone for exteriors or facades, floor heating or underfloor heating.
  • PCMs are used depending on the type of stone and the way in which it is introduced or applied to the stone: The use of PCM powder, emulsions, etc. It depends on the porosity of the stone and the way in which the PCMs are applied.
  • the PCMs are incorporated into the natural stone as:
  • the PCM can be introduced in the formula of the resin used for the consolidation of the stone.
  • reinforcement layer for example, in the form of mortar applied to the back surface of the natural stone.
  • Impregnation by immersion of the stone in a solution with PCM Impregnation by immersion of the stone in a solution with PCM.
  • the PCMs are incorporated in the natural low porosity stone as filler putty in the composition of the consolidation resins used in the reinforcement process of the stone (on the exposed surface) or included in
  • composition of the mortars applied to the back surface of the natural stone The composition of the mortars applied to the back surface of the natural stone.
  • the consolidation consists in the application of a polymeric resin that improves the cohesion between the mineral components and increases the mechanical strength of the stone.
  • the consolidation components most used in natural stones for reinforcement purposes are thermostable organic polymers.
  • PCMs are incorporated as a filler putty into thermosetting resins.
  • PCM thermosetting resin
  • the PCM behaves like a normal filler putty under its melting temperature and stores heat once the melting temperature is reached. There is an increase in the viscosity of the resin as a result of the addition of the PCM. Solvents are added to reduce the viscosity.
  • Epoxy resin 83.3 g Curing agent for epoxy resin: 50 g Water: 80 g PCM (powder): 10.66 g
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) Water is used as the solvent of the hardening agent. After stirring, the epoxy resin and the PCM are added. The mixture is removed for 1 or 2 minutes, at 400 rpm, before being applied on the surface of the natural stone using a spatula or a trowel. The pieces of natural stone-PCM are placed in the oven at a temperature of 7O 0 C for 24 hours for the polymerization of the resin.
  • the PCMs are incorporated into the mortar compositions as filler putty and are applied as a reinforcement layer on the back surface of the natural stone.
  • Example of natural stone treatment with a PCM-mortar composition Example of natural stone treatment with a PCM-mortar composition.
  • Curing agent for epoxy resin 5 g Water: 6.67 g
  • Different mortar compositions are prepared using different percentages of epoxy resin, natural stone aggregates and PCM.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26)
  • Figure 1 includes the measurement by differential scanning calorimetry (DSC) of the mortar containing PCM. It can be seen that the peaks correspond to the melting temperature of the water and the PCM. The calculation of the integral of this peak gives us the value of the energy stored during the PCM fusion process.
  • Results of the experiment An experiment has been designed to measure the temperature inside a box.
  • the measuring box (30 x 30 x 30 cm) has been manufactured using an insulating material.
  • One of the sides of the box is a stone plate (30 x 30 x 2 cm).
  • Another box has been manufactured similarly using another stone plate containing PCM.
  • the boxes have been left outside for seven days and temperature variations have been measured using a thermocouple placed inside each box.
  • the objective is to analyze the temperature differences inside the box with a stone side and a stone side with PCM ( Figure 2).
  • the boxes are allowed to stabilize outside for 24 hours before starting to record measurements.
  • the temperature is measured every 10 minutes.
  • the thermocouples have been calibrated in advance.
  • the temperature inside 3 boxes is represented: the temperature inside a box with a side of natural stone of low porosity with a mortar containing PCM, Ia of a box of natural stone with a mortar without PCM and Ia of a box with a natural stone plate.
  • the natural stone with medium-sized pores is impregnated with PCM in order to provide it with thermal properties.
  • the natural stone is bathed in a solution containing PCM (different vacuum conditions and different PCM solutions, immersion times, etc.).
  • the natural stone is placed on a vacuum tray (100 mbar) for 1-3 hours.
  • the PCM solution is incorporated into the vacuum chamber and the natural stone is bathed in this solution.
  • the vacuum is maintained for one hour.
  • the void is broken. Natural stone remains in the bathroom for 2 more hours in environmental conditions.
  • the natural stone-PCM is placed in the oven at a temperature of 5O 0 C for 24 hours in order to dry it.
  • Figures 7A and 7B show the structure and distribution of the pores in the natural stone. Fossils can also be observed in the structure of the stone.
  • Figures 8A and 8B are micrographs of the natural stone with medium porosity plus PCM. It can be seen how the PCMs fill the pores of the stone, which indicates that the PCMs are in most of the natural stone.
  • Table 1 shows the values of thermal conductivity and volumetric thermal capacity for natural stone with medium porosity and for natural stone with medium porosity with PCM.
  • Putties with high viscosity PCM are prepared for the macroporous natural stone and are used to fill the macropores of the stone.
  • the amount of PCM added may vary, depending on the heat storage requirements (location, PCM melting temperature, temperature range between day and night, etc.).
  • the putty has been prepared using epoxy resins and PCM.
  • the percentage of PCM used varies in order to obtain putties with different properties and viscosities.
  • Example of natural stone treatment with a PCM-putty composition Example of natural stone treatment with a PCM-putty composition.
  • Epoxy resin 15 g Curing agent for epoxy resin: 9 g Water: 9.6 g PCM (powder): 6.72 g
  • Water is used as the solvent of the hardening agent. After stirring, the epoxy resin and the PCM are added. The mixture is removed for 1 or 2 minutes, at 400 rpm, before being applied on the surface of the natural stone using a spatula or a trowel.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) a) Outdoor, for outdoor, facades, ventilated facades. In the case of ventilated facades, thermal storage properties are used for thermal insulation of the building. In addition, after impregnation with PCM, acrylic and water-repellent treatments can be applied to the surface of the stone. b) Interiors. The PCM can be applied on the back surface of the natural stone for the storage of heat during the day and the release of heat during the night, regulating the temperature in the rooms and reducing the time in which the heating system is needed. In particular, application in underfloor heating. c) Increase the duration of the stone. Materials with PCM are not exposed to extreme temperature variations. The interval in which the temperature varies is reduced with the use of the PCM, so that the duration of the stone increases.
  • the transition temperature of the epoxy resin based putty is 58 0 C, which is within the range of values obtained for the epoxy resins.
  • the energy associated with the PCM fusion process is 69.6 J / g of PCM.
  • This value can be increased or decreased depending on the requirements of each application.
  • Figures 9A and 9B are micrographs (made with the scanning electron microscope) of the cross-section of the drusted natural stone filled with putty with PCM. The PCM can be observed as well as a total filling of the macropores of the drusada natural stone.
  • Boxes with thermal insulation material and with a side of drusada natural stone have been prepared.
  • a box has a side of drusado natural stone, another box has a side with natural stone drusado with resin and a third box has a side with drusada natural stone filled with putty with PCM.
  • the temperature inside the boxes has been measured every 10 minutes.
  • Figure 6 shows the temperature variations inside the boxes.
  • the maximum temperature of the box with drusted natural stone is always higher than that of the box with drusted natural stone filled with putty-PCM.
  • the natural stone drilled with resin shows a high maximum temperature. Therefore, the lowering of the maximum temperature is due to the effect of the PCM.
  • the difference between the materials treated with PCM to the untreated is 4.8 0 C.
  • a delay time of 3 hours is obtained for the box with natural stone drusted with PCM in comparison to the box with natural stone drilled with resin or with the plate of natural stone drusada.
  • the minimum nocturnal temperature of the box with drusada natural stone is lower compared to that of the box with the drusada natural stone filled with putty-PCM. The difference is approximately 1.6 0 C. The heat accumulated during the day in the natural stone has been released during the night
  • Figure 1 is a diagram of measurements by differential scanning calorimetry of the mortar containing PCM.
  • Figure 2 is a temperature diagram in relation to the time inside an adiabatic box with a side of natural stone with a mortar containing PCM, Ia of a box with a side of natural stone with a mortar without PCM and Ia of a box with a side of natural stone.
  • Figure 3 is a diagram of measurements by calorimetry difference of scanning of the natural stone of average porosity plus 0.5% of PCM.
  • Figure 4 is a temperature versus time diagram inside a box with a side of natural stone with medium porosity and a box with a side of natural stone impregnated with PCM.
  • Figure 5 is a diagram of measurements by calorimetry difference of sweep of the putty containing PCM.
  • Figure 6 is a temperature diagram inside a box with a side of drusted natural stone and a box with drusted natural stone filled with putty-PCM.
  • Figures 7A and 7B Micrographs obtained with scanning electron microscope of natural stone with medium porosity.
  • Figures 8A and 8B Scanning electron microscopes of the natural stone with medium porosity plus PCM.
  • Figures 9A and 9B Micrographs obtained with scanning electron microscope of the drusted natural stone filled with putty with PCM.
  • phase change materials PCM
  • application procedures for the treatment of the natural stone that can be performed based on this invention, the preferred embodiment is the one described below:
  • Application procedure The described components are mixed (epoxy resin, hardening agent for epoxy resin, PCM water powder), and removed for 1 or 2 minutes, at 400 rpm, before being applied on the surface of the pieces of natural stone using a spatula or a trowel.
  • these pieces of natural stone-PCM are placed in an oven at a temperature of 7O 0 C for 24 hours for the polymerization of the resin.

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Abstract

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.

Description

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 Ia descripción de Ia composición y del procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM: Phase Change materials) en capas o por impregnación a Ia piedra natural para mejorar sus propiedades térmicas (conductividad térmica y calor específico).
El uso de estos materiales respetuosos con el medio ambiente en Ia construcción de edificios, mejoraría notablemente Ia 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 Ia 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 Ia demanda energética mediante Ia 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 Ia conservación de energía en aplicaciones a Ia 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 Ia temperatura ambiente sube hasta el punto de fusión (los PCM cambian de estado sólido a estado líquido). Conforme Ia 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, Io 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.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Los PCM se incorporan directamente a las placas de yeso para Ia construcción de tabiques en Ia fase de mezcla durante Ia 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 Ia incorporación directa de un material de cambio de fase en Ia placa de yeso para tabicación"), Solar Energy Materials,
22, 231-242 (1991)] incorporaron directamente estearato de butilo como PCM durante Ia producción del yeso consiguiendo aumentar diez veces Ia 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 Ia absorción de los PCM en sílice o Ia incorporación de los PCM a portadores poliméricos.
Se han encontrado varias aplicaciones de los PCM como sistemas de almacenamiento energético. En Ia 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
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) temperatura"), Res. Rep. Fac. Eng. Mié 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 Ia 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, "CoId 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 Ia refrigeración de hortalizas"), Proceedings of the World Renewable Energy Congress WII1 Cologne (Alemania), 2002].
Por otro lado, Ia 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 Ia incorporación de los PCM en Ia piedra natural en función de Ia porosidad de Ia 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 Ia piedra natural.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Esta patente trata de Ia composición y del procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) a Ia piedra natural con el objeto de mejorar sus propiedades térmicas.
Los procedimientos para Ia 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 Ia forma en Ia que se introduce o aplica a Ia piedra: El uso de los PCM en polvo, emulsiones, etc. depende de Ia porosidad de Ia piedra y de Ia forma en las que se apliquen los PCM.
Los PCM se incorporan a Ia piedra natural como:
Capa sobre Ia superficie de Ia piedra. Los PCM se pueden introducir en Ia fórmula de Ia resina utilizada para Ia consolidación de Ia piedra.
Como masilla aplicada en Ia superficie trasera de Ia piedra natural.
Como capa de refuerzo (por ejemplo, en forma de mortero) aplicada en Ia superficie trasera de Ia piedra natural.
Impregnación por inmersión de Ia piedra en una solución con PCM.
La selección del procedimiento para Ia aplicación de los PCM, se hace en función del uso final en el edificio (tanto para aplicaciones de exterior como de interior) y del tipo de piedra, principalmente en relación a su porosidad:
- Materiales de baja porosidad
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) - Materiales de porosidad media
- Materiales macroporosos o de alta porosidad
1 - Incorporación de los PCM a piedra natural de baja porosidad:
Los PCM se incorporan en Ia piedra natural de baja porosidad como masilla de relleno en Ia composición de las resinas de consolidación utilizadas en el proceso de refuerzo de Ia piedra (en Ia superficie expuesta) o incluidos en
Ia composición de los morteros aplicados en Ia superficie trasera de Ia piedra natural.
1.1- Como masilla de relleno de resinas de consolidación: La consolidación consiste en Ia aplicación de una resina polimérica que mejora Ia cohesión entre los componentes minerales y aumenta Ia resistencia mecánica de Ia piedra. En Ia actualidad, los componentes de consolidación más utilizados en piedras naturales con fines de refuerzo son los polímeros orgánicos termoestables. Los PCM se incorporan como una masilla de relleno a las resinas termoestables.
Se obtiene una buena compatibilidad entre los PCM y Ia resina termoestable. Los PCM se comportan como una masilla de relleno normal bajo su temperatura de fusión y almacenan calor una vez que se llega a Ia temperatura de fusión. Se produce un aumento de Ia viscosidad de Ia resina como consecuencia de Ia adición de los PCM. Se añaden disolventes para reducir Ia viscosidad.
Ejemplo de tratamiento de piedra natural con una composición de PCM-resina epoxy:
Resina epoxy: 83,3 g Agente endurecedor para Ia resina epoxy: 50 g Agua: 80 g PCM (polvo): 10,66 g
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) El agua se utiliza como disolvente del agente endurecedor. Después de remover, se añade Ia resina epoxy y los PCM. La mezcla se remueve durante 1 ó 2 minutos, a 400 rpm, antes de ser aplicada en Ia superficie de Ia piedra natural utilizando una espátula o una paleta. Las piezas de piedra natural-PCM se colocan en el horno a una temperatura de 7O0C durante 24 horas para Ia polimerización de Ia resina.
1.2- Como masilla de relleno de morteros: Los PCM se incorporan a las composiciones de los morteros como masilla de relleno y se aplican como capa de refuerzo en Ia superficie trasera de Ia piedra natural.
Esto se puede utilizar en pisos o casas con sistemas de calefacción en el suelo
(calefacción por suelo radiante).
Ejemplo de tratamiento de piedra natural con una composición de PCM- mortero.
Resina epoxy: 8,33 g
Agente endurecedor para Ia resina epoxi: 5 g Agua: 6,67 g
Agregados de piedra: 12,5 g
PCM (polvo): 5 g
El agua se utiliza como disolvente del agente endurecedor. Después de remover, se añade Ia resina epoxy y los PCM. La mezcla se remueve durante 1 ó 2 minutos, a 400 rpm, antes de añadir los agregados de piedra. Finalmente, se remueve durante 1 ó 2 minutos antes de ser aplicada a Ia superficie de Ia piedra natural mediante una espátula o una paleta.
Se preparan distintas composiciones de mortero utilizando porcentajes distintos de resina epoxy, agregados de piedra natural y PCM.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) La Figura 1 incluye Ia medida por calorimetría diferencial de barrido (DSC, por sus siglas en inglés) del mortero que contiene PCM. Se puede apreciar que los picos se corresponden con Ia temperatura de fusión del agua y de los PCM. El cálculo de Ia integral de este pico nos da el valor de Ia energía almacenada durante el proceso de fusión del PCM.
Ver Figura 1. Medidas por calorimetría diferencial de barrido del mortero que contiene PCM.
Resultados del experimento: Se ha diseñado un experimento para medir Ia temperatura dentro de una caja. La caja que mide (30 x 30 x 30 cm) se ha fabricado utilizando un material aislante. Uno de los lados de Ia caja es una placa de piedra (30 x 30 x 2 cm). Se ha fabricado otra caja de forma similar utilizando otra placa de piedra que contiene PCM.
Las cajas se han dejado en el exterior durante siete días y se han medido las variaciones de temperatura utilizando un termopar colocado dentro de cada caja. El objetivo es analizar las diferencias de temperatura del interior de Ia caja con un lado de piedra y con un lado de piedra con PCM (Figura 2).
Se deja que las cajas se estabilicen en el exterior durante 24 horas antes de empezar a registrar medidas. Se mide Ia temperatura cada 10 minutos. Los termopares han sido calibrados con antelación.
En Ia Figura 2, se representa Ia temperatura en el interior de 3 cajas: Ia temperatura en el interior de una caja con un lado de piedra natural de baja porosidad con un mortero que contiene PCM, Ia de una caja de piedra natural con un mortero sin PCM y Ia de una caja con una placa de piedra natural.
El efecto del PCM es más marcado cuanto mayor es Ia temperatura: Ia temperatura máxima para Ia piedra natural con el mortero con PCM es 1 ,60C
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) más baja que Ia de Ia piedra natural sin mortero y 0,70C más baja que Ia de Ia piedra natural con el mortero sin PCM.
A bajas temperaturas, se consigue mayor confortabilidad dentro de una casa; a modo de ejemplo se puede ver que hay un tiempo de retraso de 20 minutos para alcanzar una temperatura de 2O0C para el caso de Ia piedra natural con mortero con PCM.
Ver Figura 2. Temperatura versus tiempo en el interior de una caja con un lado de piedra natural con un mortero que contiene PCM, Ia de una caja con un lado de piedra natural con un mortero sin PCM y Ia de una caja con un lado de piedra natural.
2- Incorporación de los PCM a piedra natural de porosidad media:
La piedra natural con poros de tamaño medio se impregna con PCM con el objeto de dotarla de propiedades térmicas. La piedra natural se baña en una solución que contiene PCM (distintas condiciones de vacío y soluciones diferentes de PCM, tiempos de inmersión, etc.).
Ejemplo de tratamiento de piedra natural con PCM.
La piedra natural con porosidad media se baña en una solución de PCM al vacío (100 mbar). Se llevan a cabo varios pasos:
La piedra natural se coloca en una bandeja al vacío (100 mbar) durante 1-3 horas. La solución de PCM se incorpora a Ia cámara de vacío y Ia 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 más en condiciones ambientales.
La piedra natural-PCM se coloca en el horno a una temperatura de 5O0C durante 24 horas con el objeto de secarla.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Resultados del experimento:
Caracterización térmica: Se ha llevado a cabo el análisis térmico de Ia piedra natural de porosidad media con PCM mediante calorimetría diferencial de barrido (DSC). El experimento se llevó a cabo con una variación de temperatura de -2O0C a 6O0C a 5°C/minuto (Figura 3).
Ver Figura 3. Medidas por calorimetría diferencia de barrido de Ia piedra natural de porosidad media más 0,5% de PCM.
Microscopía electrónica de barrido (SEM)
Se analizaron algunas piezas de piedra natural con porosidad media y de piedra natural de porosidad media más PCM mediante microscopía electrónica de barrido con el objeto de evaluar Ia presencia de PCM en Ia estructura de Ia piedra natural.
Las Figuras 7A y 7B muestran Ia estructura y Ia distribución de los poros en Ia piedra natural. También se pueden observar fósiles en Ia estructura de Ia piedra. Las Figuras 8A y 8B son micrografías de Ia piedra natural con porosidad media más PCM. Se puede observar cómo los PCM rellenan los poros de Ia piedra, Io que indica que los PCM están en Ia mayor parte de Ia piedra natural.
Se llevó a cabo el mismo experimento midiendo Ia temperatura interior de una caja con un lado de piedra natural con porosidad media y otra caja con un lado de piedra natural impregnada con PCM. Los resultados se presentan en Ia Figura 4. Se midieron las temperaturas durante varios días. Los resultados se reproducen, por Io que se muestran las temperaturas para un ciclo de un día.
Se puede observar una diferencia de 3 grados a temperaturas superiores entre Ia placa de piedra natural con PCM y sin PCM. Además, el
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) proceso de calentamiento de Ia placa con PCM es más suave, como se puede deducir de Ia pendiente de Ia curva. La pendiente del calentamiento es mayor para Ia piedra natural sin PCM. Hay un retraso de 15 minutos para llegar a temperaturas más suaves en interior (2O0C).
Ver Figura 4. Temperatura versus tiempo en el interior de Ia caja con un lado de piedra natural con porosidad media y una caja con un lado de piedra natural impregnada con PCM.
Se han evaluado las propiedades térmicas de Ia piedra natural con porosidad media. En Ia tabla 1 se presentan los valores de Ia conductividad térmica y Ia capacidad térmica volumétrica para Ia piedra natural con porosidad media y para Ia piedra natural con porosidad media con PCM.
Tabla 1. Propiedades térmicas de Ia piedra natural con porosidad media y de Ia piedra natural tratada con PCM.
Figure imgf000012_0001
Los valores muestran que se ha producido un aumento del 6,7% en Ia conductividad térmica cuando se han incorporado los PCM a Ia piedra natural con porosidad media en relación al mismo material sin PCM. Además, Ia capacidad térmica volumétrica también ha aumentado como consecuencia de
Ia presencia de los PCM. Este valor indica que Ia muestra con PCM necesita más cantidad de energía para modificar su temperatura, ya que los PCM absorben parte de Ia energía. Por consiguiente, se han modificado las
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) propiedades térmicas de Ia piedra natural con porosidad media mediante Ia incorporación de PCM.
3- Incorporación de los PCM a piedra natural macroporosa
Se preparan masillas con PCM de alta viscosidad para Ia piedra natural macroporosa y se utilizan para rellenar los macroporos de Ia piedra.
De esta manera, se consigue que Ia piedra natural adquiera propiedades de almacenamiento térmico. La cantidad de PCM añadido puede variar, en función de los requisitos de almacenamiento de calor (situación, temperatura de fusión del PCM, intervalo de temperaturas entre el día y Ia noche, etc.). La masilla ha sido preparada usando resinas epoxy y PCM. El porcentaje de PCM utilizado varía con el objeto de obtener masillas con distintas propiedades y viscosidades.
Ejemplo de tratamiento de piedra natural con una composición de PCM-masilla.
Resina epoxi: 15 g Agente endurecedor para Ia resina epoxi: 9 g Agua: 9,6 g PCM (polvo): 6,72 g
El agua se utiliza como disolvente del agente endurecedor. Después de remover, se añade Ia resina epoxy y los PCM. La mezcla se remueve durante 1 ó 2 minutos, a 400 rpm, antes de ser aplicada en Ia superficie de Ia piedra natural utilizando una espátula o una paleta.
Ejemplos de aplicaciones de Ia piedra natural tratada con PCM en edificios:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) a) Al aire libre, para exteriores, fachadas, fachadas ventiladas. En el caso de fachadas ventiladas, se utilizan las propiedades de almacenamiento térmico para el aislamiento térmico del edificio. Además, después de Ia impregnación con PCM, se pueden aplicar tratamientos acrílicos e hidrófugos a Ia superficie de Ia piedra. b) Interiores. Los PCM se pueden aplicar en Ia superficie trasera de Ia piedra natural para el almacenamiento del calor durante el día y Ia liberación de calor durante Ia noche, regulando Ia temperatura en las estancias y reduciendo el tiempo en el que se necesita el sistema de calefacción. En particular, aplicación en calefacción por suelo radiante. c) Aumenta Ia duración de Ia piedra. Los materiales con PCM no están expuestos a variaciones extremas de temperatura. El intervalo en el que varía Ia temperatura se ve reducido con el uso de los PCM, de manera que aumenta el tiempo de duración de Ia piedra.
Resultados del experimento: Propiedades térmicas de Ia masilla con PCM: El experimento con calorimetría diferencia de barrido (DSC, por sus siglas en inglés) se llevó a cabo con una variación de temperatura de -2O0C a 1000C a 5°C/minuto. (Figura 5).
Ver Figura 5. Medidas por calorimetría diferencia de barrido de Ia masilla que contiene PCM.
La temperatura de transición de Ia masilla basada en resina epoxy es de 580C, que está dentro del rango de valores obtenidos para las resinas epoxy. La energía asociada con el proceso de fusión de los PCM es de 69,6 J/g de PCM.
Este valor puede aumentarse o disminuirse en función de los requisitos de cada aplicación.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Las Figuras 9A y 9B son micrografías (realizadas con el microscopio electrónico de barrido) del corte transversal de Ia piedra natural drusada rellena de masilla con PCM. Se puede observar el PCM así como un relleno total de los macroporos de Ia piedra natural drusada.
Parece que los PCM se destruyen en las micrografías. Esto se puede explicar por el vacío aplicado para su introducción en el microscopio.
Se han preparado cajas con material de aislamiento térmico y con un lado de piedra natural drusada. Una caja tiene un lado de piedra natural drusada, otra caja tiene un lado con piedra natural drusada con resina y una tercera caja tiene un lado con piedra natural drusada rellena de masilla con PCM. Se ha medido Ia temperatura del interior de las cajas cada 10 minutos. La Figura 6 muestra las variaciones de temperatura del interior de las cajas.
Es importante darse cuenta que:
1. La temperatura máxima de Ia caja con piedra natural drusada es siempre mayor que Ia de Ia caja con piedra natural drusada rellena con masilla-PCM. Además, Ia piedra natural drusada con resina muestra una temperatura máxima alta. Por Io tanto, Ia bajada de Ia temperatura máxima se debe al efecto de los PCM. La diferencia entre los materiales tratados con PCM a los no tratados es de 4,80C.
2. Se obtiene un tiempo de retraso de 3 horas para Ia caja con piedra natural drusada con PCM en comparación a Ia caja con piedra natural drusada con resina o con Ia placa de piedra natural drusada.
3. La temperatura mínima nocturna de Ia caja con piedra natural drusada es más baja comparada a Ia de Ia caja con Ia piedra natural drusada rellena con masilla-PCM. La diferencia es de aproximadamente 1,60C. Se ha liberado, durante Ia noche, el calor acumulado durante el día en Ia piedra natural
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) drusada con masilla-PCM. De esta manera, Ia temperatura no ha bajado tanto como en el caso de Ia caja con piedra natural drusada sin PCM.
4. El tiempo necesario para que las cajas alcancen temperaturas bajas también es distinto. Cuando Ia temperatura baja por Ia noche, Ia caja con el lado de piedra natural drusada rellena con masilla-PCM necesita 3 horas más para alcanzar temperaturas bajas.
5. De Io anterior, se puede concluir que los PCM hacen bajar las temperaturas máximas y subir las mínimas durante el ciclo diurno y el nocturno. Además, se retrasa el tiempo para alcanzar bajas temperaturas.
Ver Figura 6. Temperaturas en el interior de una caja con un lado de piedra natural drusada y de una caja con piedra natural drusada rellena con masilla-PCM.
Las ventajas derivadas de este invento son las siguientes:
1) Ahorro energético en los sistemas de calefacción y/o aire acondicionado; 2) Aumento de Ia comodidad térmica dentro de los edificios (reducción de las diferencias de temperatura entre Ia noche y el día y entre las distintas estancias en un mismo edificio); 3) Almacenamiento del calor procedente del exterior; 4) Evitación del exceso de calor procedente del exterior.
DESCRIPCIÓN DE DIBUJOS
Para complementar Ia descripción de este invento y con el objeto de facilitar Ia comprensión de sus características, se acompaña una serie de figuras en las que con carácter ilustrativo y no limitativo, se han representado los diagramas y figuras siguientes:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) La Figura 1 , es un diagrama de medidas por calorimetría diferencial de barrido del mortero que contiene PCM.
La Figura 2, es un diagrama de temperatura en relación al tiempo en el interior de una caja adiabática con un lado de piedra natural con un mortero que contiene PCM, Ia de una caja con un lado de piedra natural con un mortero sin PCM y Ia de una caja con un lado de piedra natural.
La Figura 3, es un diagrama de medidas por calorimetría diferencia de barrido de Ia piedra natural de porosidad media más 0,5% de PCM.
La Figura 4, es un diagrama de temperatura versus tiempo en el 10 interior de una caja con un lado de piedra natural con porosidad media y una caja con un lado de piedra natural impregnada con PCM.
La Figura 5, es un diagrama de medidas por calorimetría diferencia de barrido de Ia masilla que contiene PCM.
La Figura 6, es un diagrama de temperaturas en el interior de una caja con un lado de piedra natural drusada y de una caja con piedra natural drusada rellena con masilla-PCM.
Figuras 7A y 7B: Micrografías obtenidas con microscopio electrónico de barrido de Ia piedra natural con porosidad media.
Figuras 8A y 8B: Micrografías por microscopio electrónico de barrido de Ia piedra natural con porosidad media más PCM.
Figuras 9A y 9B: Micrografías obtenidas con microscopio electrónico de barrido de Ia piedra natural drusada rellena de masilla con PCM.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) REALIZACIÓN PREFERENTE DE LA INVENCIÓN
Entre las diferentes composiciones de materiales de cambio de fase (PCM) y procedimientos de aplicación para el tratamiento de Ia piedra natural que se pueden realizar tomando como base este invento, Ia realización preferente es Ia que se describe a continuación:
Componentes:
- Resina epoxy: 83,3 g - Agente endurecedor para Ia resina epoxy: 50 g
- Agua: 80 g
- PCM (polvo): 10,66 g
Procedimiento de aplicación: Se mezclan los componentes descritos (resina epoxy, agente endurecedor paras Ia resina epoxy, agua PCM en polvo), y se remueve durante 1 ó 2 minutos, a 400 rpm, antes de ser aplicada en Ia superficie de las piezas de piedra natural utilizando una espátula o una paleta.
A continuación, estas piezas de piedra natural-PCM se colocan en un horno a una temperatura de 7O0C durante 24 horas para Ia polimerización de Ia resina.
Una vez descrita suficientemente Ia naturaleza de esta invención, así como una aplicación práctica de Ia misma, sólo queda por añadir que tanto los componentes, proporciones y procedimiento de aplicación, son susceptibles de variaciones, siempre que no afecten de forma sustancial a las características que se reivindican a continuación.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)

Claims

REIVINDICACIONES
1- Composición de materiales de cambio de fase (PCM) para su aplicación a Ia 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 Ia piedra natural de baja porosidad (en Ia superficie expuesta) o incluidos en Ia composición de los morteros aplicados en Ia superficie trasera de Ia piedra natural de baja porosidad son los siguientes:
- Resina epoxy: 83,3 g
- Agente endurecedor para Ia resina epoxy: 50 g - Agua: 8O g
- PCM (polvo): 10,66 g
2- Composición de materiales de cambio de fase (PCM) para su aplicación a Ia 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 Ia superficie trasera de Ia piedra natural de baja porosidad son los siguientes:
- Resina epoxy: 83,3 g
- Agente endurecedor para Ia 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 Ia piedra natural de baja, media, y alta porosidad (piedra macroporosa), con el objeto de aumentar su inercia térmica debido a su
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 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 Ia piedras macroporosas son los siguientes:
- Resina epoxy: 15 g
- Agente endurecedor para Ia 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 Ia piedra natural en función de su baja, media o alta porosidad, según reivindicación primera caracterizado porque, para Ia 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 Ia 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 Ia mezcla resultante a Ia superficie de Ia piedra natural utilizando una espátula o paleta. Luego las piezas de piedra natural-PCM, se colocan en un horno a una temperatura de 7O0C durante 24 horas para Ia polimerización de Ia resina.
5- Procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) a Ia piedra natural en función de su baja, media o alta porosidad, según reivindicación segunda caracterizado porque, para Ia piedra natural de baja porosidad utilizado como masilla de relleno, los componentes siguientes:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) - Resina epoxy: 83,3 g
- Agente endurecedor para Ia 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 Ia piedra. Finalmente se remueve durante 1 o 2 minutos antes de ser aplicada Ia mezcla resultante a Ia superficie de Ia piedra natural utilizando una espátula o paleta.
6- Procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase
(PCM) a Ia piedra natural en función de su baja, media o alta porosidad, según reivindicación primera caracterizado porque, para Ia piedra natural de media porosidad los pasos del procedimiento son los siguientes:
- Se coloca Ia piedra natural en una bandeja al vacío (100 mbar) durante 1-3 horas.
- Se incorpora Ia solución de PCM a Ia cámara de vacío y Ia 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, Ia piedra natural-PCM, se coloca en un horno a 50 0C durante 24 horas con el objeto de secarla.
7- Procedimiento de aplicación de materiales de cambio de fase
(PCM) a Ia piedra natural en función de su baja, media o alta porosidad, según reivindicación tercera caracterizado porque, para Ia piedra natural de alta porosidad utilizada como masilla de relleno de los macroporos de Ia piedra, los componentes siguientes:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) - Resina epoxy: 15 g
- Agente endurecedor para Ia 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 Ia mezcla resultante a Ia superficie de Ia piedra natural utilizando una espátula o paleta.
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