El soleamiento en las fachadas, técnicas para su reducción y pre dimensionamiento.

[EU]Lan honen helburu nagusia eraikuntzan gehituko diren argi-babeski sistema mota desberdinak aurkeztea da, bertan ematen den energia kontsumoa murrizteko asmoz. Izan ere, argi naturalaren erabilpen egoki batek eraikinaren efizientzia hobetzera eramango gaitu. Horretarako, ezinbestekoa izango da baliabide hau behar bezala ezagutzea, argitasuna eta beharrezko babesa eskaintzeko, eta ondorioz, energia aurreztea lortzeko. Babes sistema egokiena aukeratu baino lehen, aldez aurretik sortu izan diren argi-babeski mota desberdinak aztertu izan dira. Horrez gain, eguzki erradiazioa neurtzeko metodo grafiko eta analitikoak ere aztertu dira. Ondoren, Ecotect programak eskaintzen dituen simulazioei esker, eguzki erradiazioaren datu zehatzagoak lortzeko asmoz, ikasketa horretan erabiliko den eraikinaren kokapena, orientazioa eta ezaugarriak erabaki dira. Behin prototipoa definituta, programa bidez lau babes sistema mota desberdinak aztertu dira, horrela babesik gabeko eraikinean lortutako datuak alderatzeko. Azterketa Bilbo eta Sevillan egitea erabaki izan da. Izan ere, bi hiriburu hauek klimatologian duten desberdintasuna argi-babeskien aukeraketan duen eragina aztertzeko aukeratu dira, gainera, orientazioak eta argi babeskien dimentsioek ere izan dute zer esana aukeraketa garaian. Horrez gain, argi-babeskiek sortutako itzala ere aztertu izan da. Horrela, sistema hauen jarrera orokorra ikusi daiteke, eta beraz, uda garaian babesteko eta negu garaian eguzki izpiak sartzen uzteko duten ahalmena ikusi da. Bukatzeko, aurretik lortutako datu guztiei esker, eta bai kokapena zein orientazioa kontutan hartuz, babes sistema egokiena aukeratu da, jakinik ezinbestekoa dela argitasuna, babesa eta aurrezte energetikoaren arteko oreka egoki bat lortzea.

Estudio comparativo de diferentes soluciones de fachada y cubierta para un edificio residencial

[ES]En el proyecto se analizan diferentes soluciones de fachada y cubierta de un edificio residencial, buscando la eficiencia energética y la economía. Para ello, partiendo de un caso concreto, se estudian las cargas térmicas del edificio existente y de otras dos soluciones posibles. En estas además, se utilizan materiales sostenibles, con el fin de hacer el menor impacto medioambiental posible. Se ha analizado también la rentabilidad de estas soluciones, para comprobar cuál es la más adecuada desde un punto de vista económico.

La absorción acústica a ruido de impacto en placas de aislamiento térmico de suelo radiante

Actualmente en el mercado existen una reducida variedad de materiales específicos de ruido de impactos. Los materiales que han de ser utilizados como material resiliente, han de cumplir unos valores muy bajos del módulo de elasticidad E. Mientras el valor del caucho blando está en el orden de los 100 kg/cm2, el valor del acero es de 2.100.000 kg/cm2 (21.000 veces mayor). Estos valores tan bajos hacen que diferencias de apenas 50 kg/cm2 produzcan variaciones muy importantes en las ganancias de aislamiento acústico. La realización de los ensayos de caracterización acústica a ruido de impacto en laboratorio es un proceso largo y caro. En primer lugar se necesita elaborar un forjado de referencia, que ha de ser ensayado de forma independiente. Con posterioridad, se ha de colocar la losa flotante, y volver a realizar la prueba. Con la diferencia de las medidas realizadas, se determinan los valores de módulo de elasticidad. Como alternativa a este método, en la ponencia del congreso “TECNIACÚSTICA GANDÍA 2006” sobre “estudio de cinco métodos para determinar las propiedades dinámicas de capas elásticas para la mejora del aislamiento a ruido de impactos”, presentada por Francisco Simón, David K. Anthony, Mª José Fernández, proponen un total de cinco alternativas al ensayo indicado en la norma. Al margen de las condiciones acústicas, las placas de suelo radiante necesitan garantizar unos valores mínimos de aislamiento térmico. Con las actuales necesidades normativas, la solución habitual consiste en la superposición de dos materiales: en primer lugar, inmediatamente sobre el forjado, se coloca el material encargado de proporcionar el aislamiento acústico, generalmente una lámina flexible de polietileno. Encima de ella se coloca la placa de aislamiento térmico, generalmente una plancha de poliestireno expandido con resaltes en las que se encajan las tuberías que conducen el agua calefactada. El poliestireno expandido convencional, no tiene unos valores de módulo elástico suficientemente bajo para poder actuar como material resiliente. Para conseguir estos valores, es necesario elastificar el material mediante su introducción en una prensa (Poliestireno expandido elastificado EEPS). La utilización de esta técnica es incompatible con el proceso de fabricación de planchas moldeadas con tetones para la integración de los soportes de las tuberías. La lámina flexible de polietileno, si tienes valores aceptables, tanto de aislamiento térmico como acústico, en cambio no es posible la integración de los tetones durante su proceso de fabricación para soportar las canalizaciones de agua. El objetivo de la investigación consiste en integrar en una única placa las características tanto térmicas como acústicas necesarias para satisfacer todas las necesidades. Como se ha indicado más arriba, los materiales resilientes han de cumplir unos valores muy bajos del módulo de elasticidad E. Mientras el valor del caucho blando está en el orden de los 100 kg/cm2, el valor del acero es de 2.100.000 kg/cm2 (21.000 veces mayor). Pero no es menos cierto que con acero, dando la forma adecuada (un helicoide) se consigue un elemento muy elástico, un muelle. Tal es así, que variando la forma se puede conseguir el módulo de elásticidad E deseado, resultando utilidades tan dispares como el resorte de un bolígrafo o la suspensión de un coche. Por otro lado, y como se ha indicado anteriormente, la determinación de los valores mecánicos de los materiales aislantes térmicos es cara y complicada. Como objetivo secundario de la investigación, se establece el proponer un ensayo alternativo, más rápido y económico que el propuesto por la norma para facilitar el estudio de nuevas alternativas, sin tener que hacer grandes desembolsos económicos en

Edificios de ECN mediante el sistema combinado de inyección en cámara y solución de puentes térmicos. Demostrador a escala real: edificio de viviendas

La mejora de la envolvente del edificio mediante inyección de aislamiento térmico en cámara de aire es una opción de rehabilitación energética económicamente viable, sin pérdida de superficie útil, con poca incidencia en el aspecto exterior y mínima molestia al usuario. Pero para aproximarse a los Edificios de Energía Casi Nula conviene combinarlo con la resolución de puentes térmicos. Se proponen dos soluciones de intervención, desde el exterior y el interior del cerramiento, mediante paneles ligeros industrializados capaces de corregir el comportamiento en estos puntos. Se ha realizado una intervención de inyección en un demostrador en Madrid, que está siendo monitorizado como parte de la investigación del sistema de inyección y su repercusión sobre los puentes térmicos. Como segunda fase de la intervención se plantea la implementación de los sistemas de paneles.

Caracterización y análisis comparativo del comportamiento medioambiental de los materiales de aislamiento térmico utilizados en la envolvente del edificio, en función del sistema constructivo y de la situación geográfica

La construcción es uno de los causantes de mayor impacto ambiental y energético en el entorno. Por ello, los profesionales del sector deben empezar a cambiar la manera en la que diseñan la arquitectura, incorporando técnicas y parámetros sostenibles desde las primeras etapas del diseño, controlando la elección de los materiales y las soluciones constructivas. A través de las Declaraciones Ambientales de Producto (DAP) es posible conocer el perfil ambiental de los productos de la construcción, sin embargo, la mayoría de estos documentos solo poseen información de la etapa de producto (A1-A3) y de la etapa de fin de vida, contemplando solo un tipo de tratamiento (vertedero o incineración). Lo que propone esta investigación es generar información medioambiental del resto de las etapas del ciclo de vida relacionado con el producto, haciendo especial hincapié en la etapa de transporte (A4), puesta en obra (A5), transporte de obra a planta de tratamiento (C2) y etapa de fin de vida con vertedero e incineración. Para la realización de la investigación se ha generado un Inventario de Ciclo de Vida (ICV) con valores medios facilitados por las empresas. El ámbito de actuación es la península ibérica, considerándose un transporte en camión. La evaluación ambiental se ha realizado con la herramienta informática SimaPro (versión 7.3.3). Para los procesos que no han podido ser modelizados por falta de información, se ha recurrido a la base de datos Ecoinvent (versión 2.0). Las categorías de impacto analizadas son las contempladas en la UNE-EN ISO 15804+A1. Con esta investigación se propone una catalogación medioambiental del material de aislamiento térmico según los impactos asociados al transporte, puesta en obra y fin de vida del producto para que el prescriptor pueda escoger qué material es el más adecuado a incorporar en el proyecto, desde el punto de vista medioambiental. ABSTRACT _ Construction is one of the main causes of environmental and energy impacts in the environment. Therefore, the professionals of the sector should begin changing the way they design architecture, incorporating sustainable techniques and parameters from the first design stages, controlling the choice of materials and building solutions. It is possible to know the environmental profile of construction products through Environmental Product Declarations (EPD). However, most of these documents only provide information for the product stage (A1-A3) and the end-of-life stage, taking into account only one type of treatment (landfill or incineration). This research proposes the generation of environmental information for the rest of the life cycle stages related to the product, with particular emphasis on the transportstage (A4), construction installation (A5), transport from the construction site to the recycling facilities (C2) and end-of-life stage with landfill and incineration. A Life Cycle Inventory (LCI) has been generated for the development of the research, with mean values provided by the firms. The scope of action is the Iberian Peninsula, considering transport by lorry. The environmental assessment has been carried out with the SimaPro software (version 7.3.3). The Ecoinvent database (version 2.0) has been used for the processes that couldn’t be modelled due to lack of information. The impact categories analysed are those considered in standard UNE-EN ISO 15804+A1. This research proposes an environmental cataloguing of the thermal insulation material depending on the impacts associated with transport, construction installation and end-of-life of the product so that the prescriber might choose which material is the most suitable to implement in the project from an environmental point of view.

Procedimiento de análisis y evaluación para la rehabilitación térmica de cerramientos de fachada en edificios residenciales. Caso de estudio en el barrio Pinar del Rey, Madrid

La preocupación por el consumo energético, las emisiones de CO2 y la situación de crisis que tanto afecta al sector de la construcción en nuestro país, ha llevado a las administraciones públicas a promover un nuevo modelo constructivo, la rehabilitación. Sin embargo, la mayoría de las intervenciones se rigen todavía por parámetros estéticos a escala del edificio, mientras que los aspectos de mejora energética aún no tienen la importancia que deberían. En este aspecto, el comportamiento extremadamente disipativo del edificio, es el componente principal del consumo energético de la edificación. El elemento con mayor repercusión en el ahorro energético es el cerramiento de fachada, en algunos casos el ahorro tras la intervención de rehabilitación, puede superar el 70% del ahorro total posible. En este contexto, se ha desarrollado esta investigación, que tiene por finalidad servir de instrumento de ayuda para el técnico que debe afrontar la rehabilitación de fachadas de edificios residenciales. El procedimiento desarrollado, permitirá elegir los criterios para reducir el consumo energético de la edificación durante su vida útil conociendo a la vez el periodo de amortización de la intervención. Se elabora un procedimiento de análisis y evaluación sistematizada de la fachada existente, siguiendo los siguientes pasos: clasificación y caracterización de los sistemas constructivos de fachada del periodo de estudio seleccionado, análisis térmico de la envolvente vertical, clasificación y evaluación de criterios de mejora y estudio comparativo entre el ahorro energético y el coste de la inversión (cálculo de periodo de amortización). Éste cálculo permite realizar una comparación entre distintas soluciones de mejora para un mismo caso de estudio y por lo tanto conocer, previamente a la intervención, cuál es la actuación de rehabilitación más conveniente. Posteriormente se aplica esta metodología a un caso de estudio, un edificio residencial en el barrio madrileño de PInar del Rey.

La utilización del corcho como material de aislamiento térmico para una construcción sostenible.

El corcho es un material ligero y maleable, aislante, ignífugo e impermeable, por ello ha sido muy utilizado como material de aislamiento térmico. Su origen es natural, renovable y apto para ser reciclado, por lo que parece obvio que pueda ser un material con un buen comportamiento ambiental. Además, el 80% de la producción de corcho existente en el mundo se encuentra en la Península Ibérica, generando alrededor de 200.000 toneladas (en campo) al año y cuyo valor económico ronda los 240 millones de euros. Este valor puede llegar hasta los 1.000 millones de euros en las sucesivas transformaciones del corcho. Para la caracterización ambiental del corcho se recurrirá a la metodología de Análisis de Ciclo de Vida (ACV), ya que es una de las más completas para la evaluación ambiental de productos. El artículo que aquí se presenta desarrolla el sistema de producción del corcho granulado y de los paneles de corcho aglomerado para poder realizar el ICV de dichos productos y que sirva de base para un futuro ACV con límites de sistema de la cuna a la tumba.

Estudio de la contribución de la inercia térmica al comportamiento térmico de edificios

Dada la actual situación de crisis económica, la rehabilitación del parque edificado existente resulta fundamental por la reducción de los costes energéticos asociados al uso de la edificación, la disminución de las necesidades energéticas de los hogares y la reconversión del sector de la construcción. Es por ello que resulta imprescindible avanzar en el desarrollo de intervenciones que mejoren el comportamiento de la arquitectura existente. El objetivo de este trabajo es el estudio de las aportaciones de la inercia térmica al comportamiento térmico de los edificios. Esta investigación parte de la idea de que cualquier disposición de materiales en la conformación constructiva conlleva una posible acumulación de calor y regulación en el tiempo de las fluctuaciones de temperatura y que por tanto estas variables no pueden quedarse fuera de campo de estudio. La metodología de la investigación que aquí se presenta, se puede dividir en dos partes fundamentales: Una primera en la que se analiza en condiciones de laboratorio la influencia que ejerce la aportación de inercia térmica a un espacio de volumen conocido, en función exclusivamente de la capacidad de acumulación de energía. Para este primer análisis, se construye una probeta en el laboratorio, a través de la cual se realizan una serie de ensayos, en el que en primer lugar se caracterizan los equipos y la probeta, y a continuación se llevan a cabo variaciones de la masa térmica útil de la misma. Se monitorizan las variables y se analizan los resultados obtenidos mediante gráficas comparativas en función de diferentes parámetros que se establecen al comienzo de cada uno de los ensayos. En un segundo paso en la investigación, se evalúa la influencia de la inercia situada en los elementos que componen la envolvente de un módulo experimental evaluado mediante simulación energética. Para ello, se comparan los flujos energéticos que atraviesan cerramientos definidos con diferentes valores de masa térmica, pero con valores constantes de transmitancia térmica estacionaria, y bajo idénticas condiciones de contorno. Los resultados obtenidos, muestran la influencia de la masa térmica útil en la fluctuación térmica y la capacidad de acumulación de energía en los paramentos. Además de esto se determina la influencia de la disposición de la masa térmica en la composición constructiva de los cerramientos. Por último a partir de las conclusiones obtenidas en esta investigación se realiza una revisión crítica de los métodos de cálculo de las actuales normativas europeas.

Caracterización óptica de módulos fotovoltaicos semitransparentes de a-Si para integración en edificios comerciales

La inferencia del rendimiento final que los sistemas fotovoltaicos multifunción para edificación, más conocidos como Buiding Integrated PhotoVoltaics (BIPV), es decir, su funcionamiento y la viabilidad de los mismos, es hoy posible gracias a las herramientas de simulación disponibles. Estas requieren del conocimiento previo de los parámetros característicos de dichos elementos fotovoltaicos. Unos son obtenidos por mediciones directas o indirectas en el laboratorio, y otros mediante su monitorización en condiciones de funcionamiento reales. En este trabajo se ha abordado la caracterización óptica de los módulos fotovoltaicos comerciales de capa fina (a-Si) que están siendo utilizados en un proyecto propio del IES, en el cual se estudian estos aspectos. La característica más destacada de estos módulos es la gradación en su transparencia para adecuarlos a la integración como envolventes tipo muro cortina en edificios del sector terciario. En particular, el objetivo de este trabajo ha sido la medición de la transmitancia y la reflectancia espectrales, en los rangos UV/Vis/NIR, tanto en incidencia normal como bajo otros ángulos más próximos a los de operación. Con los resultados obtenidos, se han calculado los valores de la radiación reflejada y la transmitida, totales y por rangos UV, Vis y NIR, lo que permite la correcta caracterización de los módulos fotovoltaicos integrados en fachadas y la posterior evaluación de su impacto sobre el rendimiento eléctrico, térmico y la iluminación en un edificio.

Integración de sistemas fotovoltaicos en edificios de oficinas en bajas latitudes: estudio del balance energético aplicado a Brasil

La hipótesis que inspiró esta tesis sostiene que la integración de componentes fotovoltaicos en los cerramientos opacos y sombreamientos de huecos acristalados de edificios de oficinas en sitios ubicados en bajas latitudes, tomando como el ejemplo el caso concreto de Brasil, podría incrementar su eficiencia energética. Esta posibilidad se basa en el bloqueo de una parte significativa de la irradiación solar incidente en estos edificios, reduciendo así las cargas térmicas para la climatización y a la vez transformándola en energía eléctrica, a tal punto que se amortizan los costes de inversión en plazos aceptables a través de los ahorros en la demanda de energía. Para verificar esta hipótesis de partida se ha propuesto como objetivo general analizar la integración de elementos fotovoltaicos en cubiertas, muros opacos y sombreamiento de huecos acristalados desde la óptica del balance energético térmico y eléctrico. Inicialmente se presenta y analiza el estado del arte en los temas estudiados y la metodología de investigación, de carácter teórico basada en cálculos y simulaciones. A partir de un modelo tipo de edificio de oficinas situado en Brasil, se definen cuatro casos de estudio y una serie de parámetros, los cuales se analizan para siete latitudes ubicadas entre -1,4° y -30°, separadas las unas de las otras por aproximadamente 5°. Se presentan y discuten los resultados de más de 500 simulaciones para los siguientes conceptos: - recurso solar, desde la perspectiva de la disponibilidad de irradiación solar en distintas superficies de captación apropiadas para la integración de sistemas solares fotovoltaicos en edificaciones en bajas latitudes; - análisis de sombras, con objetivo de identificar los ángulos de sombras vertical (AVS) para protección de huecos acristalados en edificios de oficinas; - balance energético térmico, para identificar el efecto térmico del apantallamiento provocado por componentes fotovoltaicos en cubiertas, muros opacos y parasoles en ventanas en las cargas de refrigeración y consecuentemente en las demandas de energía eléctrica; - balance energético eléctrico, contrastando los resultados del balance térmico con la energía potencialmente generada en las envolventes arquitectónicas bajo estudio; - análisis económico, basado en un escenario de precios de la tecnología fotovoltaica de un mercado maduro y en la política de inyección a la red marcada por la actual normativa brasileña. Se han verificado los potenciales de ahorro económico que los sistemas activos fotovoltaicos podrían aportar, y asimismo se calculan diversos indicadores de rentabilidad financiera. En suma, esta investigación ha permitido extraer conclusiones que contribuyen al avance de la investigación y entender las condiciones que propician la viabilidad de la aplicación de componentes fotovoltaicas en las envolventes de edificios en Brasil, y hasta un cierto punto en otros países en latitudes equivalentes. ABSTRACT The hypothesis that inspired this thesis sustains that integration of photovoltaic components in the opaque envelope and shading elements of office buildings placed at low-latitude countries, using the specific case of Brazil, could increase its energy efficiency. This is possible because those components block a significant part of the incident solar irradiation, reducing its heating effect on the building and transforming its energy into electricity in such a way that the extra investments needed can be paid back in acceptable periods given the electricity bill savings they produce. In order to check this hypothesis, the main goal was to analyze the thermal and electrical performance of photovoltaic components integrated into roofs, opaque façades and window shadings. The first step is an introduction and discussion of the state of the art in the studied subjects, as well as the chosen methodology (which is theoretical), based on calculations and simulations. Starting from an office building located in Brazil, four case studies and their parameters are defined, and then analyzed, for seven cities located between latitudes -1.4° and -30°, with an approximate distance of 5° separating each one. Results of more than 500 simulations are presented and discussed for the following concepts: - Solar resource, from the perspective of irradiation availability on different surfaces for the integration of photovoltaic systems in buildings located at low latitudes; - Shading analysis, in order to determine the vertical shading angles (VSA) for protection of the glazed surfaces on office buildings; - Thermal energy balance, to identify the screening effect caused by photovoltaic components on roofs, opaque façades and window shadings on the cooling loads, and hence electricity demands; - Electric energy balance, comparing thermal energy balance with the energy potentially generated using the active skin of the buildings; - Economic analysis, based on a mature-market scenario and the current net metering rules established by the Brazilian government, to identify the potential savings these photovoltaic systems could deliver, as well as several indicators related to the return on the investment. In short, this research has led to conclusions that contribute to the further development of knowledge in this area and understanding of the conditions that favor the application of photovoltaic components in the envelope of office buildings in Brazil and, to a certain extent, in other countries at similar latitudes.

Almacenamiento de energía térmica por calor latente en los edificios: bases para la optimización de aplicaciones pasivas, opacas y traslúcidas

La principal motivación para la elección del tema de la tesis es nuestra realidad energética y ambiental. Y más específicamente, la necesidad urgente de dar una respuesta a esta realidad desde el sector de la edificación. Por lo que, el trabajo parte de la búsqueda de soluciones pasivas que ayuden a la reducción del consumo energético y de las emisiones de C02 de los edificios, tanto nuevos como existentes. El objeto de estudio son aplicaciones innovadoras, basadas en el uso de materiales reactivos, con un efecto térmico de memoria bidireccional. La energía es un elemento imprescindible para el desarrollo. Sin embargo, el modelo energético predominante, basado principalmente en la utilización de combustibles de origen fósil, es uno de los importantes responsables del deterioro ambiental que sufre el planeta. Además, sus reservas son limitadas y están concentradas en unas pocas regiones del mundo, lo que genera problemas de dependencia, competitividad y de seguridad de suministro. Dado el gran potencial de ahorro energético del sector de la edificación, la Unión Europea en sus directivas enfatiza la necesidad de mejorar la eficiencia energética de los edificios. Añadiendo, además, la obligatoriedad de desarrollar edificios “energía casi nula”, cuyo prerrequisito es tener un muy alto rendimiento energético. En España, los edificios son responsables del 31% del consumo de energía primaria. La mayor parte de este consumo se relaciona a la utilización de sistemas activos de acondicionamiento. Una medida efectiva para reducir la demanda es mejorar la envolvente. Sin embargo, hay que buscar estrategias adicionales para aumentar aún más la eficiencia de los edificios nuevos y existentes. Para los climas de España, el uso de la inercia térmica ha probado ser una estrategia válida. Sin embargo, su funcionamiento está vinculado al peso y al volumen de los materiales utilizados. Esto limita sus posibilidades en la rehabilitación energética y en los nuevos edificios basados en la construcción ligera. Una alternativa es el uso de aplicaciones de almacenamiento térmico por calor latente, utilizando materiales de cambio de fase (PCM). Los PCM son sustancias con un muy alto calor de fusión, capaces de almacenar una gran cantidad de energía térmica sin requerir aumentos significativos de peso o volumen. Estas características los hacen idóneos para reducir el consumo relacionado con el acondicionamiento térmico, en edificios nuevos y existentes. En la parte preliminar de la investigación, se encontró que para lograr un aprovechamiento óptimo de las aplicaciones con PCM es necesario tener un conocimiento profundo de su funcionamiento y de las variables del sistema. De ahí que el objetivo principal de la presente tesis sea: establecer las bases para la optimizatión integral de las aplicaciones con almacenamiento de energía térmica por calor latente, identificando y validando sus variables más relevantes. La investigación consta de tres partes. La primera, documental, sistematizando y jerarquizando la información científica publicada; la segunda, numérica, basada en un análisis paramétrico de una aplicación con PCM, utilizando simulaciones térmicas; y la tercera, experimental, monitorizando el funcionamiento térmico y energético de diferentes aplicaciones con PCM en módulos a escala real. Los resultados brindan un más profundo entendimiento del funcionamiento de las aplicaciones evaluadas. Han permitido identificar sus variables relevantes, cuantificar su influencia, y determinar condiciones óptimas para su utilización así como situaciones en las que sería muy difícil justificar su uso. En el proceso, se realizó la caracterización térmica y energética de aplicaciones con PCM, tanto opacas como traslúcidas. Además, se ha encontrado que las aplicaciones con PCM son capaces de aumentar la eficiencia energética inclusive en recintos con diseños optimizados, demostrando ser una de las estrategias adecuadas para lograr el muy alto desempeño energético requerido en los edificios energía nula. ABSTRACT The main motivation for choosing the theme of the thesis is our energy and environmental reality. And more specifically, the urgent need to respond to this reality from the building sector. This is why, the work start with the search of passive solutions that help reduce energy consumption and C02 emissions of buildings, in both new and existing ones. The object of study is innovative applications based on the use of responsive materials, with bidirectional thermal memory. Energy is an essential element for development. However, the predominant energy model, based primarily on the use of fossil fuels, is one of the major responsible for the environmental deterioration of the planet, the cause of most of the CO2 emissions. Furthermore, reserves of fossil fuels are limited and are concentrated in a few regions of the world, which creates issues related to dependency, competitiveness, and security of supply. Given the large potential for energy savings in the building sector, the European Union in its directives emphasizes the need to improve energy efficiency in buildings. Also, adding the obligation to develop "nearly zero energy" buildings, whose first prerequisite is to achieve a very high energy efficiency. In Spain, buildings are responsible for 31% of primary energy consumption and most of this consumption is related to the used of HVAC systems. One of the most effective measures to reduce demand is to improve the envelope. However, it is necessary to look for additional strategies to further increase the efficiency of new and existing buildings. For the predominant climates in Spain, use of the thermal inertia may be a valid strategy. Nevertheless, its operation is linked to weight and volume of the materials used. This limits their possibilities in the existing buildings energy retrofitting and in the new buildings based on lightweight construction. An alternative is the use of latent heat thermal energy storage applications (LHTES), using phase change materials (PCM). PCM are substances with a high heat of fusion, capable of storing a large amount of thermal energy without requiring significant increases in weight or volume. These features make them ideal for reducing energy consumption associated with thermal conditioning in both new and existing buildings. In the preliminary part of the investigation, it was found that to get optimum utilization of the PCM applications is needed to have a deep understanding of its operation and, in particular, how the system variables affect its performance. Hence, the main objective of this thesis is: to establish the basis for the integral optimization of applications with latent heat thermal energy storage, identifying and validating the most relevant variables. The research comprises of three parts. The first, documentary, systematizing and prioritizing published scientific information. The second, numeric, based on a parametric analysis of an application PCM using thermal simulations. The third, experimental, monitoring the thermal and energy performance of different applications with PCM on real scale test cells. The results provide a complete understanding of the functioning of the evaluated LHTES application. They have allowed to identify their relevant variables, quantify their influence and determine optimum conditions for use as well as situations where it would be very difficult to justify its use. In the process, it was carried out the power and thermal characterization of various opaque and translucent PCM applications. Furthermore, it has been found that applications with PCM can increase the energy efficiency, even in buildings with optimized designs; proving to be one of the appropriate measures to achieve the high energy performance required in zero energy buildings.

Comportamiento térmico y mecánico del yeso con adiciones de aerogel de sílice granulado

La presente tesis doctoral aborda el estudio de un nuevo material mineral, compuesto principalmente por una matriz de yeso (proveniente de un conglomerante industrial basado en sulfato de calcio multifase) y partículas de aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso, compatibilizadas mediante un surfactante polimérico, debido a su alto carácter hidrófugo. La investigación se centra en conocer los factores que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica del material compuesto generado. Este estudio pretende contribuir al conocimiento sobre el desarrollo de nuevos morteros de elevado aislamiento térmico que puedan ser utilizados en la rehabilitación energética de edificios de viviendas existentes, debido a que estos representan gran parte del consumo energético del parque de viviendas de España, aunque también a nivel internacional. De los materiales utilizados para desarrollar los morteros estudiados, el yeso, además de ser un material muy abundante, especialmente en España, requiere una menor cantidad de energía para la fabricación de un conglomerante (debido a una menor temperatura de fabricación), en comparación con el cemento o la cal, por lo que presenta una menor huella de carbono que estos últimos. Por otro lado, el aerogel de sílice hidrófugo mesoporoso es, de acuerdo con la documentación disponible, el material que posee actualmente la mayor capacidad de aislamiento térmico en el mercado. El desarrollo de nuevos morteros minerales con una capacidad de aislamiento térmico mayor que los materiales aislantes utilizados tradicionalmente, tiene una aplicación relevante en los casos de rehabilitación energética de edificios históricos y patrimoniales, en los que se requiere la aplicación del aislamiento por el interior de la fachada, ya que este tipo de soluciones tienen el inconveniente de reducir el espacio habitable de las áreas involucradas, especialmente en zonas climáticas en las que el aislamiento térmico puede suponer un espesor considerable, por lo que es ideal utilizar materiales de altas prestaciones de aislamiento térmico capaces de aportar el mismo nivel de aislamiento (o incluso mayor), pero en un espesor considerablemente menor. La investigación se desarrolla en tres etapas: bibliográfica, experimental y de simulación. La primera etapa, parte del estudio de la bibliografía existente, relacionada con materiales aislantes, incluyendo soluciones basadas, tanto en morteros aislantes, como en paneles de aislamiento térmico. La segunda, de carácter experimental, se centra en estudiar la influencia de la microestrucrura y macroestructura, del nuevo material mineral, en las propiedades físicas elementales, mecánicas y conductividad térmica del compuesto. La tercera etapa, mediante una simulación del consumo energético, consiste en cuantificar teóricamente el potencial ahorro energético que puede aportar este material en un caso de rehabilitación energética en particular. La investigación experimental se centró principalmente en conocer los factores principales que influyen en las propiedades mecánicas y conductividad térmica de los materiales compuestos minerales desarrollados en esta tesis. Para ello, se llevó a cabo una caracterización de los materiales de estudio, así como el desarrollo de distintas muestras de ensayo, de tal forma que se pudo estudiar, tanto la hidratación del yeso en los compuestos, como su posterior microestructura y macroestructura, aspectos fundamentales para el entendimiento de las propiedades mecánicas y conductividad térmica del compuesto aislante. De este modo, se pudieron conocer y cuantificar, los factores que influyen en las propiedades estudiadas, aportando una base de conocimiento y entendimiento de este tipo de compuestos minerales con aerogel de sílice hidrófugo, no existiendo estudios publicados hasta el momento de finalización de esta tesis, con la aproximación al material propuesta en este estudio, ni con yeso (basado en sulfato de calcio multifase), ni con otro tipo de conglomerantes. Particularmente, se determinó la influencia que tiene la incorporación de partículas de aerogel de sílice hidrófugo, en grandes proporciones en volumen, en un compuesto mineral basado en distintas fases de sulfato de calcio. No obstante, para llevar a cabo las mezclas, fue necesario utilizar un surfactante para compatibilizar este tipo de partículas, con el conglomerante basado en agua. El uso de este tipo de aditivos tiene una influencia, no solo en el aerogel, sino en las propiedades del compuesto en general, dependiendo de su concentración, por lo que se establecieron dos porcentajes de adición: la primera, determinada a partir de la cantidad mínima necesaria para compatibilizar las mezclas (0,1% del agua de amasado), y la segunda, como límite superior, la concentración utilizada habitualmente a nivel industrial para estabilizar burbujas de aire en hormigones espumados (5%). El surfactante utilizado mostró la capacidad de modificar la superficie del aerogel, cambiando el comportamiento de las partículas frente al agua, permitiendo una invasión parcial de su estructura porosa, por parte del agua de amasado. Este comportamiento supone un aumento muy importante en la relación agua/yeso, afectando el hábito cristalino e influenciando negativamente las propiedades mecánicas de la matriz de yeso, presentando un efecto aún notable a mayor concentración de surfactante (5%). En cuanto a las propiedades finales alcanzadas, fue posible lograr un compuesto mineral ultraligero (200 kg/m3), con alrededor de un 60% de aerogel en volumen y de alta capacidad aislante (0,028 W/m•K), presentando una conductividad térmica notablemente menor que los morteros aislantes del mercado, e incluso también menor que la de los aislantes tradicionales basado en las lanas minerales o EPS; no obstante, con la limitante de presentar bajas propiedades mecánicas, condicionando su posible aplicación futura. Entre los factores principales relacionados con las propiedades mecánicas, se encontró que estas dependen exponencialmente del volumen de yeso en el compuesto; no obstante, factores de segundo orden, como el grado de hidratación, o una mejor distribución del conglomerante entre las partículas de aerogel, debido al aumento de la superficie específica del polvo mineral, pueden aumentar las propiedades mecánicas entre el doble y el triple, dependiendo del volumen de aerogel en cuestión. Además, se encontró que el aerogel, en conjunto con el surfactante, es capaz de introducir una gran cantidad de aire (0,70 m3 por cada m3 de aerogel), que unido al agua evaporada (no consumida por el conglomerante durante la hidratación), el volumen de aire total alcanza, generalmente, un 40%, independientemente de la cantidad de aerogel en la mezcla. De este modo, el aire introducido en la matriz desplaza las proporciones en volumen del aerogel y del yeso, disminuyendo, tanto las propiedades mecánicas, como la capacidad aislante de compuesto mineral. Por otro lado, la conductividad térmica mostró tener una dependencia directa de la contribución de las tres fases principales en el compuesto: yeso, aerogel y aire ocluido. De este modo, se pudo desarrollar un modelo matemático, adaptado de uno existente, capaz de calcular, con bastante precisión, la relación de los tres componentes mencionados, en la conductividad térmica de los compuestos, para el rango de volúmenes y materiales utilizados en esta tesis. Finalmente, la simulación del consumo energético realizada a una vivienda típica de España, de los años 1900 a 1959 (basada en muros de ladrillo macizo), para las zonas climáticas estudiadas (A, D y E), permitió observar el potencial ahorro energético que puede aportar este material, dependiendo de su espesor, como aislamiento interior de los muros de fachada. Particularmente, para la zona A, se determinó un espesor óptimo de 1 cm, mientras que para la zona D y E, 3,5 y 3,9 cm respectivamente. En este sentido, el nuevo material estudiado es capaz de disminuir, entre un 35% y un 80%, el espesor de la capa aislante, en comparación con paneles de lana de roca o los morteros minerales de mayor capacidad aislante del mercado español respectivamente. ABSTRACT The present doctoral thesis studies a new mineral-based composite material, composed by a gypsum matrix (based on an industrial multiphase gypsum binder) and mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, compatibilized with a polymeric surfactant due to the high hydrophobic character of the insulating particles. This study pretends to contribute to the development of new composite insulating materials that could be used in energy renovation of existing dwellings, in order to reduce their high energy consumption, as they represent a great part of the total energy consumed in Spain, but also internationally. Between the materials used to develop de studied insulating mortars, gypsum, besides being an abundant material, especially in Spain, requires less energy for the manufacture of a mineral binder (due to lower manufacturing temperatures), compared to lime or cement, thus presenting lower carbon footprint. In other hand, the hydrophobic mesoporous silica aerogel, is, according to the existing references, the material with the highest know insulating capacity in the market. The development of new mineral mortars with higher thermal insulation capacity than traditional insulating materials, presents a relevant application in energy retrofitting of historic and cultural heritage buildings, in which implies that the insulating material should be installed as an internal layer, rather than as an external insulating system. This type of solution involves a reduced internal useful area, especially in climatic zones where the demand for thermal insulation is higher, and so the insulating layer thickness, being idealistic to use materials with very high insulating properties, in order to reach same insulating level (or higher), but in lower thickness than the provided by traditional insulating materials. This research is developed in three main stages: bibliographic, experimental and simulation. The first stage starts by studying the existing references regarding thermally insulating materials, including existing insulating mortars and insulating panels. The second stage, mainly experimental, is centered in the study of the the influence of the microstructure and macrostructure in the physical and mechanical properties, and also in the thermal conductivity of the new mineral-based material. The thirds stage, through energy simulation, consists in theoretically quantifying the energy savings potential that can provide this type of insulating material, in a particular energy retrofitting case study. The experimental research is mainly focused in the study of the factors that influence the mechanical properties and the thermal conductivity of the thermal insulating mineral composites developed in this thesis. For this, the characterization of the studied materials has been performed, as well as the development of several experimental samples, in order to study the hydration of the mineral binder within the composites, but also the final microstructure and macrostructure, fundamental aspects for the understanding of the composite’s mechanical and insulating properties. Thus, is was possible to determine and quantify the factors that influence the studied material properties, providing a knowledge base and understanding of mineral composites that comprises mesoporous hydrophobic silica aerogel particles, being the first study up to date regarding the specific approach of the present study, regarding not just multiphase calcium sulfate plaster, but also other mineral binders. Particularly, the influence of the incorporation of hydrophobic silica aerogel particles, in high volume ratios into a mineral compound, based on different phases of calcium sulfate has been determined. However, to perform mixing, it is necessary to use a surfactant in order to compatibilize these particles with the water-based mineral binder. The use of such additives has an influence, not only in the aerogel, but the overall properties of the compound, so two different surfactant concentration has been studied: the first, the minimum amount of surfactant (used in this thesis) in order to develop the slurries (0.1% concentration of the mixing water), and the second, as the upper limit, the concentration usually used industrially to stabilize air bubbles in foamed concrete (5%). One of the side effects of using such additive, was the modification of the aerogel particles, by changing their behavior in respect to water, generating a partial invasion of the aerogel’s porous structure, by the mixing water. This behavior produces a very important increase in water/binder ratios, affecting the crystal habit and negatively influencing the mechanical properties of the gypsum matrix. This effect further increased when a higher concentration of surfactant (5%) is used. Regarding final materials properties, it was possible to achieve an ultra-lightweight mineral composite (200 kg/m3), with around 60% by volume of aerogel, presenting a very high insulating capacity (0.028 W/m•K), a noticeable lower thermal conductivity compared to the insulating mortars and traditional thermal insulating panels on the market, such as mineral wool or EPS; however, the limiting factor for future’s material application in buildings, is related to the very low mechanical properties achieved. Among the main factors related to the mechanical properties, it has been found an exponential correlation to the volume of gypsum in the composite. However, second-order factors such as the degree of hydration, or a better distribution of the binder between the aerogel particles, due to the increased surface area of the mineral powder, can increase the mechanical properties between two to three times, depending aerogel volume involved. In addition, it was found that the aerogel, together with the surfactant, is able to entrain a large amount of air volume (around 0.70 m3 per m3 of aerogel), which together with the evaporated water (not consumed by the binder during hydration), can reach generally around 40% of entrained air within the gypsum matrix, regardless of the amount of aerogel in the mixture. Thus, the entrained air into the matrix displaces the volume proportions of the aerogel and gypsum, reducing both mechanical and insulating properties of the mineral composite. On the other hand, it has been observed a direct contribution of three main phases into the thermal conductivity of the composite: gypsum, aerogel and entrained air. Thus, it was possible to develop a mathematical model (adapted from an existing one), capable of calculating quite accurate the thermal conductivity of such mineral composites, from the ratio these three components and for the range of volumes and materials used in this thesis. Finally, the energy simulation performed to a typical Spanish dwelling, from the years 1900 to 1959 (mainly constructed with massive clay bricks), within three climatic zones of Spain (A, D and E), showed the energy savings potential that can provide this type of insulating material, depending on the thickness of the applied layer. Particularly, for the climatic A zone, it has been found an optimal layer thickness of 1 cm, while for zone D and E, 3.5 and 3.9 cm respectively. In this manner, the new studied materials is capable of decreasing the thickness of the insulating layer by 35% and 80%, compared with rock wool panels or mineral mortars with the highest insulating performance of the Spanish market respectively.

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