Síntesis de nuevos materiales de construcción (nano-PCM) para la gestión térmica pasiva de viviendas por calor latente

Datos del proyecto

Referencia
UCA.20-01

Título
Síntesis de nuevos materiales de construcción (nano-PCM) para la gestión térmica pasiva de viviendas por calor latente

Universidad
Universidad de Cádiz

Tema prioritario
1.Actuaciones dirigidas a dar respuesta a los problemas sociales, económicos, habitacionales y de la agenda de desarrollo urbano, promoviendo una perspectiva integral y reactivadora
2. Actuaciones de rehabilitación residencial, destacando las intervenciones sobre edificios residenciales de viviendas colectivas en Andalucía, en especial los localizados en grandes barriadas de antigua construcción poniendo de relieve aspectos tales como la accesibilidad, la conservación y el mantenimiento y la sostenibilidad
3. Vivienda y Arquitectura, incluyendo los aspectos de la sostenibilidad y de la eficiencia energética, fomentando la racionalización de las intervenciones y los nuevos modos de convivencia, con especial atención en la vivienda social

Investigador/es principal/es
Concepción Fernández Lorenzo

Participantes en el proyecto
Concepción Fernández Lorenzo | Juan Antonio Poce Fatou | Francisco Javier Navas Pineda | David Zorrilla Cuenca | Rodrigo Alcántara Puerto | Deseada Mª de los Santos Martínez | Iván Carrillo Berdugo | Mª Teresa Aguilar Sánchez | Nazaret Ruíz Marín | Juan Jesús Gallardo Bernal

Entidades colaboradoras
-

Periodo de ejecución
2020-2022 (15 meses)

Presupuesto
49.549,44 €

Resumen

El objetivo general del proyecto consiste en la síntesis de materiales PCM (Phase Change Materials) para su empleo en la construcción o en el reacondicionamiento de viviendas para mejorar su confort térmico. El material PCM en el que hemos basado la mayor parte de nuestros trabajos es el n‐octadecano (C18), una especie que al disponer de elevados calores latentes de fusión y cristalización y temperaturas de cambio de fase entre 28 y 30 ºC representa una opción de uso realista en el contexto térmico de nuestra región.

El inconveniente de este producto radica en su baja conductividad térmica por lo que el proyecto se ha basado en actuaciones para mejorar esta propiedad gracias a la adición de nanoestructuras metálicas de alta conductividad térmica. Se han empleado estructuras de oro de diversas morfologías sintetizadas en nuestros laboratorios: nanohilos (NH), nanosheets (NS) y nanopartículas (NP). También de cobre (comerciales (NP) y sintetizadas por nosotros (NH)).

Los esfuerzos dirigidos a la mejora de la conductividad térmica han dado fruto, pero el proyecto no se ha parado ahí, sino que hemos avanzado en líneas paralelas de trabajo inicialmente no planteadas y que han ampliado significativamente el alcance de los trabajos que hemos llevado a cabo. Hemos desarrollado nuevos materiales PCM con conductividades térmicas mejoradas para su empleo en la protección térmica de viviendas que se pueden aplicar como si de una pintura se tratara mediante brocha o rodillo: materiales PCM microencapsulados con Cu2O o ZnO (éste con propiedades autolimpiantes). En esta misma línea hemos confirmado la eficacia de un frente de investigación abierto pocos días atrás basado en el microencapsulamiento de C18 con CaCO3 y MgCO3 También hemos preparado otros materiales PCM macroencapsulados (basados en materiales de construcción como la arcilla ligera y en materiales poliméricos como los polietilenos de alta densidad) que se aplicarían en la protección de las viviendas en formato de grandes módulos dispuestos en paralelo sobre paredes o tejados.

Actividades | Resultados

• A01_Síntesis de nanomorfologías | Se han sintetizado nanomorfologías de AuNP, AuNS, AuNH, CuNH así como estructuras de material PCM microencapsuladas con Cu2O, ZnO, CaCO3 y MgCO3.
• A02_Caracterización de nanomorfologías | Se han llevado a cabo a partir de las técnicas DRX, EDX, SEM y TEM.
• A03_Medidas de las componentes de la tensión superficial | Los nuevos materiales PCM basados en HDPE2.2 y en AE se basan en mezclas micrométricas en los que la estabilidad de las nanoestructuras metálicas en suspensión no es determinante. La estabilidad en estructuras HDPE12 en los que el C18 se presenta en un bloque compacto inyectado sí lo es. Los trabajos que estamos llevando a cabo para progresar en esta línea no se basan en las medidas de la tensión superficial sino en la de la estabilidad de las suspensiones preparadas con tensioactivos (Tween 80, Span 80). Próximamente se probará octadecanol y octadecanotiol.
• A04_Síntesis de nano‐PCM | Se ha ampliado sustancialmente el marco inicial de trabajo desarrollando productos en las escalas nano, micro y macro. NANO: C18@AuNP, C18@AuNS, C18@AuNH, C18@CuNP, C18@CuNH. MICRO: C12@Cu2O, C18@Cu2O, PW@Cu2O, C18@CaCO3, C18@MgCO3. MACRO: C18@AE‐RE, C18‐CuNP@AE‐RE, C18@HDPE2.2, C18‐CuNP@HDPE2.2, C18@HDPE12, C18‐CuNP@HDPE12, C18‐CuNH@HDPE12.
• B01_Medidas de estabilidad química | Los productos PCM han sido sometidos a ciclos de calentamiento enfriamiento sin constatar modificación significativa de sus propiedades termodinámicas lo que nos lleva a concluir que no parece evidenciarse alteraciones químicas en los rangos de temperatura de trabajo previstos.
• B02_Medidas de estabilidad física | Los productos PCM han sido sometidos a ciclos de calentamiento enfriamiento sin constatar modificación significativa de sus propiedades físicas. Módulos preparados con los nuevos materiales PCM han sido sometidos a la acción de un simulador solar y a la monitorización de la evolución de la temperatura en las superficies iluminadas y ocultas, constatando la eficacia de la acción aislante.
• B03_Medidas de densidad | Las medidas realizadas permiten afirmar que no se dan cambios significativos en la densidad del material PCM de partida tras incorporación de nanoestructuras.
• C01_Medidas de conductividad térmica en fase líquida | Se han llevado a cabo en muestras de C18 a temperaturas entre 30 y 60 ºC con la técnica THB. La presencia de AuNS evidencia mejoras de hasta un 10% a concentraciones tan bajas como 0.014% en C18. No se aprecian cambios significativos con AuNH. Con CuNP y CuNH se evidencian mejoras en la conductividad térmica de hasta el 10% (a 30 ºC) y 5% (a 60ºC), ligeramente superiores en el caso de CuNH respecto a CuNP.
• C02_Medidas de capacidad calorífica en fases sólida y líquida | Se han realizado medidas en muestras de PCM microencapsuladas con Cu2O y ZnO constatando ligeros aumentos respecto al metal tanto en fase sólida como en fase líquida, en línea con las eficacias de encapsulamiento. Las Cp en C18@AE y C18‐CuNP@AE se sitúan en cifras intermedias entre las correspondientes al C18 y a la AE.
• C03_Medidas de calor latente | Las medidas realizadas con DSC evidencian señal PCM en todos los productos que se han preparado. La intensidad de las señales es proporcional al material PCM encapsulado.
• C04_Medidas de conductividad térmica en fase sólida | Se han realizado medidas en muestras pulverulentas y en bloques sólidos que se han constatado difíciles de llevar a cabo. Hemos ampliado el estudio sometiendo las muestras preparadas a la acción de un simulador solar monitorizando la evolución de la temperatura en las superficies expuestas y ocultas a la luz. Esto aporta información indirecta sobre la conductividad térmica y su eficacia como material de utilidad para el acondicionamiento pasivo de espacios.

Difusión de los resultados

• Artículo científico_Aguilar, T., Peña-Cordero, M.D., Carrillo-Berdugo, I., Alcántara, R. y Navas, J. (2023). Synthesis and characterization of metal oxide-based microcapsules including phase change materials for energy storage applications. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 148, 3189–3200. https://doi.org/10.1007/s10973-023-11951-6. Disponible en este enlace.
• Artículo científico_Making TES‐functional concrete for enhanced thermal comfort in buildings by encapsulation of an octadecane‐based dispersion of Cu nanoparticles in lightweight aggregates. Enviado a Construction and Building Materials. (Participan Iván Carrillo Berdugo, Juan Jesús Gallardo Bernal, Nazaret Ruiz Marín, Rodrigo Alcántara Puerto, Francisco Javier Navas Pineda y Juan Antonio Poce Fatou).
• Artículo científico_Multifuncional microcapsules based on ZnO and n‐octadecane: from thermal energy storage to photocatalytic activity. Enviado a Materials Chemistry and Physics. (Participan María Teresa Sánchez Aguilar, Iván Carrillo Berdugo, Rodrigo Alcántara Puerto y Francisco Javier Navas Pineda).
• Comunicación en congreso científico (Comunicación oral 1)_Ruiz Marín, N., Fernández Lorenzo, C., de los Santos Martínez, D.M., Gallardo Bernal, J.J., Navas Pineda, F.J. y Poce Fatou, J.A. (15-17 de septiembre de 2022). Preparation and characterization of combinations between octadecane and 1D and 2D gold nanostructures with enhanced thermal properties. 6th International Conference on Building Materials and Materials Engineering – ICBMM 2022. Barcelona, Spain.
• Comunicación en congreso científico (Comunicación oral 2)_Carrillo Berdugo, I., Ruiz Marín, N., Gallardo Bernal, J.J., Alcántara Puerto, R., Navas Pineda, F.J. y Poce Fatou, J.A. (15-17 de septiembre de 2022). Preparation and characterization of lightweight aggregateencapsulated octadecane with Cu nanoparticles for thermal energy storage in buildings. Presentada en el 2022 6th International Conference on Building Materials and Materials Engineering – ICBMM 2022. September 15‐17. Barcelona, Spain.
• Comunicación en congreso científico (Comunicación oral 3)_Ruiz Marín, N., Carrillo Berdugo, I., Gallardo Bernal, J.J., Navas Pineda, F.J. y Poce Fatou, J.A. (15-17 de septiembre de 2022). Preparation and characterization of lightweight aggregateencapsulated octadecane with Cu nanoparticles for thermal energy storage in buildings. Presentada en el 2022 6th International Conference on Building Materials and Materials Engineering – ICBMM 2022. September 15‐17. Barcelona, Spain.

Conclusiones y aportaciones a la Secretaría General de Vivienda

• La incorporación de nanoestructuras metálicas (fundamentalmente AuNS, AuNH, CuNP, CuNH) en materiales PCM (fundamentalmente C18) ha dado lugar a un incremento sustancial (entre el 5 y 10%) de la conductividad térmica del producto original.
• Los nano‐PCM basados en CuNP y CuNH se han implementado en módulos de PCM macroestructurados basados en arcilla expandida (AE), esto es, materiales comunes de construcción de viviendas. La monitorización de la temperatura de estos módulos en las caras expuestas y ocultas a la radiación de un simulador solar ha demostrado su eficacia y mejora adicional de aislamiento térmico respecto al material PCM original (C18).
• Los nano‐PCM basados en CuNP y CuNH se han implementado también en módulos de PCM macroestructurados basados en materiales poliméricos: HDPE2.2 y HDPE12. Al igual que ocurría con los módulos de arcilla expandida (AE), la monitorización de la temperatura de estos módulos en las caras expuestas y ocultas a la radiación de un simulador solar ha demostrado su eficacia y mejora adicional de aislamiento térmico respecto al material PCM original (C18).
• Se han preparado nuevos materiales PCM de conductividad térmica mejorada basados en el microencapsulamiento con óxidos de cobre (Cu2O) y de cinc (ZnO) o con carbonatos de calcio (CaCO3) o de magnesio (MgCO3).
• El material PCM basado en el microencapsulamiento con ZnO tiene propiedades fotocatalíticas que permite el autolimpiado (blanqueamiento) frente a sustratos de naturaleza orgánica.
• La textura y naturaleza de los materiales PCM microestructurados que hemos desarrollado permite su empleo en la protección térmica de viviendas mediante aplicación con brocha o rodillo (como si de una pintura se tratase), lo que facilita la renovación y ampliación continua de esta protección en una operación sencilla que puede llevarse a cabo por personal no especializado. La aplicación de los materiales macroencapsulados a la construcción de viviendas, por el contrario, se basaría en la preparación de módulos prefabricados que se ensamblarían sobre las superficies del recinto a proteger (paredes, suelos, tejados, …).
• La línea inicial de investigación planteada en este proyecto ha dado pie al desarrollo de otras líneas en paralelo. Hemos conectado una línea de investigación propia de un laboratorio de química con otras más ingenieriles ligadas directamente a su aplicación en construcción o renovación de viviendas. Los materiales PCM se basan en el funcionamiento sostenible, no consumen energía, no contribuyen al calentamiento global ni al incremento de los niveles de CO2 atmosféricos, son estables, no representan peligro para la salud y pueden aplicarse fácilmente en la construcción o renovación de viviendas.