10.1 Introducción
los materiales de aislamiento térmico se eligen para reducir el flujo de calor a través de un medio, y pueden estar hechos de un solo o múltiples materiales. Materiales de aislamiento térmico guardar la industria de los estados UNIDOS más de $60 mil millones al año en costos de energía (Cengel, 1998, páginas 158-159). Por lo tanto, la importancia de los materiales de aislamiento motiva a los ingenieros de energía a mejorar las características térmicas de los materiales de aislamiento térmico hacia una mayor resistencia térmica., Las sustancias fibrosas, celulares y granulares son materiales de aislamiento comúnmente utilizados en edificios. La selección del material de aislamiento térmico se basa en su conductividad térmica, masa térmica, Temperatura de espacios interiores y exteriores, durabilidad, costo y otros factores. Las propiedades termofísicas de los materiales utilizados en la envolvente del edificio afectan fuertemente a los consumos de energía de calefacción o refrigeración. La conductividad térmica afecta el flujo de calor en una condición de estado estacionario., Para una condición transitoria, el calor específico también afecta el flujo de calor al absorber y almacenar el calor en forma de calor sensible. La intensidad solar y la temperatura del aire exterior varían con el tiempo; por lo tanto, la conductividad térmica y el calor específico de los materiales utilizados en las envolturas de edificios afectan el flujo de calor. Los aislamientos térmicos preferidos son materiales con alta capacidad térmica y baja conductividad térmica., Turner & Malley realizó una revisión exhaustiva de la economía del diseño de materiales de aislamiento térmico, y Torgal, Mistretta, Kaklauskas, Granqvist, & Cabeza (2013) explicó en su libro Cómo abordar los desafíos de la renovación de edificios hacia una energía casi nula.
la incorporación de material de cambio de fase (PCM) en la envolvente del edificio se ha investigado como una técnica rentable para reducir las cargas de enfriamiento., Los PCM son sustancias orgánicas o inorgánicas con baja temperatura de fusión y alto calor latente de fusión, como parafina y sal. Los PCM se clasifican como un tipo capacitivo de materiales de aislamiento porque ralentizan el flujo de calor al absorber el calor. Durante tiempos de alta temperatura al aire libre, el PCM funde y almacena parte del calor a medida que se transfiere del exterior al interior, y en tiempos de baja temperatura al aire libre, el PCM solidifica y libera el calor almacenado., Durante el proceso de fusión, el calor específico del PCM aumenta a más de 100 veces, lo que le permite absorber una gran cantidad de energía en una cantidad relativamente pequeña de PCM. El uso de PCM en materiales de construcción fue sugerido por Barkmann & Wessling (1975). Morikama, Suzuki, Okagawa y Kanki (1985) introdujeron el concepto de la encapsulación de PCM en una matriz de poliéster insaturado para material de construcción., En una revisión reciente de la PCM para la construcción de los sobres se pueden encontrar en las referencias (Osterman, Tyagi, Butala, Rahim, & Stritih, 2012; Pomianowski, Heiselberg, & Zhang, 2013; Soares, Costa, Gaspar, & Santos, 2013; Waqas & Din, 2013). Dependiendo del componente de la envolvente, la investigación para PCM se puede clasificar en tres grupos: ladrillos, techos y ventanas., Para ladrillos, Alawadhi (2008) presentó un análisis térmico de ladrillos con huecos cilíndricos llenos de PCM, y los resultados indican que la ganancia de calor puede reducirse en un 17,55% para ciertas condiciones de diseño y climáticas. Zhang, Chen, Wu, & Shi (2011) reportó las características térmicas del ladrillo con PCM bajo temperatura exterior fluctuante real. La respuesta térmica representada por la temperatura de la superficie de la pared interior de la pared de ladrillo llena de PCM se evalúa y se compara con la de la pared de ladrillo macizo., Chwieduk (2013) publicó un artículo sobre la posibilidad de sustituir los ladrillos externos de masa térmica gruesa y pesada utilizados en los países de alta latitud por ladrillos de masa térmica delgada y ligera. El efecto de la orientación, la posición de la capa de PCM, la temperatura de cambio de fase y las condiciones climáticas fue estudiado por Izquierdo-Barrientos et al. (2012), y encontraron que el PCM ayuda a reducir el máximo y la amplitud del flujo de calor instantáneo.
para techos, Alawadhi & Alqallaf (2011) investigó un techo de concreto con agujeros verticales de cono Frustum llenos de PCM., El objetivo del techo PCM es reducir el flujo de calor del espacio exterior al interior mediante el aumento de la masa térmica del techo. La forma de los contenedores de PCM mantiene la resistencia física del techo, se puede reemplazar fácilmente si es necesario y permite que el PCM se expanda durante el proceso de fusión en la dirección ascendente. El flujo de calor en la superficie interior del techo se puede reducir en un 39%, como se informó., El análisis numérico de la transferencia de calor a través de la estructura del techo con PCM es por Ravikumar & Sirinivasan (2011), y aproximadamente el 56% de reducción en la ganancia de calor en la habitación se obtiene con una estructura de techo PCM en comparación con un techo convencional. Por otro lado, el concepto de capas dobles de PCM en el techo de un edificio fue propuesto por Pasupathy & Velraj (2008) para una gestión térmica durante todo el año. Se recomienda la doble capa de PCM en el techo para reducir el flujo de calor a través del techo.,
la investigación para PCM en windows también se llevó a cabo como una técnica para reducir la ganancia de calor a través de windows. Las ventanas representan un gran porcentaje de la ganancia de calor durante el día, y la energía penetra en las ventanas a través de la radiación solar y la convección. Por lo tanto, la reducción de la ganancia de calor a través de las ventanas es el factor clave para el ahorro de energía en los edificios, y para reducir la ganancia de calor, se instalan persianas externas para eliminar el efecto de la radiación solar., Un obturador de ventana lleno de PCM fue propuesto y analizado por Alawadhi (2012), y se realiza un estudio paramétrico para evaluar el efecto de diferentes parámetros de diseño, como el tipo de PCM y la cantidad en el obturador. Se informó que la temperatura de fusión de la PCM debe estar cerca del máximo de la temperatura al aire libre durante el día, y la cantidad de PCM debe ser suficiente para absorber grandes cantidades de calor. Goia et al. (2012) describieron el comportamiento termo-físico de las configuraciones de sistemas de acristalamiento PCM., También se investigaron las ventanas de vidrio con relleno de PCM para reducir la radiación solar que ingresa al espacio interior A través de las ventanas (Ismail, Salinas, & Henríquez, 2008), y se compara la efectividad del sistema con las ventanas llenas de gases reflectantes.
