Development and characterization of new materials incorporating phase change materials (PCM) for thermal energy storage (TES) applications in buildings

Abstract

Actualment, la demanda d'energia per satisfer el confort tèrmic en edificació és un dels majors reptes per a les administracions. Per tant, l'eficiència dels diferents sistemes d'emmagatzematge d'energia s està investigant intensament per la comunitat científica. Una alternativa viable és l'ús de materials de canvi de fase (PCM). Les parafines han estat molt utilitzades com PCM per la seva alta capacitat d'emmagatzematge de calor (al voltant de 100-130 kJ·kg-1) i la seva baixa temperatura de fusió la qual és molt estable. A més, el consum d'energia i les oscil·lacions de la temperatura internes d'edificis es poden reduir quan un PCM s'incorpora en evolvents. L'objectiu principal d'aquesta tesi és el desenvolupament de nous materials que continguin PCM basant-se en l'estudi del procés per obtenir la correcta introducció del PCM dins el material. A més, les propietats termofísiques d'aquests nous materials s'han de conèixer i per tant caracteritzar a nivell de laboratori. Aquesta tesi doctoral se centra en els treballs publicats en revistes científiques amb alt factor d'impacte indexats al camp de l Energia els quals reflecteixen treball realitzat. D'altra banda, aquesta tesi conté una revisió de l'estat de l'art destacant els requisits per a un PCM i llista tots els tipus de PCM disponibles al mercat i utilitzats en investigació. D'altra banda, un nou concepte de material compost que incorpora PCM ha estat desenvolupat en aquesta tesi. Aquest compost té la matriu polimèrica, i inclou un residu del procés de reciclatge de l acer. D'aquesta manera s'obtenen làmines denses que es poden modelar. La fabricació d'aquest material podria considerar-se un mètode per a la reutilització d'aquest residu. D'altra banda, aquest tipus de residus conté òxids de metalls pesants que augmenten les propietats d'aïllant acústic de la làmina aconseguint millorar el resultat final de la solució constructiva. A més, el comportament termofísico dels materials compostos utilitzats en edificis és difícil de caracteritzar i l'anàlisi tèrmica dels PCM és un pas necessari per al disseny dels mateixos. Les dues primeres caracteritzacions termofísiques estudiades en aquesta tesi es van realitzar mitjançant corbes calorimètriques que és una de les tècniques més potents disponibles actualment. tres estudis més van ser van realitzar amb dispositius desenvolupats per diferents grups d'investigació a Espanya per tal de mesurar les propietats termofísiques dels materials compostos o materials multicapa que incorporen PCM.

Hoy en día, la demanda de energía para satisfacer el confort térmico en edificación es uno de los mayores desafíos para las administraciones. Por lo tanto, la eficiencia de los diferentes sistemas de almacenamiento de energía está siendo intensamente investigado por la comunidad científica. Una alternativa viable es el uso de materiales de cambio de fase (PCM). La parafina ha sido muy usada como PCM debido a su alta capacidad de almacenamiento de calor (alrededor de 100-130 kJ·kg-1) y a su baja temperatura de fusión la cual es muy estable. Además, el consumo de energía y las oscilaciones de la temperatura internas se pueden reducir cuando un PCM se incorpora en envolventes de edificios. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de nuevos materiales que contengan PCM basándose en el estudio del proceso para obtener la correcta introducción del PCM. Además, las propiedades termofísicas de estos nuevos materiales se debe conocer y por tanto caracterizar a nivel de laboratorio. Esta tesis doctoral se centra en los trabajos publicados en revistas científicas con alto factor de impacto indexados en el campo de Energía los cuales reflejan el trabajo realizado. Por otra parte, esta tesis contiene una revisión del estado del arte destacando los requisitos para un PCM y lista todos los tipos de PCM comercializados y utilizados en investigación. Por otra parte, un nuevo concepto de material compuesto que incorpora PCM ha sido desarrollado en esta tesis. Este compuesto tiene la matriz polimérica, e incluye un residuo del proceso de reciclaje de acero. De este modo se obtienen láminas densas moldeables. La fabricación de este material podría considerarse un método para la reutilización de este residuo. Por otra parte, este tipo de residuos contiene óxidos de metales pesados que aumentan las propiedades de aislante acústico de la lámina consiguiendo mejorar el resultado final de la solución constructiva. Además, el comportamiento termofísico de los materiales compuestos utilizados en edificios es difícil de caracterizar y el análisis térmico de los PCM es un paso necesario para el diseño de los mismos. Las dos primeras caracterizaciones termofísicas estudiadas en esta tesis se realizaron mediante calorimetría diferencial de barrido que es una de las técnicas más potentes disponibles actualmente. tres estudios más fueron realizaron con dispositivos desarrollados por diferentes grupos de investigación en España con el fin de medir las propiedades termofísicas de los materiales compuestos o materiales multicapa que incorporan PCM.

Nowadays, energy demand to satisfy thermal comfort in buildings is one of the major challenges for governments and administrations. Therefore, energy storage system efficiency is being studied by the international scientific community. A feasible alternative is the use of phase change materials (PCM). Paraffin waxes have been used as PCM because of their high heat storage capacity (around 100-130 kJ·kg"1) and their low and stable melting temperature. Furthermore, the energy consumption and indoor oscillations temperature may be reduced when PCM is incorporated in building envelopes and the thermal inertia increment when PCM is combined with thermal insulation was widely studied. The main objective of this thesis is the development of new materials containing PCM based on the study of process to get the correct PCM introduction. In addition, thermophysical properties of these new materials must be characterized. In order to perform the characterization, it was used several developed devices. This PhD thesis is based on papers published in scientific journals with high impact factor in the Energy field and one patent that reflect the work performed. This thesis contains a review of the state of the art highlighting the requirements order to a certain PCM and lists and sorts all PCM available in the market and used in research. On the other hand, a new concept of composite material incorporating PCM is developed in this thesis. This composite has polymeric matrix and includes one waste from the steel recycling process obtaining mouldable dense sheets. The manufacture of this material is considered a way to reuse the waste. Furthermore, this waste contains heavy metals oxides which add acoustic insulation properties to the final constructive system. One patent and two papers are the main result. Moreover, thermophysical behaviour of composite materials used in buildings envelopes is difficult to characterize. In addition, PCM thermal analysis is a necessary step of building design as well as it will be a key point in the final thermal results of the envelope. The first two thermophysical characterizations studied in this thesis were performed using differential scanning calorimetry which is one of the most powerful techniques. Three more studies were performed using devices developed by different research groups in Spain in order to measure thermophysical properties of composite materials or multilayered materials incorporating PCM.