Un inconvenient de les energies renovables, a part del cost d’inversió inicial el qual està decreixent, és la necessitat de bateries tèrmiques. L’emmagatzematge d’energia tèrmica és fonamental per quadrar la producció i la demanda, i així proporcionar fred o calor (energia tèrmica) als consumidors quan així ho requereixin, independentment de quan ha estat obtinguda. Hi ha diverses maneres de fer-ho, la més comuna és un tanc d’aigua. No obstant, hi ha maneres més compactes i eficients, com ara els materials de canvi de fase (PCM) i els materials termoquímics (TCM). És per això, que l’objectiu de la present tesis és contribuir a la caracterització de PCM des d’un punt de vista de les tècniques d’anàlisi tèrmica, estabilitat fisicoquímica i morfològica, així com investigar experimentalment sobre la ciclabilitat tèrmica dels sucres-alcohols. Pel que fa als materials termoquímics l’objectiu és dur a terme un estat de l’art dels reactors utilitzats, així com aprofundir en els requeriments quan es procedeix a elegir un TCM. A més a més, també és presenten els resultats de tests de corrosió sota diferents atmosferes, simulant els reactors, i nous materials desenvolupats, basats en grafit, per millorar la transferència de calor. / Uno de los inconvenientes de las energías renovables, a parte de la inversión inicial la cual está disminuyendo, es la necesidad de baterías térmicas. El almacenamiento de energía térmica es fundamental para hacer coincidir la producción y la demanda, para así proporcionar energía térmica cuando sea requerida por los inquilinos, independientemente de cuándo ésta ha sido obtenida. Existen diferentes maneras de hacerlo, la más común el agua. No obstante, hay maneras más eficientes y compactas, como los materiales de cambio de fase (PCM) y los materiales termoquímicos (TCM). Es por eso, que el objectivo de la tesi es contribuir a la caracterización de los PCM desde un punto de vista de las técnicas de análisis térmico, estabilidad fisicoquímica y morfológica, así como investigar experimentalmente sobre la ciclabilidad térmica de los azúcares-alcoholes. En relación a los TCM, el objetivo es llevar a cabo un estado del arte de los reactores utilizados, así como profundizar sobre los requerimientos para la elección de un TCM. Asimismo, se presentan resultados de ensayos de corrosión bajo diferentes atmósferas y materiales desarrollados en base a grafito para la mejora de la transferencia de calor. / A resulting drawback of renewable energies use, besides the investment cost which is actually decreasing, is the need of thermal batteries. Thermal energy storage is essential to match production and demand, and therefore to provide heat or cold to the consumers when required independently of when it was obtained. Several ways exist to fulfil this requirement in buildings, the most common one is a water tank. But there are more compact and efficient ways, such as phase change materials (PCM) and thermochemical materials (TCM) storage. These materials need to be properly characterized and their thermophysical properties perfectly known in order to design the most appropriate and optimum system for heating, cooling and domestic hot water applications in dwellings.Therefore, the main objective of this thesis is to contribute on PCM characterization from a material thermal analysis, physicochemical stability and morphological point of view, and experimentally investigate on thermal cycling stability of sugar-alcohols. Then, on TCM side the aim is to provide an overview among TCM available reactors and requirements to choose the suitable storage material. Moreover, corrosion tests under different atmospheres and enhancement of heat transfer by developing graphite based composites are performed and shown in detail in this thesis.

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.

No description available.

L’objectiu d’aquesta tesis doctoral és el desenvolupament d’un sistema d’emmagatzematge d’energia tèrmica (TES) mitjançant la utilització de materials de canvi de fase (PCM) per aplicacions a baixa temperatura, en particular, per a congeladors comercials. Es provarà tant experimental com numèricament la millora de les condicions de l’emmagatzematge i també la millora de la qualitat dels aliments emmagatzemats/transportats. També inclou la investigació de nous PCMs, estudiant la modificació de la temperatura de canvi de fase i analitzant velocitats de degradació i corrosió amb els materials recipients. Els resultats obtinguts a les diferents aplicacions estudiades demostren el clarament el benefici de la utilització de PCM, reduint les fluctuacions i les caigudes de temperatura tant al interior dels sistemes com del producte, i per tant millorant la qualitat d’aquests. / El objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo de un sistema de almacenamiento de energía térmica (TES) mediante la utilización de materiales de cambio de fase (PCM) para aplicaciones a baja temperatura, en particular, para los congeladores comerciales. Se probará experimental y numéricamente la mejora de las condiciones de almacenamiento, y también la mejora de la calidad de los alimentos almacenados/transportados. También incluye la investigación de nuevos PCM, estudiando la modificación de la temperatura de cambio de fase y analizando velocidades de degradación y corrosión con los materiales contenedores. Los resultados obtenidos en las diferentes aplicaciones demuestran el beneficio de usar PCM, reduciendo las fluctuaciones y las caídas de temperatura tanto del interior de los sistemas como del producto almacenado y por tanto la mejoría de la calidad de éstos. / The aim of this PhD thesis is to develop a thermal energy storage (TES) system using phase change materials (PCM) for cold temperature applications in particular for commercial freezers testing experimentally and numerically the improvement of its thermal performance and the food quality stored. This thesis also includes the research on PCM with attractive properties for low temperature applications such as controllable phase change temperature and low corrosion and degradation rate. The results obtained in the proposed applications have proved the benefit of using PCM in the proposed cold applications based on reduction of the interior/product temperature fluctuations and

L’objectiu d’aquesta tesis és el de analitzar el comportament tèrmic d’una façana ventilada amb material de canvi de fase macro encapsulat en el seu canal d’aire. L’ús de materials de canvi de fase incrementa la capacitat d’emmagatzematge d’energia tèrmica en la solució constructiva proposada, i intensifica l’emmagatzematge i l’operació de la façana ventilada a un rang de temperatures desitjat. El rendiment energètic d’aquest nou tipus de façana ventilada s’estudia de forma experimental per veure el seu potencial en reduir els consums energètics tant de calefacció com de refrigeració. Posteriorment, s’estudia mitjançant l’anàlisi de cicle de vida, quin és l’impacte mediambiental que suposa la manufactura i operació d’aquest sistema. Finalment, es desenvolupa un model numèric per optimitzar el funcionament i disseny d’aquesta façana. Aquest model numèric utilitza una nova correlació empírica de nombre de Nusselt, per al càlcul dels coeficients de transferència de calor entre el material de canvi de fase i el flux d’aire circulant per la cambra. / El objetivo de esta tesis es el de analizar el comportamiento térmico de una fachada ventilada con material de cambio de fase macro encapsulado en su canal de aire. El uso de materiales de cambio de fase aumenta la capacidad de almacenamiento de energía térmica en la solución constructiva propuesta, e intensifica el almacenamiento y la operación de la fachada ventilada a un rango de temperaturas deseado. El rendimiento energético de este nuevo tipo de fachada ventilada se estudia experimentalmente para ver su potencial en reducir los consumos energéticos tanto de calefacción como de refrigeración. Posteriormente, se estudia mediante el análisis de ciclo de vida, el impacto medioambiental que supone la manufactura y operación de este sistema. Finalmente, se desarrolla un modelo numérico que optimiza el funcionamiento y diseño de esta fachada. Este modelo numérico utiliza una nueva correlación empírica de número de Nusselt, para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor entre el material de cambio de fase y el flujo de aire circulando por la cámara. / The objective of this thesis is to analyse the thermal behaviour of a ventilated façade with macro-encapsulated phase change material in its air channel. The use of phase change materials increases the ability of thermal energy storage in the proposed constructive system, and enhances the storage and operation of the ventilated facade to a desired temperature range. The energy efficiency of this new type of ventilated facade is experimentally studied to determine its potential in reducing the energy consumption both for heating and cooling. Hereafter, the environmental impact of the manufacture and operation of this system is studied by a life cycle analysis. Finally, a numerical model is developed to optimize the operation and design of this facade. This numerical model uses a new empirical correlation for the Nusselt number to calculate the convective heat transfer coefficients between the phase change material and the air flow circulating in the chamber.

La present tesi doctoral correspon a l'estudi i optimització energètica d'una casa solar i bioclimàtica situada en una zona amb clima alpí, on la temperatura mínima exterior és de -12ºC. Es tracta d'un habitatge unifamiliar, situat a la població d'Engordany, al Principat d'Andorra, a 1260 metres sobre el nivell del mar.L'habitatge es va construir els anys 1999 - 2000 amb tots els critèris de sostenibilitat del moment, i s'ha habitat des de llavors.Es tracta d'un edifici solar passiu i actiu, amb col·lectors solars d'aire calent per calefacció i un sistema de terra radiant elèctric de recolzament. No te sistema de refrigeració a l'estiu ja que el propi comportament passiu i el control domòtic de les persianes en funció de la temperatura interior i de la insolació fan que no sigui necessari. La producció d'aigua calenta es fa també amb un sistema solar. S'ha tingut especial sensibilitat en la integració arquitectònica de tots aquests col·lectors.Els càlculs pel disseny passiu de l'edifici s'han fet per simulació tèrmica hora per hora de tot un any amb dades climatològiques reals de la zona.La casa té un sistema domòtic de control, que recull els paràmetres de temperatures internes i externes, funcionament de persianes, equips, enllumenat, etc. Aquestes dades són les que s'han analitzat en la present tesi doctoral per tal d'extreure'n conclusions.S'ha completat amb un estudi termogràfic fet a l'hivern, per tal de veure on hi ha pèrdues tèrmiques, confirmant els resultats de l'estudi teòric.El comportament tèrmic tant a l'estiu com a l'hivern és d'una estabilitat de temperatura interna molt gran, tot i que només funciona la calefacció en hores nocturnes (utilitza tarifa elèctrica nocturna), el que dona un confort elevat.El resultat mesurat realment dóna un consum de calefacció en línia amb l'etiqueta energètica A, de 28,8 kWh/m2·any, que traduït en termes econòmics correspon a 1,35 /m2·any (dades reals hivern 2007-08).La tesi doctoral posa en relleu els punts energèticament millorables, com són sobretot la perfileria de les finestres i les caixes de persiana.Els bons resultats de la casa ens han animat a fer un software de simulació tèrmica d'edificis que faciliti aquesta tasca, per que deixi de ser un treball excepcional per convertir-se en habitual, amb un cost d'enginyeria raonable. Aquest programari es diu www.bioclim.com. / La presente tesis doctoral, corresponde al estudio y optimización energética de una casa solar i bioclimática construida en una zona alpina con temperaturas exteriores de -12ºC. Se trata de una vivienda unifamiliar, situada en la población de Engordany, en el Principado de Andorra, a 1260 metros sobre el nivel del mar.La vivienda se construyó entre los años 1999 y 2000 con todos los criterios de sostenibilidad y ha estada habitada desde entonces.Es una casa solar pasiva y activa, con paneles solares de aire caliente para calefacción y un sistema de suelo radiante eléctrico de apoyo. No tiene sistema de refrigeración para el verano ya que el propio comportamiento pasivo y el control domótico de la persianas en función de la temperatura interior e insolación lo hace innecesario. La producción de agua caliente se hace también a través de energía solar. Se tuvo especial interés en la integración arquitectónica de todos los colectores solares.Los cálculos para el diseño pasivo de la casa se han hecho por simulación térmica hora por hora de todo un año, utilizando datos climatológicos reales de la zona.Dispone de un sistema domótico de control que además recoge los valores de todos los parámetros utilizados de temperaturas internas y externas, funcionamiento de persianas y equipos, iluminación, etc. Estos datos son los que se han utilizado y explotado para realizar la presente tesis doctoral y sacar las debidas conclusiones.Se completó con un estudio termográfico en invierno, que confirma los resultados del estudio teórico.El comportamiento térmico tanto en verano como en invierno es de una estabilidad de la temperatura interna muy grande, teniendo en cuenta que la calefacción solo funciona en horas nocturnas (usa tarifa eléctrica horaria), cosa que da un elevado confort.El resultado según mediciones reales, da un consumo de calefacción en línea con los edificios de etiqueta energética A, de 28,8 kWh/m2·año, que en términos económicos representa 1,35 /m2·año (datos reales del invierno 2007-08).La tesis doctoral pone en relieve los puntos mejorables energéticamente, como son sobretodo los perfiles de las ventanas y las cajas de persiana.Los buenos resultados de la casa nos animaron a desarrollar un software de simulación térmica de edificios, www.bioclim.com, que facilite el trabajo, con el objetivo que deje de ser una tarea excepcional para convertirse en habitual con costos de ingeniería reducidos. / This doctorate thesis is a study of getting the best out and improving of a bioclimatic, solar energy house situated in a mountain climate where the minimum outside temperature is -12ºC. It's a house situated in village called Engordany, in the Principality of Andorra, 1260 metres above the sea-level.The house was built between 1999 and 2000 with all the criterion of self maintenance available at the time and has been lived in ever since.It is a solar building that is both active and passive, with hot air collectors and a backup system of under floor heating in the form of electric wiring. In the summer, a cooling system in the form of air conditioning is totally unnecessary due to the passive action of the system. External blinds acting as shutters are automatically controlled according to sunshine and interior temperatures. The hot water production is also made by solar energy.Special care has been taken in the architectural integration of all this energy collectors.The research contributing to the passive design of the building was to use actual climatological information of the area to create a simulation of the hourly heat gains and losses during a whole year.Finalised with a thermografic study to discover where the heat losses are found, confirming the results of the theoretical study.The house has domòtic control which measures and collect internal and external temperatures, works blinds, shutters, control all electrical devicesand lighting, .These are the facts that have been analyzed in this doctoral thesis to come to the following conclusions.The thermal performance both in summer and winter means that even though the traditional heating system only works during the night hours (using the nocturnal electricity rates), the stability of the temperature interior is enormous and of great comfort.The results taken are in line with the A Energetic Label, with a consumption of 28,8 kWh/m2 a year, converted into economic terms means 1,35 per m2 a year, real figures from winter 2007-08.This doctorate thesis reveals where improvements can be made to save energy, especially windows frames and shutters (boxes of shutters).The positive results from the house have encouraged us to make software to simulate thermal buildings which make this task easier. It will no longer be an exceptional task but a usual one without the high engineering costs.This software is called www.bioclim.com. / La présente thèse doctorale correspond a l'étude d'optimisation énergétique d'une maison solaire et bioclimatique située dans une zone de climat alpin, où la température minimale extérieure est de -12ºC. Il s'agit d'une maison individuelle, située à la ville d'Engordany, dans la Principauté d'Andorre, à 1260 mètres d'altitude.La maison a été construite dans les années 1999-2000 avec tous les critères de durabilité du moment. Depuis, elle est habitée.Il s'agit d'un bâtiment solaire passif et actif, avec des collecteurs solaires d'air chaud pour chauffage et un système de plancher chauffant électrique à l'appui.A l'été, il n'y a pas de système de réfrigération puisque le propre comportement passif et le contrôle domotique des persiennes en fonction de la température intérieure et de l'insolation, font que cela ne soit pas nécessaire. La production d'eau chaude se fait aussi avec un système solaire. On a eu une sensibilité spéciale dans l'intégration architectonique de tous ces collecteurs.Les calculs pour la conception passive du bâtiment ont été faits par simulation thermique dynamique avec des données climatologiques réellesde la zone.La maison a un système domotique de contrôle, qui intègre: les températures internes et externes, le fonctionnement des persiennes, des équipes, de la mise en marche, etc. Ces données sont celles qui ont été analysées dans la thèse doctorale pour en tirer des conclusions.Il a été complété avec une étude thermographique, réalisée pendant l'hiver, pour repérer les déperditions thermiques, et confirmant les résultats de l'étude théorique.Le comportement thermique, aussi bien a l'été qu'à l'hiver, est caractérisé par une grande stabilité de température interne, faisant que le chauffage ne fonctionne que pendant des heures nocturnes (utilisation du tarif électrique nocturne), ce qui donne un confort élevé.Le résultat réellement mesuré donne une consommation de chauffage en ligne avec l'étiquette énergétique A, de 28,8 kWh/m2·année, ce qui transcrit en termes économiques correspond à 1,35 /m2·année (données réelles hiver 2007-08)La thèse doctorale met en relief les points énergétiques à améliorer, comme le sont surtout le bâti des fenêtres et les caissons d'enroulement. Les bons résultats de la maison nous ont encouragé à développer un logiciel de simulation thermique de bâtiment qui facilite cette tâche, afin qu'elle cesse d'être un travail exceptionnel pour devenir habituel, sans un coût d'ingénierie élevé. Le logiciel s'appelle www.bioclim.com.