Análisis numérico de la transferencia de calor de materiales de cambio de fase en techos de edificaciones del estado de Tabasco

Abstract

Se estudió numéricamente el comportamiento térmico de un techo de concreto con una capa intermedia de material de cambio de fase (PCM). La finalidad fue evaluar el efecto de la temperatura de cambio de fase y la posición de la capa de PCM para identificar la configuración con el comportamiento térmico y operativo que permita la reducción de las ganancias de calor hacia el interior de una edificación. Para este fin, se probaron dos PCM de 1 cm espesor; RT35 y RT44HC, con un rango de temperatura de cambio de fase entre 29-36°C y 41- 44°C, respectivamente. Cada PCM se evaluó en cinco posiciones dentro del techo. El comportamiento térmico del sistema fue analizado para una semana típica de primavera y una semana típica de verano bajo el clima cálido-húmedo de la ciudad de Cunduacán, Tabasco. Para ello, se desarrolló y validó un código computacional capaz de resolver la ecuación de difusión de calor bidimensional en estado transitorio; discretizada con el método de volumen finito en un esquema implícito. Las superficies externas estuvieron sujetas a las variaciones de la temperatura ambiente y radiación solar, y la superficie interna en contacto con el aire interior a temperatura constante. El fenómeno de cambio de fase se formuló con el modelo de entalpía y el modelo de calor específico efectivo. De los casos analizados, el comportamiento térmico y operativo más favorable, se obtuvo con el PCM RT35 cuando se encuentra próximo a la superficie interna del techo. En la semana de primavera esta configuración redujo las ganancias de calor 1.441 kWh m-2 (13.77%); y en la semana de verano 1.556 kWh m-2 (14.09%). Estos valores permitirían un ahorro en el consumo eléctrico de $6.06 a $7.05 por m2 en una edificación, y una reducción de 0.759-0.820 kg m-2 en las emisiones de CO2.