A nanotecnologia na construção: estudo experimental e numérico de soluções construtivas com materiais de mudança de fase

Thermal Energy Storage systems (TES), using phase change materials (PCM) in building sector, are widely investigated technologies and a fast developing research area. The use of PCM in building solutions and components appear as a potential solution to increase the thermal efficiency in buildings, either new or refurbished, since they can storage more energy, in latent form, than the typical sensible energy stored by common construction materials. However, the low thermal conductivity of PCM limits their full potential use because it slows down the heat transfer response associated to the charging and discharging processes. The present work approaches this frailty exploring the development of building solutions which incorporate synthetized PCM based on nanofillers and other additives to enhance the thermal conductivity. The evaluation in terms of thermal performance of different polyurethane foams (PUFs) formulations incorporating first, commercial microencapsulated PCM and a second, synthetized PCM based on paraffin and calcium carbonate. For comparison comparative analysis of three thermal conductivity testing procedures to characterize and determine the thermal conductivity. Next, a numerical model was developed to be calibrated resourcing to experimental data to then carry out a parametric study to assess the thermal performance of rigid PUFs panels incorporating PCM. Finally, the thermal performance of an alternative to rigid PUFs, specifically that of a poly(vinyl chloride) (PVC) structural layer incorporating commercial microencapsulated PCM and the two synthetized PCM was evaluated. This work presents promising results of the synthesized PCM in comparison to the commercial PCM and their incorporation into the different polymeric matrices (PUFs and PVC) revealing potential in LHTES applications. In addition, according the used acceptance criteria, the results of the numerical model presented a good agreement and reliability and were considered calibrated with well prediction data. The results reveal the PCM potential for the thermal regulation of indoor spaces as well as improving the energy efficiency of the indoor spaces.Os sistemas de armazenamento de energia térmica (TES), usando materiais de mudança de fase (PCM) no setor da construção, são tecnologias amplamente investigadas e uma área de estudo em rápido desenvolvimento. O uso de PCM em soluções e componentes construtivas aparece como uma potencial solução para aumentar a eficiência energética de edifícios novos e reabilitados, uma vez que eles podem armazenar mais energia, de forma latente, do que a típica energia sensível armazenada por materiais comuns utlizados na construção. No entanto, a baixa condutividade térmica dos PCM limita o seu potencial uso, pois diminui a resposta da transferência de calor associada aos processos de carga e descarga. O presente trabalho aborda essa fragilidade, explorando o desenvolvimento de soluções construtivas que incorporam PCM sintetizados com base em nanofillers e outros aditivos para aumentar a sua condutividade térmica. Foi estudada a avaliação em termos de desempenho térmico de diferentes formulações de espumas de poliuretano (PUFs) incorporando, primeiro PCM microencapsulado de origem comercial, e um segundo PCM sintetizado à base de parafina e carbonato de cálcio para comparação. Foi realizada uma análise comparativa de três abordagens de ensaio para a caracterização e determinação da condutividade térmica em função da temperatura. Em seguida, foi construído um modelo numérico, com o objetivo de validar o mesmo, com recurso aos dados experimentais, para posteriormente realizar um estudo paramétrico para avaliar o desempenho térmico de painéis de PUFs rígidos incorporando PCM comercial e PCM sintetizado com carbonato de cálcio. Finalmente, foi avaliado o desempenho térmico de uma alternativa aos painéis de PUFs rígida, especificamente o de uma “layer” estrutural de poli (cloreto de vinila) (PVC) incorporando PCM microencapsulado comercial e os dois PCM sintetizados. Este trabalho apresenta resultados promissores para o PCM sintetizado em comparação com o PCM comercial e a sua incorporação nas diferentes matrizes poliméricas (PUFs e PVC) mostrando possíveis aplicações de LHTES. Além disso, de acordo com os critérios de validação analisados, os resultados do modelo numérico foram considerados calibrados e validados. Os resultados obtidos provam o potencial dos materiais de mudança de fase na regulação térmica e na otimização da eficiência energética de espaços interiores.Programa Doutoral em Nanociências e Nanotecnologi