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ES2353299B2 - Producto cerámico que comprende al menos un material de cambio de fase. - Google Patents
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Producto cerámico que comprende al menos un material de cambio de fase. Download PDF

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Abstract

Producto cerámico que comprende al menos un material de cambio de fase.
La presente invención se refiere a un producto cerámico obtenible a partir de un procedimiento que comprende la incorporación de al menos un material de cambio de fase en un material cerámico soporte, donde dicha incorporación puede llevarse a cabo en la cara superior o cara vista, en al menos uno de los laterales o canto; y/o en la cara posterior del material cerámico soporte. Es asimismo objeto de esta invención el uso de dicho producto cerámico, en edificios de obra nueva, de rehabilitación o de cualquier otra ubicación o localización.

Description

Producto cerámico que comprende al menos un material de cambio de fase.
Campo técnico
La presente invención se refiere al campo de los productos y recubrimientos cerámicos (gres porcelánico, revestimientos porosos en pasta roja o pasta blanca, gres de pasta roja o pasta blanca, etc.), con aplicación de materiales de cambio de fase (o PCM, del inglés Phase Changing Materials) para mejorar las propiedades térmicas (conductividad térmica y calor especifico) de dichos productos.
Antecedentes de la invención
Dentro del contexto de la Directiva Europea 2010/31/UE destaca el sector de la construcción por su importancia como instrumento que desarrolla el acuerdo del Consejo Europeo de marzo de 2007 para reducir un 20% el consumo de energía y un 20% adicional las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), incrementando el consumo final de energías renovables con carácter obligatorio un 20%, como mínimo, hasta 2020. Esta Directiva destaca el gran potencial de ahorro de energía, aún sin realizar, en los edificios, la necesidad de adoptar medidas para mejorar la eficiencia energética de los edificios teniendo en cuenta las condiciones climatológicas y las particularidades locales, así como el entorno ambiental interior y la rentabilidad en términos de coste-eficacia.
A pesar de que nuestras ciudades son los mayores centros de consumo de energía y de emisiones de CO_{2}, su diseño, sin embargo, no atiende a criterios de eficiencia energética. Actualmente, los desarrollos urbanos dependen por completo del cada vez mayor consumo de petróleo y de gas para uso masivo de sistemas individuales de calefacción y refrigeración. Por otra parte, se ha comprobado el lento avance de la energía solar térmica para agua caliente sanitaria o de la fotovoltaica integrada en áreas urbanas.
Abordar la eficiencia de los edificios de las ciudades europeas se ha convertido por tanto en un factor vital para el futuro. En este sentido, es objeto de esta invención un nuevo desarrollo cerámico que pueda aplicarse tanto en edificios de obra nueva como en la rehabilitación energética del parque de edificios existentes con el fin de alcanzar este objetivo en cualquier mercado o país del mundo. Para ello, se propone emplear materiales que presenten suficiente inercia térmica, así como perfeccionar y aplicar técnicas de enfriamiento o calentamiento pasivo controlado, en particular, aquellas que mejoren las condiciones ambientales interiores y creen microclimas en el interior de los edificios, mejorando la calidad y confort en su uso diario.
En este contexto, los Materiales con Cambio de Fase (o PCM, del inglés Phase Changing Materials) son materiales capaces de absorber, almacenar y liberar calor cuando cambian de estado. Por ello, pueden ser empleados en materiales de construcción para lograr un control climático sin dañar el medioambiente. Su funcionamiento esta ligado al punto de fusión del material de cambio de fase (PCM). De este modo, en caso de que el material de cambio de fase (PCM) presente un punto de fusión de 22ºC, cuando la temperatura ambiente se incremente por encima de 22ºC, el material de cambio de fase (PCM) empezará a fundir y absorber el calor del ambiente, sin que se modifique su temperatura. Posteriormente, al disminuir la temperatura ambiente, el calor almacenado será descargado para el calentamiento del mismo, pudiéndose repetir el ciclo continuamente. Las características de la cerámica (conductividad y densidad, así como resistencia, limpieza e higiene del producto) hacen que sea un conjunto de gran valor.
La propiedad de almacenamiento de energía de los materiales de cambio de fase (PCM) se basa en su capacidad de almacenamiento del calor latente, capacidad que permite almacenar elevadas cantidades de energía en volúmenes pequeños, pudiendo absorber y liberar calor de una manera más eficiente que los materiales de construcción usados tradicionalmente. En estos casos, la utilización de los sistemas convencionales de aire acondicionado y calefacción se minimiza, permitiendo un ahorro de energía, al tiempo que se protege el medioambiente.
Es conocido en la técnica el uso de distintos tipos de materiales de cambio de fase (PCM) como agentes de almacenamiento de energía en materiales como cementos y hormigones, aunque hasta el momento no han sido empleados en cerámicas. En función de la aplicación, los materiales de cambio de fase (PCM) a utilizar pueden ser de distintos tipos y pertenecer a diferentes familias químicas. Entre los más habituales, cabe mencionar las sales inorgánicas hidratadas, ácidos grasos (como el ácido acético, ácido láurico, ácido palmático, o ácido cáprico), acetamida, polietilenglicol 600, estearato butilico, parafinas, etc. En general, el punto de fusión de los materiales de cambio de fase (PCM) para aplicaciones de confort climático suele estar próximo a la temperatura ambiente (18-29ºC).
En la literatura de patentes es posible encontrar diversas solicitudes dirigidas al empleo de materiales de cambio de fase (PCM). Así por ejemplo, la patente ES 2231882 se dirige a una composición que comprende: (a) una pluralidad de microcápsulas, comprendiendo cada una de dichas microcápsulas una envolvente encapsulante y un material absorbente de calor dentro de dicha envolvente; y (b) un soporte a través del cual están dispersadas dichas microcápsulas, estando dicho soporte distribuido alrededor del sustrato.
Asimismo, en las solicitudes US5224356 y US4581285 citadas en la patente anterior describen el empleo de materiales de cambio de fase (PCM). En la solicitud US5224356 se describen materiales microencapsulados empleados para enfriar fuentes de calor, así como microcápsulas que contienen materiales de cambio de fase (PCM). Estos materiales pueden emplearse solos o como mezcla. Por otra parte, la solicitud US4581285 describe una estructura multicapa aislante, particularmente útil para la protección contra la exposición a cambios entre altos y bajos flujos de calor, que comprende láminas de un material de cambio de fase (PCM) que permiten la absorción y almacenamiento de calor durante periodos de alto flujo de calor y la radicación de calor durante periodos de bajo flujo de calor.
A su vez, la solicitud US2009/0333160 describe una estructura de azulejo fabricada a partir de materiales que comprenden: (a) al menos un 10% en masa de un material aglomerante; (b) al menos un 12% en masa de un material de cambio de fase (PCM) ; y (c) al menos un 30% en peso de una base de un medio granular que comprende al menos una piedra de tamaño granular.
Por último, en la solicitud ES2343300 se describe una composición de materiales de cambio de fase (PCM) y su aplicación en piedra natural con objeto de mejorar sus propiedades térmicas. Se utilizan distintos materiales de cambio de fase (PCM) en función del tipo de piedra y de la forma en la que se introduce o aplica a la piedra. El uso de los materiales de cambio de fase (PCM) en polvo, emulsiones, etc. depende de la porosidad de la piedra y de la forma en la que se apliquen los materiales de cambio de fase (PCM). Los materiales de cambio de fase (PCM) se incorporan a la piedra natural como capa sobre la superficie de la piedra, como masilla aplicada en la superficie trasera de la piedra natural y como capa de refuerzo (por ejemplo, en forma de mortero) aplicada en la superficie trasera de la piedra natural.
Las patentes anteriores se basan en las ventajas que presentan los materiales de cambio de fase (PCM) como medio de almacenamiento de energía, entre las que se encuentran: un incremento de la capacidad de almacenamiento de energía; una liberación de calor casi isotérmica; o una minimización del efecto de grandes fluctuaciones en la temperatura ambiente. De este modo, mediante el almacenamiento de grandes cantidades de energía se consigue evitar que se produzcan cambios significativos en la temperatura ambiente.
Si bien en los últimos años se ha incrementado el uso de los materiales de cambio de fase (PCM) principalmente para regular la temperatura de aquellos sustratos o productos que los comprenden (entre los que se encuentran materiales como la piedra natural, ladrillos, polímeros, metales, etc.), hasta el momento nunca han sido empleados en aplicaciones en las que el producto final no vea afectada especialmente su estética, como por ejemplo en baldosas cerámicas (porosas) o porcelánicas.
Es por tanto objeto de esta invención el desarrollo de nuevos productos cerámicos con capacidad para almacenar energía y reducir el consumo energético en el acondicionamiento térmico de espacios, actuando como control climático pasivo. Asimismo, es objeto de esta invención un procedimiento para la aplicación de materiales de cambio de fase (PCM) en dichos productos con el fin de obtener recubrimientos cerámicos con propiedades y funcionalidades no meramente estéticas, sino eficientes también en el ámbito del confort, contribuyendo así al ahorro energético.
La principal dificultad para la utilización de los materiales de cambio de fase (PCM) en los recubrimientos cerámicos consiste en su incorporación a los mismos, al tiempo que se mantienen sus propiedades. Por este motivo, esta invención propone varios métodos para la incorporación de materiales de cambio de fase (PCM) en los recubrimientos cerámicos.
Existen distintos parámetros que pueden influir en la energía que puede absorberse y liberarse durante un ciclo: (a) la temperatura de fusión de los materiales de cambio de fase (PCM); (b) el intervalo de temperaturas en el cual se produce la fusión y (c) la capacidad latente por unidad de superficie. Asimismo, el método de incorporación de los materiales de cambio de fase (PCM) depende del sustrato al que se incorporen y de sus características. Es por tanto objeto del procedimiento lograr una distribución lo más homogénea posible de los materiales de cambio de fase (PCM) en el material empleado como sustrato.
De este modo, es objeto de esta invención un nuevo producto cerámico fabricado a partir de la incorporación de los materiales de cambio de fase (PCM) a un sustrato o material cerámico estructural como, por ejemplo, las baldosas empleadas en el revestimiento de edificios, de una funcionalidad adicional a la simple y mera función decorativa que normalmente presentan dichos elementos cerámicos.
Descripción de la invención
Es un primer objeto de esta invención un producto cerámico con propiedades de alta inercia térmica obtenible a partir de un procedimiento que comprende la incorporación de al menos un material de cambio de fase sobre un material cerámico soporte.
A efectos de esta patente, se entiende como material cerámico soporte un material cerámico especialmente adecuado para pavimentos y/o revestimientos. Dicho material cerámico soporte puede consistir, por ejemplo, en baldosas, azulejos, gres porcelánico, revestimientos porosos en pasta roja o pasta blanca, gres de pasta roja o pasta blanca, etc. En una realización particular de la invención, dicho material cerámico soporte puede consistir en piezas cerámicas de forma rectangular, cuadrada u otras formas, con tamaños variables que pueden ser, entre otro ejemplos, de 15x15 cm, 30x60 cm, 40x40 cm, 50x100 cm, 60x60 cm, etc.
\newpage
Asimismo, se entiende por material de cambio de fase (PCM) un material capaz de absorber y liberar energía térmica, a la temperatura de su cambio de fase ó estado, permitiendo mantener una temperatura regulada. Son sustancias con un elevado calor latente, adecuadas para el almacenamiento de energía. El tipo de material de cambio de fase (PCM) empleado en el procedimiento puede variar en función de la temperatura de cambio de fase necesaria para regular el confort climático, así como en función de la forma en que se aplique en el material cerámico. De manera preferida, dicho material de cambio de fase (PCM) puede consistir en un material seleccionado de un grupo que consiste en parafinas, polietilenglicol 600, sales inorgánicas hidratadas, ácidos grasos (ácido acético, ácido láurico, ácido palmático, ácido cáprico, etc.), acetamida, estearato butilico, etc. El punto de fusión de estos materiales suele estar próximo a la temperatura ambiente o temperatura de confort (generalmente, entre 18 y 29ºC).
Adicionalmente, dicho material de cambio de fase (PCM) puede consistir en un material de cambio de fase (PCM) disponible comercialmente. De manera preferente, es empleado en forma de microcápsulas, preferentemente esféricas, y con un tamaño de partícula preferentemente comprendido entre 10 y 30 micrones. Estas microcápsulas comprenden un núcleo de material de cambio de fase (PCM) y una capa envoltorio que comprende a su vez al menos un material inerte, preferentemente un polímero estable.
En cuanto a los procedimientos de incorporación del material de cambio de fase (preferentemente microencapsulado) en el material cerámico soporte, dicha incorporación puede llevarse a cabo a partir de un método seleccionado preferentemente entre:
(a)
Aplicación pulverizada de la mezcla de ligantes-selladores líquidos y PCM, ya sea mediante el uso de sistemas de aplicación aerográfica (cabinas de pistolas de aerografía) ó sistemas de aplicación pulverizada de esmaltes por cabinas de discos giratorios (cabinas de discos).
(b)
Aplicación en cortinas continuas de mezcla de ligantes-selladores líquidos y PCM, ya sea con el empleo de sistema de campañas de esmaltación ó dispositivos de esmaltación lineales tipo Filera.
(c)
Aplicación vía serigráfica de la mezcla de ligantes-selladores líquidos y PCM, ya sea mediante el empleo de sistemas de decoración de cabezal serigráfico con pantallas planas (cabezales planos) o mediante sistemas de decoración por huecograbado (rotocolor).
(d)
Aplicación vía seca de los PCM, mediante el empleo de sistemas de aplicación adecuados, ya sean de tipo granillero que generan cortinas del material sólido ó de tipo serigráfico vía seca, que a través de una pantalla ó malla permiten el paso regulado del sólido a dosificar u otros sistemas de aplicación vía seca y posterior aplicación de ligantes-selladores sobre los mismos.
\vskip1.000000\baselineskip
Para los procedimientos de aplicación de las mezclas de ligantes y/o PCM en los soportes cerámicos no es necesario llevar a cabo ninguna modificación especial respecto a los procesos y procedimientos habituales en la fabricación de productos cerámicos.
El procedimiento descrito varia según la ubicación en el material cerámico en la que se lleve a cabo la incorporación del material de cambio de fase.
Asimismo, el nuevo producto cerámico resultante, es el resultado de la incorporación de los PCM en el material cerámico soporte en las cuatro posibles ubicaciones siguientes:
1.
En la parte superior ó cara vista visible del material cerámico soporte, sea liso o presente irregularidades o relieves.
2.
En los laterales o bordes exteriores (canto) del material cerámico soporte.
3.
En la parte inferior ó costilla del material cerámico soporte.
4.
En la parte interior del material cerámico soporte, en ubicación tipo sándwich, donde se situarla preferentemente en las oquedades ó bajos relieves de la pieza de material cerámico soporte, adhiriéndose posteriormente otra pieza encima de la primera, quedando dentro de la pieza resultante los PCM.
\vskip1.000000\baselineskip
De este modo, las propiedades finales del producto cerámico obtenido pueden variar según se lleve a cabo dicha incorporación del material de cambio de fase (PCM) en la cara superior, en el lateral, en la cara posterior del material cerámico soporte o en una ubicación tipo sándwich donde los PCM queden localizados en el interior. Además, esta incorporación puede llevarse a cabo sobre la superficie completa del material cerámico soporte, o puede aplicarse de manera discontinua en las ubicaciones antes descritas.
De este modo, en una realización particular de la invención en la que la incorporación del material de cambio de fase (PCM) se lleve a cabo en la cara posterior o costilla del material cerámico soporte, dicha incorporación puede llevarse a cabo, preferentemente, aprovechando los rehundidos u oquedades del reverso del material cerámico soporte (según el diseño de la costilla o zona inferior del material), de modo que el material de cambio de fase (PCM) puede quedar situado debajo del plano de apoyo del material cerámico soporte o enrasado con éste. La aplicación de los PCM puede llevarse a cabo, preferentemente, previa mezcla de los mismos con un ligante-sellador en una concentración adecuada y con una aplicación aerográfica del líquido resultante (método aplicación "a"), sobre la pieza de soporte cerámico, aunque también se podrían emplear los métodos de aplicación b), c), ó d).
Asimismo, en una segunda realización particular de la invención, el material de cambio de fase (PCM) puede ser incorporado en al menos uno de los laterales o borde exterior del material cerámico soporte, preferentemente en los cuatro bordes exteriores. De manera preferida, dicha incorporación puede llevarse a cabo en al menos un entrante situado en dicho lateral (o laterales) del material cerámico soporte. De manera aún más preferida, dicho entrante puede variar, preferentemente, entre 10 mm y 30 mm de profundidad, en cuyo interior se situarían los PCM, usando como método de aplicación de los PCM el método d), siendo posteriormente sellado el entrante, empleando como ligantes-selladores un adhesivo en dispersión acuosa de copolímeros vinílicos modificados, preferentemente, aunque no exclusivamente, pudiéndose usar ligantes tipo resinas epoxi entre otros.
En una tercera realización particular de la invención, el material de cambio de fase (PCM) puede ser incorporado en huecos, oquedades o bajos relieves situados en la cara superior del material cerámico soporte, preferentemente alineados en filas y columnas si el diseño de los mismos es una figura regular. Estos bajos relieves son preferentemente de forma cuadrada o rectangular u otras figuras geométricamente regulares, con un tamaño que puede variar preferentemente entre 12 mm y 220 mm de lado, si es una forma cuadrada.
A su vez, en una realización adicional de la invención puede situarse a modo de sándwich un segundo cuerpo de material cerámico cubriendo el producto cerámico sobre el que haya sido previamente depositado el material de cambio de fase (PCM), preferentemente, en huecos, oquedades o bajos relieves. De manera preferida, este segundo cuerpo de material cerámico puede presentar un grosor inferior al del material cerámico soporte, quedando adherido sobre el mismo de modo que el material de cambio de fase (PCM) queda situado en una capa intermedia entre el segundo cuerpo de material cerámico y el material cerámico soporte.
En una cuarta realización particular de la invención, el material de cambio de fase (PCM) puede situarse sobre la cara vista o superior del material cerámico soporte, ya sea una superficie lisa o presente bajos relieves, utilizando uno de los métodos de aplicación indicados a), b), c), ó d).
De manera particular, adicionalmente al material de cambio de fase (PCM) es posible incorporar al menos un producto ligante adecuado al tipo de material cerámico soporte empleado, así como a la ubicación en la que el material de cambio de fase (PCM) sea incorporado. Mediante el empleo de dicho producto ligante será posible adherir el material de cambio de fase sobre la superficie del material cerámico soporte.
Este producto ligante puede ser seleccionado de un grupo que consiste preferentemente en ligantes acrílicos con endurecedor, ligantes acrílicos sin endurecedor y base acuosa, ligantes acrílicos sin endurecedor y base solvente orgánica y/o ligantes resinas epoxy con endurecedor:
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1. Ligantes acrílicos con endurecedor
Comprenden una dispersión de resinas acrílicas, resinas estirénicas modificadas o resinas vinílicas, en dispersión acuosa con capacidad adherente sobre distintos soportes que requieren la adición de al menos un endurecedor, formador de film. De manera preferente, dichos ligantes acrílicos con endurecedor se caracterizan por que comprenden una mezcla de agua desmineralizada (preferentemente entre un 0% y un 55% en peso), una mezcla de resinas (acrílicas-estirénicas-vinílicas) (preferentemente entre 44% y 98% en peso) y un agente endurecedor (formador de film) para resinas acrílicas (preferentemente entre un 1% y un 8% en peso).
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2. Ligantes acrílicos sin endurecedor y base acuosa
Comprenden una dispersión de combinaciones y derivados del ácido acrílico, éteres alifáticos, resinas estirénicas, en base acuosa. Dicha dispersión es formadora de una película ó film duro y sin tacto (tack), sin el empleo de endurecedores.
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3. Ligantes acrílicos sin endurecedor y base solvente orgánica
Comprenden una dispersión de combinaciones y derivados del ácido acrílico y solventes orgánicos, en base solvente (inmiscible en agua). Dicha dispersión es formadora de una película ó film duro y sin tacto (tack), sin el empleo de endurecedores;
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4. Ligantes resinas epoxy con endurecedor
Comprenden una dispersión de resinas epoxy en agua con capacidad adherente sobre distintos soportes que requieren la adición de un endurecedor de resina, formador de film. De manera preferente, dichos ligantes resinas epoxi con endurecedor se caracterizan por que comprenden una mezcla de agua desmineralizada (preferentemente entre 25% y 55% en peso), una mezcla de resinas epoxi (preferentemente entre 34% y 60% en peso) y un agente endurecedor de resina epoxi, formador de film (preferentemente entre 11% y 29% en pe so). El agua es empleada como disolvente del agente endurecedor. Posteriormente se añade la resina epoxi y a la mezcla resultante se le añaden los materiales de cambio de fase (PCM).
En este caso, de manera previa a la incorporación en el material cerámico soporte del material de cambio de fase (PCM), puede llevarse a cabo su dispersión o mezcla con el producto ligante, preferentemente con agitación. Posteriormente, dicha mezcla puede ser aplicada, preferentemente, por pulverización vía aerográfica ó por sistemas decorativos de discos giratorios, o alternativamente por sistemas de esmaltado de cortina (campana ó filera).
En una realización adicional de la invención, es posible emplear asimismo al menos un agente dopante, preferentemente, un metal ó composites (diversas formas de carbono, como el grafito), con objeto de mejorar la conductividad térmica de los materiales de cambio de fase (PCM).
Entre las principales ventajas del nuevo producto cerámico resultante objeto de la invención se encuentran las siguientes:
\bullet Como consecuencia del almacenamiento de calor latente en el producto cerámico se consigue un ahorro real de energía (económico para el usuario y sostenible para el medioambiente), al reducir la necesidad del empleo de calefacción y aire acondicionado y, por tanto, las emisiones a la atmósfera de CO_{2} y NO_{X}.
\bullet Logra mantener el confort de la habitación pavimentada y/o recubierta al reducir las fluctuaciones térmicas de la superficie cerámica entre el día y la noche o entre temperaturas extremas, como consecuencia de la inercia térmica de los productos cerámicos.
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El producto cerámico objeto de la invención es en definitiva un producto de alto valor añadido, capaz de mejorar ostensiblemente el confort y la salud interior de los edificios nuevos o a rehabilitar. En el interior de los edificios actúa preferentemente como un sistema pasivo de energía y es causante del bienestar y mejora de los interiores.
De este modo, es objeto adicional de esta invención el uso de dichos productos cerámicos en edificación, tanto en obra nueva como en rehabilitación, al permitir alcanzar una elevada eficacia y autosuficiencia energética. Además de su uso residencial, en oficinas o en aplicaciones públicas, es posible emplearlo en nuevas aplicaciones y ubicaciones como control climático pasivo.
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Breve descripción de las figuras
\bullet La figura 1 representa una vista de la costilla o parte posterior (no visible una vez colocada), de un producto cerámico (3) que comprende sobre su superficie un material de cambio de fase (1);
\bullet La figura 2 muestra un corte del producto cerámico (3) de la figura 1, así como un detalle de dicho corte.
\bullet La figura 1 y la figura 2, se corresponderían con el producto cerámico resultante de la ubicación de los PCM en la parte inferior ó costilla del material cerámico soporte, ubicación 3.
\bullet La figura 3 representa una vista de un segundo producto cerámico (3) que comprende en su interior un material de cambio de fase (1) en los laterales o bordes exteriores de dicho producto cerámico (3) (entre 10 mm y 30 mm de profundidad);
\bullet La figura 4 muestra un corte del producto cerámico (3) de la figura 3, así como un detalle de dicho corte.
\bullet La figura 3 y la figura 4, se corresponderían con el producto cerámico resultante de la ubicación de los PCM en los laterales o bordes exteriores (canto) del material cerámico soporte, ubicación 2.
\bullet La figura 5 representa una vista de un tercer producto cerámico (3) que comprende sobre su superficie un material de cambio de fase (1);
\bullet La figura 6 muestra un corte del producto cerámico (3) de la figura 5, así como un detalle de dicho corte.
\bullet La figura 5 y la figura 6, se corresponderían con el producto cerámico resultante de la ubicación de los PCM en el interior, tipo sándwich del material cerámico soporte, ubicación 4.
\bullet La figura 7 representa una vista de un cuarto producto cerámico (3) que comprende sobre su superficie un material de cambio de fase (1);
\bullet La figura 8 muestra un corte del producto cerámico (3) de la figura 7, así como un detalle de dicho corte.
\bullet La figura 7 y la figura 8, se corresponderían con el producto cerámico resultante de la ubicación de los PCM en el interior, tipo sándwich del material cerámico soporte, ubicación 4.
\bullet La figura 9 representa una vista de un cara vista o superficie exterior visible de un producto cerámico (3) que comprende sobre su superficie un material de cambio de fase (1), donde dicho producto cerámico (3) puede consistir en una pieza cerámica de forma rectangular, cuadrada u otras formas, con un tamaño variable entre 15x15 cm., 30x60 cm., 40x40 cm., 50x100 cm., 60x60 cm., u otros;
\bullet La figura 10 muestra un corte del producto cerámico (3) de la figura 9, así como un detalle de dicho corte.
\bullet La figura 9 y la figura 10, se corresponderían con el producto cerámico resultante de la ubicación de los PCM en la parte superior o cara vista del material cerámico soporte, ubicación 1.
Descripción detallada de las figuras
Las figuras que acompañan a esta descripción representan a modo de ejemplo distintas realizaciones del producto cerámico objeto de la invención, en función del método de aplicación y ubicación de los materiales de cambio de fase (PCM) en el material cerámico soporte. De este modo, la figura 1 muestra un producto cerámico (3), en concreto, un azulejo que comprende un material de cambio de fase (1) incorporado sobre la parte inferior ó costilla de dicho azulejo. En este caso, el material de cambio de fase, preferentemente microencapsulado (1) fue previamente mezclado con un coadyuvante ó medio ligante líquido, que permitirá su aplicación posterior vía aerográfica para mejorar su adherencia. El medio ligante a utilizar seria preferentemente aunque no exclusivamente un ligante acrílico con endurecedor, y la mezcla resultante comprenderla en porcentaje:
a)
Dispersión de resinas acrílicas con endurecedor, de un 95% a un 50%, preferentemente de un 85% a un 70% de peso en sólido. Dichas resinas acrílicas estarían a su vez formadas por una dispersión de agua, resinas acrílicas, estirénicas, vinílicas y un agente endurecedor en los porcentajes indicados con anterioridad (página 11);
b)
PCM microencapsulados, de un 5% a un 50%, preferentemente de un 15% a un 30% de peso en sólido.
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Asimismo, la incorporación del material de cambio de fase (1) se lleva a cabo sin cubrir completamente la superficie del azulejo. Según se muestra en la figura 2, correspondiente a un corte y un detalle del producto cerámico (3) de la figura 1, la incorporación del material de cambio de fase (1) se lleva a cabo aprovechando las oquedades o bajos relieves (2) de las costillas o reverso del azulejo (5), de modo que la deposición del material de cambio de fase (1) queda situada por debajo del plano de apoyo (4) o enrasado con éste (el material depositado podría sobrepasar el plano de apoyo, sin que esto afectase a las nuevas propiedades obtenidas, ya que solo implicarla mayor consumo de PCM del necesario para la funcionalidad especificada).
La figura 3 muestra un producto cerámico (3) que comprende unos entrantes ó rebajes (6) situados en los lados ó cantos del azulejo (5). En este caso, la incorporación del material de cambio de fase (1) se lleva a cabo en dichos entrantes (6). La figura 4 representa un corte y un detalle de la figura 3.
Una vez el material situado en dichos entrantes se procedería a sellar ó cerrar dichos entrantes para evitar la perdida de los PCM. El sellado de los entrantes se realiza preferentemente aunque no exclusivamente con adhesivos-selladores de dispersión acuosa de copolímeros vinílicos modificados, pudiéndose emplear también resinas tipo epoxi alternativamente, entre otros selladores.
La figura 5 muestra un producto cerámico (3) que comprende un conjunto de huecos o bajos relieves (7) de pequeño tamaño, situados de manera alineada a lo largo de la superficie del producto cerámico (3). Como se muestra en la figura 6, estos huecos, cajeados o bajos relieves (7) quedan cubiertos por un segundo cuerpo de azulejo (8) adherido al azulejo (5) posteriormente y preferentemente de un espesor inferior al del azulejo (5).
La figura 7 muestra un producto cerámico similar al correspondiente a la figura 5, pero donde el número de huecos, cajeados o bajos relieves (7) se ha disminuido y, por tanto, el tamaño de los huecos y sus dimensiones han aumentado proporcionalmente, la incorporación del material de cambio de fase (1) en ambos casos es análoga y quedarían insertado en una ubicación tipo sándwich. De manera preferente, el número de huecos, cajeados o bajos relieves (7) es mayor de 4. La figura 8 muestra un corte y detalle del producto cerámico representado en dicha figura 7, con la inclusión de los PCM en una estructura tipo sándwich.
Finalmente, las figuras 9 y 10 muestran un azulejo (5) en el cual el material de cambio de fase ha sido incorporado sobre la cara vista o superficie exterior visible de dicho azulejo (5).
En el caso de los productos cerámicos mostrados en las figuras 1, 2, 5, 6, 7 y 8, la ubicación material de cambio de fase (1) en el producto cerámico (3) se ha llevado a cabo mediante dispersión con agitación del material de cambio de fase (1) microencapsulado en un medio ligante líquido, permitiendo su aplicación posterior vía pulverización aerográfica ó por discos giratorios, preferentemente aunque no exclusivamente.
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Ejemplo 1 Almacenamiento térmico en piezas cerámicas con materiales de cambio de fase (PCM)
En este ejemplo se llevó a cabo un estudio del almacenamiento térmico en un producto cerámico con materiales de cambio de fase (PCM). Para ello, se llevó a cabo una monitorización de una pieza cerámica sin tratamiento alguno ("blanco") y otra pieza cerámica tratada con materiales de cambio de fase (PCM), siendo ambas piezas del mismo formato, modelo, grosor, acabado y fecha de producción.
Estas piezas fueron sometidas a ciclos de calentamiento-enfriamiento, utilizando un sistema de aire acondicionado-calefacción (climatización monitorizada) que permitía variar los tiempos de calefacción y las temperaturas.
Se dispusieron las dos piezas simultáneamente en una cabina cerrada herméticamente, colocando distintos termopares (tipo PT100) en distintos puntos de las piezas cerámicas tanto en la superficie inferior (expuesta al sistema de aire acondicionado-calefacción), como en la superficie exterior (en contacto con el ambiente).
A continuación, se recogieron datos de temperaturas cada 2 minutos, obteniendo información de las temperaturas máxima y mínima de cada pieza y de los tiempos que tardaron cada una de las piezas en alcanzar dichas temperaturas.
A la vista de los resultados obtenidos, se obtuvieron las siguientes conclusiones respecto a los efectos conseguidos por la incorporación de materiales de cambio de fase (PCM) a la cerámica:
1. Se consiguió una reducción en la temperatura máxima que alcanza la pieza con materiales de cambio de fase (PCM), respecto a la pieza sin materiales de cambio de fase (PCM) de 0.5ºC inferior. Esto se debe a que durante el proceso de calentamiento se supera la temperatura de fusión del material de cambio de fase (PCM) y éste absorbe calor. Durante el proceso de enfriamiento, la temperatura mínima para la pieza con materiales de cambio de fase (PCM) no es tan baja como sin materiales de cambio de fase (PCM) (diferencia de 0.5ºC), lo cual es debido a que durante el proceso de solidificación del material de cambio de fase (PCM) (por debajo de 26ºC), éste libera el calor previamente almacenado y por tanto, la pieza con materiales de cambio de fase (PCM) no disminuye tanto su tempe-
ratura;
2. Por otro lado, también se observa que durante el enfriamiento, se tarda más tiempo en alcanzar temperaturas bajas en el caso de la pieza con materiales de cambio de fase (PCM) (para alcanzar 21ºC, la pieza con materiales de cambio de fase (PCM) tarda 20 minutos más), y por tanto, se retrasa el tiempo de conexión del sistema de calefacción, con el consiguiente ahorro energético. El proceso de enfriamiento y calentamiento de la pieza con materiales de cambio de fase (PCM) se produce de forma más lenta que cuando no hay materiales de cambio de fase (PCM), lo cual se observa porque la pendiente de las curvas de enfriamiento y calentamiento no son tan acusadas para la pieza con materiales de cambio de fase (PCM).
Por tanto, son dos los efectos producidos por la incorporación de materiales de cambio de fase (PCM): un efecto de reducción de las fluctuaciones térmicas y un efecto de retardo en el tiempo para alcanzar las temperaturas máximas y mínimas.
Esto puede extrapolarse a una reducción en las temperaturas de trabajo de los sistemas de aire acondicionado-calefacción y a una reducción en su tiempo de utilización.
Con los datos obtenidos, se calculó también la diferencia de temperatura entre la superficie inferior y superior para cada una de las piezas (con y sin materiales de cambio de fase (PCM)). Los resultados mostraron que la pieza sin materiales de cambio de fase (PCM) presenta una diferencia de temperatura de 4,27ºC entre la superficie inferior y la superior, mientras que la pieza con materiales de cambio de fase (PCM) ofrece una diferencia de temperatura de 2,93ºC. Estos valores también ponen de manifiesto la capacidad de almacenamiento de calor de los materiales de cambio de fase (PCM) incorporados a la cerámica y las posibilidades que puede aportar a la construcción de edificios ecoeficientes energéticamente.
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Ejemplo 2 Estimación de eficiencia
En este caso, se llevó a cabo una estimación de la eficiencia de los productos objeto de la invención:
\newpage
Según indica el IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro energético, del Ministerio de Industria y energía de España), un hogar de tamaño medio (102.40 m^{2}) consume aproximadamente 0,45662 kWh en una hora (4000 kWh anualmente). De acuerdo con IDAE, el 64% de esta energía se debe a sistemas de calefacción y aire acondicionado.
0,45662 kWh x 24 horas x 365 días = 4000 kWh año;
4000 kWh x 64% climatización = 2560 kWh año consumida en calefacción y aire acondicionado;
2560 kWh \div 365 días = 7,013 kWh día consumida en calefacción y aire acondicionado;
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Según se ha obtenido experimentalmente a nivel de laboratorio, el tratamiento con materiales de cambio de fase (PCM) puede llegar a reducir en 1-2 h al día el uso de un sistema de climatización.
Además, el sistema de climatización puede programarse 1 ó 2 grados menos que cuando no existen cerámicas con materiales de cambio de fase (PCM), por lo que requiere menor tiempo para alcanzar esta temperatura (la temperatura de confort) y la máquina está más tiempo en "stand-by" (ahorro de energía).
Considerando que la climatización esté funcionando durante 12 h al día, puede calcularse el consumo en kWh en 10 h en lugar de las 12 h. Por tanto, para 10 h de calefacción, se consumirían 5,844 kW.
Para la estimación se ha tenido en cuenta sólo el pavimento de una vivienda media 102.40 m^{2} (sin tener en cuenta revestimientos de baños, cocinas u otras ubicaciones). Igualmente se puede aplicar a todo tipo de construcciones: hostelería, hoteles, hospitales, centros recreativos, comercios ... donde la climatización se realiza durante las 24 horas y el coste energético es muy alto. A más metros instalados del producto objeto de la invención, mayor ahorro energético.
De esta forma, el porcentaje de ahorro energético en un hogar medio por año seria de un 16,67%:
(7,013 kW 12 h/día - 5, 844 kW 10 h/día) \div 7,013 *100 = 16,67% de ahorro energético en un hogar medio.
\vskip1.000000\baselineskip
Conclusiones
A tenor de los resultados podemos concluir que el producto cerámico objeto de esta invención es muy positivo para el medioambiente y para el ahorro energético en cualquier edificio de cualquier parte del mundo.
Consideramos que se genera una nueva tipología de productos cerámicos, con funcionalidad no meramente estética, sino eficientes en el ámbito del confort contribuyendo al ahorro energético.
Además, se trata de un producto de fácil aplicación, debido a su sencilla incorporación en la cadena de producción de la cerámica de cualquier tipo (porcelánico, revestimiento, gres ...).
Por otro lado, además de las ventajas comerciales que este nuevo producto supone, es fundamental considerar el gran aporte que hace a la conservación del medioambiente, desde varios aspectos: La reducción de las fluctuaciones térmicas entre día y noche (o entre distintas salas o habitaciones de una vivienda) permite el ahorro energético de sistemas de aire acondicionado y calefacción, y por tanto, la reducción del consumo de combustibles fósiles y la emisión de importantes cantidades de CO_{2}, partículas en suspensión, dióxidos de nitrógeno y ozono a las capas bajas de la atmósfera. De forma complementaria, se obtiene un gran ahorro económico y se mejora la calidad de vida (confort térmico) de las personas.

Claims (13)

  1. \global\parskip0.960000\baselineskip
    1. Producto cerámico obtenible a partir de un procedimiento que comprende la incorporación de al menos un material de cambio de fase seleccionado de un grupo que consiste en sales inorgánicas hidratadas, ácidos grasos, acetamida, polietilenglicol 600, estearato butílico y parafinas, así como cualquiera de sus combinaciones, en un material cerámico soporte, donde la incorporación del material de cambio de fase se lleva a cabo en la cara superior ó cara vista, en al menos uno de los laterales o canto, y/o en la cara posterior del material cerámico soporte.
  2. 2. Producto, de acuerdo a la reivindicación 1, donde cuando la incorporación del material de cambio de fase se lleva a cabo en la cara posterior ó costilla del material cerámico soporte, dicha incorporación se lleva a cabo en los huecos u oquedades situadas en dicha cara posterior del material cerámico soporte.
  3. 3. Producto, de acuerdo a la reivindicación 1, donde cuando la incorporación del material de cambio de fase se lleva a cabo en al menos uno de los laterales o cantos del material cerámico soporte, dicha incorporación se lleva a cabo en al menos un entrante situado en dicho lateral del material cerámico soporte.
  4. 4. Producto, de acuerdo a la reivindicación 1, donde cuando la incorporación del material de cambio de fase se lleva a cabo en la cara superior del material cerámico soporte, dicha incorporación se lleva a cabo en huecos o bajos relieves situados en dicha cara superior del material cerámico soporte.
  5. 5. Producto, de acuerdo a la reivindicación 4, caracterizado porque posteriormente a la incorporación del material de cambio de fase en el material cerámico soporte, se lleva a cabo la incorporación de un segundo cuerpo de material cerámico sobre el material cerámico soporte que comprende el material de cambio de fase, quedando dicho material de cambio de fase situado entre el material cerámico soporte y el segundo cuerpo de material cerámico, en ubicación tipo sándwich.
  6. 6. Producto, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde adicionalmente al material de cambio de fase el procedimiento comprende la incorporación de al menos un producto ligante adecuado al material cerámico soporte.
  7. 7. Producto, de acuerdo a la reivindicación 6, donde el producto ligante es seleccionado de un grupo que consiste en ligantes acrílicos con endurecedor, ligantes acrílicos sin endurecedor y base acuosa, ligantes acrílicos sin endurecedor y base solvente orgánica y/o ligantes resinas epoxy con endurecedor.
  8. 8. Producto, de acuerdo a la reivindicación 7, donde los ligantes acrílicos con endurecedor comprenden una mezcla de entre un 0% y un 55% en peso de agua desmineralizada; entre un 44% y un 98% en peso de una mezcla de resinas acrílicas, estirénicas o vinílicas y entre un 1% y un 8% en peso de un agente endurecedor para resinas acrílicas.
  9. 9. Producto, de acuerdo a la reivindicación 7, donde los ligantes acrílicos sin endurecedor y base acuosa comprenden una dispersión en base acuosa de combinaciones y derivados del ácido acrílico, éteres alifáticos y resinas estirénicas.
  10. 10. Producto, de acuerdo a la reivindicación 7, donde los ligantes acrílicos sin endurecedor y base solvente orgánica comprenden una dispersión de combinaciones y derivados de ácido acrílico y solventes orgánicos en una base solvente inmiscible en agua.
  11. 11. Producto, de acuerdo a la reivindicación 7, donde los ligantes resinas epoxi con endurecedor comprenden una mezcla de entre un 25% y un 55% en peso de agua desmineralizada, entre un 34% y un 60% en peso de una mezcla de resinas epoxi y entre un 11% y un 29% en peso de un agente endurecedor de resina epoxi.
  12. 12. Producto, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la incorporación del material de cambio de fase en el material cerámico soporte se lleva a cabo a partir de un método seleccionado entre:
    a) aplicación pulverizada de una mezcla de ligantes-selladores líquidos y dicho material de cambio de fase, ya sea mediante el uso de sistemas de aplicación aerográfica ó sistemas de aplicación pulverizada de esmaltes por cabinas de discos giratorios;
    b) aplicación en cortinas continuas de mezcla de ligantes-selladores líquidos y PCM, ya sea con el empleo de sistemas de campañas de esmaltación ó dispositivos de esmaltación lineales tipo Filera;
    c) aplicación vía serigráfica de la mezcla de ligantes-selladores líquidos y PCM, ya sea mediante el empleo de sistemas de decoración de cabezal serigráfico con pantallas planas o mediante sistemas de decoración por huecograbado;
    d) aplicación vía seca de los PCM, mediante el empleo de al menos un sistema de aplicación vía seca, con posterior aplicación de ligantes-selladores sobre los mismos.
  13. 13. Uso de un producto cerámico, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en edificios de obra nueva, de rehabilitación o de cualquier otra ubicación o localización.
    \global\parskip1.000000\baselineskip
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