Análisis de la conductividad térmica y resistencia a compresión del hormigón en las estructuras termoactivas

Abstract

En el presente trabajo se lleva a cabo el análisis del hormigón para su empleo como parte de las llamadas estructuras termoactivas. Se analizó la conductividad térmica de diferentes tipos de hormigón, así como su resistencia a compresión, y el reparto de temperaturas en el interior de una losa termoactiva de hormigón. Las estructuras termoactivas basan su funcionamiento en el aprovechamiento de la inercia térmica del hormigón para llevar a cabo el proceso de climatización de los edificios. Para ello se incorpora una serie de conductos, para transportar un fluido caloportador, en el interior de los elementos estructurales de hormigón armado de los edificios. Estos sistemas requieren temperaturas medias para su funcionamiento, por lo que permiten el aprovechamiento de energías renovables como la geotermia de baja entalpía. En el trabajo se llevó a cabo una campaña experimental de probetas de hormigón H-25, elaboradas con tres tipos de cemento diferentes (CEM I, CEM II y CEM III) combinados con dos tipos de árido (de origen calizo y origen silíceo) en el que se estudió por una parte la resistencia a compresión del hormigón, y por otra parte la conductividad térmica del hormigón en tres grados de humedad diferentes (0%, 50% y 100% de humedad). Los resultados obtenidos indicaron que las muestras elaboradas con cemento del tipo CEM I y árido calizo ofrecieron valores de resistencia a compresión superiores a las de las muestras elaboradas con cemento CEM II, CEM III y árido silíceo. Por otra parte, de los ensayos térmicos se obtuvieron valores de conductividad superiores en las muestras elaboradas con cemento CEM II, árido silíceo, y con un 100% de humedad. Del estudio de la resistencia del hormigón, y la conductividad térmica se puede concluir que el hormigón elaborado con cemento de tipo CEM II y árido silíceo resultó más adecuado para su empleo en los elementos estructurales de hormigón armado, siempre que los requerimientos estructurales no se vean comprometidos. Al contrario de lo que se esperaba, el empleo de cemento CEM III, de origen siderúrgico, no supuso el aumento de la conductividad térmica de las muestras de hormigón analizadas. Para el análisis del reparto de temperaturas en el interior de una losa termoactiva se realizó una muestra física de losa de hormigón con un sistema de tubos embebidos por los que se hizo circular el agua, y una serie de termopares en el interior del hormigón a diferentes profundidades de la cara exterior de la losa. En cada termopar se analizó el reparto de temperaturas con 3 temperaturas de agua diferentes (30ºC, 40ºC y 50ºC), combinadas con 2 supuestos de temperatura ambiente de la sala en la que se realizaron los ensayos: la temperatura preexistente y la temperatura ambiente aumentada hasta 28ºC mediante el empleo del sistema de aire acondicionado de la sala. Los resultados conseguidos mostraron que con una temperatura del agua de 30ºC el hormigón de la losa alcanza temperaturas más próximas a las del fluido caloportador que con temperaturas de 40ºC o 50ºC. Se comprobó que el estrato con temperaturas más estables de la losa se dio en los termopares más alejados de las tuberías y más próximos a la cara externa de la losa, y que el sistema alcanzó la estabilización de las temperaturas tras 9 horas aproximadamente de funcionamiento. Del análisis del reparto de temperaturas dentro del hormigón de una losa termoactiva se puede concluir que el sistema es apropiado para el empleo de temperaturas medias del fluido caloportador, que se consiguen temperaturas más estables en planos a una cierta distancia del sistema de tuberías, y que el sistema resulta más eficiente durante períodos largos de funcionamiento. ----------ABSTRACT---------- The aim of the project is to study the concrete used in reinforced concrete structures of thermally active building systems (TABS). To that purpose the thermal conductivity and compressive strength of different kinds of concrete samples were analized, as well as the distribution of temperatures inside a sample of thermally activated concrete slab. Thermally active structures are based on thermal inertia of concrete for being used as part of the heating and cooling systems of buildings. To this purpose, a system of pipes with heat transfer fluid is embedded into concrete structures for heating and cooling different parts of buildings. As low temperatures are required for these heating and cooling systems, renewable energies such as geothermal energy are successfully used for climate control of buildings. For this reason different specimens and testing procedures were proposed to study. On the one hand the compressive strength of concrete made with three different types of cement (CEM I, CEM II and CEM III) and two different kinds of aggregate (limestone and siliceous). On the other hand, thermal conductivity of concrete were also studied at three different levels of humidity (0%, 50% and 100% of humidity). Results from tests showed that specimens made of concrete with CEM I and limestone aggregate had a higher compressive strength, while conductivity tests showed that concrete made with cement CEM II, siliceous aggregate and humidity of 100% had higher values of conductivity than the other specimens. In conclusion, concrete made of cement type CEM II and siliceous aggregate improves the conductivity of concrete for its use on thermal active structures. Thermal conductivity is also improved by high levels of humidity in concrete. Contrary to the expectations, concrete specimens made of cement CEM III did not show higher thermal conductivity levels than concrete made of cement CEM I and CEM II. In order to analize the distribution of heat inside of the concrete of a thermally active concrete slab, a sample with embedded tubes with water and thermocouples was made. The temperature at each thermocouple was analized depending on the distance to the tube system, water temperature (30ºC, 40ºC and 50ºC) and two different options for room temperature: the preexisting temperature and 28ºC of temperature by using air conditioning. Results from this part of the study showed that temperatures of concrete during the working period were closer to water temperature when this was 30ºC rather than 40ºC or 50ºC. The temperatures of concrete were more stable closer to surface levels rather than closer levels to tubes. The temperatures of the system reached its maximum values after 9 hours of use aproimately. In conclusion to this part of the study, the system results more suitable for using medium value temperatures for water, the location of the tubes system should be at the middle plane of the slab for stable temperatures at the exterior surface of the slab, and that the use of the system is more effective for long operative periods

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