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The thermal characteristics and performance indicators of energy-saving building envelope structures containing phase change materials

Este estudio demuestra que las placas de yeso de tipo sándwich con cambio de fase, fabricadas con un núcleo eutéctico de ácido palmítico y ácido láurico, mejoran significativamente la inercia térmica y el desempeño dinámico de las envolventes de los edificios al reducir eficazmente los picos de temperatura, retrasar la transferencia de calor y estabilizar las temperaturas interiores en comparación con las placas de yeso ordinarias.

Autores originales: Yingjie Ma, Keai Tao, Jing Li, Yandong Wang, Jiawei Huang, Da Wang, Hongquan Chen, Shanshan Chen, Kuan Sun

Publicado 2026-08-12

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CC BY 4.0

Autores originales: Yingjie Ma, Keai Tao, Jing Li, Yandong Wang, Jiawei Huang, Da Wang, Hongquan Chen, Shanshan Chen, Kuan Sun

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que tu casa es una esponja gigante y hambrienta. Cuando el sol la golpea, la esponja absorbe el calor, se calienta y luego exprime lentamente ese calor hacia tu sala, haciéndote sudar. Cuando el sol se pone, la esponja sigue caliente y mantiene la habitación acogedora, pero quizás demasiado acogedora si quisieras dormir. Así es como funcionan la mayoría de las paredes de los edificios hoy en día: solo retienen el calor o lo bloquean, pero realmente no lo gestionan. Los científicos han estado buscando una forma de hacer que las paredes sean más inteligentes, como una esponja que puede pausar mágicamente su hambre. Encontraron un truco especial llamado "Materiales de Cambio de Fase" (PCM, por sus siglas en inglés). Piensa en estos materiales como una compresa de hielo mágica que no se derrite en un charco, sino que, en cambio, absorbe una enorme cantidad de energía térmica simplemente cambiando su estado interno, algo así como una esponja que bebe un océano entero sin mojarse más. Al poner estos materiales dentro de las paredes, podríamos evitar que nuestras casas se sobrecalienten durante el día y se congelen por la noche, ahorrando energía y manteniéndonos cómodos sin tener que subir la potencia del aire acondicionado.

Así que, profundicemos en lo que un equipo de investigadores de la Universidad de Chongqing hizo realmente con esta idea. Decidieron construir un tipo especial de panel de pared, un "sándwich" si se quiere, utilizando yeso ordinario (lo que hay dentro de tus paredes) pero con un relleno secreto que devora el calor en el medio. No solo la rellenaron con cualquier vieja cera; crearon una mezcla personalizada de dos ácidos grasos (ácido palmítico y ácido láurico) que actúan como una esponja térmica perfecta. Para evitar que esta mezcla líquida se filtrara como un jugo roto cuando se calienta, la atraparon dentro de un portador de arcilla poroso, creando un compuesto de "estabilización de forma". Luego, hornearon esto en una tabla de 10 cm por 10 cm por 3 cm, con una capa de 1 cm de grosor de este relleno mágico justo en el centro.

Para ver si este "sándwich inteligente" realmente funcionaba, el equipo preparó un pequeño experimento. Construyeron dos habitaciones en miniatura idénticas. Una tenía una pared normal y la otra, la nueva pared de cambio de fase. Encendieron un calentador para imitar un día caluroso y observaron qué sucedía. La pared normal se calentó rápido, alcanzando una temperatura interior máxima de 32.43 °C. La pared inteligente, sin embargo, actuó como un amortiguador de calor. Absorbió el exceso de energía, manteniendo la temperatura máxima interior en 31.17 °C. Puede que esa no parezca una diferencia enorme, pero en la superficie interior de la propia pared, la pared inteligente fue una heroína, bajando la temperatura de unos abrasadores 39.90 °C a 34.91 °C. Mejor aún, la pared inteligente fue lenta para reaccionar. Mientras que la pared normal alcanzó su pico rápidamente, la pared inteligente retrasó su pico en unos 81 minutos. Es como si la pared inteligente hubiera presionado el botón de "posponer" al calor, dejando que el sol se pusiera antes de dejar entrar el calor a la habitación.

Los investigadores no se detuvieron solo en las diminutas habitaciones modelo; también utilizaron potentes simulaciones por computadora (usando un programa llamado COMSOL) para imaginar cómo funcionaría esto en un edificio de tamaño real durante tres días (72 horas). Estas simulaciones confirmaron lo que vieron en el laboratorio: las paredes inteligentes mantenían la temperatura interior mucho más estable, con oscilaciones menores entre el calor y el frío. La temperatura dentro del edificio "inteligente" era más uniforme, lo que significa que no había puntos calientes extraños cerca de las ventanas ni puntos fríos en las esquinas. Los modelos computacionales mostraron que durante la parte más calurosa del día, la capa de cambio de fase absorbía el calor como una esponja, y cuando el sol se ponía, liberaba lentamente esa energía almacenada, evitando que la habitación se enfriara demasiado rápido.

Entonces, ¿cuál es la gran conclusión? El estudio sugiere que, al colocar esta mezcla especial de ácidos grasos entre capas de yeso, podemos hacer que las paredes de los edificios sean mucho mejores para regular la temperatura. No solo bloquean el calor; lo gestionan activamente, suavizando los picos y valles de los cambios de temperatura diarios. Aunque los investigadores señalaron que estos materiales deben diseñarse cuidadosamente para evitar fugas y asegurar que duren mucho tiempo, sus experimentos y simulaciones muestran que este enfoque de "esponja térmica" tiene una gran promesa. Podría significar que los edificios se mantengan cómodos de forma natural, necesitando menos energía para enfriarse en el verano o calentarse en el invierno, convirtiendo nuestras paredes de barreras pasivas en socios activos que ahorran energía.

Resumen Técnico: Características Térmicas e Indicadores de Rendimiento de Estructuras de Envolvente de Edificios de Ahorro de Energía que Contienen Materiales de Cambio de Fase

Planteamiento del Problema
El consumo de energía operativa en los edificios sigue representando una parte significativa del uso global de la energía, fuertemente influenciado por el rendimiento térmico de las envolventes de los edificios. Los materiales de pared tradicionales, aunque estructuralmente sólidos, dependen principalmente del almacenamiento de calor sensible y de la resistencia térmica. En consecuencia, a menudo no logran suprimir eficazmente los picos de temperatura interior ni regular activamente los procesos de transferencia de calor bajo fluctuaciones periódicas de la temperatura externa. Existe una necesidad crítica de nuevos materiales de envolvente capaces de realizar almacenamiento térmico, reducción de picos (peak-shaving) y retraso en la transferencia de calor para mejorar la estabilidad térmica interior y reducir la demanda energética.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque combinado de fabricación experimental, pruebas físicas y simulación numérica para evaluar paneles de yeso tipo sándwich con cambio de fase.

Preparación de Materiales: Los investigadores fabricaron paneles de yeso con cambio de fase tipo sándwich (10 × 10 × 3 cm³) utilizando un método de sándwich. La capa funcional consistió en un material de cambio de fase compuesto de forma estabilizada (CPCM) hecho de un sistema binario de ácidos grasos eutécticos de ácido palmítico y ácido láurico (PA-LA) soportado por montmorillonita (MMT) modificada con superficie KH550. Este CPCM fue embebido dentro de una matriz de yeso con un espesor de sándwich de 1 cm.
Caracterización de Materiales: Se utilizaron la Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) y el Análisis Termogravimétrico (TG-DTG) para evaluar el comportamiento de cambio de fase, la estabilidad térmica y la durabilidad de los ciclos (hasta 200 ciclos) del CPCM.
Pruebas Experimentales: Se realizaron experimentos comparativos de transferencia de calor utilizando dos habitaciones simuladas (25 × 25 × 30 cm). Una habitación presentaba una pared de control de panel de yeso ordinario, mientras que la otra utilizaba el panel de yeso con cambio de fase. Ambas fueron sometidas a una fuente de calor externa de 250 W seguida de un enfriamiento natural en un entorno de 20 °C. Sensores de temperatura registraron los datos para analizar los picos de temperatura, los retrasos de tiempo y el desfase térmico.
Simulación Numérica: Se realizó una simulación de transferencia de calor transitoria de 72 horas utilizando COMSOL Multiphysics. Se estableció un modelo de edificio tridimensional (400 × 400 × 300 cm) con paredes de 30 cm de espesor. La simulación comparó paredes de concreto ordinarias frente a paredes de concreto con cambio de fase (incorporando las propiedades del CPCM) bajo una función de temperatura externa sinusoidal ( $y=8 \sin[(\pi/12)t] +30$ ). El modelo contabilizó los efectos del calor latente, las propiedades térmicas por tramos y la convección natural en el dominio del aire interior.

Contribuciones Clave y Resultados

Rendimiento del Material: El compuesto MMT/PA-LA modificado con KH550 demostró un comportamiento de cambio de fase sólido-líquido estable dentro del rango de 25–40 °C. La modificación superficial mejoró la compatibilidad interfacial y suprimió las fugas, manteniendo una alta cristalinidad y reversibilidad incluso después de 200 ciclos térmicos, aunque con una ligera reducción en la densidad de calor latente en comparación con el PA-LA puro.
Regulación Térmica Experimental:
- Reducción de Picos (Peak Shaving): En comparación con los paneles de yeso ordinarios, los paneles con cambio de fase redujeron significamente los picos de temperatura. El pico de temperatura en el lado interior disminuyó de 32.43 °C a 31.17 °C (una reducción de 1.26 °C), y el pico en el lado interno de la pared descendió de 39.90 °C a 34.91 °C (una reducción de 4.99 °C).
- Retraso Térmico (Thermal Lag): El tiempo requerido para que la pared con cambio de fase alcanzara su temperatura máxima se retrasó aproximadamente 81 minutos en comparación con la pared ordinaria.
- Estabilidad: Las paredes con cambio de fase exhibieron amplitudes de fluctuación de temperatura más pequeñas y curvas de enfriamiento más graduales, lo que indica un efecto efectivo de "llenado de valles" (valley-filling) y retraso en la liberación de calor.
Hallazgos de la Simulación: Las simulaciones de COMSOL de 72 horas corroboraron las tendencias experimentales. El modelo de pared con cambio de fase demostró niveles de temperatura general más bajos, amplitudes de fluctuación reducidas y una distribución del campo de temperatura interior más uniforme. La simulación destacó que la capa de PCM actúa como un amortiguador térmico, atenuando las perturbaciones externas y suprimiendo los picos de temperatura interior durante los períodos de alta temperatura de manera más efectiva que las paredes ordinarias.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio demuestra la efectividad de los paneles de yeso tipo sándwich con cambio de fase para mejorar la inercia térmica de las envolventes de los edificios. Al integrar un compuesto de ácidos grasos eutécticos como capa funcional, el material logra transicionar de depender únicamente del calor sensible al uso del calor latente para la redistribución temporal de la energía térmica.

El artículo postula que estos paneles poseen un potencial de aplicación prometedor en el ahorro de energía de los edificios. Específicamente, pueden:

Mejorar eficazmente el rendimiento térmico dinámico de las envolventes de los edificios.
Mejorar la estabilidad del entorno térmico interior mediante la supresión de los picos de temperatura y la reducción de las fluctuaciones.
Proporcionar una base teórica y apoyo experimental para el uso de tales materiales en envolventes de edificios de ahorro de energía para reducir la dependencia de los sistemas de refrigeración activa.

El estudio concluye que, si bien los materiales tradicionales como los ladrillos huecos cocidos proporcionan soporte estructural, la integración de estos compuestos de cambio de fase como capas intermedias funcionales ofrece un enfoque sinérgico para mejorar las capacidades de regulación térmica de las envolventes de los edificios.

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