La reducción del consumo energético en la edificación y el incremento de la utilización de fuentes de energía renovables son aspectos claves para garantizar la mejora de la sostenibilidad y la calidad de la vida asociadas a la edificación. De hecho, según el Programa de las Naciones Unidas para el Ambiente, los edificios son responsables de más del 40% del consumo energético mundial. Además, próximamente, se publicará la ley de transición energética en España cuyo principal objetivo es la evolución hacia un modelo de desarrollo bajo en carbono y resiliente al cambio climático. En este contexto, la utilización de la termoelectricidad representa una alternativa para la climatización de los edificios de consumo casi nulo que ha de ser valorada en su importancia, pues es una tecnología que elimina la utilización de fluidos refrigerantes.

La termoelectricidad es la parte de la física que trata los fenómenos de producción de energía eléctrica por la acción del calor (efecto Seebeck) y viceversa (efecto Peltier). Este último consiste en que al hacer circular una corriente eléctrica a través de la unión de dos tipos diferentes de materiales semiconductores se produce una transferencia de calor entre ellas, de manera que, una unión se enfría y la otra se calienta. Si se cambia el sentido de la corriente eléctrica se cambia, también, la dirección de la transmisión de calor. De este modo, las células Peltier pueden utilizarse como bombas de calor.

La mayor parte de las aplicaciones de esta tecnología se encuentran en la industria del automóvil o aeroespacial, donde, basándose en el efecto Seebeck, utilizan el calor residual de sus procesos productivos para generar electricidad. Por su parte, el efecto Peltier es utilizado en pequeños dispositivos microelectrónicos, sondas espaciales, energía solar, ropa militar, etc (1-3)…como mecanismo de enfriamiento. Sin embargo, estas aplicaciones se centran en dispositivos a pequeña escala. De hecho, a pesar de su potencial, el uso de la termoelectricidad para la climatización de edificios es un área poco desarrollada todavía (4).

La utilización de la termoelectricidad como sistema de climatización de edificios presenta numerosas ventajas:

Sin embargo, la integración de las células Peltier en la fachada supone un reto importante, puesto que el sistema deja de ser únicamente una máquina para convertirse, también, en un componente más de la fachada que debe, por tanto, cumplir con todas las exigencias propias de cualquier componente de la envolvente de un edificio (7).

Aunque la incorporación de la termoelectricidad en los edificios puede considerarse que está todavía lejos del mercado (8), el número de investigaciones desarrolladas sobre su uso ha aumentado en los últimos años (9). A pesar de que entre estas investigaciones se encuentran desarrollos de sistemas de climatización termoeléctricos no integrados, es decir, diseñados exclusivamente como ‘máquinas’ para climatizar, la gran mayoría proponen sistemas integrados en diferentes elementos constructivos. Así, las investigaciones que han sido publicadas ofrecen principalmente tres opciones de integración: en ventanas, en fachada o en cubierta/techo (9). En su mayoría, los resultados de estas investigaciones se centran en el análisis del rendimiento del sistema (5) y en su comportamiento energético frente a otras soluciones convencionales (10).

Son pocas las investigaciones que analizan los factores que afectan la integración de la termoelectricidad en un edificio desde el punto de vista de la construcción. Puede señalarse como curiosidad que en la revista ‘Informes de la Construcción’, editada desde 1948, si se busca en su página web las palabras clave “Peltier” o “termoelectricidad”, no existen registros al respecto. Es más, en los artículos publicados a nivel internacional apenas aparecen conceptos como las pérdidas de calor a través de los elementos constructivos, la durabilidad, el comportamiento acústico, la estética o el comportamiento frente al fuego. Sin embargo, se trata de parámetros imprescindibles para que el sistema se comporte correctamente como elemento constructivo.

Los autores del presente artículo han desarrollado una línea de investigación relacionada con sistemas para la climatización de edificios, donde el diseño, caracterización y análisis de sistemas termoeléctricos integrados en fachada ha tenido un papel protagonista con el diseño de varios prototipos.

Así, en 2009 se diseñó y construyó un primer prototipo de una unidad de calefacción y refrigeración termoeléctrica para su uso en edificios residenciales (11), de la que se obtuvo una patente (12). Por su parte, el segundo prototipo, realizado en 2014, se centró en la integración del sistema termoeléctrico como un componente más de una fachada ventilada (13). En ambos casos, se tratan de prototipos realizados a escala real y testados en condiciones ambientales exteriores (Figura 1).

Antes de afrontar la construcción del tercer prototipo, los investigadores ejecutaron un prototipo a escala, denominado Adiabatic BOX, para analizar, en condiciones de laboratorio, por un lado, la relación entre la temperatura de las caras de las células y la temperatura ambiente interior y, por otro, las limitaciones del módulo termoeléctrico como componente de una fachada (14) (Figura 1).

Los resultados de aquellas investigaciones, junto con la experiencia de otros autores (15-16), indican que la principal debilidad del sistema, en lo que se refiere a su integración en fachadas, se encuentra en resolver el puente térmico que las propias células Peltier generan cuando no están funcionando.

Como se explica en este estudio, es necesario disponer el elemento termoeléctrico junto con sendos disipadores de calor que permitan la captación y disipación de calor entre el ambiente interior y el exterior. Sin embargo, la disposición de estos elementos en fachada, normalmente metálicos y por tanto con mayor conductividad térmica, supone romper con la continuidad de todos los materiales que componen la fachada, especialmente la capa de aislamiento, generando un puente térmico.

Tras estos antecedentes, el objeto del artículo es analizar el comportamiento de una caja adiabática (denominada de aquí en adelante caja adiabática v.2, Figura 2), cuyo diseño se focalizó en minimizar el puente térmico que genera la integración del módulo termoeléctrico en la fachada. Además, este prototipo a escala constituye la base de diseño de un prototipo a escala real que actualmente se encuentra en fase de montaje.

Aunque generalmente el montaje no se considera en la optimización de los sistemas termoeléctricos, se ha demostrado que es un aspecto a tener en cuenta, ya que deteriora el rendimiento del sistema termoeléctrico.

Para los ensayos que se presentan en este artículo, la caja adiabática v.2 se ha instalado en una sala de ambiente controlado para testarla en condiciones constantes, en este caso a temperatura ambiente (Tamb) de 15°C. Así, los ensayos se realizan bajo dicha condición con diferentes temperaturas objetivo de la cara interior de la célula Peltier (Tint,obj) (20°C, 25°C, 30°C y 35°C).

En cuanto a los datos recogidos, se analizan las temperaturas y consumos durante los ensayos del prototipo para ver qué los factores del diseño constructivo que pueden afectar el comportamiento de este. Además de estos datos en ambiente controlado, una caja ejecutada con los mismos sistemas y componentes se envió a la Base Antártica Gabriel de Castilla, donde se testó a temperaturas más bajas (17).

El análisis del comportamiento de la caja adiabática v.2 se presenta desde dos puntos de vista: temperaturas alcanzadas y consumos asociados. Como se ha comentado anteriormente, los ensayos se realizan con una T_amb de 15ºC, y temperaturas de consigna de la cara interior de la Peltier de 20, 25, 30 y 35 ºC. Las gráficas que se muestran en las Figuras 7-10 corresponden a cada escenario ensayado.

Por un lado, en la parte superior se presentan las temperaturas objeto y por otro, en la parte inferior, la corriente y el COP durante el ensayo. La línea discontinua negra muestra la T_int,obj en cada caso, y la línea roja la T_int de la cara de la Peltier. En cuanto a la duración de cada ensayo, esta ha variado según el alcance de la temperatura ambiente interior de la caja (T_caja).

Como se puede ver en todos los casos, la T_int se alcanza en pocos minutos en la cara interior de la célula Peltier y se mantiene constante. Sin embargo, la temperatura interior de la cámara de ensayo (la línea verde continua, T_caja) no siempre se acerca a la de la cara de la Peltier. En los cuatro ensayos se aprecia un salto en las tendencias, sobre todo en las temperaturas del disipador interior (T_disp,int) y de la caja. Este cambio se da al encender los ventiladores, que se activan cuando la T_disp,int se acerca a la T_int de la célula Peltier. Así, el movimiento de aire forzado que se genera facilita el intercambio de calor en el interior y, por tanto, la T_caja aumenta. A su vez, la corriente aumenta puntualmente dado que al aumentar la disipación de calor la T_int disminuye ligeramente, por consiguiente, el COP también disminuye. Una vez encendidos los ventiladores, la T_caja y la T_disip,int son prácticamente iguales.

En el caso del primer ensayo, T_int,obj 20 °C (Figura 7), el disipador interior alcanza la T_int de la cara de la célula en menos de una hora, sin embargo, en el segundo ensayo (Figura 8), transcurridas las tres horas todavía no ha llegado, y lo mismo ocurre en el tercer y cuarto ensayo (Figura 9 y Figura 10). En los dos últimos ensayos, tras 12 horas de ensayo, la tendencia de la T_int se estabiliza y se mantiene horizontal, razón por la que se considera el final del ensayo. En ambos casos, no supera los 25 °C.

Dado que originalmente la termoelectricidad se ha utilizado para refrigerar, la corriente se considera positiva en modo refrigeración. En este caso, al trabajar en modo calefacción, la intensidad aportada se muestra en negativo. En cuanto al consumo eléctrico, como se observa en todos los casos, la intensidad disminuye en cuanto la T_int alcanza la T_int,obj. A su vez, a mayor salto térmico entre el ambiente exterior y la temperatura objetivo interior, mayor es la intensidad necesaria para alcanzar dicha temperatura.

En cuanto a la eficiencia de la célula, el COP en todos los ensayos muestra el punto más alto antes de encender los ventiladores sucediendo que en ese momento todavía no se ha dado el intercambio de calor en el interior de la cámara de ensayo. En la Tabla 2 se recogen los datos registrados al final de cada ensayo. La diferencia de temperaturas entre las caras de la célula aumenta conforme la temperatura objetivo exigida aumenta, y por consiguiente el consumo eléctrico (W_e) es mayor. De esta forma, y dado que el calor disipado en el interior no aumenta en el mismo orden, el COP disminuye.

En comparación con los resultados obtenidos en Adiabatic BOX (14), en los casos de 20 y 25, el COP es mayor en estos segundos ensayos (4.16 y 2.73 frente a 2.7 y 1.9). Esto puede ser debido a la mejora del funcionamiento del sistema de control, punto este que los investigadores tendrán que confirmar en los siguientes prototipos. Sin embargo, el tiempo en alcanzar la temperatura objetivo es mayor en este caso. Una de las razones por la que dicho tiempo es mayor es el perfil de aluminio integrado en el diseño que se ha creado para la reducción del puente térmico, que genera una mayor resistencia a la hora de transferir el calor tanto al interior como del exterior.

Este artículo presenta la solución de diseño constructivo integrado de una célula Peltier en un cerramiento para una caja adiabática y su comportamiento térmico. El objetivo del diseño constructivo ha sido disminuir el puente térmico generado en la integración de sistemas termoeléctricos en fachada respecto a experiencias anteriores.

En cuanto al comportamiento térmico, la cámara de ensayo interior alcanza la temperatura objetivo en dos de los ensayos, pero se mantiene a 25 °C en los ensayos donde se requiere mayor temperatura. Esto se puede deber a diversos factores tales como el mayor salto térmico con el exterior a mayores temperaturas interiores, y por tanto mayor pérdida de calor de la propia caja o la resistencia ofrecida por el elemento de aluminio. Dicho elemento se presenta como una primera solución para la disminución de puente térmico, sin embargo, se evidencia que aún requiere de desarrollos adicionales de cara a disminuir la inercia térmica que el propio sistema genera.

En lo que se refiere al COP, este varía entre 1.46 y 4.19, por lo que mejora respecto a resultados anteriores (14), principalmente por la regulación de la intensidad una vez alcanzada la temperatura objetivo de la cara interior de la célula. El control del sistema se basa en la cara interior de la célula Peltier. En este caso, y dado el tiempo necesario para alcanzar la temperatura de la caja deseada, en el futuro se probarán otras variables como condición inicial tales como la temperatura interior de la caja o la corriente.

Varias son las mejoras que el equipo de investigadores entiende necesarias en el futuro:

Es importante destacar que este prototipo a escala constituye la base de diseño de un prototipo a escala real que se encuentra en fase de montaje. Como reflexión adicional, cabe mencionar que el Código Técnico de la Edificación no recoge estas soluciones de fachada activa, lo cual puede desalentar el desarrollo de tecnologías innovadoras, especialmente a empresas del sector de la edificación.