Χρήση Υλικών Αλλαγής Φάσης (PCM) σε εσωτερικούς τοίχους, με συναλλαγή θερμότητας εκατέρωθεν και ηλιακή φόρτιση από μία ή δύο κατευθύνσεις

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη χρήση Υλικού Αλλαγής Φάσης (PCM) σε εσωτερική τοιχοποιία και τη μελέτη της ωριαίας θερμοκρασιακής του συμπεριφοράς, ανάλογα με τις συνθήκες ηλιακής του φόρτισης και θερμικής συναλλαγής με το περιβάλλον του. Το βιβλιογραφικό τμήμα της εργασίας αποτελείται από τρία κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα Υλικά Αλλαγής Φάσης και οι ιδιότητές τους και αναπτύσσεται η θεωρία πίσω από αυτά, στο δεύτερο γίνεται μια αναφορά στη σχετική ερευνητική δραστηριότητα και παρατίθενται πρακτικές εφαρμογές τους σε διάφορους τομείς, ενώ το τρίτο κεφάλαιο είναι αφιερωμένο στις κτιριακές εφαρμογές των ΥΑΦ. Το τέταρτο και τελευταίο κεφάλαιο της εργασίας φιλοξενεί την υπολογιστική μελέτη. Πιο συγκεκριμένα, για τους μήνες Νοέμβριο έως και Μάρτιο, μελετάται στρώμα ΥΑΦ ενσωματωμένο σε ενδιάμεση τοιχοποιία δύο δωματίων σταθερής θερμοκρασίας, διατεταγμένων είτε κατά Νότο και Βορρά είτε κατά Ανατολή και Δύση. Εξετάζονται συνολικά πέντε περιπτώσεις. Οι δύο πρώτες αφορούν σε στρώμα ΥΑΦ ακολουθούμενο από στρώμα μόνωσης, έτσι ώστε να υφίσταται θερμική συναλλαγή προς μία μόνο κατεύθυνση. Η ηλιακή φόρτιση γίνεται μέσω έναντι υαλοπίνακα εντός του δωματίου που επικοινωνεί θερμικά με στρώμα του ΥΑΦ. Στις τρεις επόμενες περιπτώσεις, η ενδιάμεση τοιχοποιία δε διαθέτει στρώμα μόνωσης, με αποτέλεσμα η θερμική συναλλαγή να λαμβάνει χώρα εκατέρωθεν. Η ηλιακή φόρτιση σε αυτές τις περιπτώσεις γίνεται είτε από έναν μόνο προσανατολισμό είτε εκατέρωθεν, μέσω ενός ή δύο υαλοπινάκων αντίστοιχα. Ο υπολογισμός της ωριαίας θερμοκρασίας του ΥΑΦ γίνεται μέσω κατάλληλου θερμικού ισολογισμού. Η μοντελοποίηση της αλλαγής φάσης του πραγματοποιείται σύμφωνα με τη μέθοδο της Ενεργού Θερμοχωρητικότητας. Για τον προσδιορισμό της ενεργού θερμοχωρητικότητας cpeff χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικές μέθοδοι: μια ακριβής, μέσω τεσσάρων προσαρμοσμένων σε πειραματικά αποτελέσματα πολυωνυμικών συναρτήσεων της θερμοκρασίας Tpcm και μία προσεγγιστική, με χρήση της απλουστευμένης τριγωνικής συνάρτησης. Προκύπτει τελικά πως η χρήση της τριγωνικής συνάρτησης για τον προσδιορισμό της cpeff, οδηγεί σε μέσες τιμές Τpcm που εμφανίζουν μικρή απόκλιση σε σχέση με τις αντίστοιχες που λαμβάνονται μέσω της χρήσης των πολυωνυμικών συναρτήσεων. Δε συμβαίνει όμως το ίδιο και για τις μέγιστες τιμές της Τpcm οι οποίες προκύπτουν πάντοτε υψηλότερες, και σε ορισμένες περιπτώσεις πολύ υψηλότερες, μέσω των πολυωνυμικών συναρτήσεων σε σχέση με τις προκύπτουσες βάσει τριγωνικής συνάρτησης.

The scope of the present thesis is to study the hourly thermal behavior of a Phase Change Material (PCM) incorporated in an interior wall, setting as parameters the conditions of its solar loading and thermal exchange with its surroundings. The theoretical part of the thesis consists of three chapters. The first chapter presents Phase Change Materials and their properties as well as the theory behind them. The second chapter references the research activity on PCMs and lists a number of their applications in various fields whereas the third chapter focuses on the PCM applications on the building sector. The fourth and final chapter of the thesis hosts the computational study. In particular, a PCM layer embedded in an intermediate wall between two rooms of invariable temperature, orientated either towards the North and the South or the East and the West. A total of five scenarios are examined. On the first two the PCM layer is followed by an insulation layer thus allowing thermal exchange towards a sole direction. The solar loading occurs through a glass widow in the room in thermal contact with the PCM layer. The other three scenarios concern intermediate wall without insulation and therefore thermal exchange of two directions. In these cases, the solar loading emanates from one or two opposite directions. The calculation of the hourly PCM temperature is conducted through the appropriate PCM layer thermal balance. The modeling of the phase change is made via the Effective Thermal Capacity method. The determination of the effective thermal capacity cpeff is realized through two different methods: a precise method using four tailored polynomial functions of PCM temperature, fitted to experimental measurements, and an approximate method, using the triangular function. It appears that the use of the triangular function for the determination of the PCM’s effective thermal capacity, produces Tpcm average values deviating slightly from the corresponding average Tpcm values obtained via the use of the polynomial functions. The same does not apply for the maximum Tpcm values which always occur lower, and in some cases significantly lower, when the triangular function is used instead of the polynomial functions.