Computational modelling of latent heat storage systems with integrated phase change materials in building applications

Abstract

Ο σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι να εκτιμήσει την επίδραση θερμικών συστημάτων, τα οποία ενσωματώνουν υλικά αλλαγής φάσης, με την ανάπτυξη υπολογιστικών εργαλείων. Στην εισαγωγή, μια σύντομη θεώρηση καταλήγει στο ότι, ο σύγχρονος τρόπος ζωής απαιτεί μεγάλες ποσότητες ενέργειας στον κτιριακό τομέα, ούτως ώστε να καλυφθούν οι ανάγκες φωτι- σμού και θερμικής άνεσης. Τα συστήματα αερισμού, θέρμανσης και κλιματισμού καταναλώνουν, ίσως, την περισσότερη ενέργεια, και για τον λόγο αυτό η απόδοσή τους παίζει σημαντικό ρόλο στην εξοικονόμηση ενέργειας. Μία, σχετικά, νέα γενιά εφαρμογών μπορεί να καταστήσει τα συστήματα αυτά πιο αποδοτικά. Οι εφαρμογές αυτές υιοθετούν την χρήση υλικών αλλαγής φάσης. Τα υλικά αυτά μπορούν και συσσωρεύουν ενέργεια υπό την μορφή λανθάνουσας θερμότητας. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η θερμοκρασιακή ομοιομορφία. Επίσης, η αποθηκευμένη θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μελοντικό χρόνο. Τα υλικά αυτά, ο τρόπος λειτουργίας τους, καθώς και τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά τους μελετώνται στο δεύτερο κεφάλαιο. Στις περιπτώσεις που μελετώνται, οι κτιριακές εγκαταστάσεις θερμαίνονται λόγω της ηλιακής ακτινοβολίας. Επίσης, λόγω θερμοκρασιακών διαφορών, παρατηρούνται φαινόμενα φυσικής συναγωγής. Για τους λόγους αυτούς, ο ρόλος του τρίτου κεφαλαίου είναι να λειτουργήσει ως μια εισαγωγή σε φαινόμενα μεταφοράς και ρευστοδυναμικής. Επιπροσθέτως, θα αποδειχθεί, ότι η αναλυτική επίλυση του θερμοκρασιακού και του ροϊκού πεδίου είναι αδύνατη, συνεπώς η αριθμητική προσέγγιση κρίνεται απαραίτητη. Στοιχεία της υπολογιστικής μεθόδου των πεπερασμένων όγκων θα κλείσουν το κεφάλαιο αυτό. Στο τέταρτο κεφάλαιο, λαμβάνει χώρα η υπολογιστική μελέτη δύο περιπτώσεων. Αρχικά, περιγράφεται η πειραματική μελέτη συστήματος περσίδων, στο οποίο έχει εγκατασταθεί υλικό αλλαγής φάσης. Εν συνεχεία, αναλύονται τα χαρακτηριστικά του υπολογιστικού μοντέλου. Τελικά, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, τα οποία παρέχουν ικανοποιητική συμφωνία με τις τιμές του πειράματος, παρέχοντας πιστοποίηση στο υπολογιστικό εργαλείο. Στο δεύτερο σκέλος, μελετήθηκε ένα νέο σύστημα, το οποίο αποτελείται από περιστρεφόμενες περσίδες. Οι περσίδες ενσωματώνουν ένα στρώμα μονωτικού καθώς και υλικό αλλαγής φάσης. Εκτιμήθηκε η επίδραση του συστήματος στην θερμική συμπεριφορά εξωτερικού τοιχώματος, υπό δύο διαφορετικές κλιματικές συνθήκες. Τα αποτελέσματα δείχνουν ευνοϊκή επίδραση έναντι σε περιπτώσεις χωρίς την εγκατάσταση του συστήματος. Ωστόσο, προτείνονται συμπληρωματικές προσομοιώσεις και βελτιώσεις στο υπολογιστικό μοντέλο, για την εξαγωγή περαιτέρω χρήσιμων συμπερασμάτων. Τέλος, γενικά συμπεράσματα και προτάσεις για μελλοντική δουλειά κλείνουν αυτή την διπλωματική. Τα υλικά αλλαγής φάσης παρουσιάζουν θετικό αντίκτυπο σε κτιριακές εφαρμογές, ενώ το υπολογιστικό εργαλείο, που αναπτύχθηκε, δείχνει να έχει δυνατότητες εξέλιξης.

The purpose of this thesis is to assess the effect of thermal systems that incorporate phase change materials, with the development of a computational tool. In the introduction, a brief consideration concludes, that the modern way of life requires large amounts of energy in the building sector, in order to meet the needs of lighting and thermal comfort. The ventilation, heating and air conditioning systems consume more energy, and therefore their performance plays a significant role in saving energy. A, relatively, new generation of applications can make these systems more efficient. These applications adopt the use of phase change materials. These materials can store energy in the form of latent heat. Thereby, it is necessary to study their behaviour, their advantages and, also, their limitations. In addition, previous works were investigated. This contributed in gaining insight and, also, a valuable fashion to treat the heat capacity: the effective heat capacity method. These topics are discussed in the second part. The investigated cases in this work, present complicated features: the buildings are heated with thermal radiation, natural convection is observed and multi-layer objects are employed. Hence, the role of the third chapter is to serve as an introduction to heat transfer phenomena and fluid dynamics. It is discussed, that an analytical approach on the temperature and flow fields is impossible. Hence, the computational method of finite volume will close this chapter The fourth chapter presents the computational study of two cases. Initially, the experimental study of a blind, which integrated a phase change material, is described. Then, the characteristics of the numerical model are presented. Eventually, the results of the simulation show a very good agreement to the experiment, verifying the method. Furthermore, a new developed system is investigated under two different environment conditions. This system consists of slats, in which an insulation layer and a phase change material are embedded. It will be installed on walls of existing building to improve their thermal characteristics. The results show the beneficial role of the specific applications in the summer period. More tests should be performed to obtain more useful information for winter days as well. In addition, an overview reveals the positive and negative features of this method, and countermeasures are suggested. Finally, general remarks of this work with comments and overall observations conclude this work. Thermal energy storage systems have, in general, a positive impact and we can gain the most out of them with careful design. The presented numerical method is considered suitable to simulate heat transfer phenomena and future simulation work is outlined.