Αξιολόγηση Υπολογιστικών Εργαλείων προσομοίωσης θερμικής απόκρισης κτιρίων/ δομικών στοιχείων με Υλικά Αλλαγής Φάσης- Εφαρμογή στο TRNSYS

Abstract

Η επιτακτική ανάγκη για κάλυψη των συνεχώς αυξανόμενων ενεργειακών απαιτήσεων στον κτιριακό τομέα ώθησε στην ανάπτυξη νέων και οικονομικών τεχνολογιών. Τα συστήματα αποθήκευσης θερμότητας και ειδικότερα τα Υλικά Αλλαγής Φάσης, αποτελούν ίσως την πιο προηγμένη μορφή τεχνολογίας αποθήκευσης ενέργειας. Η ενσωμάτωση των ΥΑΦ σε δομικά υλικά και κτιριακά συστήματα παρέχει στο κτίριο ικανοποιητικότερα επίπεδα θερμικής άνεσης καθώς διευκολύνει τη μείωση των θερμοκρασιακών διακυμάνσεων στο εσωτερικό του κτιρίου, ενώ παράλληλα συνεισφέρει στην εξοικονόμηση ενέργειας χάρη στη μετατόπιση των φορτίων σε περιόδους μη αιχμής. Η επιλογή του κατάλληλου ΥΑΦ, λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιότητές του και το μηχανισμό μεταφοράς θερμότητας, αποτελεί παράγοντα ζωτικής σημασίας για τη λειτουργία των συστημάτων αποθήκευσης λανθάνουσας θερμότητας. Η συμπεριφορά των ΥΑΦ που συναντώνται στις κτιριακές εγκαταστάσεις μοντελοποιείται με χρήση λογισμικών προσομοίωσης ή υπολογιστικών μοντέλων. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αξιολόγηση των υπολογιστικών εργαλείων του TRNSYS τα οποία χρησιμοποιούνται για τη μοντελοποίηση της θερμικής απόκρισης κτιρίων τα δομικά στοιχεία των οποίων περιέχουν ΥΑΦ. Τρία διαφορετικά υπολογιστικά μοντέλα ενσωματώθηκαν στην πλατφόρμα του TRNSYS στα πλαίσια της προσομοίωσης της θερμικής συμπεριφοράς των πρότυπων οικίσκων της Alicante. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, όπως αυτά προέκυψαν από το TRNSYS 16 με χρήση των PCM Types 204, 260 και του υπολογιστικού κώδικα MATLAB, ο οποίος αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Ετερογενών Μιγμάτων και Συστημάτων Καύσης του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, συγκρίθηκαν με τα πειραματικά δεδομένα, όπως αυτά παραχωρήθηκαν από το Ινστιτούτο της AIDICO, προκειμένου να διαπιστωθεί η αξιοπιστία των μοντέλων και η ακρίβεια με την οποία αποδίδουν τη θερμοκρασιακή διακύμανση στο εσωτερικό απλών κατασκευών που περιέχουν PCM στο δομικό τους υλικό. Στα πλαίσια της εργασίας εντοπίστηκαν και σχολιάστηκαν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα του κάθε υπολογιστικού εργαλείου, ενώ προτάθηκαν και λύσεις οι οποίες θα μπορούσαν να βελτιώσουν τη λειτουργία τους.

The continuous increase of energy requirements in buildings urged scientists and engineers to develop efficient and economical technologies. Thermal energy storage systems using Phase Change Materials have been recognized as one of the advanced energy technologies in enhancing the sustainability of buildings. PCM incorporation in building materials and energy systems provides the potential for a better indoor thermal comfort for occupants due to the reduced indoor temperature fluctuations and lower energy consumption due to the load shifting. It has been demonstrated that for the implementation of a latent heat storage system in a building construction, the choice of the appropriate PCM and the heat transfer mechanism in the material play an important role. The PCM behavior (heat transfer mechanism) in building envelopes and products is modeled using the available simulation models or commercial tools. The scope of the present Diploma Thesis is to evaluate TRNSYS simulation models which are used to simulate thermal performance of buildings with PCM enhanced construction materials. Three different PCM Types were implemented in TRNSYS 16 for the simulation of the thermal behavior of experimental pilot house stations located in Alicante, Spain. The simulation results from TRNSYS 16 using PCM Types 204, 260 and the simulation MATLAB code were compared with the experimental data, in order to evaluate the accuracy and reliability of the simulation tools regarding the thermal behavior of simple PCM constructions. The advantages and disadvantages of each simulation model were discussed and improvements concerning their function were proposed.