Ψύξη οροφής με υλικά αλλαγής φάσης με χρήση του λογισμικού comsol multiphysics

Abstract

Η αλλαγή φάσης αφορά μεταβάσεις, μεταξύ των τριών καταστάσεων (στερεής, υγρής και αέριας) ενός θερμοδυναμικού συστήματος από τη μία φάση σε κάποια άλλη. Το ξεχωριστό χαρακτηριστικό του φαινομένου αυτού είναι η παρατήρηση μιας ραγδαίας αλλαγής σε μία ή περισσότερες φυσικές ιδιότητες του συστήματος και κυρίως στη θερμοχωρητικότητά του με ταυτόχρονη μικρή μεταβολή σ’ άλλες ιδιότητες, όπως στη θερμοκρασία του. Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τη δημιουργία ενός τρισδιάστατου μοντέλου μεταφοράς θερμότητας, το οποίο είναι ένα σύστημα σωληνώσεων που βρίσκεται στην οροφή ενός διαμερίσματος, ρέει σ’ αυτό νερό και παρέχει ψύξη κατά τη διάρκεια της ημέρας μέσω ενός στρώματος υλικού αλλαγής φάσης (Phase Change Material – P.C.M.). Το υλικό αλλαγής φάσης έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης πολύ μεγαλύτερων ποσών θερμότητας σε σχέση με το τσιμέντο, ενώ μεταβαίνει στην αρχική του κατάσταση κατά τη διάρκεια της νύχτας, εξισορροπώντας τις ηλεκτρικές καταναλώσεις και μειώνοντας τις ημερήσιες κορυφές φορτίων. Σε πρώτη φάση γίνεται ταξινόμηση των κυριότερων υλικών αλλαγής φάσης, περιγράφονται οι ιδιότητες και οι πιο εξειδικευμένες εφαρμογές τους. Αναφέρονται τα προβλήματα και οι τρόποι αντιμετώπισής τους, όσον αφορά τις ιδιότητες των υλικών αυτών. Η μέτρηση των ιδιοτήτων των υλικών γίνεται συνήθως με διαφορική θερμιδομετρική ανάλυση (DSC), με διαφορική θερμική ανάλυση (DTA) ή με τη μέθοδο T-History. Για την ολοκλήρωση του θεωρητικού μέρους γίνεται μια σύντομη αναφορά στα κυριότερα ενεργητικά και παθητικά ηλιακά συστήματα. Στο υπολογιστικό μέρος, το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για την αναπαράσταση και προσομοίωση του μοντέλου είναι το COMSOL MULTIPHYSICS. Το πρόγραμμα αυτό παρέχει τη δυνατότητα επίλυσης σύνθετων και αλληλεπιδραστικών φυσικών φαινομένων με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Αποτελεί δε την ιδανική πλατφόρμα μοντελοποίησης και σχεδιασμού για πληθώρα εφαρμογών. Έτσι λοιπόν, παρουσιάζονται όλα τα βήματα δημιουργίας του μοντέλου του συστήματος που αφορούν τη γεωμετρία, τις σταθερές, τις μεταβλητές, τις εξισώσεις, τη δομή και την πυκνότητα του πλέγματος και τέλος την οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων.

A phase-change material (P.C.M.) is a substance with a high heat of fusion which, by melting and solidifying at a certain temperature, is capable of storing and releasing large amounts of energy. Heat is absorbed or released when the material changes from solid to liquid and vice versa. There are also others phase changes, such as solid–liquid, solid–gas and liquid–gas, but the only phase change used for P.C.Ms is the solid–liquid change. In this thesis, a numerical procedure for solving transient, three-dimensional heat-transfer problems of space cooling was developed, by using cold water flowing during the night within regularly arranged pipes, embedded in the ceiling within a layer of phase change material (P.C.M.). Such systems are advantageous over the usual ceiling cooling systems because (1) the P.C.M. layer may store considerably greater amounts of heat than those stored in the concrete slab, and (2) night cooling takes place under reduced electricity prices and meets the requirement of smoothing out electricity consumption by reducing daily peak loads. At first, a classification of the main P.C.Ms is made, describing their properties and more specific applications. Their properties are measured by Differential scanning calorimetry (DSC), Differential thermal analysis (DTA) and T-history method. For the completion of the theoretical part, there is a brief overview of active and passive solar systems. The selected simulation software was COMSOL Multiphysics, which is a finite element analysis solver and Simulation software for various physics and engineering applications, especially coupled phenomena, or multiphysics. The COMSOL Multiphysics simulation environment facilitates all the steps in the modeling process – defining the selected geometry, meshing, specifying physics, solving the problem, and then visualizing the results. It also serves as a platform for the application of specific modules.