Analysis and Design Optimization of Latent Heat Thermal Energy Storage System based on Phase Change Material Climate Modules

Hafiz Muhammad Adeel Hassan

Publikation: AfhandlingPh.d.-afhandling

Abstract

På verdensplan står bygninger (både bolig og industri) for mere end 40% af det totale energiforbrug og for cirka en tredjedel af de globale CO2 emissioner. Fri køling af bygninger ved hjælp af termisk energilagring (TES) og faseskiftende materialer (PCM) er en af de mest undersøgte teknologier til at forbedre energieffektiviteten af bygninger. Denne teknologi benytter en dedikeret masse af PCM i enten fritstående form eller integreret i varmesystemer, ventilationsanlæg, køleanlæg (HVAC) for at øge effektiviteten. 
Formålet med denne Ph.D. afhandling er at udvikle og undersøge ydeevnen af et PCM-baseret TES system til integration med det kommercielt tilgængelige decentralt ventilationssystem VEX308. Arbejdet er opdelt i eksperimentelle undersøgelser og simuleringsarbejde. I starten af det eksperimentelle arbejde, er der udført en analyse af ydeevnen for to forskellige designkonfigurationer af en forskningsplatform med PCM-lagring i form af plader. De undersøgte parametre er fordelingen af luftstrømningen i systemet og den termiske ydeevne af PCM-lagringen. Det viste sig at designet med et mindre mellemrum imellem PCM-pladerne (1.5mm) gav en hurtigere smeltning og størkning af PCM-materialet og gav cirka 8.7% mere energilagringspotentiale. Baseret på resultaterne fra forskningsplatformen, blev en prototype udviklet med to stakke af PCM-plader og to forskellige designkonfigurationer. Disse blev udviklet til og testet for deres integrationsmuligheder med VEX308 systemet. Strømningsfordelingen imellem de to PCM-stakke og den overordnede termiske ydeevne blev undersøgt. For den første konfiguration, blev strømningsfordelingen i løbet af opladning og afladning af PCM-lagret observeret til at være ulige fordelt imellem de to stakke, med cirka 55% igennem den første stak. For den anden konfiguration, var situationen værre med cirka 65% strømning igennem den første stak. Energilagringsraten for afladning og opladning var markant større i begyndelsen af eksperimenterne og faldt over tid for begge designs. For den første konfiguration, tager det cirka 3.4 timer at fuldføre en afladning/smeltning og cirka 3.1 timer at fuldføre en opladning/størkning. For den anden konfiguration, tager det tilsvarende cirka 3.2 timer og 3 timer. Begge designs viste en effektivitet på 0.89. PCM fasesegregationsfænomenet blev bemærket og undersøgt eksperimentelt. Resultaterne viste, at de adskilte lag af PCM’en har næsten samme densitet, termiske ledningsevne og næsten samme faseændringstemperaturer. 
I simuleringsarbejdet, blev en tredimensionel model udviklet for et simplificeret tilfælde med kun 3 PCM-plader. Strømningen igennem de små mellemrum imellem PCM-pladerne blev simuleret for at undersøge tryktabet for systemet. Resultaterne er blevet valideret ved brug af eksperimentelt data for hele systemet. Det ses at der er en rimelig sammenlignelighed på mindre end 5% imellem simuleringerne og det eksperimentelle data ved lave og mellem strømningshastigheder. For at reducere beregningstiden, blev en udskæring af 3-pladesystemet simuleret og sammenlignet med en udviklet todimensionel strømningsmodel. Den reducerede todimensionelle model bruger et modstandsled fra den viskøse modstand fra den lille tykkelse af mellemrummet imellem pladerne. Resultaterne er sammenlignet og det ses at den todimensionelle model passer godt med en afvigelse omkring 12% ved lavere hastigheder og større mellemrum.
OriginalsprogEngelsk
Bevilgende institution
  • Syddansk Universitet
Vejledere/rådgivere
  • Lund, Ivar, Hovedvejleder
  • Veje, Christian T., Bivejleder
  • Alexandersen, Joe, Bivejleder
Dato for forsvar8. jul. 2022
Udgiver
DOI
StatusUdgivet - 8. jun. 2022

Note vedr. afhandling

Afhandlingen kan læses på SDUs bibliotek.

Fingeraftryk

Dyk ned i forskningsemnerne om 'Analysis and Design Optimization of Latent Heat Thermal Energy Storage System based on Phase Change Material Climate Modules'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

Citationsformater