Modelling and thermal characterization of phase change materials for heating building solutions

Abstract

Energy storage systems can make a big difference to reduce both the cost and the impact of fossil fuel's consumption, by either shifting the charging time to off peak-load of demand or being coupled and store energy from green alternatives to energy capture methods. This work presents a shape parametric study on a home heating solution that resorts to a shell and tube heat exchanger system with Phase Change Materials as the Thermal Energy Storage method. A theoretical explanation of its energy storage principles is presented, followed by a state of the arts description of the current applications of this technology in household construction features. A model is then developed based on a researched solution with lauric acid and the efficiency enhancement of its application is performed using Ansys Fluent®. Its calibration and validation is consummated against the results of the already exiting article. The impact of the shape of the heat transfer surface in the convection flows is adressed resorting to parametric studies of 4 cases with their respective horizontal reach incrementally higher. Results revealed that for each 5 mm increase in the heat transfer surface horizontal axis, an average of a 9% decrease in the PCM charging time, resultant of a 5% increase in the melting rate of the material. The higher perimeter for each 5 mm increment also provides a considerable boost of 20% in the peak value of heat transfer rate, as well as a 7% charging time saved to reach the induced convection velocity roof values. The most optimized study of the proposed cases presented a charging time 38% faster than the original.

Os sistemas de armazenamento de energia podem fazer uma grande diferença para reduzir o custo e a necessidade do consumo de combustíveis fósseis, seja mudando o tempo de absorção de energia para fora do pico de procura, ou sendo acoplados a métodos de captura de energia e consequentemente armazenando energia de alternativas verdes. Este trabalho apresenta um estudo paramétrico de forma de uma solução de aquecimento de edifícios residenciais que recorre a materiais de mudança de fase como sistema de armazenamento de energia térmica num permutador de calor. Uma explicação teórica dos princípios de armazenamento de energia destes materiais é apresentada, seguido por um estado de arte das aplicações atuais desta tecnologia em soluções de construção. Um modelo é então desenvolvido com base numa solução investigada de um ácido láurico e a melhoria da performance da sua aplicação é avaliada com recurso ao Ansys Fluent®. A calibração e validação do mesmo é realizada em relação aos resultados presentes no referido artigo. O impacto da forma das superfícies de transferência de calor nos fluxos de convecção induzidos é estudado em 4 casos com os respectivos alcances horizontal incrementalmente mais elevados. Os resultados revelaram que para cada aumento de 5 mm no eixo horizontal da superfície de transferência de calor, verifica-se uma média de 9% de diminuição no tempo de carregamento do PCM, consequência de um aumento de 5% na taxa de fusão do material. O perímetro mais elevado em cada incremento de 5 mm também fornece um aumento considerável de 20% no valor de pico da taxa de transferência de calor, bem como um tempo de carregamento de 7% economizado para atingir os valores máximos da velocidade dos fluxos convectivos induzidos. O estudo optimizado proposto que apresenta melhores resultados mostra uma redução no tempo de carregamento de 38% quando comparado ao estudo inicial.