Ηλιακή θερμική αποθήκευση και αντλίες θερμότητας με υλικά αλλαγής φάσης

Abstract

The purpose of this thesis is the thermal storage in Phase Change Materials (PCM) by integration a) in the envelope of the building b) in BAPVs and by studying c) the capability of dissipation of accumulated heat of PCMs cyclic charges from heat pumps. The thesis is developed in two parts, the theoretical and the experimental.Chapter 1 contains the review of the key processes associated with PCMs. Chapter 2 analyzes the classification and properties of PCMs, and the latest developments in various techniques of increasing heat transfer are presented. Chapter 3 contains a review of innovative applications systems of Solar Thermal Storage with PCMs which directly or indirectly affect the energy consumption of heat pumps. Chapter 4 follows the analysis of the data from these applications and summarizes the key efficiency factors and the modeling with PCMs. Chapter 5 completes the theoretical part of the thesis with the findings.The experimental part presents the analytical methodology and the developed experiments. Chapter 6 describes the mathematical formulation of transient transfer phenomena. Here analyzed, the method of lumped capacitance, the Boussinesq approach and underlying assumptions of solving the system of differential equations of energy, momentum and continuity used in later experiments. There is an overview of the solutions to the problems of moving boundary conditions and presents the TRNSYS software used in the experiments to model and to validate the results.Chapter 7 describes the experiments performed in the thesis. a) The incorporation of PCMs to BAPV made in TRNSYS, after consideration of the boundary surfaces around and under the PV, environmental factors that affect the temperature of the cell and the relationship to the exergetic efficiency of PV. After modeling and validation of measurements of BAPV, different amounts of PCM is placed in the back of the PV and examines the behavior of the curves I-V into varying load with and without PCM.b) Integration of the PCM to the envelope of the building is simulated with TRNSYS and is based on optimizing the PCM melting temperature over the internal temperature. Three PCMs are used with respective melting temperatures of 20 ° C, 25 ° C, and 32 ° C. The experiment examines the behavior of PCMs at different exposure temperatures of the heat transfer fluid through the integration of internal and external wall surface and analyzes the differences.c) The above measuring devices provide evidence for charge and discharge cycles of the PCM and the flow temperature during the experiments. The dissipation of accumulated heat from the heat pump can improve overall system performance PV-PCM-HP when done in a controlled manner.Chapter 8 summarizes the thesis conclusions which are also suggestions for further research.

Σκοπός της παρούσας διατριβής αποτελεί η θερμική αποθήκευση με Υλικά Αλλαγής Φάσης (ΥΑΦ) μέσω ενσωμάτωσης α) στο κέλυφος του κτιρίου β) σε πρόσθετα ΦΒ του κτιρίου και μελέτης γ) της δυνατότητας απαγωγής της συσσωρευμένης θερμότητας των κυκλικών φορτίσεων των ΥΑΦ από αντλίες θερμότητας.Η διατριβή αναπτύσσεται σε δύο μέρη, το θεωρητικό και το πειραματικό. Στο θεωρητικό μέρος εξετάζονται οι τελευταίες εξελίξεις των ΥΑΦ στον κτιριακό τομέα. Το Κεφάλαιο 1 περιέχει την ανασκόπηση στις βασικές διαδικασίες που σχετίζονται με τα ΥΑΦ. Στο Κεφάλαιο 2, αναλύονται η ταξινόμηση και οι ιδιότητες των ΥΑΦ, ενώ απεικονίζονται οι τελευταίες εξελίξεις σε διάφορες τεχνικές αύξησης της μεταφοράς θερμότητας με πρόσθετα και άλλες νανοδομές. Το Κεφάλαιο 3 περιλαμβάνει την επανεξέταση των καινοτόμων εφαρμογών των συστημάτων Ηλιακής Θερμικής Αποθήκευσης με ΥΑΦ που έμμεσα ή άμεσα επηρεάζουν την κατανάλωση ενέργειας των αντλιών θερμότητας. Στο Κεφάλαιο 4 ακολουθεί η ανάλυση των δεδομένων των παραπάνω εφαρμογών. Το Κεφάλαιο 5 ολοκληρώνει το θεωρητικό μέρος της διατριβής με τα συμπεράσματα.Στο πειραματικό μέρος αναπτύσσονται τα πειράματα, η μεθοδολογία ανάλυσης και τα αποτελέσματα των πειραμάτων. Στο Κεφάλαιο 6 περιγράφεται η μαθηματική διαμόρφωση των μεταβατικών φαινομένων μεταφοράς. Αναλύονται η μέθοδος της αθροιστικής χωρητικότητας, η προσέγγιση Boussinesq και οι βασικές παραδοχές της επίλυσης του συστήματος των διαφορικών εξισώσεων ενέργειας, ορμής και συνέχειας που χρησιμοποιούνται αργότερα στα πειράματα. Γίνεται μια ανασκόπηση των λύσεων για τα προβλήματα των μεταβαλλόμενων οριακών συνθηκών και παρουσιάζεται το λογισμικό TRNSYS που χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα για την μοντελοποίηση και επικύρωση των αποτελεσμάτων. Στο Κεφάλαιο 7 περιγράφονται τα πειράματα που εκτελέστηκαν στα πλαίσια της διατριβής. α) Αρχικά αναλύονται οι οριακές επιφάνειες γύρω και κάτω από το ΦΒ, οι περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη θερμοκρασία του κυττάρου και η συσχέτιση με την εξεργειακή απόδοση του ΦΒ. Μετά τη μοντελοποίηση και την επικύρωση των μετρήσεων των πρόσθετων ΦΒ εξετάζεται η συμπεριφορά των καμπυλών I-V σε μεταβαλλόμενο φορτίο με και χωρίς ΥΑΦ. β) Η ενσωμάτωση των ΥΑΦ στο κέλυφος του κτιρίου προσομοιώνεται με το TRNSYS και βασίζεται στη βελτιστοποίηση της θερμοκρασίας τήξης του ΥΑΦ σε σχέση με την εσωτερική θερμοκρασία. Χρησιμοποιούνται τρία ΥΑΦ με αντίστοιχες θερμοκρασίες τήξης στους 20 ο C, 25 οC και 32 οC. Εξετάζεται η συμπεριφορά του ΥΑΦ σε διαφορετικές θερμοκρασίες έκθεσης του ρευστού μεταφοράς θερμότητας μέσω της ενσωμάτωσης στην εσωτερική και την εξωτερική επιφάνεια του τοίχου και αναλύονται οι διαφορές που παρατηρούνται. γ) Οι παραπάνω μετρητικές διατάξεις παρέχουν ενδείξεις για τους κύκλους φόρτισης και αποφόρτισης των ΥΑΦ και τις θερμοκρασιακές ροές κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Η απαγωγή της συσσωρευμένης θερμότητας από τις αντλίες θερμότητας μπορεί να βελτιώσει την συνολική απόδοση του συστήματος ΥΑΦ-ΠΦΒ-ΑΘ όταν γίνει με ελεγχόμενο τρόπο. Το Κεφάλαιο 8 συνοψίζει με συμπεράσματα τη διατριβή αυτή τα οποία συνιστούν και προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.