Εξοικονόμηση ενέργειας κατά την ηλιακή θέρμανση και κλιματισμό κτηρίων με χρήση υλικών αλλαγής φάσης (PCM)

Abstract

The objective of this dissertation is the development and the study of various solar systems used for the heating and the cooling of buildings in combination with the application of Phase Change Materials (PCM), which have up to tenfold storage capacity, in their building materials, aiming the minimization of energy consumption and the comparison with conventional systems. In particular, solar heating by coupling solar collectors with water heat pumps to cover heating loads and solar cooling by coupling solar collectors with an absorption chiller to cover cooling loads with the simultaneous addition of a PCM layer to the building envelope are the main technologies which were developed and studied energetically and financially for Greece and specifically for the location of Athens.This dissertation is divided into two parts. The first part contains five chapters in which a literature review of the subject is presented. Specifically, in the first chapter there is an introduction that refers to the energy situation of today in Greece as well as in the world. At the same time, the current situation in Greece, regarding the energy savings in the building sector, is mentioned.The second chapter gives the basic principles of solar energy and analyzes the principles of operation of solar systems such as flat plate collectors, concentrated collectors and evacuated tube collector as well as thermal-photovoltaic and photovoltaic systems.Chapter 3 deals with the use of solar systems in the building sector and particularly for heating and cooling.Chapter 4 gives the basic principles of thermal energy in heat transfer and analyzes PCMs, namely their operation, their properties, their categories and their methods of integration.In the fifth chapter, there is a reference to the use and the application of PCM in the building’s envelope as well as in the active systems of buildings, which were found in the international literature.The second part contains four chapters in which the modeling of novel heating and cooling systems, the simulations and the comparisons of results are presented.22Specifically, in the sixth chapter simulations are made, for heating and cooling of buildings with PCM in the building’s envelope (roof, walls, floor), with the energy simulation software TRNSYS 17. In addition, the basic computational models of the building (Type 56) and PCM (Type 1270) are analyzed in detail. The validation of the results of the simulations is done by comparing experimental data from the international literature.In chapter 7, novel solar heating systems with PCM in the floor of a building are developed and simulated with the TRNSYS 17 software. Specifically, a parametric analysis and optimization of a solar assisted underfloor heating system with an auxiliary heat source and a PCM layer on the floor of a building is carried out. The idea of the system was the warm water from a solar collector to act as a heat source for the PCM in a floor heating system. In addition, there is an energetic, a financial evaluation and a comparison of three underfloor PCM heating systems and different solar-assisted water heat pumps (system with FPC, PVT and FPC-PV). The goal of these optimizations of developing systems is to reduce energy consumption and costs. In addition, the validation of the results of a simple solar underfloor heating system with PCM on the floor is made by comparing experimental data from the international literature.In chapter 8, simulations of systems for solar cooling of buildings with PCM in their walls with the software TRNSYS 17 and 18 are made. In particular, a numerical simulation of a solar cooling system with and without phase change materials in radiant walls of a building is carried out. The coupling of an evacuated tube collector with an absorption chiller and the simultaneous application of a PCM layer on the building’s radiant walls to cover the cooling loads is a novel cooling system. Next, a roof cooling system and a PCM layer is studied using the new model of TRNSYS 18 (Type 399) to model the PCM. In particular, outdoor and indoor temperature fluctuations with PCM, are being compared for the meteorological data of Germany (Berlin) and Greece (Athens).Finally, the conclusions, the originality of the data and the proposals for future research of this dissertation are presented in chapter 9. In general, it has been proved that the application of PCMs to the building’s envelope in combination with solar systems reduces the heating and cooling needs of the building by achieving a normal fluctuation of indoor temperature.

Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη και η μελέτη διαφόρων ηλιακών συστημάτων που χρησιμοποιούνται για τη θέρμανση και τη ψύξη κτηρίου σε συνδυασμό με τη χρήση Υλικών Αλλαγής Φάσης (Phase Change Materials-PCM), τα οποία έχουν μέχρι δεκαπλάσια αποθηκευτική ικανότητα, μέσα στα δομικά του υλικά, με στόχο την ελαχιστοποίηση της ενεργειακής κατανάλωσης και τη σύγκριση με συμβατικά συστήματα. Ειδικότερα, η ηλιακή θέρμανση με τη σύζευξη ηλιακών συλλεκτών με αντλίες θερμότητας νερού για την κάλυψη των θερμικών φορτίων και η ηλιακή ψύξη με τη σύζευξη ηλιακών συλλεκτών με μηχανή απορρόφησης για την κάλυψη των ψυκτικών φορτίων με την ταυτόχρονη προσθήκη στρώματος PCM στο κέλυφος του κτηρίου, είναι οι κυριότερες τεχνολογίες που αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν ενεργειακά και οικονομικά για την Ελλάδα και συγκεκριμένα για την περιοχή της Αθήνας.Η παρούσα διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Το Α’ μέρος περιλαμβάνει πέντε κεφάλαια όπου γίνεται η βιβλιογραφική ανασκόπηση του θέματος. Συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή που αναφέρεται η σημερινή ενεργειακή κατάσταση τόσο στην Ελλάδα όσο και παγκοσμίως. Παράλληλα αναφέρεται η ισχύουσα κατάσταση στην Ελλάδα όσον αφορά την εξοικονόμηση ενέργειας στον κτηριακό τομέα.Στο δεύτερο κεφάλαιο δίνονται οι βασικές αρχές της ηλιακής ακτινοβολίας και στη συνέχεια αναλύονται οι αρχές λειτουργίας ηλιακών συστημάτων όπως επίπεδοι, συγκεντρωτικοί και με σωλήνες κενού συλλέκτες καθώς επίσης θερμοφωτοβολταϊκά και φωτοβολταϊκά συστήματα.Στο τρίτο κεφάλαιο αναφέρεται η χρήση των ηλιακών συστημάτων στον κτηριακό τομέα και συγκεκριμένα παρουσιάζονται συστήματα που χρησιμοποιούνται για θέρμανση και για ψύξη.Στο τέταρτο κεφάλαιο δίνονται οι βασικές αρχές της θερμικής ενέργειας όσον αφορά τη μεταφορά θερμότητας και στη συνέχεια αναλύονται τα PCM, δηλαδή περιγράφεται ο τρόπος λειτουργίας τους, οι ιδιότητες, οι κατηγορίες και οι μέθοδοι ενσωμάτωσής τους.18Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στη χρήση και την εφαρμογή των PCM στο κέλυφος αλλά και στα ενεργητικά συστήματα των κτηρίων που συναντώνται στη διεθνή βιβλιογραφία.Το Β’ μέρος περιλαμβάνει τέσσερα κεφάλαια στα οποία γίνεται η μοντελοποίηση πρωτότυπων συστημάτων θέρμανσης και ψύξης κτηρίου, οι προσομοιώσεις και οι συγκρίσεις των αποτελεσμάτων. Συγκεκριμένα, στο έκτο κεφάλαιο γίνονται προσομοιώσεις, για θέρμανση και κλιματισμό κτηρίων με PCM στο κέλυφος (οροφή, τοίχοι, δάπεδο), με το λογισμικό ενεργειακής προσομοίωσης TRNSYS 17. Επιπλέον, γίνεται αναλυτική αναφορά των βασικών υπολογιστικών μοντέλων του κτηρίου (Type 56) και του PCM (Type 1270). Η επικύρωση των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων γίνεται με σύγκριση πειραματικών δεδομένων που είναι διαθέσιμα στη διεθνή βιβλιογραφία.Στο έβδομο κεφάλαιο αναπτύσσονται και προσομοιώνονται πρωτότυπα συστήματα ηλιακής θέρμανσης κτηρίων με PCM στο κέλυφός τους με το λογισμικό TRNSYS 17. Συγκεκριμένα, πραγματοποιείται παραμετρική ανάλυση και βελτιστοποίηση ενός ηλιακά (επίπεδος συλλέκτης-FPC) υποβοηθούμενου ενδοδαπέδιου συστήματος θέρμανσης με βοηθητική πηγή θερμότητας και με στρώμα PCM στο δάπεδο ενός κτηρίου. Η ιδέα του συστήματος ήταν το ζεστό νερό από έναν ηλιακό συλλέκτη να λειτουργεί ως πηγή θερμότητας για το PCM σε ένα σύστημα θέρμανσης δαπέδου. Επιπροσθέτως, γίνεται οικονομική και ενεργειακή αξιολόγηση και σύγκριση τριών ενδοδαπέδιων συστημάτων θέρμανσης με στρώμα PCM στο δάπεδο και με ηλιακά διαφορετικές υποβοηθούμενες αντλίες θερμότητας νερού (σύστημα με επίπεδο συλλέκτη, σύστημα με θερμοφωτοβολταϊκό συλλέκτη, σύστημα με επίπεδο και φωτοβολταϊκό συλλέκτη). Στόχος των αξιολογήσεων και των βελτιστοποιήσεων των αναπτυσσόμενων συστημάτων είναι η μικρότερη ενεργειακή κατανάλωση και το μικρότερο κόστος υλοποίησης. Επιπλέον, η επικύρωση των αποτελεσμάτων ενός απλού ηλιακού ενδοδαπέδιου συστήματος θέρμανσης με PCM στο δάπεδο κτηρίου γίνεται με σύγκριση πειραματικών δεδομένων από τη διεθνή βιβλιογραφία.Στο όγδοο κεφάλαιο γίνονται προσομοιώσεις συστημάτων για ηλιακή ψύξη κτηρίων με PCM στο κέλυφός τους με το λογισμικό TRNSYS 17 και 18. Ειδικότερα, γίνεται αριθμητική προσομοίωση και ανάλυση ενός ηλιακού συστήματος ψύξης με και χωρίς PCM στους τοίχους ακτινοβολίας ενός κτηρίου. Η σύζευξη ηλιακού συλλέκτη19σωλήνων κενού με μηχανή απορρόφησης και η ταυτόχρονη τοποθέτηση στρώματος PCM στους τοίχους ακτινοβολίας κτηρίου για την κάλυψη των ψυκτικών φορτίων αποτελεί ένα πρωτότυπο σύστημα ψύξης. Στη συνέχεια, μελετάται σύστημα ψύξης κτηρίου με πάνελ οροφής και στρώμα PCM χρησιμοποιώντας το νέο μοντέλο του TRNSYS 18 (Type 399) για την μοντελοποίηση του PCM. Συγκεκριμένα έγινε σύγκριση των διακυμάνσεων των εξωτερικών και των εσωτερικών θερμοκρασιών γραφείου με PCM για τα μετεωρολογικά δεδομένα της Γερμανίας (Βερολίνο) και της Ελλάδας (Αθήνα).Τέλος, τα συμπεράσματα, τα στοιχεία πρωτοτυπίας και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται στο ένατο κεφάλαιο. Γενικότερα, αποδείχθηκε ότι η εφαρμογή των PCM στο κέλυφος των κτηρίων σε συνδυασμό με ηλιακά συστήματα μειώνει τα θερμικά και τα ψυκτικά φορτία του κτηρίου επιτυγχάνοντας ομαλή διακύμανση των εσωτερικών θερμοκρασιών.