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Title: Thermal energy storage with phase change materials (PCMs) for the improvement of the energy performance of buildings
Authors: Soares, Nelson Miguel Lopes 
Orientador: Costa, José Joaquim
Gaspar, Adélio Manuel Rodrigues
Santos, Paulo Fernando Antunes
Keywords: Phase change materials; PCMs; Thermal energy storage; Heat transfer; Building applications; Thermal performance optimization; Buildings energy simulation; Armazenamento de energia térmica; Transferência de calor; Aplicações em edifícios; Otimização do desempenho térmico; Simulação térmica de edifícios
Issue Date: 11-Dec-2016
Citation: SOARES, Nelson Miguel Lopes - Thermal energy storage with phase change materials (PCMs) for the improvement of the energy performance of buildings. Coimbra : [s.n.], 2016. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/29306
Abstract: The improvement of the energy efficiency of buildings during their operational phase is an active area of research. The markets are looking for new technologies, namely new thermal energy storage (TES) systems, which can be used to reduce buildings' dependency on fossil fuels, to make use of renewable energy sources and to contribute to match energy supply and demand efficiently. The main goals of this thesis are: (i) to evaluate the heat transfer with solid-liquid phase-change through small TES units filled with phase-change materials (PCMs), providing experimental data to be used in the design of new TES systems for buildings and in the validation of numerical models, and (ii) to provide some guidelines for the incorporation of PCM-drywalls in buildings aiming to reduce the energy demand for heating and cooling by making use of the latent heat from the phase-change processes of PCMs. The first part of this thesis refers to the experimental study of the heat transfer through a vertical stack of metallic rectangular cavities filled with different PCMs (a microencapsulated and a free-form PCM). The research carried out aims: (i) to analyze the melting and solidification processes of the PCM within the enclosures, (ii) to evaluate the influence of the aspect ratio of the cavities on the heat transfer and (iii) to discuss which type of PCM is better for specific cases. As a result, a big amount of experimental data for benchmarking and validation of numerical models is made available to the scientific community. Moreover, the results allow discussing which arrangement of the TES unit is better for specific applications considering the thermal regulation effect during charging, the influence of subcooling during discharging, and the influence of natural convection during both processes. It is shown that the effect of natural convection in the free-form PCM must be considered in any simulation to better describe the charging process. During discharging, subcooling must also be considered. On the contrary, the effect of natural convection and subcooling can be neglected when considering the microencapsulated PCM. The second part of this thesis concentrates on the dynamic simulation of energy in buildings considering the latent heat from PCMs' phase-change processes. The energy system under investigation is extended to an air-conditioned residential single-zone room. The main goals are: (i) to develop a holistic methodology to optimize the incorporation of PCM-drywalls in different typologies of construction and (ii) to provide guidelines for the incorporation of PCM-drywalls in different climates. Two studies are carried out: (i) a multi-dimensional optimization study combining EnergyPlus and GenOpt tools to optimize the incorporation of PCM-drywalls in lightweight steel-framed (LSF) residential buildings in Europe, and (ii) an EnergyPlus-based parametric study to optimize the incorporation of PCM-drywalls in heavyweight residential buildings in Kuwait. It is shown that an optimum PCM-drywall solution can be found for each European climate and that the incorporation of PCM-drywalls can contribute for heating and cooling energy savings in LSF construction. The results show that PCM-drywalls are particularly interesting for LSF construction in Mediterranean climates leading to higher energy savings. PCM-drywalls can also be used to reduce the annual energy demand for cooling in Kuwait by almost 5%.
O aumento da eficiência energética dos edifícios durante o seu período de utilização é uma área de investigação global, com um mercado exigente à procura de novas soluções que permitam aumentar a independência energética dos edifícios, impulsionando o uso de energias renováveis e reduzindo o consumo de combustíveis fósseis. Neste contexto, o desenvolvimento de novos sistemas para armazenamento e aproveitamento de energias renováveis, nomeadamente da energia solar térmica, poderá contribuir para a construção de edifícios mais sustentáveis e com menores consumos de energia associados à climatização. Os principais objetivos desta tese são: (i) avaliar a transferência de calor com mudança de fase sólido-líquido através de uma pequena unidade para armazenamento de energia térmica preenchida com materiais de mudança de fase (PCMs), fornecendo resultados experimentais que possam ser usados no desenvolvimento de novos sistemas para armazenamento de calor latente para os edifícios e na validação de modelos numéricos; (ii) fornecer algumas diretrizes para a utilização de placas de gesso cartonado com PCMs (PCM-drywalls) visando reduzir o consumo de energia associado à climatização ao tirar proveito do calor latente envolvido nos processos de mudança de fase dos PCMs. Na primeira parte da tese estuda-se por via experimental a transferência de calor através da unidade para armazenamento de energia térmica. Esta unidade é constituída por um arranjo vertical de cápsulas de secção retangular preenchidas com diferentes tipos de PCMs (microencapsulado e/ou livre). As principais linhas de investigação são: (i) caracterizar os processos de mudança de fase dos PCMs durante as fases de carga e descarga, (ii) avaliar o impacto do fator de forma das cavidades na transferência de calor e (iii) discutir qual é o melhor tipo de PCM para diferentes aplicações em edifícios. Um vasto conjunto de resultados experimentais para benchmarking e validação de modelos numéricos é disponibilizado à comunidade científica. Os resultados permitem ainda discutir qual é a melhor configuração da unidade de armazenamento, considerando o seu efeito termorregulador durante a fase de carga, a influência do fenómeno de subcooling durante a fase de descarga e a influência da convecção natural durante ambas as fases. Verifica-se que os efeitos da convecção natural têm que ser considerados na modelação da transferência de calor durante a fase de carga do PCM livre. Durante a descarga, o efeito do subcooling deve também ser considerado. Pelo contrário, os efeitos da convecção natural e do subcooling podem ser desprezados na modelação da transferência de calor durante ambas as fases, quando se considera a unidade preenchida com o PCM microencapsulado. Na segunda parte da tese, o estudo é alargado à escala do compartimento. Para considerar a contribuição do calor latente envolvido na mudança de fase dos PCMs nas necessidades de energia para climatização, é efetuada a simulação dinâmica do comportamento térmico do compartimento. Os principais objetivos são: (i) desenvolver uma metodologia integrada para otimizar a incorporação de PCM-drywalls em diferentes tipos de construção e (ii) fornecer algumas diretrizes para a incorporação das mesmas placas de gesso com PCMs em edifícios residenciais, considerando diferentes climas. Dois cenários são avaliados: (i) no primeiro, a ferramenta de simulação dinâmica EnergyPlus é combinada com a ferramenta de otimização GenOpt para otimizar a incorporação de PCM-drywalls em edifícios de construção leve em aço enformado a frio considerando diferentes climas Europeus; (ii) no segundo cenário, é feito um estudo paramétrico usando o EnergyPlus para avaliar a incorporação de PCM-drywalls na construção tradicional de inercia térmica forte no Kuwait. Verifica-se que existe uma solução ótima para cada um dos climas investigados e que a incorporação de PCM-drywalls contribui para a redução das necessidades de energia para climatização em ambos os tipos de construção. Os resultados demonstram ainda que estas placas são particularmente promissoras para a construção de inércia térmica fraca nos climas Mediterrânicos.
Description: Tese de doutoramento em Sistemas Sustentáveis de Energia, apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/29306
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Eng.Mecânica - Teses de Doutoramento

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