Microencapsulated phase change materials for thermal energy storage in buildings: design, characterization and modelling

Abstract

Thermal energy storage (TES) has a significant role in saving thermal energy and improving indoor climate. Latent heat thermal energy storage (LHTES) using Phase Change Materials (PCM) in heating, ventilation, and air-conditioning (HVAC) building applications allows storage of a substantial amount of energy in a relatively small volume and absorbs/releases it in a narrow temperature range. The main objective of the current study was to develop and thermally characterize microencapsulated PCM for LHTES in building applications. The microencapsulated PCM stores substantial energy, and leakage or phase separation is avoided compared to PCM in bulk and PCM emulsions. In the current thesis, seven PCM belonging to the categories of organic paraffins, organic non-paraffins, and inorganic salts were thermally characterized. Additionally, this study presents the development of PCM , PCM polymers, and PCM electrospun fiber matrices. All variations of PCM emulsions, polymer, and electrospun fibers were characterized thermally and morphologically. Commercial organic paraffin RT18™ with a melting temperature of 18°C in bulk, emulsion, and electrospun fiber forms was found suitable for application in LHTES systems in HVAC building applications. Bulk RT18™ showed latent heats of melting/solidification of 137-139 kJ/kg, while RT18™ water emulsion possessed latent heats of about 180 kJ/kg. PCM core-PCL shell electrospun fibers of organic paraffin RT18™ showed latent heats of melting solidification of 102.1/82.21 kJ/kg. Additionally, after conducting experimental studies on PCM, a numerical analysis of LHTES systems of different geometries was carried out using Comsol Multiphysics6.0 FEM software. The effect of internal and external fins in a double tube encapsulating bulk PCM in the annular space was studied. Additionally, a single tube LHTES using PCM electrospun fiber matrix in direct contact with water was analyzed. The phase change processes were accelerated with an increase in the length of fins.

Τα συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξοικονόμηση ενέργειας και στη βελτίωση του κλίματος των εσωτερικών χώρων. Η αποθήκευση θερμικής ενέργειας λανθάνουσας θερμότητας με χρήση υλικών αλλαγής φάσης σε εφαρμογές θέρμανσης, εξαερισμού και κλιματισμού κτιρίων επιτρέπει την αποθήκευση σημαντικής ποσότητας ενέργειας σε σχετικά μικρό όγκο και την απορροφά/απελευθερώνει σε μικρό εύρος θερμοκρασίας. Ο κύριος στόχος της παρούσας μελέτης ήταν η ανάπτυξη και ο θερμικός χαρακτηρισμός μικροενθυλακωμένων υλικών αλλαγής φάσης σε κτιριακές εφαρμογές. Τα μικροενθυλακωμένα υλικά αλλαγής φάσης αποθηκεύουν σημαντική ενέργεια και αποφεύγεται η διαρροή ή ο διαχωρισμός φάσεων σε σύγκριση με τα υλικά αλλαγής φάσης σε αρχική μορφή. Στην παρούσα διατριβή, επτά υλικά αλλαγής φάσης που ανήκουν στις κατηγορίες των οργανικών παραφινών, των οργανικών μη παραφινών και των ανόργανων αλάτων χαρακτηρίστηκαν θερμικά. Επιπλέον, αυτή η μελέτη παρουσιάζει την ανάπτυξη υλικών αλλαγής φάσης, πολυμερών υλικών αλλαγής φάσης και μητρών ηλεκτροϊνοποιημένων ινών από υλικά αλλαγής φάσης. Όλες οι παραλλαγές των γαλακτωμάτων υλικών αλλαγής φάσης, των πολυμερών και των ηλεκτροϊνοποιημένων ινών χαρακτηρίστηκαν θερμικά και μορφολογικά. Η οργανική παραφίνη του εμπορίου RT18™ με θερμοκρασία τήξης 18°C σε αρχική μορφή, μορφή γαλακτώματος και ηλεκτροϊνοποιημένων ινών βρέθηκε κατάλληλη για εφαρμογή σε συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας λανθάνουσας θερμότητας σε εφαρμογές κτιρίων. Η οργανική παραφίνη RT18™ εμφάνισε λανθάνουσες θερμότητες τήξης/στερεοποίησης 137-139 kJ/kg. Οι ηλεκτροϊνοποιημένες ίνες με πυρήνα υλικού αλλαγής φάσης από οργανική παραφίνη RT18™ και κέλυφος PCL παρουσίασαν λανθάνουσα θερμότητα στερεοποίησης τήξης 102,1/82,21 kJ/kg. Επιπλέον, μετά τη διεξαγωγή πειραματικών μελετών στα υλικά αλλαγής φάσης έγινε αριθμητική ανάλυση. Τα συστήματα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας λανθάνουσας θερμότητας διαφορετικών γεωμετριών μελετήθηκαν χρησιμοποιώντας το λογισμικό Comsol Multiphysics6.0 FEM. Μελετήθηκε η επίδραση των εσωτερικών και εξωτερικών πτερυγίων σε έναν διπλό σωλήνα που ενθυλακώνει το υλικό αλλαγής φάσης στον δακτυλιοειδή χώρο. Επιπρόσθετα, αναλύθηκε ένα σύστημα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας λανθάνουσας θερμότητας μεμονωμένου σωλήνα που χρησιμοποιεί μήτρα ηλεκτροϊνώσεως ινών με πυρήνα υλικών αλλαγής φάσης σε άμεση επαφή με νερό. Οι διαδικασίες αλλαγής φάσης επιταχύνθηκαν με αύξηση του μήκους των πτερυγίων.