مدل‌سازی و شبیه‌سازی استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در ذخیره‌‌سازی انرژی ساختمان

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مدیر گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی و حرفه‌ای پسران نوشهر، دانشگاه فنی و حرفه‌ای، مازندران، ایران

2 استادیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران مرکزی، تهران، ایران

چکیده

هدف این پژوهش طراحی مخازن ذخیره انرژی با استفاده از PCM در سیستم هواساز می‌باشد که PCM جزئی از سیستمِ پمپِ حرارتی بوده و به‌طور مستقیم به هواساز متصل می‌باشد. از روش شبیه‌سازی و مدل‌سازی از طریق کدنویسی در نرم‌افزار، تحلیل پارامتریک، همچنین معرفی و ارائه پیشنهاداتی جهت به‌کارگیری PCM مناسب برای ذخیره‌سازی و کاهش مصرف انرژی در ساختمان و بررسی عملکرد مبدل حرارتی که در ذخیره‌سازی گرمای نهان با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده تاثیرگذار می‌باشد، پرداخته شده است. در این مقاله ابتدا بارهای حرارتی و برودتی با استفاده از نرم‌افزار Carrier محاسبه شده و در ادامه به شبیه‌سازی فرآیند سرمایشی و گرمایشی پرداخته شده است. در نهایت از مواد تغییر فاز دهنده در حالت‌های مختلف برای ذخیره‌سازی انرژی در فرآیندهای سرمایش و گرمایش استفاده شده و در نرم‌افزار EES شبیه‌سازی شده است. پس از آنالیز مدل‌سازی با حداقل دمای C°5- و حداکثر دمای C°38 در نظر گرفته شده و در شرایط و حالت‌های مختلف، از مناسب‌ترین گزینه برای حالت مخزن PCM در فرآیند گرمایش در دمای ورودی C°35 با به‌کارگیری از 20 لوله در هر ردیف و حالت مخزن PCM در فرآیند سرمایش در دمای ورودی C°10 و با به‌کارگیری 22 لوله در هر ردیف انتخاب نمود.

کلیدواژه‌ها


[1]       M. Fatih Demirbas, Thermal Energy Storage and Phase change Materials: an Overview, Energy Sources, Vol. 1, pp. 85-95, 2006.
[2]       S. Mondal, Phase change materials for smart textiles – an overview, Applied Thermal Engineering, Vol. 28, pp. 1536-1550, 2008.
[3]       B. Zalba, J. Ma Marın, L. F. Cabeza, H. Mehling, Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications, Applied Thermal Engineering, Vol. 23, 251-283, 2003.
[4]       B. Zalba, B. Sanchez-valverde, J. Marin, An experimental study of thermal energy storage with phase change materials by design of experiments, Journal of Applied Statistics, Vol. 32, pp. 321-332, 2005.
[5]       Y. Zhang, K. Lin, Q. Zhang, H. Di, Ideal Thermophysical Properties for Free-Cooling (or Heating) Buildings with Constant Thermal Physical Property Material, Energy and Buildings, Vol. 38, pp. 1164-70, 2006.
[6]       Y. Zhang, G. Zhou, K. Lin, Q. Zhang, H. Di, Application of latent heat thermal energy storage in buildings: State-of-the-art and outlook, Building and Environment, Vol. 42, pp. 2197-2209, 2007.
[7]       G. Zhou, Y. Zhang, K. Lin, W. Xiao, Thermal Analysis of a Direct-Gain Room with Shape-Stabilized PCM Plates, Renewable Energy, Vol. 33, pp. 1228-1236, 2008.
[8]       Y. Zhang, Z. Chen, Q. Wang, Q. Wu, Melting in an enclosure with discrete heating at a constant rate, Experimental Thermal Fluid Science, Vol. 6, pp. 196-201, 1993.
[9]       M. M. Farid, A. M. Khudhair, S. A. K. Razack, S. A. Al-Halliaj, A review on phase change energy storage materials and applications, Energy Convers Manage, Vol. 45, pp. 1593-1615, 2004.
[10]     J. Pereira da Cunha, Ph. Eames, Thermal energy storage for low and medium temperature applications using phase change materials – A review, Journal of Applied Energy, Vol. 177, pp. 227-238, 2016.
[11]     M. Aadmi, M. Karkri, M. El Hammouti, Heat transfer characteristics of thermal energy storage of a composite phase change materials: Numerical and experimental investigations, Journal of Energy, Vol. 72, pp. 381-392, 2014.
[12]     M. Aadmi, M. Karkri, M. El Hammouti, Heat transfer characteristics of thermal energy storage for PCM (phase change material) melting in horizontal tube: Numerical and experimental investigations, Journal of Energy, Vol. 85, pp. 339-352, 2015.
[13]     P. Dolado, A. Lazaro, J. M. Marin, B. Zalba, Characterization of melting and solidification in a real scale PCM-air heat exchanger: Numerical model and experimental validation, Energy Conversion and Management, Vol. 52, pp. 1890-1907, 2011.
[14]     Y. Wang, Y. Yang, Three-dimensional transient cooling simulations of a portable electronic device using PCM (phase change materials) in multi-fin heat sink, Journal of Energy, Vol. 36, pp. 5214-5224, 2011.
[15]     H. Najarzadeh, M. M. Afsehi, et al. Dashti, Numerical study of latent heat storage system using phase change materials, Thesis, Faculty of Engineering, Shahid Bahonar University of Kerman, 2011. (in Persian)
[16]     M. Naserian, B. Vadiei, the use of phase change materials to reduce the thermal and refrigeration load of the building, Scientific-Extension Quarterly of Renewable and New Energy, pp. 45-54, 2015. (in Persian)
[17]   Y. Fanga, Z. G. Qua, J. F. Zhanga, H. T. Xub, G. L. Qi, Simultaneous charging and discharging performance for a latent thermal energy storage system with a microencapsulated phase change material, Applied Energy, Vol. 275, 115353, 2020.
[18]   Zhang Tao, Xiao Chen, Mu Yang, Xiaoliang Xu, Yan Sun, Yaqiong Li, Jingjing Wang, Ge Wang, Three-dimensional [email protected] framework/paraffin wax composite shape-stabilized phase change materials for solar-thermal energy conversion and storage, Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 215, 110600, 2020.
[19]   Tian-Hu Wang, Tien-Fu Yang, Chung-Hao Kao, Wei-Mon Yan, Mohammad Ghalambaz, Paraffin core-polymer shell micro-encapsulated phase change materials and expanded graphite particles as an enhanced energy storage medium in heat exchangers, Advanced Powder Technology, Vol. 31, Issue 6, pp. 2421-2429, 2020.
[20]   George Dogkas, Maria K. Koukou, John Konstantaras, Christos Pagkalos, Kostas Lymperis, Vassilis Stathopoulos, Luis Coelho, Amandio Rebola, Michail Gr.Vrachopoulos, Investigating the performance of a thermal energy storage unit with paraffin as phase change material, targeting buildings’ cooling needs: an experimental approach, International Journal of Thermofluids, Vol. 4, 100027, 2020.
[21]   TROX TECHNIK Company. http://www.trox.de/de/
[22]   PCM Products General Catalogue. Yaxley, United Kingdom, http://www.pcmproducts.net
[23]   Tecnicsuport Programacin, Soluciones e Informticos S. L. Garden Technology Park, Spain, http://www.tecnicsuport.com
[24]   A. Heinz, W. Streicher, Application of Phase Change Materials and PCM slurries for thermal energy storage, Thermal energy storage: EcoStock, 10th International Conference on Thermal Energy Storage, the Richard Stockton College of New Jersey, 2006.
[25]     G. A. Lane, Phase Change Thermal Storage Materials, the Handbook of Applied Thermal Design, ed. McGraw-Hill, 2015.
[26]     R. Warzoha, R. Weigand, A. S. Fleischer, Temperature-dependent thermal properties of a paraffin phase change material embedded with herringbone style graphite nanofibers, Journal of Applied Energy, Vol. 137, pp. 716-725, 2015.