Thermal analysis of a ventilated facade with phase change materials (PCM)

Abstract

L’objectiu d’aquesta tesis és el de analitzar el comportament tèrmic d’una façana ventilada amb material de canvi de fase macro encapsulat en el seu canal d’aire. L’ús de materials de canvi de fase incrementa la capacitat d’emmagatzematge d’energia tèrmica en la solució constructiva proposada, i intensifica l’emmagatzematge i l’operació de la façana ventilada a un rang de temperatures desitjat. El rendiment energètic d’aquest nou tipus de façana ventilada s’estudia de forma experimental per veure el seu potencial en reduir els consums energètics tant de calefacció com de refrigeració. Posteriorment, s’estudia mitjançant l’anàlisi de cicle de vida, quin és l’impacte mediambiental que suposa la manufactura i operació d’aquest sistema. Finalment, es desenvolupa un model numèric per optimitzar el funcionament i disseny d’aquesta façana. Aquest model numèric utilitza una nova correlació empírica de nombre de Nusselt, per al càlcul dels coeficients de transferència de calor entre el material de canvi de fase i el flux d’aire circulant per la cambra.

El objetivo de esta tesis es el de analizar el comportamiento térmico de una fachada ventilada con material de cambio de fase macro encapsulado en su canal de aire. El uso de materiales de cambio de fase aumenta la capacidad de almacenamiento de energía térmica en la solución constructiva propuesta, e intensifica el almacenamiento y la operación de la fachada ventilada a un rango de temperaturas deseado. El rendimiento energético de este nuevo tipo de fachada ventilada se estudia experimentalmente para ver su potencial en reducir los consumos energéticos tanto de calefacción como de refrigeración. Posteriormente, se estudia mediante el análisis de ciclo de vida, el impacto medioambiental que supone la manufactura y operación de este sistema. Finalmente, se desarrolla un modelo numérico que optimiza el funcionamiento y diseño de esta fachada. Este modelo numérico utiliza una nueva correlación empírica de número de Nusselt, para el cálculo de los coeficientes de transferencia de calor entre el material de cambio de fase y el flujo de aire circulando por la cámara.

The objective of this thesis is to analyse the thermal behaviour of a ventilated façade with macro-encapsulated phase change material in its air channel. The use of phase change materials increases the ability of thermal energy storage in the proposed constructive system, and enhances the storage and operation of the ventilated facade to a desired temperature range. The energy efficiency of this new type of ventilated facade is experimentally studied to determine its potential in reducing the energy consumption both for heating and cooling. Hereafter, the environmental impact of the manufacture and operation of this system is studied by a life cycle analysis. Finally, a numerical model is developed to optimize the operation and design of this facade. This numerical model uses a new empirical correlation for the Nusselt number to calculate the convective heat transfer coefficients between the phase change material and the air flow circulating in the chamber.