New thermal energy storage systems for building applications

Abstract

L’aclaparador consum d'energia i les emissions de gasos d'efecte hivernacle a causa de l'elevada població mundial en els darrers anys requereixen noves tecnologies per reduir la velocitat del canvi climàtic. El sector de la edificació consumeix al voltant del 33% de l'energia total i és responsable del 28% de les emissions de CO2 [1]. Donada la distribució geogràfica de la població mundial, es preveu que el consum d'energia per a refrigeració augmenti encara més en les properes dècades. Per això, i en línia amb els objectius de desenvolupament sostenible, aquesta tesi doctoral s'emmarca en el desenvolupament de noves tecnologies d'alt rendiment que facilitin la incorporació de fonts d'energia renovables als edificis. L'estudi es realitza mitjançant una consulta i conceptualització en profunditat de l'estat de la tècnica, acompanyado de tres investigacions experimentals sobre nous mòduls evaporador-TES integrats directament en un sistema de refrigeració. L'estudi que avalua l'estat de l'art sobre el tema va recollar la informació estadística i conceptual, ajudant a identificar les tendències, les noves perspectives i els buits de coneixement. Els resultats van establir les bases per a les investigacions experimentals. El segon estudi va avaluar el rendiment del sistema en tres modes de funcionament i diverses condicions externes. Els resultats van reportar un rang de funcionament limitat del sistema i un efecte d'estratificació elevat durant el procés de càrrega a una potència elevada del compressor. El tercer estudi tenia com a objectiu identificar el potencial dels components del mòdul considerat; la densitat d'energia del PCM era més de sis vegades més gran que la dels materials sensibles del mòdul i la potència mitjana de càrrega/descàrrega va ser més del doble durant el període de canvi de fase en comparació amb tot el procés. Finalment, el darrer estudi es va dur a terme per avaluar el rendiment dels mòduls per a diferents dissenys de la configuració interna mitjançant indicadors clau de rendiment (KPI). Els resultats van indicar un potencial únic en cada configuració de disseny; cada indicador de rendiment es va veure afectat de manera independent, el coeficient de rendiment (COP) i la densitat d'emmagatzematge d'energia són els KPI menys afectats, mentre que l'estat de càrrega en equilibri tèrmic és el KPI més afectat.

El abrumador consumo de energía y las emisiones de gases de efecto invernadero debido a la alta población mundial en los últimos años requieren nuevas tecnologías para reducir la velocidad del cambio climático. El sector de la edificación consume alrededor del 33% de la energía total y es responsable del 28% de las emisiones de CO2 [1]. Dada la distribución geográfica de la población mundial, se prevé que el consumo de energía para refrigeración aumente aún más en las próximas décadas. Por ello, y en línea con los objetivos de desarrollo sostenible, esta tesis doctoral se enmarca en el desarrollo de nuevas tecnologías de alto rendimiento que faciliten la incorporación de fuentes de energía renovables en los edificios. El estudio se realiza a través de una consulta y conceptualización en profundidad del estado del arte, acompañado de tres investigaciones experimentales sobre nuevos módulos de evaporador-TES integrados directamente en un sistema de refrigeración. El estudio que evaluó el estado del arte sobre el tema recogió información estadística y conceptual, lo que ayudó a identificar las tendencias, las nuevas perspectivas y las brechas de conocimiento. Los resultados sentaron las bases para las investigaciones experimentales. El segundo estudio evaluó el funcionamiento del sistema en tres modos de operación y varias condiciones externas. Los resultados reportaron un rango operativo limitado del sistema y un alto efecto de estratificación durante el proceso de carga a alta potencia del compresor. El tercer estudio tuvo como objetivo identificar el potencial de los componentes del módulo considerado; la densidad de energía del PCM fue más de seis veces mayor que la de los materiales sensibles en el módulo y la potencia promedio de carga/descarga fue más del doble durante el período de cambio de fase en comparación con todo el proceso. Finalmente, el último estudio se llevó a cabo para evaluar el rendimiento de los módulos para diferentes diseños de la configuración interna mediante indicadores clave de rendimiento (KPI). Los resultados indicaron un potencial único en cada configuración de diseño; cada indicador de rendimiento se vio afectado de forma independiente, el coeficiente de rendimiento (COP) y la densidad de almacenamiento de energía son los KPI menos afectados, mientras que el estado de carga en equilibrio térmico es el KPI más afectado.

The overwhelming energy consumption, and greenhouse gases emissions due to high world population in recent years require new technologies to reduce the speed of climate change. The buildings sector consumes about 33% of the overall energy and is responsible for 28% of CO2 emissions [1]. Given the geographic distribution of the world population, cooling energy consumption is foreseen to increase even more in the next decades. For that reason and in line with sustainable development goals, this PhD thesis is framed on developing new high-performance technologies that will facilitate the incorporation of renewable energy sources in buildings. The study is realized through in-depth consultation and conceptualization of the state of the art, accompanied by three experimental investigations on novel evaporator-TES modules directly integrated into a refrigeration system. The study assessing the state of the art on the topic mapped statistical and conceptual information, helping to identify the trends, new perspectives, and knowledge gaps. The results laid a foundation for the experimental investigations. The second study evaluated the performance of the system in three operating modes and various external conditions. The results reported a limited operating range of the system and a high stratification effect during the charging process at high compressor power. The third study aimed at identifying the potential of the components in the module reported; PCM energy density was more than six times the sensible materials in the module and average charging/discharging power was more than double during the phase change period compared to the entire process. Finally, the last study was carried out to assess the performance of the modules based on different internal configuration designs reporting key performance indicators (KPIs). The results indicated unique potential in each design configuration; each performance indicator was affected independently, the coefficient of performance (COP) and energy storage density are the least affected KPIs while the state of charge at thermal equilibrium is the most affected KPI.