Numerisk og eksperimentell vurdering av varmelagring i forskjellige materialer: PCM, betong og massivtre.

Abstract

Varmelagring er et velkjent fenomen som er blitt mye brukt. Denne oppgaven tar for seg hovedsakelig to elementer for varmelagring der det ene er betong og det andre er PCM. Oppgavens hovedformål er å sammenligne forskjellige oppsett med betong og PCM både eksperimentelt og med numeriske metoder. Det ble utført 7 forskjellige eksperiment med følgende 7 forskjellige simuleringer. Metode som er brukt kan oppsummeres kort i tre steg. Planleggingsfase, logistikk rundt utstyr/materialer og utførselsfase. For planleggingsfasen ble det valgt hvilke startsbetingelser og hvilke karakteristikker klimarommet skulle ha i henhold til tilluft, driftstider og størrelsesorden for internlaster/solstråling som skulle brukes gjennom de forskjellige eksperimentene. Det ble brukt et klimarom på OsloMet som eksperimentrom, der det ble festet sensorer på alle overflater, samt fem sensorer som målte lufttemperatur inne i rommet. Dimensjoner av klimarom ble målt under planleggingsfasen i tillegg. Dermed ble det naturlig å gå videre på størrelsesorden i henhold til materialer og utstyr som det var behov for. Under andre fase som omhandler logistikk for materialer, ble det satt opp en inventarliste over hvilke materialer skolen allerede hadde og det ble bestilt inn materialer det var behov for som betong, varmefolier og manglende utstyr. Den siste fasen omhandlet utførsel av eksperimenter og simuleringer. Denne fasen ble delt inn i henhold til de 7 eksperimentene som ble utført. For eksperimenter var det delt opp i 4 faser, 2 klimatiseringsfaser og to eksperiment faser, der klimatisering varte i ca. 30 timer og eksperiment fase varte i 41 timer. Hvert eksperiment varte i en periode på 72 timer hver, scenarioer hadde noe forskjell i timer i preklimatiseringsfase. Ved å bruke to klimatiseringsfaser, først en der tilluftstemperatur var satt til 12°C og andre klimatiseringsfase ble satt til 16°C ble en stor andel av PCM solidifisert over nevnte klimatiseringsfaser. Når alle målinger var utført ble det beregnet operativ temperatur utfra sensorene på overflater og sensorer som følte lufttemperatur, disse ble igjen sammenlignet med simulerte verdier i henhold til operativ temperatur og en tidsperiode på 2 døgn. En tendens oppstod ved forskjellig antall termiske elementer i henhold til første dag. I tilfellene med et termisk element, der klimarommet hadde betong på gulv og PCM på gulv, lå operativ temperatur ved tidspunkt 16:00 mellom 29°C til 28,65°C. For tilfellene med to og tre termiske elementer, der alle scenarioer hadde betong på gulv men to lag med PCM fordelt på vegg og himling, dobbelt PCM himlingslag og enkelt PCM himlingslag havnet den operative temperaturen klokken 16:00 mellom 26,74°C til 26,96°C. Mellom første og andre dag kan en tydelig økning observeres i operativ temperatur ved tidspunkt 16:00. For alle scenarioer inntrer denne økningen fra dag en til dag to, denne differansen er klart størst for scenarioet der PCM er lagt på gulvet. Det viste seg gjennom eksperimenter at det ikke ble kjølig nok i klimarom på natten mellom to eksperimentdager, noe som igjen påvirket faseendringen til PCM. Når bare betong sammenlignes med PCM på gulv, har betong på gulv et jevnere temperaturforløp over hele eksperiment perioden i henhold til topp og bunnpunkter. For PCM er operativ temperatur lavere i løpet av natten enn for betong eksperimentet, men for dag 2 ser det ut som PCM ikke har solidifisert og topptemperaturen for dag 2 er likere referanse eksperimentet enn betong eksperimentet. Resultatene for eksperimenter viser for alle 7 scenarioer en lik tendens på grafer men med en selvsagt differanse i operativ temperatur spesielt på den varmeste perioden i løpet av dagen. Den største differansen oppstår mellom referanse forsøket og scenario 5b, der oppsettet til scenario 5b er betong på gulv, PCM på vegg og i himling, i tillegg er tilluftstemperatur konstant på 16°C. Ser en vekk fra referanse forsøket er det størst differanse mellom scenario 2 og scenario med tre termiske elementer og konstant tilluftstemperatur på 16°C. Der scenario 2 innebærer PCM kun på gulv men tilluftstemperatur er delt opp i 16°C utenfor driftstid og 19°C i driftstid. Hovedsakelig ble eksperimenter delt inn i tre grupper der scenario 1-3 var i en gruppe. Gruppe to besto av scenario 4, 5a og 6 og gruppe tre omhandlet scenario 5a og 5b. Av disse tre gruppene er det nesten ingen differanse ved temperatur i gruppe 2 mellom eksperimenter. Ved sammenligning av simulering og eksperiment fulgte alle scenarioer samme tendenser men scenario 5a har en stor forskjell i operativ temperatur mellom 16:00 første eksperiment dag til 07:00 andre eksperiment dag. Ved tidspunktet 07:00 er det en prosentdifferanse på 7,74%. Alle toppunkter er innenfor en differanse for operativ temperatur under 5%. Scenario 3, 4, 5a og 6 har alle toppunkter under 3%. Når det gjelder bunnpunkter ligger scenario 1, 5a og scenario 6 over 5% temperatur differanse. Simuleringer i WUFI+ ble utført for sammenligning mellom eksperimenter samt for å kunne studere andre termiske masser enn betong og i flere kombinasjoner som var fysisk mulig i klimarom. Seks tilleggs simuleringer er kjørt med tanke på betong/massivtre/PCM på gulv og i henhold til gulv & i himling. Disse simuleringene viste mest effektiv temperaturforløp for simulering med betong og relativt like operative temperaturer for PCM og massivtre. Ved sammenligning av en og to termiske masser observeres en reduksjon, størst for betong, på omtrent 2,7°C for begge temperaturtopper. PCM varianten hadde en reduksjon på 2,65°C og massivtre varianten viste en reduksjon av operativ temperatur på ca. 1,7°C.