modeling of thermal mass energy storage in buildings with ...· modeling of thermal mass energy...

Download Modeling of thermal mass energy storage in buildings with ...· modeling of thermal mass energy storage

Post on 05-Aug-2018

215 views

Category:

Documents

0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    MODELING OF THERMAL MASS ENERGY STORAGE IN BUILDINGS WITH PHASE

    CHANGE MATERIALS

    BENOIT DELCROIX

    DPARTEMENT DE GNIE MCANIQUE

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    THSE PRSENTE EN VUE DE LOBTENTION

    DU DIPLME DE PHILOSOPHIAE DOCTOR

    (GNIE MCANIQUE)

    AOT 2015

    Benoit Delcroix, 2015.

  • UNIVERSIT DE MONTRAL

    COLE POLYTECHNIQUE DE MONTRAL

    Cette thse intitule :

    MODELING OF THERMAL MASS ENERGY STORAGE IN BUILDINGS WITH PHASE

    CHANGE MATERIALS

    prsente par : DELCROIX Benoit

    en vue de lobtention du diplme de : Philosophiae Doctor

    a t dment accepte par le jury dexamen constitu de :

    M. TRPANIER Jean-Yves, Ph. D., prsident

    M. KUMMERT Michal, Doctorat, membre et directeur de recherche

    M. DAOUD Ahmed, Ph. D., membre et codirecteur de recherche

    M. SAVADOGO Oumarou, D. dtat, membre

    M. GROULX Dominic, Ph. D., membre externe

  • iii

    DEDICATION

    To a better world

  • iv

    ACKNOWLEDGEMENTS

    This Ph. D. thesis represents a complex work which would have been difficult to realize without

    the help and the support of people I have met during these four years of Ph. D. studies.

    First, I am very grateful to my research director, Professor Michal Kummert, for his support and

    trust that he has placed in me during my Ph. D. studies. His friendly guidance, constant questioning

    and experience have been priceless to me. I will always remember his precious advices during my

    whole career.

    I would like to thank Ahmed Daoud, my co-director and supervisor at Laboratoire des Technologies

    de lnergie (LTE), who have taken over my supervision in the lab and have brought to me his

    experience and constructive advices. Likewise, I want to thank Jonathan Bouchard, who have been

    to me an extra co-supervisor in the lab.

    I would like to thank all the research group BEE (Btiment et Efficacit nergtique) from the

    department of Mechanical Engineering, with who I have had wonderful moments at cole

    Polytechnique de Montral : Aurlie Verstraete, Katherine DAvignon, Narges Roofigari, Behzad

    Barzegar, Corentin Lecomte, Humberto Quintana, Kun Zhang, Massimo Cimmino, Mathieu

    Lvesque, Romain Jost, Samuel Letellier-Duchesne, Simon Maltais Larouche, and Professor

    Michel Bernier. I wish to thank in particular Katherine, with who I have struggled during long

    hours about thorny questions related to phase change materials.

    I also thank Professor Philippe Pasquier to have let us carry out thermal conductivity tests using

    their lab equipment.

    I am grateful to all the LTE staff, who has warmly welcomed me during three years. In particular,

    I would like to thank Michel Dostie, Jocelyn Millette and ric Dumont, who have made it possible.

    I also really enjoyed our serious and less serious discussions with Brice Le Lostec, Herv

    Nouanegue and the numerous interns present in the lab.

    I wish to thank Marion Hiller, of Transsolar in Stuttgart, for providing us the needed computer

    tools and for her related help.

    I would like to thank professors Jean-Yves Trpanier, Oumarou Savadogo and Dominic Groulx for

    having accepted being part of my thesis committee.

  • v

    The project have been financially supported by Fonds de Recherche du Qubec en Nature et

    Technologies (FRQNT), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC)

    and Hydro-Qubec.

    Last but not least, I would like to deeply thank my friends and family who support me continuously,

    just by being themselves.

    Thanks to everyone,

    Benoit Delcroix

    Montreal, August 2015

  • vi

    RSUM

    La masse thermique dun btiment est un paramtre-cl qui dtermine la capacit dun btiment

    attnuer les variations de temprature en son sein et dassurer ainsi un meilleur confort thermique

    aux occupants. Afin daugmenter linertie thermique de btiments structure lgre, des matriaux

    changement de phase (MCP) peuvent tre utiliss. Ces matriaux offrent en effet une haute

    capacit de stockage dnergie (notamment sous forme latente) et un changement de phase

    temprature quasiment constante. Ils sintgrent aussi parfaitement dans des projets de btiments

    consommation nergtique nette nulle. Lintrt actuel pour ceux-ci et pour de meilleures stratgies

    de gestion de lappel de puissance requiert des outils capables de simuler des btiments hautement

    isols possdant une masse thermique importante avec des pas de temps courts (infrieur ou gal

    5 minutes). Ceci reprsente un dfi majeur pour les programmes actuels de simulation nergtique

    des btiments qui ont t dvelopp initialement pour raliser des calculs horaires. Le modle de

    btiment utilis dans le programme TRNSYS prsente notamment certains problmes dans ces

    circonstances. Lorigine de ces problmes provient de la mthode utilise pour modliser la

    conduction thermique dans les murs. Il sagit de la mthode des fonctions de transfert. Pour un mur

    hautement isol et lourd, la mthode est incapable de gnrer, pour un pas de temps court, les

    coefficients supposs reprsenter la rponse thermique du mur en question. De plus, cette mthode

    ne permet pas de dfinir des couches avec des proprits thermophysiques variables, tels

    quaffichs par des MCP. La modlisation de ces MCP est en outre limite par les informations

    rendues disponibles par les manufacturiers, qui sont souvent incompltes ou errones. Finalement,

    les modles actuels simulant des MCP dans les murs ne permettent pas de reprsenter toute leur

    complexit. Ceux-ci diffrencient rarement les processus de fusion et de solidification (hystrse),

    prennent en compte occasionnellement la conductivit thermique variable et ne modlisent jamais

    le sous-refroidissement. Toutes ces problmatiques sont souleves dans cette thse et des solutions

    sont proposes.

    La premire partie (chapitre 4) traite de lamlioration de la mthode des fonctions de transfert

    dans TRNSYS grce lutilisation dun modle dtat qui permet de diminuer significativement

    les pas de temps utiliss. La rsolution entire de cette problmatique est ensuite atteinte en

    couplant dans TRNSYS un modle de mur utilisant la mthode aux diffrences finies la mthode

    des fonctions de transfert (chapitre 5).

  • vii

    La deuxime partie (chapitre 6) sattelle caractriser les proprits thermophysiques dun MCP

    utilis dans divers bancs dessais, i.e. la densit (annexe A), la conductivit thermique (annexe B)

    et la capacit thermique. La varit des configurations (MCP en chantillons ou encapsuls dans

    un film plastique plac dans un mur) et des taux de transfert de chaleur (0.01 0.8 C/min) permet

    de plus de mettre en vidence linfluence des conditions exprimentales sur le comportement du

    MCP. La caractrisation est complte dans le chapitre 7 par une tude du comportement du MCP

    lors dinterruption de changement de phase (fusion et solidification).

    La dernire partie (chapitres 8 et 9) se concentre sur le dveloppement et la validation dun nouveau

    modle permettant de simuler un mur intgrant un ou des MCP (ou plus gnralement des couches

    aux proprits variables). Le modle est bas sur une mthode explicite aux diffrences finies

    couple avec une mthode enthalpique pour reprsenter le comportement du/des MCP. Ce modle

    est apte simuler un MCP avec, la fois, une hystrse, un sous-refroidissement et une

    conductivit thermique variable. Une description dtaille de la mthode et de lalgorithme est

    donne. Le modle est dabord valid numriquement par comparaison avec des modles de

    rfrence sur 9 cas de murs diffrents proposs par lAgence Internationale de lnergie. Cette

    mthode est ensuite compare un modle capacit thermique effective. Sur 2 aspects (dtection

    du changement de phase et respect de la conservation de lnergie), la mthode enthalpique

    dveloppe sest montre plus performante que lautre mthode. Le modle dvelopp est

    finalement valid exprimentalement avec des donnes provenant dun banc dessai chelle

    relle.

  • viii

    ABSTRACT

    Building thermal mass is a key parameter defining the ability of a building to mitigate inside

    temperature variations and to maintain a better thermal comfort. Increasing the thermal mass of a

    lightweight building can be achieved by using Phase Change Materials (PCMs). These materials

    offer a high energy storage capacity (using latent energy) and a nearly constant temperature phase

    change. They can be integrated conveniently in net-zero energy buildings. The current interest for

    these buildings and for better power demand management strategies requires accurate transient

    simulation of heavy and highly insulated slabs or walls with short time-steps (lower than or equal

    to 5 minutes). This represents a challenge for codes that were mainly developed for yearly energy

    load calculations with a time-step of 1 hour. It is the case of the TRNSYS building model (called

    Type 56) which presents limitations when modeling heavy and highly insulated slabs with short

    time-steps. These limitations come from the method used by TRNSYS for modeling conduction

    heat transfer through walls which is known as the Conduction Transfer Function (CTF) method. In

    particular, problems have been identified in the generation of CTF coefficients used to model the

    walls thermal response. This method is also unable to define layers with va

Recommended

View more >