FEM Analysis of Heat Transfer in a 3D TABS with Hollow Spheres Containing PCMs

Abstract

In order to reduce the building energy consumption, which is one of the largest energy-consuming sectors, there has been a strong demand for efficient building energy management. In this study, the feasibility of combining two different technologies of building energy management, i.e., the latent heat energy storage with phase change materials (PCMs) and the thermally activated building system (TABS) with hollow spheres, is investigated. PCMs are typically used to store thermal energy, which is later ejected when the condition is changed, mitigating peak demands in space heating. The TABS consists of pipes embedded in concrete slabs between stories of buildings. The concrete slab stores heat and transfers heat to the residential space at a different time, shifting the peak load to an off-load time. The hollow spheres in a TABS naturally reduces the slab weight and hence results in structural and economic benefits, but it may reduce the heat capacity of the TABS. PCMs applied in the internal space of the hollow spheres act as a supplementary module of heat storage in this system, increasing the overall heat capacity of the TABS with hollow spheres. In order to analyze the thermal performance of the TABS with hollow spheres containing PCMs, one needs to analyze the associated heat transfer problem. The problem here becomes three-dimensional (3D) and nonlinear, due to the complex geometry of the system and the temperature-dependent characteristics of materials properties. Therefore, the 3D nonlinear heat transfer problem of the proposed system is numerically solved, using a FEM (finite element method) software package. The thermal performance of the TABS is analyzed, as its geometries and parameters vary, in order to fully investigate the potential of the combined approach of building energy management. First of all, the performance of the proposed 3D TABS with hollow spheres with and without a PCM is analyzed. Heptadecane is first chosen as the PCM. With three different durations of hot water supply (12, 6, and 3 hours), various cases characterized by geometric differences, e.g., whether the hollow sphere is capped at the top or at the bottom, are analyzed. We estimate thermal outputs from the TABS during the duration of hot water supply and for the next 24 hours after the end of the hot water supply, and also the duration time of thermal output, assuming that the thermal output is ineffective for heating the residential space when the temperature of the slab surface drops below 20.5℃. As the result, the case with PCM inside the hollow sphere capped at the bottom is increased about 1.2 times in the average thermal output for the next 24 hours after the end of the hot water supply of 12 and 6 hours over that without PCM. In the all three hot water supply durations, the duration times of thermal output in the cases with PCM is increased more than or about one hour compared to those in the cases without PCM. Considering the amount of the PCM, we analyze the possibility of increasing the performance of the system by an increased load of the PCM inside the hollow sphere. The thickness of the PCM layer inside the hollow sphere is set to be 25 mm. Otherwise, the thickness of the PCM layer is set to be 15 mm. The average thermal output does not show much difference between the two cases. The duration time of thermal output in the case with the PCM layer of 25 mm inside the hollow sphere capped at the bottom is increased by 40-50 minutes after the hot water supply of 12 and 6 hours over that with the PCM layer of 15 mm. In addition, we investigate the influence of the type of PCM on the performance. Dodecanol is considered as an alternative to heptadecane. The average thermal output exhibits little difference between the two cases. The case with dodecanol inside the hollow sphere capped at the bottom shows an increase in the duration time of thermal output after the hot water supply of 12 hours over the case with heptadecane. In the duration of hot water supply of 6 and 3 hours, the case with dodecanol shows a decrease in the duration time over the case with heptadecane. In the study of the duration times, we find two exceptional or notable behaviors. The first finding is that the case with a PCM layer of 25 mm inside the hollow sphere capped at the top exhibits a duration time lower than that of the case with a PCM layer of 15 mm. The other finding is that the case with dodecanol inside the hollow sphere capped at the bottom shows an increased duration time compared to the case with heptadecane only for the case with the hot water supply duration of 12 hours, while the duration times with dodecanol decrease for the cases compared to those with heptadecane for the other hot water supply durations (6 and 3 hours). To understand these results, the temperature of PCM inside the hollow sphere is calculated at several internal points. We find that the temperature inside PCM of 25 mm in the hollow sphere capped at the top is actually lower than that inside PCM of 15 mm, and that the temperature inside dodecanol in the hollow sphere capped at the bottom is higher than the melting point of the dodecanol in the hot water supply for 12 hours. In the duration of hot water supply for 6 and 3 hours, the temperature inside dodecanol is near or below the melting point. Consequently, the result presents that the thermal performance of the system with PCM is improved compared to that without PCM. The thermal output is critically affected by whether the hollow sphere is capped at the top or at the bottom. The heat transfer from the pipes into the hollow sphere, which is enhanced by thermal conductivity of the capping material, affects thermal energy storage of PCM. Especially, the effectiveness of the extra heat storage capacity is closely related to the penetration of heat into the internal space of the hollow spheres. Both the heat storage capacity and the heat penetration are important factor to control the performance of the system. Besides, the result shows that the appropriate choice of the melting point of PCM and the hot water supply duration is important to optimize the system.;최근 건축물 에너지의 소비가 증가하면서 그에 따른 에너지 사용 절감이 강조되고 있다. 특히 난방을 위한 에너지 사용은 건축물에서의 에너지 사용 부문 중 가장 큰 비중을 차지하고 있으며, 따라서 난방에너지 절감을 위한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 본 연구에서는 효율적인 난방에너지 관리의 일환으로, 두 가지의 기술이 결합된 시스템을 모델링하여 실현가능성을 검증하였다. 첫 번째 기술은 잠열에너지를 이용한 축열기술인 상변화물질 이용 기술이다. 상변화물질이란 특정 온도에서 상이 변하면서 잠열의 형태로 많은 양의 열을 방출하거나 저장하는 물질로서 건축물에 적용되었을 경우 축열 및 방열성능으로 인한 냉방 및 난방의 피크부하 절감 효과를 기대할 수 있다. 두 번째 기술은 중공체를 포함한 구체축열시스템의 적용이다. 구체축열시스템은 복사냉난방시스템의 하나로 건축물의 콘크리트 구조체를 직접 축열체로 이용한다. 콘크리트 구조체에 열을 공급하는 열원으로는 슬래브 내부에 설치된 냉온수 배관을 주로 사용한다. 콘크리트의 축열기능은 시간지연효과에 따라 냉난방 피크부하 절감에 도움을 준다. 본 연구에서는 이러한 기본적인 구체축열시스템에 덧붙여 슬래브 중량 저감을 위하여 슬래브 내부에 중공체를 적용하였다. 중공체를 슬래브 내 냉온수 배관 바로 위에 위치시킴으로써 슬래브 내부의 일부를 비우게 되는 효과를 얻을 수 있으며, 이에 따라 슬래브의 중량, 시공시 필요한 콘크리트의 양을 저감시켜 효율적이고 경제적인 건축물 구현을 가능하게 한다. 그러나 중공체 적용에 따른 슬래브 내 콘크리트 양 감소는 구체축열시스템의 열용량 감소를 동시에 야기하므로, 본 연구에서는 상변화물질을 중공체 내에 적용하여 이러한 문제를 보완하고자 하였다. 이러한 새로운 시스템의 건축물에너지관리에 따른 적용타당성 조사를 위해 열전달 문제를 고려한 전열 성능을 분석하였다. 이 시스템 내의 열전달 현상은, 중공체 및 배관의 복잡한 형상에 따라 3차원적으로 해석되어야 하며, 또한 상변화물질의 비열이 온도에 매우 민감한 의존도를 보이기 때문에 비선형적으로 해석되어야만 한다. 이러한 3차원, 비선형 열전달 문제를 해석하기 위해 유한요소법(FEM) 소프트웨어를 사용하였다. 본 연구에서는 본 시스템의 실현가능성을 전열 성능 측면에서 검증하기 위하여 다양한 구조와 변수를 고려하였다. 우선 상변화물질의 유무에 따라 중공체를 적용한 3차원 구체축열시스템의 전열 성능 분석을 수행하였다. 상변화물질의 종류는 헵타데칸(heptadecane)으로 선정하였다. 배관으로 유입되는 온수의 공급시간은 세 가지로 구분하여 고려하였으며(12, 6, 3 시간), 이에 따른 시스템의 방열량을 온수공급 중일 때와 멈춘 후부터 24시간일 때로 나누어 계산하였다. 또한 시스템의 방열지속시간을 계산하여 온수공급에 따른 실내 난방의 지속효과에 대해 조사하고자 하였다. 방열지속시간은 온수공급이 멈춘 시간으로부터 방열측정지점의 온도가 20.5℃로 떨어질 때까지로 계산하였다. 결과적으로, 콘크리트로 모델링한 중공체 뚜껑의 위치에 따라 상변화물질의 효과가 달라짐을 확인하였다. 중공체의 뚜껑을 밑에서 닫은 경우, 온수공급이 멈춘 후 24시간 동안의 평균 방열량은 상변화물질을 적용한 경우가 상변화물질이 없는 경우에 비해 약 1.2배 증가하였다. 방열지속시간 역시 상변화물질이 있는 경우에 약 한 시간이상 증가하였다. 다음으로, 상변화물질의 열용량 증가에 따른 시스템 성능의 개선가능성을 분석하였다. 상변화물질의 양을 늘린 경우는 중공체 내 상변화물질 층의 두께를 25 mm로 지정하였고, 그렇지 않은 경우는 15 mm로 지정하였다. 두 가지 경우를 비교하였을 때, 평균방열량의 차이는 미미하였으나, 방열지속시간의 경우에는 뚜껑을 밑에서 닫은 중공체에 25 mm의 상변화물질 층을 적용하였을 때, 15 mm의 상변화물질 층을 적용한 경우보다 약 40-50분 정도 증가한 것을 확인하였다. 덧붙여, 상변화물질의 종류를 바꾸어 적용했을 때의 시스템성능을 분석하였다. 헵타데칸과 비교하기 위해 상변화온도가 24℃인 도데카놀(dodecanol)을 선정하였다. 평균방열량은 상변화물질의 종류에 큰 영향을 받지 않았다. 12시간의 온수공급이 멈춘 후 24시간동안의 방열지속시간은 도데카놀을 적용한 경우에 헵타데칸을 적용한 경우보다 증가하였다. 그러나 6시간과 3시간의 온수공급이 멈춘 후 24시간동안의 방열지속시간의 경우에는 감소하였다. 방열지속시간 결과 중 두 가지의 예외적 또는 특이한 사례가 발견되었으며, 이를 이해하기 위해 중공체 내부의 상변화물질의 온도를 계산하였다. 첫번째 사례는 뚜껑을 위에서 닫은 중공체에 25 mm의 상변화물질 층을 적용한 경우의 방열지속시간이 15 mm의 상변화물질 층을 적용한 경우보다 짧다는 것이다. 중공체 내부 상변화물질의 온도를 분석하여, 25 mm의 상변화물질의 온도가 15 mm의 상변화물질의 온도보다 낮은 것을 확인하였으며, 이것은 배관으로부터 중공체 내부로의 열침투가 상변화물질의 열용량과 중요한 관련성이 있다는 것을 보여주는 결과이다. 두번째 사례는 온수공급시간이 12시간인 경우에만 도데카놀 적용에 의하여 방열지속시간이 증가하였다는 점이다. 역시 중공체 내부 상변화물질의 온도를 분석하여, 온수공급시간이 12시간인 경우에만 도데카놀의 온도가 상변화온도인 24℃를 넘은 것을 확인하였고, 온수공급 6, 3시간의 경우에는 도데카놀의 온도가 24℃부근 또는 그 이하에 주로 머물렀음을 확인하였다. 이로부터 상변화물질의 상변화온도와 온수공급시간의 선정이 시스템 성능에 영향을 끼친다는 것을 추가로 확인할 수 있었다. 결과적으로, 상변화물질을 적용할 경우에 중공체 내부로의 열침투에 따라 상변화물질의 잠열에 따른 축열 효과가 달라지고 결국 시스템의 전체 전열성능에 영향을 끼친다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 다양한 구조와 변수를 고려해봄으로써 중공체 내부로의 열침투에 따른 상변화물질의 열용량 효과뿐만 아니라 적절한 온수공급시간에 따라 상변화온도가 긍정적인 영향을 받는 것을 확인하였다. 모델링을 통한 시스템의 성능에 영향을 끼치는 중요한 인자들을 분석해봄으로써 그에 맞는 최적화된 시스템을 설정한다면 건축물 난방에너지의 효율적인 관리를 위한 시스템의 적용가능성은 긍정적일 것이라고 판단된다.