Performance Improvement from Single to Multi Latent Thermal Energy Storage System combined Water Heater

• Main Author: Fanny, Lindberg
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Energiteknik 2015
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-175329

In numerous energy systems there are discrepancies between the energy supply and demand. One such system is domestic water heater. The hot water heater is a sensible heat storage where the thermal energy is stored through change in temperature. The sensible heat storage has the disadvantage of high losses and low energy density. An alternative to the sensible heat storage is the latent heat storage. The latent heat storage stores energy through phase change and exhibits high energy density. This method of storing energy is consequently more compact. Furthermore the latent heat storage can be charged during off peak hour and discharged when peaks arise at almost constant temperature level. A material that is commonly used in latent heat storages is phase change material (PCM). These have refined properties for the purpose of storing energy at phase changes. The aim of the study in this report was to present a theoretical solution for a PCM thermal energy storage (TES) combined water heater for domestic water use in single-family households. This was done through a model in COMSOL Multiphysics analysing a PCM TES heat exchanger. The study moreover aimed to compare and evaluate various authentic PCM TES whit respect to numbers of PCMs and their phase change temperature. The focus laid on comparing single PCM TES to multi PCM TES. A PCM TES was to be suggested for the system defined A numerical simulation was performed from a previously built model. A user profile of hot water in single-family households was derived from the Swedish Energy Agency. The profile was divided up into two main areas, off peak and on peak. During off peak the PCM TES was melted and thereby charged and during the peak the PCM was solidified, discharged. Four cases for charging and discharging was studied. Two of each case had the properties of multi PCM TES and two of single PCM TES. Furthermore, two of the cases had PCMs with phase change temperatures in the range of 42-60°C and the other two in the range of 35-55°C. The result of the study shows that a multi PCM TES with a high phase change temperature was preferable for the application studied. The capacity and power rate performance improvement from single to multi PCM TES during the discharging cycle reached up to 1,44% and 8,62% respectively. === I flera energisystem finns skillnader mellan utbud och efterfrågan på energi. Ett sådant system är varmvattenberedaren. Varmvattenberedaren är en sensibel värmelagring där värmeenergi lagras genom temperaturförändring i mediet. Två nackdelar med den sensibla värmelagringen är höga energiförluster och låg energitäthet i mediet. Ett alternativ till den sensibla värmelagringen är den latenta. Den latenta värmelagringen lagrar energi genom en fasändring i mediet och har hög energitäthet. Denna metod för att lagra energi är följaktligen mer kompakt. Dessutom har den latenta värmelagringen goda egenskaper för att laddas upp vid låg användning och laddas ur, dvs. konsumeras, när användningen är högre vid nästan konstant temperaturnivå. Ett material som vanligen används vid latent värmelagring är Phase Change Material (PCM). Dessa har förfinade egenskaper i syfte att lagra energi vid fasändringar. Syftet med studien i denna rapport var att presentera en teoretisk lösning för en PCM Thermal Energy Storage (TES) kombinerad varmvattenberedare för hushållsvattenanvändning i enskilda hushåll. Detta gjordes genom modellering COMSOL Multiphysics där en PCM TES värmeväxlare analyserades. Studien syftade dessutom till att jämföra och utvärdera olika autentiska PCM TES med fokus på antalet PCM och deras fasändringstemperatur. Fokus lades på att jämföra en-PCM TES med två-PCM TES. Syftet var vidare att rekommendera en PCM TES för det definierade systemet utifrån studien. En numerisk simulering utfördes från en tidigare byggd modell. En användarprofil för varmvattenanvändning i enskilda hushåll fastställd från Energimyndigheten användes som grund i arbetet. Profilen delades upp i två huvudområden, låganvändning och höganvändning. Under låganvändning smältes PCM och laddades därmed upp och under höganvändning stelnades PCM och laddades därmed ur. Fyra fall för laddning och urladdning studerades. Två av varje fall hade egenskaperna av två-PCM TES och de andra två av en-PCM TES. Vidare hade två av fallen PCMer med fasändringstemperatur i området av 42 till 60° C och de andra två i området av 35 till 55° C. Resultatet av studien visar att en multi PCM TES med hög fasomvandlingstemperatur var att föredra för den studerade applikationen. Kapacitetens och effektens prestandaförbättring från en- till två PCM TES under urladdningscykeln nådde upp till 1,44% respektive 8,62%.