Experimental and numerical investigation of a heat recovery ventilation unit with phase change material for building facades

Abstract

This thesis presents a wall-integrated HRV unit design that stores latent heat thermal energy (LHTES). The system’s performance is tracked through experimental and numerical studies. The experimental tests of the unit took place in a controlled environment, where two HRV units are inside two wall-integrated ducts. The wall divides two conditioned spaces that represent indoors and outdoors. In one set of experiments, the commercially available system that stores sensible heat thermal energy (SHTES) with ceramic block. On another set of experiments, the newly designed LHTES system with the staggered tube bundle that contains phase change material (PCM). SHTES system shows the best performance in 2-minute, supply efficiency is 82% and exhaust efficiency is 67%. LHTES system shows the best performance in 20-minute and supply efficiency is 55% and exhaust efficiency is 30%. Numerical parametric studies on the HRV systems use the commercial CFD software ANSYS-FLUENT. These studies include the detailed flow and heat transfer analyses and the optimum operating times for two systems. As a result of these studies, the CFD results show good agreement with the experimental results. At the end of the thesis, the ability to increase the capacity of the HRV unit with PCM was investigated. In addition, the simulations for different climatic data were studied. According to the results, 12mm longitudinal, 12mm transverse pitch size for the ∅4.76mm tube is the most efficient system with total heat capacity of 45.77kJ. In addition, for different climates simulations, LHTES unit can be used throughout the year in Singapore.

Bu tez, duyulur ısıl enerji depolama (DIED) yerine gizli ısıl enerji depolama (GIED) özelliğini kullanan duvara entegre bir ısı geri kazanım (IGK) ünitesinin ısı ve akış performansının incelenmesi üzerinedir. Sistemlerin performansı deneysel ve sayısal parametrik çalışmalarla incelenmiştir. Deneysel kısımda, laboratuvar ortamında şartlandırılan iki mekân arasına örülen duvarda bulunan iki adet kanal içerisine IGK havalandırma sistemleri yerleştirilerek kontrollü parametrik incelemeler yürütülmüştür. Bu iki kanala yerleştirilen, birbirleriyle eş zamanlı çalışan ünitelerin ısı ve akış performansları elde edilmiştir. Birinci deney setinde, piyasada bulunan DIED seramik bloklu sistem için parametrik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. İkinci deney setinde ise, GIED sağlayan IGK ünitesi şaşırtmalı tüp demeti şeklinde tasarlanmış ve tüplerin içine faz değişim malzemesi (FDM) yerleştirilerek, ünite içerisindeki sıcaklık değişimleri ve erime/katılaşma süreçleri belirlenmiştir. DIED sisteminde 2 dakika, GIED sisteminde ise 20 dakika boyunca çalıştığında, birim zaman başına en yüksek enerji depolama görülmektedir. Deneysel sonuçlara göre en yüksek verim; DIED için besleme verimi %82, egzoz verimi %67’dir. GIED sisteminde ise besleme verimi %55, egzoz verimi %30’dur. İki IGK sistemi üzerindeki sayısal parametrik çalışmalar, ANSYS-FLUENT aracılığıyla yapılmıştır. Yapılan çalışmalar neticesinde HAD sonuçları deneysel sonuçlarla uyumludur. HAD çalışmaları kapsamında; sistemler üzerinde detaylı akış ve ısı transferi analizleri ile optimum çalışma süreleri değerlendirilmiştir. Ayrıca daha yüksek performansa sahip GIED ünitesi için kapasite geliştirme çalışmaları araştırılmış ve farklı iklim verileri için simülasyonlar yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, 4.76mm çapındaki tüp için 12mm enine 12mm boyuna hatve ölçüsüne sahip olan tasarım 45.77kJ toplam ısı kapasitesi ile en verimli sistemdir. Farklı iklimlerde yapılan simülasyon sonuçlarına göre Singapur'da bu sistemin yıl boyunca kullanılabileceği görülmüştür.