Till innehåll på sidan

Integrating Latent Heat Storage into Residential Heating Systems

A study from material and component characterization to system analysis

Tid: Må 2021-05-31 kl 13.00

Plats: Publikt via zoom, Stockholm (English)

Ämnesområde: Energiteknik

Respondent: Tianhao Xu , Tillämpad termodynamik och kylteknik

Opponent: Professor Tianshu GE, Shanghai Jiaotong University

Handledare: Docent Samer Sawalha, Tillämpad termodynamik och kylteknik, Energiteknik; Björn Palm, Energiteknik, Tillämpad termodynamik och kylteknik; Justin NingWei Chiu, Kraft- och värmeteknologi

Abstract

Latenta värmeenergilagringssystem (eng. LHTES) kan kopplas till värmepumpsystem (eng. HP) för att uppnå en förskjutning av värmebehovet. Med fasförändringsmaterial (eng. PCM) uppvisar väldesignade LHTES-komponenter hög lagringsenergitäthet och har således stora möjligheter att integreras i bostäder där en kompakt lagringslösning efterfrågas. Men installationer av LHTES-HP-integrerade system är fortfarande knappa nuförtiden eftersom att det är nödvändigt att demonstera möjligheten hos denna teknik att uppnå tekniskt och ekonomiskt sund förskjutning av värmelaster samt öka föreståelsen hos intressenter för att främja implementering av tekniken. Således presenterar denna avhandling en studie på implementeringen av tre utvalda och tillgängliga makroinkapslade PCM-produkter. Studien omfattar djupgående undersökningar med experimentella och numeriska modellering på tre nivåer – material-, komponent- och system-nivå. Implementeringen studeras utifrån ett specifikt scenario där de makroinkapslade LHTES-systemen är utformade för att integreras med HP-baserade värmesystem i typiska svenska bostadshus.

På materialsidan väljs tre kommersiella PCM:er (C48, C58 och ATP60) utifrån arbetstemperatursnivån i typiska HP-baserade värmesystem. Metoderna Differential Scanning Calorimetry och Temperature History används för att mäta PCM:ens entalpi-temperaturprofiler; Metoden Transient Plane Source används för att mäta ATP60:s värmeledningsförmåga. C58, som är baserat på natriumacetat trihydrat, prioriteras för noggranna genomförbarhets analyser på grund av sin högsta värmelagringskapacitet.

På komponentnivå utvecklas tre fullskaliga makroinkapslade LHTES-komponenter (Komponent 1: cylindrisk inkapsling av C48; Komponent 2: cylindrisk kapsling av C58; Komponent 3: ellipsoid inkapsling av ATP60) för integrering i enfamiljshus för att uppnå full Peak Load Shifting (förskjutning av värmelasten under toppeffekttimmarna). En testprototyp byggs för att testa dessa tre komponenter under olika driftförhållanden som kan förekomma i typiska värmesystem. Effekten av att öka temperaturskillnaden mellan värmeöverföringsfluidens (eng. HTF) inloppstemperatur och smältpunkt samt att öka HTF-inloppsflödeshastigheten är en ökade värmeöverföring, vilken kvantifieras. Prestandaindikatorer såsom tid för total laddning / urladdning av prototypen, energilagringstäthet och kapacitetsförbättringsfaktor utvärderas vid olika driftstemperaturområden. Sammantaget kan Komponent 2 leverera cirka 90% av lagringskapaciteten (kapacitetsförlusten beror på fasseparation). Dock behövs det fortfarande förbättring i lagringsdesign och styrstrategin för att uppnå total Peak Load Shifting under en 3-timmars urladdningsprocess. För komponent 2 har det utvecklats en förbättrad lagringslösning med reducerad kapseldiameter och tids-ökande HTF-flödesprofiler genom numerisk simulering med en experimentellt validerad tvådimensionell värmeöverföringsmodell. Vidare har det utvecklats en endimensionell modell för att simulera värmelagringskapacitet för Komponent 2 och 3.

På systemnivån har det utvecklats en numerisk modell för att beräkna elektricitetskonsumption hos de LHTES-HP integrerade systemen för teknisk, ekonomisk och miljömässig utvärdering av förskjutning av värmelasterna. Tre nya integrationslayouter har utvecklats för att ladda Komponent 2 med en de-superheater och/eller en booster-värmepumpcykel. De nya layouterna kan förbättra den värmeprestandafaktorn (som beräknas för en vecka) med 22%–26% jämfört med en vanlig layout där kondensorn används för laddning av Komponent 2. Besparingarna i driftskostnaderna kan motivera en kapitalkostnad på 25 k SEK för LHTES-systemet med 15-årig teknisk livslängd. Även om denna motiverade kapitalkostnaden är lägre än kostnaden för enbart LHTES-komponenten under de nuvarande marknadsförhållandena, förväntas sådana LHTES-lösningar bli ekonomiskt genomförbara med större prisskillnader i elpriser i framtida marknaden.

Genom utvärdering av implementeringen på flera nivåer identifierar denna avhandling avgörande design- och driftsproblem som möjligtvis blir försummade i en studie som genomförs på enbart en nivå. Dessutom utvecklar avhandlingen nya LHTES-HP-integrerade lösningar med förbättrade lagringsdesigner, styrstrategier och systemkopplingsmetoder jämfört med befintliga lösningar. Detta ger en applikationsorienterad insikt för design och drift av framtida LHTES-installationer, vilket kan bidra till dekarbonisering av den allt mer elektrifierade uppvärmnings sektorn.

Nyckelord: fasförändringsmaterial, värmeenergilagring, värmepump, lastförskjutning, rymdvärme.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-293768