Incorporation of hybrid phase change materials in plastering mortars for increased energy efficiency in buildings

Abstract

This thesis proposes the development of a new technology for improved energy efficiency in buildings by incorporation of more than one type of phase change material (hybrid PCM) in plastering mortars for façade walls. Such approach provides added benefits in regard to recent proposals of single PCM usage. Their application as lining of walls contributes to keep the indoor air temperature within acceptable comfort levels, and consequently reduce energy consumption associated to acclimatization. The focus was the strategy for minimizing heating/cooling energy consumption by applying mortars containing adequate proportions of PCMs with distinct melting temperatures and phase change enthalpies. The overall work methodology involved experimental (laboratory level, small scale testing) and numerical research with hybrid PCM, and aimed to develop a guideline for energy efficiency. This thesis initially started with experimental part aimed characterization of the used materials (material level investigations). Then, the feasibility of hybrid PCM (i.e. incorporating more than one types of PCM with distinct melting temperature and enthalpies in the same mortar) to enhance the efficiency of PCM system was assessed through laboratory scale prototypes and real scale simulation. The experimental part of the work aimed to demonstrate the effectiveness of PCM incorporated into the plastering mortars used as internal coatings of building spaces. Two small scale prototypes were prepared with distinct interior coatings: (1) one with common plastering mortars; (2) another mortar incorporated with hybrid PCM. Both test cells have been subjected to realistic daily temperature profile, and the effect of the coatings has been assessed with recourse to internal temperature monitoring. The collected results for daily cycles showed that hybrid PCM acts reducing inside temperature amplitudes during the day and turning them closer to comfort temperature levels. Numerical thermal model was conducted to verify the experimental results. The numerical predictions for the temperature profiles were almost similar to those obtained from experimental observations. The obtained results and their comparison with monitored temperatures have shown that the numerical simulation methodology can provide feasible estimates of temperature in elements containing mortar with incorporated hybrid PCM. This confidence in the numerical framework for this purpose allows the possibility of evaluating alternative scenarios, both in terms of climate condition and melting temperature solutions of the PCM. Development and experimental evaluation were conducted for this two laboratory scale prototypes, as to enhance the thermal energy storage potential of buildings. The prototypes were internally equipped with a heater that was programmed to keep the comfort temperature in the enclosure. A reference mortar without PCM was also applied in a prototype for comparative purposes. The hybrid PCM mortar development work has experimentally shown that the concept is feasible on the small scale and that the thermal storage of the hybrid PCM can be successfully reduces the energy consumption about 20%. It was further observed that the HPCMM plays a role in reducing the temperature variation of indoor environment, which assists to significantly decrease the energy consumption for buildings. Then, it is considered advisable to test the hybrid PCM concept in a real scale application, in order to assess thermal behaviour as well as energy saving potential of hybrid PCM mortar. The results further confirmed the energy saving potential of the hybrid PCM and consequently, provided the ground for better understanding the phase change phenomena and modelling approaches.

Esta tese propõe uma nova tecnologia para melhorar a eficiência energética de edifícios através da incorporação de um tipo de material de mudança de fase (PCM híbrido) em argamassas de revestimento de paredes. Esta tecnologia conduz a maiores benefícios comparando com as propostas recentes para a utilização de PCM simples. A sua aplicação no revestimento de paredes contribui para manter a temperatura interior em níveis de conforto aceitáveis e consequentemente reduzir o consumo de energia associado ao aquecimento/arrefecimento. A estratégia foi minimizar o consumo desta energia aplicando argamassas contendo adequadas proporções de PCMs com distintas temperaturas de fusão e entalpias associadas à mudança de fase. A metodologia do trabalho envolveu investigação experimental (laboratorial, testes a escala reduzida) e numérica, com PCM híbrido, com o objetivo de desenvolver um guia para a eficiência energética. Esta tese começou com a parte experimental com vista à caraterização dos materiais utilizados (investigação ao nível do material). Depois, foi investigada a viabilidade de utilização de PCM híbrido (i.e. com incorporação de mais do que um tipo de PCM, com diferentes temperaturas de fusão e entalpias, na mesma argamassa) para aumentar a eficiência do sistema. Para o efito foram desenvolvidos protótipos à escala laboratorial e simulações numéricas à escala real. A parte experimental do trabalho teve como objetivo a demonstração das vantagens da incorporação de PCM em argamassas de revestimento interior de edifícios. Dois protótipos de pequena escala foram preparados com diferentes revestimentos interiores: (1) um com argamassa convencional; (2) um com argamassa com PCM híbrido. As duas células foram submetidas a perfis de temperatura diários reais. A influência dos revestimentos foi avaliada com recurso a monitoração das temperaturas interiores. Os resultados obtidos para ciclos diários mostraram que o PCM híbrido reduz as amplitudes térmicas interiores durante o dia e coloca-as próximas dos níveis de conforto térmico. Um modelo numérico térmico foi desenvolvido adaptando-se aos resultados experimentais. As previsões numéricas dos perfis de temperatura revelaram-se similares aos observados experimentalmente. Os resultados obtidos e a sua comparação com as temperaturas monitoradas mostraram que a metodologia seguida na simulação numérica permite estimativas corretas das temperaturas nos elementos que contêm argamassa com PCM híbrido. Esta confiança no estudo numérico permite a possibilidade de avaliar cenários alternativos, quer em termos de condições climáticas quer de temperaturas de fusão do PCM. O desenvolvimento e a avaliação experimental foram conduzidos para os dois protótipos à escala laboratorial, de forma a avaliar o potencial de armazenamento de energia térmica de edifícios. Os protótipos foram equipados internamente com uma resistência programada para manter a temperatura de conforto no interior. Uma argamassa de referência sem PCM foi também aplicada em um protótipo para efetuar comparações. O desenvolvimento do trabalho com argamassa com PCM híbrido mostrou experimentalmente que o conceito é vantajoso a escala reduzida e que o armazenamento térmico do PCM híbrido pode reduzir o consumo de energia em cerca de 20%. Também foi observado que a HPCMM reduz a variação de temperatura no ambiente interior, o que contribui para o significativo decréscimo do consumo energético em edifícios. Assim, for considerado importante ensaiar o conceito do PCM híbrido numa aplicação à escala real, para avaliar o comportamento térmico e o potencial de poupança de energia da argamassa com PCM híbrido. Os resultados confirmaram o potencial de poupança de energia do PCM híbrido e consequentemente são uma base para melhor entender os fenómenos de mudança de fase e das representações com modelos.