وثيقة

Optimization of thermophysical properties of phase change material (PCM) embedded walls system for residential buildings in the Sultanate of Oman.

عناوين أخرى
تحسين الخواص الحرارية المتغيرة لنظام الجدران المضمنة بالمواد المتغيرة الحالة للمباني السكنية في سلطنة عمان.
الناشر
Sultan Qaboos University.
ميلادي
2023
اللغة
الأنجليزية
الملخص الإنجليزي
Residential buildings consume a significant amount of Oman's electrical energy, and the air conditioning systems are the highest energy consumers in these buildings. Phase Change Material (PCM) is a new technology that stabilizes the indoor temperature and reduces energy consumption. The overall aim of this study is to evaluate the techno-economic feasibility of PCMs-embedded wall systems in residential buildings under four climates in Oman: hot-humid climate, moderate climate, hot-dry climate, and cold climate. A typical Omani villa was selected, and a simulation model was generated in DesignBuilder software and subsequently calibrated using actual electricity consumption readings. More than 160 variations of the thermophysical properties of the PCMs were explored for each climate. The thermophysical properties include melting temperature, latent heat, PCM's location, melting temperature range, density, heat capacity, and PCM's thickness. Enhancement techniques such as adding high conductive materials to the PCM, which include Ferrochrome slag, adding a layer of thermal insulation material, or using natural ventilation, were also explored to improve PCM's thermal and energy performance. The results showed that the optimal melting temperatures were 1 ºC above the thermostat setpoint for Muscat and Salalah and 2 ºC above the thermostat setpoint for Nizwa. Al Jabal Al Akhdar's optimal melting temperature is always 19 ºC. The optimal latent heat is 250 kJ/kg in Muscat and Salalah, 200 kJ/kg in Nizwa, and 400 kJ/kg in Al Jabal Al Akhdar. The best location for the PCM layer in hot climates was found on the inner side of the wall and the outer side for the cold climate. The study also found that the PCM's melting range, density, and heat capacity have no significant impact on reducing energy consumption in all climates. The optimal PCM layer thickness for all climates was 25 mm, which has doubled the annual energy consumption reduction compared to the 10 mm thick cases. After analyzing the PCM-Ferrochrome Slag Cement mixture plaster cases, it was found that all cases resulted in a lower reduction in energy consumption than the pure PCM, and the reduction of energy consumption negatively correlates with thermal conductivity. After that, the optimal properties found in this study were combined in one case for each climate. These cases have achieved a reduction in annual energy consumption of 3.28% for Muscat, 2% for Salalah, 3.65% for Nizwa, and 3.93% for Al Jabal Al Akhdar compared to the base case. The thermal performance analysis indicated that the PCM layer positively impacts the thermal performance between 1 pm and 1 am and negatively between 9 am and 11 pm for all climates. An economic analysis of the PCMs-embedded walls with the optimized properties was conducted, and it was found that they are economically infeasible. The study also found that the controlled natural ventilation slightly impacted energy performance and enhanced the PCM performance in the winter months only. Finally, a set of design guidelines for the PCMs-embedded wall systems for Oman were developed.
الملخص العربي
تستهلك المباني السكنية قدر سلطنة عمان، وتعد أنظمة تكييف الهواء من أعلى مستهلكي الطاقة ع في هذه المباني. المواد المتغيرة الحالة هي تقنية جديدة يمكنها تثبيت درجات الحرارة في الأماكن المغلقة وتقليل استهالك الطاقة. المضمنة بالمواد المتغيرة الحالة في المباني الهدف العام من هذه الدراسة هو تقييم الجدوى التقنية والأقتصادية ألنظمة الجدران بعالسكنية في أر مناخات في عمان: المناخ الحار الرطب، والمناخ المعتدل، والمناخ الحار والجاف، والمناخ البارد. تم اختيار فيال ً عمانية نموذجية، وتم إنشاء نموذج محاكاة في برنامج DesignBuilder ا باستخدام فوا تير الكهرباء الفعلية. تم ومعايرته الحق 160اختبار أكثر من في الخواص الفيزيائية والحرارية للمواد المتغيرة الحالة ً متغيرا لكل مناخ. تشمل الخواص الفيزيائية والحرارية ة الكامنة، والموقع، ومدى الذوبان درجة حرارة ية، وسمك الطبقة. كما تمالذوبان ، والحرار ، والكثافة، والسعة الحرار اختبار بعض تقنيات التحسين مثل إضافة مواد عالية التوصيل إلى المواد المتغيرة الحرارة، مثل خبث الفيروكروم، أو إضافة طبقة من العزل الحراري، أو استخدام التهوية الطبيعية، وذلك لتحسين الأداء الحراري وأداء الطاقة للمواد المتغيرة الحالة. وجد البحث أن درجة حرارة الذوبان 1المثلى هي 2درجة مئوية فوق نقطة ضبط الثرموستات في مسقط وصاللة و درجة مئوية فوق نقطة ضبط ا الذوبان الثرموستات لنزوى. ووجدت أن درجة حرارة ً المثالية للجبل الأخضر كانت دائم 19 ة الكامنة المثلى هي درجة مئوية. الحرار 250 200كيلوجول / كيلوجرام في مسقط وصاللة، و كيلوجول / كيلوجرام في نزوى، و 400 كيلوجول / كيلوجرام في الجبل الأخضر. تم العثور على أفضل موقع لطبقةالمواد المتغيرة الحالةفي المناخات الحارة على الجانب الداخلي للجدار والجانب الخارجي ً ا أن نطاق ذوبان للمناخ البارد. وجدت الدراسة أيض ةالمواد المتغيرة الحال وكثافتها وسعتها الحرارية ليس لها تأثير كبير على تقليل استهالك الطاقة في جميع المناخات. يبلغ سمك طبقةالمواد المتغيرة الحالةالأمثل لجميع المناخات 25 مم، وقد ضاعف من تقليل ً بالحالأت ذات السماكة استهالك الطاقة السنوي مقارنة 10 م مم. بعد تحليل حالأت خليط المو اد المتغيرة الحالة مع الفيروكرو والأسمنت واستخدامه للبالستر، وجد أن جميع الحالأت لديها انخفاض أقل في استهالك الطاقة من المواد المتغيرة الحالةالنقية، ًا بالتوصيل الحراري. بعد ذلك، تم الجمع بين الخصائص المثلى الموجودة في هذه اسة في وتقليل استهالك الطاقة يرتبط سلب الدر حالة واحدة لكل مناخ. وقد أدت هذه الحالأت إلى انخفاض استهالك الطاقة الكلية ٪ في صاللة، ٪2 في مسقط، و3.28بنسبة ى، و3.65و نة بالحالة الأساسية ٪ في الجبل الأخضر٪3.93 في نزو لهذه الحالات أن طبقة مقار . ووجد تحليل الأداء الحراري المواد الحالةالمتغيرة 1لها تأثير إيجابي على الأداء الحراري بين الساعة والساعة ً 1مساء ا بين الساعة ً ً ا، وسلب ً صباح 9 ا ً مساء صباح و11 ً لجميع ا في المناخات. تم إجراء تحليل اقتصادي للحالأت المثلى للمواد المتغيرة الحالة، ووجد أن استخدامها غير مجدي اقتصادي فيها أثرت بشكل طفيف على أداء الطاقة وعززت أداءسلطنة عمان. ووجدت الد ا أن التهوية الطبيعية التي يتم التحكم راسة أيضً المواد المتغيرة الحالةفي أشهر الشتاء فقط. في نهاية الدراسة، تم تطوير مجموعة من إرشادات التصميم لأظمة الجدار المضمنة لطنة عمان بالمواد المتغيرة الحالة للمباني السكنية في سلطنة عمان.
قالب العنصر
الرسائل والأطروحات الجامعية

مواد أخرى لنفس الموضوع

مؤتمرات وورش عمل
3
0
Yapicioglu, Balkiz.
WITPress.
2022-09-21