Optimum melting temperature and latent-heat contribution of a PCM layer in multilayer walls for mediterranean, semi-arid and hot desert climates

Abstract

The main objectives of the paper are to determine, for three climatic zones (Mediterranean coast, semi-arid High Plateau and hot desert), the optimum melting temperature of a PCM layer in a wall for each position and orientation, and, as a new contribution, to separate the benefit of the latent heat from that of the added layer. These objectives were achieved with an enthalpy model verified against the Stefan solution (within 0.2 %), in a periodic regime, for a typical and a heat-wave day of one site per zone. Three PCMs melting within the temperature range of the wall were compared, RT-27 (28 °C) was retained, and its melting temperature was varied from 18 to 44 °C. RT-27 lowered the maximum internal surface temperature by 1.3 °C (median); the latent heataccounted for only 0.1 to 0.5 °C at the optimum melting temperature (20 % of the reduction, median); this optimum, close to the mean daily temperature at the layer, was 28 to 30 °C (walls) and 32 °C (roof) between the bricks on the coast and the High Plateau, and 32 to 35 °C and 38 °C in the Sahara; polystyrene insulation of equal thickness lowered the temperature more than the PCM. The significance is that, on thermal grounds, a PCM layer does not replace insulation, because most of its benefit comes fromthe added layer, and that its melting temperature should be chosen from the mean daily temperature at the layer, not set to a standard value.

Obiectivele principale sunt determinarea, pentru trei zone climatice (coasta mediteraneană, platourile înalte semiaride și deșertul cald), a temperaturii optime de topire a unui strat de material cu schimbare de fază (PCM) integrat într-un perete de clădire, în funcție de poziția și orientarea acestuia. O contribuție nouă a lucrării constă în separarea beneficiului adus de căldura latentă de cel oferit de simpla prezență a stratului adăugat.Aceste obiective au fost atinse utilizând un model entalpic unidimensional, verificat prin comparație cu soluția analitică Stefan (cu o eroare de 0.2%), în regim periodic, pentru o zi tipică și o zi de caniculă dintr-o locație pentru fiecare zonă. Au fost comparate trei PCM-uri a căror temperatură de topire se află în intervalul atins în perete; RT-27 (28 °C) a fost reținut, iar temperatura sa detopire a fost variată între 18 și 44 °C. RT-27 a redus temperatura maximă a suprafeței interioare cu 1.3 °C (mediană); aportul căldurii latente a fost de doar 0.1–0.5 °C la temperatura optimă de topire (mediană de 20% din reducere); această temperatură optimă, apropiată de temperatura medie zilnică de la poziția stratului, a fost de 28–30 °C pentru pereți și 32 °C pentru acoperiș, între cărămizi, în zonele de coastă și pe platourile înalte, respectiv 32–35 °C și 38 °C în Sahara; izolația din polistiren de aceeași grosime a redus temperatura mai mult decât PCM-ul. Semnificația constă în faptul că, din punct de vedere termic, un strat de PCM nu înlocuiește izolația, deoarece cea mai mare parte a beneficiului provine din stratul adăugat, și că temperatura sa de topire trebuie aleasă pe baza temperaturii medii zilnice de la poziția stratului, nu fixată la o valoare standard.

Основная цель работы —определение оптимальной температуры плавления материала с фазовым переходом (МФП) в составе многослойной строительной конструкции для различных вариантов ее расположения и ориентации в трех климатических зонах (средиземноморское побережье, полузасушливые Высокие плато и жаркие пустыни). В качестве нового научного вклада предложен подход, позволяющий разделить эффект от использования скрытой теплоты фазового перехода и эффект от самого факта добавления дополнительного слоя в конструкцию. Для решения поставленных задач использовалась одномерная энтальпийная модель, верифицированная путем сопоставления с аналитическим решением задачи Стефана (погрешность в пределах 0.2 %); расчеты выполнялись в периодическом режиме для типичного дня и дня аномальной жары по одному пункту в каждой зоне. Сравнивались три МФП, температура плавления которых лежит в диапазоне температур стены; был выбран RT-27 (28 °C), и его температура плавления варьировалась от 18 до 44 °C. RT-27 снижает максимальную температуру внутренней поверхности на 1.3 °C (медиана); вклад скрытой теплоты при оптимальной температуре плавления составляет лишь 0.1–0.5 °C (медиана 20 % от снижения); эта оптимальная температура, близкая к средней суточной температуре в месте расположения слоя, для слоя между кирпичными слоями составила 28–30 °C для стен и 32 °C для кровли на побережье и на Высоких плато и 32–35 °C и 38 °C в Сахаре; изоляция из пенополистирола той же толщины снижает температуру сильнее, чем МФП. Значимость заключается в том, что с тепловой точки зрения слой МФП не заменяет теплоизоляцию, поскольку основной эффект дает сам добавленный слой, и что его температуру плавления следует выбирать по средней суточной температуре в месте расположения слоя, а не принимать стандартной.