Estudo numérico de um sistema com PCMs microencapsulados para o revestimento de fachadas verticais exteriores

Abstract

O objetivo deste trabalho é avaliar numericamente a transferência de calor em cavidades verticais de alumínio, de secção retangular, preenchidas com materiais de mudança de fase (PCMs) microencapsulados. Desenvolveu-se e validou-se um modelo numérico bidimensional, puramente difusivo, baseado no modelo da capacidade calorífica equivalente. O modelo numérico baseia-se no método dos volumes de controlo com uma formulação totalmente implícita, e permite simular a fusão e a solidificação do PCM sujeito a condições de fronteira variáveis. O modelo foi validado com base em resultados experimentais realizados no Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) da Faculdade de Ciências e Tecnologias da Universidade de Coimbra (FCTUC). Após a validação, o modelo numérico foi utilizado num estudo paramétrico para avaliar o desempenho térmico de diferentes unidades de armazenamento de energia (UAE) com diferentes configurações. Estas UAE são constituídas por uma macrocápsula metálica preenchida com PCMs microencapsulados, e a sua configuração pode constituir um novo sistema para o revestimento exterior de fachadas verticais de edifícios. O estudo visou avaliar o desempenho do sistema no armazenamento e restituição de energia térmica num dia típico de Verão, para diferentes localizações, considerando diferentes espessuras e geometrias da UAE. Verificou-se que a energia armazenada/restituída pelo PCM é diretamente proporcional à espessura da unidade (volume de PCM) e inversamente proporcional ao número de alhetas. A radiação solar incidente tem um efeito notório na mudança de fase do PCM.

This work aims to numerically evaluate the heat transfer through a vertical stack of rectangular cavities filled with microencapsulated phase change materials (PCMs). A two-dimensional model of heat conduction with phase-change based on the apparent heat capacity method was developed and validated. The numerical model stems from the control-volume method in a fully implicit formulation and is able to predict the alternating melting and solidification of a PCM submitted to different boundary conditions. The experimental data obtained in a previous study carried out in the Mechanical Engineering Department of the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra were used to validate the model. A good agreement was obtained between simulations and experimental results. After validation, the numerical model was used in a parametric study to evaluate the thermal performance of different energy storage units (ESU). These ESU are made of a metallic macrocapsule filled with microencapsulated PCMs and are intended to be used in the design of a new external coating system for vertical facades of buildings. The study aimed to evaluate the thermal performance of the system in terms of total energy stored and released in a typical summer day, for different locations. Several values of the ESU thickness and different configurations of the unit were considered in the parametric study. It was shown that the daily energy storage/release capacity of the system is directly proportional to the thickness of the ESU and inversely proportional to the number of fins. The solar radiation has a strong effect during the PCM phase change processes.