Tác giả Qian Zhang

Thor Alexis Salazar Sazon

Fredrik Skaug Fadnes

Xianyong Peng

Naveed Ahmed

Homam Nikpey

Mohammad Mansouri

Mohsen Assadi
Ngày đăng tải 19/05/2024
DOI https://doi.org/10.1016/j.ecmx.2024.100630
Nguồn bài nghiên cứu Science Direct
Từ khóa Làm mát không gian

Vật liệu thay đổi pha

Tối ưu hóa thiết kế

Mạng nơ-ron nhân tạo

1 – GIỚI THIỆU

Nhu cầu làm mát trong các tòa nhà đã tăng nhanh, dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng đáng kể. Để giải quyết vấn đề này, việc lưu trữ năng lượng nhiệt sử dụng vật liệu thay đổi pha (PCM) đã nhận được sự quan tâm lớn trong những năm gần đây. Bài nghiên cứu này trình bày thiết kế và đánh giá một hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt tiềm ẩn tích hợp (ILHTES) dành cho các tòa nhà dân cư. Hệ thống này tích hợp một bộ trao đổi nhiệt PCM-to-air (PAHX) với một đơn vị điều hòa không khí. Ngôn ngữ Modelica được sử dụng để phát triển mô hình số cho hệ thống ILHTES. Mô hình truyền nhiệt của PAHX được phát triển và xác nhận bằng dữ liệu trong tài liệu hiện có. Thư viện mã nguồn mở AixLib được sử dụng để mô phỏng hành vi động và mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà dân cư. Mô hình hệ thống ILHTES phát triển được sử dụng để tối ưu hóa các biến thiết kế chính, bao gồm độ dày của tấm PCM và tốc độ luồng không khí, dựa trên kết quả của các mô phỏng dài hạn bao phủ toàn bộ mùa làm mát. Đánh giá tiềm năng tiết kiệm năng lượng của các hệ thống ILHTES tối ưu được thực hiện so với các hệ thống điều hòa không khí thông thường, xem xét các điều kiện khí hậu khác nhau ở năm thành phố châu Âu. Kết quả cho thấy ảnh hưởng sâu sắc của loại PCM đối với Tỷ lệ tiết kiệm năng lượng (ESR) trong suốt mùa làm mát. Trong bốn loại PCM thương mại được kiểm tra—RT27, RT25, RT20 và RT18—RT25 liên tục vượt trội hơn các loại khác. Trên tất cả năm thành phố được khảo sát, việc sử dụng RT25 dẫn đến ESR tối thiểu là 16% ở Catania và ESR tối đa là 44,7% ở Stockholm cho toàn bộ mùa làm mát.

2 – MÔ TẢ HỆ THỐNG

Hệ thống ILHTES tích hợp bộ trao đổi nhiệt PCM-to-air (PAHX) với một đơn vị điều hòa không khí để cung cấp hiệu quả làm mát cho các tòa nhà dân cư. Một mô hình nhà dân cư tiêu chuẩn được sử dụng trong nghiên cứu, với kích thước và thuộc tính cụ thể được xác định theo tiêu chuẩn ANSI/ASHRAE. Hệ thống hoạt động bằng cách sử dụng luồng không khí ngoài trời mát vào ban đêm để làm đông PCM và sau đó sử dụng năng lượng lạnh này để làm mát không khí trong nhà vào ban ngày.

3 – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu này áp dụng phương pháp mô hình hóa số sử dụng ngôn ngữ Modelica để phát triển mô hình hệ thống ILHTES. Các biến thiết kế chính như độ dày của tấm PCM và tốc độ luồng không khí được tối ưu hóa dựa trên các mô phỏng dài hạn. Thư viện AixLib được sử dụng để mô phỏng hành vi động và mức tiêu thụ năng lượng của tòa nhà dân cư. Mô hình số của PAHX được xác nhận bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm từ tài liệu hiện có.

4 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả cho thấy hệ thống ILHTES có tiềm năng tiết kiệm năng lượng đáng kể so với các hệ thống điều hòa không khí thông thường. Loại PCM RT25 cho kết quả tối ưu với tỷ lệ tiết kiệm năng lượng (ESR) cao nhất, đặc biệt là trong các điều kiện khí hậu khác nhau ở năm thành phố châu Âu. ESR đạt tối đa là 44,7% ở Stockholm và tối thiểu là 16% ở Catania.

5 – KẾT LUẬN

Nghiên cứu này cho thấy rằng việc tích hợp hệ thống ILHTES với bộ trao đổi nhiệt PCM-to-air có thể cải thiện hiệu quả năng lượng của hệ thống làm mát trong các tòa nhà dân cư. Tối ưu hóa thiết kế hệ thống, đặc biệt là với loại PCM RT25, giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể trong suốt mùa làm mát. Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về công nghệ xây dựng bền vững và cung cấp phương pháp thực tiễn cho thiết kế và triển khai các hệ thống tiết kiệm năng lượng trong môi trường xây dựng.

Tối ưu hóa thiết kế hệ thống làm mát với bộ trao đổi nhiệt PCM-to-air để tiết kiệm năng lượng cho các tòa nhà dân cư

Design optimization of the cooling systems with PCM-to-air heat exchanger for the energy saving of the residential buildings