Transient simulation of phase change material (PCM) storage integrated in a domestic hot water (DHW) heat pump system

Nowadays, thermal energy storage is becoming a topic of general interest. The main goal of this thesis has been the creation of a model for a thermal battery and for the study of a Domestic Hot Water system, which comprises an energy storage system, an air-to-water heat pump and a plate heat exchanger. As concerns the thermal battery, it has been reproduced and then validated a transient model of a PCM (Phase Change Material) storage called Type 841 taken from a report of IEA Solar Heating and Cooling program (Task 32). Moreover, some specific aspects of Type 841 have been improved. A high temperature heat pump has been taken as a reference, simulating a transient behavior within the first ten minutes after a switching on and a steady state behavior for the remaining time. A plate heat exchanger has been chosen, since it is the most common type for this kind of application. Parametric analyses have been performed in the final section, trying to minimize either the size of the thermal battery or the heat pump and also trying to maximize the ratio between the thermal energy provided to the user and the incoming electric energy of the system. Finally, an optimal configuration has been selected. All the simulations have been performed with Matlab.

Oggigiorno, lo storage di energia termica sta diventando un argomento di interesse generale. L'obiettivo principale di questa tesi è stata la creazione di un modello di una batteria termica e lo studio di un sistema di acqua calda sanitaria, che comprendesse un sistema di accumulo di energia, una pompa di calore aria-acqua e uno scambiatore di calore a piastre. Per quanto riguarda la batteria termica, è stato riprodotto e quindi validato un modello in transitorio di un accumulo PCM (Phase Change Material) denominato Type 841 e tratto da un report di IEA Solar Heating and Cooling program (Task 32). Inoltre, alcuni aspetti specifici del modello Type 841 sono stati approfonditi e migliorati. Una pompa di calore ad alta temperatura è stata presa come riferimento, simulando un comportamento in transitorio nei primi dieci minuti dopo l'accensione e un comportamento a regime per il tempo rimanente. È stato inoltre scelto uno scambiatore di calore a piastre, in quanto è il tipo più comune per questo tipo di applicazione. Analisi parametriche sono state condotte nella sezione finale, cercando di minimizzare le dimensioni della batteria termica e della pompa di calore e inoltre cercando di massimizzare il rapporto tra l'energia termica fornita all'utente e l'energia elettrica in entrata nel sistema. Infine, è stata selezionata una configurazione ottimale. Tutte le simulazioni sono state eseguite con Matlab.