Experimental investigation of a thermal storage unit using phase change materials for space heating applications

In this study, a Thermal Energy Storage (TES) using Phase Change Materials (PCM) was tested. Thanks to an experimental work it was possible to analyze the performances, on a real application, of cylindrical PCM rods with an inflexible plastic encapsulation. The temperature range vary between 30°C and 60°C matching the space heating applications needs. Starting with an open overview on different PCM and different TES methods, going directly to the experimental work above mentioned. A suitable test rig was built composed by: flow meter, pressure transmitter, pump, thermocouples, PID controller, heaters, different tanks (at different temperature) useful for different working condition simulations and a data logger. The use of thermocouples directly installed inside the storage tank and inside the PCM itself, it gave the possibility to build temperature profiles, to have an idea on temperature and flow distribution and to highlight problems like stratification. The tested PCM, called C48, it was a salt hydrates based material characterized by a phase change temperature in the range 48 - 53°C. Different flow rates from 0.2 m^3/h to 4 m^3/h were tested together with different temperatures showing particular trends and performances influencing the total charging and discharging time as well as the total energy stored and withdrawn. Finally, two different control strategies were adopted, the first one using a constant supply temperature while the second one by imposing a constant power on working fluid (water with the addiction of a corrosion inhibitor).

In questo lavoro è stato testato uno stoccaggio termico utilizzando un PCM. Grazie ad un approccio sperimentale è stato possibile analizzare le prestazioni, su un'applicazione reale, di barre cilindriche di PCM caratterizzate da un incapsulamento rigido. L'intervallo di temperature varia tra 30°C e 60°C incontrando il fabbisogno tipico delle applicazioni di riscaldamento domestico. Si parte da una panoramica su diversi tipi di PCM e diversi metodi di stoccaggio termico, andando direttamente alla descrizione del lavoro sperimentale sopra citato. E' stato costruito un banco di prova composto da: misuratore di portata, trasduttore di pressione, pompa, termocoppie, PID, riscaldatori, diversi serbatoi (a differenti temperature) utili per la simulazione di diverse condizioni di funzionamento e un acquisitore di dati. L'utilizzo di termocoppie installate direttamente dentro il serbatoio di stoccaggio e dentro al materiale di stoccaggio stesso (PCM), ha reso possibile la costruzione di profili di temperatura, ha permesso di avere un' idea sulla distribuzione della temperatura e del flusso e di evidenziare problemi come la stratificazione. Il PCM testato, chiamato C48, era un materiale a base di idrati di sale caratterizzato da una temperatura di cambio di fase nell'intervallo 48 - 53°C. Svariate misure di portata da 0.2 m^3/h a 4 m^3/h sono state testate parallelamente a differenti temperature mostrando particolari andamenti e prestazioni che vanno ad influenzare non solo il tempo totale di carica e scarica ma anche l'energia totale stoccata o recuperata. Infine sono state adottate due diverse strategie di controllo, la prima basata su una costante temperatura di alimentazione mentre la seconda imponendo al fluido di lavoro (acqua con aggiunta di un inibitore di corrosione) una potenza costante.