Analysis and Modeling of a Latent Thermal Energy Storage for Energy Systems Applications

The utilization of Latent Thermal Energy Storage (LTES) in energy systems has gained significant attention due to its potential for improving energy efficiency and enhancing the flexibility of thermal energy management. However, the accurate modelling of LTES and its integration into wider system simulations remain a challenge. This master the- sis aims to develop simplified modelling approaches for LTES for dynamic simulations, with an acceptable level of accuracy, to facilitate its integration into larger-scale system simulations. The ultimate objective is to investigate control strategies that optimize the performance of heat pump systems that employ LTES. The first part of this research involves a comprehensive review of the existing literature on LTES and heat pump systems, focusing on the key factors affecting the storage be- havior and the associated modelling techniques. The review will establish a theoretical foundation for the subsequent modelling development. Different analysis on modelling approaches are carried out to establish the most suitable one, starting from the concentrated parameter Biot assumption validation and moving towards the phase change material (PCM) domain discretization. The ultimate modelling approach analyzes the heat transfer inside the storage by computing the energy exchange between the heat transfer fluid (HTF) and the PCM, and the heat transfer inside the PCM trough the enthalpy approach computed with a finite difference implicit scheme. The enthalpy approach is then improved by incorporating thermal conductivity enhancement factors during the phase transition and liquid phase to account for natural convection. The factors are computed with correlations that take into account the intensity of natural convection through the Rayleigh number that are determined with the auxiliary of CDF simulations carried in Ansys Fluent. Once the model is validated, the thesis will investigate the behaviour of the storage in heat pump systems for simulations characterized by longer times. The purpose is to investigate the charging and dishcargin times of the storage, through fundamental parameters such as the state of charge (SOC). The outcomes of this research will provide valuable insights into the modelling of LETS ii | Abstract and its integration into wider heat pump system simulations. The simplified modelling approaches developed in this thesis will enable efficient analysis and design of LTES-based systems. Additionally, the investigation of control strategies will contribute to the devel- opment of intelligent and energy-efficient control algorithms for LTES-integrated heat pump systems.

L’utilizzo di sistemi di stoccaggio energetico a calore latente nei sistemi energetici ha guadagnato particolare attenzione negli ultimi anni grazie al potenziale di miglioramento dell’efficienza energetica e flessibilità nella gestione dell’energia termica. Tuttavia, la modellazione accurata di tali sistemi e la loro integrazione in sistemi più ampi rimane una sfida. Questa tesi di laurea mira a sviluppare approcci di modellazione semplifi- cati per simulazioni dinamiche, con un livello accettabile di accuratezza, per facilitare l’integrazione in un sistema su scala più ampia. L’obiettivo finale è quello di indagare strategie di controllo che ottimizzino le prestazioni dei sistemi energetici che utilizzano sistemi di stoccaggio a calore latente. La prima parte di questa ricerca prevede una revi- sione completa della letteratura esistente sui sistemi di stoccaggio e la loro integrazione in pompe di calore, concentrandosi sui fattori chiave che influenzano il comportamento di ac- cumulo e le tecniche di modellizzazione associate. La revisione stabilisce una base teorica per il successivo sviluppo modellistico. Vengono effettuate diverse analisi sugli approcci di modellazione per stabilire quello più adatto, partendo dall’analisi a parametri concen- trati tramite l’ipotesi Biot, fino la discretizzazione del dominio e risoluzione del problema tramite uno shcema a differenze finite. Il modello finale analizza il trasferimento di calore all’interno del sistema calcolando lo scambio termico tra il fluido termovettore e il mate- riale di stoccaggio, e il trasferimento di calore all’interno del materiale stesso attraverso l’approccio entalpico calcolato con uno schema implicito alle differenze finite. L’approccio entalpico viene quindi migliorato incorporando un aumento fittizio della conduttività ter- mica durante la transizione di fase per tenere conto della convezione naturale. I fattori correttivi sono calcolati con correlazioni che tengono conto dell’intensità della convezione naturale attraverso il numero di Rayleigh. I fattori correttivi sono determiati con l’ausilio di simulazioni CDF effettuate in Ansys Fluent. Il modello è poi validato sperimental- mente con uno studio ricavato da letteratura scientifica, per poi essere insertio in un sistema a pompa di calore. Lo scopo è quello di verificare il comportamento del sistema in un’applicazione realsitica, e indagare i tempi di carica e scarica tramite parametri fon- damentali quali lo stato di cairica.