INTEGRATION OF PHASE CHANGE MATERIALS IN CONSTRUCTIONS: THERMAL AND STRUCTURAL ANALYSES

Phase change materials can contribute to the efficient use and conservation of waste heat and solar energy. Their use provides increases in the efficiency of the storage and use of energy in many building and industrial sectors. For this reason, the application of phase change materials in different situations is gaining increasing and continuous attention. Concrete has already been demonstrated to give suitable and feasible energy storage solutions, so it has been selected for the current study, with the integration of the phase change materials. The phase change materials, in fact, represent a real hope to overcome the arising problems related to climate change and the energy crisis. They can both ensure the storage of the energy produced by any kind of resource, first of all, the renewable ones, which greatly suffer from intermittency, but also reduce the energy consumption, particularly strong in this historical period, with all the advantages brought with it. The work regarded various aspects of the symbiotic thermal behaviour of the analysed storage systems, starting from the deep study of the basic concrete, in different situations, then with the enormous enhancements that the integration of the phase change materials can bring to the thermal system. A lumped capacitance-based computing model was developed. The code permits the thermal and energetic analysis of concrete thermal energy storage during time. The code was validated against the experimental data, and two thermal efficiencies were implemented. This model allows for a drastic reduction of the needed computational time. Then, the effect of the modules' arrangement on the performance of the thermal energy storage system was studied. Series and parallel arrangements were investigated, to determine the most performant one, which was determined by a thermal energy assessment. After that, the integration of the phase change materials in the concrete was analyzed. The experimental tests regarded two concrete mixtures, with 5% of phase change materials and without it. The module was simulated and the results were compared with the experimental tests. Further analyses were conducted to test higher phase change materials percentages, leading to an impressive improvement in thermal performance. The following step regarded the numerical study of building walls with the integration of phase change materials. A perimetral wall has been studied, in three configurations. Concrete was used for the basic simulation, that was then mixed with 10% of phase change materials, creating a wall with a homogeneous dispersion. Also, another system with two layers of phase change materials on the outside was studied. Regarding the total transmitted energy during the day, the system with the two layers overcame a 44% reduction, while the wall with the mixed phase change materials reached just 32%. The intent was to provide a study, articulated in several steps, with the final aim to identify the possibilities of real applications of the phase change materials to different situations, to fully exploit and take advantage of their thermal properties and performances. My personal hope is to have contributed to a proficient improvement in this field and to have provided feasible suggestions for enhanced thermal systems.

I materiali a cambiamento di fase possono contribuire ad un utilizzo efficiente dell’energia termica, riducendo le perdite di calore e sfruttando le fonti rinnovabili. L’utilizzo di questi materiali consente di aumentare l'efficienza dell'accumulo e dell'utilizzo dell'energia in molti settori, tra cui l'edilizia e l'industria. Per questo motivo, la loro applicazione sta guadagnando sempre maggiore attenzione da parte di enti di ricerca e aziende produttive. Il calcestruzzo ha già dimostrato di essere un buon materiale di base per l’accumulo termico, quindi è stato selezionato per il presente studio, come base per l'integrazione dei materiali a cambiamento di fase. I materiali a cambiamento di fase rappresentano una concreta possibilità di risolvere gli emergenti problemi legati al cambiamento climatico e alla crisi energetica. Possono sia garantire l’accumulo dell'energia prodotta da qualsiasi tipo di fonte, in primis quelle rinnovabili, ma anche ridurre i consumi energetici, con tutti i vantaggi ad essi legati, che sono particolarmente sentiti in questo periodo storico. Il presente lavoro ha riguardato vari aspetti della simbiosi termica dei sistemi di accumulo analizzati, partendo da uno studio del calcestruzzo di base e poi successivamente con gli enormi miglioramenti che l'integrazione dei materiali a cambiamento di fase può apportare al sistema termico integrato. È stato sviluppato un modello di calcolo a parametri concentrati che consente l'analisi termica ed energetica dell'accumulo di calore nel calcestruzzo nel tempo. Il codice è stato validato attraverso i dati sperimentali e consente una drastica riduzione del tempo di calcolo necessario rispetto alle più tradizionali simulazioni numeriche. In seguito, è stato studiato l'effetto che la disposizione dei moduli di accumulo possa avere sulle prestazioni del sistema. Sono state studiate le disposizioni in serie e in parallelo, per determinare quella più performante, individuata attraverso una serie di parametri termici ed energetici. Dopo di ciò, è stata analizzata l'integrazione dei materiali a cambiamento di fase nella mescola calcestruzzo, con prove sperimentali che hanno riguardato due diverse mescole, con il 5% di materiali a cambiamento di fase e senza di essi. Il modulo di calcestruzzo è stato poi simulato e i risultati sono stati confrontati con le prove sperimentali, con un’ottima concordanza dei valori. Sono state condotte ulteriori analisi per testare percentuali più elevate di materiali a cambiamento, portando a un notevole miglioramento delle prestazioni termiche. Il passo successivo ha riguardato lo studio delle murature edilizie con l'integrazione di materiali a cambiamento di fase. È stata analizzata una parete piana perimetrale, in tre configurazioni; per la simulazione di base è stato utilizzato il calcestruzzo, che è stato poi miscelato con il 10% di materiali a cambiamento di fase, creando un muro con una dispersione omogenea. Inoltre, è stato studiato un altro sistema con due strati di materiali a cambiamento di fase all'esterno. Per quanto riguarda l'energia totale trasmessa durante la giornata, il sistema con i due strati ha comportato una riduzione del 44%, mentre la parete con il materiale mescolato ha ottenuto una riduzione del 32%. L'intento di questo lavoro era quello di realizzare uno studio con l'obiettivo finale di identificare le possibilità di reali applicazioni dei materiali a cambiamento di fase in diverse tipologie di sistema, per sfruttarne appieno le loro caratteristiche termiche. La mia speranza è di essere riuscita a contribuire ad un miglioramento in questo campo e di aver fornito suggerimenti e spunti di riflessione per possibili sviluppi futuri, in un’ottica di miglioramento energetico, incremento dello sfruttamento delle risorse rinnovabili ed adattamento alle nuove esigenze che si stanno creando nella società attuale.