Advances in Phase Change Materials and Their Application in Buildings

Abstract

Due to increasing environmental concerns, efficient energy use has become very important. Therefore, energy storage, saving, and efficiency issues have become increasingly important, especially in engineering studies. Two different methods are used in thermal energy storage systems, which are the subheadings of energy storage technologies: latent heat and sensible heat. Phase change materials (PCMs), which allow thermal energy to be stored and used later, have been increasingly used in construction, automotive, air conditioning, textile, logistics, electronics, health, and many other areas. These materials, divided into organic, inorganic, and eutectic, must have high latent heat storage capacity and appropriate phase change temperature. This study reviews literature, considering types of phase change materials, application methods, and application areas. In this study, where the effects of PCMs on the amount of energy consumed, especially in meeting the heating and cooling demands of buildings, were investigated, it was seen that the use of PCM contributed to both the energy used in heating and cooling processes and the indoor temperature changes. In addition, it was explained in detail which methods and parameters are prominent in the use of PCM in both buildings and other areas.

Keywords

• Phase change material
• Change of state
• Thermal storage
• Latent heat

Faz Değiştiren Malzemeler ve Bina Uygulamalarındaki Gelişmeler

Öz

Günümüzde artan çevresel kaygılardan dolayı enerji kullanımının verimli bir şekilde gerçekleştirilmesi oldukça önem kazanmıştır. Bundan dolayı özellikle mühendislik çalışmalarında enerji depolanması, tasarrufu ve verimi konuları giderek önemli hale gelmiştir. Enerji depolama teknolojilerinin alt başlığı olan ısıl enerji depolama sistemlerinde gizli ısı ve duyulur ısı olmak üzere iki farklı yöntem kullanıldığı bilinmektedir. Isıl enerjinin depolanarak gereksinim anında kullanılmasını sağlayan faz değiştiren malzemelerin (FDM) son yıllarda kullanımı inşaat, otomotiv, iklimlendirme, tekstil, lojistik, elektronik, sağlık ve daha birçok farklı alanda kullanımı giderek artmaktadır. Organik, inorganik ve ötektik olmak üzere temelde üçe ayrılan bu malzemelerin yüksek gizli ısı depolama kapasitesi ve uygun faz değişim sıcaklığına sahip olması önemli unsurlardandır. Bu çalışmada, faz değiştiren malzemelerin çeşitleri, uygulama yöntemleri ve uygulama alanlarının incelendiği bir literatür taraması gerçekleştirilmiştir. FDM’lerin özellikle binaların ısıtma ve soğutma ihtiyaçlarının karşılanmasında tüketilen enerji miktarına olan etkilerinin araştırıldığı bu çalışmada FDM kullanımının hem ısıtma ve soğutma işlemlerinde harcanan enerji kullanımına hem de iç ortam sıcaklık değişimlerine katkı sağladığı görülmüştür. Ayrıca FDM kullanımının hem binalarda hem de diğer alanlarda hangi yöntemler ile ve hangi parametrelerin ön plana çıktığı detaylı bir şekilde açıklanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Faz değiştiren malzeme
• Hal değişimi
• Isıl depolama
• Gizli ısı

References

1. Kishore, R. A., Bianchi, M. V., Booten, C., Vidal, J., and Jackson, R. (2020) Modulating thermal load through lightweight residential building walls using thermal energy storage and controlled precooling strategy, Applied thermal engineering, 180, 115870.
2. Chen, S., Yang, Y., Olomi, C., and Zhu, L. (2020, April) Numerical study on the winter thermal performance and energy saving potential of thermo-activated PCM composite wall in existing buildings, In Building simulation (Vol. 13, pp. 237-256). Tsinghua University Press
3. Iffa, E., Hun, D., Salonvaara, M., Shrestha, S., and Lapsa, M. (2022) Performance evaluation of a dynamic wall integrated with active insulation and thermal energy storage systems, Journal of Energy Storage, 46, 103815.
4. Sun, X., Jovanovic, J., Zhang, Y., Fan, S., Chu, Y., Mo, Y., and Liao, S. (2019) Use of encapsulated phase change materials in lightweight building walls for annual thermal regulation, Energy, 180, 858-872.
5. Hesaraki, A., Ploskic, A., and Holmberg, S. (2015) Integrating low-temperature heating systems into energy efficient buildings, Energy Procedia, 78, 3043-3048.
6. Johansson, P. O., and Wollerstrand, J. (2010, September) Improved temperature performance of radiator heating system connected to district heating by using add-on-fan blowers. In Proceedings of The 12th International Symposium on District Heating and Cooling.
7. Bayram, H., and Koc, N. (2023) Experimental investigation of the effects of add-on fan radiators on heat output and indoor air temperature, Case Studies In Thermal Engineering, 50, 103432.
8. Sugo, H., Kisi, E., Bradley, J.,Fiedler, T., and Luzin,V. (2017) In situ neutron diffraction studies of operating MGA thermal storage materials, Renewable Energy and Environmental Sustainability. 2. 34. 10.1051/rees/2017023.

9. Mert, M. S., Sert, M., ve Mert, H. H. (2018). Isıl enerji depolama sistemleri için organik faz değiştiren maddelerin mevcut durumu üzerine bir inceleme, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 6(1), 161-174.
10. Kurşun, B. and Balta, M. (2023). Effect of inner channel geometry on solidification performance of phase change material (PCM) in double-pipe thermal energy storage, International Journal of Pioneering Technology and Engineering, 2(02), 165-169.
11. Choure, B. K., Alam, T., and Kumar, R. (2023). A review on heat transfer enhancement techniques for PCM based thermal energy storage system, Journal of Energy Storage, 72, 108161.
12. Wu, S., Yan, T., Kuai, Z., and Pan, W. (2020). Thermal conductivity enhancement on phase change materials for thermal energy storage: A review, Energy Storage Materials, 25, 251-295.
13. Liu, L., Niu, J. and Wu, J. (2021) Preparation of Stable Phase Change Material Emulsions for Thermal Energy Storage and Thermal Management Applications: A Review, Materials. 15. 121. 10.3390/ma15010121.)
14. Kıraylar, K. (2020) Yenilenebilir kaynaklardan potansiyel faz değiştirici maddelerin etkin sentez yöntemleri, Yüksek Lisans Tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Bursa.
15. Socaciu, L., Pleşa, A., Ungureşan, P., and Giurgiu, O. (2014). Review on phase change materials for building applications, Leonardo Electronic Journal of Practices and Technologies, 25, 179-194.
16. Mukram, T. A., and Daniel, J. (2022) A review of novel methods and current developments of phase change materials in the building walls for cooling applications, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 49, 101709.
17. Reddy, V. J., Ghazali, M. F., and Kumarasamy, S. (2024) Advancements in phase change materials for energy-efficient building construction: A comprehensive review, Journal of Energy Storage, 81, 110494.
18. Yaldız, S. (2023) Düşük sıcaklık uygulamaları için faz değiştiren malzemelerin hazırlanması ve ısıl özelliklerinin incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Yalova Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Yalova.
19. Milián,Y.E.,Gutiérrez, A.,Grágeda, M. and Ushak, S. (2017) A review on encapsulation techniques for inorganic phase change materials and the influence on their thermophysical properties, Renewable and Sustainable Energy Reviews,Volume 73,Pages 983-999,ISSN 1364-0321.
20. Gül, R. (2024) Akıllı tekstil ürünlerde kullanılmak üzere Halfeti gül (R. ODORATA ‘LOUIS IV’) yağı içeren mikrokapsüllerin geliştirilmesi, International Journal of Health and Applied Science, 2(2), 9-30.
21. İkbal, F. M. (2018) Radyatör ve beton kolon ile ısıtılan oda içerisindeki termal konforun sayısal incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri.
22. Al-Yasiri, Q., and Szabó, M. (2021) Incorporation of phase change materials into building envelope for thermal comfort and energy saving: A comprehensive analysis, Journal of Building engineering, 36, 102122.
23. Arroba, P., Buyya, R., Cárdenas, R., Risco‐Martín, J. L., and Moya, J. M. (2024) Sustainable edge computing: Challenges and future directions, Software: Practice and Experience.
24. Frigione, M., Lettieri, M., and Sarcinella, A. (2019) Phase change materials for energy efficiency in buildings and their use in mortars, Materials, 12(8), 1260.
25. Palacios, A., Navarro-Rivero, M. E., Zou, B., Jiang, Z., Harrison, M. T., and Ding, Y. (2023) A perspective on Phase Change Material encapsulation: Guidance for encapsulation design methodology from low to high-temperature thermal energy storage applications, Journal of Energy Storage, 72, 108597.
26. Chinnasamy, V., Heo, J., Jung, S., Lee, H., and Cho, H. (2023) Shape stabilized phase change materials based on different support structures for thermal energy storage applications–A review. Energy, 262, 125463.
27. An, Z., Chen, H., Du, X., Shi, T., and Zhang, D. (2022) Preparation and performance analysis of form-stable composite phase change materials with different EG particle sizes and mass fractions for thermal energy storage, ACS omega, 7(38), 34436-34448.
28. Wang, X., Li, W., Luo, Z., Wang, K., and Shah, S. P. (2022) A critical review on phase change materials (PCM) for sustainable and energy efficient building: Design, characteristic, performance and application, Energy and buildings, 260, 111923.
29. Tay, N. H. S., Belusko, M., and Bruno, F. (2012) Experimental investigation of tubes in a phase change thermal energy storage system, Applied energy, 90(1), 288-297.
30. Gil, A., Peiró, G., Oró, E., and Cabeza, L. F. (2018) Experimental analysis of the effective thermal conductivity enhancement of PCM using finned tubes in high temperature bulk tanks, Applied thermal engineering, 142, 736-744.
31. Ahmadi, R., Hosseini, M. J., Ranjbar, A. A., and Bahrampoury, R. (2018) Phase change in spiral coil heat storage systems, Sustain. Cities Soc. 38 145–157.
32. Kabbara, M., Groulx, D., and Joseph, A. (2018) A parametric experimental investigation of the heat transfer in a coil-in-tank latent heat energy storage system, International Journal of Thermal Sciences, 130, 395-405.
33. Kowsky, C., Wolfe, E., Chowdhury, S., Ghosh, D., and Wang, M. (2014) PCM evaporator with thermosiphon, SAE Technical Paper, (No. 2014-01-0634).
34. Başak, E., Dursun, H., Sevilgen, G., and Bayram, H. (2023) The experimental investigation of the usage of PCM in the heat pump system for the electric vehicles. 5. International Ankara Multidisciplinary Studies Congress.
35. Waqas, A., and Din, Z. U. (2013) Phase change material (PCM) storage for free cooling of buildings—A review, Renewable and sustainable energy reviews, 18, 607-625.
36. Osterman, E., Tyagi, V. V., Butala, V., Rahim, N. A., and Stritih, U. (2012) Review of PCM based cooling technologies for buildings, Energy and Buildings, 49, 37-49.
37. Ismail, K.A. and Castro, J.. (1997) PCM thermal insulation in buildings, International Journal of Energy Research.
38. Balci, O. M. (2018). Design of a Heat Exchanger with Phase Change Material, Master's thesis, Dokuz Eylul University Institute of Science,İzmir.
39. Haydaraslan, E., Çuhadaroğlu, B., ve Yaşar, Y. (2020) Kat ısıtmasında yüzer döşeme ve faz değiştiren malzeme kullanımının enerji verimliliğine ve konfor koşullarına etkisi, Mühendis ve Makina, 61(700), 180-197.
40. Özel, M., ve Çakmak, F. A. (2023). Farklı yönlendirmeli bina dış duvarlarında faz değiştiren malzeme kullanımının ısı kazancına etkisinin araştırılması, Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 35(1), 413-424.
41. Liu, Z. A., Hou, J., Chen, Y., Liu, Z., Zhang, T., Zeng, Q., ... and Jiang, G. (2023) Effectiveness assessment of different kinds/configurations of phase-change materials (PCM) for improving the thermal performance of lightweight building walls in summer and winter, Renewable Energy, 202, 721-735.
42. Evola, G., and Marletta, L. (2014) The effectiveness of PCM wallboards for the energy refurbishment of lightweight buildings, Energy Procedia, 62, 13-21.
43. Hou, J., Meng, X., and Dewancker, B. J. (2021) A numerical study on the effect of phase-change material (PCM) parameters on the thermal performance of lightweight building walls, Case Studies in Construction Materials, 15, e00758.
44. Cai, R., Sun, Z., Yu, H., Meng, E., Wang, J., and Dai, M. (2021) Review on optimization of phase change parameters in phase change material building envelopes, Journal of Building Engineering, 35, 101979.
45. Hou, J., Huang, Y., Zhang, J., Meng, X., and Dewancker, B. J. (2022) Influence of phase change material (PCM) parameters on the thermal performance of lightweight building walls with different thermal resistances, Case Studies in Thermal Engineering, 31, 101844.
46. Hou, J., Wei, D., Meng, X., and Dewancker, B. J. (2022) Thermal performance analysis of lightweight building walls in different directions integrated with phase change materials (PCM), Case Studies in Thermal Engineering, 40, 102536.