UTILIZATION OF FORM-STABLE PHASE CHANGE MATERIALS IN BUILDING APPLICATIONS UNDER HOT WEATHER CONDITIONS. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD Thesis) Full PhD Thesis_ Khaled Mohaisen.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 2 May 2024. Download (10MB)

Arabic Abstract

حظيت مواد تغيير الحالة (PCMs) باهتمام كبير لاستخدامها في تطبيقات توفير الطاقة. ومع ذلك ، فإن استخدامها في المباني ، خاصة في ظل ظروف الطقس الحار ، محدود. تذوب مكونات PCM خلال النهار ثم تتصلب أثناء الليل. وخلال هذا التغير تقوم بامتصاص واطلاق الطاقة مما يساعد على بقاء المباني باردة أثناء النهار في الصيف وتقليل الحاجة للتبريد. تخزن PCMs الحرارة من الطاقة الشمسية وغيرها من المصادر كحرارة كامنة ضمن نطاق درجة حرارة معينة ، مما يؤدي إلى الحفاظ على الطاقة المطلوبة لتكييف الهواء (AC). إن استخدام مثل هذه المواد أمر مرغوب فيه للغاية في المملكة بسبب الظروف الجوية القاسية السائدة. فقد زاد الاهتمام باستخدام مواد PCM بشكل حاد خلال العقد الماضي ، بسبب الحاجة إلى الحفاظ على الطاقة والموارد الطبيعية. تم تطوير العديد من أنظمة PCM لاستخدامها في العديد من التطبيقات المختلفة ، مثل تسخين المياه بالطاقة الشمسية ، والعزل الحراري ، وتطبيقات الأطعمة ذات درجات الحرارة المنخفضة ، وما إلى ذلك. ومع ذلك ، لم يتم القيام بالكثير من الأبحاث على استخدامها في المباني. إن استخدام هذه التكنولوجيا في عملية البناء يساعد على تقليل استهلاك الطاقة وتحسين الراحة الداخلية للمبنى. و يمكن أيضا استخدام PCMs للحفاظ على الطاقة وتخزينها ، أو للتحكم في تقلبات درجة حرارة المبنى الداخلي للحصول على الراحة الداخلية في المباني. يمكن استخدام PCMs في العديد من العناصر الهيكلية وغير الهيكلية للمبنى ، مثل الجدران والأسقف والفواصل وما إلى ذلك. سيؤدي استخدام PCMs في المباني إلى تقليل الطاقة المطلوبة بشكل عام للتبريد والتدفئة. من بين أنظمة PCM المختلفة ، هناك طلب كبير على PCM العضوي لتطبيقات البناء نظرًا لسهولة توفره ونطاق درجة الحرارة المطلوب وخصائصه غير السامة. ومع ذلك ، هناك عيبان لاستخدام PCM العضوي ، وهما مشاكل التسرب أثناء عملية الذوبان والتصلب في أوقات النهار والليل والتوصيل الحراري المنخفض الذي سيؤثر على كفاءته ، مما يحد من استخدامه في المباني. لذلك، هناك حاجة ماسة لتطوير مواد PCM يمكن استخدامها للتغلب على هذه العيوب. تم إجراء بعض الأعمال على استخدام نماذج PCM مستقرة في المباني. ومع ذلك ، فقد تركز معظم هذا العمل في ظروف الطقس البارد باستخدام مواد مصنعة وعالية التكلفة. وحيث لم يتم بعد تقييم جدوى استخدام هذه التكنولوجيا الناشئة في ظروف الطقس الحار، كما هو الحال في الخليج العربي. وبالتالي فان الهدف الأساسي من هذه الدراسة هو تطوير مواد PCMs ذات الشكل المستقر لاستخدامها في ظروف الطقس الحار في المملكة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام المخلفات الصناعية والمواد الطبيعية لتطوير شكل مستقر من مواد ال PCMs للتغلب على مشاكل التسرب. في هذه الدراسة، تم فحص العديد من المواد الداعمة لتطوير شكل مستقر من الـPSMs لتصبح مستقرة الشكل (FS-PCM). وقد تم تقييم الخصائص الحرارية والفيزيائية والكيميائية للمواد المختارة باستخدام مجموعة واسعة من التقنيات التحليلية. من بين المواد التي تم تحليلها، أظهرت مادة ExPP/CNT(0.5%) أفضل أداء، مما يشير إلى أنها مادة قابلة للتطبيق لنظام تخزين الطاقة الحرارية. علاوة على ذلك فان مادة ExPP المطورة تعد مادة واعدة للاستخدام في أنظمة تخزين الطاقة الحرارية في المباني، وذلك لاستجابتها السريعة لتخزين/اطلاق الطاقة المخزنة مع الحفاظ على الاستقرار الكيميائي والقدرة الحرارية. حيث لا تعاني مواد ExPP من مشاكل التسرب، بالاضافة إلى كفاءة جميع الخصائص الأخرى التي تلعب دورا هاما في الحفاظ على الراحة الحرارية في المبنى. ومع ذلك فان ExPP لديها موصلية حرارية منخفضة، مما يحد من تطبيقها كنظام لتخزين الطاقة. مقارنة بمركبات PCM أخرى، فأن ExPP/CNT(0.5%) يوفر قدرة أكبر من المحتوى الحراري، وسعة تخزين فائفة. حيث تمنع البنية الهيكيلة لمركب ExPP/CNT(0.5%) تسرب الـPEG أثناء عملية الانصهار والتجمد. لاستخدام PCMs في المباني، تم تحليل وفحص جزئيات السكوريا المغلفة بالاسمنت (SCPC) واستخدامها لأول مرة لتحسين الأداء الحراري للخرسانة. حيث تم استخدام السكوريا البركانية ذات المسامية المرتفعة كمواد داعمة لتطوير شكل مستقر من مواد FS-PCM تستخدم في الخرسانة.حيث وجد أن قدرة امتصاص السكوريا 47% باستخدام تقنية الحقن الفراغي. علاوة على ذلك، أظرت نتائج فحص XRD و FTIR أن مواد SCP قد تشكلت بدون أي تفاعلات كيميائية أثناء عملية التحضير. بالاضافة إلى ذلك، تظهر نتائج مقاومة الضغط أنه يمكن استبدال الى ما يصل حتى 80% من مواد SC بـ SCPC في الخرسانة الانشائية للمباني. بالاضافة لذلك فان مواد SCPC لديها القدرة على تخفيض الحرارة بـ 5.49 درجة مئوية و 3.88 درجة مئوية في عمليات التسخين والتبريد، على اتوالي. مما يعكس القصور الذاتي الحراري العالي للخرسانة التي تحتوي على مواد SCPC. وبالتالي فان الخرسانة المحضرة باستخدام مواد SCPC لها القدرة على تقليل استهلاك الطاقة عن طريق خفض درجة الحرارة وبالتلي يمكن استخدامها لتحسين كفاءة استهلاك الطاقة في المباني

English Abstract

Phase change materials (PCMs) have received significant attention for their use in energy saving applications. However, their utilization in buildings, especially under hot weather conditions is limited. The components of PCMs melt during the daytime and then they solidify during the nighttime. This phase change process decreases the internal temperature during the daytime and increases the temperature during nighttime. PCMs store heat from solar and other sources as latent heat within a temperature range, resulting in a significant conservation of energy required for air conditioning (AC). As such, the use of PCMs is highly desirable in the Kingdom due to the prevailing extreme weather conditions. The interest around the use of PCMs is increasing over the last decade, due to the need for conserving energy and natural resources. Several PCMs have been developed for several applications, such as solar water heating, thermal insulation, low temperature food applications, etc. However, not much research has been done on their use in the buildings. The construction industry requires such a technology to decrease energy consumption and to improve internal building comfort. PCMs can be used to conserve and store energy, or to control the fluctuation in the indoor temperature. PCMs can be utilized in many structural and non-structural elements, such as walls, blocks, partitions plaster, etc. of a building. The use of PCMs in buildings will significantly decrease the energy that is generally required for cooling and heating. Among the PCMs, organic PCM has high demand for building applications due to its easy availability, desired temperature ranges and non-toxic properties. However, two drawbacks of organic PCMs, are leakage during melting and solidification process at day and night times, and low thermal conductivity that will affect its efficiency, are limiting their use in buildings. Consequently, there is a need to develop carriers that can be used to overcome these disadvantages. Some work has been conducted on the use of form stable PCMs in buildings. However, it has been concentrated in the cold weather conditions using manufactured and high cost materials. The feasibility of utilizing this emerging technology in the hot weather conditions, such as in the Arabian Gulf, is yet to be assessed. Consequently, the main goal of this study was to develop form-stable PCMs for the hot weather conditions of the Kingdom. In addition, indigenous natural and industrial waste materials can be used to develop a form stable PCM with better conductivity and encapsulation to prevent leakage problems. In this study, several supporting materials were investigated to develop a form stable phase change material (FS-PCM). The thermal and physico-chemical properties of the selected materials was evaluated utilizing a wide array of analytical techniques. Among the materials investigated, ExPP/CNT (0.5%) exhibited the best performance, indicating that it is a viable material for thermal energy storage system. Further, the developed ExPP composite is a promising PCM for TES in energy-efficient buildings due to its remarkable ability of rapid energy storage/release combined with good chemical stability and thermal reliability. Further, ExPP does not have leakage problems, super cooling is minimized and all other properties that play a crucial role in maintaining building comfort are superior. However, it has low thermal conductivity which limits its application as an energy storage system. Compared to other PCM composites, the developed ExPP/CNT (0.5%) PCM offers greater enthalpy, superior storage capacity, and minimum super cooling. The structural properties and the pore network of ExPP/CNT (0.5%) composite prevents the leakage of liquid PEG during service. To utilize PCMs in building applications, cement coated scoria/PEG particles (SCPC) were characterized and utilized for the first time to improve the thermal performance of concrete. Porous volcanic scoria was successfully employed as supporting material to develop a FS-PCM used in concrete. The absorption capacity SC was found to be 47% using a vacuum impregnation technique. Moreover, the XRD and FTIR results showed that SCP indicating that the developed SCP was formed without any chemical reactions during the preparation process. Additionally, the compressive strength results show that up to 80% replacement of SCPC by SC in concrete can be deployed as a structural concrete in buildings. Moreover, the thermal performance analysis shows that concrete panels containing SCPC has a maximum temperature reduction of 5.49 °C and 3.88 °C for the heating and cooling cycles, respectively. Which reflects the higher thermal inertia of concrete containing SCPC. Thus, the prepared SCPC concrete has a function of reducing the energy consumption by decreasing the temperature and shifting the loads away from the peak periods. Therefore, SCPC can be used to enhance the thermal storage of concrete in buildings

Item Type:	Thesis (PhD)
Subjects:	Civil Engineering > Structural Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Civil and Environmental Engineering
Committee Advisor:	Al-Dulaijan, Salah U.
Committee Co-Advisor:	Zahir, Hasan
Committee Members:	Ahmad, Shamsad and Maslehuddin, Mohammed and Al-Zahrani, Mesfer M.
Depositing User:	KHALED MOHAISEN (g201406580)
Date Deposited:	03 May 2023 07:49
Last Modified:	03 May 2023 07:49
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142370