Технології та інжиніринг
Технології та інжиніринг
ISSN 2786-5371 e-ISSN 2786-538X
DOI: 10.30857/2786-5371
Подати статтю

Стаття

Завантажити статтю

Аналіз використання фазоперехідних матеріалів для підвищення рівня енергоефективності будівель та акумуляції теплової енергії

Євген Лазарєв, Ірина Суходуб

Отримано 08.01.2025, Доопрацьовано 14.05.2025, Прийнято 25.06.2025

Анотація

 

Анотація. Зростання попиту на енергоефективні будівлі та прагнення до зниження викидів парникових газів вимагають впровадження інноваційних підходів до управління тепловою енергією в будівлях. Одним із таких підходів є використання фазоперехідних матеріалів, які забезпечують акумуляцію теплової енергії та підвищують теплову інерційність будівельних конструкцій, що робить їх ефективним рішенням для оптимізації енергоефективності будівель у різних кліматичних умовах. Метою статті був аналіз існуючих методів використання фазоперехідних матеріалів для підвищення енергоефективності будівель шляхом акумуляції теплової енергії. Зокрема, досліджувалися методи включення таких матеріалів в оболонку будівель та застосування їх у теплових акумуляторах. У статті застосовано методи аналізу та систематизації наукової літератури, зокрема розглянуто результати досліджень щодо впливу фазоперехідних матеріалів на теплову інерційність будівельних конструкцій, ефективність їх використання в теплових акумуляторах та вплив на енергоефективність будівель. Встановлено, що застосування фазоперехідних матеріалів сприяє значному підвищенню теплової інерційності будівель та зниженню втрат теплової енергії. Проаналізовано різні методи включення фазоперехідних матеріалів в оболонку будівель та їх використання у теплових акумуляторах. Виявлено основні переваги та недоліки кожного з методів, а також наведено приклади їх практичного застосування. Висвітлено можливі способи використання теплових акумуляторів з метою підвищення енергоефективності будівель, зокрема їх включення в системи опалення та гарячого водопостачання. Результати дослідження можуть бути використані при проєктуванні енергоефективних будівель, систем опалення та гарячого водопостачання, які використовують фазоперехідні матеріали для акумуляції теплової енергії, що сприятиме зниженню енергоспоживання та підвищенню комфорту проживання


Ключові слова:

фазоперехідні матеріали; парафін; огороджувальні конструкції; теплова інерційність; прихована теплота

https://doi.org/10.30857/2786-5371.2025.3.3

Взято з Т. 26, № 3, 2025

Сторінки 38-53

Використані джерела ЦИТУВАТИ

Використані джерела

  1. Akeiber, H., Nejat, P., Majid, M.Z.A., Wahid, M.A., Jomehzadeh, F., Zeynali Famileh, I., Calautit, J.K., Hughes, B.R., & Zaki, S.A. (2016). A review on phase change material (PCM) for sustainable passive cooling in building envelopes. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 60, 1470-1497. doi: 10.1016/j.rser.2016.03.036.
  2. Alshuraiaan, B. (2022). Efficient utilization of PCM in building envelope in a hot environment condition. International Journal of Thermofluids, 16, article number 100205. doi: 10.1016/j.ijft.2022.100205.
  3. Al-Yasiri, Q., & 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, article number 102122. doi: 10.1016/j.jobe.2020.102122.
  4. Antipov, Ye.O. (2016). System of comprehensive energy supply for consumers using alternative sources and combined energy storage systems. (Dissertation for the degree of Candidate of Technical Sciences, National University of Life and Environmental Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine).
  5. Antypov, Ie., Mishchenko, A., Shelimanova, O., & Tarasenko, S. (2022). Analysis of the influence of the internal heat capacity of a public building on the thermal comfort parameters of the premises during the operation of the heating system in alternating mode. Machinery & Energetics, 13(2), 20-31. doi: 10.31548/machenergy.13(2).2022.20-31.  
  6. Bai, Y., Guo, X., Pu, Y., Kang, X., & Wang, H. (2023). Effects of heat transfer medium flow field changes on the heat storage and discharge performance of phase change heat accumulators. Journal of Energy Storage, 57, article number 106278. doi: 10.1016/j.est.2022.106278.
  7. Bayraktar, F.S., & Köse, R. (2025). The impact of phase change materials on electricity consumption in prefabricated temporary houses. Energy Science & Engineering, 13(5), 2352-2363. doi: 10.1002/ese3.70035.
  8. Bejarano, G., Suffo, J.J., Vargas, M., & Ortega, M.G. (2018). Novel scheme for a PCM-based cold energy storage system. Design, modelling, and simulation. Applied Thermal Engineering, 132, 256-274. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.12.088.
  9. Bodarya, K., & Kaushal, V. (2025). Thermoenergetic performance of phase change materials in building envelopes under future climate scenario. Applied Sciences, 15(3), article number 1562. doi: 10.3390/app15031562.
  10. Carlucci, F., Cannavale, A., Triggiano, A.A., Squicciarini, A., & Fiorito, F. (2021). Phase change material integration in building envelopes in different building types and climates: Modeling the benefits of active and passive strategies. Applied Sciences, 11(10), article number 4680. doi: 10.3390/app11104680.
  11. Cellat, K., Tezcan, F., Beyhan, B., Kardaş, G., & Paksoy, H. (2017). A comparative study on corrosion behavior of rebar in concrete with fatty acid additive as phase change material. Construction and Building Materials, 143, 490-500. doi: 10.1016/j.conbuildmat.2017.03.165.
  12. Constantin, L., Dragomir-Stanciu, D., & Crismaru, I.V. (2015). Optimization of heat exchange in a heat accumulator with latent heat storage. Procedia Technology, 19, 737-741. doi: 10.1016/j.protcy.2015.02.104.
  13. de Gracia, A. (2019). Dynamic building envelope with PCM for cooling purposes – proof of concept. Applied Energy, 235, 1245-1253. doi: 10.1016/j.apenergy.2018.11.061.
  14. Dmitruk, A., Naplocha, K., Grzęda, J., & Kaczmar, J.W. (2020а). Aluminum inserts for enhancing heat transfer in PCM accumulator. Materials, 13(2), article number 415. doi: 10.3390/ma13020415.
  15. Dmitruk, A., Naplocha, K., Kaczmar, J.W., & Smykowski, D. (2020b). Pin-fin metal alloy structures enhancing heat transfer in PCM-based heat storage units. Heat and Mass Transfer, 56, 2265-2271. doi: 10.1007/s00231-020-02861-6.
  16. Gao, Y., He, F., Meng, X., Wang, Z., Zhang, M., Yu, H., & Gao, W. (2020). Thermal behavior analysis of hollow bricks filled with phase-change material (PCM). Journal of Building Engineering, 31, article number 101447. doi: 10.1016/j.jobe.2020.101447.
  17. Hlek, Y.O. (2024). Experimental and computational study of thermophysical properties of composite thermal storage nanomaterials based on technical paraffin. (Doctoral dissertation, Odesa National Technological University, Odesa, Ukraine).
  18. The International Energy Agency. (n.d.). Buildings. Retrieved from https://www.iea.org/energy-system/buildings.
  19. Jaradat, M., Al Majali, H., Bendea, C., Bungau, C.C., & Bungau, T. (2023). Enhancing energy efficiency in buildings through PCM integration: A study across different climatic regions. Buildings, 14(1), article number 40. doi: 10.3390/buildings14010040.
  20. Khayyaminejad, A., & Fartaj, A. (2024). Unveiling the synergy of passive cooling, efficient ventilation, and indoor air quality through optimal PCM location in building envelopes. Journal of Energy Storage, 89, article number111633. doi: 10.1016/j.est.2024.111633.
  21. Kots, I., Pankevych, O., & Badiaka, O. (2023). Current state and trends of improvement characteristics of main heat accumulating installations and materials. Modern Technology, Materials and Design in Construction, 35(2), 159-166. doi: 10.31649/2311-1429-2023-2-159-166.
  22. Kulish, V., Aslfattahi, N., Schmirler, M., & Sláma, P. (2023). New library of phase-change materials with their selection by the Rényi entropy method. Scientific Reports, 13, article number 10446. doi: 10.1038/s41598-023-37701-0.
  23. Lei, J., Yang, J., & Yang, E.-H. (2016). Energy performance of building envelopes integrated with phase change materials for cooling load reduction in tropical Singapore. Applied Energy, 162, 207-217. doi: 10.1016/j.apenergy.2015.10.031.
  24. Liu, C., Ma, Z., Jiang, R., Qu, J., & Rao, Z. (2020). Experimental study on heat transfer enhancement of phase change material using embedded oscillating heat pipe for thermal energy storage. ISIJ International, 60(10), 2157-2164. doi: 10.2355/isijinternational.isijint-2019-507.
  25. Liu, G., Xiao, T., Wang, X., Yang, X., & Li, H. (2022). Numerical analysis of inner heating tube position for improving solid-phase transition in a shell-and-tube heat accumulator. Alexandria Engineering Journal, 65, 771-784. doi: 10.1016/j.aej.2022.10.022.
  26. Liu, P., Wang, C., Chen, P., Cheng, X., & Wang, Z. (2024). Research progress of direct contact heat storage based on phase change heat storage. Energy Storage, 6(2), article number e585. doi: 10.1002/est2.585.
  27. Lu, B., Zhang, Y., Sun, D., Wang, C., Wang, Z., & Luo, M. (2023). Improving the melting performance of phase change material (PCM) in a latent heat thermal energy storage unit via a non-uniform arrangement of longitudinal fin. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A: Journal of Power and Energy, 237(5), 1100-1112. doi: 10.1177/09576509231156236.
  28. Lu, S., Li, Y., Kong, X., Pang, B., Chen, Y., Zheng, S., & Sun, L. (2016). A review of PCM energy storage technology used in buildings for the global warming solution. In Energy solutions to combat global warming (pp. 611-644). Cham: Springer International Publishing. doi: 10.1007/978-3-319-26950-4_31.
  29. Nallusamy, N., Sampath, S., & Velraj, R. (2007). Experimental investigation on a combined sensible and latent heat storage system integrated with constant/varying (solar) heat sources. Renewable Energy, 32(7), 1206-1227. doi: 10.1016/j.renene.2006.04.015.
  30. Osterman, E., Del Pero, C., Zavrl, E., Leonforte, F., Aste, N., & Stritih, U. (2023). Phase-change material thermal energy storage for the smart retrofitting of existing buildings. Energies, 16(17), article number 6127. doi: 10.3390/en16176127.
  31. Özdemir, M., & Gülten, A. (2024). Effect of phase change materials on building heating and cooling load considering different wall combinations. Journal of Design for Resilience in Architecture and Planning, 5(3), 363-377. doi: 10.47818/drarch.2024.v5i3137.
  32. Pfleger, N., Bauer, T., Martin, C., Eck, M., & Wörner, A. (2015). Thermal energy storage – overview and specific insight into nitrate salts for sensible and latent heat storage. Beilstein Journal of Nanotechnology, 6, 1487-1497. doi: 10.3762/bjnano.6.154.
  33. Powała, K., Obraniak, A., Heim, D., & Mrowiec, A. (2022). Macroencapsulation of paraffin in a polymer-gypsum composite using granulation technique. Materials, 15(11), article number 3783. doi: 10.3390/ma15113783.
  34. Rathore, P.K.S., & Shukla, S.K. (2020). An experimental evaluation of thermal behavior of the building envelope using macroencapsulated PCM for energy savings. Renewable Energy, 149, 1300-1313. doi: 10.1016/j.renene.2019.10.130.
  35. Saffari, M., Roe, C., & Finn, D.P. (2022). Improving the building energy flexibility using PCM-enhanced envelopes. Applied Thermal Engineering, 217, article number 119092. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2022.119092.
  36. Sharma, A., Tyagi, V.V., Chen, C.R., & Buddhi, D. (2009). Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13(2), 318-345. doi: 10.1016/j.rser.2007.10.005.
  37. Singh, S.K., Verma, S.K., Kumar, R., Sharma, A., Singh, R., & Tiwari, N. (2022). Experimental analysis of latent heat thermal energy storage system using encapsulated multiple phase-change materials. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part E: Journal of Process Mechanical Engineering, 238(1), 124-133. doi: 10.1177/09544089221110983.
  38. Vanaga, R., Narbuts, J., Freimanis, R., Zundāns, Z., & Blumberga, A. (2023). Performance assessment of two different phase change materials for thermal energy storage in building envelopes. Energies, 16(13), article number 5236. doi: 10.3390/en16135236.
  39. Velasco-Carrasco, M., Chen, Z., Aguilar-Santana, J.L., & Riffat, S. (2020). Experimental evaluation of thermal energy storage (TES) with phase change materials (PCM) for ceiling tile applications. Future Cities and Environment, 6(1), article number 11. doi: 10.5334/fce.101.
  40. Yang, H., Zhang, G., Liu, Z., Yan, X., Lu, W., & Wang, Z. (2021). An experimental investigation on the control mechanism and heat transfer enhancement of composite phase change materials. Energy Proceedings, 16, article number 8390. doi: 10.46855/energy-proceedings-8390.

ЦИТУВАТИ

Lazarsev, Ye., & Sukhodub, I. (2025). Analysis of the use of phase transition materials to improve the energy efficiency of buildings and thermal energy storage. Technologies and Engineering, 26(3), 38-53. https://doi.org/10.30857/2786-5371.2025.3.3