Design of latent heat storage applications and evaluation of their impact on variations in greenhouse indoor temperature

Abstract

Due to climate change, the use of thermal energy storage applications in various energy systems have become increasingly essential. The use of thermal energy storage technologies in greenhouses improves indoor conditions and crop yield while reducing both carbon dioxide emissions and energy costs. As greenhouses require substantial amount of thermal energy, the use of storage applications has a key role in heating and cooling of greenhouses.

In this study the performance of the designed storage configurations and their impact on indoor temperature variations in the greenhouse is assessed during the cooling season in the selected analysis period. The designed storage configurations shell-and-tube and plate latent heat storage are installed in a decommissioned cylindrical oil tank with a volume of 50 m3. Performance evaluation includes calculations of the temperature difference between inlet and outlet temperatures, operational outlet temperatures, charging and discharging rates, and total storage capacities based on defined power rates. For stabilization of the greenhouse indoor temperature fluctuations, the calculated outlet temperature of storages is used to evaluate the impact on the greenhouse indoor temperature. In addition, the selection of a suitable PCM for storages is discussed as well.

According to the results, the indoor temperature conditions of the greenhouse is significantly increased by the designed latent heat storages, where total excess heat was reduced at least 98.4% and total heat deficit by 73.3%.

Ilmastonmuutoksen myötä lämpöenergian varastointisovellusten käyttö erilaisissa energiajärjestelmissä on tullut yhä tärkeämmäksi. Lämpöenergian varastointiteknologioiden käyttö kasvihuoneissa parantaa sisäolosuhteita ja satoa sekä vähentää sekä hiilidioksidipäästöjä että energiakustannuksia. Koska kasvihuoneet tarvitsevat huomattavan määrän lämpöenergiaa, varastointisovellusten käyttö on avainasemassa kasvihuoneiden lämmityksessä ja jäähdytyksessä.

Tässä tutkimuksessa arvioidaan suunniteltujen varastokokoonpanojen suorituskykyä ja niiden vaikutusta kasvihuoneen sisälämpötilan vaihteluihin jäähdytyskauden aikana valitulla analyysijaksolla. Suunnitellut varastokokoonpanot, vaippa-putki- sekä levy lämmönvaihdin, asennetaan käytöstä poistettuun lieriömäiseen öljysäiliöön, jonka tilavuus on 50 m3. Suorituskyvyn arviointi sisältää tulo- ja menolämpötilojen lämpötilaeron laskelmat, lataus- ja purkutehot sekä kokonaiskapasiteetit määritettyjen tehojen perusteella. Kasvihuoneen sisälämpötilan vaihteluiden vakauttamiseksi varastojen laskettua ulostulolämpötilaa käytetään arvioimaan varastojen vaikutusta kasvihuoneen sisälämpötilaan. Lisäksi työssä tarkastellaan sopivan faasimuutosmateriaalin valintaa.

Tulosten mukaan kasvihuoneen optimaalisia sisälämpötilaolosuhteita parannetaan merkittävästi suunnitelluilla latentin lämmön varastoilla, missä kokonaisylilämpö väheni vähintään 98,4 % ja kokonaislämpövaje 73,3 %.