مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

مجله صنایع چوب و کاغذ ایران

بررسی پتانسیل ذخیره‌ انرژی گرمایی چوب با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده اسید کاپریک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تربیت مدرس، نور، مازندران، ایران
2 گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران & دانشکده مهندسی، دانشگاه فناوری آلمان در عمان، مسقط، عمان
3 گروه مهندسی شیمی فیزیک، دانشکده علوم هنر، دانشگاه قاضی عثمان پاشا، توکات، ترکیه
10.22034/ijwp.2026.2078748.1743
چکیده
چکیده
بیان مسله و اهداف: در سال‌های اخیر، بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان‌ها به یکی از محورهای اصلی پژوهش در حوزه مهندسی ساختمان و انرژی تبدیل شده است. بهره‌گیری از مواد تغییر فاز دهنده (PCM) در ساخت مصالح و اجزای ساختمانی نظیر دیوارها و سقف‌ها، به‌عنوان رویکرد نوین برای افزایش بهره‌وری انرژی گرمایی، مورد توجه قرار گرفته است. این مواد با افزایش جرم و اینرسی حرارتی، به‌ویژه در ساختمان‌های سبک‌وزن با ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی محدود، سبب بهبود عملکرد ذخیره حرارتی اجزای ساختمان می شوند. اسید کاپریک، به‌عنوان یکی از پرکاربردترین مواد تغییر فاز دهنده، با دمای نقطه ذوب نزدیک به محدوده آسایش حرارتی، به‌عنوان گزینه‌ای مناسب برای ذخیره‌سازی انرژی گرمایی در محیط‌های داخلی ساختمان‌ها می باشد. چوب و فرآورده‌های چوبی، به دلیل ویژگی‌های مکانیکی و زیست‌محیطی مطلوب، به‌طور گسترده در اجزای داخلی ساختمان‌ها استفاده می‌شوند، اما ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی حرارتی آن‌ها به‌طور طبیعی پایین است. هدف اصلی این پژوهش، بررسی کاربرد اسید کاپریک به‌عنوان ماده تغییرفاز دهنده در ماتریس چوب صنوبر با هدف ارتقای عملکرد ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در سیستم‌های کامپوزیتی چوب-ماده تغییرفاز دهنده است.
مواد و روش ها: برای آزمون ذخیره‌سازی انرژی حرارتی، نمونه‌های چوب صنوبر پس از خشک‌کردن در دمای 103 درجه سلسیوس به مدت 24 ساعت توزین شدند. در مرحله بعد، این نمونه‌ها در ظرف مناسبی قرار گرفته و به دستگاه خشک‌کن خلاء منتقل شدند تا هوا از حفرات سلولی چوب خارج گردد. سپس محلول اسید کاپریک به نمونه‌ها اضافه و فرآیند خلاء مجدداً انجام شد تا محلول به درون ساختار چوب نفوذ کند. در نهایت، نمونه‌ها به مدت 24 ساعت در شرایط محیطی خشک شدند تا به وزن ثابت برسند. در این مطالعه، آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی (DSC) برای بررسی تغییرات ظرفیت حرارتی نمونه‌ها در دماهای مختلف به‌کار گرفته شد. آزمون چرخه حرارتی با استفاده از دستگاه Cycling Test تحت شرایط دمایی کنترل‌شده ارزیابی شدند. همچنین، توزیع دمای سطح نمونه‌ها با استفاده از دوربین مادون قرمز ثبت و تحلیل گردید.
نتایج: نتایج آزمون DSC نشان داد که دمای نقطه ذوب و انجماد نمونه‌های کامپوزیت چوب/اسید کاپریک به ترتیب 2/28 و 9/23 درجه سانتی‌گراد است، ظرفیت ذخیره انرژی گرمایی نمونه‌ها نسبت به اسید کاپریک خالص 55 درصد کاهش یافته که می‌توان به دلایلی از جمله محصور‌شدن مواد تغییر فازی در منافذ چوب، جرم حرارتی پایین چوب و اثر نیروی مویینگی بین اسید کاپریک با دیواره‌های سلولی چوب اشاره نمود. همچنین، آزمون‌های چرخه حرارتی نشان دادند که نمونه‌های چوبی حاوی اسید کاپریک تأخیر قابل‌توجهی در تغییرات دما نسبت به نمونه‌های بدون PCM دارند، که این امر بهبود کارایی انرژی و کاهش نوسانات دمایی در محیط‌های داخلی را امکان‌پذیر می‌سازد. تصویربرداری حرارتی مادون قرمز نیز تأیید کرد که نمونه‌های حاوی اسید کاپریک دمای سطحی بالاتری دارند و گرما را به‌طور یکنواخت‌تر توزیع می‌کنند.
نتیجه‌گیری: این تحقیق به بررسی کاربرد اسید کاپریک به عنوان ماده تغییر فاز دهنده در چوب صنوبر برای بهینه‌سازی ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در ساختمان‌ها پرداخته است. نتایج نشان می‌دهد که اشباع چوب با اسید کاپریک ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی حرارتی را افزایش و نوسانات دمایی را کاهش می‌دهد. همچنین، رفتار گرمایی نمونه‌های چوبی حاوی PCM بهبود یافته و توزیع حرارتی یکنواخت‌تری را نشان می‌دهد. به طور کلی، استفاده از این ماده می‌تواند به کاهش مصرف انرژی و بهبود شرایط آسایش حرارتی ساکنان کمک کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] Energy USDO., 2011. Buildings energy data book. United States of America. Energy efficiency &Renewable Energy. http://large.stanford.edu/courses/2015/ph240/davidson1/docs/2011_BEDB.pdf.
 [2] Zalba, B., Marin, J. M., Cabeza, L. F. and Mehling, H., 2003. Review on thermal energy storage with phase change materials, heat transfer analysis and applications. Applied Thermal Engineering, 23, pp. 251 -283. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359431102001928.
 [3] Jamekhorshid, A., Sadrameli, S.M., Barzin, R. and Farid, M., 2017. Composite of Wood-Plastic and Micro-Encapsulated Phase Change Material (MEPCM) Used for Thermal Energy Storage. Applied Thermal Engineering, 112, pp. 82-88. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.10.037.
 [4] Mehling, H. and Cabeza, L.F., 2008.  Heat and Cold Storage with PCM. Berlin, Springer Verlag; https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-540-68557-9.
 [5] Hawes, D.W., Feldman, D. and Banu, D., 1993. Latent heat storage in building materials. Energy and buildings, 20, pp. 77-86. https://doi.org/10.1016/0378-7788(93)90040-2.
 [6] Stritih, U. and Novak, P., 1996. Solar Heat Storage Wall for Building Ventilation. Renewable Energy, 8, pp. 268-271. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/0960148196888604.
 [7] Schossig, P., Henning, H.M., Gschwander, S. and Haussmann, T., 2005. Micro- Encapsulated Phase-Change Materials Integrated into Construction Materials. Solar Energy Materials and Solar Cells, 89 (2-3), pp. 297-306. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2005.01.017.
 [8] Cabeza, L., Medrano, M., Castellón, C., Castell, A., Solé, C., Roca, J. and et al., 2007. Thermal Energy Storage with Phase Change Materials in Building Envelopes. Contributions to Science, 3 (4), pp. 501-510. https://repositori.udl.cat/server/api/core/bitstreams/f6d05b8c-77ea-4dad-86b9-1b95b02d0289/content.
 [9] Castellón, C., Medrano, M., Roca, J., Nogués, M., Castell, A. and Cabeza, L., 2007. Use of Microencapsulated Phase Change Materials in Building Applications. Buildings X, ASHRAE, 48, pp. 1-7. https://web.ornl.gov/sci/buildings/conf-archive/2007%20B10%20papers/035_Castellon.pdf.
[10]  Lin, K., Zhang, Y., Xu, X., Di, H., Yang, R. and Qin, P., 2004. Modeling and Simulation of Under-Floor Electric Heating System with Shape-Stabilized PCM Plates. Building and Environment, 39 (12), pp.  1427-1434. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360132304001271.
[11] Gutherz, J. M. and Schiler, M. E., 1991. A Passive Solar Heating System for the Perimeter Zone of
Office Buildings. Energy Sources, 13 (1), pp. 39-54. https://doi.org/10.1080/00908319108908967.
[12] Koo,j., So, H., Hong, S.W. and Hong, H., 2011. Effect of wallboard design parameters on the thermal storage in buildings. Energy and Buildings, 43(8), pp. 1947-1951.  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378778811001472.
[13] Sharma, A., Tyagi, V.V., Chen, C.R. and Buddhi, D., 2009. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, pp. 318–345. https://doi.org/10.1016/j.rser.2007.10.005.
[14] Barreneche, C., Vecstaudza, J., Bajare, D., Fernandez, A.I., 2017. PCM/wood composite to store thermal energy in passive building envelopes. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 251.
[15] Li, Y., Li, X., Liu, D., Cheng, X., He, X., Wu, Y., Li, X., 2016. Fabrication and properties of polyethylene glycol-modified wood composite for energy storage and conversion. Bioresources vol. 113, pp. 7790–7802.
[16] Montanari, C., Li, Y., Chen, H., Yan, M., Berglund, L.A., 2019. Transparent wood for thermal energy storage and reversible optical transmittance. ACS Appl Mater Interfaces, vol. 11(22), pp. 20465–72.
[18] Temiz, A., Hekimoglu, G., Köse Demirel, G., Sarı, A., Mohamad Amini, M.H., 2020. Phase change material impregnated wood for passive thermal management of timber buildings. International Journal of Energy Research, 44, pp. 10495-10505. https://doi.org/10.1002/er.5679.
[19] Can, A., Gencel, O., Sarı, A., Hekimoğlu, G., Ustaoğlu, A., Temiz, A., Erdoğmuş, E., Erdeyer, Ö.N., 2025. Development of Poplar Wood/Bio-Based Composite Phase-Change Material as Novel Ecofriendly Thermo-Regulative Material. Forests, 16, pp. 763-783. https://doi.org/10.3390/f16050763.