PCM-STOVE – Innovative PCM-based heat storage integrated in wood stoves

Med typisk virkningsgrad på 70-80% ved nominell effekt, produserer moderne vedovner ofte mer varme enn det som faktisk kreves, spesielt i godt isolerte lavenergibygg og passivhus. Ved slutten av forbrenningen avtar varmeutslippet raskt, mens behovet for oppvarming forblir. Den underliggende ideen med PCM-STOVE er derfor å utjevne avgitt varmeeffekt ved å utvikle en kompakt varmelagringsenhet basert på faseforandringsmaterialer (PCM) for å absorbere overflødig varme og frigjøre denne varmen gradvis til rommet. PCM er materialer som ved smelting og størkning hhv. lagrer og avgir store mengder varme ved nesten konstant temperatur. PCM med smeltetemperatur på 100-150 °C vil lagre overflødig varme mens forbrenningen pågår, og avgi den til rommet over en lengre tidsperiode etter at forbrenningen er avsluttet. Sammenlignet med nåværende varmelagringsløsninger ved bruk av f.eks. kleberstein, tilbyr PCM høyere lagringskapasitet og mer stabil varmeavgivelse. Slike systemer kan ettermonteres på eksisterende vedovner eller inkluderes som et tillegg til nye produkter. Utfordringen med PCM-STOVE er derfor å utvikle en lett og kompakt varmelagringsløsning for integrering i lette støpejernsovner som produseres av JØTUL AS. Dette inkluderer å finne og karakterisere et passende PCM, designe en prototype med optimale varmevekslingsegenskaper og teste prototypen eksperimentelt. Økt bruk av varmelagringsløsninger for vedovner forventes å resultere i en reduksjon i det totale forbruket av ved som kreves for å opprettholde et gitt nivå av termisk komfort og redusere behovet for fyring på dellast. Dette vil i sin tur også føre til en reduksjon i partikkelutslipp og andre forurensende gasser, noe som gagner samfunnet generelt gjennom økt luftkvalitet og helsemessige fordeler, og redusert miljøpåvirkning. Siden prosjektet IPN PCM-STOVE begynte i 2021, har to NTNU-mastergradsstudenter vært involvert i forskningsaktiviteter med veiledning fra både NTNU og SINTEF. Den første studenten fokuserte på varmeoverføring fra vedovn til PCM, noe som er viktig for å sikre at nok varme lagres i varmebatteriet mens vedovn fyres. Både CFD modellering og eksperimentelt arbeid ble gjennomført for å teste mulige løsninger. Den andre studenten fokuserer på varmeavgivelse fra PCM til rommet, noe som blir viktig for å utnytte hele lagret varme og for å påvirke brukernes termiske komfort på en positiv og betydelig måte. Der også vil CFD modellering og eksperimentelt arbeid brukes. I parallelt ble en rekke materialer testet for å finne den beste PCM-kandidaten tilpasset applikasjonen. PCM materialer bør ha både høy latent varme for å lagre så mye varme som mulig, og bør tåle høye temperaturer uten degradering. Flere tekniske workshoper sammen med industripartneren Jøtul ble arrangert i løpet av høsten. Diskusjoner fokuserte på klargjøring av problemstillinger, mulige tekniske løsninger, muligheter for industriell produksjon og hvordan innovasjonen skal realiseres av Jøtul. Tett samarbeid med Jøtul sitt utviklingslag er absolutt viktig for prosjektet til å lykkes.

-

Thermal insulation is so effective in modern buildings that wood stoves often overheat the house within the first 2-3 hours: With typical thermal efficiency of 70-80 % at nominal load, modern wood stoves often produce more heat than actually required, especially in well-insulated, low-energy buildings and passive houses. At the end of combustion, heat release rapidly decreases, while the need for heating remains. The underlying idea of PCM-STOVE is therefore to extend the heat release from combustion by developing a compact heat storage using phase change materials (PCMs) to absorb excess heat and release this heat gradually to the room. PCMs are materials that, during phase change (melt or freeze), absorb or release large amounts of heat at a nearly constant temperature. A PCM with a melting temperature of 100-150 °C, will absorb excess heat from wood combustion and release it to the room over an extended time-period after combustion ends. Compared to current sensible heat storage solutions using e.g. soapstone, PCMs offer higher heat storage capacity and more stable heat release. Such systems may be retrofitted to existing wood stoves or included as an add-on to new products. JØTUL AS envisions a significant international market potential for such a solution being sold as an add-on product integrated in their wood stoves series. The challenge of PCM-STOVE is, therefore, to develop a light and compact heat storage solution for integration in light cast-iron stoves. This includes finding and characterising a suitable PCM, designing a prototype with optimal heat exchange properties and experimentally testing the prototype. Increased use of heat storage solutions for wood stoves is expected to result in a reduction in overall consumption of wood required to sustain a given level of thermal comfort. This, in turn, will also lead to a reduction in particle emissions and other pollutant gases, benefiting society at large through health benefits and increased air quality.