Analysis of heat recovery efficiency in a decentralised façade ventilation system using phase change materials (PCM)
Beata Galiszewska, Kinga Kujawska
Wydział Inżynierii Środowiska, Geodezji i Energetyki Odnawialnej, Politechnika Świętokrzyska
Ciepłownictwo Ogrzewnictwo Wentylacja, 2026 (4), 26-34, DOI: https://doi.org/10.65545/COW.2026.04.04
Słowa kluczowe: decentralna wentylacja, wentylacja fasadowa, naprzemienny nawiew/wywiew, odzysk ciepła, PCM
Streszczenie
Wprowadzenie. Aktualne wymagania dotyczące energooszczędności budynków, powodują konieczność ich wysokiego
uszczelniania. W wyniku tego, obiekty nie są w stanie utrzymać odpowiedniej wymiany powietrza za pomocą wentylacji naturalnej. Wówczas należy zastosować instalację wentylacji mechanicznej, która zapewnia wymuszony przepływ powietrza. W przypadku budynków istniejących, często niemożliwe jest zastosowanie rozbudowanej instalacji wentylacji centralnej. W takiej sytuacji, alternatywnym rozwiązaniem jest wykorzystanie wentylacji zdecentralizowanej o przemiennym nawiewie i wywiewie. Dodatkowe zastosowanie odzysku ciepła przyczynia się do ograniczenia strat ciepła oraz zwiększenia sprawności energetycznej. W rezultacie, urządzenia zdecentralizowane stanowią obiecujący kierunek rozwoju w obszarze wentylacji.
Cel. Celem opracowania jest analiza efektywności odzysku ciepła wymienników wypełnionych materiałem zmiennofazowym PCM (Phase Change Material), umieszczonych w zdecentralizowanym urządzeniu fasadowym.
Metody. Analizie poddano jednorurowe zdecentralizowane urządzenie wentylacyjne do naprzemiennego nawiewu i wywiewu, realizowanego przez wentylator rewersyjny. Urządzenie wyposażone jest w aluminiowy wymiennik do odzysku ciepła składający się z 313 cylindrów wypełnionych materiałem zmiennofazowym PCM. Badano trzy warianty wypełnienia (wymiennik wypełniony wodą, olejem kokosowym i olejem jojoba). Badania wykonano dla długości cyklu 1 min. Analizę przeprowadzono w warunkach rzeczywistych w zakresach temperatury zewnętrznej od 0 do -10℃, przy temperaturze wewnętrznej około 20℃.
Wnioski. Wyniki badań wykazały, że najwyższą efektywnością odzysku ciepła charakteryzuje się wymiennik wypełniony olejem jojoba, który osiągnął sprawność urządzenia równą 68,5% przy temperaturze zewnętrznej 0℃ oraz 67,67% przy temperaturze zewnętrznej -10℃. Najniższą efektywność odzysku ciepła uzyskano dla wymiennika wypełnionego wodą, dla którego odnotowano sprawność urządzenia równą 66,54% przy temperaturze zewnętrznej 0℃ oraz 65,46% przy temperaturze zewnętrznej -10℃. Uzyskane wyniki wskazują na możliwość efektywnego wykorzystania materiałów zmiennofazowych w systemach wentylacji zdecentralizowanej.
Pobierz artykuł w formacie PDF
Pobierz cały numer w formacie PDF
Keywords: decentralized ventilation, façade ventilation, alternative supply/exhaust airflow, heat recovery, PCM
Abstract
Introduction. Current energy efficiency requirements for buildings necessitate high levels of airtightness. As a result, building are unable to maintain adequate air exchange through natural ventilation. In such cases, a mechanical ventilation
system must be installed to ensure forced air flow. In existing buildings, it is often impossible to install an extensive central
ventilation system. In such situations, an alternative solution is to use decentralised ventilation with alternating supply and
exhaust. The additional use of heat recovery contributes to reducing heat loss and increasing energy efficiency. As a result, decentralised devices represent a promising direction for development
in the field of ventilation.
Aim. The purpose of the study is to analyse the heat efficiency of heat exchangers filled with phase change materials (PCM) placed in decentralised ventilation unit. Methods. The decentralised single-duct ventilation unit for alternating exhaust and supply has been analysed. The alternate flow was caused by reversible fan. The unit is equipped with aluminium heat exchanger composed of 313 cylinders filled with Phase Change Material (PCM). Three variants of filling were studied (heat exchanger filled with water, coconut oil and jojoba oil). The tests were performed for a cycle length of 1 minute. Analysis was conducted under real conditions with the outdoor temperature ranging from 0 to −10°C, and the indoor temperature of approximately 20°C.
Conclusions. The test results showed that the highest heat recovery efficiency was achieved by the exchanger filled with jojoba oil, which reached a device efficiency of 68,5% at an external temperature of 0℃ and 67,67% at an external temperature of -10℃. The lowest heat recovery efficiency was obtained for the exchanger filled with water, which achieved a device efficiency of 66,54% at an external temperature of 0℃ and 65,46% at an external temperature of -10℃. The results obtained indicate the possibility of effective use of phase change materials in decentralised ventilation systems.
Download the article in PDF format
Download the entire issue in PDF format
Bibliografia / Bibliography
Amanowicz, Ł., Ratajczak, K., & Dudkiewicz, E. (2023). Recent Advancements in ventilation systems used to Decrease energy Consumption in Buildings—Literature review. Energies, 16(4), 1853. https://doi.org/10.3390/en16041853
Aridi, R., Faraj, J., Ali, S., El-Rab, M. G., Lemenand, T., & Khaled, M. (2021). Energy recovery in air conditioning Systems: Comprehensive review, classifications, critical analysis, and potential recommendations. Energies, 14(18), 5869. https://doi.org/10.3390/en14185869
Borodinecs, A., Nazarova, J., Zajacs, A., Malyshev, A., & Pronin, V. (2016). Specifics of building envelope air leakage problems and airtightness measurements. MATEC Web of Conferences, 73, 02020. https://doi.org/10.1051/matecconf/20167302020
Davidsson, H., Johansson, D., & Chowdary, S. K. (2022). Decentralized ventilation unit for window frame integration. IOP Conference Series Earth and Environmental Science, 1085(1), 012030. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1085/1/012030
Del Ama Gonzalo, F., Griffin, M., Laskosky, J., Yost, P., & González-Lezcano, R. A. (2022). Assessment of Indoor Air Quality in Residential Buildings of New England through Actual Data. Sustainability, 14(2), 739. https://doi.org/10.3390/su14020739
Galiszewska, B., & Zender-Świercz, E. (2023). Development of a numerical simulation methodology for PCM-Air heat exchangers used in decentralised façade ventilation units. Energies, 16(15), 5610. https://doi.org/10.3390/en16155610
Galiszewska, B., & Zender-Świercz, E. (2023a). Heat recovery using PCM in decentralised façade ventilation. Energies, 16(8), 3310. https://doi.org/10.3390/en16083310
Grineski, S. E., Collins, T. W., & Adkins, D. E. (2019). Hazardous air pollutants are associated with worse performance in reading, math, and science among US primary schoolchildren. Environmental Research, 181, 108925. https://doi.org/10.1016/j.envres.2019.108925
Hamburg, A., Palmiste, Ü., Mikola, A., & Kalamees, T. (2025). Ventilation Strategies for Deep Energy Renovations of High-Rise Apartment Buildings: Energy efficiency and implementation challenges. Energies, 18(11), 2785. https://doi.org/10.3390/en18112785
Kelley, S. T., & Gilbert, J. A. (2013). Studying the microbiology of the indoor environment. Genome Biology, 14(2), 202. https://doi.org/10.1186/gb-2013-14-2-202
Kim, M. K., Liu, J., & Baldini, L. (2024). Numerical analysis, design and application of a decentralized ventilation system with a heat recovery unit adapting to Nordic climates: A case study in Norway. Energy Reports, 11, 3863–3875. https://doi.org/10.1016/j.egyr.2023.11.050
Koper, P. (2024). Influence of control strategy on heat recovery efficiency in a Single-Duct periodic ventilation device. Energies, 17(22), 5801. https://doi.org/10.3390/en17225801
Mannan, M., & Al-Ghamdi, S. G. (2021). Indoor air quality in buildings: A comprehensive review on the factors influencing air pollution in residential and commercial structure. International Journal of Environmental Research and Public Health, 18(6), 3276. https://doi.org/10.3390/ijerph18063276
Marcotte, D. E. (2016). Something in the air? Pollution, allergens and children’s cognitive functioning. SSRN Electronic Journal. https://doi.org/10.2139/ssrn.2725050
Marcotte, D. E. (2016b). Something in the air? Air quality and children’s educational outcomes. Economics of Education Review, 56, 141–151. https://doi.org/10.1016/j.econedurev.2016.12.003
Niculita-Hirzel, H. (2022). Latest Trends in Pollutant Accumulations at Threatening Levels in Energy-Efficient Residential Buildings with and without Mechanical Ventilation: A Review. International Journal of Environmental Research and Public Health, 19(6), 3538. https://doi.org/10.3390/ijerph19063538
Papadopoulos, A. M. (2016). Forty years of regulations on the thermal performance of the building envelope in Europe: Achievements, perspectives and challenges. Energy and Buildings, 127, 942–952. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.06.051
Pekdogan, T., Tokuç, A., Ezan, M. A., & Başaran, T. (2020). Experimental investigation of a decentralized heat recovery ventilation system. Journal of Building Engineering, 35, 102009. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.102009
Rashid, F. L., Al-Obaidi, M. A., Maimuri, N. M. L. A., Ameen, A., Agyekum, E. B., Chibani, A., & Kezzar, M. (2025). Mechanical Ventilation Strategies in Buildings: A comprehensive review of climate management, indoor air quality, and energy efficiency. Buildings, 15(14), 2579. https://doi.org/10.3390/buildings15142579
Romaniec, W., Wrzochal, A., & Świercz, E. Z. –. (2023). Experimental study on the performance of a heat recovery exchanger filled with gypsum and gravel. Journal of Building Engineering, 80, 108034. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.108034
Sakiyama, N., Carlo, J., Frick, J., & Garrecht, H. (2020). Perspectives of naturally ventilated buildings: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 130, 109933. https://doi.org/10.1016/j.rser.2020.109933
Telejko, M., Zender-Świercz, E. J., Galiszewska, B., & Wojcieszak, R. (2025). COGNITIVE FUNCTIONS OF CHILDREN IN GRADES 5-8 – CASE STUDY. Structure and Environment, 17(3), 137–149. https://doi.org/10.30540/sae-2025-014
Wolkoff, P., Azuma, K., & Carrer, P. (2021). Health, work performance, and risk of infection in office-like environments: The role of indoor temperature, air humidity, and ventilation. International Journal of Hygiene and Environmental Health, 233, 113709. https://doi.org/10.1016/j.ijheh.2021.113709
Zamytskyi, O. V., & Yalova, А. M. (2025). Research of natural ventilation in a thermally modernized building. Municipal Economy of Cities, 3(191), 314–320. https://doi.org/10.33042/2522-1809-2025-3-191-314-320
Zender-Świercz, E. (2020). Microclimate in Rooms Equipped with Decentralized Façade Ventilation Device. Atmosphere, 11(8), 800. https://doi.org/10.3390/atmos11080800
Zender–Świercz, E. (2021). Assessment of Indoor Air Parameters in Building Equipped with Decentralised Façade Ventilation Device. Energies, 14(4), 1176. https://doi.org/10.3390/en14041176
Zender-Świercz, E., Telejko, M., Galiszewska, B., & Starzomska, M. (2022b). Assessment of Thermal Comfort in Rooms Equipped with a Decentralised Façade Ventilation Unit. Energies, 15(19), 7032. https://doi.org/10.3390/en15197032
Zender-Świercz, E., Telejko, M., Galiszewska, B., & Starzomska, M. (2022). Assessment of Thermal Comfort in Rooms Equipped with a Decentralised Façade Ventilation Unit. Energies, 15(19), 7032. https://doi.org/10.3390/en15197032
Zender-Świercz, E. (2024). Heat recovery of decentralised façade units: A case study. Energy and Buildings, 315, 114338. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2024.114338