Προσομοίωση φορτίων κλιματισμού σε κτήρια με υλικά αλλαγής φάσης στα δομικά στοιχεία

Abstract

The development of dedicated computational tools to accurately predict heat transfer and energy storage phenomena in buildings and building components containing PCMs is essential. Recently, research has been directed from PCM component examination to full scale test cases (cells or model rooms with one or more PCM walls) covering experimental data and/or numerical predictions, primarily aiming to evaluate the energy performance of PCM passive applications. Experimental studies show a reduction of energy consumption when PCM wallboards are installed in test rooms, reaching approximately 15% in total heating loads and achieving a maximum cost saving of about 30% over conventional non-PCM base-case. Focusing on lightweight buildings, experimental data showed that PCM wallboards contributed to the thermal comfort of occupants and smoothed out the wall temperature fluctuations.The aim of this thesis is to provide a holistic approach to the modelling of the non-linear thermal phase change process of a PCM and to evaluate the thermal behaviour of a purposely built full scale lightweight building combining a hybrid steel frame with dry wall systems incorporating PCMS. This is accomplished by using a dedicated simulation tool, based on a coupled TRNSYS and MATLAB solver. The methodology used for the introduction of the PCM simulation in an existing computational tool is developed in this thesis. The goal is to have a tool that allows assessment of the PCM behaviour along with the analysis of the thermal behaviour of a building, taking into account all the features and characteristics (e.g. shading, occupancy profiles, location, HVAC etc) of a full scale building in operation.The solver is firstly validated against experimental data obtained through a 12-month monitoring period of the house, as the temperature and heat flux through building components along with the indoor air temperatures are continuously monitored. In order to assess the energy demand of the building and to quantify the PCM effect, the annual cooling loads are under examination. The building is located in Amfilochia, Greece and PCM gypsum boards have been used to cover all the internal side of the walls as well as the internal partitions of the building. In the computational comparative study carried out in this thesis, the PCM plasterboards are replaced by plain gypsumboards, in order to evaluate the PCM impact in the annual cooling demands of the building and the span of the cooling period. Parametric studies are carried out in order to investigate the possibility of higher energy savings and to determine their impact on the energy efficiency of the building. The parameters under investigation are: i) the phase change temperature range of the PCM, which is in the plasterboard, ii) various parameters of the building, such as infiltration and humidity, iii)occupancy profiles and use of the building and iv)different climate conditions. The optimized scenarios, for different combinations of the aforementioned parameters, are shown at the end of the simulations.

Η δημιουργία εξειδικευμένων υπολογιστικών εργαλείων για τον ακριβή υπολογισμό της μεταφοράς θερμότητας και τα φαινόμενα αποθήκευσης ενέργειας σε κτήρια και δομικά στοιχεία που περιέχουν ΥΑΦ, είναι απαραίτητη, καθώς όλο και περισσότερες εφαρμογές με ΥΑΦ σε κτήρια εμφανίζονται. Κύριος στόχος παραμένει η αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης των ΥΑΦ. Πειραματικές μελέτες δείχνουν μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, όταν εγκαθίστανται γυψοσανίδες με ΥΑΦ σε δοκιμαστικούς χώρους, φθάνοντας περίπου το 15%, όσον αφορά τα συνολικά φορτία θέρμανσης/ψύξης. Ειδικά για την περίπτωση των κτηρίων ελαφριάς κατασκευής, τα πειραματικά δεδομένα δείχνουν ότι οι γυψοσανίδες με ΥΑΦ συμβάλλουν θετικά στη θερμική άνεση των ενοίκων.Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να προσφέρει μια ολιστική προσέγγιση για την μοντελοποίηση της μη γραμμικής μεταβολής της ειδικής θερμοχωρητικότητας των ΥΑΦ κατά την αλλαγή φάσης, και να αξιολογήσει τη θερμική συμπεριφορά ενός κτηρίου ελαφριάς κατασκευής (πλήρους κλίμακας), του οποίου οι εσωτερικοί τοίχοι και τα χωρίσματα είναι γυψοσανίδες οι οποίες εμπεριέχουν ΥΑΦ. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση ενός εξειδικευμένου εργαλείου προσομοίωσης, το οποίο αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διατριβής, και πρόκειται για ένα συνδυασμό του εμπορικού υπολογιστικού πακέτου ενεργειακής προσομοίωσης TRNSYS και της γλώσσας προγραμματισμού MATLAB. Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε για την εισαγωγή υπολογισμού της αλλαγής φάσης σε ένα υπάρχον υπολογιστικό εργαλείο παρουσιάζεται ενδελεχώς στα κεφάλαια που ακολουθούν και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή οποιασδήποτε καινοτόμου τεχνολογίας σε υπάρχον μοντέλο. Ο στόχος της διατριβής είναι να δημιουργηθεί ένα εργαλείο που επιτρέπει την αξιολόγηση της συμπεριφοράς των ΥΑΦ μαζί με την ανάλυση της θερμικής συμπεριφοράς του κτηρίου, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα χαρακτηριστικά του( π.χ. χρήση και λειτουργία, τοποθεσία, συστήματα κλιματισμού κλπ ).Το εργαλείο προσομοίωσης που αναπτύχθηκε, πρώτα επικυρώνεται και επαληθεύεται σε σχέση με πειραματικά δεδομένα, τα οποία προέκυψαν από την παρακολούθηση των κλιματικών συνθηκών, καθώς και της εσωτερικής θερμοκρασίας του αέρα και τη ροή θερμότητας μέσω της τοιχοποιίας του κτηρίου. Το υπό εξέταση κτήριο είναι υπαρκτό και κατασκευασμένο στην περιοχή της Αμφιλοχίας. Στην συνέχεια χρησιμοποιείται για την εξαγωγή συμπερασμάτων, όσον αφορά την μείωση των ετήσιων ψυκτικών φορτίων της συγκεκριμένης κατοικίας λόγω των γυψοσανίδων με ΥΑΦ, καθώς και την επίδραση των χαρακτηριστικών του κελύφους, του ΥΑΦ και του τοπικού κλίματος σε αυτήν.Στην παραμετρική ανάλυση που πραγματοποιήθηκε στην παρούσα διατριβή, οι γυψοσανίδες με ΥΑΦ αντικαθίστανται από απλές γυψοσανίδες, προκειμένου να αξιολογηθεί η συμβολή του ΥΑΦ στην μείωση των απαιτούμενων φορτίων του κτηρίου για την περίοδο ενός χρόνου. Επίσης, μελετάται η συμβολή των ΥΑΦ στην μείωση της ψυκτικής περιόδου, σε επίπεδο ημερών. Πιο συγκεκριμένα, οι παράμετροι που εξετάζονται είναι: i) το εύρος της θερμοκρασίας αλλαγής φάσης των ΥΑΦ, το οποίο εμπεριέχει η γυψοσανίδα , ii) διάφορες παράμετροι του κτηρίου, όπως αεροστεγανότητα και υγρασία, iii) συνθήκες λειτουργίας και χρήση του κτηρίου και iv) διαφορετικές κλιματικές συνθήκες. Τέλος, τα βέλτιστα σενάρια για διάφορους συνδυασμούς των παραπάνω παραμέτρων παρουσιάζουν την ιδανική περίπτωση εξοικονόμησης ενέργειας για την παρούσα κατοικία.