Ανάπτυξη και βελτιστοποίηση καινοτόμων τεχνολογιών με ενεργειακά και περιβαλλοντικά οφέλη: θερμοχρωμικά υλικά και υλικά αλλαγής φάσης

Abstract

The present thesis reports the development, application, evaluation, and optimization of advanced materials that respond and adapt to external environmental conditions and respectively to energy requirements: the thermochromic and phase change materials (PCM). The innovative technologies are based on the exploitation of the intrinsically changing physical and chemical properties aiming at: i. energy savings, ii. mitigation of the urban heat island effect and iii. optimization of internal and external thermal conditions for the users at building and city level respectively. In this framework, the present thesis, sets the following basic targets for the research at the field of advanced materials:- Reduction of the thermal loads due to reduced absorption during the winter period, maintaining the high reflectivity property of the cool materials during the summer period. In this way, the management of solar gains is achieved depending on the requirements: exploitation of the soral irradiance during the winter period when it is favorable, and discharge during the summer period when it is undesirable. - Additional reduction of the surface temperatures during the summer period and simultaneously reduction of the thermal fluctuations at the interior of the buildings and shift of the pick loads For the implementation of the first target, thermochromic coating where developed, tested, applied and optimized in order to be used in the urban fabric by incorporating thermochromic pigments that modify their thermal and optical properties according to temperature changes. Thus, the coatings are reflective and light colored when the temperature rises, reducing thermal gains during summer period, while they become absorptive and dark colored below a certain color changing temperature when this is required during the winter period. In order to achieve the second target, cool coatings were doped with phase change materials (PCMs). Coatings containing PCMs store heat in a latent form maintaining constant surface temperatures and discharge with time delay. PCM doped cool colored coatings have the potential to enhance thermal inertia and achieve important energy savings in buildings maintaining a thermally comfortable indoor environment, while fighting urban heat island when applied on external surfaces.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη, εφαρμογή, αξιολόγηση και βελτιστοποίηση καινοτόμων υλικών, τα οποία ανταποκρίνονται και προσαρμόζονται στις εξωτερικές συνθήκες και στις αντίστοιχες ενεργειακές και περιβαλλοντικές απαιτήσεις: τα θερμοχρωμικά υλικά και τα υλικά αλλαγής φάσης (Phase Change Materials- PCM). Οι καινοτόμες τεχνολογίες των υλικών βασίστηκαν στην αξιοποίηση των μεταβαλλόμενων εγγενών φυσικών και χημικών ιδιοτήτων τους με στόχο i. την εξοικονόμηση ενέργειας, ii. την ανάσχεση του φαινομένου της αστικής θερμικής νησίδας και iii. τη βελτίωση των εσωτερικών και εξωτερικών θερμικών συνθηκων για τον χρήστη, τόσο σε επίπεδο κτιρίου, όσο και σε επίπεδο πόλης αντίστοιχα. Στο πλαίσιο αυτό η παρούσα Διδακτορική Διατριβή θέτει τους ακόλουθους βασικούς στόχους στην έρευνα των υλικών νέας τεχνολογίας:- Μείωση των θερμικών απαιτήσεων λόγω χαμηλής απορρόφησης κατά την χειμερινή περίοδο, διατηρώντας ταυτόχρονα την ιδιότητα της υψηλής ανακλαστικότητας των ανακλαστικών στο υπέρυθρο ψυχρών υλικών κατά τη θερινή περίοδο. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η διαχειρίση των ηλιακων κερδών ανάλογα με τις απαιτήσεις: εκμετάλλευση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τη χειμερινή περίοδο κατά την οποία είναι επιθυμητή και αποβολή της κατά την θερινή περίοδο κατά την οποία είναι ανεπιθύμητη.- Επιπλέον μείωση των επιφανειακών θερμοκρασιών κατά τη θερινή περίοδο με ταυτόχρονη μείωση των θερμοκρασιακών διακυμάνσεων στο εσωτερικό των κτιρίων και μετατόπιση των φορτίων αιχμής. Για την υλοποίηση του πρώτου στόχου, αναπτύχθηκαν, ελέγθηκαν, εφαρμόστηκαν και βελτιστοποιήθηκαν θερμοχρωμικές επικαλύψεις για χρήση στον αστικό ιστό, με την ενσωμάτωση θερμοχρωμικών υλικών που μεταβάλλουν τις οπτικές και θερμικές ιδιότητες ανάλογα με τη θερμοκρασία. Έτσι, οι επικαλύψεις αυτές εμφανίζονται ανοιχτόχρωμες και ανακλαστικές με την αύξηση της θερμοκρασίας περιορίζοντας τα θερμικά κέρδη κατά τη θερινή περίοδο, ενώ όταν η θερμοκρασία μειωθεί κάτω από τη συγκεκριμένη θερμοκρασία αλλαγής χρώματος του υλικού, γίνονται σκουρόχρωμες και απορροφητικές αυξάνοντας τα θερμικά κέρδη όταν αυτό απαιτείται, δηλαδή κατά τη χειμερινή περίοδο. Για την υλοποίηση του δεύτερου στόχου,οι ψυχρές επικαλύψεις ενισχύθηκαν με προσμίξεις υλικών αλλαγής φάσης (PCM), υλικών δηλαδή που έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν θερμότητα υπό λανθάνουσα μορφή και να την αποδίδουν με χρονική υστέρηση μειώνοντας έτσι το φορτίο αιχμής και περιορίζοντας τις θερμοκρασιακές διακυμάνσεις στο εσωτερικό των κτιρίων. Ταυτόχρονα βελτιώθηκαν οι ιδιότητες του ψυχρού υλικού αυξάνοντας περαιτέρω την ανακλαστικότητά του.