Μελέτη της επίδρασης της θερμοχωρητικότητας στη θερμική συμπεριφορά των κτιρίων με το λογισμικό TRNSYS

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία, μελετά την επίδραση της θερμικής μάζας του κτιρίου στα θερμικά και ψυκτικά του φορτία, καθώς και στο θερμοκρασιακό προφίλ της εσωτερικής θερμοκρασίας. Στόχος της έρευνας αυτής είναι να υπολογιστεί το πώς μεταβάλλονται τα φορτία καθώς τα δομικά στοιχεία του κτιριακού κελύφους αποκτούν διαφορετικές τιμές θερμικής μάζας. Έτσι δοκιμάστηκαν διάφοροι συνδυασμοί δομικών στοιχείων ώστε η ανάλυση να είναι πολύπλευρη και τα συμπεράσματα να μπορούν να γενικευτούν. Στο 1ο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται μια εισαγωγή στις ενεργειακές απαιτήσεις των κτιρίων σήμερα και επίσης περιγράφεται η δομή της εργασίας που ακολουθεί. Στο κεφάλαιο 2, αναφέρονται γενικά στοιχεία για την ενεργειακή ανάλυση των κτιρίων τα οποία βοηθούν τον αναγνώστη να κατανοήσει έννοιες οι οποίες θα αναφερθούν στην ανάλυση που ακολουθεί. Αναφέρονται επίσης οι τρόποι με τους οποίους μπορεί ένα κτίριο να θερμανθεί αποδοτικά και να κλιματιστεί με έμφαση σε νέες τεχνολογίες. Στο 3ο κεφάλαιο, αναλύονται έννοιες οι οποίες σχετίζονται με τη δομή του κτιριακού κελύφους όπως η θερμοπερατότητα των τοίχων και τα μονωτικά υλικά, ώστε να γίνει κατανοητή η μεθοδολογία που ακολουθείται στη συνέχεια. Επίσης σε αυτό το κεφάλαιο αναλύεται η έννοια της θερμικής μάζας και της θερμοχωρητικότητας οι οποίες είναι οι βασικές έννοιες που χρειάζεται να κατανοήσει ο αναγνώστης. Το επόμενο κεφάλαιο που ακολουθεί είναι το κεφάλαιο 4ο, στο οποίο γίνεται εκτενής αναφορά στο λογισμικό που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση που γίνεται. Πρόκειται για το εμπορικό πακέτο TRNSYS 16 το οποίο χρησιμοποιείται ευρύτατα για κτιριακές προσομοιώσεις και μπορεί να προσφέρει μεγάλες δυνατότητες στο χρήστη. Έτσι παρουσιάζονται τα βασικά κομμάτια αυτού του λογισμικού ώστε να γίνεται μια εισαγωγή στον αναγνώστη και να του δίνονται οι βάσεις για να το χρησιμοποιήσει και ο ίδιος. Το κεφάλαιο 5, αποτελεί το πυρήνα της διπλωματικής εργασίας, διότι παρουσιάζει τις προσομοιώσεις οι οποίες πραγματοποιήθηκαν, καθώς και τα αποτελέσματα αυτών. Είναι ένα εκτενές κεφάλαιο στο οποίο αναλύεται επαρκώς η επίδραση της θερμικής μάζας του κτιρίου στη θερμική του συμπεριφορά. Πιο συγκεκριμένα, γίνονται προσομοιώσεις μεταβάλλοντας το πάχος των εξωτερικών τοίχων, τα υλικά αυτών καθώς και την ειδική θερμοχωρητικότητα των υλικών αυτών. Επίσης γίνεται ανάλυση για την επίδραση των εσωτερικών τοίχων στην ημερήσια διακύμανση της εσωτερικής θερμοκρασίας και μελετάται η επίδραση των υαλοπινάκων στα φορτία θέρμανσης και κλιματισμού. Το τελευταίο κεφάλαιο αυτής της εργασίας (κεφάλαιο 6) παραθέτει τα συμπεράσματα τα οποία συνοψίζουν τη δουλειά που πραγματοποιήθηκε. Τα γενικότερα συμπεράσματα είναι πως η αύξηση της θερμοχωρητικότητας μειώνει τα φορτία και βοηθά στη θερμική άνεση του χώρου περισσότερο τους χειμερινούς μήνες. Τέλος αναφέρονται προτάσεις για μελλοντική έρευνα πάνω σε αυτή τη περιοχή μελέτης.

This diploma thesis studies the effect of thermal mass of building in the heating and cooling loads, as also in the internal air temperature. The goal of this study is the calculation of loads for different structural components of building as these gain different values of thermal mass. This is why many combinations of materials were tested in order to make general conclusions. In the first unit, an introduction in energy needs of a building nowadays is made and simultaneously the structure of this dissertation is described. In the second unit, general information about the energy analysis of buildings is presented in order to help the reader to understand these useful meanings. Moreover, an inference in new ways of heating and cooling is made. In the third unit, meanings related to building structure are analyzed, as the thermal resistance and the insulation. Also the thermal mass of the building and the specific thermal capacity, which are important properties, are presented to help the reader. The next unit presents TRNSYS 16, which is the program that was used for the energy calculations. The basic components of this are described giving an introduction to the program. The unit 5 is the core of this thesis because all the cases and their results are presented. This is an extensive unit where the effect of thermal mass in building thermal behavior is adequately analyzed. More specifically, simulations for different external walls are made by changing the materials, the thickness, the layers and the thermal capacity. Also, in this study the effect of internal walls in the building’s internal temperature is analyzed and the use of glass in the external walls is parametrically studied concerning the effects on the loads of buildings. In the last unit, the conclusions of this work are presented. The basic conclusions show that the increase of the thermal mass decreases the loads and improves the thermal behavior, especially in the winter. Finally, ideas for future research in this area are given.