Πειραματική μελέτη υγροθερμικής συμπεριφοράς διογκωμένης πολυστερίνης- Μεθοδολογίες και διατάξεις

Abstract

Τα τελευταία χρόνια η ανάγκη των χωρών για εξοικονόμηση ενέργειας οδήγησε στην εκπόνηση ποικίλων μελετών σχετικά με την κατανάλωση ενέργειας στην βιομηχανία και την καθημερινή ζωή. Εκτός από τον εντοπισμό των σημαντικότερων πηγών κατανάλωσης ενέργειας, πολλές μελέτες επικεντρώνονται στην ανάπτυξη κατάλληλων μέτρων και εφαρμογή παρεμβάσεων ώστε να επιτευχθεί η μείωση των ενεργειακών απαιτήσεων. Σύμφωνα με έρευνες, το μεγαλύτερο ποσοστό της παραγόμενης ενέργειας καταναλώνεται για την θέρμανση και ψύξη των κτιρίων και ο βέλτιστος τρόπος για τον περιορισμό της κατανάλωσης είναι η βελτίωση της θερμικής συμπεριφοράς των κτιριακών δομών με χρήση θερμομόνωσης στην τοιχοποιία. Η θερμομόνωση επιτυγχάνεται κυρίως με χρήση υλικών τα οποία έχουν την ιδιότητα να εμποδίζουν την μετάδοση της θερμότητας και να διατηρούν την θερμική άνεση εντός των εσωτερικών χώρων ενώ ταυτόχρονα μειώνουν το κόστος που απαιτείται από την χρήση συσκευών θέρμανσης και κλιματισμού. Ωστόσο, απαιτείται ιδιαίτερη προσοχή στην επιλογή του μονωτικού υλικού διότι, όπως σε όλα τα υλικά, οι περιβαλλοντικές συνθήκες και τα ακραία καιρικά φαινόμενα είναι πιθανό να επιδράσουν αρνητικά στο υλικό και να μειώσουν την μονωτική του ικανότητα. Η παρούσα διπλωματική εργασία αποτελείται από τρεις ενότητες και έχει ώς αντικείμενο την μελέτη της υγροθερμικής συμπεριφοράς της διογκωμένης πολυστερίνης, ενός πολύ διαδεδομένου υλικού θερμομόνωσης με πολύ υψηλή μονωτική ικανότητα. Συγκεκριμένα, μελετάται το ποσοστό απορρόφησης υγρασίας της διογκωμένης πολυστερίνης σε μερική και ολική εμβάπτιση ώστε να προσομοιωθούν οι συνθήκες ατμοσφαιρικής υγρασίας. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της θερμικής αγωγιμότητας ώστε να εξεταστεί η εξάρτηση της με την υδαταπορρόφηση. Η πρώτη ενότητα περιλαμβάνει ένα θεωρητικό τμήμα όπου παρατίθονται πληροφορίες σχετικά με την διαδικασία παραγωγής και τις ιδιότητες του υλικού και τις διαφορετικές κατηγορίες του υλικού που χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα. Επίσης, περιλαμβάνει μια βιβλιογραφική ανασκόπιση των φαινομένων μεταφοράς θερμότητας και μάζας καθώς και τις πηγές και μηχανισμούς μεταφοράς της υγρασίας στα κτίρια και την επίδραση της στην θερμική απόδοση του κτιρίου. Η δεύτερη ενότητα επικεντρώνεται στην περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας και στην ανάλυση των πειραματικών διατάξεων μόνιμης και μεταβατικής μετάδοσης θερμότητας που χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας. Η μερική και ολική εμβάπτιση των δοκιμίων διεξήχθη σύμφωνα με το διεθνές πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 12087 και υπολογίστηκε η υδαταπορρόφηση όπως όρίζεται σε κάθε περίπτωση. Οι μόνιμες διατάξεις που χρησιμοποιήθηκαν για τις μετρήσεις ήτανε η Guarded Hot Plate και η Heat- Flow που περιγράφονται από τα πρότυπα ISO 8302 και ISO 8301 αντίστοιχα και ως μεταβατικές τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν ο αναλυτής μεταφοράς θερμότητας ISOMET και ο μετατροπέας ρεύματος Ctmeter. Η τελευταία ενότητα της διπλωματικής εργασίας αποτελείται από δύο τμήματα όπου γίνεται η επεξεργασία των μετρήσεων θερμικής αγωγιμότητας. Αρχικά, πραγματοποιείται μια αξιολόγηση των παραπάνω πειραματικών τεχνικών ώστε να διαπιστωθεί εάν οι συσκευές μεταβατικής μετάδοσης θερμότητας δίνουν αποτελέσματα συγκρίσιμα με τις πιο αξιόπιστες σταθερές τεχνικές. Στη συνέχεια, μελετάται ενδελεχώς η υδαταπορρόφηση και η επίδραση της στην θερμική αγωγιμότητα. Τα αποτελέσματα έχουνε ληφθεί με την μέθοδο Guarded Hot Plate πριν και μετά τις εμβαπτίσεις των δοκιμίων και παρουσιάζονται συναρτήσει της υδαταπορρόφησης, της θερμοκρασίας και της φαίνόμενης πυκνότητας. Δόθηκε ιδιαίτερη έμφαση στην εξάρτηση της θερμικής αγωγιμότητας με την περιεχόμενη υγρασία ώστε να δειξαχθούν γενικευμένες μαθηματικές εξισώσεις που υπολογίζουν την συγκεκριμένη ιδιότητα για όλα τα δοκίμια διογκωμένης πολυστερίνης όταν είναι γνωστή η υδαταπορρόφηση και η αρχική θερμική αγωγιμότητα του υλικού που εξετάζεται.

In recent years the countries' need for energy saving led to the conduction of various studies on the consumption of energy in industry and everyday life. In addition to identifying the major sources of energy consumption, many studies focus on developing appropriate measures and implement interventions to achieve the reduction of energy requirements. According to surveys, the largest percentage of the energy consumed for heating and cooling of buildings and the best way to reduce consumption is to improve the thermal behavior of building structures using thermal insulation in masonry. The thermal isi mainly achieved by using materials which have the ability to prevent heat transmission and maintain thermal comfort within the interiors while reducing the cost required by the use of heaters and air conditioning. However, caution should be exercised in the selection of insulating material because, like all materials, environmental conditions and extreme weather events are likely to have a negative impact on the material and reduce its insulating ability. This thesis consists of three sections and its goal is to study the hygrothermal behavior of expanded polystyrene, a very common material with high thermal insulation capacity. Specifically, the study is focused on the rate of moisture absorption of expanded polystyrene due to partial and total immersion to simulate the conditions of atmospheric humidity. Then, the thermal conductivity is measured in order to examine its dependence with the water absorption. The first section consists of a theoretical section which sets out information about the production process and material properties and different types of material used in the experiment . It also includes a literature review of heat and mass transfer and the sources and mechanisms of moisture transport in buildings and its impact on the thermal performance . The second section focuses on the description of the experimental procedure and analysis of the experimental steady state and transient heat transfer techniques that were used in order to determine the thermal conductivity . The partial and total immersion of the specimens was performed according to the international standard ELOT EN 12087 and the water absorption was calculated as defined in each case . The steady state apparatus used for the measurements was the Guarded Hot Plate and Heat-Flow described by the standards ISO 8302 and ISO 8301 respectively and as for transitional techniques the heat transfer analyzer ISOMET and the current transformer Ctmeter were used. The last unit of the thesis consists of two parts where thermal conductivity measurements are processed . At first, an evaluation of the experimental techniques was performed in order to determine whether the transient heat transfer devices give results comparable to the most reliable steady state techniques. Furthermore, the water absorption is thoroughly studied and its effect on the thermal conductivity. The results are obtained by the method Guarded Hot Plate before and after immersing the samples in water and are presented as a function of water absorption , temperature and bulk density . Particular emphasis is given to the dependence of thermal conductivity with moisture content and generalized mathematical equations are formed that calculate this specific property for all expanded polystyrene samples when the water absorption and the initial thermal conductivity of the material being tested is known.