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

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή υπολογιστικών εργαλείου για την προσομοίωση και ανάλυση της ενεργειακής απόδοσης κτηρίων, τα οποία εμπεριέχουν Υλικά Αλλαγής Φάσης (ΥΑΦ) μέσα στο δομικά τους υλικά. Έμφαση δίνεται σε κτήρια ελαφριάς κατασκευής και στην ενδεχόμενη επίδραση που έχουν τα ΥΑΦ, ως προς την μείωση των ψυκτικών φορτίων του κτηρίου. Κίνητρο για την έρευνα αυτή αποτελεί η ανάγκη ενεργειακής μελέτης καινοτόμων τεχνολογιών, οι οποίες θα βοηθήσουν στην ανάπτυξη αποδοτικότερων συστημάτων, με απώτερο στόχο την αναβάθμιση του κτηριακού τομέα, τη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, την προώθηση «καθαρών» πηγών ενέργειας, τον περιορισμό της παγκόσμιας ρύπανσης του περιβάλλοντος. Ειδικά, ο στόχος για κτήρια χαμηλής ή σχεδόν μηδενικής κατανάλωσης επιβάλλει τον εκ των προτέρων υπολογισμό των ψυκτικών και θερμικών φορτίων, ώστε να εξασφαλιστεί η θερμική άνεση για τους ενοίκους. Η ακριβής προσομοίωση και μοντελοποίηση τέτοιων συστημάτων κρίνεται απαραίτητη, ώστε να βοηθηθεί η διείσδυση των ΑΠΕ στην καθημερινότητα και να επιτευχθούν οι εθνικοί και παγκόσμιοι στόχοι που έχουν θεσπιστεί για την κλιματική αλλαγή. Στην παρούσα εργασία, αρχικά αναπτύσσεται μεθοδολογία εισαγωγής Υλικών Αλλαγής Φάσης σε υπολογιστικό εργαλείο. Το υπολογιστικό εργαλείο απαρτίζεται από δυο ξεχωριστά πακέτα ενεργειακής προσομοίωσης: ο κώδικας, ο οποίος αναπτύχθηκε στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, γραμμένος στη γλώσσα προγραμματισμού MATLAB, ο οποίος περιγράφει μονοδιάστατα το φαινόμενο της αλλαγής φάσης σε δομικό στοιχείο, εισάγεται στο περιβάλλον ενός εμπορικού πακέτου ενεργειακής προσομοίωσης (TRNSYS), το οποίο είναι υπεύθυνο για τον υπολογισμό της επίδρασης όλων των υπολοίπων χαρακτηριστικών του κτηρίου και του περιβάλλοντα χώρου. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε επικυρώνεται και επαληθεύεται με πειραματικές μετρήσεις από πραγματική πιλοτική κατοικία. Η μοντελοποίηση της πιλοτικής κατοικίας εστιάζει στην επίδραση των ΥΑΦ στη μείωση των ψυκτικών φορτίων της οικίας. Έμφαση δίνεται στην διερεύνηση τριών κατηγοριών-παραμέτρων, οι οποίες ενδέχεται να επηρεάζουν την απόδοση των ΥΑΦ. Οι κατηγορίες αυτές αφορούν τις ιδιότητες του ΥΑΦ, τις συνθήκες λειτουργίας και χρήσης της κατοικίας και το τοπικό κλίμα. Προτείνεται το βέλτιστο σενάριο για κάθε κατηγορία, ώστε η απόδοση του ΥΑΦ να είναι η μέγιστη, σύμφωνα τις συνθήκες που επικρατούν.

The investigation of Phase Change Materials (PCMs) as thermal energy storage systems dates back to the 1940s, however, their practical application in construction regained interest during the last decades, due to their gradual cost reduction. The concept of PCM implementation is associated with ability of building elements, not only to exhibit increased levels of heat resistance, but also to display high values of heat capacities. Towards this direction, the development of dedicated computational tools to accurately predict heat transfer and energy storage phenomena in buildings and building components containing PCMs is essential. Over the last decades, several studies have numerically investigated the thermal behaviour of building elements containing PCM under different thermal conditions. Many of them use existing building energy simulation tools such as TRNSYS, Energy Plus, ESP-r, BSim, Fluent, RADCOOL, COMSOL or other developed codes. Specifically, many in-house codes that simulate the PCM effect in TRNSYS platform are available in the literature. 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 test case considered is a demo house built in Amfilochia- Greece, that comprises a load-bearing steel frame, combined with gypsum plasterboard wall assemblies. PCMs are incorporated in all internal walls and internal partitions. It is a two-storey building with a typical Greek family residential arrangement plan and measures 12,33 m width, 9,90 m length and 8,47 m height, with a total surface of approximately 152 m2, while the heated area is 128,42 m2. On the ground floor, there is a kitchen, a boiler/storage room, a utility room and the main living room, while on the 1st floor, the master and auxiliary bedrooms are separated by the bathroom. Gypsum or PCM plasterboards are installed in double cladding layers in accordance with the Greek fire-resistance, thermal and sound insulation requirements. 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. Overall, the numerical results obtained with the proposed model yield a good representation of the measured values. These results validate the performance of the TRNSYS-MATLAB model in large scale buildings and give confidence for its implementation for the prediction of the overall house performance. In order to assess the energy demand of the building and to quantify the PCM effect, the annual cooling loads are under examination. 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. The calculated numerical results for the energy saving in cooling demand are in full agreement with those found in the literature. Focusing on cooling loads, it is evident that when full-scale buildings are under examination, the reduction of the energy demand is between 20% - 35%. A crucial parameter that affects the results is the weather conditions, showing that the decrease in energy demand can be maximized if the appropriate melting point of the PCM is selected. The test case examined in this work is one of the very few studying a whole two-storey, residential building, in which most of the rooms are covered with PCM wallboards. Usually, a test cell or one room inside a building is under examination, as found in literature. Such a full scale building allows for the direct examination of different parameters which may affect the PCM influence, such as the elevation of a room, its orientation and dimensions. Moreover, since the building is continuously monitored, experimental measurements can provide critical data for further numerical studies.