Πειραματικές μέθοδοι για μελέτη θερμικής συμπεριφοράς κελύφους κτιρίων

Abstract

Τη σημερινή εποχή, η εξοικονόμηση ενέργειας στα κτίρια είναι επιτακτική ανάγκη προσφέροντας οικονομικά και περιβαλλοντικά οφέλη. Ο κυριότερος τρόπος βελτίωσης της θερμικής συμπεριφοράς του κελύφους ενός κτιρίου είναι η τοποθέτηση θερμομόνωσης στην τοιχοποιία, ενώ σημαντικό ρόλο στη θερμική της συμπεριφορά παίζει η θερμοχωρητικότητα. Η παρούσα εργασία αποτελείται από τρεις ενότητες. Η πρώτη ενότητα αποτελεί μία βιβλιογραφική ανασκόπηση για τους παράγοντες που βελτιώνουν την εξοικονόμηση ενέργειας στο κτιριακό κέλυφος. Στη δεύτερη, αναλύεται η θεωρητική και πειραματική προσέγγιση στη μελέτη του συντελεστή θερμοπερατότητας κτηριακών κελυφών. Το τρίτο μέρος εξετάζει το ρόλο της θερμικής μάζας του κελύφους στην συνολική θερμική συμπεριφορά ενός κτηρίου. Η βιβλιογραφική ανασκόπηση εστιάζει κυρίως στο βασικότερο παράγοντα της ενεργειακής βελτίωσης μιας τοιχοποιίας που είναι η αύξηση της θερμομονωτικής ικανότητας της τοιχοποιίας μέσω διαφόρων θερμομονωτικών υλικών. Ιδιαίτερη σημασία έχει η θέση τοποθέτησής τους στο εσωτερικό της τοιχοποιίας. Ένας δεύτερος παράγοντας είναι η θερμοχωρητικότητα του κελύφους, με την οποία μειώνονται οι διακυμάνσεις των εσωτερικών θερμοκρασιών και παρατείνονται οι μέγιστες θερμοκρασίες. Με σκοπό τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτιριακών κελυφών, η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει εκδώσει δύο οδηγίες τα βασικά σημεία των οποίων εξετάζονται στην παρούσα εργασία. Στο δεύτερο μέρος πραγματοποιείται εκτενής μελέτη του θεωρητικού και πειραματικού προσδιορισμού της θερμομονωτικής ικανότητας ενός κελύφους μέσω του συντελεστή θερμικής διαπερατότητας, U-value. O συντελεστής U-value προσδιορίζεται θεωρητικά από το πρότυπο ISO 6946 και πειραματικά από τα πρότυπα ISO 9869 και ASTM C 1155. Για τον πειραματικό προσδιορισμό απαιτούνται επιτόπιες μετρήσεις επιφανειακής εσωτερικής και εξωτερικής θερμοκρασίας του κελύφους και της ροής θερμότητας που το διαπερνά. Η επιλογή του κατάλληλου μετρητικού εξοπλισμού και των αισθητήρων απαιτεί ιδιαίτερη προσοχή και αποτελεί ένα σημαντικό μέρος της πειραματικής διαδικασίας. Στην παρούσα διπλωματική έγιναν μετρήσεις με διάφορους εξοπλισμούς με στόχο την αξιολόγησή τους. Οι μεθοδολογίες που εφαρμόζονται για στον πειραματικό προσδιορισμό του συντελεστή U-value, σύμφωνα με τα παραπάνω πρότυπα, είναι η Μέθοδος Μέσης Τιμής, η Αθροιστική Τεχνική, η Μέθοδος των Ελαχίστων Τετραγώνων και η Δυναμική Μέθοδος. Κάθε μια από αυτές απαιτεί την ικανοποίηση συγκεκριμένων συνθηκών και ορίζει τα δικά τους κριτήρια σύγκλισης. Οι μέθοδοι για τον προσδιορισμό της θερμοπερατότητας του κελύφους χρησιμοποιούν είτε τους μέσους όρους των μετρήσεων επιφανειακής θερμοκρασιακής διαφοράς και θερμοροής, είτε επιλύουν τη διαφορική εξίσωση μεταφοράς θερμότητας με αγωγή βάζοντας ως οριακές συνθήκες τις μετρήσεις της εσωτερικής και εξωτερικής επιφανειακής θερμοκρασίας και συγκρίνοντας τις θεωρητικές τιμές ροής θερμότητας με τις πειραματικές προσδιορίζουν του συντελεστή. Για την παρούσα διπλωματική εργασία κατασκευάστηκαν υπολογιστικοί κώδικές στο λογισμικό MATLAB με σκοπό την επεξεργασία των μετρήσεων σύμφωνα με κάθε μεθοδολογία. Οι τοιχοποιίες που μελετήθηκαν για τον πειραματικό προσδιορισμό του συντελεστή U-value, είναι η τοιχοποιία ενός πειραματικού οικίσκου από ξηρά δόμηση, θερμομόνωση και διάκενο αέρα, μια λιθόκτιστη και μία ξυλόπηκτη τοιχοποιία. Υπολογίζοντας για κάθε τοιχοποιία ξεχωριστά το θεωρητικό συντελεστή U-value και περιγράφοντας τη διαδικασία επιλογής του κατάλληλου σημείου μέτρησης και του τρόπου εγκατάστασης των αισθητήρων, γίνεται στη συνέχεια η ανάλυση των μετρήσεων και ο προσδιορισμός του συντελεστή με κάθε μέθοδο, με σκοπό την αξιολόγηση των μεθόδων και των πειραματικών διατάξεων. Έτσι παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά κάθε μεθοδολογίας ως προς τις απαιτήσεις, την αξιοπιστία, την ταχύτητα και την ευκολία στη χρήση τους. Στην τρίτη ενότητα της διπλωματικής γίνεται μια συγκριτική αξιολόγηση της θερμικής συμπεριφοράς δύο κτιρίων με διαφορετική θερμική μάζα. Εγκαθιστώντας στα κτίρια αυτά αισθητήρες σε διάφορα σημεία, μετρώντας κυρίως θερμοκρασίες του εσωτερικού αέρα και επιφανειακές εσωτερικές και εξωτερικές θερμοκρασίες της τοιχοποιίας παρατηρείται η θερμική υστέρηση στις διάφορες τοιχοποιίες, ο ρόλος που παίζουν τα ανοίγματα στις απώλειες/κέρδη των κτιρίων κατά τη διάρκεια της ημέρας και τέλος τα χαρακτηριστικά που προσφέρει η θερμοχωρητικότητα του κελύφους στη συνολική θερμική συμπεριφορά του κτιρίου.

Nowadays, the energy saving in the buildings is of high importance, offering financial and environmental benefits. The main way for the improvement of the thermal behavior of the building envelope is the installation of insulation in masonry, while the heat capacity plays a significant role in the thermal behavior of masonry. This thesis consists of three sections. The first unit is a literature review on the factors that improve energy efficiency in the building envelope. At the second one, the theoretical and experimental approach for the study of the thermal transmittance coefficient of building envelope is analyzed. Finally, the third part examines the importance of the thermal mass of the wall in the total thermal behavior of a building. The literature review focuses on the most important factor of energy improvement of a wall that is the increase of its insulating capacity of masonry by different materials. Special attention should be paid in their location within the wall. Another factor is the heat capacity of the building envelope, which reduces the variations of indoor temperatures and extends the maximum temperatures. In order to improve the energy efficiency of building envelope, the European Union has published two directives. In the second part of the thesis, an extensive study of the theoretical and experimental calculation of the thermal insulation capacity of building envelope via thermal transmittance coefficient (U-value) is presented. The U-value coefficient is determined theoretically by the standard ISO 6946 and experimentally by ISO 9869 and ASTM C 1155. For the experimental determination in-situ measurements of surface internal and external temperature and heat flux are required. The choice of the appropriate measuring equipment and sensors requires special attention and is an important part of the experimental procedure. The methods for the experimental determination of the U-value coefficient according to the above standards is the Average Method, the Summation Technique, the Sum of Least Squares Technique and the Dynamic Method. Each of them requires specific conditions and defines their own criteria for convergence. The methods for determining the transmittance of building envelope either use the average values of the measurements of the surface temperature difference and heat flux, or solve the differential equation of heat transfer by conduction. In the latter case the boundary conditions are the internal and external surface temperature. The theoretical heat flux is compared with the corresponding experimental, in order to determine the U-value coefficient. In this thesis, a computational code was built in MATLAB software in order to evaluate the measurements according to each methodology. The masonries that were studied for the experimental determination of the U-value coefficient are the masonry of an experimental shed from dry construction, insulation and air gap, a stone and a timber frame wall. Firstly, the theoretical U-value coefficient is estimated for each masonry and the procedure of the selection of the appropriate measurement point and the development modalities of sensors is described. Afterwards, the measurements are analyzed and the U-value coefficient is determined by every method in order to evaluate the methods and the experimental devices. Hence, the characteristics of each methodology regarding special requirements, reliability, speed and ease of use are presented. In the third part of this thesis, a comparative evaluation of the thermal behavior between two buildings with different thermal mass is performed. Several sensors were installed in various spots in the buildings to measure indoor air temperature, surface temperature inside and outside the wall, thermal delay, the effect of the openings on the thermal losses/gains of the buildings and finally the contribution of heat capacity of building envelope to the characterization of the overall thermal behavior of the building.