Ανάπτυξη και εφαρμογή μετρητικών και υπολογιστικών μεθοδολογιών για την αξιολόγηση ενεργειακής απόδοσης δομικών στοιχείων με ιδιότητες αλλαγής φάσης

Abstract

This thesis addresses the experimental characterization and the numerical modeling of building elements enhanced with Phase Change Materials. Since the early 1980s, PCM technology has been receiving increasing attention and was often referred to be “one of the most advanced energy technologies in enhancing the energy efficiency and sustainability of buildings”. However, till this day PCM enhanced building materials are only hesitantly accepted by the construction industry. The reasons are analyzed in this thesis.The presented PCM characterization and modeling concepts are based on the innovative concept of the dynamic heat flow meter apparatus (DHFMA). The main benefits of the DHFMA come from its ability to test large specimens of PCM enhanced building materials. Starting with a fundamental theoretical analysis of the DHFMA under dynamic operation, the main sources of uncertainty and the calibration procedures are analyzed. In particular, the relationship between the measurement error and the basic design and operational parameters is determined.Based on the theoretical analysis, a small size apparatus of dimensions 200mm x 200mm was constructed. The combination of the small size with the thermoelectric technology for the temperature control of the plate assemblies resulted in a low cost and robust device. Besides, steady-state and dynamic measurements with the novel apparatus validated its high accuracy in line with the theoretical estimations.By means of the new apparatus existing and new characterization methods are investigated and novel materials are tested. These are a self compacted concrete incorporated with PCMs and a lightweight building component including a shape stabilized PCM wallboard. The dynamic testing of these materials shows the ability of the device to deal with inhomogeneous specimens. Additionally the thermal behavior can be investigated under realistic boundary conditions.The apparatus is proven to be highly accurate and is further utilized in a new modeling concept. The new concept employs an optimization algorithm which compares experimental results of the thermal response of PCM enhanced panels with predictions of a numerical model based on the effective heat capacity method. The algorithm is capable of providing optimum effective heat capacity curves for the melting and crystallization processes of the PCM. This improves significantly the predictions of the model.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει τον πειραματικό χαρακτηρισμό και την αριθμητικήμοντελοποίηση δομικών στοιχείων ενισχυμένων με Υλικά Αλλαγής Φάσης (ΥΑΦ). Από τιςαρχές της δεκαετίας του 1980, το ενδιαφέρον σχετικά με την τεχνολογία των ΥΑΦ συνεχώςαυξάνεται και συχνά τα ΥΑΦ αναφέρονται ως «μία από τις πιο προηγμένες ενεργειακέςτεχνολογίες για την ενίσχυση της ενεργειακής αποδοτικότητας και της βιωσιμότητας τωνκτιρίων». Ωστόσο, μέχρι και σήμερα τα δομικά υλικά με ΥΑΦ τυγχάνουν διστακτικήςαποδοχής από τον κατασκευαστικό κλάδο. Στην παρούσα διατριβή αναλύονται οι λόγοι.Οι πειραματικές και υπολογιστικές μέθοδοι που εξετάζονται, βασίζονται στην καινοτόμοιδέα της Δυναμικής Συσκευής Μέτρησης Ροής Θερμότητας (ΔΣΜΡΘ). Τα κύρια οφέλη τηςΔΣΜΡΘ συνίστανται στην ικανότητά της να αναλύει δοκίμια δομικών υλικών με ΥΑΦσχετικά μεγάλου μεγέθους. Ξεκινώντας με μια βασική θεωρητική ανάλυση της ΣυσκευήςΜέτρησης Ροής Θερμότητας (ΣΜΡΘ) σε στατική αλλά και δυναμική λειτουργία, αναλύθηκανοι κύριες πηγές μετρητικών σφαλμάτων και οι διαδικασίες βαθμονόμησης. Συγκεκριμένα,προσδιορίστηκε η συσχέτιση μεταξύ των μετρητικών σφαλμάτων και των βασικώνσχεδιαστικών και λειτουργικών παραμέτρων της συσκευής.Με βάση τη θεωρητική ανάλυση, κατασκευάστηκε μια μικρή συσκευή διαστάσεων200mm x 200mm. Ο συνδυασμός του μικρού μεγέθους με τη θερμοηλεκτρική τεχνολογία γιατον έλεγχο της θερμοκρασίας των πλακών οδήγησε σε μία συσκευή χαμηλού κόστους αλλάμεγάλης ακρίβειας. Επιπρόσθετα, δυναμικές και στατικές μετρήσεις με τη νέα συσκευήεπιβεβαίωσαν την υψηλή ακρίβειά της σύμφωνα με τις θεωρητικές εκτιμήσεις.Με τη χρήση της νέας συσκευής εξετάστηκαν νέες μέθοδοι πειραματικού χαρακτηρισμούκαι διερευνήθηκαν νέα δομικά υλικά με ΥΑΦ. Συγκεκριμένα, εξετάστηκε ένα νέο μίγμασκυροδέματος με μικροσφαιρίδια ΥΑΦ και ένα ελαφροβαρές δομικό στοιχείο πουπεριελάμβανε μία δομική σανίδα σταθεροποιημένου σχήματος ΥΑΦ. Οι δυναμικές μετρήσειςαυτών των υλικών κατέδειξαν την ικανότητα της συσκευής στη μέτρηση ανομοιογενώνμιγμάτων και στην ανάλυση της θερμικής συμπεριφοράς σε ρεαλιστικές οριακές συνθήκες.Η συσκευή αποδείχτηκε εξαιρετικά ακριβής και αξιοποιήθηκε περαιτέρω σε μία νέαπροσέγγιση μοντελοποίησης των ΥΑΦ. Η νέα μέθοδος χρησιμοποιεί έναν αλγόριθμοβελτιστοποίησης που συγκρίνει τα πειραματικά αποτελέσματα της θερμικής απόκρισης ενόςδομικού στοιχείου με ΥΑΦ με τις προβλέψεις ενός αριθμητικού μοντέλου που βασίζεται στηνμέθοδο της φαινόμενης θερμοχωρητικότητας. Ο αλγόριθμος είναι ικανός να παρέχει τιςβέλτιστες συναρτήσεις φαινόμενης θερμοχωρητικότητας για τις διεργασίες τήξης καιστερεοποίησης του ΥΑΦ. Αυτό βελτιώνει σημαντικά τις προβλέψεις του μοντέλου.