Πειραματικές και υπολογιστικές μέθοδοι ενεργειακής αξιολόγησης κτιριακού κελύφους με έμφαση σε υπερ-μονωτικά υλικά

Abstract

The current thesis addresses the experimental and numerical methods for the energy assessment of building envelopes and investigates the impact of Super Insulation Materials on the envelope upgrade. The energy efficiency of envelope is crucial for the minimization of the energy demand in building sector and the achievement of the national and international targets regarding the reduction of global energy consumption. The assessment of the envelope thermal performance is the benchmark for the enhancement of buildings, decision making during the design stage and the evaluation of innovative materials and techniques. Such a material is the Vacuum Insulation Panel (VIP) which is the most promising Super Insulation Material for applications in building sector.In the experimental approach of thesis, it is shown that the in-situ measurement of the thermal resistance (R-value) and the thermal transmittance (U-value) of existing wall is vital for the energy assessment of the building envelope. In this context, the thesis examines and compares the current available and proposes new methods for the in-situ characterization of building walls. The widely used standardized methods for the in-situ R-value measurement of building walls (described by ISO 9869 and ASTM C1155) are extensively analyzed and evaluated. For this purpose, an experimental campaign is performed for the in-situ R-value measurement of tree walls under different measuring conditions. The outcomes provide guidelines for the in-situ R-value measurement, the pre-processing of measurements and the selection of the appropriate method. Furthermore, emphasis is put on the in-situ characterization of lightweight steel-framed (LSF) building envelopes, revealing that there is a gap in literature concerning the in-situ U-value measurement. To fill this gap, the thesis introduces and validates two new methods for the in-situ measurement of the overall thermal transmittance of LSF walls, including the negative and complex effect of metal structure. The two methods, namely the Representative Points Method (RPM) and the Weighted Area Method (WAM), achieve fast and accurate in-situ U-value measurement, combining infrared thermography with the recording and processing of air temperatures and heat flux measurements. The proposed methods could be useful tools for the introduction of standardized methods for the in-situ measurement of the U-value of lightweight envelopes.At the same time, the thesis experimentally investigates the thermal and hygrothermal behavior of VIPs and their impact on the envelope energy efficiency. For this reason, the above new methods along with widely used experimental techniques are employed on innovative building envelopes. Two LSF building envelopes incorporating different types of VIPs are constructed and monitored over an entire year. The first involves a renovated wall in Greece (the first building application of VIPs in Greece), while the second constitutes the entire envelope of a small-scale building, in Switzerland. The comprehensive experimental investigation reveals the benefits of using the Super-Insulation technology in envelope upgrade, but also indicates some weaknesses to overcome.In the numerical approach, the thesis examines and evaluates the existing numerical methods for the energy assessment of innovative building envelopes. The investigation focuses on the simulation of VIP and the calculation of the contribution of thermal bridges, which is the main challenge regarding the LSF envelopes. In particular, two different numerical techniques, the steady state analysis according to ISO 10211 and the whole building simulation in dynamic conditions, are applied to an LSF envelope incorporating VIPs with available measurements from the experimental part of thesis. It is shown that the methods calculate the accurate behavior of VIPs, while the contribution of thermal bridges can be calculated by an EnergyPlus model by means of appropriate modifications of the material thermal properties.In this thesis, the numerical techniques are employed for the investigation of the energy and cost effectiveness of the VIPs for two theoretical real scale buildings. In the first, the installation of a VIP layer at the external walls of an LSF envelope is examined as a measure for the reduction of thermal bridges. It is shown that the VIPs improve the envelope thermal performance by 15% in terms of heating/cooling demand and reduce the effect of all thermal bridges and their hygrothermal issues. Moreover, design modifications on the current construction practices are proposed for the further reduction of the most crucial thermal bridges. In the second application, a techno-economic assessment of the renovation of an old massive building is carried out. The application of VIPs is compared with conventional solutions for cities with different climate conditions and economic factor. The assessment of the cases is performed by means of the calculation of annual savings/operating costs and the payback period, indicating that the use of VIPs with the current prices can be profitable in cold climates and for areas with high rental prices.

Η παρούσα διατριβή εξετάζει τις πειραματικές και υπολογιστικές μεθόδους για την ενεργειακή αξιολόγηση κτιριακών κελυφών και διερευνά τη συνεισφορά των Υπέρ-Μονωτικών Υλικών στην αναβάθμιση του κελύφους. Η ενεργειακή απόδοση του κελύφους είναι σημαντική για την ελαχιστοποίηση των ενεργειακών αναγκών στον κτιριακό τομέα και την επίτευξη των εθνικών και διεθνή στόχων σχετικά με τη μείωση της ενεργειακής κατανάλωσης. Η αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης του κελύφους είναι το σημείο αναφοράς για την βελτίωση των κτιρίων, τη λήψη αποφάσεων στη φάση του σχεδιασμού και την αξιολόγηση καινοτόμων υλικών και τεχνικών. Ένα τέτοιο καινοτόμο υλικό είναι η Μονωτική Σανίδα Κενού (Vacuum Insulation Panel - VIP), το οποίο είναι το πιο πολλά υποσχόμενο Υπέρ-Μονωτικό Υλικό για εφαρμογές στον κτιριακό τομέα.Στην πειραματική προσέγγιση της διατριβής, διαπιστώνεται ότι η επιτόπια μέτρηση της θερμικής αντίστασης (R-value) ή της θερμικής διαπερατότητας (U-value) υπάρχουσας τοιχοποιίας είναι καθοριστική για την ενεργειακή αξιολόγηση του κτιριακού κελύφους. Σε αυτό το πλαίσιο, η διατριβή συγκρίνει τις υπάρχουσες μεθόδους και προτείνει νέες για τον επιτόπιο χαρακτηρισμό τοιχοποιιών. Οι ευρέως χρησιμοποιούμενες προτυποποιημένες μεθόδους για τη μέτρηση του R-value μιας τοιχοποιίας (όπως περιγράφονται από τα πρότυπα ISO 9869 και ASTM C1155) αναλύονται διεξοδικά και αξιολογούνται. Για το σκοπό αυτό διενεργείται μια πειραματική μελέτη για τη μέτρηση του R-value τριών τοιχοποιιών υπό διαφορετικές μετρητικές συνθήκες. Τα συμπεράσματα της μελέτης παρέχουν χρήσιμες οδηγίες για την μέτρηση του R-value, την προετοιμασία των μετρήσεων και την επιλογή της κατάλληλης μεθόδου. Επιπλέον, στη διατριβή δίνεται έμφαση στον επιτόπιο χαρακτηρισμό των ελαφρών κελυφών χαλύβδινου σκελετού (lightweight steel-framed - LSF), φανερώνοντας ότι υπάρχει ένα κενό στη βιβλιογραφία σχετικά με τη μέτρηση του U-value τέτοιων τοιχοποιιών. Για την κάλυψη αυτού του κενού, η διατριβή εισάγει και επικυρώνει δύο νέες μεθόδους για την επιτόπια μέτρηση της συνολικής θερμικής διαπερατότητας των LSF τοιχοποιιών, συμπεριλαμβανομένης της αρνητικής και πολύπλοκης επίδρασης του μεταλλικού σκελετού. Οι δύο μεθόδους, η Μέθοδος των Αντιπροσωπευτικών Σημείων (Representative Points Method - RPM) και η Μέθοδος της Σταθμισμένης Περιοχής (Weighted Area Method - WAM), επιτυγχάνουν γρήγορη και ακριβή επιτόπια μέτρηση του U-value, συνδυάζοντας την υπέρυθρη θερμογραφία με την καταγραφή και επεξεργασία μετρήσεων θερμοκρασίας αέρα και ροής θερμότητας. Οι προτεινόμενες μέθοδοι μπορούν να είναι χρήσιμα εργαλεία για την εισαγωγή προτυποποιημένων μεθόδων για την επιτόπια μέτρηση του U-value σε ελαφρές τοιχοποιίες.Παράλληλα, η διατριβή διερευνά πειραματικά τη θερμική και υγροθερμική συμπεριφορά των VIPs καθώς επίσης και την συνεισφορά τους στην ενεργειακή απόδοση του κελύφους. Για το λόγο αυτό, οι παραπάνω μέθοδοι μαζί με ευρέως χρησιμοποιούμενες πειραματικές τεχνικές εφαρμόζονται σε καινοτόμα κτιριακά κελύφη. Δύο LSF κελύφη που περιλαμβάνουν διαφορετικούς τύπους VIPs κατασκευάζονται και λαμβάνονται δεδομένα παρακολούθησης για ένα ολόκληρο έτος. Το πρώτο περιλαμβάνει μια αναβαθμισμένη τοιχοποιία στην Ελλάδα (η πρώτη κτιριακή εφαρμογή με VIP στην Ελλάδα), ενώ το δεύτερο περιλαμβάνει ένα ολόκληρο κέλυφος κτιρίου μικρής κλίμακας στην Ελβετία. Η εκτενής πειραματική διερεύνηση φανερώνει τα οφέλη της χρήσης της Υπέρ-Μονωτικής τεχνολογίας στην αναβάθμιση του κτιριακού κελύφους, αλλά και αναδεικνύει μερικές δυσκολίες που θα πρέπει να αντιμετωπιστούν.Στην αριθμητική προσέγγιση, η διατριβή εξετάζει και συγκρίνει τις υπάρχουσες αριθμητικές μεθόδους για την ενεργειακή αξιολόγηση καινοτόμων κτιριακών κελυφών. Η διερεύνηση εστιάζει στην προσομοίωση του VIP και στον υπολογισμό της συνεισφοράς των θερμογεφυρών, οι οποίες αποτελούν την κύρια δυσκολία στην ανάλυση των LSF κελυφών. Συγκεκριμένα, δύο διαφορετικές τεχνικές, η ανάλυση σε μόνιμες συνθήκες σύμφωνα με το ISO 10211 και η προσομοίωση ολόκληρου του κτιρίου σε δυναμικές συνθήκες, εφαρμόζονται σε ένα LSF κέλυφος που περιλαμβάνει VIPs με διαθέσιμες μετρήσεις από το πειραματικό μέρος της διατριβής. Διαπιστώνεται ότι οι μέθοδοι υπολογίζουν με ακρίβεια τη συμπεριφορά των VIPs, ενώ η συνεισφορά των θερμογεφυρών μπορεί να υπολογιστεί με ακρίβεια από ένα μοντέλο στο λογισμικό EnergyPlus μέσω κατάλληλων τροποποιήσεων των θερμικών ιδιοτήτων των υλικών.Στην διατριβή, οι αριθμητικές τεχνικές εφαρμόζονται για την διερεύνηση της ενεργειακής και οικονομικής απόδοσης των VIPs για δύο θεωρητικά κτίρια πραγματικού μεγέθους. Στου πρώτο, εξετάζεται η εγκατάσταση μιας στρώσης VIP στις εξωτερικές τοιχοποιίες ενός LSF κτιρίου, ως ένα μέτρο για τη μείωση των θερμογεφυρών. Διαπιστώνεται ότι τα VIPs βελτιώνουν τη θερμική απόδοση του κελύφους μειώνοντας κατά 15% τις ανάγκες για θέρμανση και ψύξη και παράλληλα μειώνουν την επίδραση των θερμογεφυρών και των υγροθερμικών προβλημάτων τους. Επιπλέον προτείνονται σχεδιαστικές τροποποιήσεις των συνήθων κατασκευαστικών πρακτικών για την περαιτέρω μείωση των πιο σημαντικών θερμογεφυρών. Στη δεύτερη εφαρμογή, διεξάγεται μία τεχνο-οικονομική αξιολόγηση για την αναβάθμιση ενός παραδοσιακού κτιρίου. Συγκρίνεται η εφαρμογή των VIPs με συμβατικές λύσεις για πόλεις με διαφορετικές κλιματικές συνθήκες και οικονομικούς παράγοντες. Η αξιολόγηση των περιπτώσεων πραγματοποιείται μέσω του υπολογισμού των ετήσιων ενεργειακών εξοικονομήσεων/λειτουργικών εξόδων και την περίοδο αποπληρωμής φανερώνοντας ότι η χρήση των VIPs, με το σημερινό τους κόστος, μπορεί να είναι επικερδής σε περιοχές με ψυχρό κλίμα και υψηλές τιμές ενοικίου.