Πειραματικές και υπολογιστικές μέθοδοι ενεργειακής αξιολόγησης κτιριακού κελύφους με έμφαση σε υπερ-μονωτικά υλικά
Authors: Ατσόνιος Ιωάννης 
Published: September 2021

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.