Energy Optimized Configuration of Concrete Element with PCM

Byggesektoren er ansvarlig for ca. 40 % af verdenens totale primærenergiforbrug og hoveddelen af denne energi bliver brugt til at fastholde tilfredsstillende indeklimaforhold med opvarmning, afkøling og ventilation.

De traditionelle energikilder er derudover uigenkaldeligt ved at formindskes og prisen på energi og brændstof stiger gradvist. Oven i det har udledning af gasser i atmosfæren forårsaget langtidsvarige og skadelige forandringer i det globale klima. Som en reaktion på dette er lande startet med at indføre nye, mere krævende lovgivninger og standarder til fremtidig konstruktion og renovering af bygninger. For eksempel forudsætter de nye energirammer i Danmark en reduktion af primærenergiforbruget ved bygninger på forholdsvis 25 % i 2010, 50 % i 2015 og 75 % i 2020 sammenlignet med tal fra 2006. Byggesektoren må, som en konsekvens heraf, udstyres med de nye teknologier, der muliggør overholdelse af de nye krav vedrørende de nye energirammer.

Konceptet, der præsenteres og udvikles i denne afhandling, fokuserer på energioptimering og potentiallet med det nye produkt, der kan udnytte lagring af høj termisk energi (TES) og termiskstyrede bygningssystemer (TABS). Afhandlingen undersøger potentialet ved at inkorporere mikroindkapslet faseskiftmateriale (PCM) i et betondækelement med hulkerne, for at øge kapaciteten for dynamisk varmelagring i den interne klimaskærm i fleretagesbygninger. Undersøgelsen udforsker ydermere afkølingskapaciteten og præstationsevnen for betondæk med PCM og integreret TABS, og fremhæver begrænsninger og udfordringer ved den nye teknologi.

Det fremlagte værk bruger adskillige metoder til at undersøge den dynamiske ydelsesevne for det nyudviklede produkt. Som følge deraf udvikles forsøgsopstillingerne og metodelæren først, for at bestemme de termiske egenskaber for det nye materiale, så som PCM-beton-kombinationen, og derefter for at undersøge ydelsesevnen for de udviklede dæk i en 1:1 skala.

Forskningen er planlagt som en iterativ proces, hvor den første numeriske undersøgelse af dækket med PCM udføres ved brug af de teoretiskbestemte termiske egenskaber for PCM-betonmaterialet. Årsagen til denne iterative forskning er manglen på forsøgsbestemte termiske egenskaber for dette relativt nye materiale. I det andet trin af denne forskning bestemmes de termiske egenskaber for PCM-betonen gennem forsøg og efterfølgende opdateres de første numeriske modeller med de målte termiske egenskaber for det nye kompositmateriale. Til sidst valideres resultaterne fra den numeriske analyse med fuldskalaforsøg, der udføres i et specialudviklet og modificeret hot box apparat. Fuldskalaforsøgene udføres også for de specialudviklede profileret dæk med reliefer, hvorpå varmeudvekslingsoverfladen forøges i forhold til standard flade dæk. De profilerere dæk undersøges med henblik på mængden af varme, der kan lagres i løbet af en typisk dag-nat cyklus i en kontorbygning med specialdesignede spelteindblæsning.

For og fremmest observeredes det, at antagelserne for de teoretiske termiske egenskaber skilte sig ud fra de forsøgsbestemte termiske egenskaber for PCM-beton. Resultaterne opnået fra de første (teoretiske) og opdaterede (forsøg) numeriske modeller reflekterer som følge deraf en væsentlig uoverensstemmelse i den dynamiske varmelagring og afkølingskapacitet for de udviklede dæk. Den forsøgsbestemte termiske ledningsevne og specifikke varmekapacitet for PCM-beton er væsentlig lavere end dem fra de teoretiske beregninger, hvilket i begge tilfælde resulterer i dårligere varmelagring og afkølingseffektpræstationer end oprindeligt forventet.

Resultaterne fra fuldskalaundersøgelsen af dynamisk varmelagring i dækkene indikerede, at der ikke er nogen betydelig forskel mellem dækkene med udvidet varmeudvekslingsoverflade og ét med en ordinær flad overflade. Derudover blev der ikke observeret nogen betydelig forbedring for dækkene med PCM i forhold til deres referencedæk med almindelig mørtelstøbning. Derimod blev en forbedring i varmelagringen observeret for alle dækstøbninger med specialdesignede tegl på bunden med hensyn til standard betondækelementer. Disse resultater var derimod uventede, da materialeegenskaberne for mørtelen, der blev brugt til at støbe tegl med, blev fastsat til at være ringere end dem for betonmaterialet, der blev brugt til at støbe standarddækkene.