Radiation properties of coil-coated steel in building envelope surfaces and the influence on building thermal performance

Recent studies have shown that the optical properties of building exterior surfaces are important in terms of energy use and thermal comfort. While the majority of the studies are related to exterior surfaces, the radiation properties of interior surfaces are less thoroughly investigated. Development in the coil-coating industries has now made it possible to allocate different optical properties for both exterior and interior surfaces of steel-clad buildings. The aim of this thesis is to investigate the influence of surface radiation properties with the focus on the thermal emittance of the interior surfaces, the modeling approaches and their consequences in the context of the building energy performance and indoor thermal environment. The study consists of both numerical and experimental investigations. The experimental investigations include parallel field measurements on three similar test cabins with different interior and exterior surface radiation properties in Borlänge, Sweden, and two ice rink arenas with normal and low emissive ceiling in Luleå, Sweden. The numerical methods include comparative simulations by the use of dynamic heat flux models, Building Energy Simulation (BES), Computational Fluid Dynamics (CFD) and a coupled model for BES and CFD. Several parametric studies and thermal performance analyses were carried out in combination with the different numerical methods. The parallel field measurements on the test cabins include the air, surface and radiation temperatures and energy use during passive and active (heating and cooling) measurements. Both measurement and comparative simulation results indicate an improvement in the indoor thermal environment when the interior surfaces have low emittance. In the ice rink arenas, surface and radiation temperature measurements indicate a considerable reduction in the ceiling-to-ice radiation by the use of low emittance surfaces, in agreement with a ceiling-toice radiation model using schematic dynamic heat flux calculations. The measurements in the test cabins indicate that the use of low emittance surfaces can increase the vertical indoor air temperature gradients depending on the time of day and outdoor conditions. This is in agreement with the transient CFD simulations having the boundary condition assigned on the exterior surfaces. The sensitivity analyses have been performed under different outdoor conditions and surface thermal radiation properties. The spatially resolved simulations indicate an increase in the air and surface temperature gradients by the use of low emittance coatings. This can allow for lower air temperature at the occupied zone during the summer. The combined effect of interior and exterior reflective coatings in terms of energy use has been investigated by the use of building energy simulation for different climates and internal heat loads. The results indicate possible energy savings by the smart choice of optical properties on interior and exterior surfaces of the building. Overall, it is concluded that the interior reflective coatings can contribute to building energy savings and improvement of the indoor thermal environment. This can be numerically investigated by the choice of appropriate models with respect to the level of detail and computational load. This thesis includes comparative simulations at different levels of detail.

Energy Efficient Buildings with Functional Steel Cladding

The aim of the study is to develop a model for the energy balance of buildings that includes the effect from the radiation properties of interior and exterior surfaces of the building envelope. As a first step we have used ice arenas as case study objects to investigate the importance of interior low emissivity surfaces. Measurements have been done in two ice arenas in the north part of Sweden, one with lower and one with higher ceiling emissivity. The results show that the low emissivity ceiling gives a much lower radiation temperature interacting with the ice under similar conditions. The dynamic modelling of the roof in ice arenas shows a similar dependence of the roof-to-ice heat flux and the ceiling emissivity.A second part of the study focus on how to realise paints with very low thermal emissivity to be used on interior building surfaces.

Thermal energy storage in Swedish single family houses : a case study

In a Nordic climate, space heating (SH) and domestic hot water (DHW) used in buildings constitute a considerable part of the total energy use in the country. For 2010, energy used for SH and DHW amounted to almost 90 TWh in Sweden which corresponds to 60 % of the energy used in the residential and service sector, or almost 24 % of the total final energy use for the country. Storing heat and cold with the use of thermal energy storage (TES) can be one way of increasing the energy efficiency of a building by opening up possibilities for alternative sources of heat or cold through a reduced mismatch between supply and demand. Thermal energy storage without the use of specific control systems are said to be passive and different applications using passive TES have been shown to increase energy efficiency and/or reduce power peaks of systems supplying the heating and cooling needs of buildings, as well as having an effect on the indoor climate. Results are however not consistent between studies and focus tend to be on the reduction of cooling energy or cooling power peaks. In this paper, passive TES introduced through an increased thermal mass in the building envelope to two single family houses with different insulation standard is investigated with building energy simulations. A Nordic climate is used and the focus of this study is both on the reduction of space heating demand and space heating power, as well as on reduction of excess temperatures in residential single family houses without active cooling systems. Care is taken to keep the building envelope characteristics other than the thermal mass equal for all cases so that any observations made can be derived to the change in thermal mass. Results show that increasing the sensible thermal mass in a single family house can reduce the heating demand only slightly (1-4 %) and reduce excess temperatures (temperatures above 24 degrees C) by up to 20 %. Adding a layer of PCM (phase change materials) to the light building construction can give similar reduction in heating demand and excess temperatures, however the phase change temperature is important for the results.

Energieffektivisering av klimatskal med hänsyn till kulturhistorisk värdering : Fallstudier av tre befintliga småhus från 1900-talet ur bevarandesynpunkt

Allt hårdare lagkrav gör att det är svårt att energieffektivisera befintliga byggnader utan att förändra deras utseende. Syftet med examensarbetet är att utreda hur stor energieffektivisering, för tre befintliga småhus uppförda under 1900-talet, som är möjlig att uppnå genom förbättring av byggnadernas klimatskal, det vill säga tak, väggar, golv, fönster och dörrar, utan att förvanska byggnadernas utseende och samtidigt bevara deras kulturhistoriska värden. Arbetet bestod av en förstudie där tre byggnader identifierades, ett undersökningsskede där information om byggnaderna togs fram och ett slutsatsskede där energibesparande åtgärdsförslag togs fram och utvärderades. Byggnader som var goda representanter för sin tid och stil söktes. Byggnader från 1910-talet, 1930-talet och 1970-talet, lokaliserades. Sedan gjordes det fallstudier med intervjuer och inventeringar. För att utreda byggnadens klimatskal utfördes u-värdesberäkningar och energiberäkningar av befintliga byggander och byggnader baserade på föreslagna åtgärdsförslag. Ingen av byggnaderna nådde efter föreslagna åtgärder ner till passivhuskravet 59 kWh/år/m2 Atemp eller BBR-kravet 110 kWh/år/m2 Atemp för en byggnads specifika energianvändning. Den största möjliga energieffektivisering för de tre byggnaderna uppförda under 1900-talet, som är möjlig att uppnå utan att förvanska byggnadernas utseende och samtidigt bevara deras kulturhistoriska värden är 13,0 kWh/år/m2 Atemp, 49,7 kWh/år/m2 Atemp respektive 64,8 kWh/år/m2 Atemp. Slutsatser från arbetet är att byggnader från 1910-tal kan åtgärdas genom att isolera fönstren, sätta dit en extra dörr på insidan av ytterdörren samt tilläggsisolera snedtaket. Byggnader från 1930-tal kan åtgärdas genom att isolera fönstren med en isolerruta på insidan av fönstret och dörrarna med en extra dörr på insidan av ytterdörren. Byggnader från 1970-tal kan åtgärda fönstren genom att byta ut dem till energifönster, ingen åtgärd för golvet men fasaden isoleras utvändigt med vakuumisolering. Byggnaden från 1970-talet klarade sig bäst i jämförelsen eftersom den var i autentiskt skick från början vilket gjorde att förbättringen blev större än för till exempel byggnaden från 1910-talet som redan var ombyggd innan åtgärder föreslogs.

Energieffektivisering av klimatskal i tropiskt klimat : Fallstudie av en byggnad i Surabaya, Indonesien

Studien omfattar en undersökning av en byggnad i Surabaya, Indonesien belägen på universitet UBAYA. Användningen av luftkonditionering ökar kraftigt i utvecklingsländer. Detta gör att behovet av förbättringar i såväl klimatanläggningar som i byggnader kommer att vara nödvändiga för att inte orsaka ytterligare påfrestningar på miljön genom ökad energianvändning Syftet med studien är att hitta energibesparande åtgärder på byggnadens klimatskal med hänsyn till det tropiska klimatet utan att orsaka fuktproblem i ingående byggnadsdelar. Byggnaden fungerar i dagsläget bra ur fuktsynpunkt och har inga direkt synliga skador orsakade av fuktproblem i konstruktionen. Däremot påvisar det höga uvärdet för byggnaden dess ineffektivitet gällande energibehov. Fyra olika åtgärdsförslag med utgångspunkt i den nuvarande konstruktionen presenteras i studien. Åtgärdsförslagen utvärderas ur fuktsynpunkt med programmet WUFI samt ur ett energimässigt perspektiv med programmet Polysun. Resultatet visar att störst energibesparing kan ske genom att isolera taket då det visar sig vara en stor värmekälla till byggnaden. Denna åtgärd innebär samtidigt en viss risk för fuktproblem på grund av höga relativa fukthalter och temperaturer. Även en tätning av de nuvarande läckagen i byggnaden påverkar energiförbrukningen i stor utsträckning, vilket gör dessa två åtgärder till den bästa kombinationen för att sänka energiförbrukningen. Att byta ut nuvarande englaskassetter mot tvåglas samt isolera de befintliga ytterväggarna är de åtgärder som påverkar energibehovet minst. Några av de slutsatser som dras ur studien är att totalt sett kan byggnadens energiförbrukning sänkas med 50 % om samtliga åtgärdsförslag genomförs. Fuktriskerna ökar vid isoleringsåtgärder men är genomförbara.

Comparison of two HVAC renovation solutions : A case study

Within the aging building stock of Europe, there is great potential of saving energy through renovation and upgrading to modern standards, and to thereby approach the internationally set goals of lower energy use. This paper concerns the planned renovation of the building envelope and HVAC systems in a multi-family house in Ludwigsburg, Germany. Five systemic HVAC solutions were compared, with special focus on two systems: A) Balanced ventilation with HRC + Micro heat pump, and B) Forced exhaust ventilation + Heat pump with exhaust air HRC + Ventilation radiators. Given the predicted heating demand and ventilation rate of the house after renovation, the performance of the two systems was compared, alongside three common systems for reference. Calculations were made using TMF Energi, a tool developed by SP Technical Research Institute of Sweden.    Both systems A and B were found to have the lowest electrical energy use together with the ground source heat pump system for the assumed conditions. For other assumptions, including different climate and degree of insulation, some differences between these three systems were noted. Most significant is the increased electrical use of system B for higher heating loads due to limitations in the power available from the heat source, exhaust air, which is dependent on the ventilation rate.