On the calorimetric measurement of the solar factor of transparent building components in outdoor test cell facilities

This thesis deals with the calorimetric determination of the solar factor of transparent envelope components in outdoor test cell facilities and under dynamic conditions. This type of tests may be used to provide a performance assessment of building components for use in the building industry, in particular in the phase of research and development, and to validate thermo-optical models developed by researchers. Both uses require a rigorous estimation of the measurement uncertainty and care to minimize uncertainty sources under dynamic conditions. Calorimetric methods for the performance assessment of building components have been largely applied in indoor laboratories and under steady-state conditions. While effects of one or more outdoor weather parameters are sometimes mimicked by means of dynamic schedules, they never fully reproduce the complex interactions of the stochastic processes typical of real climate. Furthermore some outdoor conditions are difficult to mimic, such as radiation diffused by the sky and radiation reflected by the ground. Test cells may fill the gap between laboratories and full-scale buildings, since they maintain the indoor conditions under control, while exposing the test sample to actual outdoor conditions. Within the present work we conducted an extensive literature review, proposing a classification of outdoor test cells based on the underlying experimental approach (performance assessment in absolute or relative terms) and the construction approach used to minimize heat exchanges through the cell envelope. The review also summarises previous experimental campaigns conducted in test cell facilities in the last decades and discusses critical issues regarding the measurement of performance indices of advanced (dynamic) building components. The review also presents considerations on the potentialities and limits of test cell facilities and highlights a general scarcity of detailed information on the test cell characteristics and operation, which reduces the replicability and the ease of interpretation of the tests’ results. In particular, we found a potential for improvement in the calorimetric determination of the solar factor under dynamic conditions. The present work introduces an improved measurement procedure to determine the solar factor under dynamic conditions, applicable to outdoor test cell experiments and taking into account the variation of internal energy in the control volume. The magnitude of the variation of the internal energy depends on the test cell configuration, the operating mode and the test conditions. An in-depth uncertainty analysis has been conducted in order to highlight the most relevant uncertainty sources and suggest improvements in the measurement techniques, taking into account inter alia the evolution of the meteorological variables during the test. Based on the indications of the uncertainty analysis, we developed two new strategies to extract and measure the solar load entering through a test sample and a new design concept of test cell facility, which allows the research team to adapt the configuration according to the objectives of the specific test (Indoor Environmental Quality tests or calorimetric tests). In dynamic testing conditions it is of primary importance to take into account the thermal behaviour of the test facility. For this reason, the two proposed strategies and a reference, traditional one have been simulated by means of linear lumped parameter models and compared from the point of view of the accuracy and precision of the calorimetric solar factor. The simulation results suggest that, compared to the traditional solution, the two proposed solutions offer a higher measurement accuracy and measurement precision in the determination of the solar factor. In addition, the results indicate that partially covered and rapidly variable sky conditions are highly detrimental on the accuracy level of the solar factor measurement; therefore tests should be carried out under fully clear sky conditions. In order to gain confidence on the ability of our thermal model to predict the thermal behaviour of a test cell, we carried out two experimental validations and an intermodel comparison with the building energy simulation tool TRNSYS. The results of the experimental validations show that the model is able to predict the evolution of the internal air temperature and the envelope’s internal surface temperature with residuals lying always within a range of ± 1 °C and lying most of the time within the measurement uncertainty bands. The residuals are significantly lower for the intermodel comparison (± 0.5 °C), partly because input values are in this case not affected by uncertainty. While TRNSYS and our Matlab code adopt some similar assumptions and simplifications, other modelling aspects differ and have been discussed. The simulation work and the exchange with research groups involved in test cell experimental campaigns has led to the development of guidelines for determining the solar factor of transparent components under dynamic conditions, which include indications on the structure of the facility, the typology and accuracy of the sensors, the test procedure, the calculation procedure and the uncertainty analysis.

La presente tesi tratta della misura calorimetrica del fattore solare di componenti di involucro trasparenti, in condizioni di test dinamiche quali quelle adottate in outdoor test cell. Tale tipologia di test consente sia di ottenere misure delle prestazioni di componenti per applicazioni nell’industria delle costruzioni, in particolare in fase di ricerca e sviluppo, sia di validare modelli sviluppati in ambito di ricerca. Per entrambi gli obiettivi occorre una stima rigorosa dell’incertezza di misura e attenzione volta a minimizzare le sorgenti di incertezza in condizioni di test dinamiche. I metodi calorimetrici per la verifica delle prestazioni di componenti di involucro sono stati ampiamente adottati in laboratori all’interno e condizioni di regime stazionario. Benché i laboratori all’interno siano talvolta in grado di riprodurre alcune forzanti meteorologiche esterne, variandone durata e intensità in modo dinamico, non sono tuttavia in grado di ricreare completamente le complesse interazioni ed il carattere stocastico dei fenomeni meteorologici. Inoltre, alcune condizioni esterne sono difficili da riprodurre, quali la radiazione diffusa dalla volta celeste e la radiazione riflessa dal terreno. Le outdoor test cell possono colmare il divario tra i laboratori all’interno e gli edifici in scala reale, poiché permettono di mantenere i parametri interni sotto controllo, esponendo il componente sotto analisi alle condizioni esterne reali. Nel corso del presente lavoro abbiamo condotto un’estesa rassegna della letteratura esistente, proponendo una classificazione delle outdoor test cell sulla base dell’approccio di misura (assoluta o relativa) e dell’approccio di progettazione adottato al fine di minimizzare gli scambi di calore attraverso l’involucro. La rassegna riporta anche precedenti campagne sperimentali condotte in outdoor test cell negli ultimi decenni e discute alcuni aspetti critici riguardanti la misura degli indici di prestazione di componenti di involucro avanzati (dinamici). La rassegna presenta inoltre considerazioni riguardanti le potenzialità ed i limiti delle outdoor test cell ed evidenzia una generale scarsità di informazioni dettagliate sulle caratteristiche delle installazioni sperimentali e sulle loro modalità operative, riducendo così la replicabilità e la facilità di interpretazione dei risultati dei test. In particolare, abbiamo rilevato un potenziale di miglioramento nelle procedure di determinazione calorimetrica del fattore solare in condizioni dinamiche. Il lavoro qui presentato introduce una procedura di misura migliorata per determinare il fattore solare in condizioni dinamiche, applicabile a esperimenti in outdoor test cell, tenendo in considerazione la variazione di energia interna nel volume di controllo. L’importanza del termine di variazione di energia interna dipende dalla specifica configurazione della test cell, dalla modalità operativa e dalle condizioni di test. Abbiamo usato l’analisi dell’incertezza quale strumento guida della progettazione dell’esperimento, per proporre miglioramenti e ottimizzare il processo di misura. Sulla base dei risultati dell’analisi dell’incertezza, abbiamo sviluppato due nuove strategie di estrazione e misura del carico solare entrante attraverso il componente di test, ed una nuova struttura di test cell che permette di adattare la configurazione a seconda degli obiettivi del test (Qualità dell’Ambiente Interno o test calorimetrici). In condizioni di test dinamiche è di primaria importanza tenere conto del comportamento termico dell’installazione sperimentale. Per tale ragione, abbiamo modellizzato le due strategie proposte e quella di riferimento (tradizionale) utilizzando modelli lineari a parametri concentrati e confrontandole dal punto di vista dell’accuratezza ottenuta nella determinazione del fattore solare. Le simulazioni suggeriscono che le due soluzioni proposte offrono migliore accuratezza e precisione nella determinazione del fattore solare rispetto alla soluzione di riferimento. Inoltre, i risultati indicano che situazioni di cielo parzialmente coperto e rapidamente variabile costituiscono una condizione critica per una determinazione accurata del fattore solare; ne risulta un’indicazione ad effettuare le misure in presenza di cielo completamente sereno, il che conferma quanto suggerito dal National Fenestration Rating Council. Al fine di saggiare la capacità del nostro modello nel predire il comportamento termico delle outdoor test cell, abbiamo condotto due attività di validazione e un confronto con il software di simulazione energetica degli edifici TRNSYS. I risultati delle validazioni sperimentali mostrano che il modello è in grado di predire l’evoluzione della temperatura dell’aria interna e delle superfici interne dell’involucro, con residui compresi per la maggior parte del tempo nell’intervallo di incertezza dei sensori; quando al di fuori di tale intervallo, la discrepanza è comunque limitata a ± 1 °C. I residui sono significativamente inferiori nel caso del confronto con TRNSYS (± 0.5 °C), in parte poiché in tal caso gli input non sono affetti da incertezza. Benché TRNSYS e il codice sviluppato in Matlab adottino alcune semplificazioni e ipotesi di modellizzazione simili, altri aspetti della modellizzazione differiscono e sono discussi nel presente documento. Il lavoro di simulazione e l’interazione con gruppi di ricerca coinvolti in campagne sperimentali hanno condotto allo sviluppo di linee guida per la determinazione calorimetrica del fattore solare di componenti di involucro trasparenti in condizioni di test dinamiche. Le linee guida includono indicazioni riguardanti: la struttura dell’installazione sperimentale, la tipologia e accuratezza dei sensori, la procedura di test, la procedura di calcolo e l’analisi dell’incertezza.