Characterization and performance assessment of air permeable building components

Dynamic insulation walls can be used in buildings to achieve a high level of integration between envelope and ventilation system. This technology, which has been studied in northern Europe since the early Nineties, is based on the passage of ventilation air through porous layers of the walls: in this way, such layers act both as a heat exchanger and as a filter. This research work is aimed at obtaining a good comprehension of heat and mass transfer mechanisms inside porous materials. With this purpose, a detailed study of possible theoretical approaches has been performed, leading to the implementation of the volume average method. This mathematical procedure allows us to take into account the macroscopic effects of the microscopic interaction between fluid and solid phase of a porous domain. Correction parameters, such as thermal tortuosity and thermal dispersion, have been defined and quantified, by means of the characterization of fibrous insulation an no-fines concrete. Both materials have been modeled to perform CFD parametric simulations: while fibrous insulation has been geometrically simplified, describing the solid matrix as a ordered array of parallel cylinders, no-fines concrete has been studied by means of image analysis technique, applied on real samples we have produced. Numerical results have been used to correlate thermal tortuosity and dispersion with macroscopic quantities (porosity and Peclet number). Air permeability and Ergun coefficient have also been obtained, and, for what concerns the concrete-based material, experimentally validated. Both theoretical and numerical achievements have been used in the development of a one-dimensional full-implicit finite difference model, aimed at the simulation of dynamic insulation multi-layered components under transient boundary conditions. The algorithm as been used to build a Type for the TRNSYS calculus suite. In the last part of this work, it is reported the description of an experimental apparatus we have designed and built. It is based on two chambers connected through the porous sample and a ventilation system. The laboratory arrangement is able to reproduce both steady state and transient temperature conditions, independently in each chamber. It will be used to validate all numerical and theoretical results presented in this dissertation.

I componenti a isolamento dinamico possono essere usati negli edifici per ottenere un elevato livello d’integrazione tra involucro e sistema di ventilazione. Questa tecnologia, che è stata oggetto di studi in Nord Europa fin dai primi anni novanta, si basa sul passaggio dell'aria di ventilazione attraverso strati porosi presenti all’interno delle chiusure opache: in questo modo, tali strati agiscono sia come scambiatore di calore sia come filtro. Questo lavoro di ricerca è volto a ottenere un’adeguata comprensione dei meccanismi di trasmissione de calore e trasporto di massa all'interno di materiali porosi. A tal fine, è stato svolto uno studio dettagliato di possibili approcci teorici, che ha portato all’applicazione del metodo delle medie di volume. Questa procedura matematica consente di tener conto degli effetti macroscopici delle interazioni microscopiche tra fase fluida e fase solida di un dominio poroso. Sono stati quindi definiti alcuni parametri di correzione, quali tortuosità termica e dispersione termica, successivamente quantificati in seguito alla caratterizzazione di isolanti fibrosi e calcestruzzo no-fines. Entrambi i materiali sono stati modellati per eseguire simulazioni CFD parametriche: mentre per gli isolanti fibrosi è stata introdotta una semplificazione geometrica, descrivendo la matrice solida come un insieme ordinato di cilindri paralleli, il calcestruzzo no-fines è stato studiato mediante analisi d'immagine, applicata su campioni reali che abbiamo prodotto. I risultati numerici sono stati usati per correlare tortuosità e dispersione termiche con quantità macroscopiche (porosità e numero di Peclet). Anche permeabilità all'aria e coefficiente di Ergun sono stati ottenuti, e, per quanto riguarda il materiale a base cementizia, validati sperimentalmente. Sia i risultati teorici sia quelli numerici sono stati usati nello sviluppo di un modello implicito alle differenze finite monodimensionali, finalizzato alla simulazione in regime variabile di sistemi multistrato a isolamento dinamico. L'algoritmo, è stato poi usato per sviluppare un componente (Type) per la suite di calcolo TRNSYS. L'ultima parte di questo lavoro è dedicata alla descrizione di un apparato sperimentale che abbiamo progettato e costruito. Esso si basa su due camere collegate attraverso il campione poroso e un sistema di ventilazione. L’apparato è in grado di riprodurre condizioni di temperatura, sia in regime stazionario sia in regime transitorio, indipendentemente per ognuna delle due camere. Tale sistema sarà usato in futuro per validare tutti i risultati numerici e teorici presentati in questa tesi.