Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/95073
Title: Hot Box Apparatus Design and Construction for the Determination of the Thermal Performance of Building Elements
Authors: Martins, Cláudio Miguel de Oliveira 
Orientador: Silva, Luís Alberto Proença Simões da
Santos, Paulo Fernando Antunes dos
Keywords: Hot Box apparatus; Guarded Hot Box; Calibrated Hot Box; LSF walls; Thermal performance; Thermal transmittance; Thermal conductance; U-value; Paredes LSF; Transmitância térmica; Condutância térmica; valor de U
Issue Date: 30-Oct-2020
Project: CENTRO-01-0145-FEDER-000006
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: The improvement of the thermal performance of buildings envelope is essential to ensure the energy efficiency of buildings. One of the critical components regarding heat losses in a building is the external walls, due to its significant exposed area. Proper thermal performance of building envelope is crucial to provide good thermal behaviour and to obtain high energy efficiency, allowing a reduction in the buildings operating energy. The experimental characterisation of the overall thermal transmittance (U-value) of building elements, e.g., walls, windows and doors, with new geometries, configurations or materials, is crucial for predicting their thermal performance. It is also essential to measure the U-value of walls with new materials and with more elaborate designs since the correct estimation of this value is a critical requirement when performing building energy simulations models or energy audit. Inhomogeneous buildings elements, e.g. Lightweight Steel Framing (LSF) structures, represents a challenge to determining the thermal transmittance of the components, especially when placing the steel profiles in more than one direction. The determination of the thermal transmission properties of building elements can be done in several approaches, being the most accurate methodology the Hot Box (HB) method. This method allows performing the determination of the thermal performance of building elements, at steady state, by measuring the heat flux through the building components and the corresponding temperature differences across it. This method can test homogeneous or nonhomogeneous specimens, in a laboratory environment, and applies to building structures or composite assemblies, like e.g. walls with windows or doors. The Hot Box method was primarily planned for laboratory measurements of large nonhomogeneous specimens, allowing also testing homogeneous elements. Due to the growth of new construction processes in the last decades, with the use of, for example, walls with steel elements inside, and due to the investment needs in scientific research of new and more sustainable building systems, it is essential for that a laboratory has a Hot Box apparatus, to be able to carry out the study and characterisation of these components. This PhD thesis presents the construction of a Hot Box (HB) apparatus that allows the study heavily heterogeneous walls, e.g. LSF walls, with the potential of enabling to make several other future researches of different types of vertical elements. This is possible due to the high thermal conductance range of possible measurements (0.1 to 15 W/m2.K), large measurement area and the possibility of testing samples with considerable thicknesses. For archiving this goal, the equipment is versatile and allow different configurations, being simultaneously a Guarded and Calibrated Hot Box. Thus, to accomplish these objectives, the following points are addressed: (i) review state of the art; (ii) presentation of the HB design principles, requirements and test procedures; (iii) design solution, construction and calibration of the HB; (iv) LSF walls experimental and numerical studies.
A melhoria do desempenho térmico dos edifícios é essencial para garantir a eficiência energética dos edifícios. Um dos componentes mais importantes em termos de perdas de calor num edifício são as paredes externas, devido à sua significante área exposta. O desempenho térmico adequado da envolvente do edifício é crucial para proporcionar um bom comportamento térmico e obter alta eficiência energética, permitindo uma redução na energia operacional do edifício. A caracterização experimental do coeficiente de transmissão térmica global (valor U) dos elementos do edifício, por exemplo, paredes, janelas e portas, com novas geometrias, configurações ou materiais, é crucial para a previsão do seu desempenho térmico. Também é essencial medir o valor U das paredes com novos materiais e configurações mais complexas, uma vez que a estimativa correta desse valor é um requisito crítico ao executar modelos de simulação energética de edifícios ou auditoria energética. Os elementos não homogéneos de edifícios, com por exemplo as estruturas leves em aço enformado a frio (LSF), são um desafio na determinação da transmissão térmica dos elementos, especialmente quando os perfis de aço são colocados em mais do que uma direção. A determinação das propriedades de transmissão térmica dos elementos de construção pode ser feita por várias abordagens, sendo a metodologia mais precisa o método Hot Box (HB). Este método permite realizar a determinação do desempenho térmico dos elementos de um edifício, no estado estacionário, medindo o fluxo de calor que passa através dos componentes do edifício e as correspondentes diferenças de temperatura no elemento. Este método pode testar amostras homogêneas ou não-homogêneas, em um ambiente de laboratório, e aplica-se a estruturas de edifícios ou conjuntos compostos, como por exemplo paredes com janelas ou portas. O método da Hot Box foi feito, principalmente, para a realização de medições em laboratório de grandes amostras heterogéneas, permitindo também testar elementos homogêneos. Devido ao crescimento de novos processos construtivos nas últimas décadas, com o uso de, por exemplo, paredes com elementos de aço no seu interior, e devido às necessidades de investimento em investigação científica de novos sistemas construtivos mais sustentáveis, é imprescindível um laboratório ter uma Hot box, para poder realizar o estudo e caracterização destes componentes. Esta tese de doutorado apresenta a construção de uma Hot Box (HB) que permita o estudo de paredes fortemente heterogéneas, como por exemplo paredes LSF, com o potencial de permitir fazer vários outros tipos de estudos futuros, de diferentes tipos de elementos verticais. Isso é possível devido à elevada gama de mediação da condutância térmica (0,1 a 15 W/m2.K), grande área de medição e possibilidade de testar amostras com espessuras consideráveis. Para a realização deste objetivo, o equipamento deve ser versátil e permitir diferentes configurações, sendo em simultâneo uma Guarded e Calibrated Hot Box. Assim, para realização destes objetivos, são abordados os seguintes pontos: (i) revisão do estado da arte; (ii) apresentação dos princípios e requisitos de desenho da HB; (iii) solução do projeto, construção e calibração da HB; e (v) estudos experimentais e numéricos de paredes com estrutura LSF.
Description: PhD thesis in Steel and Composite Construction submitted to the Faculty of Sciences and Technology of the University of Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/95073
Rights: openAccess
Appears in Collections:FCTUC Eng.Civil - Teses de Doutoramento
UC - Teses de Doutoramento

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