Optimization of the incorporation of PCM-drywalls in lightweight steel-framed (LSF) temporary houses in the South of Portugal

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Main Author: Capela, Diogo António Almeida
Publication Date: 2023
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/10316/110607
Summary: Dissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
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spelling Optimization of the incorporation of PCM-drywalls in lightweight steel-framed (LSF) temporary houses in the South of PortugalOtimização da incorporação de PCM-drywalls em estruturas leves em aço enformado a frio (LSF) em casas temporárias no Sul de PortugalBuilding applicationsBuilding energy simulationLight steel framingPCMThermal energy storageAplicações em edifíciosArmazenamento de energia térmicaEstrutura em aço levePCMSimulação energética de edifíciosDissertação de Mestrado em Engenharia Mecânica apresentada à Faculdade de Ciências e TecnologiaWith the significant rise of interest in sustainability, the research of structural solutions with less environmental impact, particularly in the post utilization phase, has been increasing. Lightweight steel framing (LSF) construction allows a nearly 100% recyclable and/or reusable alternative in comparison with conventional heavyweight buildings. This makes it highly suitable for prefabricated and modular construction, providing additional benefits such as its lightweight nature, rapid construction process and reduced onsite disruption. Consequently, LSF is an excellent choice for constructing temporary buildings to accommodate migrant farmworkers in regions with limited housing availability or in remote rural areas. However, it is essential to acknowledge that LSF buildings may have a drawback in terms of low thermal mass, which can pose challenges in certain operational conditions and climates. Particularly, overheating may result in increased energy consumption for cooling to maintain indoor thermal comfort levels. PCM-drywalls offer an effective means to augment the thermal mass of lightweight steel framed (LSF) construction. By doing so, they facilitate the reduction of energy demands during the operational phase, especially for cooling purposes, and contribute to elevated indoor thermal comfort levels.This dissertation aims to assess the impact of the incorporation of PCM-drywalls in an air-conditioned LSF multi-zone temporary house in the city of Odemira, Portugal, considering real-life conditions. A multi-dimensional optimization study was carried out through the parallel use of simulation tools EnergyPlus and GenOpt. The CondFD-algorithm was used in EnergyPlus to simulate PCM phase-changes. The model will be represented by variables relating to indoor temperature setpoints, internal gains from occupancy, lighting and equipment, air infiltrations and structural components. A set of preconceived discrete construction variables will be optimized through parametric analysis. These variables are related with window-to-wall ratio (WWR) of the exterior façades, the thickness of the thermal insulation, the thermophysical properties of the PCM and the shading overhang depth of the south facing window.The simulation results demonstrated that the incorporation of PCM-drywalls in LSF buildings in the South of Portugal can contribute to an increase in energy performance with total annual heating and cooling energy savings reaching 27%. More prominent reductions in heating and cooling demands were registered in the winter and swing seasons where the total energy savings ranged from 61 to 94%.The addition of PCM-drywalls in LSF buildings can be especially effective in the increase of cooling energy efficiency, with annual energy savings of 29%. More noticeably, the insertion of PCM-drywalls led to the complete elimination of cooling demands due to overheating in the colder months of January, February, March and December and energy savings ranging from 44 to 93% in the swing seasons.Com o significativo aumento do interesse pela sustentabilidade, a pesquisa de soluções estruturais com menor impacto ambiental, particularmente na fase de pós-utilização, tem aumentado. A construção de estruturas leves em aço (LSF) permite uma alternativa quase 100% reciclável e/ou reutilizável em comparação com edifícios convencionais de inércia térmica forte (e.g. alvenaria, betão armado, etc.). Isto torna-a altamente adequada para construção pré-fabricada e modular, oferecendo benefícios adicionais, como a sua natureza leve, processo de construção rápido e redução de perturbações no local de instalação. Consequentemente, a construção LSF é uma excelente opção para a construção de edifícios temporários para acomodar trabalhadores migrantes em regiões agrícolas com disponibilidade limitada de habitação ou em áreas rurais remotas. No entanto, os edifícios LSF podem apresentar uma desvantagem em termos de baixa massa térmica, o que pode representar desafios em certas condições operacionais e climas. Em particular, o sobreaquecimento pode resultar num aumento no consumo de energia para arrefecimento, a fim de manter os níveis de conforto térmico internos. Placas de gesso com PCM microencapsulados (também chamadas de PCM-drywalls, em Inglês) oferecem um meio eficaz para aumentar a massa térmica de construções LSF, potenciando a redução das necessidades de energia durante a fase operacional, especialmente para arrefecimento, contribuindo para níveis elevados de conforto térmico interno.Esta dissertação tem como objetivo avaliar o impacto da incorporação de PCM-drywalls numa casa temporária de LSF com ar condicionado, com múltiplas zonas, na cidade de Odemira, Portugal, considerando condições reais. Um estudo de otimização multidimensional foi realizado através do uso paralelo das ferramentas de simulação EnergyPlus e GenOpt. O algoritmo CondFD foi utilizado no EnergyPlus para simular mudanças de fase dos PCM. O modelo será representado por variáveis relacionadas com os setpoints do sistema de climatização, ganhos internos devido à ocupação, iluminação e equipamentos, infiltrações de ar e componentes estruturais. Um conjunto de variáveis de construção discretas será otimizado através da análise paramétrica. Essas variáveis estão relacionadas com a proporção de janela-parede (WWR) das fachadas externas, a espessura do isolamento térmico, as propriedades termofísicas do PCM e a profundidade da proteção solar da janela na fachada sul.Os resultados das simulações demonstraram que a incorporação de PCM-drywalls em edifícios LSF no Sul de Portugal pode contribuir para um aumento no desempenho energético, com redução da energia total anual para aquecimento e arrefecimento de 27%. Reduções mais significativas nas necessidades de energia para aquecimento e arrefecimento foram registradas nas estações de inverno e de transição, onde a economia total de energia apresentou valores entre 61 e 94%.A adição de PCM-drywalls em edifícios LSF pode ser especialmente eficaz no aumento da eficiência energética para arrefecimento, com uma redução de energia anual para arrefecimento de 29%. Mais notavelmente, a inclusão de PCM-drywalls levou à completa eliminação das necessidades de arrefecimento devido ao sobreaquecimento nos meses mais frios de janeiro, fevereiro, março e dezembro, e a valores de redução de energia para arrefecimento entre 44 a 93% nas estações de transição.2023-09-15info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttps://hdl.handle.net/10316/110607https://hdl.handle.net/10316/110607TID:203398475engCapela, Diogo António Almeidainfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2023-11-23T23:05:39Zoai:estudogeral.uc.pt:10316/110607Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-29T06:02:35.342444Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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