The role of heat of sorption in building energy efficiency and indoor climate adjustment

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2019-03-12
Department
Major/Subject
Fiber and Polymer Engineering
Mcode
CHEM3024
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
78+6
Series
Abstract
The climate change has promoted more efficient use of natural resources. Also, the desire to reduce energy costs has led to an increased demand for more energy efficient housing. However, the potential of wood in passive climate adjustment is often ignored in building physics models, as the modeling of heat and moisture transfer in wood is complex. Thus, the object of this study was to quantify the effect of wood on indoor environments. Furthermore, problems with indoor air and moisture damage motivated studying if interior use of wood affects the indoor air quality and human health. Previous research has concentrated on measuring surface temperature changes in the extreme relative humidity levels. As changes in relative humidity are often smaller, study on intermediate humidity changes was needed. Moisture transfer and heat of sorption were the central theoretical phenomena in the study. Data were collected with an infrared camera and scales in climate chambers in similar conditions. The surface temperatures of wood were noticed to decrease more during desorption than they increased during adsorption. Differences between birch and pine were small. Both species were found to be moderate moisture buffers, and the moisture transfer was noticed to increase, when the difference in the relative humidity conditions was greater. Because of the moisture buffering ability, wood surfaces can help balancing indoor relative humidity levels, and thus reduce the energy needed for ventilation. Medium relative humidity values are also beneficial for human health and building longevity. Also, the heat exchange related to the moisture sorption can contribute to increased thermal comfort and decreased heating or cooling costs. Energy savings are more significant in climates, where the relative humidity fluctuations during a day are larger.

Ilmastonmuutos on edistänyt luonnonvarojen tehokkaampaa käyttöä. Tarve pienentää asumisen energiakustannuksia on edistänyt rakennusten energiatehokkuutta, mutta myös johtanut luonnollisen tuuletuksen vähenemiseen ja mekaanisen tuuletuksen lisääntymiseen rakennuksissa tiiviimpien rakenteiden myötä. Puun potentiaali passiivisessa sisäilmaston säätelyssä jätetään usein huomiotta rakennusfysiikan malleissa, koska puun lämmön- ja kosteudensiirron mallinnus on monimutkaista. Siksi tässä tutkimuksessa haluttiin kvantifioida puupintojen vuorovaikutusta sisäilmaston kanssa puupintojen lämpötilanmuutoksia ja kosteudensiirtoa mittaamalla. Tiiviiden rakenteiden ja puutteellisen ilmastoinnin myötä yleistyneet sisäilmaongelmat ja rakennusten kosteusvauriot motivoivat tutkimaan, voidaanko sisätilojen puupintojen avulla vaikuttaa sisäilman laatuun ja asukkaiden terveyteen. Aiempi tutkimus on keskittynyt puupintojen lämpötilanmuutosten mittaamiseen suhteellisen kosteuden ääripäissä. Koska suhteellisen kosteuden muutokset ovat todellisuudessa usein pienempiä, tarvittiin tietoa lämpötilan muutoksista keskimääräisemmissä kosteusolo-suhteissa puupintojen todellisen vaikutuspotentiaalin mallintamiseksi. Tutkimuksen keskeiset teoreettiset ilmiöt olivat kosteuden siirto ja sorptiolämpö. Mittaukset tehtiin kosteuskaapeissa toisiaan vastaavissa olosuhteissa infrapunakameralla ja vaa’alla. Puun pintalämpötilojen keskimääräiset laskut olivat suurempia desorption aikana kuin nousut adsorption aikana. Erot koivun ja männyn välillä olivat pieniä. Molempien lajien havaittiin olevan kohtalaisia kosteuspuskureja, ja kosteudensiirron havaittiin lisääntyvän suhteellisten kosteusolosuhteiden eron kasvaessa. Kosteudenpuskurointikyvyn vuoksi puupinnat voivat osallistua passiivisesti sisäilman suhteellisen kosteustason tasapainottamiseen ja vähentää siten ilmanvaihtoon tarvittavaa energiaa. Kun suhteellinen kosteus pysyy keskitasolla, ovat olosuhteet edullisimpia niin ihmisten terveydelle kuin rakennuksen pitkäikäisyydelle. Sorptioon liittyvä lämmönvaihto voi myös lisätä sisätilojen lämpömukavuutta ja alentaa lämmitys- tai jäähdytyskustannuksia. Energiansäästö on merkittävämpää ilmastoissa, joissa päivittäiset suhteellisen kosteuden vaihtelut ovat suurempia.
Description
Supervisor
Hughes, Mark
Thesis advisor
Kotilahti, Timo
Keywords
heat of sorption, indoor air quality, moisture buffering, wood, surface temperature
Other note
Citation