Design, analysis and testing of an innovative bi-functional blind system

Abstract

Nowadays, greenhouse gases are one of the main concerns for humanity. In Europe, more than 75% of the greenhouse gas emissions come from energy consumption and production. In addition, the building sector is responsible for 40% of the energy consumed. The current buildings trends is to have larger glazing areas to allow more natural light entering and raise occupants’ view. On the other hand, 10 to 15% of heat losses in new buildings happen due to the glazing surfaces, so it is extremely important to improve the translucent envelope thermal efficiency. The aim of this project is to develop a conceptual prototype of a bi-functional blind system with PCM (phase change materials) inside it slats, and to understand it thermal performance. A conceptual prototype was mainly fabricated using FDM (fused filament fabrication) technology. It resulted in a small scaled double glazed window, composed by four glazing surfaces and five slats. Due to PCM leakage problem, it was necessary to understand the possibility of using a printed slat as macro-capsule an experimental test was done. By the end, commercialized aluminium slats were used, and sealed with high temperature silicone. A temperature monitoring system was used to analyse temperature evolution along the prototype. Several experimental tests were carried on using slats filled with PU (Polyurethane) foam and slats filled with PCM were done. By the end, limitations were presented, but it was possible to notice the thermal improvement due to the phase change of the material. A temperature difference of -5.13% was reached the PU foam slat, when the PCM was melting. A tilting mechanism was design and suggested as future study, as long as a numerical analysis of the system.

Actualmente, os gases com efeito de estufa são uma das principais preocupações da humanidade. Na Europa, mais de 75% das emissões de gases com efeito de estufa provêm do consumo e produção de energia. Além disso, o sector da construção é responsável por 40% da energia consumida. A tendência actual dos edifícios é ter maiores vãos envidraçados para permitir a entrada de mais luz natural e elevar a visão dos ocupantes. Por outro lado, 10 a 15% de perdas de calor em edifícios novos acontecem devido às superfícies envidraçadas, por isso é extremamente importante para melhorar a eficiência térmica do envelope translúcido. O objectivo deste projecto é desenvolver um protótipo conceptual de um sistema de estores bifuncional com PCM (material de mudança de fase) dentro das suas lamelas, e compreender o seu desempenho térmico. Um protótipo conceptual foi principalmente fabricado utilizando tecnologia FDM (fused filament fabrication). Resultou numa pequena janela à escala de vidro duplo, composta por quatro superfícies envidraçadas e cinco lamelas. Devido ao problema de fuga PCM, foi necessário compreender a possibilidade de utilizar uma ripa impressa como microcápsula, tendo sido feito um teste experimental. No final, foram utilizadas lamelas de alumínio comercializadas, e seladas com silicone de alta temperatura. Foi utilizado um sistema de monitorização da temperatura para analisar a evolução da temperatura ao longo do protótipo. Foram feitos vários testes experimentais utilizando lamelas preenchidas com espuma de PU (poliuretano) e lamelas preenchidas com PCM, utilizando um forno. No final, foram encontradas várias limitações, mas foi possível notar uma melhoria térmica devido à mudança de fase do material, e uma diferença de temperatura de -5,13% foi alcançada com as lamelas de espuma de PU, durante a mudança de fase. Um mecanismo de inclinação foi concebido e sugerido como estudo futuro, desde que se fizesse uma análise numérica do sistema.