Denna studie undersöker potentialen för frodvuxen gran (Picea abies) som isoleringsmaterial i historiska byggnader, med syftet att utvärdera sambandet mellan densitet och värmeledningsförmåga. Bakgrunden till studien ligger i behovet av hållbara och effektiva isoleringsmaterial som kan användas för att förbättra energiprestandan i byggnader samtidigt som de bevarar deras historiska karaktär och estetiska värde. Frodvuxen gran har växt snabbt vilket lett till en lägre densitet än lägsta värdet som finns att tillgå i den svenska standarden för olika materials värmeledningsförmågor.  Metodologin innefattade både laboratorieanalyser och fältstudier. I laboratoriedelen användes ett hot-disk instrument för att mäta värmeledningsförmåga sedan beräknades densitet och fuktkvot. Fältstudierna genomfördes för att identifiera praktiska tillämpningar och utmaningar vid användning av frodvuxen gran som konstruktionsmaterial. Dessa studier omfattade inspektioner av byggnader uppförda med frodvuxen gran och intervju med ansvarig för uppförandet av dessa byggnader för att utreda dess potentiella funktion som konstruktionsmaterial.  Huvudresultaten från laboratorieanalyserna visade ett starkt samband mellan densitet och värmeledningsförmåga, vilket indikerar att frodvuxen gran med sin lägre densitet har förbättrade isoleringsegenskaper jämfört med senvuxen gran. Fältstudierna bekräftade att frodvuxen gran kan användas som konstruktionsmaterial i byggnader, men pekade också på dess benägenhet till större rörelser vid uttorkning vilket dock går att räkna på för att undvika att problem uppstår vid torkning.  Slutsatserna visar att frodvuxen gran kan vara ett värdefullt tillskott till befintliga isoleringsmaterial tack vare dess förbättrade isoleringsförmåga. Studien rekommenderar vidare forskning för att undersöka långsiktiga nedbrytningseffekter och materialets fuktegenskaper, vilket är avgörande för dess praktiska användning i byggnader. Vidare bör forskningen även studera frodvuxen grans förmåga som putsbärare, både för ler- och kalkbruk, för att utreda virkets kompatibilitet med dessa material. / This study investigates the potential of fast-grown spruce (Picea abies) as an insulation material in historic buildings, aiming to evaluate the relationship between density and thermal conductivity. The background of the study lies in the need for sustainable and efficient insulation materials that can be used to improve the energy performance of buildings while preserving their historical character and aesthetic value. Fast-grown spruce has a lower density then the lowest available in the Swedish standard for materials heat conductivity.  The methodology included both laboratory analyses and field studies. In the laboratory part, a hot-disk instrument was used to measure thermal conductivity, followed by calculations of density and moisture content. The field studies were conducted to identify practical applications and challenges in using fast-grown spruce as a construction material. These studies involved inspections of buildings constructed with fast-grown spruce and interviews with those responsible for their construction to investigate its potential functionality as a construction material.  The main results from the laboratory analyses showed a strong correlation between density and thermal conductivity, indicating that fast-grown spruce, with its lower density, has improved insulation properties compared to slow-grown spruce. The field studies confirmed that fast-grown spruce can be used as a construction material in buildings, but also pointed out its tendency to exhibit greater movement during drying, which can be accounted for to prevent issues during the drying process.  The conclusions suggest that fast-grown spruce can be a valuable addition to existing insulation materials due to its improved insulation performance. The study recommends further research to examine long-term degradation effects and the material's moisture properties, which are critical for its practical use in buildings. Additionally, further research should investigate the ability of fast-grown spruce to serve as a substrate for plaster, both for clay and lime-based plasters, to determine the wood's compatibility with these materials.

Today’s buildings are responsible for 40% of the world’s energy use and also a substantial share of the Global Warming Potential (GWP). In Sweden, about 21% of the energy use can be related to the heat losses through the climatic envelope. The “Million Program” (Swedish: Miljonprogrammet) is a common name for about one million housing units, erected between 1965 and 1974 and many of these buildings suffer from poor energy performance. An important aim of this study was to access the possibilities of using Vacuum Insulation Panels (VIPs) in buildings with emphasis on the use of VIPs for improving the thermal efficiency of the “Million Program” buildings. The VIPs have a thermal resistance of about 8-10 times better than conventional insulations and offer unique opportunities to reduce the thickness of the thermal insulation. This thesis is divided into three main subjects. The first subject aims to investigate new alternative VIP cores that may reduce the market price of VIPs. Three newly developed nanoporous silica were tested using different steady-state and transient methods. A new self-designed device, connected to a Transient Plane Source (TPS) instrument was used to determine the thermal conductivity of granular powders at different gaseous pressure combined with different mechanical loads. The conclusion was that the TPS technique is less suitable for conducting thermal conductivity measurements on low-density nanoporous silica powders. However, deviations in the results are minimal for densities above a limit at which the pure conduction becomes dominant compared to heat transfer by radiation. The second subject of this work was to propose a new and robust VIP mounting system, with minimized thermal bridges, for improving the thermal efficiency of the “Million Program” buildings. On the basis of the parametric analysis and dynamic simulations, a new VIP mounting system was proposed and evaluated through full scale measurements in a climatic chamber. The in situ measurements showed that the suggested new VIP technical solution, consisting of 20mm thick VIPs, can improve the thermal transmittance of the wall, up to a level of 56%. An improved thermal transmittance of the wall at centre-of-panel coordinate of 0.118 to 0.132 W m-2K-1 and a measured centre-of-panel thermal conductivity (λcentre-of-panel) of 7 mW m-1K-1 were reached. Furthermore, this thesis includes a new approach to measure the thermal bridge impacts due to the VIP joints and laminates, through conducting infrared thermography investigations. An effective thermal conductivity of 10.9 mW m-1K-1 was measured. The higher measured centre-of-panel and effective thermal conductivities than the published centre-of-panel thermal conductivity of 4.2 mW m-1K-1 from the VIP manufacturer, suggest that the real thermal performance of VIPs, when are mounted in construction, is comparatively worse than of the measured performance in the laboratory. An effective thermal conductivity of 10.9 mW m-1K-1 will, however, provide an excellent thermal performance to the construction. The third subject of this thesis aims to assess the environmental impacts of production and operation of VIP-insulated buildings, since there is a lack of life cycle analysis of whole buildings with vacuum panels. It was concluded that VIPs have a greater environmental impact than conventional insulation, in all categories except Ozone Depilation Potential. The VIPs have a measurable influence on the total Global Warming Potential and Primary Energy use of the buildings when both production and operation are taken into account. However, the environmental effect of using VIPs is positive when compared to the GWP of a standard building (a reduction of 6%) while the PE is increased by 20%. It was concluded that further promotion of VIPs will benefit from reduced energy use or alternative energy sources in the production of VIP cores while the use of alternative cores and recycling of VIP cores may also help reduce the environmental impact. Also, a sensitivity analysis of this study showed that the choice of VIPs has a significant effect on the environmental impacts, allowing for a reduction of the total PE of a building by 12% and the GWP can be reduced as much as 11% when considering both production and operation of 50 yes. Finally, it’s possible to conclude that the VIPs are very competitive alternative for insulating buildings from the Swedish “Million Program”. Nevertheless, further investigations require for minimizing the measurable environmental impacts that acquired in this LCA study for the VIP-insulated buildings. / Dagens byggnader ansvarar för omkring 40% av världens energianvändning och  står också för en väsentlig del av utsläppen av växthusgaser. I Sverige kan ca 21 % av energianvändningen relateras till förluster genom klimatskalet. Miljonprogrammet är ett namn för omkring en miljon bostäder som byggdes mellan 1965 och 1974, och många av dessa byggnader har en dålig energiprestanda efter dagens mått. Huvudsyftet med denna studie har varit att utforska möjligheterna att använda vakuumisoleringspaneler (VIP:ar) i byggnader med viss fokus på tillämpning i Miljonprogrammets byggnader. Med en värmeledningsförmåga som är ca 8 - 10 gånger bättre än för traditionell isolering erbjuder VIP:arna unika möjligheter till förbättrad termisk prestanda med minimal isolerings tjocklek. Denna avhandling hade tre huvudsyften. Det första var att undersöka nya alternativ för kärnmaterial som bland annat kan reducera kostnaden vid produktion av VIP:ar. Tre nyutvecklade nanoporösa kiselpulver har testats med olika stationära och transienta metoder. En inom projektet utvecklad testbädd som kan anslutas till TPS instrument (Transient Plane Source sensor), har använts för att mäta värmeledningsförmågan hos kärnmaterial för VIP:ar, vid varierande gastryck och olika mekaniska laster. Slutsatsen blev att transienta metoder är mindre lämpliga för utföra mätningar av värmeledningsförmåga för nanoporösa kiselpulver låg densitet. Avvikelsen i resultaten är dock minimal för densiteter ovan en gräns då värmeledningen genom fasta material blir dominerande jämfört med värmeöverföring genom strålning. Det andra syftet har varit att föreslå ett nytt monteringssystem för VIP:ar som kan användas för att förbättra energieffektiviteten i byggnader som är typiska för Miljonprogrammet. Genom parametrisk analys och dynamiska simuleringar har vi kommit fram till ett förslag på ett nytt monteringssystem för VIP:ar som har utvärderats genom fullskaleförsök i klimatkammare. Resultaten från fullskaleförsöken visar att den nya tekniska lösningen förbättrar väggens U-värde med upp till 56 %. En förbättrad värmegenomgångskoefficienten för väggen i mitten av en VIP blev mellan 0.118 till 0,132 W m-2K-1 och värmeledningstalet centre-av-panel 7 mW m-1K-1 uppnåddes. Detta arbete innehåller dessutom en ny metod för att mäta köldbryggor i anslutningar med hjälp av infraröd termografi. En effektiv värmeledningsförmåga för 10.9 mW m-1K-1 uppnåddes. Resultaten tyder även på att den verkliga termiska prestandan av VIP:ar i konstruktioner är något sämre än mätvärden för paneler i laboratorium. En effektiv värmeledningsförmåga av 10.9 mW m-1K-1 ger dock väggkonstruktionen en utmärkt termisk prestanda. Det tredje syftet har varit att bedöma miljöpåverkan av en VIP-isolerad byggnad, från produktion till drift, eftersom en livscykelanalys av hela byggnader som är isolerade med vakuumisoleringspaneler inte har gjorts tidigare. Slutsatsen var att VIP:ar har en större miljöpåverkan än traditionell isolering, i alla kategorier förutom ozonnedbrytande potential. VIP:ar har en mätbar påverkan på de totala utsläppen av växthusgaser och primärenergianvändningen i byggnader när både produktion och drift beaktas. Miljöpåverkan av de använda VIP:arna är dock positiv jämfört med GWP av en standardbyggnad (en minskning med 6 %) medan primärenergianvändningen ökade med 20 %. Slutsatsen var att ytterligare användning av VIP:ar gynnas av reducerad energiförbrukning och alternativa energikällor i produktionen av nanoporösa kiselpulver medan användningen av alternativa kärnmaterial och återvinning av VIP kärnor kan hjälpa till att minska miljöpåverkan. En känslighetsanalys visade att valet av VIP:ar har en betydande inverkan på miljöpåverkan, vilket ger möjlighet att reducera den totala användningen av primärenergi i en byggnad med 12 % och utsläppen av växthusgaser kan vara minska, så mycket som 11 % när det gäller både produktion och drift under 50 år. Avslutningsvis är det möjligt att dra slutsatsen att VIP:ar är ett mycket konkurrenskraftigt alternativ för att isolera byggnader som är typiska för Miljonprogrammet. Dock krävs ytterligare undersökningar för att minimera de mätbara miljöeffekter som förvärvats i denna LCA-studie för VIP-isolerade byggnader. / <p>QC 20151109</p> / Simulations of heat and moisture conditions in a retrofit wall construction with Vacuum Insulation Panels / Textural and thermal conductivity properties of a low density mesoporous silica material / A study of the thermal conductivity of granular silica materials for VIPs at different levels of gaseous pressure and external loads / Evaluation of the thermal conductivity of a new nanoporous silica material for VIPs – trends of thermal conductivity versus density / A comparative study of the environmental impact of Swedish residential buildings with vacuum insulation panels / ETICS with VIPs for improving buildings from the Swedish million unit program “Miljonprogrammet”

This thesis explores the heat transfer characteristics of a packed bed thermal energy storage device through the development of a 3D model in COMSOL Multiphysics. The model is based on a laboratory-scale device consisting of an aluminum box filled with sand, which acts as the thermal storage medium. The medium is heated using two resistance heaters that are embedded into the sand. The heaters are raised to approximately 500°C during the experiment. Three thermocouples placed in the sand record the temperature during charging, thus generating a time-dependent temperature curve at three points. The model simulates this experimental system, and the resulting temperature distribution is compared to the experimental data to assess the model validity. To determine the temperature throughout the storage system at all times, the model solves the heat equation. The density and heat capacity of the sand are measured and added to the model. The model uses the effective medium technique to estimate the thermal conductivity of the sand. A secondary model is developed in Excel to calculate the effective thermal conductivity using twelve different correlations, and the results are compared. The Zehner-Bauer correlation with an added Damköhler radiation term predicted an effective thermal conductivity of 0.218 W/(m·K) at 25°C and 0.451 W/(m·K) at 500°C, with slightly exponential growth due to the influence of thermal radiation. When these values for conductivity are applied to the COMSOL model, there is strong agreement (average percent error &lt; 5%) with the experimental temperature distributions. A parametric study is performed, and shows that increasing grain size and emissivity could increase the thermal conductivity by making use of the exponential growth of thermal radiation. The model serves as a design and learning tool, and a starting point for improving the performance of the thermal energy storage system. / Detta examensarbete undersöker värmeöverföringsegenskaperna hos en termisk energilagringsenhet med packad bädd genom utveckling av en 3D-modell i COMSOL Multiphysics. Modellen är baserad på en enhet i laboratorieskala som består av en aluminiumlåda fylld med sand, som fungerar som det termiska lagringsmediet. Mediet värms upp med hjälp av två motståndsvärmare som är inbäddade i sanden. Värmeelementen höjs till ca 500°C under experimentet. Tre termoelement placerade i sanden registrerar temperaturen under laddningen och genererar på så sätt en tidsberoende temperaturkurva i tre punkter. Modellen simulerar detta experimentella system, och den resulterande temperaturfördelningen jämförs med experimentella data för att bedöma modellens giltighet. För att bestämma temperaturen i hela lagringssystemet vid alla tidpunkter löser modellen värmeekvationen. Sandens densitet och värmekapacitet mäts och läggs till i modellen. Modellen använder den effektiva mediumtekniken för att uppskatta sandens värmeledningsförmåga. En sekundär modell utvecklas i Excel för att beräkna den effektiva värmeledningsförmågan med hjälp av tolv olika korrelationer, och resultaten jämförs. Zehner-Bauer korrelationen med en tillagd Damköhler strålningsterm förutsade en effektiv värmeledningsförmåga på 0,218 W/(m·K) vid 25°C och 0,451 W/(m·K) vid 500°C, med en något exponentiell tillväxt på grund av påverkan från värmestrålning. När dessa värden för konduktivitet tillämpas på COMSOL-modellen finns det en stark överensstämmelse (genomsnittligt procentuellt fel &lt; 5%) med de experimentella temperaturfördelningarna. En parametrisk studie har utförts som visar att ökad kornstorlek ock emissivitet kan öka värmeledningsförmågan genom att utnyttja den exponentiella tillväxten av värmestrålning. Modellen fungerar som ett design- och inlärningsverktyg och som en utgångspunkt för att förbättra prestandan hos det termiska energilagringssystemet.