8/2/2019 Five Year Measurements of Thermal Performance for an Unserground Test Housee

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F i v e - y e a r M e a s u r e m e n t s o fT h e r m a l P e r f o rm a n c e fo r aS e m i- u n d e r g r o u n d T e st H o u s eH. Yosh ino , S . Matsumoto , M. Nagatom o and T . Sakan ish i

A b s t r a c t - - I n o r d e r t o o b t a in f u n d a m e n t a l d a t a o n t h e th e r m a lp e r f o r m a n c e o f a s e m i - u n d e r g r o u n d r o o m , a t w i n - t y p e t e s t h o u s ew a s c o n s t r u c t e d o n t h e c a m p u s o f T o h o k u U n i v e r s i t y in S e p t e m b e r1 9 84 . T h e t e s t h o u s e h a s t w o r o o m s w i t h s o u t h - f a c i n g w i n d o w sa b o v e t h e g r o u n d s u r f a c e , a n d a c o r r i d o r b e tw e e n t h e t w o r o o m s .T h e f l o o r le v e l i s 1 .3 m b e l o w t h e g r o u n d s u r f a c e . T h e r m a l i n s u l a t i o n0 . 1 m d e e p a n d 1 . 35 m w i d e w a s i n s t a l l e d h o r i z o n t a l l y a r o u n d t h er o o m o n t h e e a s t a t a le v e l 0 .3 m b e l o w t h e g r o u n d s u r f a c e . T h e r o o mo n t h e w e s t h a s n o s u c h " h o r i z o n t a l " i n s u l a t i o n . F i v e - y e a rm e a s u r e m e n t s o f a i r t e m p e r a t u r e s i n b o t h r o o m s, s o i l t e m p e r a t u r e sa r o u n d t h e r o om s , e n e r g y c o n s u m p t i o n f o r s pa c e h e a ti n g , a n d s of o r t h w e r e m a d e i n f o u r d i f f e r e n t s i t u a ti o n s . A n e x p e r i m e n t a l s t u d yf o u n d t h a t h o r i z o n t a l i n s u l a t i o n w a s e f f e c t i v e i n r e d u c i n g t h ea n n u a l t e m p e r a t u r e f l u c t u a t i o n o f i n d o o r a ir , a n d i n r e d u c i n g t h eh e a t i n g lo a d . T h e s e e f fe c t s , w h i c h w e r e a l s o a n a l y z e d f r o m t h ev i e w p o i n t o f h e a t b a l a n c e i n t h e r o o m , w e r e v e r i f i e d b y c o m p u t e rc a l c u l a t io n s b a s e d o n t h e t w o - d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t m e t h o d .

R d s u m ~ A f i n d b b t e n i r d e s d o n n ~ f o n d a m e n t a l e s s u r l a p e r f o r m a n a eth e rmiq u e d ' u n e c h a mb re se mi - so u t e rra in e , u n d u p le x t e s t f u r c o n s t ru i ts u r l e c a m p u s d e l ' U n iv e r s it ~ d e T o h o k u e n s e p t e m b r e 1 9 8 4. L a m a i s o nc o m p o r te d e u x c h a m b r e s a v e c d e s e ~ t r e s o r ie n t~ e s s u d a u d e s s u s d u s o ~et un couloir ntre les deu x cham bres. Le re z - d e - c h a u s~ e e s t ~t l , 3 m a ud e sso u s d e sol . L ' i so la t i o n t h e rmiq u e ~ p a i s se d e 0 , 3 m e t l a rg e d e 1 , 3 5 mfa t i n s ta ll d e d l ' h o r i zo n ta l a u to u r d e l a c h a m b r e s u r l a p a r t i e e s t a 0 , 3 mau dessousdu coL L a c h a m b r e s i t u ~ ~ l 'o u e s t n ' a p a s u n e t e l l e i so la t i o n"horizonta le ". D e s m e s u r e s , p r ~ l e v ~ s u r c i n q a ns , d e s t e m l ~ r a t a r e s d el ' a i r d a r t s l e s d e u x c h a mb re s , d u so l a u to u r d e s c h a mb re s , d e l ac o n so mm ~ t io n d ' d n erg i ep o a r l e c h a uf f a g e d e l a m a i s o n , entre atres, nt~ t ~ e f f e c t u ~ s d a n s q u a tr e s i t u a t io n s d i f f ~ r e n t e s . U n e ~ t u d e e x p ~ r i m e n t a ka r~v~l~que l ' i so la t ion horiz onta le ~ t e f f i c a o e p o a r r d d u i r e l a i u c t ua t i ond e t e mp d ra tu re a n n u e Ue d e l h i r i n t~ r i e u r , a in e i q u e l a c o n so mma t io ng lo b a le e n c h a u f fo g e . C e s e ff e t s, q u i o n t dt~ a n a ly sd s d u p o in t d e v u e d el ', kq u il ib re d u c h a u f fi zg e d a n s l a c ]w ~ b re , [a re ~ c o ~ s p a rs u r o r d n a t e u r o n d ~ s a r a r ~ t h o d e d e s ~ O n e n t s f i a s a d e u x d i m e n s i oas .

1. IntroductionI n J a p a n i n r e c e n t y e a r s , u n d e r -g r o u n d r o o m s h a v e b e e n r ec e iv i nggreater attention as a result of hen e e d t o i n c r e a se f l oo r r e a i n d e t a c h e dh o u s e s l o c a t e d o n n a r r o w s it es . U ti l iz -i n g t h e p o t e n t i a l f o r h e a t s t o r a ge i nu n d e r g r o u n d s o il s d e s i r ab l e f o r b o t he n e r g y c o n se r va t io n a n d t h e r m a l c o m -f or t. H o w e v e r , f or s e m i - u n d e r g r o u n dr o o m s w i t h w i n d o w s , t h e r e a r e n o d a t ao n th e t h e r m a l e n v i r o n m e n t o f a r o o mr e c e i v i n g i n c i d e n t s o l a r r a d i a t i o n o r o nl o n g - t e r m t h e r m a l b e h a v i o r.T h e p u r p o s e o f t h i s s t u d y i s t o o b -t a i n f u n d a m e n t a l d a t a f o r d e si g ni n g as e m i - u n d e r g r o u n d r o o m , f o c us i ng es -pecially n the effect f he rma l insula-t i on p la c e d i n t h e e a r t h a r o u n d t h er o o m . F o r t h i s p u r p o se , a t w in - t y p et e st o u s e w a s c o n s t r u c t e d a n d it s h e r -m a l p e r f o r m a n c e w a s m e a s u r e d f orfive-and-a-half ears.

P r e s e n t a d d r e s s : D r . H i r o s h i Y o s h in o ,A s s o c i a t e P r o f e s s o r , D e p a r t m e n t o fA r c h i t e c t u r e , F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g ,T o h o k u U n i v e r s i t y , A r a m a k i A o b a - k u ,S e n d a i 9 8 0, J a p a n .

T h i s p a p e r r e p o r t s t h e r e s u l t s o f t h et e s t r o o m t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t sf o r a r o o m w i t h n o s 1 1 ~ l ia r y h e a t i ng /c o ol i ng s y s t e m a n d t h e e n e r g y c o n -s u m p t i o n f or t h e r o o m t h at u s e d a nx q l-i a r y h e a t i n g . T h e e f f ec t o f t h e r m a li n s u l at i o n p l a c e d i n t h e e a r t h o n t h et h e r m a l p e r fo r m a n c e w a s a n a l y z ed b yc a l c u l a t i n g h e a t f l o w t h r o u g h t h e b u i l d -i n g e n v e lo p e . T h e e x p e r i m e n t a l r e -s u l t s a r e a l s o c o m p a r e d w i t h c a l c u -l a t e d r e s u l t s .2 . D e s c r i p t io n o f t h e T e s tHouse and Measurements2 . 1 . De sc r i p t io n o f t h e T e s t Ho u s e

I n S e p t e m b e r 1 98 4 , a t w i n - t y p e t e s th o u s e f or th e e x p e ~ m e n t w a s c o n -s t r u c t e d o n t h e c a m p u s o f T o h o k u U n i -v e r s i t y , i n t h e c i t y o f S e n d a l i n n o r t h -e r n J a p a n . F i g u r e 1 s h o w s t h e f l o orp l a n .T h e t e s t h o u s e h a s t w o r o om s , e a c hw i t h a s o u t h - f a c i n g w i n d o w a b o v e t h eg r o u n d s u r f a c e ; t h e r e i s a c o r r i d o r b e -t w e e n t h e t w o r o o m s . T h e t e s t r o o m sa r e 5 . 4 m d e e p a n d 2 . 7 m w i d e . T h er o o m o n t h e w e s t s i d e is d e s i g n a t e d a sR o o m C ; t h e r o o m o n t h e e a s t s i d e , a sR o o m D . T h e s i d e w a l l s a b o v e t h eg r o u n d s u r f a c e h a v e 0 . 2 m o f f o a m

p o l y s t y r e n e in s u l a t i o n a n d m e t a l s i d -i n g s f o r finishing o v e r t h e a i r l a y e r t h a tc o n n e c t s t h e o u t d o o r a i r . T h e w a l lf a c in g t h e c o r r i d o r a n d t h e c e d i n g o fe a c h r o o m a r e a l s o i n s u l a t e d w i t h 0 . 2m o f f o a m p o l y s t y r e n e . A l l w i n d o w sh a v e d o u b l e g la z i n g . T h e s o u t h - f a c i n gw i n d o w s a r e 0 . 8 m h i g h a n d 2 . 5 6 mw i d e . T h e s m a l l w i n d o w s o n t h e n o r t hw a l l a r e 0 . 9 6 m h i g h a n d 0 . 8 m w i d e .W h e n n e c e ss a r y , w e a t h e r s h u t t e r s i n -s u l a t e d w i t h 0 . 05 m o f f o a m p o l y s t y -r e n e c a n b e u s e d t o c o v e r t h e w i n d o w s .E a c h r o o m h a s a t h e r m o s t a t - c o n t r o l l e de l e c t r i c s p a c e h e a t e r .

T h e r o o m s h a v e n o v e n t i l a t i o n s y s -t e m s . T h e l e a k s i n t h e b u i l d i n g e n v e -l o p e w e r e f i ll e d w i t h s e a l i n g m a t e r i a l s .T h e t e s t r o o m s a r e s o a i r t i g h t t h a t t h ea i r l e a k s h a v e n o t i n f l u e n ce d t h e t h e r -m a l p e r f o r m a n c e . R e s u l t s o f t h e a i r -t i g h t n e s s m e a s u r e m e n t s h a v e b e e n r e -p o r t e d b y H a s e g a w a e t a l . ( 19 8 7) .F i g u r e 2 s h o w s a s e c t i o n o f t h e c o n -s t r u c t i o n . T h e f l o o r l e v e l i s 1 .3 m b e l o wt h e g r o u n d s u r f a c e . A p o r t i o n o f t h ec o n c r e te w a l l s , a r o u n d t h e g r o u n d s u r -f a c e, h a s 0 . 1 m o f i n s u l a t i o n . O n l yR o o m D i s s u r r o u n d e d b y " ho r i z o n t a li n s u l a t i o n ' , 0 . 1 m d e e p a n d 1 .3 5 mw i d e a t a l e v e l 0 .3 m b e l o w t h e g r o u n ds u rf a ce . R o o m C h a s n o s u c h i n su l a-

Tunnelling and UndergroundSpace Technology,Vol. 7, No. 4, pp, 339-346, 19 92 . 0886-7798/92 $5.00 + .00Printed in Great Britain. Pergamon Press Ltd 33 9

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N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .[ i ' 20 0 2 7 3 0 2 0 i 9 1 0 2 0 0 2 7 3 0 20 0~ ; ~ . . . . . . 1 1"1 ........

~ , ] i n s u l a t i o n " i' , ! . ; t !o

o ! o i t, ~ : ~ ! L ~ I ~ o o ~ c ~ ~ ~ o o ~ o . ~ ~ ,o 1'~ ~ 1 1 ( We s t s i d e ) ~ ~ ( E a s t s i d e } I 1 ~ i ; ~ !I ~ ~ o h o = , , ~ , - / ~ " 1 8 1A.. . . ' iJ 'q '~ \ . , ~ ,.., . . . . ~ c ~l p a c e n e a r e r ~ i ~ _ : 'c ~ ' , A '

I ; ~ r -~ o u 0 1 e ~ ~ i o o r ~ ; i o'o~O i 1 _. glaz ing . area: 14.6m 2 , ~ , to '285 285 ' , 285 285 1i n s u l a t e d w e a t h e r - - - - / ~ _ i . i . . . . . . i , _ J _ .~ L . . . . . . . . 'shu t te r ( rem ovab le ) *~ "Hor izon ta l Insu la t ion"

" 4!! i n s u l a ti o n a r e p o l ys t y r e n e b o a r d s under the g round sur faceF igure 1 . ~ loo r p lan o f the tes t house and measurementp o s i t io n s o f ro o m temp era tu res ( , ) .

, % ~ ; t ; o T - . - \ - , , ; ii ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . ]~ . . . . . . . . . ~ - - - . ~ - - - - - - - - - - - - - - - - r ' Ho r i z on t a lIndOOr a i r ~Cor r ido r ' ] Indoor a i r I~ \ \ G.L .

i JI L - ,. . ~ ~ . . - - . ~ I I , ~ os c~ ' - - r - ~ . ~~ i - o !Co n c r e t e - r ~1 , I / - - - ~ l

i I ~ t , ,- , , " S e c t i o n ~I i , s c ~ i , s o ~ , ,~ 5 : l S e ~ i i ~ 8 5 j9 1 0 1 ~ 8 5 L 1 5 8 5 i ~ s iS C1 , S C2 , S D 1 , a n d S D 2 a r e m e a s u r e m e n t p o i n | s o ~ o i l t e m p e r a t u re srefered in Ftgs. 3, 4 a, arid 5a.Fig u re 2 . A-A ' S ec t io n o f th e tes t h ou se a n d ma inposit ions of thermocouples.

tion. The total e a t transmission rateo f e a c h a b o v e g r o u n d r o o m p e r fl oo ra r e a i s 1 .0 1 k c a l / m2 h I ~ M o r e i n f o r m a -t i o n o n t h e t e s t h o u s e i s g i v e n i nH a s e g a w a e t al. ( 1 98 7 ) a n d Y o s h i n o e tal. (1990b) .

2.2. Measurement TechniquesT h e t e m p e r a t u r e s o f n d o o r a ir , o u t -d o o r a i r , s o i l , a n d w a l l s u r f a c e s w e r em e a s u r e d b y c o p p e r - c o n s ta n t a n t h e r -m o c o u p l e s a t 1 3 5 t e m p e r a t u r e m e a -s u r i n g p o i n t s ( t h e m a i n p o s i t i o n s o ft h e r m o c o u p l e s a r e s h o w n i n F i g . 2 ) .T h e d a t a w e r e s t o r e d o n c o m p u t e r d i s k s

a t 2 0 - m l n u t e i n t e r v a l s . T h e i n d o o r a i rt e m p e r a t u r e , a k e y t e m p e r a t u r e , w a sm e a s u r e d a t 1 . 2 m a b o v e t h e f l o o r l e v e l ,a t t h e c e n t e r o f t h e r o o m , a n d a t o n e -f o u r t h o f t h e r o o m ' s d e p t h f r o m t h en o r t h e r n w a l l s u r f a ce . T h e e n e r g yc o n s u m p t i o n f o r s p a c e h e a t in g w a sm e a s u r e d b y a n e l e c tr ic p o w e r m e t e r

w i t h a n a l o g o u t le t s . T h e d a t a w e r ei n t e g r a te d a n d s t o r e d in t h e s a m e w a ya s t h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s .2.3. Experimental Conditions

M e a s u r e m e n t s w e r e m a d e f or f ou rdifferent onditions:

E x p e r i m e n t # 1 ( D e ce m b e r 2 ,1 9 84 ,t o O c t o b e r 8 , 1 9 8 5 ) : B o t h r o o m s h a di n s u la t e d w e a t h e r s h u t t e r s d u r i n g t h ef i r s t y e a r i n o r d e r t o a v o i d d i s t u r b i n gt h e s o l a r h e a t g a i n . N o s p a c e h e a t e rw a s u s e d .E x p e r i m e n t # 2 (N o v e m b e r 1 ,1 98 5,t o J a n u a r y 1 0, 1 98 8) : A l t e r E x p e r i -m e n t # 1 , t h e w e a t h e r s h u t t e r s w e r en o t u se d . N o s p a c e h e a t e r s w e r e u se d .E x p e r i m e n t # 3 ( S e p te m b e r 1 0,1 9 8 8 , t o N o v e m b e r 2 6 , 1 9 8 9 ) : D u r i n gt h e f o u r t h y e a r , b o t h r o o m s w e r e h e a t e da n d m a i n t a i n e d a t 2 0 C b y e l e c t r i cs p a c e h e a t e r s . H o w e v e r , w h e n t h er o o m a i r t e m p e r a t u r e w a s h i g h e r t h a n

2 0 C w i t h o u t h e a ti n g, r o o m t e m p e r a -ture wa s not controlled. Becaus e ther o o m s a r e s u r r o u n d e d b y so i l h a v i n gg r e a t t h e r m a l c a p a c i t y , i t t a k e s a l o n gt i m e f o r t h e s o il t o b e c o m e t h e r m a l l ys t a b le . T h e r e f o r e , t h e r o o m s h a d b e e nh e a t e d s i n c e J a n u a r y 1 1, 1 9 88 , p r io rt h i s e x p e r i m e n t .E x p e r i m e n t # 4 ( N o v e m b e r 2 7,1 9 8 9 , t o M a y 2 3 , 1 9 9 0 ) : I n t h i s f i f t h -y e a r e x p e r i m e n t , b o t h ro o m s w e r eh e a t e d a n d m a i n t a i n e d a t a t e m p e r a -t u r e g r e a t e r t h a n 2 0 C d u r i n g t h e d a y -t i me o n l y ( 7 : 0 0 a . n ~ t o 1 1 : 0 0 p . n L) .

3 . R e s u l t s o f t h e E x p e r i m e n t sExperiments #1 and #2F i g u r e s 3 a n d 4 a s h o w t h e t e m p e r a -t u r e f l u c t u a t io n s o f o u t d o o r a i r a n d

indoor air in both ro om s an d at fourp o i n t s i n t h e s o il f r o m D e c e m b e r 2 ,1 9 84 , t o J a n u a r y 1 0, 19 8 8. T h e t e m -p e r a t u r e i n e a c h ro o m c h a n g e s a l o n g

3O.oz ~< co~ 2 0~ I 0I.-

~, ocO - 4 -

oc i

~ _ E x p e r i m e n tr wi th shu t te rs , wi thou t space hea te rs ~ ~ Exper iment#2 wi thou t shu t te rs a r~ sp ace hea te rsI I t I I I I l I I I 1 [ I I I I I 1 I I t 1~ o o , a i , ~ , , !~ ' ~ .. ~ . 1 S C l u p p e , , n o I n d o e , a ir O u , ' ~ , o , . ~ ! ' - .. r a G : l o w e r , iV t ' ~ ' - ' ~ ~ S O l : l o w e r n o R m C : l o w e r . . . . . . . ~ % , , I\ ', /' L , Jll ine , ,~ | l ine . ' i ', . ; t % O : o p p e , , , T R m o : o p p o , ,

~ ' 2 ) '~ _ _ S C 2 : lo w e r l in e / ~ ~ i q i . ~ m~, ~ S D2 : u p p e r l in e S D 2 : u p p e r l i n e C 2 0

/ In te rru p tio n o f d a ta re c o rd in g ( ' ~ r ~ t e r n p . ~ , I1.1 , i - - 2 0L - O utdr air Oct 9 ~ ~ i r i . O ~ ~ , ", . , J l ' l~ ', l ~ ' -I n c d e n t s o a r r a d l a t i o n - _ l i l l l l i t l t l , " " . . . . . . , . . . . , i i l l i t , i i i ,"~=:mi ~,dlll,l,ll, lUl|mm,", I~ '

I I I t I I I I I I I I I I I I I | I t I I I | I I I ~ 1 ~D E C J A N F E B M A R A P R M A Y J U N J U L A U G S E P O C T N O V D E C J A N E 8 M A R A P R M A Y J U N J U L A U G S E P O C T N O V1984 1985 1986( " 1 ) S t a r t o / d a t a r e c o r d i n g d i S C 1 , S C 2 , a n d S D 1 ( J a n . 6 , 1 9 8 5 )( '2 )S tart o f da ta record ing of SD2 ( J u l y 1 4 , 1 9 8 5 )( '3}He a W ra in (Aug . 4 , 1986)

S C 1 , S C 2 , S D 1 , a n d SD 2 s h o w t t h e m e a s u re m e n t p o i m t o / t o i l l e m p e r a l u rei n d i c a t e d i n F i g . 2.

Fig u re 3 . Prof iles o f d a i ly mea n temp era tu re fo r Exp er imen t # 1 a n d th e f i r s t h a l f o f Exp er ime n t # 2 .

340 TUNNELLINGAND UNDERGROUNDSPACE TECHNOLOGY V olu m e 7 , N u m be r 4 , 1992

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(Pre-heat ing per iod)_ _ Expe r imen t #2 w i t hout shu t te r s and space hea te rs ~ .~ ' ~ repa , ' a t i on pe r i od be fo re Expe r imen t ~

30 t I i J I I I i I I I 1 t l I I 1 I l !o I n d o o r a i r O u t d o o r a i r - - - . ~ I n d o o r a i r S C 2 : l o w e r l in e ~I- 7 ~ u - ~ R m C : l o w e r li ne ii , ~ i ~ ! . ., , e R m C : l o w e r l i n e . / - - S D 2 : u p p e r l in e i k : !.~ . r r \ R m O : u pp e r l in e t! | ' ~ i ~ - R m D : up p e r , " ~ / , ~ t ,*: i m 0~ , ~ 2 0 - \ , I ~ i . ! , l ' ! . ~ f l V " I : i ~ ' : ' : . ' Ng " k . . l i ne i , L ,2~ , , . J : : ~ ~ , '~ i , , i ~

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o : : t l . i l t i i t i i i i , , < ' ' ' ' ' ' , , i l d l - l i l l t l i i l l i , l i i , o ,/ - I n c i d e n t s o l a r r a d i a t io n m'~~ 2 I NO data. - , . , l t i l i l " l l , i / i - , _ - , i l i l i , , . -< (.3 ' - " . . . . .z i ~ i I l i I i t i I i i i t i v I i t - " i I- - rr " D E ( J A N F E B M A R A P R M A Y J U N J U L A U G S E P O C T N O V D E C J A N F E B M A R A P R M A Y J U N J U L A U G1 9 8 6 1 9 8 7 1 9 8 8

S C 1 , S C 2 , S D 1 , a n d S D 2 show the me~L~uremen t po in t s u ra c i l t empera tu reind ica ted in F ig . 2.

Fig u re 4 a . Pro f ile s o f d a i ly m ea n temp era tu re fo r th e seco n d h a l f o f Exp er imen t # 2 a n d th e p rep a ra t io n p er io d p r io r toExp er imen t # 3 .

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