Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
A study of the thermal conductivity of granular silica materials for VIPs at different levels of gaseous pressure and external loads
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Building Technology.ORCID iD: 0000-0002-6487-2858
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering.
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering. University of Gävle, Sweden.
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Civil and Architectural Engineering, Building Technology.ORCID iD: 0000-0003-0615-4505
2014 (English)In: Energy and Buildings, ISSN 0378-7788, E-ISSN 1872-6178, Vol. 85, 199-211 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Fast and reliable methods for the determination of thermal properties of core materials for vacuum insu-lation panels (VIPs) are needed. It is of great importance to know the thermal performance of a VIP core atdifferent levels of vacuum and external loads. In this study a new self-designed device, consisting of twocylindrical cavities connected to a Transient Plane Source instrument, is used to determine the thermalconductivity of low-density nanoporous silica powders, from atmospheric pressure down to 0.1 mbarwhile applying different levels of external pressure up to 4 bars. The study includes a brief theoreticaldiscussion of methods. The TPS is validated through comparison with available data for commercial silicaas well as through independent stationary measurements with a hot plate apparatus and with a TransientHot Bridge method. The different materials illustrate clear but different trends for the thermal conductiv-ity as a function of the level of vacuum and external pressure. The analysis of experimental results showsthat the transient methods are less suitable for measuring the thermal conductivity of low-density sil-ica powders, especially for the cases when the density is less than a limit at which the heat transfer byradiation becomes dominant compared to pure conduction.

Place, publisher, year, edition, pages
2014. Vol. 85, 199-211 p.
Keyword [en]
Vacuum insulation panels, Core material, Nanoporous silica aerogel, Thermal conductivity measurements, Transient and stationary methods, Hot plate apparatus, Transient Hot Bridge (THB) method, Transient Plane Source (TPS) method
National Category
Construction Management
Research subject
Physics; Energy Technology
URN: urn:nbn:se:kth:diva-154072DOI: 10.1016/j.enbuild.2014.09.038ISI: 000348880900020ScopusID: 2-s2.0-84908338898OAI: diva2:755125

QC 20150310

Available from: 2014-10-13 Created: 2014-10-13 Last updated: 2015-11-09Bibliographically approved
In thesis
1. Robust and Durable Vacuum Insulation Technology for Buildings
Open this publication in new window or tab >>Robust and Durable Vacuum Insulation Technology for Buildings
2015 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

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.

Abstract [sv]

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.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2015. xiv, 90 p.
, TRITA-BYTE, ISSN 1651-5536 ; 2015:2
Vacuum Insulation panels (VIPs), Million Program, Energy saving, Thermal conductivity, thermal transmittance (U-value), Thermal bridges, Stationary and transient measurements, Dynamic simulations of heat and moisture conditions, Full scale measurement in climatic chamber, LCA, Vakuumisoleringspaneler (VIP:ar), Miljonprogrammet, Energibesparing, Värmeledningsförmåga, värmegenomgångskoefficient (U-värdet), Köldbryggor, Stationära och transienta mätningar, Dynamiska simuleringar av värme och fuktförhållanden, Fullskaleförsök i klimatkammare, LCA
National Category
Other Social Sciences
Research subject
Civil and Architectural Engineering
urn:nbn:se:kth:diva-176494 (URN)978-91-7595-742-5 (ISBN)
Public defence
2015-12-11, sal B3,, Brinellvägen 23, KTH, Stockholm, 13:00 (English)
Simulations of heat and moisture conditions in a retrofit wall construction with Vacuum Insulation PanelsTextural and thermal conductivity properties of a low density mesoporous silica materialA study of the thermal conductivity of granular silica materials for VIPs at different levels of gaseous pressure and external loadsEvaluation of the thermal conductivity of a new nanoporous silica material for VIPs – trends of thermal conductivity versus densityA comparative study of the environmental impact of Swedish residential buildings with vacuum insulation panelsETICS with VIPs for improving buildings from the Swedish million unit program “Miljonprogrammet”
Swedish Research Council Formas, 2010-1161

QC 20151109

Available from: 2015-11-09 Created: 2015-11-06 Last updated: 2015-11-12Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textScopus

Search in DiVA

By author/editor
Karami, PeymanTwumasi Afriyie, EbenezerNorberg, PeterGudmundsson, Kjartan
By organisation
Building TechnologyCivil and Architectural Engineering
In the same journal
Energy and Buildings
Construction Management

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Altmetric score

Total: 80 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link