Ventilated Façade with double chamber and flow control device

Ventilated Façade with double chamber and flow control device

Accepted Manuscript Title: VENTILATED FAC ¸ ADE WITH DOUBLE CHAMBER AND FLOW CONTROL DEVICE Authors: Jaime Santa Cruz Astorqui, C´esar Porras-Amores P...

1MB Sizes 0 Downloads 37 Views

Accepted Manuscript Title: VENTILATED FAC ¸ ADE WITH DOUBLE CHAMBER AND FLOW CONTROL DEVICE Authors: Jaime Santa Cruz Astorqui, C´esar Porras-Amores PII: DOI: Reference:

S0378-7788(16)31461-X http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.enbuild.2017.04.063 ENB 7559

To appear in:

ENB

Received date: Revised date: Accepted date:

14-11-2016 16-2-2017 21-4-2017

Please cite this article as: Jaime Santa Cruz Astorqui, C´esar Porras-Amores, VENTILATED FAC¸ADE WITH DOUBLE CHAMBER AND FLOW CONTROL DEVICE, Energy and Buildingshttp://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2017.04.063 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

VENTILATED FAÇADE WITH DOUBLE CHAMBER AND FLOW CONTROL DEVICE   

Jaime Santa Cruz Astorqui * and César Porras‐Amores  Technical University of Madrid, School of Building Engineering, TEMA Research Group, Avda. Juan de  Herrera, 6, 28040 Madrid, Spain; E‐Mail:  [email protected]  and [email protected]  *  Corresponding author: Jaime Santa Cruz Astorqui. E‐Mail:  [email protected]   Tel.: +34‐913367637   

  ABSTRACT  Currently, ventilated  facades  are  composed  by  an  inner  sheet,  thermal  insulation, ventilation chamber and  exterior  finish,  a  system  that  allows  the  heat  absorbed  by  solar  radiation  to  dissipate  through  natural  ventilation of the air from the chamber. This article discusses the feasibility of adding a second air chamber  parallel to the existing one, both interconnected by the bottom of the facade, and with a device at the top to  regulate the air flow in the chambers, depending on the gradient of the existing temperature between inside  and  outside  the  building.  The  main  objective  is  to  evaluate  the  potential  of  this  proposed  system  in  the  improvement of the energy efficiency of the building, using a steady model of Computational Fluid Dynamics  (CFD). To this end, a comparative study of energy performance was carried out, as well as the thermal and fluid  dynamic behavior, between the proposed two‐chamber system and the conventional ventilated facade system  with closed joint, at different times of the year. The results show that the proposed system allows an increase  of 38% efficiency in summer period, and 333% in winter period, compared to a conventional ventilated façade  with closed joint.  Keywords: ventilated façade; passive design; CFD simulation; energy efficiency       

 

INTRODUCTION  Currently, there are various systems of ventilated façade, all of which are characterized by incorporating a  ventilated  air  chamber  between  the  outer  skin  and  the  insulation  (which  is  continuous  along  the  entire  façade). The main purpose of this type of façade is to dissipate the heat the outer skin absorbs when direct  solar radiation falls on it, and thereby reduce the temperature of the inner sheet and therefore, the interior  space  of  the  building.  The  operation  is  based  on  natural  air  convection  by  effect  of  an  increment  of  its  temperature. Thus, an upward flow of air is created through the chamber, which dissipates heat from the  outer skin to finally be expelled out through the top of the  façade. In short, both the reduction of energy  consumption of the cooling system in warm periods and the protection against solar radiation through the top  layer of the façade, are the main benefits attributed to the ventilated façade [1].  In this sense, there are two large groups of ventilated façades: a) open joint and b) closed joint.  Ventilated façades with open joints allow free circulation of air between the chamber and the outside through  the existing joints between the pieces that make up the outer skin. In this type of façades, usually the air enters  from the outside into the chamber through the joints of the lower half of the façade, and out gradually to the  outside through the upper joints [2]. The performance of this type of façade has been previously studied by  developing  numerical  models  of  computational  fluid  dynamics  [3]  and  [4]  as  well  as[5]  experimentally  by  nonintrusive measuring airflow techniques [6] and [7].  In ventilated façades of closed joint, there are no open joints between the pieces that make up the outer skin,  so the air enters the chamber through an opening or grid located at the lower part of the façade, and comes  out  through  the  other  opening  or  vent  in  the  crowning  of  the  façade.  The  behavior  and  the  thermal  performance of the ventilated façades of closed joint has been studied through simulations of computational  fluid dynamics [1], energy simulation [8] and scale prototypes [9].  In any case, ventilated façades are particularly suitable in climates with hot summer periods and orientations  exposed to direct sunlight. Under these conditions, solar radiation can increase the surface temperature of a  traditional façade by 60º  C, so this heat dissipation through the ventilated chamber represents a significant  energy savings in air conditioning systems.  However, ventilated façades on the market have two weaknesses related to their degree of energy efficiency:  First, in cold periods (the outdoor temperature is lower than the indoor comfort temperature), this type of  façade is a drawback, since the ventilation of the chamber dissipates the heat from solar radiation falling on  the façade, thus causing  major losses of heating energy than  a conventional façade with identical thermal  resistance. In this sense, there are closure control systems of the chamber [10] which allow to occluding the  air  in  the  chamber  and  prevent  its  ventilation,  being  configured  as  a  closed  chamber  capturing  heat  (greenhouse effect), which solves the problem.  Second, in warm periods, the ventilation air circulating in the chamber gradually increases its temperature as  it rises through the chamber so that in the lower region of the façade, the air in the chamber is about the  outdoor  temperature  and  therefore  the  system's  efficiency  is  maximal.  In  the  upper  zone,  the  air  of  the  chamber reaches a high temperature, so that the system loses its effectiveness. This gradual warming effect  is maximized in ventilated façades of closed joint, not being possible that fresh air enters the intermediate  zones of the same. 

In  this  sense,  to  avoid  the  negative  effects  described,  incorporating  a  second  vent  chamber  is  studied  in  combination  with  a  device  that  regulates  air  flow  between  the  chambers  and  the  outside.  In  short,  the  proposed system achieves two effects: on the one hand, it is possible to drastically reduce the air temperature  in the chamber adjacent to the insulation of the enclosure (in warm periods), and secondly, it is possible to  confine the air inside the chamber, turning the enclosure in a solar collector (in cold periods).    PROPOSED VENTILATED FAÇADE WITH DOUBLE CHAMBER  The components, materials and mechanisms that make the proposed system are detailed below (Figures 1, 2  and 3).   The membrane between the two chambers (1) is formed of a flexible sheet of polyethylene foam (or insulating  material with similar characteristics), which is mounted in rolls as wide as the distance between uprights (13)  of the ventilated façade. The union between the bands of membrane and the uprights is performed by a PVC  bead of extruded sectioned in "H" (3) which provides sealing between the two chambers. To maintain fixed  the  membrane  and  ensure  constant  thickness  of  the  chambers,  it  is  fixed  to  the  façade  insulation  (14)  by  polyethylene spacers (2) that self‐screw to the isolation.  The outer chamber or ventilation chamber (6) is located between the membrane (1) and the outer skin (12)  of the ventilated façade (which must be of closed joint). The inner chamber or inlet chamber (4) is located  between the membrane (1) and the façade insulation (14). Both chambers are connected together at the  lower part of the façade, and they open to the outside through the locking device located on the top of the  cover (11).  The closing device (Figure 2) aims the opening or closing of the chambers to the outside. This device consists  of a cover plate (11) for protection against the rain, an intake grill (5) connected to the inlet chamber (4) a  ventilation or exhaust grill (7) connected to the ventilation chamber (6), and a butterfly valve (8) actuated by  a handle (9). The assembly is mounted on a steel tube frame (10) whose transverse dimension is equal to the  total thickness of the façade on the top of its cover, and its longitudinal dimension coincides with the distance  between the fixing uprights of the ventilated façade.  By  operating  the  handle  (9)  the  position  of  the  butterfly  valve  is  switched  (8)  between  closed  and  open,  allowing the control of air flow between the outside and the chambers.  The devices are fixed to the façade by mechanical fasteners (16), and to each other through the rack by screws.  In the corners of the façade, it is necessary to place special modules (figure 3) which lack of a closing valve,  and therefore are blind in their bottom and sides.  The Table 1 includes the references in the figures 1, 2 and 3.    The proposed system is currently in the process of patent application in the Spanish Patent and Trademark  Office (OEPM, for its Spanish acronym).    OPERATION OF VENTILATED FAÇADE WITH DOUBLE CHAMBER  

In  the  figure  4  operation  schemes  of  the  proposed  ventilated  façade  with  double  chamber  are  shown,  compared to the operation of a conventional ventilated façade of closed joint.  The proposed system is easily adaptable to any existing ventilated façade system of closed joint on the market  (Figure 4 left) and it consists of the incorporation of a continuous membrane inside the existing chamber to  get a double chamber, and a device located on the top of the façade, with a control mechanism for opening  and closing of the two chambers. The system uses two modes of operation depending on the temperature  gradient between the exterior and interior of the building: opened valve for hot periods and closed valve for  cold periods.  In hot periods, when the outdoor temperature is higher than the indoor comfort temperature (figure 4 center),  the outside air penetrates the chamber adjacent to insulation (inlet chamber) through the coronation of the  façade,  and  flows  downstream,  maintaining  an  average  temperature  very  similar  to  the  outdoor  ambient  temperature, since it is hardly affected by the heating of the outer skin.  Upon reaching the bottom of the inlet chamber, the air passes into the outer chamber (ventilation chamber)  and  rises  by  natural  convection  when  heated  by  direct  contact  with  the  outer  skin  (chimney  effect),  thus  dissipating the heat absorbed by solar radiation. Through this system, the flow of heat into the building is  reduced, which means greater energy efficiency.  The movement of air through the chambers is ensured by the temperature gradient between the air entering  the intake grill and the air ejected from the exhaust grill. This gradient will be greater the more direct solar  radiation falling on the façade.  The effectiveness of the system is based on the average air temperature in contact with the insulation (inlet  chamber), it is significantly lower than the average air temperature in the chamber of a conventional ventilated  façade, thus reducing heat gains from solar radiation by up to 38% in summer and 333% heat loss in winter  (data obtained by CFD simulation of west façade according to the data indicated in table 4).  In cold periods, when the outdoor temperature is lower than the indoor comfort temperature (figure 4 right),  the butterfly valve of the input/output device is closed, confining the air into the chambers.   When closing the valve, communication between the chambers is left open at the top, allowing air to flow in  a circular direction between the two chambers.   Solar  radiation  heats  the  outer  skin  of  the  façade,  which  conduct  heat  to  the  air  of  the  outer  ventilation  chamber, which circulates by natural convection upwardly, going to the internal chamber through the top of  the  façade.  From  there,  preheated  air  circulates  downwardly,  maintaining  a  low  temperature  gradient  between the hot and cold sides of the insulation, thereby reducing heat losses by transmission through the  facade. The continuous circulation of air between the two chambers can increase the amount of heat absorbed  (in relation to a closed conventional chamber), thereby increasing the efficiency of the system.   The adjustment of the device for controlling air flow is made to coincide with the on/off dates of the heating  system,  manipulating  from  the  roof  the  butterfly  valve  which  opens  and  closes  the  ventilation  system.  Optionally, the valve can be motorized for remote operation.    ANALYSIS OF THE PROPOSAL 

In order to evaluate the thermal behavior and dynamic fluid of the proposed double chamber system, models  of computational fluid dynamics (CFD) have been developed. Specifically, there have been several simulations  of  ventilated  façade,  one  corresponding  to  the  conventional  system  and  another  to  the  proposed  double  chamber system at different times of year. The 2D computational domain has an air volume adjacent to the  outer side of the ventilated façade. The computational domain is subjected to the action of gravity (g = 9.81  m/s2). In both models, the height of the facade corresponds to a 4‐storey building (10 meters high) and the  adjacent air volume has dimensions of 10.6 m x 4.4 m.   The conventional ventilated façade system is composed (from outside to inside) of the following ‐‐outer layers  (15 mm), air chamber (50 mm), thermal insulation (75 mm), brick (120mm) and plaster (10 mm) ‐‐.  On the other hand, the proposed double chamber system consists (from outside to inside) of the following ‐‐ outer layer (15 mm), ventilation chamber (50 mm), membrane of separation (15 mm), inlet chamber (45 mm),  thermal insulation (60 mm), brick (120 mm) and plaster (10 mm) ‐‐. In this case, the total thickness of insulating  material is the same as in the conventional ventilated façade (75 mm), as the membrane also considered an  insulating element. The thermal properties of the materials used are detailed in Table 2.  The  equations  of  the  numerical  model  were  solved  with  a  commercial  CFD  software,  STAR‐CCM+.  The  simulations were performed at steady state by the Reynolds‐Averaged Navier‐Stokes (RANS) equations which  have  been  widely  used  for  fluid‐thermal  and  natural  ventilation  analysis  [13]  and  [14].  The  effects  of  the  turbulence  have  been  simulated  by  using  the  standard  k‐epsilon  turbulence  model  which    has  been  used  widely for practical engineering flow calculation [14], [15], [16] and [17]. Solar radiation has been simulated  with the model discrete ordinates (DO).  The  unstructured  mesh  is  made  up  of  about  70,000  cells  with  a  special  refinement  in  regions  where  it  is  expected  to  have  more  complex  flows  such  as  inside  the  air  chambers.  The  criterion  of  convergence  to  complete the simulation was set at 0.01% error for all the field variable of this problem. The numerical model  has been validated from other works of façades previously published [2] and [18].  

Boundary conditions 

The boundary conditions defined have been selected to the specific characteristics of each studied ventilated  façade systems. The Mach number (<0.01) and the variation in density due to the pressure gradient is small;  therefore, the density variation is considered constant and the air flow incompressible. Although the flow is  incompressible, in natural convection cases it is necessary to introduce the hypothesis Boussinesq for density  not to be completely constant. This enables that the variations in density can be considered negligible, except  where the effect of gravity appears.   Solar radiation incident on the cladding has been simulated as an internal heat source on the outer surface of  the  ceramic  tile.  The  added  value  is  therefore  the  final  radiation  absorbed  by  the  plate.    The  boundary  conditions on the inner side of the façade (inside the building) have been fixed by a heat transfer coefficient  of 8 W/m2K, which is the value typically used in building codes for interior flows, according to ASHRAE [19].  The  walls  of  the  outdoor  air  volume  (except  the  top  side)  have  been  set  to  the  value  of  the  outdoor  temperature in each of the cases. The top of the outdoor air volume has a constant atmospheric pressure so  that it allows the input and output of  flow through it. The figure 5  schematically represents the boundary  conditions imposed on the simulation model. 

The boundary conditions used in the simulation of both conventional façade and the proposed one, for the  hot and cold period, are summarized in table 3, obtained by the Andalusian Energy Agency in Lebrija‐2 station,  Sevilla (37.8oN‐5.96oO) to July 15 (hot period) and January 15 (cold period). The façade studied in both cases  has a west orientation. Since the simulations are performed in stationary conditions, it has been adopted as  the value of the irradiance (w/m2) the values of irradiation (wh/m2) of table 3.    THERMAL AND FLUID‐DYNAMIC ANALISYS   This section includes the most relevant results obtained from the simulations and the analysis thereof. The  results include the thermal and fluid‐dynamic behavior of the conventional ventilated façade system and the  ventilated façade system with double chamber with flow control device, in a time of heat (TindoorToutdoor).     Warm season (TindoorToutdoor)    The figure 8 shows the thermal behavior of ventilated façade systems (conventional and proposed) in the cold  months.   

Under conditions of outdoor temperature lower than comfort indoor temperature, conventional ventilated  façades (left) do not take advantage of the heat direct sunlight involves (and to a lesser extent diffuse solar  radiation). By installing the proposed air flow control device, it is possible to confine air within the chamber,  which heats progressively in contact with the outer skin exposed to solar radiation, and therefore improves  the thermal efficiency of the building. Specifically, in the simulation carried out, the heat gain of the building  per unit area can be increased up to 333% (table 4) during the winter months.  Therefore, the use of the proposed façade system is not limited to the period of heat (gains) but is also suitable  for the cold months (losses) due to manual device for opening and closing grills which enables or disables  ventilation in the chambers, depending on weather conditions.   In figure 9 the behavior of air flow in the façade systems studied (conventional and double chamber) is shown.  Lower  air  velocity  in  the  double  chamber  is  evident,  because  the  air  is  confined,  but  also  a  recirculation  between the two chambers which favors the transmission of heat from the outer plate to the insulation occurs.    The  figure  10  shows  the  temperature  profiles  at  the  outer  face  of  the  thermal  insulation  obtained  by  simulations. In the proposed solution, the temperature is reduced during the summer season (left), while in  the winter  period  (right)  it is  increased, confirming  the  better performance  of the  constructive  solution  in  times of increased energy expenditure. In addition to the above, in the cold season (right), the temperature in  the lower part of the façade could be increase up to 20 oC, further reducing energy losses in this area of the  façade. Similarly, in the summer (left), the temperature in the upper part of the façade could be reduced up  to  20  oC,  thus  minimizing  energy  gains  on  the  upper  floors.  These  results  demonstrate  that  the  usual  differences of comfort and energy efficiency between houses in the same building, are less affected with the  proposed system, since the vertical thermal gradient in the air chambers is considerably reduced.       Furthermore,  the  analysis  of  heat  transfer  coefficient  on  the  inside  of  the  façade  is  best  to  quantify  the  efficiency of the system because it represents the heat flow (gain or loss) per unit area (w/m2), as only the  study of temperatures is not sufficient. The coefficients of heat transfer and temperature in the inside of the  façade are shown in Table 4 below.  The double chamber system allows an increase of 38% efficiency (summer period) and 333% (winter period),  compared  to  a  conventional  ventilated  façade  with  closed  joint.  These  values  could  be  increased  by  an  optimized design of the ventilation chambers (inlet chamber and vent) size. The results show that changing  the architectural design in construction elements of conventional systems of envelope can lead to significant  improvements in the energy performance of the building. The Indoor temperature of the building can decrease  (summer season) or increase (winter season) up to 10% with the outside double chamber system over the  conventional system. Based on the above it can be confirmed that the proposed system overcomes the main  weaknesses of the conventional ventilated façade system and can be used in any climate, orientation and a  taller façade.  CONCLUSIONS  The work includes the thermal and fluid dynamic comparative analysis of a solution of conventional ventilated  façade with closed joint and a ventilated façade system optimized with a double chamber and a mechanical 

device for controlling the air flow. In addition, the schemes of the design of the proposed system and the  description of numerical models of simulations used are included. The main conclusions are drawn below:  



The change in the architectural design and comfort construction elements of conventional systems of  envelope can lead to significant improvements in the energy and comfort performance of the building.  With  the  proposed  double  chamber  system,  energy  losses  due  to  the  building  envelope  can  be  reduced up to 38% (summer) while energy gains can increase up to 333% (winter season) compared  to  the  conventional  system  of  closed  joint.  The  Indoor  temperature  of  the  building  can  decrease  (summer season) or increase (winter season) up to 10% over the conventional system. The proposed  solution  has  a  similar  cost  to  other  conventional  ventilated  façades  and  is  recommended  for  its  application in both rehabilitation works and new buildings due to its simplicity of implementation.  The proposed construction system overcomes the main weaknesses of the conventional ventilated  façade  with  closed  joint.  First,  the  design  of  the  system  helps  to  reduce  the  vertical  temperature  gradient  along  the  envelope,  homogenizing  the  air  temperature  in  the  chambers.  In  the  warmer  months, the vertical temperature gradient can be reduced by up to 65% reduction. By minimizing the  vertical thermal gradients, global consumption due to energy gains‐losses through the façade depends  less  on  the  height  of  the  building,  preventing  the  upper  houses  to  present  higher  or  lower  indoor  comfort and degree of energy efficiency than the lower houses. Furthermore, the proposed solution  is  not  only  limited  to  summer  climatic  conditions  (TindoorToutdoor) and different façade orientations.  

Given the complexity of the mechanisms of heat transfer in the case of ventilated façades it is recommended  to incorporate tools of computer simulation in the design phase of façades as a decision tool for professionals,  allowing to establish dynamic strategies of ventilation according to the climatic conditions of the region where  the façade is installed. The research carried out shows the potential for improvement in energy efficiency of  the building by choosing an optimized construction system.   ACKNOWLEDGMENTS  This study has been carried out as part of the BIA2013‐43061_R research project, funded by the Spanish  Ministry of Economy, Industry and Competitiveness.  REFERENCES  1.  2.  3. 

4.  5.  6.  7. 

Gagliano, A., F. Nocera, and S. Aneli, Thermodynamic analysis of ventilated façades under different  wind conditions in summer period. Energy and Buildings, 2016. 122: p. 131‐139.  San Juan Guaita, C., Análisis del comportamiento térmico y fluido‐dinámico de las fachadas  ventiladas de junta abierta. 2012.  Giancola, E., et al., Experimental assessment and modelling of the performance of an open joint  ventilated façade during actual operating conditions in Mediterranean climate. Energy and Buildings,  2012. 54: p. 363‐375.  Sanjuan, C., et al., Energy performance of an open‐joint ventilated façade compared with a  conventional sealed cavity façade. Solar Energy, 2011. 85(9): p. 1851‐1863.  Suárez, M.J., et al., Energy evaluation of an horizontal open joint ventilated façade. Applied Thermal  Engineering, 2012. 37: p. 302‐313.  Sanjuan, C., et al., Experimental PIV Techniques Applied to the Analysis of Natural Convection in Open  Joint Ventilated Facades. Energy Procedia, 2012. 30: p. 1216‐1225.  Sanjuan, C., et al., Experimental analysis of natural convection in open joint ventilated façades with  2D PIV. Building and Environment, 2011. 46(11): p. 2314‐2325. 

8.  9.  10.  11.  12.  13.  14. 

15.  16.  17.  18.  19.       

Peci López, F. and M. Ruiz de Adana Santiago, Sensitivity study of an opaque ventilated façade in the  winter season in different climate zones in Spain. Renewable Energy, 2015. 75: p. 524‐533.  Iribar‐Solaberrieta, E., et al., Energy Performance of the Opaque Ventilated Facade. Energy Procedia,  2015. 78: p. 55‐60.  Server, P.J., Device for the ventilation of double‐leaf façades with an inner air chamber. 2015, Google  Patents.  CD‐Adapco, STAR‐CCM+ 8.06.011 user´s guide. 2014.  Instituto de Ciencias de la Construcción Eduardo Torroja and Instituto de la Construcción de Castilla y  León. CTE WEB. Código técnico de la edificación web.  2007; Available from: http://cte‐web.iccl.es.  Abanto, J., et al., Airflow modelling in a computer room. Building and Environment, 2004. 39(12): p.  1393‐1402.  Porras‐Amores, C., et al., Assessing the potential use of strategies independent from the architectural  design to achieve efficient ventilation: A Spanish case study. Building Services Engineering Research  and Technology, 2014.  Buratti, C., R. Mariani, and E. Moretti, Mean age of air in a naturally ventilated office: Experimental  data and simulations. Energy and Buildings, 2011. 43(8): p. 2021‐2027.  Kwon, K.S., et al., Analysing ventilation efficiency in a test chamber using age‐of‐air concept and CFD  technology. Biosystems Engineering, 2011. 110(4): p. 421‐433.  Mohammed, R.H., A simplified method for modeling of round and square ceiling diffusers. Energy  and Buildings, 2013. 64(0): p. 473‐482.  Sanjuan, C., et al., Development and experimental validation of a simulation model for open joint  ventilated façades. Energy and Buildings, 2011. 43(12): p. 3446‐3456.  Handbook, A. and S. Fundamentals, Edition, American Society of Heating. Refrigeration and Air‐ Conditioning Engineers, Inc., Atlanta, GA, 1985. 

 

  Figure 1. Plant and perspective of the integration of the membrane in a conventional ventilated façade 

 

 

Figure 2. Opening/closing of the chambers 

Figure 3. Special module blind on corner of the façade 

 

  Figure 4. Operating diagram of a conventional ventilated façade and ventilated façade with double chamber 

  Figure 5. Scheme of the boundary conditions imposed on simulation models 

  Figure 6. Thermal behavior in both façade systems in warm months  1: Interior Wall; 2: Thermal insulation; 3: Ventilated chamber; 3a: Inlet chamber; 3b: Ventilated chamber; 3c:  separation membrane; 4: Exterior plate; 5: Air inlet to the chamber 

  Figure 7. Air flow behavior in both façade systems in warm months 

  Figure 8. Thermal behavior in both façade systems in cold months  1: Interior Wall; 2: Thermal insulation; 3: Ventilated chamber; 3a: Inlet chamber; 3b: Ventilated chamber; 3c:  separation membrane; 4: Exterior plate; 5: Air inlet to the chamber 

  Figure 9. Air flow behavior in both façade systems in cold months 

 

Figure 10. Temperatures on the outer face of the insulation (Tindoor= 22oC)   

 

  1. Separation membrane of the two chambers  2. Self‐drilling separator  3. PVC rod between membrane joints  4. Inlet chamber (air inlet)  5. Intake grill  6. Ventilation chamber (air outlet)  7. Ventilation or exhaust grill  8. Butterfly valve to open/close the chamber  9. Handle for actuating the valve 

10. Tubular frame for device assembly  11. Cover  12. Exterior layer of the ventilated façade with closed joints  13. Ventilated façade uprights  14. Façade insulation  15. Brick Wall (interior wall)  16. Steel anchors to brick wall  17. Spring brake handle  18. Blind cover on bottom and side of corner module 

Table 1: References in figures 1, 2 and 3     Structural element 

Material 

Air Chambers  Ceramic tile  Thermal insulation  Separation membrane  Perforated brick  Interior plastering 

Air Ceramics Extruded polystyrene Extruded polystyrene Ceramics Gypsum

Density (kg/m3]  1,18 2000 25 25 780 1000

Thermal conductivity  [w/m.K]  0,026 1 0,025 0,025 0,35 0,57

Specific heat [J/Kg.K]  1004 800  1450 1450 1000 1000

Table 2. Thermal properties of the materials used [11] and  [12]      Date:  Solar time:  Indoor temperature  Outdoor temperature Façade orientation:  Direct irradiation  Diffuse irradiation  Global irradiation 

Hot period 15‐July 14:00 22 38 Vertical‐west 377,3 117,0 494,3

Cold period 15‐Jan 14:00 22 11,5 Vertical‐west 186,6 114,2 300,8

H o C o C Wh/m²  Wh/m²  Wh/m² 

Table 3. Summary of the boundary conditions applied in simulations    Conventional VF 

 

Cold  

 

Warm 

Proposed VF  Cold   Warm 

Cold  

o

C  W/m2 

Temperature 

22.64 

29.65 

24.78  26.75 

9% 

‐10% 

Conduction Heat Flux  Radiation Heat Flux 

4.80  0.34 

56.98  4.23

20.79  35.48  1.46 2.55

333%  335%

‐38%  ‐40% 

W/m2 

Heat Flux 

5.14 

61.20 

22.25  38.03 

333% 

‐38% 

W/m2 

Table 4. Average values obtained on the inside of the facade. 

 

 

Warm 

 

 

 

Improvement (%)