Matlab-simulaatioon perustuva sandwich-seinän lämmönjohtavuusanalyysi 5G-antennijärjestelmille
Tiainen, Tuomas (2023-12-04)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231204151424
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20231204151424
Tiivistelmä
Matalaenergiarakennusten seinäpaksuudet asettavat haasteita uusimpien puhelinteknologioiden käytölle rakennusten sisällä, sillä 4G/5G/6G-signaalit heikkenevät kulkiessaan paksujen seinien läpi. Ongelmaan on selvitetty uutena ratkaisuna passiivisen antennin asentamista paksujen seinien sisään. Tällaisten antennin sisältävien seinien energiaominaisuudet vaativat lisätutkimuksia. Seinän lämmönjohtavuuden mittauksen yhteydessä on huomattu, että mittausten validointi on osoittautunut haastavaksi mitattavan kohteen rajallisen koon sekä tutkimusympäristön hallinnan monimutkaisuuden vuoksi. Tässä opinnäytetyössä kehitetään vakaan tilan lämmönjohtavuusmalli mittausepävarmuuksien tutkimiseen. Mallin simuloinnit suoritetaan MATLAB-ohjelmalla.
Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia lämmönjohtavuutta matalaenergiarakennuksissa yleisesti käytetyssä kolmikerroksisessa sandwich-seinässä. Tutkimus sisältää simulaatioiden suorittamisen, saatujen tulosten vertailun laboratoriomittauksiin sekä mittausvirheiden analysoinnin.
Tässä työssä kehitettiin monikerroksiselle seinärakenteelle kaksiulotteinen lämmönjohtavuusmalli. Vakaan tilan lämmönjohtavuutta tutkittiin simulaatioiden avulla ja erilaisten skenaarioiden simulaatiotuloksia verrattiin mittaustuloksiin. Mittausepävarmuudet, mukaan lukien reunaehdot, tunnistettiin iteratiivisten prosessien avulla ja arvioitiin monikerroksisen seinänäytteen keskimääräinen lämmönjohtavuus ja siihen liittyvät virheet.
Tulokset paljastivat mittauksista määritettynä lämmönjohtavuuden 2,7 W/m·K ja siihen liittyvät virheet ±0,3 W/m·K. MATLAB-malli validoitiin vertaamalla simulaatiotuloksia mittaustietoihin.
Tässä opinnäytetyössä on käytetty useita rajauksia ja yksinkertaistuksia, kuten esimerkiksi kohteen mallintaminen kaksiulotteisena. Työ ei sisällä transienttisimulaatioita, minkä vuoksi työssä ei tehty monikerroksiselle seinärakenteelle yksityiskohtaista lämpötehokkuuden vertailua antennin kanssa ja ilman antennia. The wall thicknesses of low-energy buildings pose a challenge for the use of the latest telephone technologies inside the buildings, as 4G/5G/6G signals tend to weaken when passing through thick walls. A novel solution has been explored to install a passive antenna within thick walls. The energy performance of these antenna-embedded walls requires further investigation. While measuring thermal conductivity has been conducted, validating the measurements proves challenging due to the limited sample size and environmental control complexity. This thesis develops a steady-state heat conduction model to explore measurement uncertainties. Model simulations are conducted using MATLAB.
The goal for this thesis was to study heat conduction in a three-layer sandwich wall commonly used in low-energy buildings. The study includes performing simulations, comparing the obtained results with the laboratory measurements, and analyzing the measurement errors.
A 2D heat conduction model was developed for a multi-layer wall sample. Using the simulation results, steady-state heat conduction was simulated and compared with measurements under various scenarios. Through iterative processes, measurement uncertainties, including boundary conditions, were identified, and the average thermal conductivity of the multi-layer wall sample was estimated along with associated errors.
The results revealed a thermal conductivity of 2.7 W/m·K with associated errors of ±0.3 W/m·K, as determined from the measurements. The MATLAB model was validated by comparing simulation results with the measurement data.
Several limitations are present in this thesis, including the simplification of a 2D model while the reality is 3D. Transient simulations were not conducted, and a detailed thermal performance comparison between the multi-layer wall sample with and without an antenna was not carried out.
Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli tutkia lämmönjohtavuutta matalaenergiarakennuksissa yleisesti käytetyssä kolmikerroksisessa sandwich-seinässä. Tutkimus sisältää simulaatioiden suorittamisen, saatujen tulosten vertailun laboratoriomittauksiin sekä mittausvirheiden analysoinnin.
Tässä työssä kehitettiin monikerroksiselle seinärakenteelle kaksiulotteinen lämmönjohtavuusmalli. Vakaan tilan lämmönjohtavuutta tutkittiin simulaatioiden avulla ja erilaisten skenaarioiden simulaatiotuloksia verrattiin mittaustuloksiin. Mittausepävarmuudet, mukaan lukien reunaehdot, tunnistettiin iteratiivisten prosessien avulla ja arvioitiin monikerroksisen seinänäytteen keskimääräinen lämmönjohtavuus ja siihen liittyvät virheet.
Tulokset paljastivat mittauksista määritettynä lämmönjohtavuuden 2,7 W/m·K ja siihen liittyvät virheet ±0,3 W/m·K. MATLAB-malli validoitiin vertaamalla simulaatiotuloksia mittaustietoihin.
Tässä opinnäytetyössä on käytetty useita rajauksia ja yksinkertaistuksia, kuten esimerkiksi kohteen mallintaminen kaksiulotteisena. Työ ei sisällä transienttisimulaatioita, minkä vuoksi työssä ei tehty monikerroksiselle seinärakenteelle yksityiskohtaista lämpötehokkuuden vertailua antennin kanssa ja ilman antennia.
The goal for this thesis was to study heat conduction in a three-layer sandwich wall commonly used in low-energy buildings. The study includes performing simulations, comparing the obtained results with the laboratory measurements, and analyzing the measurement errors.
A 2D heat conduction model was developed for a multi-layer wall sample. Using the simulation results, steady-state heat conduction was simulated and compared with measurements under various scenarios. Through iterative processes, measurement uncertainties, including boundary conditions, were identified, and the average thermal conductivity of the multi-layer wall sample was estimated along with associated errors.
The results revealed a thermal conductivity of 2.7 W/m·K with associated errors of ±0.3 W/m·K, as determined from the measurements. The MATLAB model was validated by comparing simulation results with the measurement data.
Several limitations are present in this thesis, including the simplification of a 2D model while the reality is 3D. Transient simulations were not conducted, and a detailed thermal performance comparison between the multi-layer wall sample with and without an antenna was not carried out.