Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία, διερευνά την μεταβατική θερμική απόκριση μίας δομικής διάταξης κτηριακού κελύφους, η οποία υπόκειται σε δυναμικά μεταβαλλόμενες εξωτερικές θερμοκρασιακές συνθήκες, και σε ελεγχόμενη θέρμανση εσωτερικά. Η μελέτη αποσκοπεί στον προσδιορισμό της θερμικής συμπεριφοράς με μεταβαλλόμενες συνοριακές συνθήκες εσωτερικής παρειάς, όπως αυτές που επιβάλλονται από μία ελεγχόμενη ροή θερμότητας, μέσω ενός θερμοστατικού μηχανισμού, με στόχο την μετάβαση με βέλτιστο τρόπο, από μία αρχική συνθήκη ισορροπίας σε μία προκαθορισμένη τελική θερμοκρασία.

Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε σε 2 στάδια. Στο πρώτο στάδιο, προσδιορίστηκε για τις συγκεκριμένες εξωτερικές συνθήκες, η απαραίτητη ισχύς της ροής θερμότητας προκειμένου ο θερμοστατικός μηχανισμός να μπορέσει να επιτύχει τις ζητούμενες θερμοκρασιακές συνθήκες εσωτερικής παρειάς. Κατά το δεύτερο στάδιο ανάλυσης, εφαρμόζεται στον θερμοστατικό μηχανισμό κατάλληλος νόμος ελέγχου για την επίτευξη επιθυμητών συνθηκών σε ελάχιστο χρόνο (μέθοδος Bang-Bang) και την διατήρησή της εντός προκαθορισμένων ζωνών ανοχής. Εξετάζονται 3 διαφορετικές στρατηγικές διατήρησης της θερμοκρασίας, με κλιμακούμενη ακρίβεια απόκλισης από την τιμή στόχο, επιτρέποντας την αποτίμηση της επίδρασης της ακρίβειας ελέγχου, συχνότητας μεταγωγών του μηχανισμού και της θερμικής ευστάθειας.

Για την μοντελοποίηση του συστήματος και του θερμοστατικού μηχανισμού, χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό COMSOL Multiphysics, το οποίο για τους υπολογισμούς χρησιμοποιεί την μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων. Τα αποτελέσματα των αριθμητικών προσομοιώσεων απεικονίζονται με την μορφή διαγραμμάτων και παρουσιάζουν την χρονική εξέλιξη της θερμοκρασίας της εσωτερικής παρειάς για χρονικό διάστημα 10 ημερών, καθώς και την συμπεριφορά του θερμοστατικού μηχανισμού με έλεγχο Bang-Bang, μέσω των μεταγωγών On-Off που απαιτούνται για την διατήρηση της εντός συγκεκριμένων ορίων αλλά και μέσω του χρόνου κύκλου μεταγωγής. Ταυτόχρονα διερευνάται η επίδραση της ενσωμάτωσης αλλά και του είδους του Νόμου ελέγχου στον θερμοστατικό μηχανισμό, η επίδραση της θερμικής αδράνειας της δομικής σύνθεσης και της απαίτησης για εγγύτερο θερμοκρασιακό έλεγχο, μέσω 3 διαφορετικών Νεκρών Ζωνών. Τα αποτελέσματα της εργασίας καταδεικνύουν ότι η θερμική συμπεριφορά επηρεάζεται καθοριστικά τόσο από την θερμική αδράνεια όσο και από την επιλεγόμενη στρατηγική και νόμο ελέγχου. Συμπερασματικά, η μελέτη αναδεικνύει την ύπαρξη του συμβιβασμού μεταξύ της ακρίβειας ελέγχου και της λειτουργικής σταθερότητας, και προτείνει ένα κριτήριο αξιολόγησης και βελτιστοποίησης κτηριακών κελυφών, στην βάση των λειτουργικών συνθηκών και των απαιτήσεων βελτιστοποίησης της θερμικής άνεσης του κτηρίου.     

This MSc thesis investigates the transient thermal response of a building-envelope structural element, subjected to dynamically varying external temperature conditions and controlled internal heating. The study aims to analyse the transient thermal behaviour of the system during the transition from an initial equilibrium state to a prescribed final temperature, under time-dependent boundary conditions imposed on the internal surface by a controlled heat flux through a thermostatic control mechanism. 

The analysis was conducted in two stages. In the first stage, the heat flux power required under the specified external conditions was determined in order for the thermostatic mechanism to attain the desired thermal conditions at the internal surface. In the second stage, an appropriate control law was implemented in the thermostatic mechanism to achieve the desired conditions in minimum time, according to Bang-Bang control method, and to maintain the temperature within predefined tolerance bands. Three distinct temperature-maintenance strategies were examined, with progressively stricter deviations from the target value, thereby enabling the assessment of the influence of control accuracy, switching frequency of the mechanism, and overall thermal stability.

The system and the thermostatic control mechanism were modelled using COMSOL Multiphysics, which employs the finite element method for numerical computation. The results of the numerical simulations are presented graphically and illustrate the temporal evolution of the internal surface temperature over a ten-day period, as well as the behaviour of the thermostatic mechanism under Bang-Bang control, through the On-Off switching operations required to maintain the temperature within specified limits and through the corresponding switching cycle time. In parallel, the study investigates the influence of both the implementation and the type of control law applied to the thermostatic mechanism, the effect of the thermal inertia of the structural assembly, and the implications of increasingly stringent temperature control requirements. The findings demonstrate that the thermal behaviour of the system is strongly governed by both thermal inertia and the selected control strategy and control law. In conclusion, the study highlights the fundamental trade-off between control accuracy and operational stability, and proposes a criterion for the evaluation and optimisation of building envelopes based on operating conditions and the thermal comfort optimisation requirements of the building.