DISS. ETH NO. 21879 HYGROTHERMAL - ETH E

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DISS. ETH NO. 21879 HYGROTHERMAL - ETH E
DISS. ETH NO. 21879
HYGROTHERMAL PERFORMANCE ASSESSMENT
OF NOVEL INTERIOR INSULATION SOLUTIONS
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH Zurich
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
MICHELA GUIZZARDI
Master of Science in Architecture and Building Engineering
University of Bologna
born on 17.04.1982
citizen of Italy
accepted on the recommendation of
Prof. Dr. Jan Carmeliet, examiner
Dr. Dominique Derome, co-examiner
Prof. Dr. Monika Woloszyn, co-examiner
2014
Abstract
Existing buildings, particular historical buildings, are often not energy efficient
and thus responsible for a big share of greenhouse gas emissions, while they have
a high potential for energy savings. Often the only possible solution to reduce heat
losses without affecting the historical features of the buildings is the addition of
internal insulation layers. However, the modifications in terms of hygrothermal
behavior must not increase the risk of damages. In this thesis, the risks of damage
due to retrofit strategies for historical buildings are investigated with experimental
measurements and numerical simulations. A test wall is built and insulated with a
new developed insulating plaster applied at the inner side of the masonry wall and
tested in a weathering chamber with dynamic moisture and temperature loadings.
To monitor the hygrothermal parameters in the different layers of the test wall, a
number of sensors is used. Special devices to monitor moisture movements
through electrical conductivity measurements have been developed and their
functioning tested in an experimental campaign with neutron radiography. One
and two-dimensional simulations are performed to analyze the influence of
moisture transport and storage properties of different materials on the global
hygrothermal behavior of wall assemblies. Computer simulation results are
compared with the experimental data. Based on these results, fungi damage
models are used to evaluate risk of moisture related damages. Based on the
findings from experiment and simulations, guidelines are given for retrofit
interventions on historical buildings with massive walls.
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Michela Guizzardi
Abstract
Zusammenfassung
Bestehende, insbesondere historische Gebäude sind oft nicht energieeffizient. Sie
sind deshalb für einen grossen Anteil der Treibhausgasemissionen verantwortlich
und haben ein grosses Energiesparpotential. Oft ist die Innendämmung die einzige
Möglichkeit Wärmeverluste zu reduzieren, ohne historisch wertvolle Elemente zu
beeinträchtigen. Dabei gilt es zu beachten, dass die damit verbundene
Veränderung des Feuchte/Wärme-Verhaltens zu keinem Anstieg des
Schadensrisikos führen darf. In dieser Doktorarbeit wurde experimentell und mit
numerischen Simulationen das Risiko von Schäden, welche infolge von
unterschiedlichen Sanierungstrategien an historisch wertvollen Gebäuden
entstehen können, untersucht. Eine Testwand aus Backsteinen wurde gebaut und
ein neu entwickelter Dämmputz auf der Innenseite der Testwand angebracht. In
einer Bewitterungskammer wurden dynamische Feuchte-/Temperaturlastzyklen
gefahren. Um die hygrothermischen Parameter der verschiedenen Schichten zu
erfassen, wurden Sensoren eingebaut. Spezielle Sensoren wurden entwickelt, um
die Feuchtebewegung durch Messen der elektrischen Leitfähigkeit zu erfassen.
Deren Funktionfähigkeit wurde experimentell mit Neutronenradiografie geprüft.
Mit ein- und zweidimensionalen Simulationen wurde der Einfluss der
Feuchtetransport- und Feuchtespeichereigenschaften der verschiedenen
Materialien auf die hygrothermischen Eigenschaften des gesamten Wandaufbaus
untersucht. Die Ergebnisse der Computersimulationen wurden mit den
experimentellen Daten verglichen. Modelle der Schädigung durch
Schimmelwachstum wurden verwendet, um das Risiko von feuchtebedingten
Schäden zu beurteilen. Basierend auf den Ergebnissen der Simulationen und
Messangen werden Richtlinien, für Sanierungsmassnahmen an historischen
Gebäuden mit massivem Mauerwerk, gegeben.
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Michela Guizzardi
Abstract
Résumé
Les bâtiments existants, notamment les bâtiments historiques, sont rarement
efficaces énergétiquement et donc responsables d'une grande part des émissions
de gaz à effet de serre, alors qu'ils ont un fort potentiel d'économies d'énergie.
Souvent, la seule solution possible pour réduire les pertes de chaleur sans affecter
les caractéristiques historiques des bâtiments est l'ajout de couches d'isolation par
l’intérieur. Cependant, il est crucial que les modifications en termes de
comportement hygrothermique n’augmentent pas le risque de dommage. Dans
cette thèse, nous étudions par investigations expérimentales et par simulations
numériques les risques de dommage de stratégies éconergétiques pour les
bâtiments historiques. Un assemblage de mur est construit et isolé avec un plâtre
isolant, nouvellement développé, appliqué sur la face intérieure de la paroi de la
maçonnerie et testé dans une chambre environnementale, où l'humidité et la
température sont variées. Pour monitorer les paramètres hygrothermiques dans les
différentes couches de l’assemblage, différents capteurs sont utilisés. Des
dispositifs spéciaux par des mesures de conductivité électrique pour documenter
les mouvements d'humidité ont été développés et leur fonctionnement testé dans
une campagne expérimentale par neutrographie. Des simulations sont effectuées
pour analyser l'influence des propriétés de transport et de stockage de l'humidité
de différents matériaux sur le comportement global hygrothermique des murs. Les
résultats de la simulation sont comparés avec les données expérimentales. Sur la
base de ces résultats, un modèle de détérioration fungique est utilisé pour évaluer
le risque de dommage lié à l'humidité. Les résultats expérimentaux et de
simulation servent de base pour l’élaboration de directives pour des interventions
éconergétique sur des bâtiments historiques à murs massifs.
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Michela Guizzardi
Abstract
Sommario
Negli edifici esistenti, ed in particolare negli edifici storici, gli standard di
efficienza energetica richiesti per le nuove costruzioni spesso non sono rispettati.
Questo fa sí che tali edifici siano responsabili per una quota consistente di
emissioni di gas serra. Per limitare l’impatto ambientale delle abitazioni è
necessario che anche l’efficienza energetica di questi edifici sia migliorata. In
molti casi esistono limitazioni agli interventi di recupero attuabili sugli edifici
storici volti a non compromettere il loro valore storico e culturale. In questi casi le
direttive non concedono la modifica della loro forma esteriore e l’introduzione di
uno strato di insolamento termico interno si rivela essere l’unica soluzione
possibile per migliorae la loro performance. Queste soluzioni in genere
comportano alterazione del comportamento igrotermico delle pareti esterne degli
edifici che possono generare danni e difetti dovuti all’accumulo di umiditá. In
questa tesi vengono analizzati i rischi connessi agli interventi di riqualificazione e
restauro degli edifici storici attraverso misure sperimentali e simulazioni
numeriche. Per le campagna di misure è stato costruito un muro con struttura in
mattoni e uno strato di isolamento interno di aerogel plaster, un nuovo intonaco
altamente isolante. Il muro è stato sottoposto a carichi climatici esterni in una
camera climatica e i parametri igrotermici dei diversi componenti sono stati
monitorati durante l’esperimento. Per fare questo sono stati impiegati numerosi
sensori tra cui anche speciali connessioni per la misurazione della conducibilitá
elettrica dei materiali appositamente sviluppati per questa applicazione e testati in
una apposita campagna di misure di validazione con radiografie ai raggi di
neutroni. Inoltre sono state effettuate simulazioni uni- e bi-dimensionali per
studiare l’influenza delle diverse proprietá igrotermiche dei materiali sul
comporamento globale del muro. I risulati delle simulazioni sono stati confrontati
con le misure sperimentali e post-processati attraverso un modello per la
valutazione dei rschi di danneggiamento biologico del materiale ligneo. Sulla base
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Michela Guizzardi
Abstract
di questi risultati sono infine state elaborate delle linee guida per gli interventi di
riqualificazione energetica di edifici storici in muratura.
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