title: Hygrothermal performance of selected wall systems in Central Europe
Creators: name: Rozumek, Jakub
Publisher: name: TU Wien
Year: 2017
Subjects: subject: Raw natural building materials
subject: Numeric hygrothermal simulation
subject: Moisture-Buffering Value
subject: Time of Wetness

description: Baumaterialien, deren Herstellung und Einbau als energieextensiv betrachtet werden können, erfreuen sich in den letzten Jahren steigender Beliebtheit. Dies trifft speziell auf jüngere Personen sowohl bei PlanerInnen, wie auch bei der Bauherrenschaft, zu. Es ist wesentlich, dass der Wissensstand hinsichtlich dieser Materialien erweitert und strukturiert verfübar gemacht wird. Die Zielsetzung dieser Master-These war eine vertiefte Analyse der hygro-thermischen Performance einer Reihe von Wandsystemen, in welchen zum Teil solche „Low-embodied-energy-„Materialien verwendet wurden. Diese Analyse wurde anhand typischer mitteleuropäischer Klimabedingungen durchgeführt (verschiedene Locations unterschiedlicher Mikroklimate) und die Ergebnisse mit denen von konventionellen Wandsystemen verglichen. Neun Wandsysteme wurden hinsichtlich Feuchtediffusion und Effusion untersucht, undzwar zunächst analytisch und dann unter Verwendung von State-of-the-Art Computersimulationen getestet. Dabei wurden sowohl extreme, wie auch typische Annahmen betreffend der klimatischen Randbedinungen angesetzt. Darüber hinaus wurden, aufbauend auf verschiedenen Vorstudien drei unterschiedlicheSzenarien entwickelt, welche aus Sicht der hygro-thermalen Performance der Bauteile bedeutsam sind: Im ersten Szenario wurden die Bauteile einem rapiden thermischen Temperaturabfall (Emulation des nächtlichen Temperaturabfalls) ausgesetzt. Im zweiten Szenario wurden dieBauteile vordeffnierten thermischen Zyklen ausgesetzt, welche auf den üblichen transienten Bedingungen in der Realität basieren. Im dritten Szenario wurden die verschiedenen Konstruktionen zyklischen Feuchteanfällen ausgesetzt, um zu untersuchen, wie sich die MBV (Moisture-Buffer-Values) der unterschiedlichen Materialien auswirken bzw. darstellen. Dieses letzte Szenario ist insofern wichtig, weil davon abhängt, wie gut die Materialien eingesetzt werden können um die relative Luftfeuchtigkeit im Gebäudeinneren zu regulieren. Reale Klimadaten der Standorte Prag, Wien und Serak (dabei handelt es sich um den unwirtlichsten Ort in der Tschechischen Republik betreffend niedrigen Außentemperaturen und starken Niederschlägen bzw. hohen Außenluftfeuchtigkeiten). Der Wärmetransport durch die Wandkomponenten wurde sowohl kurzfristig, wie auch über lange Zeitspannen evaluiert um auf die thermische Performance der Konstruktionen schließen zu können. Hierbei wurde die Reaktion der Materialien auf die Luftfeuchtigkeitswerte im Innenraum berücksichtigt und mit den zuvor erwähnten MBV-Werten verglichen. Der TOW-Wert (Time of Wetness) wurde ermittelt und diente als Hinweis auf die potentielle Lebensspanne der untersuchten Komponenten (an den unterschiedlichen Orten). Die Ergebnisse der Untersuchungen zeigen, dass Langzeitbetrachtungen von Komponenten mit ähnlichen U-Werten auch in dieser detaillierteren Betrachtungsweise nur insignifkante Unterschiede in den Ergebnissen aufweisen. Dies trifft allerdings auf zwei der untersuchten Systeme nicht zu, nämlich das Leichtbausystem, das auf Mineralwolle und AAC (Autoclaved Aereted Conrete) basiert und kaum thermische Masse aufweist, sowie ein Ziegelsystem mit perforierten Ziegeln, deren thermische Performance stark von den Feuchtigkeitströmen darin abhängt. Diese beiden Systeme zeigten in einigen Anwendungsfällen erhöhte Heizwärmebedarfswerte und erhöhten Wärmestrom. Hinsichtlich der zeitlich kurzfristigen Betrachtungen kann gesagt werden, dass der Wärmestrom vor allem vom Aufbau der Wand abhängt: Hier zeigen Bauteile, bei denen Lastabtragung und Wärmedämmung in unterschiedlichen Materialien aufgelöst sind, tendenziell bessere Werte betreffend thermischer Performance (Wärmestrom und Innenraumkomfort), als Bauteile, die diese Funktionen in einer Schicht vereinen. Die hygrischen Simulationen weisen auf Schwächen im Feuchte-Puffer-Verhalten von lehmbasierten Materialien (Oberflächen) hin, speziell im Vergleich mit Silikat-basierten. Dies kann doch als einigermaßen überraschend bezeichnet werden. Die TOW-Analyse zeigte, dass viele der "Natur“-Materialien, vor allem strohbasierte Materialien, relativ empfindlich gegen langandauernde Feuchtigkeitsbelastungen sind. Hier zeigt sich, dass es noch wesentliche Forschungs- und Entwicklungsarbeit in Bezug auf solche Naturbaustoffe für einen zeitgemäßen Einsatz in der gebauten Umwelt bedarf.
description: Low embodied energy building materials are gaining popularity especially among younger generation and therefore their understanding from different points of view should be encouraged. The goal of this thesis was deeper analysis of hygrothermal performance of selected low embodied energy wall systems in the climate of central Europe and comparison of these with conventional wall systems of tested locations. Nine selected wall systems were firstly assessed analytically using concept of hygrothermal diffusivity and effusivity following by computer-aided 1D hygrothermal simulations under theoretical and real climatic conditions. Three different theoretical scenarios were proposed based on previous research in order to determine parameters relevant for transient hygrothermal environment. The studied components were exposed firstly to sudden thermal shock, which intended to simulate outside temperature drop during night-time and secondly to predefined thermal cycles in outside environment representing daily thermal cycles. Based on these scenarios were generated parameters characterizing thermal behaviour of studied components in transient thermal environment. In the third scenario were individual wall components subjected to inside humidity cycles, which generated moisture-buffer value (MBV), parameter, which determines components' potential to regulate indoor RH level. The real climate simulations were performed under reference years of Prague, Vienna and Serak (coldest and wettest region in the Czech Republic). Both short-term and long-term heat transfers through the wall components were analysed to benchmark their overall thermal performance. Reaction of components to indoor RH fluctuations was also determined and compared with previously defined MBV. Standard damage function TOW (time-of-wetness) was ultimately applied to simulation results in order to assess potential lifespan of the wall components in selected locations. Long-term simulations showed that when analyzing wall components with the same U-value the difference in annual heat transfer between individual components is mostly insignificant. The exception to this was mineral wool lightweight wall system with no thermal mass layer together with AAC (autoclaved aerated concrete) and perforated brick wall systems with high liquid transfer coefficients combined with high dependency of thermal conductivity upon moisture content. These systems transferred in certain cases considerably higher amounts of heat than the other studied wall systems. Regarding the short-term simulations, it was found out that the heat ux through inside surface of components is mainly dependent on the wall layer composition. Wall systems composed of high thermal mass layer and separate insulation layer were found to provide more stable indoor temperature conditions than wall systems composed of one main layer having both thermal insulation and thermal mass. The main finding of hygric simulations was poor indoor moisture buffering potential of loambased products in comparison with other simulated finishing materials. The conventional silicate-based renders were simulated to have considerably higher MBV than loam render, which was in contradiction with expected results. The TOW analysis showed that wall systems based on raw natural building materials (especially straw bale wall system) su_er from longer periods with unfavourable outside conditions. This was caused mainly due to their incapability of withstanding higher levels of RH without significant deteriorating action.