Abstract
The push towards a more sustainable building sector with a lower environmental impact has increased the number of timber constructions in Europe, even in those places where usually timber was not adopted as a building material. In order to design new high-performance buildings, a fundamental step is the assessment of the dynamic thermal behaviour of the building envelope. When it comes to the heat transfer modelling in timber buildings, the material’s thermal conductivity plays a fundamental role. This property is conventionally kept constant, adopting those values measured, for instance, at temperatures and moisture contents indicated by the technical standard EN 10456:2007. Nevertheless, timber and timber-based materials like wood-insulations present in building components are characterized by a discontinuous matrix and voids, and when placed in real operative conditions, in such materials moisture can penetrate inside their structure. An excess of moisture can cause material’s degradation, but it can alter its thermal properties, as well. For this reason, not considering moisture in heat transfer modelling, even in commercial software commonly adopted by practitioners, can bring inaccuracies in the prediction of the heat transfer across such components and more in general, it could bring discrepancies in the energy consumption consumptions, especially in those highly insulated and efficient buildings where consumptions are reduced. The research work was divided into a first Literature review where the State-of-the Art was analysed (Chapter 1). In this introduction chapter, heat and moisture transfer in timber materials was studied showing the strong coupling between the two, e.g., latent phenomena in porous media like the building materials, especially the timber ones. However, the main focus was on how moisture affects their thermal conductivity. A review on techniques for measuring the thermal conductivity was performed (e.g., steady-state, and transient ones), as well as the conditioning procedures in order to vary the materials’ moisture content. Then, we moved into the modelling part, analyzing the current Heat and Moisture transfer models and especially, the working principles behind building simulation software in terms of thermal properties modelling. Usually, those models are adopted by considering constant thermal properties neglecting the effect of moisture and temperature. With all the information, the research gaps were highlighted, and the research objective were listed. For instance, this Doctoral thesis aims at quantifying (i) how thermal conductivity is affected by moisture from an experimental point of view, and then (ii) to assess the inaccuracies that can be introduced in thermal modelling by the adoption of simple thermal properties, like constant thermal conductivity, instead of adopting a more complex model which considers the moisture content and the temperature of the material. After that, the methodology adopted to reach the aforementioned goals was described in detail (Chapter 2). It is mainly composed by (i) the identification of the investigated timber wall composition and climates, both European and more in the detail for the Italian peninsula. (ii) xvii Second, the materials’ properties were listed, and the experimental activity aimed at characterizing the materials’ properties was proposed. The experimental campaign aimed at obtaining thermal conductivity correlation as a function of moisture and temperature by means of climatic chamber and Heat Flux Meter HFM apparatus. (iii) Then, we propose the mathematical model that was developed in MATLAB® environment, as well as the mass transfer model calibration and verification against experimental sorption data. (iv) After that, the numerical scheme adopted for solving the equations’ system was shown, and a detailed description of the different simulation cases was done. In particular, different ways of modelling the thermal conductivity were proposed with higher degree of complexity. Two output quantities were assessed, the first one as a percentage variation of the heat flux with respect to the reference case (i.e., constant thermal conductivity), and the other as thermal energy, both inwards and outwards, depending on the heat flux direction. The main findings are summarized in Chapter 3, both from the experimental activity and the numerical simulations. In these last ones, a differentiation was done for Italian climates and more in general for the European ones. Results show that the thermal conductivity increases significantly with the moisture content, especially for timber materials, and this has consequences on the modelled thermal flux across the timber components, especially when considering highly-insulated buildings the impact can be significant. Chapter 4 concerns about further experimental activity which took place in the last part of the research period. Additional sorption tests on timber materials were performed with aim at understanding better which is the most suitable sorption model for these timber materials. In addition, transitory tests of thermal conductivity were performed in order to obtain a time evolution curve of the property as a function of different moisture contents, average sample temperatures and thermal gradients. Results show how in dynamic regime, thermal conductivity of moistened timber materials increases significantly than the stationary value, highlighting that also moisture-related effects occur in addition to the thermal transitory. This allows to make considerations regarding different modelling approaches for the thermal conductivity that depends on the time as well. At the end, Chapter 5, summarizes the main findings and the future developments of this work.
La spinta verso un settore edilizio più sostenibile e con un minore impatto ambientale ha aumentato il numero di costruzioni in legno in Europa, anche in quei luoghi in cui solitamente il legno non veniva adottato come materiale da costruzione. Inoltre, l'efficienza energetica degli edifici è un aspetto fondamentale per la decarbonizzazione del settore. Per progettare nuovi edifici ad alte prestazioni, un passo fondamentale è la valutazione del comportamento termico dinamico dell'involucro edilizio. Quando si tratta di modellare il trasferimento di calore negli edifici in legno, la conducibilità termica del materiale gioca un ruolo fondamentale. Questa proprietà viene convenzionalmente mantenuta costante, adottando i valori misurati, ad esempio, alle temperature e ai tenori di umidità indicati dalla norma tecnica EN 10456:2007. Tuttavia, il legno e i materiali a base di legno, come gli isolamenti in legno presenti nei componenti edilizi, sono caratterizzati da una matrice discontinua e da vuoti e, se posti in condizioni operative reali, in tali materiali l'umidità può penetrare all'interno della loro struttura. Un eccesso di umidità può causare il degrado del materiale, ma può anche alterarne le proprietà termiche. Per questo motivo, non considerare l'umidità nella modellazione del trasferimento di calore, anche nei software commerciali comunemente adottati anche dai professionisti, può portare a imprecisioni nella previsione del trasferimento di calore attraverso tali componenti e, più in generale, a discrepanze nei consumi energetici, soprattutto in quegli edifici altamente isolati ed efficienti dove i consumi sono ridotti. Il lavoro di ricerca è stato suddiviso in una prima revisione della letteratura in cui è stato analizzato lo stato dell'arte (Capitolo 1). In questo capitolo è stato studiato il trasferimento di calore e umidità nei materiali in legno, evidenziando il forte accoppiamento tra i due, ad esempio i fenomeni latenti in mezzi porosi come i materiali da costruzione, in particolare quelli in legno. Tuttavia, l'attenzione si è concentrata sul modo in cui l'umidità influisce sulla loro conduttività termica. È stata fatta una rassegna delle tecniche di misurazione della conduttività termica (ad esempio, quelle allo stato stazionario e quelle transitorie), nonché delle procedure di condizionamento per variare il contenuto di umidità dei materiali. Si è poi passati alla parte di modellazione, analizzando gli attuali modelli di trasferimento del calore e dell'umidità e, soprattutto, i principi di funzionamento dei software di simulazione edilizia in termini di modellazione delle proprietà termiche. Di solito, questi modelli sono adottati considerando proprietà termiche costanti e trascurando l'effetto dell'umidità e della temperatura. Con tutte queste informazioni, sono state evidenziate le lacune della ricerca e sono stati elencati gli obiettivi della ricerca. Ad esempio, questa tesi di dottorato mira a quantificare (i) come la conducibilità termica sia influenzata dall'umidità da un punto di vista sperimentale, e quindi (ii) a valutare le imprecisioni che possono essere introdotte nella modellazione termica adottando proprietà termiche semplici, come la conducibilità termica xx costante, invece di adottare un modello più complesso che consideri il contenuto di umidità e la temperatura del materiale. Successivamente, è stata descritta in modo approfondito la metodologia adottata per raggiungere i suddetti obiettivi (Capitolo 2). Essa è composta principalmente da (i) l'identificazione della stratigrafia del legno e dei climi indagati, sia europei che, più in dettaglio, della penisola italiana. (ii) In secondo luogo, sono state elencate le proprietà dei materiali ed è stata proposta l'attività sperimentale volta a caratterizzare le proprietà dei materiali. La campagna sperimentale mirava a ottenere la correlazione della conducibilità termica in funzione dell'umidità e della temperatura mediante camera climatica e flussimetroHFM. (iii) Si propone poi il modello matematico sviluppato in ambiente MATLAB®, nonché la calibrazione e la verifica del modello di trasferimento di massa rispetto ai dati sperimentali di assorbimento. (iv) Successivamente, è stato mostrato lo schema numerico adottato per la risoluzione del sistema di equazioni ed è stata fatta una descrizione dettagliata dei diversi casi di simulazione. In particolare, sono stati proposti diversi modi di modellare la conducibilità termica con un grado di complessità maggiore. Sono state valutate due grandezze in uscita, la prima come variazione percentuale del flusso di calore rispetto al caso di riferimento (cioè, conducibilità termica costante), e l'altra come energia termica, sia verso l'interno che verso l'esterno, a seconda della direzione del flusso di calore. I principali risultati sono riassunti nel Capitolo 3, sia quelli derivanti dall'attività sperimentale che dalle simulazioni numeriche. In queste ultime, è stata fatta una differenziazione per i climi italiani e più in generale per quelli europei. I risultati mostrano che la conduttività termica aumenta significativamente con il contenuto di umidità, soprattutto per i materiali in legno, e questo ha conseguenze sul flusso termico modellato attraverso i componenti in legno, in particolare quando si considerano edifici altamente isolati l'impatto può essere significativo. Il capitolo 4riguarda le ulteriori attività sperimentali svolte nell'ultima parte del periodo di ricerca. Sono stati eseguiti ulteriori test di assorbimento su materiali in legno con l'obiettivo di capire meglio quale sia il modello di assorbimento più adatto per questi materiali in legno. Inoltre, sono state eseguite prove transitorie di conducibilità termica per ottenere una curva di evoluzione temporale della proprietà in funzione di diversi contenuti di umidità, temperature medie dei campioni e gradienti termici. I risultati mostrano come, in regime dinamico, la conducibilità termica dei materiali in legno umidi aumenti significativamente rispetto al valore stazionario, evidenziando che oltre al transitorio termico si verificano anche effetti legati all'umidità. Questo permette di fare considerazioni su diversi approcci di modellazione per la conduttività termica che dipende anche dal tempo. Alla fine, il Capitolo 5 riassume i principali risultati e gli sviluppi futuri di questo lavoro.
Das Streben nach einem nachhaltigeren Gebäudesektor mit geringeren Umweltauswirkungen hat die Zahl der Holzkonstruktionen in Europa erhöht, auch dort, wo Holz normalerweise nicht als Baumaterial verwendet wird. Parallel dazu ist die Energieeffizienz von Gebäuden ein Schlüsselaspekt bei der Dekarbonisierung dieses Sektors. Um neue Hochleistungsgebäude zu entwerfen, ist ein grundlegender Schritt die Bewertung des dynamischen thermischen Verhaltens der Gebäudehülle. Bei der Modellierung der Wärmeübertragung in Holzgebäuden spielt die Wärmeleitfähigkeit des Materials eine wesentliche Rolle. Diese Eigenschaft wird üblicherweise konstant gehalten, indem man die Werte annimmt, die beispielsweise bei den in der technischen Norm EN 10456:2007 angegebenen Temperaturen und Feuchtigkeitsgehalten gemessen wurden. Holz und Holzwerkstoffe wie z. B. Holzdämmstoffe, die in Bauteilen verwendet werden, zeichnen sich jedoch durch eine diskontinuierliche Matrix und Hohlräume aus, so dass unter realen Bedingungen Feuchtigkeit in die Struktur eindringen kann. Ein Übermaß an Feuchtigkeit kann zur Zersetzung des Materials führen, aber auch seine thermischen Eigenschaften verändern. Aus diesem Grund kann die Nichtberücksichtigung von Feuchtigkeit bei der Modellierung des Wärmeübergangs, selbst in kommerzieller Software, die auch von Praktikern verwendet wird, zu Ungenauigkeiten bei der Vorhersage des Wärmeübergangs in solchen Bauteilen und allgemeiner zu Diskrepanzen beim Energieverbrauch führen, insbesondere in hoch isolierten und effizienten Gebäuden, in denen der Verbrauch reduziert wird. Die Forschungsarbeit gliederte sich in eine erste Literaturübersicht, in der der aktuelle Stand der Technik analysiert wurde (Kapitel 1). In diesem Kapitel wurde die Wärme- und Feuchteübertragung in Holzwerkstoffen untersucht, wobei die starke Kopplung zwischen den beiden, z. B. latente Phänomene in porösen Medien wie Baustoffen, insbesondere Holz, aufgezeigt wurde. Das Hauptaugenmerk lag jedoch darauf, wie Feuchtigkeit die Wärmeleitfähigkeit beeinflusst. Es wurde ein Überblick über die Techniken zur Messung der Wärmeleitfähigkeit gegeben (z. B. stationär und instationär) sowie über die Konditionierungsverfahren, mit denen der Feuchtigkeitsgehalt der Materialien variiert werden kann. Anschließend wurden die aktuellen Wärme- und Feuchtigkeitsübertragungsmodelle und insbesondere die Funktionsprinzipien von Gebäudesimulationssoftware für die Modellierung thermischer Eigenschaften analysiert. In der Regel gehen diese Modelle von konstanten thermischen Eigenschaften aus und vernachlässigen die Auswirkungen von Feuchtigkeit und Temperatur. Mit all diesen Informationen wurden die Forschungslücken aufgezeigt und die Forschungsziele aufgelistet. So zielt diese Doktorarbeit darauf ab, (i) den Einfluss von Feuchtigkeit auf die Wärmeleitfähigkeit aus experimenteller Sicht zu quantifizieren und (ii) die Ungenauigkeiten zu bewerten, die bei der thermischen Modellierung durch die Annahme einfacher thermischer Eigenschaften wie einer konstanten Wärmeleitfähigkeit xxiii entstehen können, anstatt ein komplexeres Modell zu verwenden, das den Feuchtigkeitsgehalt und die Temperatur des Materials berücksichtigt. Danach wurde die zur Erreichung der oben genannten Ziele angewandte Methodik eingehend beschrieben (Kapitel 2). Sie besteht hauptsächlich aus (i) der Identifizierung der untersuchten Holzstratigraphie und des Klimas, sowohl in Europa als auch im Detail auf der italienischen Halbinsel. (ii) Zweitens wurden die Materialeigenschaften aufgelistet und die experimentelle Aktivität zur Charakterisierung der Materialeigenschaften vorgeschlagen. Die Versuchskampagne zielte darauf ab, eine Korrelation der Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von Feuchtigkeit und Temperatur mit Hilfe einer Klimakammer und eines Wärmeflussmessgeräts HFM zu erhalten. (iii) Dann wird das mathematische Modell vorgeschlagen, das in der MATLAB®-Umgebung entwickelt wurde, sowie die Kalibrierung des Stoffübertragungsmodells und die Überprüfung anhand experimenteller Sorptionsdaten. (iv) Danach wird das numerische Schema zur Lösung des Gleichungssystems vorgestellt und eine detaillierte Beschreibung der verschiedenen Simulationsfälle vorgenommen. Insbesondere wurden verschiedene Möglichkeiten zur Modellierung der Wärmeleitfähigkeit mit höherem Komplexitätsgrad vorgeschlagen. Zwei Ausgangsgrößen wurden bewertet, die erste als prozentuale Veränderung des Wärmestroms im Vergleich zum Referenzfall (d.h. konstante Wärmeleitfähigkeit) und die andere als Wärmeenergie, sowohl nach innen als auch nach außen, abhängig von der Richtung des Wärmestroms. In Kapitel 3 werden die wichtigsten Ergebnisse sowohl der experimentellen Tätigkeit als auch der numerischen Simulationen zusammengefasst. Bei letzteren wurde eine Differenzierung für das italienische Klima und allgemeiner für das europäische Klima vorgenommen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit mit dem Feuchtigkeitsgehalt signifikant ansteigt, vor allem bei Holzwerkstoffen, und dass dies Auswirkungen auf den modellierten Wärmestrom durch die Holzbauteile hat, vor allem wenn es sich um hoch isolierte Gebäude handelt, können die Auswirkungen erheblich sein. Kapitel 4 befasst sich mit weiteren experimentellen Aktivitäten, die im letzten Teil des Forschungszeitraums stattfanden. Es wurden zusätzliche Sorptionstests an Holzwerkstoffen durchgeführt, um besser zu verstehen, welches Sorptionsmodell für diese Holzwerkstoffe am besten geeignet ist. Darüber hinaus wurden vorübergehende Tests der Wärmeleitfähigkeit durchgeführt, um eine zeitliche Entwicklungskurve der Eigenschaft in Abhängigkeit von verschiedenen Feuchtigkeitsgehalten, durchschnittlichen Probentemperaturen und thermischen Gradienten zu erhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass die Wärmeleitfähigkeit von befeuchteten Holzwerkstoffen im dynamischen Regime deutlich über dem stationären Wert liegt, was darauf hinweist, dass neben dem thermischen Übergangseffekt auch feuchtebedingte Effekte auftreten. Dies erlaubt es, Überlegungen zu verschiedenen Modellierungsansätzen für die Wärmeleitfähigkeit anzustellen, die auch von der Zeit abhängen. xxiv Zum Schluss werden in Kapitel 5 die wichtigsten Ergebnisse und die zukünftigen Entwicklungen dieser Arbeit zusammengefasst.