DISS. ETH NO HYGROTHERMAL PERFORMANCE ASSESSMENT OF NOVEL INTERIOR INSULATION SOLUTIONS. A thesis submitted to attain the degree of

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1 DISS. ETH NO 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 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

2 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. iii

3 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. v

4 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. vii

5 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 ix

6 di questi risultati sono infine state elaborate delle linee guida per gli interventi di riqualificazione energetica di edifici storici in muratura. x