Improving Thermal Insulation of Timber Frame Walls by Retrofitting with Vacuum Insulation Panels: Experimental and Theoretical Investigations

Abstract

A large amount of the buildings in Norway is from the 1960s-80s. Many of these buildings have timber frame walls and are now ready for retrofitting. Application of vacuum insulation panels (VIPs) can make it easier to improve the thermal insulation in timber frame walls with a minimal additional thickness. Retrofitting of timber frame walls using VIPs may therefore be performed without large changes to the building, e.g. extension of the roof protruding and fitting of windows. Additionally, U-values low enough to fulfil passive house standards or zero energy building requirements may be achieved, thus contributing to a reduction of the energy use and CO2 emissions within the building sector.

This work investigates different ways of retrofitting timber frame walls with VIPs on the exterior or the interior side. Timber frame walls retrofitted with VIPs on the exterior side is interesting because it allows for a continuous layer of VIPs over the building envelope, it is also considered as a more robust solution than VIPs at the interior side (less risk of puncture).However, application of VIPs on the exterior side may cause condensation in the wall. To investigate this, a wall module containing four different wall fields was built between two climate rooms with indoor and outdoor climate, respectively. One field represents a reference wall built according to Norwegian building regulations from the 1970s. The three other fields represent different ways of improving the thermal insulation of the reference field, with VIPs at the interior or the exterior side. To minimize the size of the thermal bridge traditional methods for fastening VIPs cause, a tailor-made VIP fastening bracket was applied in the build-up of the fields. Temperature, relative humidity (RH), and surface wetness was measuring during the experiment. The surface wetness was measured on the wind barrier with a tailor-made surface wetness sensor built up of double-sided tape, electrodes and copy paper.In addition to the experiment, numerical simulations and condensation control calculations were performed for the same fields with hygrothermal performance as the main scope. In total, the results from the experiment, simulations, and condensation controls conclude thattimber frame buildings insulated with 100 mm mineral wool, might be retrofitted at the outside by adding 30 mm VIPs. However, this method for retrofitting provide limits to outdoor temperature (climate zones), indoor moisture excess (humidity classes), and indoor temperature (building type).

En stor del av bygningene i Norge er bygget mellom 1960 og 1980. Statistikk viser at 1970-tallet er det tiåret da flest av dagens bygninger ble bygget. Tradisjonelt sett har mange av disse bygningene vegger av bindingsverk, og mange har behov for å få fornyet fasaden og for å bli etterisolert. På grunn av den lave konduktiviteten til vakuumisolasjon kan etterisolering av gamle hus med vakuumisolasjon forhindre at man må bygge om andre deler av huset i tillegg(for eksempel takutstikk). Samtidig kan man oppnå U-verdier lave nok til å innfri passivhusstandard og slik redusere energibruken og CO2-utslippene i fra bygningssektoren.

Dette arbeidet har tatt for seg to forskjellige metoder for å etterisolere med vakuumisolasjon, på utvendig- og innvendig side. Bindingsverksvegger etterisolert på utsiden med vakuumisolasjon er interessant fordi man kan få et kontinuerlig lag med vakuumisolasjon og på denne måten eliminere de aller fleste kuldebroene i veggen. Man unngår også punkteringsrisiko i fra innsiden. Et damptett lag på utvendig side kan imidlertid introdusere fuktproblemer i veggen. For å undersøke dette problemet ble en testmodul i realistisk størrelse bygget mellom to klimarom, et med innendørs og et med utendørs klima (temperatur og fuktighet). Testmodulen hadde fire forskjellige felt som var termisk og hygrotermisk adskilte. Et felt var bygget som en typisk bindingsverksvegg i fra1970-årene. De tre andre feltene var i tillegg etterisolert med vakuumisolasjon, to etterisolert på utvendig side (med henholdsvis 30 mm og 20 mm vakuumisolasjon), ett etterisolert på innvendig side (med 30 mm vakuumisolasjon).For å minimalisere kuldebroen som den vanlige innfestningsmetoden med trelekter utgjør, ble det laget enfestebraket i stål. Temperatur, relativ fuktighet (RF) og overflatekondensasjon ble målt under forsøket.Overflatekondensasjon ble målt med en egenlaget kondensmåler som består av dobbeltsidig tape, to enlederledninger og kopipapir. Kondensmåleren ble testet ut og kalibrert i et klimaskap før eksperimentet startet. I tillegg til eksperimentet ble det gjennomført numeriske simuleringer for å kunne sammenligne temperatur og fukt med eksperimentelt målte verdier, samt kondensasjonskontroll av de hygrotermisk mest utfordrende feltene. Totalt sett viser resultatene at bindingsverksvegger med 100 mm mineralull kan etterisoleres med 30 mm vakuumisolasjon på utvendig side. Resultatet er med begrensinger til dimensjonerende utendørstemperatur (klimasone), innendørs fukttilskudd (fukttilskuddklasse) og innendørs temperatur (bygningstype).