Feltstudie av klimatiske forhold i luftespalter bak kledning og taktekning

Abstract

Luftespalter bak kledninger og tekninger brukes mye i nordiske land. Hensikten med luftespalter er å ventilere og drenere ut fukt, og dermed beskytte den bakenforliggende konstruksjonen. Drivkreftene for ventilering er vind og termisk oppdrift. På tak skal luftespalten i tillegg bidra til å transportere bort varmen på vinteren for å unngå ising ved takfoten. De klimatiske forholdene i luftespalter vil ofte variere sterkt fra forholdene i uteluften. Materialene i spaltens tilgrensende sjikt, samt utformingen av selve luftespalten er parametere som vil påvirke disse forholdene.

Hensikten med denne masteroppgaven er å studere temperatur- og fuktforhold i luftespalter bak kledninger og tekninger. Fire grunner til at slike studier under norske forhold er blitt mer interessante den siste tiden er: 1) Et pågående forskningsprosjekt ved SINTEF kalt TightEN har et mål om å studere bestandigheten av tetteløsninger brukt i vindsperresjiktet. Følgelig er det behov for å vite hva skal klima tetteløsningene utsettes for. 2) Det blir stadig vanligere å bruke Bygningsintegrerte Solceller (BIPV) i nordisk klima. Ettersom strømproduksjonen blir høyere ved lavere temperaturer, medfører dette at luftespalten også bør bidra til å transportere bort varme om sommeren. 3) Dagens retningslinjer (Byggforskserien) for spalteutforming på skrå tretak gjelder bare for taklengder < 15 m med takvinkler > 18 grader, og det er derfor ønskelig å oppdatere disse på sikt. 4) Økende isolasjonstykkelser i yttervegger og tak bidrar til at luftespalten mottar et mindre varmetilskudd, og dermed forverrede fuktforhold. Til sammen medfører de fire nevnte grunnene at mer kunnskap om klimatiske forhold i luftespalter er ønskelig.

Metoden i denne oppgaven baserer seg på en feltstudie av de klimatiske forholdene i luftespaltene på to bygg i Trondheim. De to byggene, ZEB-laboratoriet og ZEB Test Cell Laboratory, er forskninsgsbygg som ligger på Campus Gløshaugen på NTNU. ZEB-laboratoriet er i dag under bygging (juni 2020). Bygget har et stort skrått tretak med lengde over 18 m. Hele taket og store deler av fasadene er dekt med BIPV. Luftespaltene har blitt instrumentert med termoelementer og trådløse fuktsensorer høsten 2019 og vinteren 2020. Gjennomføringen av dette arbeidet er en del av denne oppgaven. ZEB Test Cell Laboratory ble bygget i 2014, og instrumenteringen som ble utført den gangen beskrives kort. På de to byggene er det studert ulike enkeltperioder på ulike årstider, der de lengste periodene er på 38 dager.

Resultatene fra ZEB-laboratoriet viste temperaturer opptil 20-25 grader høyere enn utetemperaturen i perioden på våren. Temperaturdifferansene mellom spalteluften og uteluften korrelerte godt med solstrålingen. Videre viste resultatene fra taket på våren at spaltetemperaturene var lavere enn utetemperaturen 42 % og 63 % av tiden for henholdsvis toppen og bunnen av taket. Resultatene viste også at trelektene på taket tørket fra omtrent 37 vekt-% til omtrent 25 og 27 vekt-% i løpet av 38 dager, og taket har dermed en stor evne til uttørking. Trefuktnivåene på fasadene var relativt stabile eller svakt uttørkende.

Resultatene fra ZEB Test Cell Laboratory viste temperaturer omtrent 40 grader høyere enn utetemperaturen om sommeren. Temperaturdifferansene mellom spalteluften og uteluften korrelerte godt med solstrålingen. Videre viste resultatene fra taket på våren at spaltetemperaturene var lavere enn utetemperaturen 58 % og 63 % av tiden for henholdsvis søndre og nordre del av taket. En egen analyse viste at taket har lengre perioder med kondenspotenssial som følge av undertemperaturene. En analyse av perioder med lite vind og mye sol om sommeren viste større korrelasjon mellom spaltehastigheten og vindhastigheten enn mellom spaltehastigheten og solstrålingen.

Air cavities behind cladding and roofing are common in Nordic countries. The purpose of air cavities is to ventilate and drain moisture, and by doing so protection the internal structure. The driving forces for ventilation are wind and thermal buoyancy. Roofs should also have an air cavity to transport heat away in the winter to avoid icing at the eaves. The climatic conditions in air cavities will often vary significantly from the conditions in the outdoor air. The materials in the adjacent layers of the air cavity and the design of the cavity itself are parameters that will influence these conditions.

The purpose of this master's thesis is to study the temperature and humidity conditions in the air cavities behind cladding and roofing. Four reasons why such studies in Norwegian conditions have become more interesting recently are: 1) An ongoing research project at SINTEF called TightEN has a goal to study the durability of sealing solutions used in the wind barrier layer. Therefore, it is necessary to know what climatic conditions these sealing solutions are exposed to. 2) It is becoming increasingly common to use Building Integrated Photovoltaics (BIPV) in Nordic climates. As electricity production increases with lower temperatures, this means that the air cavity should also help to transport heat away in the summer. 3) Today's guidelines (“Byggforskserien”) for cavity design of sloped wooden roofs only apply to roof lengths < 15 m and roof angles > 18 degrees, and it is therefore desirable to update these guidelines in the future. 4) Increasing insulation thickness in exterior walls and roofs results in less heat transfer to the air cavity, and thus worse moisture conditions. The four abovementioned reasons imply that more knowledge about climatic conditions in air cavities is desirable.

The method in this thesis is based on a field study of the climatic conditions in the air cavities in two buildings in Trondheim. The two buildings, the ZEB Laboratory and the ZEB Test Cell Laboratory, are research buildings located on Campus Gløshaugen at NTNU. The ZEB Laboratory is currently under construction (June 2020). The building has a large sloped wooden roof with a total length of more than 18 m. The entire roof and most of the facades are covered with BIPV. The air cavities were instrumented with thermocouples and wireless moisture sensors in autumn 2019 and winter 2020. This work is a part of this thesis. The ZEB Test Cell Laboratory was built in 2014, and the instrumentation that was done at the time is described briefly. The two buildings are studied in different individual periods in different seasons, the longest periods being 38 days.

The results from the ZEB Laboratory showed temperatures 20-25 degrees higher than the outdoor air temperature during the spring period. The temperature differences between the cavity air and the outdoor air correlated well with the solar radiation. Furthermore, the results from the roof during the spring period showed cavity temperatures lower than the outdoor temperature 42 % and 63 % of the time for the top and bottom of the roof, respectively. The results also showed that the wooden battens on the roof dried from about 37 weight-% to about 25 and 27 weight-% in 38 days, and thus the roof has a significant drying effect. The wood moisture contents on the facades were relatively stable, or with a small tendency of drying.

The results from the ZEB Test Cell Laboratory showed temperatures about 40 degrees higher than the outdoor temperature during the summer period. The temperature differences between the cavity air and the outdoor air correlated well with the solar radiation. Furthermore, the results from the roof during the spring period showed cavity temperatures lower than the outdoor temperature 58 % and 63% of the time for the southern and northern part of the roof respectively. A separate analysis showed that the roof has longer periods of condensation potential due to the sub-temperatures. An analysis of periods with low wind speeds and high solar radiation in the summer showed a more significant correlation between the cavity airspeed and wind speed than between the cavity airspeed and the solar radiation.