Kjøleeffekten av regn- og smeltevann i omvendte takkonstruksjoner

Abstract

I denne oppgaven blir kjøleeffekten av regn- og smeltevann i omvendte tak studert ved hjelp av laboratoriemålinger og simuleringer i programvaren WUFI. I omvendte tak plasseres takmembranen under isolasjonslaget, som fører til at regnvann vil renne forbi isolasjonen og ned på varm side av konstruksjonen. Resultatene viser at det største varmetapet kommer fra nedbør som absorberer varme fra takmembranen, og øker takets U-verdi med opptil 62,9 %. Deretter kommer varmetapet av fuktopptak i plastisolasjon, som bidrar til å øke U-verdien med 11,2 %.

I følge forskningslitteraturen anbefales det å plassere et vannavstøtende og dampåpent separasjonssjikt mellom isolasjon og topplaget, for å holde vann ute og dermed bidra til at begge disse varmetapene reduseres. Et slikt sjikt inngår ikke i dagens anbefalinger. Sjiktet ble utprøvd i simuleringen, og bidro til en kraftig reduksjon i fuktopptaket i isolasjonen. Det anbefales derfor å plassere et slikt sjikt mellom isolasjon og topplag i omvendte takkonstruksjoner for å bedre imøtekomme fremtidens energikrav.

Lekkasjeraten beskriver forholdet mellom regnvann som dreneres over og under isolasjonslaget. I laboratoriet ble lekkasjeraten (f) målt for ulik oppbygning og utførelse av isolasjonslaget. Økt lekkasjerate gir økt kjøleeffekt fordi regnvannet absorberer varme fra takmembranen. For å bestemme lekkasjeraten gjennom isolasjonslaget ble det bygget et omvendt tak i laboratorium, som ble påført en simulert nedbørsmengde ved hjelp av en vannspray-rigg. En takmembran ble ikke tatt med i oppbygningen, ut fra antagelsen at den ikke ville påvirke lekkasjeraten. Isolasjonen var derfor lagt direkte oppå den plane stålplaten som utgjorde bunnen i takriggen. Basert på at ujevnheter påvirket lekkasjeraten, vil trolig også en takmembran ha påvirket lekkasjeraten i samme retning

I beregningsstandarder blir isolasjonens varmemotstand korrigert med et antatt fuktopptak. I kapittel 4.2 blir det langsiktige fuktopptaket simulert og kvantifisert i simuleringsverktøyet WUFI. Det ble tatt utgangspunkt i to takmodeller fra håndbøkene til WUFI: Et ballastert tak og et grønt tak. I håndbøkene blir innstillinger, materialer og oppbygninger foreslått, basert på feltmålinger utført i Holzkirchen. Ideelt skulle det blitt utført feltmålinger på tak i de simulerte klimaene. For å simulere et omvendt tak blir det i tillegg lagt inn en vannfilm på isolasjonens underside, for å simulere at regnvann kan komme forbi isolasjonslaget. Videre blir fuktopptaket i isolasjonen studert ved ulike klimaer, innetemperaturer og forskjellige topplag. Dessuten blir det testet med et nytt vannavstøtende og dampåpent separasjonssjikt (WSL) plassert oppå isolasjonen, for å se hvordan dette påvirker kjøleeffekten.

Resultatet av laboratoriemålingene viser at lekkasjeraten øker for lavere nedbørintensiteter, økt gap mellom isolasjonsplatene, ved parallelle skjøtekanter og ujevnt underlag. Det er mulig å simulere kjøleeffekten basert på WUFI sine takmodeller. Resultatene viser at det er større fuktopptak i grønne tak enn ballasterte tak. Videre øker dette fuktopptaket ved høyere innetemperaturer og i klima med større nedbørsmengder og lavere utetemperaturer.

This master thesis studies the cooling effect of rain- and melt water in inverted roofs using laboratory measurements and simulations in the WUFI software. In inverted roofs, the roof membrane is placed under the insulation layer, which causes rainwater to flow past the insulation and down on the warm side of the structure. Heat loss occurs due to this, where the results show that the greatest heat loss comes from precipitation which absorbs heat from the roof membrane, increasing the U-value of the roof by up to 62.9 %. Then comes the heat loss due to moisture accumulation in the insulation, which increase the U-value by 11.2 %.

According to the research literature, it is recommended to place a water-repellent and vapor-open separation layer between the insulation and the top layer, in order to keep water out and thus help reduce both of these heat losses. Such a layer is not included in today's recommendations. The layer was tested in the simulation and contributed to a sharp reduction in moisture absorption in the insulation. It is therefore recommended to place such a layer in inverted roof structures as further energy savings will be demanded in the future.

The leakage rate describes the ratio of rainwater drained above and below the insulation layer. In the laboratory, the leakage rate (f) was measured for different structure and construction of the insulation layer. Increased leakage rate gives increased cooling effect because the rainwater absorbs heat from the roof membrane. In order to determine the leakage rate through the insulation layer, an inverted roof was constructed in the laboratory, which was applied to a simulated rainfall using a water spray rig. A roof membrane was not included in the build-up, on the assumption that it would not affect the leakage rate. The insulation was therefore laid directly on the flat steel plate which formed the bottom of the roof rig. Based on the unevenness affecting the leakage rate, a roof membrane is likely to have also affected the leakage rate in the same direction.

In calculation standards, the heat resistance of the insulation is corrected by an assumed moisture absorption. In chapter 4.2 long-term moisture absorption is simulated and quantified using the simulation tool WUFI. Two roof models were based on the WUFI manuals: A ballasted roof and a green roof. In the manuals, settings, materials and structures are proposed, based on field measurements carried out in Holzkirchen. Ideally, field measurements should be performed on roofs in the simulated climates. In order to simulate a reverse roof, a water film is also added on the underside of the insulation, to simulate that rainwater can get past the insulation layer. Furthermore, moisture absorption in the insulation is studied at different climates, indoor temperatures and different top layers. In addition, a new water-repellent and vapor-separated separation layer (WSL) is being placed on top of the insulation to see how this affects the cooling effect.

The results of the laboratory measurements show that the leakage rate increases for lower rainfall intensities, increased gap between the insulation boards, at parallel joint edges and uneven ground. It is possible to simulate the cooling effect based on the suggested roof models from the WUFI handbooks. The results show that there is greater moisture absorption in green roofs than ballasted roofs. Furthermore, the moisture absorption increases at higher indoor temperatures and in climates with higher rainfall and lower outdoor temperatures.