An investigation into the insitu U values of wall constructions

Abstract

The results of an insitu investigation into the thermal performance of a range of wall constructions are presented. The investigations were mainly undertaken to establish the uncertainty introduced by the measurement, the variability in the performance of the wall due to factors such as workmanship and the relevance of design values in practice. This study provides a useful addition to the otherwise sparse literature of actual measured heat flow and temperature data available from large scale field surveys in UK.A review of methods and equipment used to recover the thermal transmittance value of wall constructions is presented. The Heat Flow Sensor measurement method was found to be most suitable for the needs of the study and was evaluated both theoretically and experimentally.An experimental design approach was devised which enabled the separation of the variability involved in the measurement process and the variability involved in the performance of the wall to be obtained. The four generic wall types sampled included a representative range of existing and new build constructions. The indications are that the wall constructions investigated broadly perform as expected. However, for certain wall types there were significant differences between measured and standard design calculation values. This was because the appropriate theoretical model was not applied in order to establish the transmittance of the wall construction at the design stage.It would appear that the overall error in the measurement process, which is a combination of both the systematic and the random error, was typically of the order of +/-11%, whereas the variability in the wall performance was seen to vary as a function of the wall type with the resulting values ranging between 4% and 39.5%. The differences in the observed performance of the wall may be potentially attributed to 4 major causes, namely:(a)dimensional tolerances and material properties, (b) changes in material properties, (c) the wall as part of the construction and (d) workmanship.The average wall performance in some circumstances can be estimated satisfactorily by using a one dimensional model where a relatively homogeneous wall construction is assumed. While the area weighted one dimensional model gives a reasonable estimate of the average wall performance by taking into account the cold bridging of the mortar joints, a more complete understanding of the wall performance can only be achieved by the use of a three dimensional model.

Στην παρούσα μελέτη παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μιας επιτόπου διερεύνησης στη θερμική συμπεριφορά διαφορετικών τύπων κατασκευών εξωτερικής τοιχοποιίας. Η έρευνα αναλήφθηκε κυρίως για να καθορισθεί η αβεβαιότητα στις μετρήσεις, η μεταβλητότητα στη θερμική συμπεριφορά της εξωτερικής τοιχοποιϊας, η οποία οφείλεται σε παράγοντες όπως η ποιότητα κατασκευής και η συνάφεια των τιμών που υιοθετούνται στο σχεδιαστικό επίπεδο με αυτό στη πράξη. Η μελέτη αυτή παρέχει μια χρήσιμη προσθήκη στην κατά τα άλλα αραιή βιβλιογραφία που αφορά σε πραγματικά δεδομένα που προέρχονται από μετρήσεις πεδίου ροής θερμότητας και θερμοκρασίας, μετρήσεις που είναι διαθέσιμες μόνο από έρευνες πεδίου μεγάλης κλίμακας στο Ηνωμένο Βασίλειο.Στη μελέτη παρουσιάζεται επίσης μια επισκόπηση των μεθόδων και του εξοπλισμού που χρησιμοποιούνται για να προσδιορίσουν τον συντελεστή θερμικής αγωγιμότητας στην εξωτερική τοιχοποιία. Η μέθοδος μέτρησης του αισθητήρα ροής θερμότητας (heat flow sensor) βρέθηκε να είναι η πλέον κατάλληλη για τις ανάγκες της μελέτης και αξιολογήθηκε τόσο θεωρητικά όσο και πειραματικά.Έγινε εφαρμογή των αρχών του πειραματικού σχεδιασμού ο οποίος επέτρεψε τον διαχωρισμό της μεταβλητότητας στη διαδικασία μέτρησης και της μεταβλητότητας στη θερμική επίδοση της εξωτερικής τοιχοποιίας. Οι εν λόγω μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε τέσσερις διαφορετικούς τύπους εξωτερικής τοιχοποιίας αντιπροσωπευτικό δείγμα τόσο υφιστάμενων όσο και νέων κατασκευών. Οι ενδείξεις είναι ότι οι κατασκευές εξωτερικής τοιχοποιίας που διερευνήθηκαν σε γενικές γραμμές συμπεριφέρονται θερμικά όπως αναμενόταν στο στάδιο σχεδιασμού. Ωστόσο, για ορισμένους τύπους εξωτερικής τοιχοποιίας υπήρξαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των μετρήσεων πεδίου και των τιμών υπολογισμού στο στάδιο σχεδιασμού. Η αιτία για αυτή την απόκλιση είναι ότι στο στάδιο σχεδιασμού δεν εφαρμόσθηκε το κατάλληλο θεωρητικό μοντέλο προκειμένου να προσδιορισθεί η αγωγιμότητα της εξωτερικής τοιχοποιίας. Όπως προκύπτει, το συνολικό σφάλμα στη διαδικασία μέτρησης, η οποία είναι ένας συνδυασμός τόσο συστηματικού όσο και τυχαίου σφάλματος, ήταν συνήθως της τάξης του +/-11%, ενώ η μεταβλητότητα στην επίδοση της εξωτερικής τοιχοποιίας ποικίλλει ως συνάρτηση του τύπου της κατασκευής της εξωτερικής τοιχοποιίας με τις προκύπτουσες τιμές να κυμαίνονται μεταξύ 4% και 39,5%. Οι διαφορές στην παρατηρούμενη επίδοση του τοιχώματος μπορεί να αποδοθεί σε 4 κύριες αιτίες, δηλαδή:(Α) στις ανοχές διαστάσεων και ιδιότητες των υλικών, (β) στις μεταβολές στις ιδιότητες των υλικών, (γ) στην εξωτερική τοιχοποιία ως μέρος της συνολικής κατασκευής του κτηρίου και (δ) στη ποιότητα κατασκευής.Η μέση επίδοση της εξωτερικής τοιχοποιίας σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να εκτιμηθεί ικανοποιητικά με τη χρήση ενός μονοδιάστατου μοντέλου όπου λαμβάνεται υπόψη μια σχετικά ομοιογενής κατασκευή εξωτερικής τοιχοποιίας. Ενώ η μέθοδος της «σταθμισμένης περιοχής» (area weighted method) η οποία είναι μονοδιάστατο μοντέλο δίνει μια περισσότερο ρεαλιστική εκτίμηση της μέσης επίδοσης μιας εξωτερικής τοιχοποιίας λαμβάνοντας υπόψη τις θερμικές γέφυρες που δημιουργούνται από την ύπαρξη αρμών κονιάματος, μια πιο ολοκληρωμένη κατανόηση της επίδοσης (της εξωτερικής τοιχοποιίας) μπορεί να επιτευχθεί μόνο με τη χρήση ενός μοντέλου τριών διαστάσεων.