Performance evaluation of external vacuum insulation finishing system

Abstract

As building energy performance requirements continue to become stricter in order to fit in with nearly zero-energy buildings targets, there is an increasing demand for higher insulation levels. This has motivated the development of innovative solutions that incorporate super-insulating materials and products. Among these are solutions that incorporate vacuum technology. A vacuum insulation panel (VIP) is a top-of-the-line product characterized by having extremely low thermal conductivity, meaning it has potential to provide a great insulation level at a reduced thickness. Since the External Thermal Insulation Composite System (ETICS) is one of the most popular construction technologies used for improving the energy efficiency of building walls, there is interest in combining the high thermal performance of VIPs with the known benefits of ETICS. However, in spite of showing strong potential in terms of thermal performance, the application of vacuum insulation panels in buildings presents several challenges that must be account for. Namely, those associated with design factors, handling and installation issues, as well as with the edge thermal bridging that occurs between panels, the doubts surrounding service life performance and, finally, the high investment costs of VIPs. Furthermore, there are several known anomalies that commonly occur in conventional ETICS and which could be exacerbated with VIPs. Hence, many aspects need to be carefully evaluated before VIP based ETICS become a viable solution for meeting energy targets. The main goal of this research was to study the feasibility of incorporating a novel VIP solution into external thermal insulation composite systems. For this purpose, a comprehensive investigation into the solution was carried out. Laboratorial tests were performed to assess the effective behaviour of the solution in terms of physical, mechanical and hygrothermal performance. First, focus was put on the VIP product, in particular regarding the edge thermal bridging effect. Then, VIP based ETICS walls were evaluated in terms of the whole system hygrothermal performance and durability. Real onsite walls and laboratorial large-scale test specimens were assessed. New experimental procedures were defined to evaluate the durability of the solution and to enable the early identification of potential anomalies. Additionally, numerical models were used to simulate the steady and unsteady thermal behaviour of VIP products and their accuracy was evaluated against the experimental results. Finally, the cost-effectiveness of vacuum technology was also analysed by means of a whole-life cost assessment. Throughout the research, the evaluation of VIP based ETICS walls was often compared with other conventional solutions (used as a reference).

O objetivo de se alcançarem edifícios com necessidades quase nulas de energia tem levado a um progressivo aumento dos requisitos de desempenho energético e, consequentemente, conduzido a uma crescente procura por níveis de isolamento térmico mais elevados. Este facto tem motivado o desenvolvimento de materiais e soluções inovadoras com propriedades excecionais de isolamento térmico. De entre elas, destacam-se soluções que incorporam vácuo. Um painel de isolamento a vácuo (VIP) diferencia-se por ter uma condutibilidade térmica extremamente reduzida, o que significa que tem potencial para fornecer um ótimo nível de isolamento térmico associado a uma reduzida espessura. Uma vez que os Sistemas Compósitos de Isolamento Térmico pelo Exterior (ETICS) são uma das tecnologias construtivas mais populares para a melhoria da eficiência energética das fachadas, surge o interesse em combinar o elevado desempenho térmico dos VIP com os benefícios dos ETICS. No entanto, apesar de apresentar um elevado potencial em termos de desempenho térmico, a aplicação de painéis de isolamento a vácuo em edifícios apresenta vários desafios que devem ser tidos em conta. Nomeadamente, constrangimentos de projeto e limitações associadas ao manuseamento e instalação, assim como associadas às pontes térmicas lineares nos seus bordos, às dúvidas relativas ao seu desempenho durante a vida útil e, por fim, ao seu elevado custo de investimento. Além disso, existem várias anomalias que ocorrem frequentemente em ETICS convencionais e que podem ser exacerbadas com a utilização dos VIPs. Portanto, antes dos sistemas ETICS com painéis de vácuo se tornarem uma opção viável, existem muitos aspetos que necessitam de ser cuidadosamente avaliados. Este trabalho teve como principal objetivo o estudo da viabilidade duma nova solução de VIP em sistemas de isolamento térmico pelo exterior. Neste sentido, realizou-se uma extensa investigação à solução. Foram realizados ensaios laboratoriais para avaliar o desempenho efetivo da solução em termos físicos, mecânicos e higrotérmicos. Primeiro, focou-se na avaliação de desempenho do painel de vácuo, com particular destaque no efeito das pontes térmicas lineares causadas pelos seus bordos. De seguida, avaliou-se o desempenho higrotérmico e a durabilidade do sistema completo de ETICS com VIPs, onde se incluíram paredes e protótipos laboratoriais à escala real. Foram ainda definidos novos procedimentos experimentais para avaliar a durabilidade da solução e permitir a deteção precoce de potenciais anomalias. Adicionalmente, utilizaram-se modelos numéricos para simular o comportamento em regime permanente e variável da solução, bem como para avaliar a sua aplicabilidade através da comparação com resultados experimentais. Por último, foi também efetuado a análise custo-eficácia dos VIPs, através da avaliação dos custos globais de ciclo de vida. Ao longo da investigação, a análise dos ETICS com VIPs foi frequentemente comparada com outras soluções convencionais (usadas como referência).