Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10316/105154
Title: Green roofs containing insulation cork board: design and characterization
Authors: Almeida, Ricardo Alexandre Santos
Orientador: Tadeu, António José Barreto
Simões, Nuno Albino Vieira
Keywords: insulation cork board; green roof technologies; water permeability; water drainage layer; water retention layer; thermal behaviour; winter and summer experimental campaign; aglomerado de cortiça; coberturas verdes; permeabilidade à água; camada de drenagem; camada de retenção de água; comportamento térmico; campanha experimental de inverno e verão
Issue Date: 10-Jul-2020
Project: SFRH/BD/52307/2013 
POCI-01-0145-FEDER-016852
POCI-01-0247-FEDER-003393 
Place of publication or event: Coimbra
Abstract: Green roofs are source of many benefits for a building’s comfort and the urban environment. Already extensively documented in the literature, these benefits cover the thermal, hydrology, acoustic, air quality and biodiversity aspects. This improved relationship of buildings with the environment is achieved by a minimalist layer approach to replicating natural ground on the roof of a building. However, while perceived as being very natural, green roof systems do use not-so environmentally friendly polymeric materials for their inner layers. Motivated by this fact, the main goal of this research work was to achieve a more naturally sourced green roof system. To achieve this, the work focused on exchanging the non-natural layers of current systems, namely the drainage and water storage layer, for insulation cork board (ICB). This is an all-natural material, produced from the waste generated from the collection and subsequent processing of cork. The research begins with the experimental evaluation of the water drainage and water storage capacity of ICB samples of different thicknesses and densities, applied as one layer of a green roof system and compares the results with those provided by a polyolefin material. It was found that while both the thickness and density of the ICB affect its drainage and storage performance, density has a greater effect on drainage capacity. The study also found that the geometry of the ICB had to be redesigned to cope with extreme wetting conditions in a complete green roof system. Then, the research progresses to the characterization of the thermal behaviour of the ICB when applied as a layer of a green roof system. A double walk-in bioclimatic chamber was designed and built to recreate indoor and outdoor environmental conditions. Winter and summer environments with steady and unsteady conditions in both dry and wet states were simulated. Measurements were first taken on a concrete slab insulated with ICB to assess the contribution of the latter to the thermal performance of the system. The effect on the heat transfer was further evaluated for systems of increasing complexity, containing first a substrate layer and then vegetation. It was found that the ICB layer had the better insulation capacity, although adding layers led to improved thermal insulation. The vegetation layer was found to be of significant importance to the overall performance of the green roof. It was also found that the ICB and the substrate layers lose part of their insulation capacity when the system was wetted, although it was greatly restored in the ICB layer within a few hours. After the laboratory research, a fully working cork green roof and conventional green roof system prototypes were built side by side, under real environmental conditions in Coimbra, Portugal. The main goal was to see if the new system is reliable in real environmental conditions and to compare its behaviour with that of the conventional system. This experimental work focused on the comparison of the thermal behaviour, drainage and water storage and vegetation response under spring, summer, autumn and winter Mediterranean climate conditions. The thermal insulation as well as the water drainage and storage capacity provided by the cork-based green roof were found to be adequate, showing the potential of the new expanded cork layer. Additionally, it was found that the plants’ growth and health in the cork-based green roof were similar to those of the reference solution, indicating the proper compatibility of the full system. To contribute to the implementation of cork green roof systems, a guide for the planning, execution and maintenance of the proposed system is included. The results support the hypothesis that the developed standard density grooved ICB is suitable to be used as the drainage and water storage layer, the core of the proposed green roof system.
Os benefícios das coberturas verdes para a melhoria do conforto dos edifícios e do meio-ambiente urbano são amplamente conhecidos e documentados na literatura. Esses benefícios abrangem as áreas térmica, hidrológica, acústica, qualidade do ar e a biodiversidade. Esta relação melhorada do edificado com o meio-ambiente é alcançada através de uma réplica minimalista das condições naturais do solo na cobertura de um edifício. Contudo, embora percepcionados como totalmente naturais, os actuais sistemas de cobertura verde utilizam materiais pouco ecológicos nas suas camadas internas, nomeadamente polímeros termoplásticos. Motivado por esse facto, o principal objetivo deste trabalho de investigação foi conceber um sistema de cobertura verde com maior uso de materiais naturais. Para o alcançar, o trabalho centrou-se na substituição das camadas não naturais dos actuais sistemas, nomeadamente a camada de drenagem e retenção de água, por uma camada de cortiça expandida (ICB – insulation cork board). O ICB é um material totalmente natural produzido apenas dos resíduos provenientes do descortiçamento do sobreiro e do posterior processamento da cortiça. O trabalho de investigação iniciou-se com a avaliação experimental da capacidade de drenagem e retenção de água de provetes de ICB com diferentes espessuras e densidades. Os resultados obtidos por estes provetes foram comparados com os valores de um material de referência em poliolefina geralmente aplicado nos sistemas convencionais de cobertura verde. Descobriu-se que, embora tanto a espessura como a densidade do ICB afectem seu desempenho de drenagem e retenção de água, a densidade tem um maior efeito sobre a capacidade de drenagem. Na sequência deste estudo foi ainda necessário redesenhar a geometria final do ICB para ser eficaz em condições extremas de precipitação quando instalado num sistema completo de cobertura verde. De seguida, a investigação avançou para a caracterização do comportamento térmico do ICB quando instalado como uma camada do sistema de cobertura verde. Para esse efeito, foi necessário projectar e construir uma câmara bioclimática capaz de simular as condições de ambiente interior e exterior de um edifício. Foram recriadas simulações de ambiente de Inverno e de Verão em condições permanente e variável e em estados seco e molhado. A monitorização foi inicialmente realizada numa laje de betão revestida apenas com ICB para avaliar isoladamente o contributo deste material no desempenho térmico do sistema. O efeito da transferência de calor foi depois avaliado em sistemas de complexidade crescente, adicionando a camada de substrato e finalmente a vegetação. Concluiu-se que a camada de ICB tem a melhor capacidade de isolamento, contudo o acréscimo das sucessivas camadas do sistema melhorou sempre o comportamento térmico. Verificou-se ainda que a camada de vegetação tem um grande contributo para o desempenho geral de um sistema de cobertura verde. Demonstrou-se também que o ICB e a camada de substrato perdem parte da sua capacidade de isolamento quando o sistema era molhado, embora essa capacidade seja grandemente recuperada pela camada ICB em poucas horas. Após os ensaios de laboratório, construiu-se um protótipo dos sistemas de cobertura verde incluindo ICB e do sistema convencional de cobertura verde, em condições de ambiente real em Coimbra, Portugal. O objectivo principal foi testar o novo sistema em condições ambientais reais e comparar o seu comportamento com o do sistema convencional. O trabalho experimental focou-se na comparação do comportamento térmico, drenagem e retenção de água e no comportamento da vegetação instalada, sob as condições do clima Mediterrâneo, ao longo da primavera, verão, outono e inverno. O isolamento térmico, bem como a capacidade de drenagem e retenção de água proporcionados pelo sistema de cobertura verde com ICB revelaram-se adequados, mostrando o potencial da solução proposta. Verificou-se ainda que o crescimento e o vigor das plantas instaladas no sistema de cobertura verde com ICB foram semelhantes aos da solução de referência, indicando uma compatibilidade adequada de todo o sistema. Finalmente e por forma a facilitar a divulgação e a aplicação do sistema de cobertura verde incluindo cortiça, é também apresentado um guia para o planeamento, execução e manutenção do sistema proposto. Os resultados da investigação sustentam que a camada de ICB, com densidade standard e ranhuras na superfície, é adequada para a drenagem e retenção de água do sistema de cobertura verde proposto.
Description: Tese de Doutoramento em Sistemas de Energia Sustentáveis apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra.
URI: https://hdl.handle.net/10316/105154
Rights: openAccess
Appears in Collections:UC - Teses de Doutoramento
FCTUC Eng.Mecânica - Teses de Doutoramento

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