Dynamic behaviour of linear and point thernal bridges of buildings - numerical and experimental simulations

Abstract

Linear and point thermal bridges (LTBs and PTBs) increase the heat loss of a building envelope in winter conditions due to a concentration of heat fluxes, which depends on the properties of the material(s) and the geometrical characteristics of the thermal bridge. Furthermore, in these two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) junctions, the surface temperatures are normally significantly lower, which increases the risk of surface condensation and the occurrence of building pathologies. Therefore, it is of the utmost importance to evaluate LTBs and PTBs at the design stage of the building and assess their contribution to the energy performance of buildings. The steady-state analysis of the energy performance of buildings normally takes into account the LTBs, but the PTBs’ contribution tends to be neglected. Whole building dynamic simulation studies, however, usually only assume the one-dimensional (1D) heat transfer through the building envelope and fail to consider the multidimensional heat flows through the linear and point thermal bridges. However, it is very important to predict the thermal behaviour of LTBs and PTBs dynamically, since the influence of the thermal inertia of materials can be considered and high performance solutions can be chosen to reduce the thermal bridging effect. This will prevent the development of pathologies associated with thermal bridges and increase the overall energy performance of the building. Most studies on dynamic thermal bridging analysis use simplified techniques that do not give accurate information about the dynamic behaviour of linear and point thermal bridges. Therefore, more realistic models are required that can provide more accurate results and a better knowledge of the dynamic thermal bridges’ behaviour. The main goal set for this research was to analyse the dynamic effect of geometrical linear and point thermal bridges of buildings, such as 2D and 3D building corners, using the boundary element method (BEM) formulated in the frequency domain. For this, multidimensional numerical modelling tools were specially built to study the transient heat diffusion through LTBs and PTBs, using 2D and 3D BEM formulations. These tools enabled the computation of the temperature distribution and heat fluxes through the linear and point thermal bridges, over time. The numerical models were first verified against analytical schemes, known for regular geometries, and then were experimental validated using hot box measurements, simulating the dynamic thermal behaviour of a 2D and a 3D corner of a wooden building. Several numerical simulations of the transient heat transfer through 2D and 3D building corners were performed to illustrate the applicability of the proposed BEM models and to evaluate the thermal bridging effect over time. The influence of the constructive solutions and the external temperature variation on the dynamic thermal behaviour of LTB and PTB was also analysed. The importance of modelling linear and point thermal bridges dynamically was demonstrated. It was concluded that a static analysis underestimates the linear thermal transmittances and overestimates the wall’s surface temperature in the vicinity of the LTB. Moreover, the additional heat flow through the PTBs analysed was found to be significantly lower than the heat flow through the adjacent building elements and through the LTB junctions. However, the evaluation of the dynamic point thermal bridging effect in building envelope details can be very important when it comes to overcoming moisture condensation problems, since lower surface temperatures are registered in the vicinity of the PTBs under dynamic conditions. The dynamic behaviour of the linear and point thermal bridges clearly depends on the thermal properties of the materials and the position of the insulation layer.

As pontes térmicas lineares e pontuais (PTL e PTP) são caracterizadas por uma concentração dos fluxos de calor, que depende das suas características geométricas e das propriedades térmicas dos materiais. Esta concentração de fluxos é responsável pelo aumento das perdas de calor através da envolvente do edifício, durante a estação de aquecimento. Para além disso, nestas ligações bidimensionais (2D) e tridimensionais (3D), as temperaturas na superfície são normalmente significativamente mais baixas, aumentando o risco de condensações superficiais e a ocorrência de patologias no edifício. Por este motivo, é de extrema importância avaliar as PTL e PTP na fase de projeto dos edifícios, bem como determinar a sua contribuição no desempenho energético dos mesmos. A análise estática do desempenho energético de edifícios considera normalmente a existência de PTL, contudo a contribuição das PTP tende a ser desprezada. Por outro lado, os estudos de simulação dinâmica de edifícios, por norma, assumem apenas a transferência de calor unidimensional (1D) através da envolvente e não consideram os fluxos de calor multidimensionais que ocorrem através das PTL e PTP. No entanto, é muito importante prever o comportamento térmico dinâmico destas ligações, de modo a considerar a influência da inércia térmica dos materiais e assim ser possível escolher soluções construtivas de elevado desempenho que permitam reduzir o efeito da ponte térmica. Este tipo de análise permitirá prevenir o desenvolvimento de patologias associadas às pontes térmicas e aumentar o desempenho energético global do edifício. A maior parte dos estudos de análise dinâmica de PTL e PTP usam metodologias simplificadas e não fornecem informações precisas sobre o comportamento térmico dinâmico das mesmas. Logo, são necessários modelos mais realistas, que permitam obter resultados mais precisos e um maior conhecimento sobre o comportamento térmico dinâmico das pontes térmicas. O principal objetivo deste trabalho de investigação foi analisar o efeito dinâmico de pontes térmicas geométricas, lineares e pontuais, tais como os cantos 2D e 3D da envolvente de edifícios, através do Método dos Elementos de Fronteira (BEM) formulado no domínio da frequência. Para isso, foram desenvolvidas ferramentas de modelação numérica multidimensionais para o estudo da difusão de calor, em regime transiente, usando formulações 2D e 3D do BEM. Estas ferramentas permitiram calcular a distribuição de temperaturas e os fluxos de calor ao longo do tempo nas pontes térmicas lineares e pontuais. Os modelos numéricos foram primeiro verificados através de soluções analíticas, conhecidas para geometrias regulares. Posteriormente, estes modelos foram validados experimentalmente, através de medições realizadas numa hot box que simulam o comportamento térmico dinâmico de cantos 2D e 3D de um edifício em madeira. Foram realizadas várias simulações numéricas da transferência de calor transiente em cantos 2D e 3D de edifícios para ilustrar a aplicabilidade dos modelos BEM propostos e para avaliar o efeito das pontes térmicas ao longo do tempo. Foi ainda analisada a influência das soluções construtivas e da variação da temperatura exterior no comportamento térmico dinâmico das PTL e das PTP. A importância da modelação das pontes térmicas, em regime dinâmico, foi demonstrada. Este estudo permitiu concluir que uma análise estática subestima as transmissões térmicas lineares e sobrestima as temperaturas superficiais na PTL. Além disso, verificou-se que o fluxo de calor adicional através das PTP analisadas é significativamente menor do que o fluxo de calor que ocorre nos elementos construtivos adjacentes e nas PTL. No entanto, a avaliação do efeito dinâmico da PTP em pormenores construtivos da envolvente do edifício pode ser muito importante quando se trata de superar problemas de humidade, uma vez que, em condições dinâmicas, as temperaturas superficiais registadas nas PTP são mais baixas. O comportamento térmico dinâmico das pontes térmicas lineares e pontuais depende claramente das propriedades térmicas dos materiais e da localização da camada de isolamento.