Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/81296
Title: The application of ICB as an external thermal insulating composite system an experimental and numerical study
Other Titles: A aplicação do ICB como sistema de isolamento térmico pelo exterior estudo experimental e numérico
Authors: Fino, Maria do Rosário Dinis Moreira 
Orientador: Tadeu, António José Barreto
Simões, Nuno Albino Vieira
Keywords: Expanded cork board; Experimental validation; Experimental characterization; Dynamic heat transfer; Numerical modelling; Boundary Element Method
Issue Date: 29-Oct-2018
Project: info:eu-repo/grantAgreement/FCT/PD/PD%2FBD%2F52303%2F2013/PT 
Abstract: The promotion of a more resource efficient and greener economy and the reduction of energy consumption are among the priorities defined in the Europe 2020 Strategy. The implementation of effective measures for reducing energy consumption in new construction and retrofitting existing buildings have therefore been set as priorities. The use of thermal insulation materials is the most efficient way of reducing heat loss in buildings, thus reducing heat energy needs. The potential of incorporating different types of waste and by-products, such as those produced in the cork processing industry, in construction materials and solutions is relevant for achieving a more sustainable construction and use of buildings throughout their life cycle. Expanded cork agglomerate (ICB) has been used on an ad hoc basis as an alternative to external thermal insulating composite systems but without a detailed technical characterisation. This work aims to contribute to the characterisation and development of this system by incorporating ICB boards, both when they are used in new building construction and for retrofitting projects. First, existing ICB coated buildings were visited to assess the main anomalies, its probable causes, and eventual solutions. A set of detailed application methods have been proposed. Constructive rules and construction details are presented. Maintenance actions to preserve the properties of the system are proposed. Then, a wide range of laboratory tests were performed to evaluate the mechanical, hygrothermal and durability characteristics of both standard (90-110 kg/m3) and medium (140-160 kg/m3) density ICB. It was found that the medium density ICB has a better mechanical performance, without compromising its hygrothermal behaviour, and therefore more suitable to be used as external insulation. It was proven that it is also resistant to long-term exposure to external aggression. The importance of varying moisture content on the thermal behaviour of a wall covered with medium density ICB, when exposed to rain, was evaluated. A simple analytical model that simulates the heat transfer phenomenon was used to quantify its importance by comparing the mathematical results with those obtained experimentally. Steady and unsteady state conditions for both summer and winter conditions were considered. The results show that the thermal behaviour of the wall is only affected during the rainy period, until the first few hours when the ICB starts to dry and is confined to the upper layers of ICB. The influence of the solar heat flux, temperature, and relative humidity on OSB and concrete walls covered with medium density ICB, with different thicknesses, was evaluated. A boundary element numerical model was used to simulate the coupled heat and moisture transfer through the walls. Initially, the effect of the abrupt variation of relative humidity and temperature were simulated, allowing to conclude that the relative humidity variation is only significant when, during the course of the year, there are relevant weather changes. Thus, summer and winter real weather data of both Bragança (Portugal) and Seville (Spain) were used to simulate the walls’ hygrothermal behaviour. The obtained results show that the short-term environment moisture variation has an impact limited to the outer surface layers and that the moisture along the wall is only high when the external moisture is high and remains high for an extended period. Finally, wind resistance, water-tightness and resistance to impacts of the proposed constructive solutions were experimentally evaluated.
A promoção de uma economia mais ecológica e mais eficiente a nível de recursos, assim como a redução do consumo de energia, estão entre as prioridades definidas na Estratégia para a Europa 2020. A implementação de medidas eficientes que permitam reduzir o consumo de energia, tanto em edifícios novos como em reabilitação, foi definida como prioritária. O uso de isolamento térmico é a maneira mais eficiente de minimizar as perdas de calor nos edifícios, reduzindo, assim, as necessidades de energia térmica. O potencial de incorporar diferentes tipos de resíduos e subprodutos, como os produzidos na indústria de processamento de cortiça, em materiais e soluções de construção, torna-se relevante para alcançar uma construção e uso mais sustentáveis dos edifícios ao longo de seu ciclo de vida. O aglomerado de cortiça expandido (ICB) tem sido usado como uma alternativa aos sistemas de isolamento térmico pelo exterior, mas sem uma caracterização técnica detalhada. Este trabalho tem como objetivo contribuir para a caracterização e de senvolvimento de sistemas incorporando ICB, quer para aplicação em edifícios novos, quer em obras de reabilitação. Como ponto de partida, foram visitados edifícios existentes revestidos a ICB, de forma a avaliar as suas principais anomalias, causas prováveis e eventuais soluções. São propostos um conjunto de métodos de aplicação do ICB e apresentados pormenores construtivos. De modo a preservar as propriedades do sistema, são ainda apresentados procedimentos de manutenção. Após este trabalho inicial, foi realizada uma vasta campanha de testes laboratoriais de forma a avaliar as propriedades mecânicas, higrotérmicas e de durabilidade do ICB de densidade standard (90-110 kg/m3) e de média densidade (140-160 kg/m3). Verificou-se que o ICB de média densidade apresenta um melhor desempenho mecânico sem comprometer o seu desempenho higrotérmico sendo, portanto, mais adequado para ser usado como isolamento térmico pelo exterior. Foi ainda comprovada a sua resistência à ação prolongada das agressões externas. Foi avaliada a importância da variação do teor de humidade no comportamento térmico de uma parede revestida com ICB de média densidade quando exposta à chuva. Um modelo analítico que simula o fenómeno de transferência de calor foi usado para quantificar a sua importância, através da comparação dos resultados matemáticos com os obtidos experimentalmente. Foram consideradas as situações de regime permanente e transiente, para as condições de verão e de inverno. Os resultados mostraram que o comportamento térmico da parede só é afetado durante o período de chuva e durante as primeiras horas de secagem do ICB, e é confinado às camadas superficiais do ICB. Foi avaliada a influência da radiação solar, temperatura e da humidade relativa em paredes de OSB e de betão revestidas com ICB de média densidade com diferentes espessuras. Foi utilizado um modelo numérico baseado no método dos elementos de fronteira para simular a transferência simultânea de calor e humidade. Inicialmente, foi simulado o efeito da variação abrupta da humidade relativa e temperatura, permitindo concluir que a variação da humidade relativa só é significativa quando, no decorrer do ano, há mudanças climáticas relevantes. Assim, os dados meteorológicos de verão e de inverno de Bragança (Portugal) e de Sevilha (Espanha) foram utilizados para simular o comportamento higrotérmico das paredes. Os resultados obtidos mostraram que a variação a curto prazo da humidade do ambiente tem um impacto limitado às camadas da superfície externa e que a humidade ao longo da parede é apenas alta quando a humidade exterior é alta e permanece alta durante um período prolongado. Por fim, a resistência ao vento, estanquidade e a resistência ao impacto das soluções construtivas propostas foram avaliadas.
Description: Thesis in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Sustainable Energy Systems submitted to the Department of Mechanical Engineering, FCTUC
URI: http://hdl.handle.net/10316/81296
Rights: openAccess
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