Contributions to the determination of thermal behaviour of façades using quantitative internal IRT (Infrared Thermography)

Abstract

Within the European framework, most of residential buildings do not satisfy the minimum thermal specifications. In fact, the renovation rate across the EU is estimated at 1% per year. To fulfil with the goals stated by European Directives 2010/31/EU and 2012/27/EU, it is necessary to ensure a minimum energy performance gap. From a thorough literature review, it was detected that the thermal behavior of a building is often underestimated or neglected during its construction and operation stages. For this reason, an accurate non-destructive testing (NDT) should be required, improving the shortcomings given by the current modelling tools and diagnostic techniques. The purpose of this thesis was to develop a method for determining in-situ the thermal behavior of façades under steady-state conditions using quantitative internal infrared thermography (IRT). After drawing up a numerical model to estimate the thermal transmittance (U-value) as a key parameter of the built quality, the dissertation continued with a validation process that was executed in two typical Spanish walls from different construction periods. This allowed: (i) refining the proposed method; (ii) exploring the boundaries conditions; (iii) assessing the influence of tabulated values set by international standards for wall emissivity and convective heat transfer coefficients among other aspects. The results revealed lower deviations related to the theoretical U-values (1.24 to 3.97%) for test durations of 2-3 hours. Furthermore, the results demonstrated that the use of tabulated values might entail high deviations (40%) in heavy multi-leaf walls with low U-values. Broadly, construction project documents for existing buildings, especially the oldest ones, are not available. Hence, this method may provide information about the building envelope for future refurbishment. In the case of new buildings, the method might allow the thermal behaviour of building façades to be checked according to the design parameters. Despite this, a subsequent literature review highlighted that a gap in the standardization of this method for in-situ building diagnostics is still to fill. Considering this aspect, three studies were developed in order to enhance the applicability of the quantitative internal IRT within the construction industry field. Firstly, the most influential operating conditions were analyzed through an experimental room with a heavy single-leaf wall tested under a wide temperature difference range (3.8 < DT < 21ºC). Secondly, this dissertation performed tests in a public housing stock comprised of four unoccupied buildings (without electric and heating systems in operation), to assess the influence of non-transient thermophysical properties of the wall (i.e. heat capacity per unit of area) on the accuracy of the method. Thirdly, a data-processing method based on U-value time series analysis was proposed and validated through six building façades with heavy multi-leaf walls. The aim was to find a common criterion for stopping the test when it is not necessary more data to obtain a reliable result. Having investigated the aspects mentioned above, it can be extrapolated that: (i) the optimum temperature difference range is found to be between 7 and 16ºC; (ii) the variance in the thermal transmittance could mainly be predicted by changes in the outer air temperature; (iii) the quantitative internal IRT is more accurate in heavy multi-leaf walls with high heat capacities per unit of area, reaching maximum deviations of 0.20%; (iv) the test might be executed in only 30 minutes; (v) the method could allow the assessment of aspects related to the determination of U-value of unoccupied buildings for DT under 10ºC, especially in Spain or European countries with a Mediterranean climate where these test conditions might represent a limitation. Hence, the decision-making could be streamlined in real built environments, increasing the European renovation rate in the mid-term. Dins el Marc Europeu, la majoria dels edificis residencials no satisfan les especificacions tèrmiques mínimes. De fet, la taxa de renovació a Europa és estimada en 1% anual. Per complir amb els objectius de les Directives Europees 2010/31/UE i 2012/27/UE, és necessari assegurar una bretxa energètica mínima. A partir d'un estat de l'art exhaustiu, es va detectar que el comportament tèrmic d'un edifici sovint és subestimat o negligit durant les etapes de construcció i operació. Per aquest motiu, una prova no destructiva i precisa hauria de ser requerida, per tal de millorar les deficiències donades per les actuals eines de modelització i diagnosi d'edificis. El propòsit de la tesi era desenvolupar un mètode per determinar in-situ el comportament tèrmic de les façanes sota condicions estacionàries mitjançant la termografia quantitativa interna (IRT). Després d'elaborar un model numèric per estimar la transmitància tèrmica (U-value) com a paràmetre clau de la qualitat construïda, la dissertació va continuar amb un procés de validació executat en dues parets típiques espanyoles de diferents períodes de construcció. Això va permetre: (i) refinar el mètode proposat; (ii) explorar les condicions de contorn; (iii) avaluar la influència dels valors tabulats establerts per les normatives internacionals per l'emissivitat de la paret i els coeficients de transferència de calor per convecció. Els resultats van revelar baixes desviacions respecte als valors teòrics de transmitància tèrmica (1.24 a 3.97%) per duracions de test entre 2 i 3 hores. A més a més, els resultats van demostrar que l’ús de valors tabulats podria implicar altes desviacions (40%) en parets compostes. En general, els projectes de construcció d'edificis existents antics no estan disponibles. Per tant, aquest mètode podria proporcionar informació sobre la façana per futures rehabilitacions. En el cas d’edificis nous, el mètode podria permetre verificar el comportament tèrmic de les parets d’acord amb els paràmetres de disseny. Malgrat això, una revisió bibliogràfica posterior va posar de manifest que encara hi ha una bretxa en la estandardització d’aquest mètode per la diagnosi in-situ. Considerant aquest aspecte, es van desenvolupar tres estudis per tal de millorar l’aplicabilitat de la termografia quantitativa interna dins el camp de la indústria de la construcció. En primer lloc, es va analitzar la influència de les condicions operatives en la determinació de la transmitància tèrmica mesurada a través duna cambra experimental amb una façana simple sota un ampli rang de diferència de temperatura (3.8 < DT < 21ºC). En segon lloc, es van dur a terme tests en un parc d’habitatges públics constituïts per quatre pisos desocupats (sense sistemes elèctrics ni de calefacció en funcionament), amb la finalitat d’analitzar la influència de les propietats termofísiques no transitòries (ex. la capacitat de calor per unitat d’àrea) en la precisió del mètode. En tercer lloc, es va proposar i validar un mètode de processat de dades basat en l’anàlisi de sèries de temps de la U-value mitjançant sis parets compostes. L’objectiu era trobar un criteri comú per aturar la prova quan no són necessàries més dades per obtenir un resultat fiable. Havent investigat els aspectes mencionats anteriorment, es pot extrapolar que: (i) el gradient de temperatura òptim es troba entre 7 i 16ºC; (ii) la variància en la transmitància tèrmica podria ser principalment atribuïda a canvis en la temperatura ambient de l’aire exterior; (iii) la IRT quantitativa interna és més acurada en parets compostes amb altes capacitats de calor per unitat d’àrea, aconseguint unes desviacions màximes del 0.20%; (iv) el test podria ser executat en només 30 minuts; (v) el mètode podria permetre l’avaluació d’aspectes relacionats amb la determinació de la U-value en edificis desocupats per T sota 10ºC, especialment a Espanya o països europeus amb un clima mediterrani on aquestes condicions de test podrien representar una limitació. Per tant, la presa de decisions es podria simplificar en entorns construïts reals.
 De fet, aquesta recerca podria conduir a una millor execució del procés de rehabilitació en edificis que s’espera que tinguin deficiències l’any 2050, augmentant així la taxa de renovació europea a mig termini.
 La dissertació conclou resumint les principals aportacions d’aquesta investigació. Els temes que s’han plantejat durant la recerca realitzada, i que no es van poder abordar, es comenten i es proposen com a línies de treball futures.