Moisture Safety in Wood Frame Buildings - Blind evaluation of the hygrothermal calculation tool WUFI using field measurements and determination of factors affecting the moisture safety

Abstract

Due to increased awareness of climate change and higher energy costs, well-insulated buildings have become more common. Furthermore, interest in the use of wood in building to produce more carbon dioxide-efficient buildings has increased. However, thicker thermal insulation in building envelopes increases the risk of high relative humidity levels and the risk of mold-related damage in wood frame buildings. In order to predict the risk of moisture damage it is important to have a properly verified, user-friendly and reliable calculation tool that can be used in the design phase.



The first part of the thesis presents a blind validation method that can be used in order to verify heat and moisture calculation tools in a reliable manner. General results and findings from blind validations using a one-dimensional transient heat and moisture calculation tool are summarized and presented. The comparisons include measurements and calculations of temperature and relative humidity in wood frame walls and ventilated roofs carried out in Northern European climates.



The thesis shows and discusses examples of how the validated tool can be applied as a tool in the moisture safety design process in practice. Furthermore, a parametric study is presented in which moisture-critical positions in traditional Swedish wood frame designs in Northern European climates are investigated by using hygrothermal modeling. Traditional Swedish designs are compared to more energy-efficient designs with thicker thermal insulation, and alternative designs and important factors affecting the risk of mold growth in well-insulated wood frame constructions are presented.



In general, the comparisons of measured and blindly calculated values show a good correlation. The results indicate that the validated tool can be used during the moisture design process in a reliable manner. However, factors such as the influence of impaired temperature readings on relative humidity have to be taken into account. There is also a need for developing outdoor climate boundary conditions that include critical periods and variations between different years. Unexpected human behavior, poor workmanship and poor design may have major influences on the hygrothermal conditions in the wood frame construction. Several unexpected leakages caused by driving rain penetrating deep into different wooden frame walls, on the inside of the air gap, were noticed. It has to be discussed and further investigated what appropriate safety margins should be used in future hygrothermal calculations.



It has been found that there is a higher risk of moisture-related damage in thicker insulated walls and roofs. However, this risk can be reduced by choosing more suitable designs in which well-ventilated air gaps behind the cladding and exterior vapor-permeable moisture-proof thermal insulation boards are of great importance in walls. Wooden roof constructions were found to be very sensitive to all kind of leakages, both from exterior precipitation penetrating the roofing felt and interior humid air penetrating cracks or poorly executed joints in the interior vapor membrane. The ventilation rate in a cold roof air gap or cold attic must, primarily, be sufficiently high to remove all moisture. However, high ventilation rates decrease the temperature which, in turn, increases the relative humidity and this may cause damage. An unnecessarily high ventilation rate in the cold attic or air gap in roofs should therefore be avoided. This is possible to achieve if the exterior and interior membranes are water- and vapor-tight. The results also show that exterior insulation, on the outside of tongued and grooved wooden roof boarding limits the risk of damage.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hårdare krav på lägre energianvändning i byggnader samt ökade energipriser har gjort att välisolerade hus har blivit vanligare. Ökad medvetenhet om koldioxidens påverkan på klimat-förändringarna har också ökat intresset för trähus. Tjockare isolering ökar dock risken för höga fukttillstånd och med detta också risken för fuktskador. För att förutse och undvika fuktskador finns behov av ett pålitligt och användarvänligt beräkningsverktyg som kan användas i projekteringsfasen.

Denna studie visar en metod som kan användas för att blint verifiera värme- och fuktberäkningsprogram på ett trovärdigt sätt med de förutsättningar som normalt råder i projekteringsfasen. Generella resultat från ett omfattande projekt med jämförelser mellan resultat från fältmätningar och blinda beräkningar av temperatur och relativ fuktighet redovisas. Avhandlingen visar också på hur beräkningsverktyg kan användas i praktiken som en del av fuktsäkerhetsprojekteringen. I jämförelsen visas även om, när och varför förhållanden uppstår som gör mögelpåväxt möjlig på olika platser väggar och tak i fem studerade hus på olika orter i Sverige.

I studien redovisas också faktorer och parametrar som har stor inverkan på risken för mögelpåväxt på organiskt material i trähus. Fuktkritiska positioner i traditionella svenska väggar och tak studeras i en parameterstudie med hjälp av kopplade fukt- och värmeberäkningar. Utformningen och omgivande förutsättningar för de vanligt förkommande träkonstruktionerna modifieras med en mer energieffektiv design och resultatet från beräkningar med de nya förutsättningarna jämförs med varandra och med den ursprungliga designen.

Resultaten från jämförelsen visar generellt på en god överensstämmelse mellan fältmätningar och blinda beräkningar. Resultaten visar också att utvärderat verktyg kan användas i projekteringsfasen för att bedöma risken för kritiska fukttillstånd. Dock finns flera parametrar och faktorer som påverkar ånghalten eller temperaturen som kan ha stor betydelse för förutsättningarna för att göra en korrekt bedömning. Vidare påverkar variationerna i utomhusklimatet risken för skador i de mest kritiska positionerna långt ut i konstruktionerna i så pass stor utsträckning att det finns ett behov av ett pålitligt dimensionerande utomhusklimat. Det dimensionerande utomhusklimatet bör innehålla extremt klimat samt även beakta variationer mellan olika år. Faktorer som påverkan från oväntade boende vanor, dålig design eller undermåligt och icke-fackmannamässigt utförande kan också ha stor påverkan på uppskattade hygrotermiska förhållanden, och risken för skador, i trähus. Vidare har oväntade läckage från slagregn, tämligen långt in i träregelväggar och innanför luftspalten, noterats. Behovet av säkerhetsmarginaler i beräkningarna eller mögelmodeller behöver diskuteras.

Resultaten visar att det är en högre risk för påväxt av mögel i väggar och tak med tjock isolering. Genom att ha en väl ventilerad och dränerand luftspalt bakom fasaden skapas en robustare vägg med lägre risk för fuktskador. En diffusionsöppen mögelresistent, yttre isolering som monteras på utsidan av träreglarna, behövs för att minska risken för mögelpåväxt på utsidan av reglarna. Trätak har visat sig vara mycket känsliga för alla typer av inläckage, såväl från nederbörd från utsidan som från fuktig luft som tränger igenom den invändiga ångspärren. Luftomsättningen på kallvindar och i luftspalter i parallelltak skall vara så pass hög att fuktig luft ventileras ut men samtidigt så pass låg att temperaturen inte sänks. Resultaten visar också att en utvändig isolering på utsidan av råspotnen reducerar den relativa fuktigheten på insidan av råsponten under perioder då mögelpåväxt är möjlig.

• author: Mundt Petersen, Solof
• supervisor: Jesper Arfvidsson
• opponent: Professor Geving, Stig, Nowegian University of Science and Technology, Trondheim, Norway.
• organization: Division of Building Physics
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Building Technologies
• keywords: Blind Validation, Moisture Safety, Hygrothermal Calcualtion Tool WUFI, Wood Frame Buildings
• in: Report TVBH
• volume: 1021
• pages: 284 pages
• defense location: Hörsalen, Kårhuset, John Ericssons väg 3, Lund University, Faculty of Engineering, LTH.
• defense date: 2015-02-13 10:15:00
• external identifiers: other:TVBH-1021
• ISSN: 0349-4950
• ISBN: 978-91-88722-57-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 41c8a9a9-9773-406d-b9d8-12b8221f609c (old id 4937607)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:13:25
• date last changed: 2019-05-23 17:27:15