RenoFase WP3: Keuze uitvoeringstechniek: Gevalideerde en innovatieve oplossingen voor na-isolatie van gevels

Transcriptie

1 Stappenplan voor een kwaliteitsvolle, efficiënte renovatie WP3 Keuze uitvoeringstechniek: Gevalideerde en innovatieve oplossingen voor na-isolatie van gevels RenoFase WP3: Keuze uitvoeringstechniek: Gevalideerde en innovatieve oplossingen voor na-isolatie van gevels Deliverable D3-3 Syntheserapport: 'Innovatie voor Gevelrenovatie' 26/01/2017 Timo De Mets WTCB Met medewerking van: KU Leuven, Universiteit Gent Disclaimer Dit rapport is een projectresultaat gegenereerd binnen de context van het IWT-project RenoFase. Het geldt bijgevolg niet als een officieel document van de partijen die het document gerealiseerd hebben. De gepresenteerde bevindingen, analyses en adviezen worden enkel ten titel van inlichting gegeven.

2 INLEIDING DOELSTELLING De regelgeving voor nieuwbouw wordt steeds strenger, waardoor het nieuwste deel van het gebouwenpark redelijk tot zeer energiezuinig is. Ongeveer twee derde van de woningen is echter gebouwd voor 1970, een periode waarbij woningen doorgaans amper of niet geïsoleerd werden. Om het globale energieverbruik te beperken, zal er dus zeker aandacht geschonken moeten worden aan het isoleren van bestaande woningen. Het na-isoleren van de buitenmuren van deze bestaande woningen kan op drie manieren: spouwvulling, binnenisolatie en buitenisolatie. Ook een combinatie van deze technieken is mogelijk. Oude woningen zijn vaak opgebouwd uit massieve muren, waarbij enkel de twee laatste technieken mogelijk zijn. Deze isolatiewerken worden traditioneel uitgevoerd met materialen zoals PUR, EPS, minerale wol, Om de toenemende vraag aan renovatieprojecten in de toekomst beter te beantwoorden, wordt er steeds meer ingezet op innoverende isolatiematerialen. Dit rapport heeft een tweedelig doel. Het eerste deel beschrijft de huidige toestand van innovatie, met voornamelijk tot doel om de actoren te informeren over wat bestaat. Dit gedeelte wordt onderbouwd aan de hand van wetenschappelijke literatuur. Daarnaast worden innoverende systemen zelf getest aan de hand van testopstellingen en numerieke studies om op die manier de toepasbaarheid van bepaalde systemen te verifiëren. FOCUS Dit rapport legt de focus op isolatiematerialen, waarbij voornamelijk naar binnenisolatie van muren wordt gekeken. In dit rapport wordt enkel technologische innovatie bekeken, vanuit energetisch en hygrothermisch standpunt. Innovatie beperkt zich niet enkel tot het hygrothermische aspect van de isolatiematerialen, ook zijn impact op bijvoorbeeld de veiligheid (zoals brandveiligheid), gezondheid en milieu zijn zeer belangrijk. Hoewel bovengenoemde thema s zeer belangrijk zijn en niet uit het oog verloren mogen worden, maken ze geen deel uit van het project en worden ze niet verder behandeld. 2

3 WERKWIJZE In dit syntheserapport wordt de volgende werkwijze gehanteerd: 1. Synthese innovatieve isolatiematerialen 1.1. Traditionele isolatiematerialen 1.2. Capillair actieve isolatiematerialen 1.3. Superisolerende materialen 2. In-situ metingen (later) 3. Vergelijking numerieke simulaties (later) In het eerste hoofdstuk wordt een synthese gegeven van de bestaande innovatieve isolatiematerialen, waarbij telkens een overzicht wordt gegeven van het werkingsprincipe, de voor- en nadelen worden besproken en enkele voorbeelden worden aangehaald. Hierbij wordt ingegaan op de capillair actieve en de superisolerende materialen. Het tweede hoofdstuk behandelt de in-situ metingen, met de resultaten van enerzijds een testopstelling op de site van het WTCB en anderzijds case studies. Het derde hoofdstuk is toegespitst op het uitvoeren van numerieke simulaties en het vergelijken van deze resultaten met de in-situ metingen. Hoofdstukken 2 en 3 zullen in latere fase worden toegevoegd. 3

4 1. SYNTHESE INNOVATIEVE ISOLATIEMATERIALEN 1.1 TRADITIONELE ISOLATIEMATERIALEN Alvorens innovatie in isolatiematerialen te bespreken, moet eerst gedefinieerd worden wat als traditioneel wordt beschouwd. Het begrip traditioneel wordt in het kader van dit rapport als verzamelnaam gebruikt voor isolatiematerialen die reeds vele jaren een grote toepassing kennen in het isoleren van woningen. Deze materialen kunnen op basis van hun dampdiffusieweerstand (µ-waarde) onderverdeeld worden in dampopen of dampdichte isolatiematerialen. Minerale wol en platen op basis van hout worden als dampopen beschouwd; EPS, XPS en PUR zijn weinig dampdoorlatend, terwijl cellenglas volledig dampdicht is. Het hygrothermische ontwerp van een wand die geïsoleerd wordt met dergelijke materialen, is relatief eenvoudig. Bij binnenisolatie moet het isolatiesysteem voldoende dampdicht zijn om inwendige condensatie te vermijden. Deze dampdichtheid kan bereikt worden door gebruik te maken van een dampscherm of materialen die zelf dampdicht zijn. De methode van Glaser [1] laat op een eenvoudige manier toe om het risico op inwendige condensatie te onderzoeken. Er zijn ook grafieken die aangeven hoe groot welke µd-waarde het isolatiesysteem dient te hebben in functie van de toegevoegde R-waarde (zie WTCB-dossier 2013/2.4 [2]). Bij wijze van overzicht geeft Figuur 1 voor de bekendste isolatiematerialen de µ- en λ-waarde. Deze waarden zijn louter indicatief en vooral gebaseerd op technische fiches of genormeerde tabellen. In de zoektocht naar innovatieve isolatiematerialen, worden vaak twee pistes bewandeld: Dampdichte materialen verhinderen de droging naar de binnenruimte, waardoor het metselwerk vaak vochtiger wordt. Capillair actieve isolatiematerialen bieden een mogelijke oplossing aan. Superisolerende materialen laten door hun lage λ-waarde toe om de isolatiedikte te beperken. Dit is in het bijzonder voor binnenisolatie interessant, aangezien er minder binnenruimte wordt afgestaan µ-waarde [-] λ-waarde [W/mK] Minerale wol PUR XPS EPS Cellulose Cellenglas FIGUUR 1: µ- EN λ-waarde (INDICATIEF) VOOR TRADITIONELE ISOLATIEMATERIALEN [3, 4] 4

5 1.2 CAPILLAIR ACTIEVE ISOLATIEMATERIALEN Bij binnenisolatie wordt er traditioneel een dampdicht systeem gebruikt om inwendige condensatie te vermijden. Er bestaan echter andere vochtbronnen, zoals regen en opstijgend vocht, waarbij er vaak veel meer vocht in de muur kan indringen dan bij inwendige condensatie. De dampdichte materialen vermijden dat een vochtige wand naar binnen zal kunnen uitdrogen. Muren die onderhevig zijn aan veel regen, zullen daardoor typisch vochtiger staan, zeker omdat muren met binnenisolatie kouder staan en daardoor trager drogen. Capillair actieve isolatiematerialen zijn materialen die bovengenoemde problematiek trachten op te lossen: ze zijn dampopen (waardoor de wand naar de binnenzijde kan drogen), terwijl inwendige condensatie vermeden wordt. Bovendien zijn ze in staat vocht op te slaan in het materiaal (meer uitleg in paragraaf 1.2.1). Het volgend voorbeeld toont het potentieel van capillair actieve materialen aan (zie Figuur 2). We beschouwen een 30 cm west-georiënteerde wand, aan de binnenzijde geïsoleerd met enerzijds 6 cm PUR, anderzijds 15 cm calciumsilicaat, een capillair actief isolatiemateriaal. De isolatiediktes zijn zo gekozen dat ze beide eenzelfde warmteweerstand hebben. De situatie wordt beschouwd met en zonder regen in een Belgisch klimaat. Zonder regen is de hoeveelheid vocht in de muur met PUR-isolatie redelijk laag; dit is ook te verwachten aangezien de belangrijkste vochtbron in dit geval inwendige condensatie is, die op een correcte manier wordt tegengehouden. Als de muur blootgesteld is aan regen, dan stijgt het vochtgehalte in het metselwerk aanzienlijk. Is dezelfde wand geïsoleerd met calciumsilicaat, dan valt het op dat de muur een stuk droger staat. Dit is interessant om bijvoorbeeld vorstschade en het rotten van houten vloerbalken te vermijden. Enerzijds is het precieze werkingsprincipe van deze materialen bij een groot deel van het publiek onvoldoende gekend. Anderzijds wordt de term capillair actief soms verkeerdelijk aan een materiaal gekoppeld. Dit hoofdstuk heeft tot doel een definitie te vormen en enkele materialen als voorbeeld aan te halen. 15 kg Vochtgehalte in metselwerk PUR zonder regen PUR met regen CaSi zonder regen CaSi met regen 0 kg Jan Mei Sep Jan FIGUUR 2: DE RELATIEVE VOCHTIGHEID TUSSEN MUUR EN BINNENISOLATIE IS LAGER IN HET GEVAL VAN CALCIUMSILICAAT 5

6 1.2.1 WERKINGSPRINCIPE Het werkingsprincipe van deze materialen wordt geïllustreerd in Figuur 3. In de winter is het binnen in een woning typisch vochtiger dan buiten (hogere dampdruk binnen), waardoor damp van binnen naar buiten zal stromen. Capillair actieve isolatiematerialen zijn dampopen en verhinderen deze dampstroom dus niet. Doorheen de isolatie koelt de damp af en wordt het dauwpunt bereikt. waardoor de damp zal condenseren tegen de koude zijde van de isolatie. Het isolatiemateriaal neemt dit condensaat via capillaire werking op en transporteert het naar de andere zijde van het materiaal (in dit geval de binnenzijde). Om dit werkingsprincipe te garanderen, moet het isolatiemateriaal een aantal noodzakelijke eigenschappen bezitten. Een isolatiematerialen wordt daarom capillair actief genoemd, als het materiaal [5, 6]: voldoende dampopen is vloeibaar water voldoende kan transporteren, ook bij lage vochtgehaltes voldoende vocht kunnen bufferen Het werkingsprincipe heeft ook enkele praktische gevolgen: Inwendige condensatie moet door het isolatiemateriaal opgenomen worden. Is de ondergrond echter onregelmatig, zoals vaak het geval bij metselwerk, dan kunnen er luchtholtes ontstaan tussen de isolatie en de muur. Condensatie zal in dit geval tegen het metselwerk plaatsvinden en door de luchtholtes niet worden opgenomen door de isolatie [7, 8]. Om deze luchtholtes te vermijden, worden de meeste capillair actieve isolatiematerialen daarom volvlakkig tegen de bestaande muur gelijmd. Er mag niet eender welke lijmmortel worden gebruikt: de eigenschappen ervan moeten afgestemd zijn op deze van het isolatiemateriaal. Daarom heeft elke isolatie zijn eigen lijmmortel [5, 6, 9]. De binnenafwerking moet dampopen zijn [10]. Indien deze dampdicht is, zal de damp niet in de constructie kunnen stromen en wordt de zogenaamde capillaire werking stopgezet. Ook zal vocht dat aanwezig is in het materiaal (ten gevolge van bv. regen) niet meer aan de binnenruimte kunnen worden afgegeven. Het nadeel is dus dat elke toekomstige gebruiker op de hoogte zou moeten zijn van deze eis: het aanbrengen van een dampdichte verflaag kan de werking volledig verstoren. FIGUUR 3: WERKINGSPRINCIPE CAPILLAIR ACTIEVE ISOLATIEMATERIALEN [6] 6

7 1.2.2 VOOR- EN NADELEN De voordelen van capillair actieve isolatiematerialen zijn hieronder opgesomd. Ze zijn dampopen en kunnen tegelijkertijd vocht bufferen. Het dampopen karakter laat toe dat de muur naar de binnenzijde kan drogen. Bij binnenisolatie is dit interessant omdat het metselwerk kouder zal zijn en dus trager zal drogen dan voor de isolatiewerkzaamheden. Het gunstig effect van deze droging is geïllustreerd in Figuur 2. Ze zijn dampopen, waardoor een continue dampdichte laag niet vereist is. Bij traditionele dampopen materialen is dit wel noodzakelijk. Dit vergt enerzijds een zeer zorgvuldige uitvoering tijdens plaatsing (zeker ter plaatse van aansluitingen), maar ook in gebruiksfase is doorboring van het dampscherm een aandachtspunt. Een leidingenspouw kan in dit geval een oplossing bieden. Ze kunnen vocht bufferen. Indien het binnen plaatselijk vochtiger is, zal er meer vocht door het materiaal worden opgenomen. De aanvoer en afvoer van vocht zal echter veel sneller en efficiënter kunnen verlopen via een ventilatiesysteem. Deze materialen hebben echter ook een aantal belangrijke aandachtspunten. De λ-waarde is doorgaans hoger dan deze van de traditionele materialen (zie Figuur 4), waardoor ze dikker moeten worden uitgevoerd om eenzelfde warmteweerstand te behalen (bijvoorbeeld 15 cm calciumsilicaat tegenover 6 cm PUR, zie Figuur 2). Bovendien zullen de thermische prestaties bijkomend dalen door het feit dat het materiaal vocht opneemt. Het ontwerp van deze binnenisolatiesystemen is ingewikkelder. Traditionele materialen moeten een voldoende hoge dampweerstand bezitten, wat met de methode van Glaser eenvoudig gecontroleerd kan worden. Deze methode is niet toepasbaar voor capillair actieve isolatiematerialen; voor deze materialen moet men eerder teruggrijpen naar geavanceerde numerieke simulaties. Als er regendoorslag kan plaatsvinden (bijvoorbeeld bij veel regenbelasting op een dunne muur), zouden deze materialen het regenwater kunnen beginnen opnemen en naar binnen transporteren, wat zowel op vlak van vochthuishouding als thermische prestaties nadelig is [11]. Het is dus aangeraden om de regenbelasting te verlagen (bijvoorbeeld via een waterwerende behandeling) Capillair actieve materialen zijn ook gevoeliger voor aanpassingen dan de dampdichte materialen. Denk maar aan het eerder aangehaalde voorbeeld waarbij het aanbrengen van een dampdichte verf problematisch is voor dit type isolatiemateriaal OVERZICHT VAN ENKELE CAPILLAIR ACTIEVE ISOLATIEMATERIALEN In paragraaf werd gezegd dat capillair actieve materialen voldoende dampopen, vochtgeleidend en vochtbufferend moeten zijn. Deze eisen zijn bewust vaag gekozen: momenteel is het nog niet bepaald welke limieten volstaan om het werkingsprincipe van deze materialen te garanderen. Dit heeft er toe geleid dat sommige fabrikanten producten op de markt brengen die zogenaamd capillair actief zijn, hoewel de eigenschappen eerder beperkte capillaire activiteit doen vermoeden [9]. Figuur 5 geeft de dampdichtheid µd (voor een warmteweerstand van 2 m²k/w) en de waterabsorptiecoëfficiënt Aw weer van enkele materialen die voorgesteld worden als capillair actief. De dampdichtheid (µd) is dus best zo klein en de absorptiecoëfficiënt (Aw) zo groot mogelijk. Uit de figuur is het duidelijk dat bij heel wat materialen dit niet het geval is. In de rest van dit onderdeel worden deze materialen verder toegelicht. 7

8 TRADITIONEEL INNOVATIEF TRADITIONEEL INNOVATIEF Deliverable D3-3 Calciumsilicaat + traditioneel Geperforeerd PUR Houtvezelisolatie Geëxpandeerd perliet Cellenbeton Calciumsilicaat PUR Minerale wol λ-waarde [W/mK] 0.07 FIGUUR 4: TYPISCH BEREIK VAN DE WARMTEGELEIDINGSCOËFFICIËNT VAN TRADITIONELE EN CAPILLAIR ACTIEVE MATERIALEN 0 A w [kg/m²s 0,5 ] 1.2 Calciumsilicaat + traditioneel Geperforeerd PUR Houtvezelisolatie Geëxpandeerd perliet? 0.5 Cellenbeton Calciumsilicaat PUR Minerale wol µd [m] voor R isol = 2 m²k/w 3 FIGUUR 5: INDICATIEVE WAARDE VAN DAMPDICHTHEID EN WATERABSORPTIECOËFFICIËNT VOOR CAPILLAIR ACTIEVE MATERIALEN 8

9 CALCIUMSILICAAT Een typisch voorbeeld van een capillair actief isolatiemateriaal is calciumsilicaat. Het werkingsprincipe is al meermaals onderzocht en aangetoond [10, 12 14], en ook de eigenschappen in Figuur 5 tonen aan dat het een dampopen materiaal is (lage µd-waarde) dat veel vocht kan opnemen (hoge Aw-waarde). Figuur 6 illustreert de capaciteit van deze isolatie om vocht op te nemen en te herverdelen. Bij dunne muren (grote kans op regendoorslag) en lage isolatiediktes (weinig buffermogelijkheid) bestaat het risico dat het materiaal ook veel regen begint op te nemen en naar binnen transporteert. Dit zou uiteindelijk zelfs tot oppervlakteschimmel zou kunnen leiden [10, 11, 15]. Het materiaal heeft een λ-waarde in droge toestand van 0,060 à 0,065 W/m.K. Deze waarde zal bij vochtopname nog hogere waardes aannemen. FIGUUR 6: VOCHTHERVERDELING VAN CALCIUMSILICAAT ( FIGUUR 7: CELLENBETON ALS BINNENISOLATIE ( CELLENBETON Cellenbeton is al jaren gekend als isolerende bouwsteen. Door het aantal cellen te verhogen, krijgt het materiaal een lagere dichtheid en een lagere λ-waarde (0,045 W/m.K) en kan het ook als isolatiemateriaal gebruikt worden. Het bekendste voorbeeld is Multipor van Xella (zie Figuur 7). Figuur 5 toont aan dat het een dampopen isolatiemateriaal is, maar dat de absorptiecoëfficiënt zeer klein is, waardoor het veel minder vocht zal kunnen opnemen. Sommige studies stellen dan ook vochtaccumulatie vast in het metselwerk [8, 11], andere studies [5, 14] tonen aan dat er wel goede resultaten te verwachten kunnen zijn. Deze case-afhankelijkheid bevestigd het moeilijke ontwerp van binnenisolatiesystemen die dit type materiaal gebruiken GEËXPANDEERD PERLIET Perliet is een vulkanisch gesteente dat als basis gebruikt kan worden voor isolatiematerialen, waarbij een λ- waarde van 0,045 W/m.K gehaald wordt. Twee bekende voorbeelden zijn TecTem van Knauf en StoTherm In Comfort van Sto(zie Figuur 8). De eigenschappen van deze materialen lijkt veelbelovend, maar tot op heden is er zeer weinig onderzoek naar dit materiaal uitgevoerd. Ze worden getest in een van de testopstellingen van het WTCB, wat moet leiden tot een beter beeld over de prestaties van dit materiaal. 9

10 FIGUUR 8: TOEPASSING VAN GEËXPANDEERD PERLIET ALS BINNENISOLATIE ( HOUTVEZELISOLATIE Ook materialen op basis van hout worden vaak genoemd als zijnde capillair actief. In een monitoringstudie [16] werden houtvezelisolatieplaten uitgetest, waarbij goede prestaties werden vastgesteld, wel telkens met zeer lage relatieve vochtigheden aan de binnenzijde en dus zeer gunstige omstandigheden. Er bestaan eveneens composietplaten platen die samengesteld zijn uit verschillende lagen waarbij het de bedoeling is de condensatie plaats te laten vinden tussen een van deze lagen. Dit gebeurt door tussen deze twee lagen een vochtregulerende folie te plaatsen. Deze samenstelling werd al in 2003 theoretisch uitgedacht [7] en is in de praktijk terug te vinden is als bijvoorbeeld Pavatex Pavadentro (Figuur 10). Deze materialen hebben als voordeel dat het condensatievlak in het materiaal is gelegen, waardoor het materiaal minder gevoelig voor de manier waarop het bevestigd is op de muur: eventuele luchtholtes tussen muur en isolatie (bijvoorbeeld bij zeer onregelmatig metselwerk) zijn in dit geval minder problematisch. Uit materiaalonderzoek [9] blijkt dat de laag aan de muurzijde zeer weinig water kan opnemen, terwijl de overige lagen een hogere absorptiecoëfficiënt hebben; dit stemt overeen met het werkingsprincipe. Experimentele en numerieke berekeningen [8] hebben echter aangetoond dat in gebruiksfunctie condensatie voornamelijk zal optreden tussen isolatie en metselwerk. FIGUUR 9: HOUTVEZELISOLATIE ALS BINNENISOLATIE FIGUUR 10: COMPOSIETPLAAT ( 10

11 COMBINATIE CAPILLAIR ACTIEF EN TRADITIONELE MATERIALEN Zoals eerder gezegd, is de λ-waarde van capillair actieve materialen meestal hoger dan deze van traditionele materialen. De isolerende waarde van materialen kan verbeterd worden door capillair actieve materialen te combineren met traditionele materialen. Een eerste voorbeeld is een PUR-plaat die geperforeerd is door kanaaltjes gevuld met capillair actief materiaal. Dit is commercieel beschikbaar als iq-therm van Remmers. De diameter van de kanaaltjes bedraagt ongeveer 3 mm, de onderlinge tussenafstand 40 mm. De plaat heeft een λ-waarde van 0,031 W/m.K. Uit Figuur 5 volgt dat dit materiaal echter eerder dampdicht is en zeer weinig water kan opnemen. Het lijkt zich dus eerder te gedragen als een traditionele PUR-plaat, waarbij de invloed van de kanaaltjes zeer gering is. Dit wordt ook bevestigd door verschillende studies [9, 11, 14]. FIGUUR 11: REMMERS IQ-THERM ( Een ander voorbeeld is een calciumsilicaatplaat waarbij de kern vervangen wordt door een beter isolerend materiaal zoals PUR (λ-waarde 0,031-0,034 W/m.K) of cellenglas (λ-waarde 0,043-0,045 W/m.K), commercieel te verkrijgen als Xtra Klimaplatte van Calsitherm. Figuur 5 geeft aan dat dit materiaal wel nog veel vocht kan opnemen, maar dat door de aanwezigheid van de traditionele materialen de dampdichtheid sterk toeneemt, wat ongewenst is. FIGUUR 12: CALSITHERM XTRA KLIMAPLATTE 11

12 1.2.4 CONCLUSIE Zoals in Figuur 2 werd aangetoond, kunnen capillair actieve materialen een interessante oplossing zijn voor binnenisolatie. Deze materialen zijn namelijk dampopen waardoor ze droging naar binnen toelaten, terwijl inwendige condensatie geen probleem vormt omdat de materialen in staat zijn vocht op te slaan en te herverdelen. Deze materialen hebben zeker hun voordelen ten opzichte van traditionele isolatiematerialen, maar er zijn ook een aantal belangrijke aandachtspunten, waardoor er veel meer kennis en voorbereidingswerk vereist is van de ontwerper. Er bestaan op de markt veel materialen waarvan de fabrikanten beweren dat ze capillair actief zijn. Figuur 5 en de verdere bespreking hebben echter aangetoond dat dit voor sommige materialen nader onderzocht moet worden. Om zelf een materiaal te kunnen beoordelen op zijn capillaire activiteit, is het vaak nuttig om naar de dampdichtheid µd en de waterabsorptiecoëfficiënt Aw te kijken. Als het materiaal een lage absorptiecoëfficiënt heeft, zal het amper inwendige condensatie op kunnen nemen en is het dus louter een dampopen (en dus niet een capillair actief) materiaal. Deze materialen hebben wel nog het voordeel dat de muur naar de binnenzijde kan drogen. Echter, het is risicovol om inwendige condensatie toe te laten. In bepaalde gevallen kan dit condensaat op een later tijdstip uiteindelijk wel uitdrogen en zijn er geen problemen te verwachten, maar in andere gevallen is dit niet het geval en kan de vochttoename belangrijk zijn. Er moet in dit geval telkens een hygrothermische studie uitgevoerd worden om de toepasbaarheid te onderzoeken. Als het materiaal een hoge dampdiffusieweerstand heeft, is het dus een dampdicht (en dus niet een capillair actief) materiaal. Deze materialen gedragen zich eerder als een traditioneel materiaal, waarbij inwendige condensatie door hun dampweerstand wordt vermeden, en de muur dus niet naar de binnenzijde kan drogen. De eventuele mogelijkheid om vocht op te nemen is voor deze materialen van weinig belang. 12

13 1.3 SUPERISOLERENDE MATERIALEN Isolatiematerialen zijn poreuze materialen, wat betekent dat ze bestaan uit een vast skelet en een hele reeks poriën. De meeste traditionele isolatiematerialen hebben hun lage λ-waarde te danken aan de aanwezigheid van stilstaande lucht in deze poriën; lucht is namelijk een goede isolator: onder atmosferische bedraagt de λ- waarde 0,025-0,026 W/m.K. Dit betekent wel dat dat een lagere λ-waarde niet mogelijk is voor deze materialen (bv. minerale wol: 0,040 W/m.K), zeker omdat er naast lucht ook nog een vast skelet aanwezig is. Een uitzondering is bijvoorbeeld PUR, waarbij geen lucht wordt gebruikt (zie later). [17] Om aan de steeds strenger wordende regelgeving te voldoen, zijn bij traditionele materialen zeer grote isolatiediktes vereist. In dit opzicht zijn superisolerende materialen zeer interessant: ze beogen een zeer lage λ- waarde waardoor de isolatiedikte voor eenzelfde warmteweerstand afneemt. De λ-waarde van isolatiematerialen kan op volgende manieren verbeterd worden: De lucht in de poriën vervangen door een beter isolerend gas De lucht uit de poriën verdrijven (de druk in de poriën verlagen) [18] De poriëngrootte verkleinen [18] LUCHT VERVANGEN Figuur 13 toont aan dat er een aantal gassen bestaan waarvoor de warmtegeleiding aanzienlijk lager is dan deze van lucht. Indien we de lucht in de poriën van een isolatiemateriaal dus vervangen door zo n beter isolerend gas, dan zal de globale isolerende waarde van het materiaal zelf ook verbeteren. Een van de bekendste voorbeelden is PUR of PIR, waarbij λ-waardes van 0,022-0,023 W/m.K gehaald kunnen worden. Deze materialen worden vandaag de dag al veelvuldig toegepast voor het isoleren van woningen en worden in het kader van dit werk eerder als traditionele materialen beschouwd. Om de lage λ-waarde op lange termijn te behouden, moet men vermijden dat het isolerende gas uit de poriën diffundeert. Daarom worden deze isolatiematerialen bedekt met een geschikte beschermlaag. FIGUUR 13: DE THERMISCHE GELEIDBAARHEID (WEERGEGEVEN BIJ ATMOSFERISCHE DRUK EN KAMERTEMPERATUUR) IS VOOR BEPAALDE GASSEN GUNSTIGER DAN LUCHT EN DAALT BIJ KLEINER WORDENDE PORIËNDIAMETER [19] 13

14 FIGUUR 14: DE THERMISCHE GELEIDBAARHEID DAALT BIJ KLEINER WORDENDE PORIËNDIAMETER EN PORIËNDRUK [19] PORIËNGROOTTE VERKLEINEN De poriën van isolatiematerialen hebben typisch een diameter van enkele millimeters tot enkele nanometers. Figuur 13 en Figuur 14 tonen aan dat de poriëndiameter een grote invloed heeft op de λ-waarde van de lucht in deze poriën: bij zeer kleine poriën zal de lucht in het materiaal veel beter isoleren. Er bestaan al een aantal isolatiematerialen met kleine poriën op de markt. Meestal bedraagt hun diameter enkele tientallen nanometers, men spreekt dan ook van nanoporeuze materialen. Een typisch voorbeeld zijn aerogels. Dit zijn veelbelovende materialen: de λ-waarde kan zeer laag zijn (theoretisch zelfs vanaf 0,004 W/m.K) en kunnen opaak of doorschijnend zijn [19]. Aerogels moeten gemengd worden met andere producten om tot gebruiksklare producten te komen. Commercieel zijn ze in verschillende vormen en toepassingen terug te vinden. Voorbeelden zijn: Isolatieplaten, bijvoorbeeld StoTherm in Aevero van Sto (op basis van aerogel, λ-waarde 0,016 W/m.K) en Calostat (op basis van amorf silica, λ-waarde 0,019 W/m.K) Soepele isolatiedekens (toepassing in daken, vloeren en muren), bijvoorbeeld Spaceloft van Aspen Aerogels (op basis van aerogel, λ-waarde 0,016 W/m.K) Isolerende pleister, bijvoorbeeld Fixit 222 van Fixit (op basis van aerogel, λ-waarde 0,028 W/m.K) Combinatieproducten, bijvoorbeeld holle bouwblokken met superisolerende materialen (zie Figuur 15) Lichtdoorlatende raampanelen, bijvoorbeeld Kalwall Plus Lumira van Kalwall (op basis van aerogel, U- waarde 0,28 W/m².K) 14

15 FIGUUR 15: COMBINATIE BOUWBLOKKEN MET SUPERISOLERENDE MATERIALEN (CALOSTAT) FIGUUR 16: LICHTDOORLATENDE PANELEN OP BASIS VAN AEROGEL IN BUURTSPORTHAL PARKLOODS, ANTWERPEN (KALWALL) LUCHT VERDRIJVEN De lucht in de poriën van traditionele isolatiematerialen bevindt zich onder atmosferische druk. Figuur 14 toont dat de λ-waarde daalt bij lagere poriëndruk en uit Figuur 17 volgt dat dit eveneens afhankelijk is van het type isolatiemateriaal. Zeer lage drukken zijn moeilijk op te leggen en te behouden. Dit wordt gemakkelijker indien het materiaal kleine poriën heeft, waardoor vaak aerogels of pyrogeen kiezelzuur (fumed silica) worden gebruikt. Het bekendste isolatiemateriaal dat gebruik maakt van dit principe, zijn vacuüm isolatiepanelen (VIP). Als kernmateriaal wordt er meestal pyrogeen kiezelzuur gebruikt. Hiermee kunnen λ-waarde vanaf 0,003 W/m.K bereikt worden. Het kernmateriaal is omgeven door een dampdichte mantel om te vermijden dat lucht in het kernmateriaal zou diffunderen (dit zou namelijk de druk en dus de λ-waarde doen stijgen). Het aanhouden van deze zeer lage druk (vacuümomstandigheden) is cruciaal voor de goede isolerende waarde, aangezien een hogere druk ook een hogere λ-waarde inhoudt. VIP-panelen hebben enkele belangrijke aandachtspunten: De panelen moeten op voorhand op maat gemaakt worden, waardoor er tijdens de uitvoering weinig flexibiliteit is (geprefabriceerde panelen). Door het grote drukverschil tussen het kernmateriaal en de omgeving, zal er na verloop van tijd onvermijdelijk lucht diffunderen doorheen de dampdichte mantel en zal de poriëndruk toenemen. Door deze zogenaamde veroudering zal de λ-waarde na 25 jaar stijgen tot 0,007-0,008 W/m.K, wat nog steeds aanzienlijk gunstiger is dan de courante isolatiematerialen. Bij berekeningen houdt men dus best wel rekening met deze iets hogere λ-waarde. Indien de mantel wordt doorboord of beschadigd (bijvoorbeeld bij transport, plaatsing of ingebruikname), stijgt de luchtdruk naar de omgevingsdampdruk (atmosferische druk) en zal dus ook de λ-waarde aanzienlijk stijgen. Voor pyrogeen kiezelzuur als kernmateriaal stijgt dit naar 0,020 W/m.K [19]. Hoewel deze waarde nog steeds laag is in vergelijking met de meeste traditionele materialen, zullen de warmteverliezen veel hoger zijn dan initieel voorzien en kan bijvoorbeeld een nieuw verwarmingssysteem onvoldoende vermogen leveren. Om doorboring of beschadiging tegen te gaan, kan het paneel worden beschermd met bijvoorbeeld multiplexplaten (Figuur 18). 15

16 FIGUUR 17: VOOR BEPAALDE TYPES KERNMATERIAAL WORDT EEN LAGE λ-waarde BEREIKT BIJ EEN HOGERE PORIËNDRUK [18] FIGUUR 18: VERSCHILLENDE MANIEREN OM DE MANTEL VAN VIP-PANELEN TE BESCHERMEN TEGEN BESCHADIGING (VARIOTEC) FIGUUR 19: TOEPASSING VAN VIP-PANEEL BESCHERMD MET EPS (VARIOTEC) TOEPASSINGSGEBIED Zowel nanoporeuze isolatiematerialen als VIP-panelen zijn (nog) zeer duur. Dit is enerzijds omdat ze nog niet op zeer grote schaal gebruikt worden. Indien de interesse naar deze materialen in de toekomst verder zou toenemen, is een prijsdaling zeker mogelijk door bijvoorbeeld een toenemende productie, doorgedreven onderzoek en meer marktspelers. Anderzijds zijn de gebruikte grondstoffen en het productieproces duur, waardoor het zelfs met verhoogde interesse hoe dan ook dure producten zullen blijven. Door de hoge kostprijs zal het product waarschijnlijk nooit courant gebruikt worden als isolatiemateriaal voor de volledige wand, tenzij het verlies aan binnenruimte een cruciale factor speelt (bijvoorbeeld op plaatsen waar de prijs per nuttige vloeroppervlakte zeer hoog is). Superisolerende isolatiematerialen kunnen daarnaast zeker hun nut hebben op plaatsen waar er lokaal slechts een beperkte dikte mogelijk is. Door hun goede thermische eigenschappen kunnen ze daar toch voor een belangrijke thermische verbetering zorgen. Dergelijke plaatsen zijn bijvoorbeeld ter plaatse van rolluikkasten (Figuur 20) en balkonaansluitingen (Figuur 21), als retourisolatie bij ramen, binnenmuren of tussenvloeren (Figuur 22) en achter radiatoren. 16

17 FIGUUR 20: VIP TER PLAATSE VAN RAAMAANSLUITING, LOKAAL BEPERKTE PLAATS DOOR ROLLUIKKAST (VARIOTEC) FIGUUR 21: VIP TER PLAATSE VAN BALKONAANSLUITING, LOKAAL BEPERKTE PLAATS DOOR AFVOER (VARIOTEC) FIGUUR 22: DE VIP-PANELEN (SLIM THERMAL BREAKER) LATEN EEN DUNNE EN TOCH THERMISCH VOORDELIGE RETOURISOLATIE TOE [20] 17

18 1.3.5 CONCLUSIE Superisolerende materialen zijn nuttig omdat ze voor eenzelfde isolerende waarde dunner uitgevoerd kunnen worden dan traditionele isolatiematerialen. Dunnere isolatiediktes zorgen voor dunnere wanden, en in het geval van binnenisolatie een kleiner verlies van binnenruimte. De λ-waarde kan verlaagd worden door de lucht in het materiaal te vervangen door een beter isolerend gas, door materialen te gebruiken met zeer fijne poriën of door de lucht uit de poriën te verdrijven. In dit onderdeel werd voornamelijk aandacht beschouwd aan de laatste twee groepen. Deze types isolatiematerialen worden echter nog niet op zeer grote schaal gebruikt en worden doorgaans gekenmerkt door een duur productieproces, waardoor de kostprijs hoog is. Het is dus twijfelachtig dat deze materialen courant gebruikt zullen worden voor de isolatie van volledige gebouwschillen. Echter op plaatsen waar slechts een beperkte plaats is, hebben ze zeker hun nut. 18

19 2 IN-SITU METINGEN Wordt later behandeld. 19

20 3 VERGELIJKING NUMERIEKE SIMULATIES Wordt later behandeld. 20

21 REFERENTIELIJST [1] International Organisation for Standardization (ISO), NBN EN ISO 13788: Hygrothermische prestatie van bouwcomponenten en -elementen - Binnenoppervlaktetemperatuur om kritische oppervlaktevochtigheid en inwendige condensatie te vermijden - Berekeningsmethoden. Bureau voor normalisatie (NBN), [2] X. Loncour, A. Tilmans, P. Steskens, S. Roels, and E. Vereecken, Isolatie langs de binnnezijde van bestaande muren: systemen en dimensionering (WTCB-Dossiers 2013/2.4), [3] P. Steskens, X. Loncour, A. Acke, J. Wijnants, S. Roels, and E. Vereecken, Binnenisolatie van buitenmuren. Vlaams Energieagentschap, [4] International Organisation for Standardization (ISO), NBN EN ISO 10456: Bouwmaterialen en bouwwaren - Hygrothermische eigenschappen - Getabelleerde ontwerpwaarden en procedures voor de bepaling van de opgegeven en nuttige thermische waarden. Bureau voor normalisatie (NBN), [5] G. A. Scheffler, Hygric performance of internal insulation with light-weight autoclaved aerated concrete, in Proceedings of 5th International Conference on Autoclaved Aerated Concrete, 2011, pp [6] A. Bishara and R. Plagge, Interior Insulation, in Energy Efficiency Solutions for Historic Buildings: a Handbook, A. Troi and Z. Bastian, Eds. Basel: Birkhäuser, 2014, pp [7] G. A. Scheffler and J. Grunewald, Material development and optimisation supported by numerical simulation for a capillary-active inside insulation material, in 2nd International Conference on Building Physics, 2003, pp [8] E. Vereecken and S. Roels, A comparison of the hygric performance of interior insulation systems: A hot box cold box experiment, Energy and Buildings, vol. 80, pp , [9] E. Vereecken and S. Roels, Capillary active interior insulation systems for wall retrofitting: a more nuanced story, International Journal of Architectural Heritage, [10] E. Vereecken and S. Roels, Capillary active interior insulation: do the advantages really offset potential disadvantages?, Materials and Structures, vol. 48, no. 9, pp , [11] G. R. Finken, S. P. Bjarløv, and R. H. Peuhkuri, Effect of façade impregnation on feasibility of capillary active thermal internal insulation for a historic dormitory A hygrothermal simulation study, Construction and Building Materials, vol. 113, pp , [12] J. Grunewald, U. Ruisinger, and P. Haupl, The Rijksmuseum Amsterdam - hygrothermal analysis and dimensioning of thermal insulation, presented at the 3rd International Building Physics, Montreal, Quebec, Canada, 2006, pp [13] T. De Mets, Thesis: Kan binnenisolatie veilig worden toegepast indien houten vloerbalken zijn opgelegd in de wand?, KU Leuven, Leuven, Belgium, [14] P. Klo eiko, E. Arumagi, and T. Kalamees, Hygrothermal performance of internally insulated brick wall in cold climate: A case study in a historical school building, Journal of Building Physics, vol. 38, no. 5, pp , [15] E. Vereecken, L. Van Gelder, H. Janssen, and S. Roels, Interior insulation for wall retrofitting A probabilistic analysis of energy savings and hygrothermal risks, Energy and Buildings, vol. 89, pp , [16] P. Wegerer, J. N. Nackler, and T. Bednar, Measuring the Hygrothermal Performance of an Interior Insulation Made of Woodfibre Boards, Energy Procedia, vol. 78, pp , [17] Wetenschappelijk en Technisch Centrum voor het Bouwbedrijf, Een mooie toekomst voor superisolerende materialen?, in WTCB-Contact nr. 35, WTCB, 2012, p. 16. [18] M. J. Tenpierik, Vacuum insulation panels applied in building constructions. TU Delft, Delft University of Technology, [19] B. P. Jelle, A. Gustavsen, and R. Baetens, The path to the high performance thermal building insulation materials and solutions of tomorrow, Journal of Building Physics, vol. 34, no. 2, pp , [20] H. Sallée, D. Quenard, E. Valenti, and M. Galan, VIP as thermal breaker for internal insulation system, Energy and Buildings, vol. 85, pp ,