Hygrothermal response of green roofs. Testing of numerical models for performance assessment

Green roofs, which may be seen merely as sophisticated architectural components, showed the possibility to provide several benefits, reducing the anthropogenic impact consequences such as the urban heat island effect and the environmental pollution. Green roofs offer to provide benefits at the building scale as well, lowering the energy demand and improving the users' comfort. As green roofs vary so much in their design and performance, they must be designed according to specific goals rather than relying on assumed intrinsic attributes. For this reason, a designer interested in proving specific performance, can't just abide by design standards, but has to assess in advance the green roof behavior, predicting costs, performance and future maintenance effort. This thesis deals with the implementation of numerical models for green roofs, trying to give future designer and researchers tools and guidelines for quantifying the performance. Even if many models proposed in literature are generally limited to heat transfer, an accurate numerical model shall incorporate the effects of humidity transport. In this thesis, WUFI has been adopted for simulating green roofs' hygrothermal behavior. It is a dynamic simulation software of coupled heat and moisture transfer, accounting for latent heat transformations as well as for temperature and moisture dependent thermal and moisture transport properties. However, since the software has been firstly developed for traditional building envelopes, it doesn't take into account the transpiration phenomena, which take place at the foliage layer. In order to compensate this, two algorithms proposed in literature and currently adopted in other building simulation software have been implemented, trying to improve the results' accuracy. As validation of the model results' accuracy, firstly the simulations have been compared with experimental data collected at Politecnico di Milano, secondly the errors have been connected with errors commonly computed in building energy simulation. Another limit found in WUFI regards the impossibility to model the water infiltration through the substrate, leading to relevant errors in water content prediction. This limit has been overtaken modifying the coefficients at the base of the equations that govern the liquid transport phenomena, providing a better fit with the measurements. The last phase aims to analyze different kind of wooden green roofs, so to understand where degradation problems may occur. In this phase both inverted and warm green roofs have been studied: it will be possible to see if and how the waterproofing membrane degradation may jeopardize the structure and which is the level of insulation that a green roof provides. This thesis demonstrate the importance and the efficacy of a hygrothermal simulation for green roofs design, taking directly into account the effects that the materials' characteristics and degradation have on the green roof global performance and durability.

Le coperture a verde, che possono essere viste semplicemente come sofisticate componenti architettoniche, sono in realtà in grado di fornire parecchi benefici, riducendo le conseguenze dell'impatto antropogenico come l'isola di calore urbana e l'inquinamento. Questa tecnologia è anche in grado di fornire benefici al singolo edificio, diminuendo il consumo energetico e migliorando il comfort per gli utenti. Considerando che le coperture a verde sono molto variabili sia in termini di costituzione sia in termini di prestazioni, esse devono essere progettate tenendo conto di specifici obbiettivi, e non utilizzando schemi prefissati. Per questa ragione, un progettista intenzionato a raggiungere determinate prestazioni, non può solamente attenersi a standard costruttivi, ma deve essere in grado di stabilire il comportamento della copertura a verde nel tempo, prevedendo costi, prestazioni, e programmando la manutenzione. Questa tesi tratta dell'implementazione di modelli numerici, cercando di fornire a futuri progettisti strumenti e linee guida utili per determinare le prestazioni nel tempo di una copertura a verde. Molti modelli proposti in letteratura sono limitati a simulazioni termodinamiche, tuttavia, una simulazione accurata, deve incorporare gli effetti del trasporto di massa. In questa tesi, il software WUFI è stato utilizzato per simulare il comportamento igrotermico di coperture a verde. WUFI simula dinamicamente sia il trasporto di calore sia il trasporto di massa, tenendo conto del calore di transizione di fase e includendo proprietà dei materiali che dipendono sia dalla temperatura sia dal contenuto d'acqua. Tuttavia, il software è stato originariamente sviluppato per simulare involucri edilizi tradizionali, e quindi non tiene conto di fenomeni come la traspirazione, caratteristici della vegetazione. Per compensare questa mancanza sono stati implementati due algoritmi proposti in letteratura e già adottati da altri software di simulazione energetica di edifici, con l'obbiettivo di migliorare l'accuratezza della simulazione. Al fine di validare i risultati ottentuti dai modelli, come prima cosa le simulazioni sono state comparate con dati sperimentali ottuenuti al Politecnico di Milano, dopodichè gli errori ottenuti sono stati comparati ad errori tipicamente copiuti durante una simulazione energetica. Un'altro limite rilevato in WUFI riguarda l'incapacità di modellare adeguatamente l'infiltrazione dell'acqua nel substrato, il che provoca errori significativi nel simulare il contenuto d'acqua. Questo limite è stato superato agendo sui coefficienti alla base delle equazioni che governano il trasporto di acqua liquida, migliorando l'accuratezza delle simulazioni. L'ultima fase della tesi mira ad analizzare diferenti tipologie di coperture a verde in legno, indagando quali possano essere i problemi legati al degrado. In questa fase sono state analizzate sia coperture calde sia coperture rovesce: sarà possibile osseravare come il degrado della membrana impermeabilizzante possa mettere a repentaglio la durabilità della struttura, e sarà possibile valutare qual è la prestazione energetica offerta da una copertura a verde nel tempo. La tesi dimostra l'importanza e l'efficacia dell’avvalersi di una simulazione igrotermica dinamica al fine del progetto di coperture a verde, tenendo direttamente conto dell'effetto che le caratteristiche dei materiali hanno sulle prestazioni e sulla durabilità di coperture a verde.