Timber-concrete composite ventilated envelope systems. Experimental and numerical investigations for thermal performance control and optimization

In recent years, the building sector has been characterized by the rapid growth in the use of EWPs (engineered wood products), thanks to the great performances of timber (i.e. good seismic behaviour, thermal insulation properties, environmental sustainability, good behaviour under fire if appropriately designed) and its strong attitude towards prefabrication. However, to overcome some of the material limits and achieve an improved behaviour, timber structures are sometimes integrated with concrete, resulting in TCC (timber-concrete composite) systems. Nowadays, TCC technology is mainly applied to floors, however it might represent an interesting solution also for the building envelope, joining the positive aspects of EWPs (reduced weight, good thermal insulation, sustainability, ease of prefabrication and systems integration, nice aesthetics, etc.) with those of concrete (thermal inertia, durability, excellent fire resistance, etc.). However, further research is needed to fully understand the characteristics and potential of TCC facades, starting from their thermal performance. The aim of the present research is to evaluate the thermal behaviour of a TCC ventilated envelope, to evaluate the system potential for off-site timber-based building construction. To reach the aim, a prefabricated TCC ventilated envelope, composed by an insulated timber-frame wall coupled to a 50 mm thick concrete slab, separated by a naturally ventilated air cavity, is monitored over one year. The envelope, part of a real three-storey building, is studied considering opposite orientations (i.e. north and south) and different air cavity depths (i.e. 30 and 60 mm). Based on the data collected experimentally, the thermal performance of the envelope is critically analysed considering summer and winter periods, and the weather variables that mostly influence the façade thermal performance are detected, to fully understand its functioning. The real behaviour of the facade is then compared with the prediction given by the International Standard ISO 6946, which provides a simplified method to calculate ventilated façades thermal transmittance, to evaluate its accuracy when applied to TCC ventilated facades. Considering the discrepancy between the real performance and the Standard prediction evidenced in the study, a 2D CFD model is developed, optimised in terms of geometry, mesh and solver, and calibrated against the experimental data collected. The final model allows to predict TCC ventilated facades thermal behaviour with 98% accuracy and might be used for the envelope optimization avoiding expensive and time-consuming construction of mock-ups. Besides the study of the specific façade technology, the broader scope of the research is analysing the thermal behaviour of ventilated façades with internal lightweight wall structure and external massive cladding, to understand their potential.

Negli ultimi anni, il settore delle costruzioni è stato caratterizzato dalla forte crescita nell’uso dei prodotti in legno ingegnerizzato, grazie alle ottime prestazioni del legno (buon comportamento sismico, isolamento termico, sostenibilità ambientale, buon comportamento al fuoco se opportunamente progettato) e alla sua forte propensione alla prefabbricazione. Tuttavia, per superare alcuni limiti propri del materiale e ottenere prestazioni migliori, le strutture in legno possono essere integrate con il calcestruzzo, dando vita a sistemi compositi legno-calcestruzzo (TCC o timber-concrete composite). Al giorno d'oggi, la tecnologia TCC è applicata principalmente ai solai, tuttavia potrebbe rappresentare una soluzione interessante anche per l'involucro edilizio, poiché integra le qualità del legno (peso ridotto, buon isolamento termico, sostenibilità, facilità di prefabbricazione e integrazione dei sistemi, estetica gradevole, ecc.) con quelle del calcestruzzo (inerzia termica, durabilità, ottima resistenza al fuoco, ecc.). Tuttavia, ulteriori studi sono necessari al fine di comprendere appieno le caratteristiche e le potenzialità delle facciate TCC, a partire dalle loro prestazioni termiche. L’obiettivo del presente lavoro di ricerca è lo studio del comportamento termico di un involucro TCC ventilato, al fine di valutare le potenzialità del sistema per la realizzazione di edifici prefabbricati in legno. A tale scopo, un sistema di involucro TCC ventilato e prefabbricato, composto da una parete a telaio in legno coibentata accoppiata ad una lastra di calcestruzzo esterna di 50 mm di spessore, separate da un'intercapedine d'aria ventilata naturalmente, è stato monitorato sperimentalmente nel corso di un anno. Il sistema di involucro, parte di un edificio residenziale reale di tre piani, è stato studiato considerando orientamenti opposti (nord e sud) e diversi spessori dell'intercapedine d'aria ventilata (30 e 60 mm). Sulla base dei dati raccolti sperimentalmente, il comportamento termico del sistema viene analizzato criticamente, sia in estate che in inverno, e vengono identificate le variabili climatiche (temperatura dell’aria, umidità, irraggiamento solare, direzione e intensità del vento) che maggiormente influenzano la prestazione termica della facciata, al fine di comprenderne appieno il funzionamento. Il comportamento sperimentale della facciata viene poi confrontato con la previsione fornita secondo la normativa internazionale ISO 6946, che fornisce un metodo semplificato per calcolare la trasmittanza termica delle pareti ventilate, al fine di valutarne l'accuratezza nel caso di applicazione ad un involucro TCC ventilato. Considerando la differenza tra le prestazioni reali e la previsione data dalla normativa, evidenziata nella ricerca, un modello CFD viene sviluppato e ottimizzato in termini di geometria, mesh e solutore, e poi calibrato e validato rispetto ai dati sperimentali raccolti. Il modello CFD finale consente di prevedere il comportamento termico dell’involucro TCC ventilato con una precisione del 98% e potrebbe essere impiegato per l'ottimizzazione del sistema evitando la realizzazione di mock-up, dispendiosa in termini di tempo e denaro. Oltre allo studio della specifica tecnologia di facciata, la ricerca ha permesso di comprendere e analizzare il comportamento termico di un sistema di parete ventilata costituita da una struttura interna realizzata con un sistema costruttivo leggero e un rivestimento esterno massivo.