Hygrothermal and ecological potential of natural building materials in new multi-storey buildings

Abstract

Despite Austria's long tradition of using natural building materials, they are rarely used in multi-storey construction due to uncertainties in terms of building physics. However, to significantly reduce negative environmental impacts in the construction industry, the use of bio-based materials in new buildings is essential.Many of these materials possess hygrothermal properties that require further research. The aim is to identify and scientifically substantiate arguments in favour of using natural building materials in new timber construction based on their hygrothermal properties, in addition to ecology. This dissertation consists of four publications that explore the ecological potential of building components in new multi-storey buildings and examines the use of natural building materials in specific floor structures, exterior walls, and interior walls. The methodology for ecological evaluation includes life cycle assessments at the building and construction level using “eco2soft”,“baubook”, and environmental product declarations. Hygrothermal analyses were conducted through measurements on an outdoor test rig at TU Wien and simulations using WUFI 2D and WUFI Plus.For the first time in Austria, two adjacent 4-storey residential buildings with identical cubature and building physics requirements in timber and reinforced concrete construction were compared with each other in termsof their ecological impact. These new results show that in a direct comparison of the two construction methods,the floor structures are responsible for the highest environmental impact after the load-bearing structure,followed by the internal walls and the thermal insulation. This sequence should be considered for ecological optimisation. In the analysed example, the timber building had a lower energy balance with current climate data.The use of internal load-bearing solid timber elements in lightweight timber construction is an ecologically soundmethod.When using point foundations and ecological insulation, the environmental impact can be reduced by 53-82%compared to a conventional floor construction, depending on the parameters and methodology. In combination with lightweight timber construction, screw foundations represent a particularly ecological foundation. The current standard methods of ecological calculation have a major influence on the result and should therefore be continuously reviewed based on protection objectives.The new approach of in-situ investigations, in which building constructions with defects were examined, provided new insights into the robustness of three green insulation materials. Bio-based, hygroscopic insulation materials in combination with lightweight timber external walls showed a higher fault tolerance than conventional mineralinsulation materials. Sheep's wool stood out as a particularly robust insulation material. When there was a highlevel of moisture in the indoor air, sheep's wool was able to absorb and buffer moisture in the form of an installation layer, protecting the thermal insulation behind it from the effects of moisture even when the airtightlayer was penetrated.The use of heat-storing and hygroscopic materials, such as clay, for internal walls in timber construction reducedthe internal operating temperature by up to 1.48°C, depending on the orientation and shading of the windows.If the aim is to keep the indoor temperature below 25°C, this means a maximum reduction in cooling energydemand of 26% compared to conventional lightweight internal walls. The increased cooling requirements oftimber frame buildings can therefore be compensated for using materials capable of storing heat on the interiorside. The new approach presented here, which combines lightweight timber exterior walls with solid clay interiorwalls, opens a promising perspective for an ecological and climate-friendly construction method using natural building materials.The results of this work demonstrate that constructing buildings with natural materials not only helps to reducethe environmental impact but also reduces the operative room temperature in summer, lowers the energydemand for heating and cooling throughout the year, and increases the fault tolerance and thus the durability ofa building over its entire life cycle.

Obwohl die Verwendung von Naturbaustoffen in Österreich eine lange Tradition hat, werden sie aufgrund von bauphysikalischen Unsicherheiten im mehrgeschossigen Hochbau selten bis gar nicht eingesetzt. Um in Zukunft alle Umweltbelastungen im Bauwesen drastisch zu minimieren, ist die Verwendung von bio-basierten Baustoffen im Neubau unumgänglich. Viele Naturbaustoffe weisen hygrothermische Eigenschaften auf, die noch nicht vollständig erforscht sind. Die vorliegende Dissertation trägt dazu bei, diese Wissenslücke zu schließen. Das Ziel besteht darin, neben der Ökologie weitere Argumente für den Einsatz von Naturbaustoffen im Holzneubau aufgrund ihrer vorteilhaften, hygrothermischen Eigenschaften wissenschaftlich zu fundieren. Diese Dissertation umfasst vier Publikationen, die sich mit den generellen ökologischen Potenzialen von Baukomponenten im mehrgeschoßigen Neubau befassen und weiters die Anwendung von Naturbaustoffen in konkreten Fußbodenaufbauten, Außenwänden und Innenwänden detailliert untersucht. Die analysierten Aufbauten wurden neu entwickelt und stellen den derzeit maximal möglichen Einsatz von Naturbaustoffen im mehrgeschoßigen Holzbau unter Einhaltung sämtlicher derzeit gültiger Vorschriften dar. Die Methodik zur ökologischen Evaluierung umfasst Ökobilanzen auf Gebäude- und Konstruktionsebene mittels „eco2soft“,„baubook“ und anhand von Umweltproduktdeklarationen. Die hygrothermischen Untersuchungen wurden einerseits mittels hygrothermischer Messungen an einem Freilandprüfstand am Gelände der TU Wien umgesetzt und andererseits wurden hygrothermische Simulationen mittels WUFI 2D und WUFI Plus durchgeführt.Erstmalig in Österreich wurden zwei nebeneinander gelegene 4-geschoßige Wohnbauten mit identer Kubatur und bauphysikalischen Anforderungen in Holz- bzw. Stahlbetonbauweise hinsichtlich ihrer ökologischen Auswirkungen miteinander verglichen. Diese neuen Ergebnisse zeigen, dass im direkten Vergleich bei beiden Bauweisen nach der Tragkonstruktion zuerst die Fußbodenaufbauten, dann die Innenwände und schließlich die Wärmedämmung für die höchsten Umweltbelastungen verantwortlich sind. Diese Reihenfolge sollte bei ökologischen Optimierungen berücksichtigt werden. Die Energiebilanz des Holzgebäudes fiel bei Verwendung aktueller Klimadaten geringer aus. Die Bauweise mit inneren lastabtragenden Holzmassivbauelementen und Außenwänden aus Holzleichtbauelementen stellt eine besonders ökologische Bauweise dar.Beim Einsatz von Punktfundamenten und einer ökologischen Dämmung können die Umweltauswirkungen jenach Parameter und Methodik im Vergleich zu einer konventionellen Bodenkonstruktion um 53-82% reduziert werden. Schraubfundamente stellen in Kombination mit einer Holzleichtbauweise eine besonders ökologische Gründung dar. Die verwendeten Methoden der ökologischen Berechnung hatten einen großen Einfluss auf das Ergebnis und sollten deshalb laufend anhand von Schutzzielen überarbeitet werden.Durch den neuen Ansatz der in-situ Untersuchungen, bei denen fehlerhaften Bauteile untersucht wurden,konnten neue Erkenntnisse über die Robustheit von drei ökologischen Dämmstoffen gewonnen werden. In Kombination mit Außenwänden in Holzleichtbauweise wiesen bio-basierte, hygroskopische Dämmstoffe eine höhere Fehlertoleranz als konventionelle, mineralische Dämmstoffe auf. Dabei stach vor allem Schafwolle als besonders robuster Dämmstoff hervor. Sofern in der Innenluft eine hohe Luftfeuchtigkeit herrschte, konnte Schafwolle in Form einer Installationsebene Feuchtigkeit aufnehmen und puffern, sodass sie sogar bei Durchdringung der luftdichten Ebene die Wärmedämmung dahinter vor einem Feuchtigkeitseinfluss schützte.Die Anwendung von wärmespeicherfähigen und hygroskopischen Materialien wie beispielsweise Lehm bei Innenwänden im Holzbau führte zu einer Reduktion der operativen Temperatur im Innenraum um bis zu 1,48°C,je nach Ausrichtung und Verschattung der Fenster. Sofern ein Innenraumklima unter 25°C angestrebt wird,bedeutet das eine Reduktion des Kühlenergiebedarfs um maximal 26%, verglichen zu konventionellen Innenwänden in Leichtbauweise. Die erhöhte Notwendigkeit von Kühlung in Holzleichtbauweisen kann folglich durch die Anwendung von raumseitig wärmespeicherfähigen Materialien kompensiert werden. Der hier vorgestellte, neue Ansatz, der leichte Holzaußenwände mit massiven Lehminnenwänden kombiniert, eröffnet eine vielversprechende Perspektive für eine ökologische und klimawandel angepasste Bauweise mit Naturbaustoffen.Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass das Bauen mit Naturbaustoffen nicht nur zur Verringerung der Umweltbelastungen beiträgt, sondern die operative Raumtemperatur im Sommer verringert, den ganzjährigen Heiz- und Kühlenergiebedarf senkt und die Fehlertoleranz und somit die Beständigkeit eines Gebäudes während des gesamten Lebenszyklus erhöht.