Investigation of an improved acoustical method for determining airtightness of building envelopes

Kölsch, Benedikt; Hoffschmidt, Bernhard; Willems, Wolfgang M.

doi:10.18154/RWTH-2022-05352

Investigation of an improved acoustical method for determining airtightness of building envelopes = Untersuchung eines verbesserten akustischen Verfahrens zur Bestimmung der Luftdichtheit von Gebäudehüllen

Kölsch, Benedikt^RWTH*

2022

VerantwortlichkeitsangabeBenedikt Kölsch

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme, Karten

ISBN978-3-8440-8583-9

ReiheBerichte aus dem Bauwesen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Hoffschmidt, Bernhard (Thesis advisor)^RWTH* ; Willems, Wolfgang M. (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-03-31

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-05352
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/847451/files/847451.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Solare Komponenten (DLR) (421010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
acoustic measurements (frei) ; airtightness (frei) ; building envelope (frei) ; fan pressurization (frei) ; infiltration (frei) ; leakage paths (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Ungewünschte Luft-Infiltration in Gebäuden ist für 30 bis 50 % des Energiebedarfs des Gebäudebestands verantwortlich. Der Blower-Door-Test ist die am häufigstenv erwendete und standardisierte Messmethode zur Beurteilung der Luftdichtheit von Gebäuden und zur Bestimmung des Luftstroms durch ein Gebäude. Während die Detektion und Quantifizierung einzelner Leckagen mit Rauchgas oder Infrarot-Thermografie anspruchsvoll, zeitaufwendig und von der Erfahrung des jeweiligen Bedieners abhängig sind, haben akustische Methoden das Potenzial, Leckagen in der Gebäudehülle zu lokalisieren und zu quantifizieren, ohne dass eine Druck- oder Temperaturdifferenz zur Umgebung des Gebäudes erforderlich ist. In dieser Arbeit werden zwei akustische Methoden (Kohärenzmessungen und Beamforming) in dieses Anwendungsgebiet eingeführt, um Leckgrößen und die Lage einzelner Lecks in Gebäudehüllen abzuschätzen. Ziel dieser Arbeit ist es herauszufinden, ob mit diesen akustischen Messverfahren unterschiedliche Leckgrößen detektiert und quantifiziert werden können. Zur Abschätzung der Leckgröße werden akustische und Differenzdruck-Messungen in einem Laborversuchsaufbau verglichen. Die Testwandrepräsentiert einen modellhaften charakteristischen Luftleckagepfad in der Gebäudehülle und trennt zwei Kammern mit Lautsprecher und Mikrofonen. Getestet wurden verschiedene Wandaufbauten mit unterschiedlichen Schlitzgeometrien, Wandstärken und Dämmmaterialien. Die akustischen Messungen wurden mit einer Schallquelle in einer Kammer und Ultraschallmikrofonen in beiden Kammern durchgeführt und die Signalkohärenz ausgewertet. Die Ergebnisse der Kohärenz der akustischen Messungen wurden mit Differenzdruck-Messungen durch diese Testwand verglichen und zeigen einen linearen Trend der akustischen Kohärenz mit der Leckgröße im untersuchten Bereich weniger mm2. Obwohl die Streuung der Messwerte noch signifikant ist (≈ ±50 %), zeigt die akustische Methode das Potenzial, Größen von Lecks abzuschätzen. Die Ergebnisse wurden an einem realen Gebäude unter Verwendung reproduzierbarer Lecks validiert, die mit Kabelbindern in einer Fensterdichtung erzeugt wurden. Die Messungen im Gebäude zeigen dabei mit den Labormessungen vergleichbare Ergebnisse. Zudem zeigten Messungen mit einem Mikrofonarray vielversprechende Resultate, die Leckagen in der Gebäudehülle zu erkennen und zu visualisieren. Dieselben sechserzeugten Lecks in einer Fensterdichtung wurden detektiert. Mit abnehmender Größe der Leckage und des Schalldrucks nimmt die Frequenz der Detektion zu. Diese Arbeit zeigt, dass akustische Methoden das Potenzial haben, Lecks in der Gebäudehülle zu detektieren und ihre Größe abzuschätzen, ohne aufwändige Vorbereitungen zu treffen.

Unintended air infiltration in buildings is responsible for 30 to 50 % of the buildingstock energy demand. The fan pressurization method, also known as the blower-doortest, is the most frequently used and standardized measurement method to evaluatea buildings’ airtightness and determine the airflow through a building or a buildingelement. While detection and quantification of individual leaks with smoke tracers orinfrared thermography are challenging, time-consuming, and depend on the respectiveoperator’s experience, acoustic methods have the potential to localize and quantifyleaks in building envelopes without the need for pressure or temperature differencebetween in and outside of the examined building. In this thesis, two acoustic methods, coherence measurements and beamforming, areintroduced to this field of application to estimate the leakage size and location ofindividual leaks in building elements. This work aims at finding if different leaksizes can be quantified and detected using these acoustic measurement methods. Foran estimation of leakage size, acoustic and airflow measurements are compared in alaboratory test apparatus. Test walls representing a single characteristic air leakagepath in the building envelope at a model scale and separate two chambers with speakerand microphones. Various types of wall structures with different slit geometry, wallthickness, and insulation materials are tested. The acoustic measurements are performed with a sound source placed in one chamber and ultrasonic microphones located in bothchambers. The results of these measurements are compared to the airflow through thetest wall measured using a flow nozzle. The results from laboratory measurements indicate a linear trend between acoustic coherence and leak size in the investigated range of several mm2. Although the acoustic measurement uncertainty is still significant(≈ ±50 %), the acoustic method shows the potential to give an order of magnitude of leak sizes. The findings are validated in a real building setup using various reproducible leaks constructed with cable ties wedged in a window gasket. The acoustic and airflow measurements in the building show results similar to the laboratory measurements. Further, the acoustic beamforming method (“acoustic camera”) using a microphone array to detect leak locations and visualize them shows promising results. The same constructed leaks in a window gasket are detected. With decreasing leak size and soundpressure, detection frequency increases. The thesis concludes that acoustic methods have the potential to detect and quantifythe leaks in building envelopes without test preparations as for common methods.

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