Optimización térmica de marcos de ventana

Resumen El rendimiento térmico de los marcos de ventana se puede calcular fácilmente utilizando simulaciones numéricas 2D. Hay varios paquetes de software comerciales disponibles, y los estándares internacionales proporcionan una metodología clara para calcular la transmitancia térmica. Sin embargo, a pesar de que estos métodos son bien conocidos en la academia y en la comunidad de investigación en general, la optimización térmica aún no ha alcanzado su máximo potencial en la industria de la construcción y existe una considerable margen de mejora. Específicamente para empresas pequeñas y medianas, existe una falta de pautas que son lo suficientemente genéricas como para garantizar un uso amplio, así como lo suficientemente específico como para permitir una interpretación e implementación fácil y sencilla. En este proyecto de investigación, se desarrollaron secciones de ventanas genéricas para marcos de vinilo, aluminio y madera en colaboración con la industria de la construcción. Según una encuesta de mercado, se han identificado y descrito enfoques típicos para mejorar el rendimiento térmico para cada tipo de marco de ventana. Posteriormente, el impacto de mejoras separadas, así como los efectos combinados se han estudiado utilizando métodos de cálculo estandarizados y avanzados. Para esto, se discuten los fenómenos de transferencia de calor y la forma en que se modelan de acuerdo con los procedimientos de cálculo estándar. Junto a eso, se discuten varios efectos secundarios que se originan desde los estándares, por ejemplo, el grosor de la IGU, la profundidad del reembolso de la ventana, las conductividades térmicas equivalentes y el impacto de los coeficientes de transferencia de calor reducido. Revisión de pares bajo responsabilidad del Centro Congressi Internationale Srl Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 2501 En las últimas décadas ha habido un creciente interés en reducir el uso de energía en los edificios. Hay muchos aspectos que contribuyen a la eficiencia energética general de un edificio, por ejemplo: un diseño inteligente, sistemas HVAC eficientes, interfaces herméticas y un nivel de aislamiento apropiado. Particularmente el rendimiento del aislamiento se ha investigado a fondo en estudios anteriores. A pesar de mucha investigación, un componente de construcción sigue siendo una fuente de preocupación, más específicamente el marco de la ventana. Es un componente bastante complejo debido a condiciones de contorno específicas relacionadas con el rendimiento mecánico, la operabilidad, la acústica, etc. Para paredes, techos y pisos, las pautas típicas para la transmitancia térmica máxima en los países centrales a los países de la Europa del Norte se encuentran entre 0.1 y 0.3 W.M²K, que se pueden realizar fácilmente con tipos de construcción comunes. Para Windows, las pautas son menos estrictas y generalmente varían entre 0.8W/m²K y 2.4W/m²K. En algunos países también hay requisitos específicos sobre los IGU. El doble acristalamiento comercial con recubrimiento bajo en E y relleno de gas argón tienen una transmitancia térmica de 1.1W/m²K, mientras que el acristalamiento triple y el acristalamiento de vacío puede llegar tan bajo como 0.5W/m²K. Hasta el conocimiento de los autores, no hay restricciones específicas en diferentes países en la conductividad térmica de los marcos de las ventanas. Tenga en cuenta que imponer restricciones específicas lo haría imposible construir algunas configuraciones específicas de ventanas. Por ejemplo, las ventanas y puertas deslizantes típicas en aluminio o vinilo disponibles en el mercado tienen una transmitancia térmica entre 2.0 y 4.5W/m²K. No porque el rendimiento térmico no se considerara en el proceso de diseño, sino debido a las restricciones prácticas en la fabricación y la facilidad de uso. La información sobre la optimización térmica en la literatura científica y la literatura en general, es bastante escasa [1-4]. Gustavsen et al. [1, 2] estudió el impacto de la conductividad térmica del material del marco y las roturas térmicas, para definir objetivos de rendimiento del material para los diseños de ventanas de corrientes. Tenga en cuenta que se eligió un valor U de 0.5 W/m²K como nivel de rendimiento requerido, simplemente basado en el hecho de que las mejores IGU comerciales en el mercado ahora tienen un valor U de 0.5W/m²K. Según ese enfoque, se concluyó que las rupturas térmicas deberían tener una conductividad térmica por debajo de 0.02W/mk (o 0.005 w/mk si se desarrollan 'nuevos' materiales nuevos), los materiales aislantes estructurales para los perfiles compuestos de madera deben tener una conductividad térmica por debajo de 0.03W/mk, e idealmente el aluminio y los marontes de PVC deberían componer cavidades con una emisividad por debajo de 0.05 para los materiales de suetenería. No se presentaron pautas de diseño para la geometría de la ventana, y no se especificaron vías sobre cómo adquirir las conductividades especificadas. Del mismo modo, Byars y Arasteh [5] también se centraron en el impacto de la conductividad térmica en el valor U del marco. La investigación realizada por Gustavsen [1] indicó que aunque la convección se modela en EN ISO 10077-2 [6] mediante la adopción de un enfoque simplificado con conductividades térmicas equivalentes, los resultados se comparan bien con las simulaciones de flujo de fluido. ISO 10077-2 prescribe que las cavidades con una interconexión que no excedan los 2 mm se considerarán como separadas. Falta cualquier referencia a los documentos o la investigación para esa suposición, y mediante simulaciones CFD se demostró que 7 mm sería un criterio más realista. 2. Modelos y método de simulación Un análisis de las características de una variedad de marcos de ventanas actualmente disponibles en el mercado belga dio como resultado el diseño de tres materiales de marco diferentes: aluminio, madera y vinilo. Estas son una base neutral para las simulaciones y pueden usarse como modelos genéricos para evitar que los productos existentes sean ventajados o desfavorecidos. Estos modelos fueron diseñados en colaboración con la Asociación Belga de Construcción y Certificación BCCA) y el Centro Europeo de Aluminio, no solo para garantizar el diseño neutral de los marcos, sino también para obtener una visión general confiable de las medidas típicas que se toman para mejorar el rendimiento térmico de los marcos. Para los marcos de aluminio, la referencia estándar actual en Bélgica es un perfil de 3 cámaras con una ruptura térmica en poliamida reforzada con fibra de vidrio. El sistema se hace hermético y hermético por medio de una junta central, típicamente en combinación con una junta interior. Del mismo modo, los marcos de ventana de vinilo comunes se componen de 5 cámaras, y se inserta un perfil de acero para garantizar una resistencia y rigidez adecuadas. WeatherTightness está asegurada por dos juntas también, una en el plano interior, una en el plano exterior. El marco de referencia en la madera tiene un grosor de 68 mm, y está hecho de madera dura y comprende una junta interior y central. En colaboración con el BCCA, se inició un pequeño ejercicio de simulación de round robin. Se invitó a los fabricantes de marco de ventana a simular los modelos genéricos e informar el valor UF de acuerdo con el EN ISO 10077-2. Solo 5 compañías respondieron a la llamada, por lo que los resultados no pueden considerarse representativos de la industria de construcción belga completa, pero no obstante se extrajeron varias conclusiones interesantes. En primer lugar, se usaron THERM [7] y Bisco [8] y similar 2502 Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 se encontraron resultados. En segundo lugar, para el marco de madera, la desviación estándar fue de 0.00W/m²K, mientras que se encontró una desviación estándar de 0.01 W/m²K para el marco de vinilo y aluminio. Evidentemente, la conducción es la forma más importante de transferencia de calor en el marco de madera, mientras que la convección y la radiación (y las conductividades térmicas equivalentes) son más importantes en los otros perfiles. Fig. 1 Marcos de ventana genérica en aluminio (izquierda), vinilo (medio) y madera (derecha). La geometría de cada modelo se basa en el denominador común de los sistemas comerciales. Estos diseños pueden considerarse básicos, y quizás no representativos de la práctica de construcción actual, pero al usar este enfoque es más sencillo evaluar y cuantificar el impacto de diferentes estrategias de mejora. El estándar Europeo EN ISO 10077-2 proporciona un método de cálculo numérico para calcular el valor U del marco (UF), que generalmente se realiza mediante el uso de un programa comercial de transferencia de calor 2D como THER o BISCO. Para este análisis, se utilizó Bisco, pero se adoptó un enfoque más físicamente correcto. Los cambios más importantes son el cálculo preciso de los factores de vista y el modelo de radiación no lineal (contrario al uso de una conductividad térmica equivalente para las cavidades en EN ISO 10077-2) y el análisis separado de radiación y convección en cavidades y en las superficies internas y externas. El ENSO 10077-2 especifica que se puede adoptar una temperatura promedio de 10 ° C para calcular la conductividad térmica equivalente. Las simulaciones muestran que incluso en los marcos simétricos, la convección dependiente de la temperatura en realidad induce diferencias de hasta 0.003W/m²K en los modelos que se consideran aquí (mente que en condiciones más extremas donde la convección y la radiación son más importantes, se encontraron diferencias hasta 0.04W/m²K). En general, esto conduce a valores UF ligeramente más bajos, pero permite una evaluación más correcta de diferentes estrategias de optimización. Usando el método de simulación más preciso, el valor UF del marco de la ventana de vinilo es 2 % más bajo en comparación con el método de cálculo ESO 10077-2, mientras que para los marcos de ventana de madera y aluminio el valor UF es casi 1 % más bajo. En contraste, se registra una diferencia mayor en la contribución de las tres formas diferentes de transferencia de calor (conducción, radiación y convección) al rendimiento térmico general. En general, el método de cálculo ENSO 10077-2 subestima la importancia de la radiación y la convección y sobreestima la importancia de la conducción. Específicamente para el modelo de marco de madera, la diferencia en la contribución de las formas de transferencia de calor entre el ENSO 10077-2 y el método más preciso es sorprendente que esto se puede atribuir a una redistribución de las diferentes formas de transferencia de calor debido a la importancia subestimada de la radiación y la convección en las cavidades del marco. A medida que crece la conductividad térmica equivalente de las cavidades, se acerca a la conductividad de la madera. Entonces, una parte del flujo de calor que inicialmente fluyó a través de la madera ahora 'elige' cruzar la cavidad mediante radiación, ya que la diferencia en la resistencia al flujo de calor entre la madera y la cavidad ha disminuido. Finalmente, en las simulaciones, la IGU está, en línea con EN ISO 10077-2, reemplazada por una capa de aislamiento con el mismo grosor y una conductividad térmica de 0.035W/mk. Dado el hecho de que para el cálculo de los valores de UF que no se basan en proyectos (como suele ser el caso), no está claro qué grosor de vidrio debe asumirse. La Tabla 1 muestra los UFValues ​​para los tres cuadros de referencia, calculados para un espesor de vidrio de 24 mm (doble acristalamiento 4-16-4) y 42 mm (acristalamiento triple 4-15-4-15-4). Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500-2505 2503 Tabla 1. Valores UF de marcos de ventanas genéricas con acristalamiento de 24 mm y 42 mm. Valoros UF-Valores Doble Glazing 24 mm (w/m²K) triple acristalamiento de 42 mm (w/m²k) diferencia (w/m²k) diferencia (%) de aluminio 2.773 2.618 0.155 5.59 madera 1.707 1.640 0.067 3.93 vinyl 1.503 1.451 0.052 3.46 3. Thermal Optimization Stategies en todo el análisis de la optimización de la Thermal en el análisis de la optimización de la Thermal, el análisis de la ventana comercial existente. de diferentes estrategias de optimización térmica se encontraron. Se realizó un análisis de sensibilidad de las diferentes técnicas de optimización en los modelos genéricos correspondientes. 3.1. La Tabla 2 de aluminio informa las diferentes estrategias de optimización aplicadas al modelo de marco de la ventana de aluminio con una transmitancia térmica de 2.775 w/(m²k). El valor UF más bajo alcanzable al combinar estas estrategias es 1.210 W/(m²K), una reducción en la pérdida de calor del 56%. Tenga en cuenta que esto no debe considerarse como el valor alcanzable más bajo. El análisis informado aquí se centra en el impacto relativo de intervenciones separadas y combinadas, y mediante una optimización específica más enfocada, se puede lograr valores más bajos. Tabla 2. Estrategias de optimización para Windowframes de aluminio. Estrategias de optimización UF-Value (W/M²K) Mejora (%) Inicio: Modelo de la ventana de aluminio Marco 2.775 0 A. Ancho de optimización de los miembros del perfil de aluminio 2.759 1 B. Descanso térmico (de λ = 0,30 a λ = 0,17W/MK) 2.624 5 C. Break térmica extendida (de 34 mm) 2.660 4 D. DIVISO DIVISION 2.713 2 E1. Break térmica divisoria (cavidades de profundidad 6 mm) 2.411 13 E2. Aislamiento en la ruptura térmica (λ = 0,035W/mk) 2.336 16 F1. sellado de acristalamiento extendido para bloquear la radiación 2.570 7 F2. GRAZO COMPLIMO (de 15 a 30 mm en Glassrebate) 2.486 10 F3. aislamiento entre acristalamiento y marco (λ = 0,035w/mk) 2.475 11 G. Aluminio no tratado en cavidades (ε = 0,3) 2.499 10 H. Glazing triple 2.618 6 Combinación A+B+C+D+E1+F1 1.709 38 Combinación A+B+C+D+E1+F2 1.594 43 Combinación A+B+C+D+E1+F3 1.518 45 Combinación A+B+C+D+E2+F1 1.649 41 Combinación A+B+C+D+E2+F3 1.473 47 Combinación A+B+C+D+E2+F3+H 1.210 56 Se pueden mejorar algunas partes de una sección de diferentes maneras. Por ejemplo, para bloquear la radiación y la convección más baja, la ruptura térmica se puede dividir en diferentes cavidades, o las cavidades entre la ruptura térmica pueden llenarse con material de aislamiento. La última opción resulta ser la más efectiva: se obtuvo una mejora del valor de UF del 16%, mientras que una reducción del 13% fue evidente al dividir la ruptura térmica en cavidades separadas. Además, la cavidad entre la IGU y el marco puede tratarse de diferentes maneras. Se puede dividir en 2504 Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 Cavidades separadas extendiendo la junta de acristalamiento o cambiando el acristalamiento más profundo en el marco. Sin embargo, llenar esta cavidad con aislamiento parece ser la mejor opción nuevamente. Si se aplica esta técnica, se debe prestar atención para evitar que el agua capilar penetre en el sellado secundario de la IGU. Al combinar diferentes estrategias de optimización, el efecto acumulativo no es igual a la suma de la mejora separada porque algunos efectos contrarrestan. Figura 2. Resultados de simulación para los marcos optimizados (TOP) y de referencia (abajo). La figura izquierda muestra la distribución de temperatura en los perfiles de aluminio, la figura media muestra el flujo de calor en cada parte del marco de aluminio, la figura derecha muestra el flujo de calor en los marcos de vinilo. 3.2. Vinilo El valor UF del modelo de referencia del marco de la ventana de vinilo es 1.503 W/m²K. Es posible reducirlo a 0.759 W/m²K o una reducción del 50% al elegir la combinación correcta de técnicas de optimización. El punto débil de un marco de ventana de vinilo estándar es el refuerzo de acero. Hay dos metodologías típicas para abordar este problema: reemplazar el refuerzo por un mejor material aislante con fuerza comparativa o reemplazar el material del marco por un material más fuerte por el cual el refuerzo se vuelve redundante. Para la primera opción se proponen dos materiales: acero inoxidable y un material compuesto. El acero inoxidable funciona apenas mejor que el acero, un refuerzo compuesto (λ = 0.2 W/mk) por otro lado realmente marca la diferencia. Además, si todo el marco estaría hecho de un compuesto fuerte (por ejemplo, con fibra de vidrio; λ = 0.2 W/mk), no se necesita refuerzo, el resultado casi se acerca al marco de vinilo con refuerzo compuesto. Sin embargo, si en las cavidades centrales están aislados, los marcos compuestos logran un mejor rendimiento en comparación con los marcos reforzados. Dividiendo el marco en más cavidades para profundizar la sección Render de ineficazmente. Profundizar el marco de 90 mm a 120 mm y aislarlo reduce la pérdida de calor en un 29%. La instalación de una junta central reduce la pérdida de calor en un 4%, el aislamiento entre IGU y el marco en un 3%, utilizando un material compuesto para eliminar el refuerzo de acero hace una reducción del 11%. 3.3. Madera La reciente evolución de aplicar marcos de madera en edificios de baja energía es una señal de que en particular los marcos de madera Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 2505 tienen potencial para tener una baja transmitancia térmica. De este modo, las actuaciones térmicas de la IGU deben equilibrarse con el rendimiento del marco. En consecuencia, el modelo de referencia en el que se aplican las diferentes técnicas de optimización tienen triple glaseado. Las ventanas de aluminio, por otro lado, generalmente se eligen en función de su rentabilidad, durabilidad y generalmente requieren un mantenimiento mínimo. Sin embargo, como los marcos de aluminio se usan ampliamente, mejorar el marco tiene consecuencias importantes. La madera blanda es un mejor aislante que la madera dura, pero es menos duradera y posiblemente susceptible al deterioro prematuro. Esta es la razón por la cual el modelo de referencia está hecho de madera dura, pero cuando se protege adecuadamente del medio ambiente, se usa madera blanda. El marco de referencia tiene un valor UF de 1.640W/m²K y al combinar las técnicas apropiadas, se puede obtener un valor UF de 0.584. Esta es una mejora del 64%. Se comparan tres técnicas de optimización con respecto al volumen de madera del marco. La mejor técnica es reemplazar tres capas de madera dura por corcho, PU y nuevamente corcho. Otro enfoque, aunque menos exitoso, es reemplazar una parte rectangular de la masa central por corcho. La tercera opción es hacer pequeños agujeros en el marco sin reducir su fuerza. Para proteger el marco de madera del entorno exterior, se puede utilizar un aluminio o una detección sintética aislada. Ambas proyecciones ofrecen buenos resultados que se derivan del reemplazo de madera dura por madera blanda que aísla mejor. La profundización del marco de 68 mm a 108 mm disminuye el valor UF de 1.640 a 1.269W/m²K. Reemplazar el material de madera dura por una combinación de madera-Cork-Pu-Cork-Wood reduce la pérdida de calor en un 47%. Tenga en cuenta que insertar cavidades de aire pequeñas (4 mm de altura por 14 mm de ancho) en el material de madera maciza puede afectar la durabilidad, y un volumen del 16% de las cavidades solo reduce la pérdida de calor en un 9%. Finalmente, insertar aislamiento entre la IGU y el marco tiene un impacto mucho menor en comparación con los otros perfiles (1%). Contrariamente a los otros perfiles, la parada de acristalamiento ya tiene un efecto aislante, lo que hace que el aislamiento adicional sea menos efectivo. 4. Conclusiones y discusión Los resultados de la simulación de los modelos genéricos de los marcos de las ventanas muestran que un marco de ventana promedio puede mejorarse en un 50% hasta un 64% con estrategias de optimización sencillas que se encuentran en el mercado belga. La nueva metodología de simulación demuestra su valor, ya que algunas técnicas resultan ser más efectivas o ganar un óptimo en otras condiciones que se supone la antigua metodología. Además, las nuevas ideas aumentaron del análisis. Algunas intervenciones no alcanzan un óptimo basado solo en la transmitancia de calor: por ejemplo, teóricamente la profundidad del marco de la ventana de madera podría aumentarse infinitamente para minimizar la pérdida de calor. Un diseño inteligente debe encontrar un equilibrio óptimo entre el rendimiento térmico, un uso restringido del material y otras restricciones prácticas. Para marcos huecos como el modelo de vinilo y aluminio, se puede examinar el efecto positivo de aumentar la profundidad de la IGU en el marco. Quizás otra opción sería unir estructuralmente la IGU al marco sobre el ancho total del marco, por lo que la función estructural del marco se transfiere parcialmente a la IGU. Debido a la influencia significativa del aluminio en la transmitancia de calor del marco debido a la alta conductancia térmica, la investigación adicional sobre la reducción de la emisividad de los materiales podría conducir a una reducción sustancial en la transferencia de calor por radiación. Referencias [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, Desarrollo de marcos de ventanas de baja conductancia: capacidades y limitaciones de las herramientas actuales de diseño de transferencia de calor de las ventanas-Revisión de vanguardia, Journal of Building Physics, vol. 32 (2) (2008), pp.131-153. [2] A. Gustavsen, S. Grynning, D. Arasteh, B. Petter Jelle, H. Goudey, elementos clave y objetivos de rendimiento material para marcos de ventanas altamente aislantes. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. bianchi, Influencia de las cariesas geométricas y de emisividad en el rendimiento térmico general de los marcos de aluminio para ventanas. Energía y construcción [4] U. Larsson, B. Moshfegh, M. Sandberg, Análisis térmico de ventanas súper aisladas (investigaciones numéricas y experimentales), Energy and Buildings, vol. 29 (1999), pp. 121-128 [5] N. Byars, D. Arasteh, Opciones de diseño para marcos de ventanas de baja conductividad. 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