Ottimizzazione termica delle cornici delle finestre

Abstract Le prestazioni termiche dei frame delle finestre possono essere facilmente calcolate utilizzando simulazioni numeriche 2D. Sono disponibili diversi pacchetti di software commerciali e gli standard internazionali forniscono una metodologia chiara per calcolare la trasmittanza termica. Tuttavia, anche se questi metodi sono ben noti nel mondo accademico e nella comunità di ricerca in generale, l'ottimizzazione termica non ha ancora raggiunto il suo pieno potenziale nel settore dell'edilizia e vi è un notevole margine di miglioramento. In particolare per le piccole e medie imprese, c'è una mancanza di linee guida che sono entrambi abbastanza generiche da garantire un uso diffuso, nonché abbastanza specifici da consentire un'interpretazione e l'implementazione facili e diretti. In questo progetto di ricerca, sono state sviluppate sezioni di finestre generiche per cornici in vinile, alluminio e legno in collaborazione con l'industria dell'edilizia. Sulla base di un sondaggio di mercato, sono stati identificati e descritti approcci tipici per migliorare le prestazioni termiche per ciascun tipo di frame di finestra. Successivamente, l'impatto di miglioramenti separati e effetti combinati sono stati studiati utilizzando metodi di calcolo standardizzati e avanzati. Per questo, vengono discussi i fenomeni di trasferimento di calore e il modo in cui sono modellati in base alle procedure di calcolo standard. Accanto a ciò, vengono discussi un certo numero di effetti secondari provenienti dagli standard, ad esempio lo spessore dell'IGU, la profondità dello sconto della finestra, le conduttività termiche equivalenti e l'impatto dei coefficienti di trasferimento di calore ridotti. Review peer sotto la responsabilità del Centro Congressi Internazionale SRL Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 2501 Negli ultimi decenni c'è stato un crescente interesse nel ridurre il consumo di energia negli edifici. Esistono molti aspetti che contribuiscono all'efficienza energetica complessiva di un edificio, ad esempio: un design intelligente, sistemi HVAC efficienti, interfacce ermetiche e un livello di isolamento adeguato. In particolare le prestazioni dell'isolamento sono state studiate a fondo negli studi passati. Nonostante molte ricerche, una componente edilizia rimane una fonte di preoccupazione, più specificamente il telaio della finestra. È un componente piuttosto complesso a causa di specifiche condizioni al contorno relative a prestazioni meccaniche, operabilità, acustica eccetera. Per le pareti, i tetti e i pavimenti le linee guida tipiche per la massima trasmissione termica nei paesi centrali a nord-europei sono situate tra 0,1 e 0,3 w.m²k, che possono essere facilmente realizzati con tipi di costruzione comuni. Per Windows le linee guida sono meno severi e in genere variano tra 0,8 W/m²K e 2,4 W/m²k. In alcuni paesi ci sono requisiti specifici anche per le IGU. I doppi vetri commerciali con rivestimento a basso contenuto E e di gas argon hanno una trasmittanza termica di 1,1 W/m²k, mentre i vetri tripli e i vetri del vuoto possono andare a partire da 0,5 W/m²k. A conoscenza degli autori, non ci sono restrizioni specifiche in diversi paesi sulla conduttività termica dei telai delle finestre. Si noti che l'imposizione di restrizioni specifiche renderebbe impossibile costruire alcune configurazioni specifiche della finestra. Ad esempio, le finestre e le porte scorrevoli tipiche in alluminio o vinile disponibili sul mercato hanno una trasmittanza termica tra 2,0 e 4,5 W/m²k. Non perché le prestazioni termiche non sono state prese in considerazione nel processo di progettazione, ma a causa delle pratiche restrizioni nella produzione e nella facilità d'uso. Le informazioni sull'ottimizzazione termica nella letteratura scientifica e nella letteratura in generale sono piuttosto scarse [1-4]. Gustavsen et al. [1, 2] ha studiato l'impatto della conduttività termica del materiale del telaio e delle rotture termiche, per definire gli obiettivi di prestazioni del materiale per i progetti di finestre di correnti. Si noti che è stato scelto un valore U di 0,5 W/m²K come livello di prestazione richiesto, semplicemente in base al fatto che le migliori IGU commerciali sul mercato hanno ora un valore U di 0,5 W/m²k. Based on that approach, it was concluded that thermal breaks should have a thermal conductivity below 0.02W/mK (or 0.005 W/mK if 'new' materials are developed), structural insulating materials for wood composite profiles should have a thermal conductivity below 0.03W/mK, and ideally aluminum and PVC frames should comprise cavities with an emissivity below 0.05 for the surrounding materials. Non sono state presentate linee guida di progettazione per la geometria delle finestre e non sono stati specificati percorsi su come acquisire le conduttività specifiche. Allo stesso modo, Byars e Arasteh [5] si sono anche concentrati sull'impatto della conduttività termica sul valore U del telaio. La ricerca di Gustavsen [1] ha indicato che sebbene la convezione sia modellata in EN ISO 10077-2 [6] adottando un approccio semplificato con conduttività termiche equivalenti, i risultati si confrontano bene con le simulazioni del flusso del fluido. ISO 10077- 2 prescrive che le cavità con un'interconnessione non superiore a 2 mm devono essere considerate separate. Qualsiasi riferimento agli articoli o alla ricerca è carente per tale ipotesi e per mezzo di simulazioni CFD è stato dimostrato che 7 mm sarebbe stato un criterio più realistico. 2. Modelli e metodo di simulazione Un'analisi delle caratteristiche di una gamma di frame delle finestre attualmente disponibili sul mercato belga ha portato alla progettazione di tre diversi materiali di cornice: alluminio, legno e vinile. Queste sono una base neutra per le simulazioni e possono essere utilizzati come modelli generici al fine di evitare che i prodotti esistenti vengano avvantaggiati o svantaggiati. Questi modelli sono stati progettati in collaborazione con la BCCA BCCA e il BCCA della costruzione e della certificazione belga) e il Centro europeo di alluminio, non solo per garantire il design neutro dei frame, ma anche per ottenere una panoramica affidabile delle misure tipiche che vengono adottate per migliorare le prestazioni termiche dei frame. Per i cornici in alluminio l'attuale riferimento standard in Belgio è un profilo a 3 camera con una rottura termica in poliammide rinforzata in fibra di vetro. Il sistema è reso ermetico e stagioncario per mezzo di una guarnizione centrale, in genere in combinazione con una guarnizione interna. Allo stesso modo, i frame delle finestre in vinile comuni sono composti da 5 camere e viene inserito un profilo di acciaio per garantire una resistenza e una rigidità adeguate. Anche la pendenza è garantita da due guarnizioni, una sul piano interno, una sul piano esterno. Il telaio di riferimento in legno ha uno spessore di 68 mm ed è realizzato in legno duro e comprende una guarnizione interna e centrale. In collaborazione con il BCCA è stato avviato un piccolo esercizio di simulazione rotondo. I produttori di telai per finestre sono stati invitati a simulare i modelli generici e segnalare il valore UF secondo l'EN ISO 10077-2. Solo 5 aziende hanno risposto alla chiamata, quindi i risultati non possono essere considerati rappresentativi per l'industria edile belga completa, ma sono state tratte una serie di conclusioni interessanti. Prima di tutto, sono stati usati sia Therm [7] che Bisco [8] e simili 2502 Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 Risultati sono stati trovati. In secondo luogo, per la cornice di legno la deviazione standard era di 0,00 W/m²k, mentre è stata trovata una deviazione standard di 0,01 W/m²k per il telaio in vinile e alluminio. Evidentemente, la conduzione è il modo più importante per il trasferimento di calore nella cornice di legno, mentre la convezione e le radiazioni (e le conduzioni termiche equivalenti) sono più importanti negli altri profili. Fig. 1 frame delle finestre generiche in alluminio (sinistra), vinile (medio) e legno (a destra). La geometria di ciascun modello si basa sul comune denominatore dei sistemi commerciali. Questi progetti possono essere considerati basilari e forse non rappresentativi dell'attuale pratica di costruzione, ma utilizzando questo approccio è più semplice valutare e quantificare l'impatto di diverse strategie di miglioramento. Lo standard europeo EN ISO 10077-2 fornisce un metodo di calcolo numerico per calcolare il valore U del telaio (UF), che in genere viene eseguito utilizzando un programma di trasferimento di calore 2D commerciale come Therm o Bisco. Per questa analisi, è stato usato Bisco ma è stato adottato un approccio più fisicamente corretto. Le modifiche più importanti sono il calcolo accurato dei fattori di visualizzazione e il modello di radiazione non lineare (contrariamente all'uso di conducibilità termica equivalente per le cavità in EN ISO 10077-2) e l'analisi separata delle radiazioni e della convezione nelle cavità e sulle superfici interne ed esterne. L'EN ISO 10077-2 specifica che una temperatura media di 10 ° C può essere adottata per il calcolo della conduttività termica equivalente. Le simulazioni mostrano che anche in cornici simmetriche la convezione dipendente dalla temperatura induce effettivamente differenze fino a 0,003 W/M²K nei modelli che sono considerati qui (mente che in condizioni più estreme in cui sono state trovate più importanti convezione e radiazioni, sono state trovate differenze fino a 0,04 W/M²K). In generale, ciò porta a valori UF leggermente più bassi, ma consente una valutazione più corretta di diverse strategie di ottimizzazione. Utilizzando il metodo di simulazione più accurato, il valore UF del telaio della finestra in vinile è inferiore del 2 % rispetto al metodo di calcolo EN ISO 10077-2, mentre per le finestre in legno e in alluminio il valore UF è quasi all'1 % inferiore. Al contrario, viene registrata una differenza maggiore nel contributo delle tre diverse forme di trasferimento di calore (conduzione, radiazione e convezione) alle prestazioni termiche complessive. Generalmente il metodo di calcolo EN ISO 10077-2 sottovaluta l'importanza delle radiazioni e della convezione e sopravvaluta l'importanza della conduzione. In particolare per il modello di telaio di legno La differenza nel contributo delle forme di trasferimento di calore tra l'EN ISO 10077-2 e il metodo più accurato è colpire, ciò può essere attribuita a una ridistribuzione delle diverse forme di trasferimento di calore a causa della sottovalutata importanza delle radiazioni e della convezione nelle cavità del telaio. Man mano che la conduttività termica equivalente delle cavità cresce, si avvicina alla conduttività del legno. Quindi una parte del flusso di calore che inizialmente scorreva attraverso il legno ora 'sceglie' di attraversare la cavità per mezzo di radiazioni, poiché la differenza nella resistenza al flusso di calore tra il legno e la cavità è diminuita. Infine, nelle simulazioni l'IGU è-in linea con EN ISO 10077-2-sostituita da uno strato di isolamento con lo stesso spessore e una conducibilità termica di 0,035 W/Mk. Dato il fatto che per il calcolo dei valori UF che non sono basati sul progetto (come di solito è il caso), non è chiaro quale spessore del vetro dovrebbe essere assunto. La tabella 1 mostra gli UFValues ​​per i tre frame di riferimento, calcolati per uno spessore di vetro di 24 mm (doppio vetro 4-16-4) e 42 mm (tripli vetri 4-15-4-15-4). Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500-2505 2503 Tabella 1. Valori UF di frame di finestre generiche con vetri di 24 mm e42 mm. Valori UF doppi vetri 24mm (w/m²k) triplo vetri 42 mm (w/m²k) Differenza (w/m²k) Differenza (%) Alluminio 2.773 2.618 0.155 5.59 Legno 1.707 1.640 0,067 3,93 Vinile 1.503 1.451 0,052 3.46 Strategie di Optegies Optimization Exalsing di The Exalsing Strates di The Exalsing di The Exalsing Optimization di The Exalsing Stratens Sono state trovate una serie di diverse strategie di ottimizzazione termica. Un'analisi di sensibilità delle diverse tecniche di ottimizzazione è stata eseguita sui corrispondenti modelli generici. 3.1. La Tabella 2 in alluminio riporta le diverse strategie di ottimizzazione applicate al modello del telaio della finestra in alluminio con una trasmittanza termica di 2,775 W/(M²K). Il valore UF più basso ottenibile combinando queste strategie è 1,210 W/(M²K), una riduzione della perdita di calore del 56%. Si noti che questo non dovrebbe essere considerato il valore più basso raggiungibile. L'analisi qui riportata si concentra sull'impatto relativo di interventi separati e combinati e, mediante un'ottimizzazione specifica più focalizzata, è possibile ottenere valori anche più bassi. Tabella 2. Strategie di ottimizzazione per i finestrine in alluminio. Strategie di ottimizzazione UF-Value (w/m²K) Miglioramento (%) Avvio: modello di finestra in alluminio 2.775 0 A. Larghezza di ottimizzazione dei membri del profilo in alluminio 2.759 1 B. interruzione termica (da λ = 0,30 a λ = 0,17W/MK) 2.624 5 C. interruzione termica estesa (da 34 mmm) 2.660 azionario Central. 2.713 2 E1. Dividi rottura termica (cavità di profondità 6 mm) 2.411 13 E2. Isolamento a rottura termica (λ = 0,035W/MK) 2.336 16 F1. sigillatura di vetri estesa per bloccare le radiazioni 2.570 7 f2. Glazing spostato (da 15 a 30 mm in vetrobate) 2.486 10 F3. Isolamento tra smalti e frame (λ = 0,035W/mk) 2.475 11 G. Aluminio non trattato in cavità (ε = 0,3) 2.499 10 H. Glazing triplo 2.618 6 combinazione A+b+d+e1+f1 1.709 38 combinazione A+c+d+e1+f2 1.594 combinazione A+B+C+D+E1+F3 1.518 45 Combinazione A+B+C+D+E2+F1 1.649 41 Combinazione A+B+C+D+E2+F3 1.473 47 Combinazione A+B+C+D+E2+F3+H 1.210 56 Alcune parti di una sezione possono essere migliorate in modi diversi. Ad esempio, per bloccare le radiazioni e la convezione inferiore, l'interruzione termica può essere divisa in diverse cavità o le cavità tra l'interruzione termica possono essere riempite con materiale isolante. L'ultima opzione risulta essere la più efficace: è stato ottenuto un miglioramento del valore UF del 16%, mentre una riduzione del 13% era evidente quando si dividono la rottura termica in cavità separate. Inoltre, la cavità tra IGU e Frame può essere trattata in diversi modi. Può essere diviso in 2504 Nathan van den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 cavità separate estendendo la guarnizione di smalto o spostando i vetri più profondi nel telaio. Tuttavia, riempire questa cavità con l'isolamento sembra essere di nuovo l'opzione migliore. Se viene applicata questa tecnica, è necessario prestare attenzione per impedire all'acqua capillare di penetrare nella sigillatura secondaria dell'IGU. Combinando diverse strategie di ottimizzazione, l'effetto cumulativo non è uguale alla somma del miglioramento separato perché alcuni effetti contrastano. Figura 2. Risultati della simulazione per frame ottimizzati (in alto) e di riferimento (in basso). La figura a sinistra mostra la distribuzione della temperatura nei profili di alluminio, la figura centrale mostra il flusso di calore in ciascuna parte del telaio di alluminio, la figura destra mostra il flusso di calore nei frame in vinile. 3.2. Vinile Il valore UF del modello di riferimento del telaio della finestra in vinile è 1,503 W/m²k. È possibile ridurlo a 0,759 W/m²K o una riduzione del 50% scegliendo la giusta combinazione di tecniche di ottimizzazione. Il punto debole di un telaio di finestra in vinile standard è il rinforzo in acciaio. Esistono due metodologie tipiche per affrontare questo problema: sostituire il rinforzo con un materiale isolante migliore con resistenza comparativa o sostituire il materiale del telaio con un materiale più forte con il quale il rinforzo diventa ridondante. Per la prima opzione vengono proposti due materiali: acciaio inossidabile e materiale composito. L'acciaio inossidabile funziona quasi meglio dell'acciaio, un rinforzo composito (λ = 0,2 W/mk) invece fa davvero la differenza. Inoltre, se l'intero telaio sarebbe realizzato con un forte composito (ad es. Con fibra di vetro; λ = 0,2 W/mk), non è necessario alcun rinforzo, il risultato si avvicina quasi a quello del telaio in vinile con rinforzo composito. Tuttavia, se nelle cavità centrali sono isolate, i frame compositi ottengono prestazioni migliori rispetto ai frame rinforzati. Dividendo la cornice in più cavità di approfondimento la sezione rendering in modo inefficace. L'approfondimento del telaio da 90 mm a 120 mm e l'isolamento riduce la perdita di calore del 29%. L'installazione di una guarnizione centrale riduce la perdita di calore del 4%, l'isolamento tra IGU e il telaio del 3%, utilizzando un materiale composito per eliminare il rinforzo in acciaio rende una riduzione dell'11%. 3.3. Wood La recente evoluzione per applicare telai di legno in edifici a bassa energia è un segno che in particolare le cornici di legno Nathan van den Bossche et al. / Procedia energetica 78 (2015) 2500 - 2505 2505 hanno il potenziale per avere una bassa trasmittanza termica. Pertanto, le prestazioni termiche dell'IGU dovrebbero essere bilanciate con le prestazioni del frame. Di conseguenza il modello di riferimento su cui vengono applicate le diverse tecniche di ottimizzazione ha triplo vetri. Le finestre in alluminio, d'altra parte, sono in genere scelte in base alla loro efficacia in termini di costi, durata e le generalmente richiedono una manutenzione minima. Tuttavia, poiché i frame in alluminio sono ampiamente utilizzati, il miglioramento del telaio ha conseguenze importanti. Il legno molle è un isolante migliore del legno duro, ma è meno resistente e forse suscettibile al deterioramento prematuro. Questo è il motivo per cui il modello di riferimento è realizzato in legno duro, ma se correttamente schermato dall'ambiente, viene utilizzato il legno molle. Il frame di riferimento ha un UFValue di 1,640 W/m²K e combinando le tecniche appropriate, è possibile ottenere un valore UF di 0,584. Questo è un miglioramento del 64%. Vengono confrontate tre tecniche di ottimizzazione per quanto riguarda il volume di legno del telaio. La migliore tecnica è quella di sostituire tre strati di legno duro di Cork, PU e di nuovo Cork. Un altro approccio, sebbene meno riuscito, è quello di sostituire una parte rettangolare della massa centrale da parte di Cork. La terza opzione è quella di creare piccoli fori nel telaio senza ridurne la forza. Al fine di proteggere la cornice di legno dall'ambiente esterno è possibile utilizzare un alluminio o uno screening sintetico isolato. Entrambe le proiezioni offrono buoni risultati che derivano dalla sostituzione del legno duro da parte del legno molle che si isola meglio. L'approfondimento del telaio da 68 mm a 108 mm riduce il valore UF da 1,640 a 1,269 W/m²k. Sostituire il materiale in legno con una combinazione di bocce-car-car-taglio del car-taglio riduce la perdita di calore del 47%. Si noti che l'inserimento di piccole cavità dell'aria (alta 4 mm di 14 mm di larghezza) nel materiale in legno massiccio può influire sulla durata e un volume di cavità del 16% riduce solo la perdita di calore del 9%. Infine, l'inserimento di isolamento tra IGU e il telaio ha un impatto molto minore rispetto agli altri profili (1%). Contrariamente agli altri profili, la fermata del vetro ha già un effetto isolante, causando meno efficace l'isolamento aggiuntivo. 4. Conclusioni e discussione I risultati della simulazione dei modelli generici di frame delle finestre mostrano che un frame di finestre medio può essere migliorato del 50% fino al 64% con strategie di ottimizzazione semplici trovate sul mercato belga. La nuova metodologia di simulazione dimostra il suo valore in quanto alcune tecniche risultano più efficaci o ottengono un ottimale in altre condizioni di quanto la vecchia metodologia assunta. Inoltre, nuove intuizioni sono aumentate dall'analisi. Alcuni interventi non raggiungono un ottimale basato sulla trasmissione del calore da sola: ad esempio, la profondità teoricamente della cornice della finestra in legno potrebbe essere aumentata all'infinito per ridurre al minimo la perdita di calore. Un design intelligente dovrebbe trovare un equilibrio ottimale tra prestazioni termiche, un uso limitato di materiale e altre restrizioni pratiche. Per frame cavi come il modello in vinile e alluminio, è possibile esaminare l'effetto positivo dell'aumento della profondità dell'IGU nel telaio. Forse un'altra opzione sarebbe quella di legare strutturalmente l'IGU al telaio sulla larghezza totale del telaio, quindi la funzione strutturale del telaio viene parzialmente trasferita all'IGU. A causa della significativa influenza dell'alluminio sulla trasmittanza del calore del telaio a causa dell'elevata conduttanza termica, ulteriori ricerche sulla riduzione dell'emissività dei materiali potrebbero portare a una sostanziale riduzione del trasferimento di calore da parte delle radiazioni. RIFERIMENTI [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, Sviluppo di frame delle finestre a bassa conduttanza: capacità e limitazioni degli attuali strumenti di progettazione del trasferimento di calore della finestra-Revisione all'avanguardia, Journal of Building Physics, vol. 32 (2) (2008), pp.131-153. [2] A. Gustavsen, S. Grynning, D. Arasteh, B. Petter Jelle, H. Goudey, Elementi chiave e obiettivi di prestazioni materiali per cornici di finestre altamente isolanti. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. bianchi, Influenza delle cavità proprietà geometriche ed emissività sulle prestazioni termiche complessive dei telai in alluminio per le finestre. 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