要約2D数値シミュレーションを使用して、ウィンドウフレームの熱性能を簡単に計算できます。いくつかの商用ソフトウェアパッケージが利用可能であり、国際標準は熱透過率を計算するための明確な方法論を提供します。しかし、これらの方法は学界と研究コミュニティ全般でよく知られていますが、熱最適化はまだ建物業界で最大限の潜在能力に達しておらず、改善のためのかなりのマージンがあります。特に中小企業には、広範囲にわたる使用を保証するのに十分な一般的なガイドラインが不足しているだけでなく、簡単で簡単な解釈と実装を可能にするのに十分具体的なガイドラインがありません。この研究プロジェクトでは、ビニール、アルミニウム、および木製フレーム用の一般的なウィンドウセクションが建物業界と協力して開発されました。市場調査に基づいて、各タイプの窓枠の熱性能を改善するための典型的なアプローチが特定され、説明されています。その後、個別の改善と複合効果の影響は、標準化された計算方法と高度な計算方法の両方を使用して研究されています。このために、熱伝達現象とこれらの方法が標準計算手順に従ってモデル化される方法について説明します。その次に、標準に由来する多くの二次効果について説明します。たとえば、IGUの厚さ、窓のリベートの深さ、同等の熱伝導率、および熱伝達係数の減少の影響について説明します。 Centro Congressi Internazionale SRL Nathan Van Den Bossche et al。 / Energy Procedia 78（2015）2500 - 2505 2501過去数十年を通じて、建物でのエネルギー使用を減らすことに関心が高まっています。建物の全体的なエネルギー効率に寄与する多くの側面があります。たとえば、インテリジェントな設計、効率的なHVACシステム、気密インターフェイス、適切な断熱レベルです。特に、断熱材の性能は、過去の研究で徹底的に調査されてきました。多くの研究にもかかわらず、1つの建物のコンポーネントは依然として懸念の源であり、より具体的には窓枠です。これは、機械的性能、操作性、音響などに関連する特定の境界条件のために、かなり複雑なコンポーネントです。壁、屋根、床の場合、北ヨーロッパ諸国の中心部の最大熱透過率の典型的なガイドラインは0.1〜0.3w.m²kの間に位置しており、一般的な建設タイプで簡単に実現できます。 Windowsの場合、ガイドラインは厳格ではなく、通常は0.8W/m²k〜2.4W/m²kの間で変化します。一部の国では、IGUに関する特定の要件もあります。低Eコーティングとアルゴンガス充填を伴う市販の二重窓は、1.1W/m²kの熱透過率を持っていますが、トリプルグレージングと真空グレージングは0.5W/m²kという低いものになります。著者の知識には、窓枠の熱伝導率に関するさまざまな国で具体的な制限はありません。特定の制限を課すと、特定のウィンドウ構成を構築することが不可能になることに注意してください。たとえば、市場で利用可能なアルミニウムまたはビニールの典型的なスライド窓とドアは、2.0〜4.5W/m²kの熱透過率を持っています。設計プロセスで熱性能が考慮されていなかったためではなく、製造と使いやすさの実際的な制限のためです。科学文献における熱最適化、および一般的な文献に関する情報は、かなり少ない[1-4]。 Gustavsen et al。 [1、2]は、電流窓の設計の材料性能ターゲットを定義するために、フレーム材料と熱破壊の熱伝導率の影響を研究しました。 0.5 w/m²kのU値が必要なパフォーマンスレベルとして選択されたことに注意してください。単に、市場で最高の商用IGUが0.5W/m²kのU値を持っているという事実に基づいています。そのアプローチに基づいて、熱破壊は0.02W/MK（または「新しい」材料が開発されている場合は0.005 W/MK）未満の熱伝導率を持つ必要があると結論付けられました。木材複合材料プロファイルの構造断熱材は0.03W/MK未満の熱導電率を持つ必要があり、理想的にはアルミニウムおよびPVCフレームが材料を囲んでいます。ウィンドウジオメトリの設計ガイドラインは提示されておらず、指定された導電率を取得する方法に関する経路は指定されていません。同様に、ByarsとArasteh [5]は、フレームのU値に対する熱伝導率の影響にも焦点を当てています。 Gustavsen [1]による研究は、同等の熱伝導性を備えた単純化されたアプローチを採用することにより、EN ISO 10077-2 [6]で対流がモデル化されているが、結果は流体フローシミュレーションとよく比較されることを示した。 ISO 10077-2は、相互接続が2mmを超えない空洞が別々と見なされることを規定しています。論文や研究への言及は、その仮定には不足しており、CFDシミュレーションにより、7mmがより現実的な基準になることが示されました。 2。モデルとシミュレーション方法ベルギーのマーケットプレイスで現在利用可能なさまざまな窓フレームの特性の分析により、アルミニウム、木材、ビニールの3つの異なるフレーム材料が設計されました。これらはシミュレーションの中立的な基礎であり、既存の製品が有利または不利な立場にあることを避けるために、一般的なモデルとして使用できます。これらのモデルは、フレームのニュートラルな設計を保証するだけでなく、フレームの熱性能を高めるために取られる典型的な測定の信頼できる概要を得るために、ベルギー建設および認定協会BCCA）とヨーロッパのアルミニウムセンターと協力して設計されました。アルミニウムフレームの場合、ベルギーの現在の標準リファレンスは、ガラス繊維強化ポリアミドの熱分裂を伴う3チャンバープロファイルです。このシステムは、通常、内部ガスケットと組み合わせて、中央のガスケットを使用して気密および水密になります。同様に、一般的なビニール窓フレームは5つのチャンバーで構成されており、適切な強度と剛性を確保するために鋼プロファイルが挿入されています。 weathertightnessは、2つのガスケットによっても保証されます。1つは内側の飛行機に、もう1つは外面にあります。木材の参照フレームの厚さは68mmで、広葉樹で作られており、内部と中央のガスケットで構成されています。 BCCAとの協力により、小さなラウンドロビンシミュレーション演習が開始されました。窓枠のメーカーは、ジェネリックモデルをシミュレートし、EN ISO 10077-2に従ってUF値を報告するよう招待されました。 5社のみが電話に応答したため、結果はベルギーの完全な建物業界の代表と見なすことはできませんが、それでも多くの興味深い結論が導き出されました。まず第一に、Therm [7]とBisco [8]の両方が使用され、同様の2502 Nathan Van Den Bossche et al。 / Energy Procedia 78（2015）2500 - 2505の結果が見つかりました。第二に、木製フレームの場合、標準偏差は0.00W/m²kでしたが、ビニールおよびアルミニウムフレームについては0.01 w/m²kの標準偏差が見つかりました。明らかに、伝導は木製フレームの熱伝達の最も重要な方法ですが、対流と放射（および同等の熱伝導率）は他のプロファイルでより重要です。図1アルミニウム（左）、ビニール（中央）、木材（右）の一般的なウィンドウフレーム。各モデルのジオメトリは、商業システムの共通点に基づいています。これらの設計は、基本的であり、おそらく現在の建物の慣行を代表するものではないと見なすことができますが、このアプローチを使用することにより、さまざまな改善戦略の影響を評価および定量化する方が簡単です。欧州標準EN ISO 10077-2は、フレーム（UF）のU値を計算するための数値計算方法を提供します。これは、通常、ThermやBiscoなどの市販の2D熱伝達プログラムを使用して行われます。この分析では、ビスコが使用されましたが、より物理的に正しいアプローチが採用されました。最も重要な変化は、ビュー係数と非線形放射モデルの正確な計算（EN ISO 10077-2の空洞の同等の熱伝導率の使用に反して）と、空洞および内面および外部表面での放射と対流の分離分析です。 EN ISO 10077-2は、同等の熱伝導率を計算するために10°Cの平均温度を採用できることを指定しています。シミュレーションでは、対称フレームでさえ、温度依存の対流が実際にここで考慮されるモデルに最大0.003W/m²kの差を誘発することが示されています（対流と放射がより重要であるより極端な条件では、最大0.04W/m²Kの差が見つかりました）。一般に、これによりUF値がわずかに低くなりますが、さまざまな最適化戦略のより正確な評価が可能になります。より正確なシミュレーション方法を使用すると、ビニール窓フレームのUF値はEN ISO 10077-2計算法と比較して2％低くなりますが、木製およびアルミニウムの窓フレームの場合、UF値はほぼ1％低くなります。対照的に、3つの異なる形態の熱伝達（伝導、放射、対流）の全体的な熱性能への寄与に大きな違いが記録されます。一般に、EN ISO 10077-2計算方法は、放射と対流の重要性を過小評価し、伝導の重要性を過大評価します。特に木製フレームモデルの場合、EN ISO 10077-2とより正確な方法の間の熱伝達の形の寄与の違いは、フレーム空洞の放射と対流の過小評価された重要性によるさまざまな形態の熱伝達の再分布に起因する可能性があります。空洞の同等の熱伝導率が成長するにつれて、木材の導電率に近づきます。したがって、木材と空洞の間の熱流抵抗の違いが減少したため、最初に木材を通過した熱流束の一部は、放射線によって空洞を横切るように「選択」します。最後に、シミュレーションでは、IGUは、EN ISO 10077-2に沿って、同じ厚さの断熱層と0.035W/mkの熱伝導率に置き換えられます。プロジェクトベースではない計算UF値（通常はそうであるように）という事実を考えると、どのガラスの厚さを想定すべきかは明らかではありません。表1は、24 mm（二重窓4-16-4）および42mm（トリプルグレージング4-15-4-15-4）のガラス厚（二重窓4-15-4-15-4）の場合に計算された3つの参照フレームのUFValuesを示しています。ネイサン・ヴァン・デン・ボシェ等/ Energy Procedia 78（2015）2500 - 2505 2503表1。24mmと42mmのグレージングを伴う一般的なウィンドウフレームのUF値。 UF値ダブルグレージング24mm（w/m²k）トリプルグレージング42mm（w/m²k）差（w/m²k）差（％）アルミニウム2.773 2.618 0.155 5.59 wood 1.707 1.640 0.067 3.93 3.93ビニール1.503 1.451 0.052 3.46 3.46 3.43の範囲の範囲を通過する熱最適化戦略が見つかりました。異なる最適化手法の感度分析は、対応する汎用モデルで実行されました。 3.1。アルミニウム表2は、2.775 w/（m²k）の熱透過率でアルミニウム窓枠モデルに適用されるさまざまな最適化戦略を報告しています。これらの戦略を組み合わせることで最も低い達成可能なUF値は1.210 w/（m²k）であり、56％の熱損失の減少です。これは、達成可能な最低値と見なされるべきではないことに注意してください。ここで報告されている分析は、個別の介入と結合された介入の相対的な影響に焦点を当てており、より焦点を絞った特定の最適化により、さらに低い値を達成できます。表2。アルミニウム窓枠の最適化戦略。最適化戦略UF値（w/m²k）改善（％）開始：モデルアルミニウム窓枠2.775 0 A.アルミニウムプロファイルメンバーの最適化幅2.759 1 B.サーマルブレイク（λ= 0,17W/MK）2.624 5 C. E1。除算サーマルブレーク（深さ6mm）2.411 13 E2。熱破壊時の断熱（λ= 0,035W/mk）2.336 16 F1。放射線2.570 7 F2をブロックするための拡張グレージングシーリング。グレージング（Glassrebateで15〜30mm）をシフトした2.486 10 F3。グレージングとフレーム間の断熱材（λ= 0,035W/mk）2.475 11 G.空洞中の未処理アルミニウム（ε= 0,3）2.499 10 H.トリプルグレージング2.618 6組み合わせA+B+C+D+E1+F1 1.709 38組み合わせA+B+C+D+F2 1.594+f+d+d 1.518 45組み合わせA+B+C+D+E2+F1 1.649 41組み合わせA+B+C+D+E2+F3 1.473 47組み合わせA+B+C+D+E2+F3+H 1.210 56セクションの一部はさまざまな方法で改善できます。たとえば、放射線をブロックして対流を低くするために、サーマルブレークを異なる空洞に分割することができます。または、サーマルブレーク間の空洞は断熱材で満たすことができます。最後のオプションは最も効果的なオプションであることが判明しました：16％のUF値の改善が代わりに取得されましたが、サーマルブレイクを別々の空洞に分割すると13％の減少が明らかでした。さらに、IGUとフレームの間の空洞はさまざまな方法で処理できます。 2504 Nathan Van Den Bossche et al。 / Energy Procedia 78（2015）2500 - 2505グレージングガスケットを伸ばすか、グレージングをフレームに深く移動することにより、空洞を分離します。ただし、この空洞を断熱材で満たすことは、再び最良の選択肢のようです。この手法が適用される場合、毛細血管水を防ぐためにIGUの二次シーリングに浸透するように注意する必要があります。さまざまな最適化戦略を組み合わせることにより、累積効果は、一部の効果が対抗するため、個別の改善の合計に等しくありません。図2。最適化（上）および参照フレーム（下）のシミュレーション結果。左の図は、アルミニウムプロファイルの温度分布を示し、中央図はアルミニウムフレームの各部分の熱流束を示し、右の図はビニールフレームの熱流束を示しています。 3.2。ビニールビニール窓枠の参照モデルのUF値は1.503 w/m²kです。最適化技術の適切な組み合わせを選択することにより、0.759 w/m²kまたは50％を減らすことができます。標準的なビニール窓枠の弱点は、鋼の補強です。この問題に取り組むには、2つの典型的な方法論があります。補強材を比較強度でより良い絶縁材料に置き換えるか、フレーム材料を補強材が冗長になる強力な材料に置き換えます。最初のオプションでは、2つの材料が提案されています：ステンレス鋼と複合材料。ステンレス鋼は鋼よりもほとんど優れていません。一方、複合補強材（λ= 0.2 w/mk）は実際に違いを生みます。さらに、フレーム全体が強力な複合材（たとえば、ガラス繊維、λ= 0.2 w/mk）で作られている場合、補強は必要ありません。ただし、中央の空洞に断熱されている場合、複合フレームは強化フレームと比較してより良いパフォーマンスを実現します。フレームをより多くの空洞に分割すると、セクションを深くします。フレームを90mmから120mmに深くすると、それを絶縁すると、熱損失が29％減少します。中央のガスケットを設置すると、IGUとフレーム間の断熱材が4％減少します。複合材料を使用して鋼の補強を排除すると、11％の削減が得られます。 3.3。木材低エネルギーの建物に木製フレームを適用する最近の進化は、特に木製のフレームNathan van Den Bossche et al。 / Energy Procedia 78（2015）2500 - 2505 2505は、熱透過率が低い可能性があります。これにより、IGUの熱性能は、フレームのパフォーマンスとバランスをとる必要があります。したがって、異なる最適化手法が適用される参照モデルには、トリプルグレージングがあります。一方、アルミニウムの窓は、通常、費用対効果、耐久性に基づいて選択され、一般的に最小限のメンテナンスが必要です。ただし、アルミニウムフレームが広く使用されているため、フレームを改善することは重要な結果をもたらします。柔らかい木材は硬い木材よりも優れた絶縁体ですが、耐久性が低く、早期の劣化の影響を受けやすい場合があります。これが、参照モデルが硬い木材で作られている理由ですが、環境から適切に保護されると、柔らかい木材が使用されます。参照フレームのUFValueは1.640W/m²kであり、適切な手法を組み合わせることにより、0.584のUF値を取得できます。これは64％の改善です。フレームの木製ボリュームに関する3つの最適化手法が比較されます。最良のテクニックは、コルク、PU、そして再びコルクに3層の硬い木材を置き換えることです。あまり成功していませんが、中央質量の長方形の部分をコルクで置き換えることです。 3番目のオプションは、その強度を軽減することなく、フレームに小さな穴を開けることです。木製フレームを外部環境から保護するために、アルミニウムまたは断熱合成スクリーニングを使用できます。どちらのスクリーニングも、硬い木材を柔らかい木材に置き換えることに起因する良好な結果を提供し、より良く断熱されます。フレームを68mmから108mmに深くすると、UF値が1.640から1.269W/m²kに減少します。広葉樹材料を木製コルク - コークウッドの組み合わせに置き換えると、熱損失が47％減少します。頑丈な木材材料に小さな空洞（4mmの高さ14mm）を挿入すると、耐久性に影響を与える可能性があり、16％の空洞の体積は熱損失を9％減らすだけであることに注意してください。最後に、IGUとフレーム間の断熱材の挿入は、他のプロファイル（1％）と比較してはるかに小さな影響を及ぼします。他のプロファイルとは反対に、グレージングストップにはすでに断熱効果があり、追加の断熱性の効果が低下します。 4.結論と議論ウィンドウフレームの汎用モデルのシミュレーション結果は、ベルギーの市場で見られる簡単な最適化戦略で、平均窓枠を最大64％改善できることを示しています。新しいシミュレーション方法論は、いくつかの手法がより効果的であるか、古い方法論が想定されるよりも他の条件下で最適になることが判明するため、その価値を証明します。さらに、分析から新しい洞察が生まれました。一部の介入は、熱透過率のみに基づいて最適には到達しません。インテリジェントな設計では、熱性能、材料の制限された使用、およびその他の実用的な制限との間に最適な平衡が見つかるはずです。ビニールやアルミニウムモデルなどの中空フレームの場合、フレーム内のIGUの深さを増やすことのプラスの効果を調べることができます。おそらく、別のオプションは、フレームの総幅にわたってIGUをフレームに構造的に結合することであるため、フレームの構造関数はIGUに部分的に転送されます。熱コンダクタンスが高いため、フレームの熱透過率に対するアルミニウムの有意な影響のため、材料の放射率の低下に関するさらなる研究は、放射線による熱伝達の大幅な減少につながる可能性があります。参考文献[1] A. Gustavsen、D。Arasteh、BP Jelle、C。Curcija、C。Kohler、低伝導窓フレームの開発：現在のウィンドウ熱伝達設計ツールの機能と制限 - 最先端のレビュー、Journal of Building Physics、vol。 32（2）（2008）、pp.131-153。 [2] A. Gustavsen、S。Grynning、D。Arasteh、B。PetterJelle、H。Goudey、高度に断熱される窓フレームの重要な要素と材料性能ターゲット。 [3] F. Asdrubali、G。Baldinelli、F。bianchi、窓用のアルミニウムフレームの全体的な熱性能に対する幾何学的および放射性特性の虫歯の影響。エネルギーと建築[4] U.ラーソン、B。モシュフェグ、M。 29（1999）、pp。121-128[5] N. Byars、D。Arasteh、低導電性ウィンドウフレームの設計オプション。太陽エネルギー材料および太陽電池25（1992）143-148。 [6] EN ISO 10077-2、窓、ドア、シャッターの熱性能 - 熱透過率の計算パート2：フレームの数値方法、2012年。ユーザーマニュアル、Physibel、2012年。
