窓枠の熱の最適化

概要 窓枠の熱性能は、2D 数値シミュレーションを使用して簡単に計算できます。いくつかの商用ソフトウェア パッケージが入手可能であり、国際標準では熱透過率を計算するための明確な方法論が提供されています。ただし、これらの方法は学界や研究コミュニティ一般ではよく知られていますが、建築業界では熱の最適化はまだその可能性を最大限に発揮しておらず、改善の余地はかなりあります。特に中小企業にとっては、広範な使用を保証するのに十分な汎用性と、簡単かつ直接的な解釈と実装を可能にするのに十分な具体性を備えたガイドラインが不足しています。この研究プロジェクトでは、建築業界と協力して、ビニール、アルミニウム、木製フレーム用の一般的な窓セクションが開発されました。市場調査に基づいて、各タイプの窓枠の断熱性能を向上させ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、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、個別の改善の影響と組み合わせた効果が研究されました。このために、熱伝達現象と、それを標準的な計算手順に従ってモデル化する方法について説明します。次に、IGU の厚さ、窓のリベートの深さ、等価熱伝導率、熱伝達係数の低下の影響など、規格に起因する多くの二次的な影響について説明します。 CENTRO CONGRESSI INTERNAZIONALE SRL の責任による査読 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2501 過去数十年にわたり、建物でのエネルギー使用量を削減することへの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は、インテリジェントな設計、効率的な HVAC システム、気密インターフェース、適切な断熱レベルなど、多くの側面が貢献します。特に断熱材の性能については、これまでの研究で徹底的に研究されてきました。多くの研究が行われているにもかかわらず、建築コンポーネントの 1 つ、具体的には窓枠が依然として懸念の原因となっています。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により、かなり複雑なコンポーネントです。壁、屋根、床の最大熱透過率の一般的なガイドラインは、中央ヨーロッパから北ヨーロッパ諸国では​​ 0.1 ～ 0.3 W.m²K であり、一般的な構造タイプで簡単に実現できます。窓の場合、ガイドラインはそれほど厳しくなく、通常は 0.8W/m²K から 2.4W/m²K の間で変化します。一部の国では、IGU にも特定の要件があります。 low-e コーティングとアルゴンガス充填を施した市販の二重ガラスの熱透過率は 1.1W/m2K ですが、三重ガラスや真空ガラスの熱透過率は 0.5W/m2K まで低くなります。著者の知る限りでは、各国で窓枠の熱伝導率に関する特別な制限はありません。特定の制限を課すと、一部の特定のウィンドウ構成を構築できなくなることに注意してください。たとえば、市場で入手可能なアルミニウムまたはビニール製の一般的な引き違い窓やドアの熱透過率は 2.0 ～ 4.5 W/m²K です。これは、設計プロセスで熱性能が考慮されていなかったからではなく、製造上の実際的な制限と使いやすさによるものです。科学文献および一般の文献における熱の最適化に関する情報はかなり不足しています [1-4]。グスタフセンら。 [1、2] は、現在のウィンドウ設計の材料性能目標を定義するために、フレーム材料の熱伝導率とサーマル ブレークの影響を研究しました。現在市販されている最高の商用 IGU の U 値が 0.5W/m2K であるという事実に基づいて、必要な性能レベルとして 0.5W/m2K の U 値が選択されたことに注意してください。そのアプローチに基づいて、サーマルブレークの熱伝導率は0.02W/mK未満（または「新しい」材料が開発された場合は0.005W/mK）、木材複合プロファイルの構造断熱材の熱伝導率は0.03W/mK未満、理想的にはアルミニウムおよびPVCフレームは周囲の材料の放射率が0.05未満の空洞を構成する必要があると結論付けられました。窓の形状に関する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ついても経路は指定されていません。同様に、Byars と Araasteh [5] も、フレームの U 値に対する熱伝導率の影響に焦点を当てました。 Gustavsen による研究 [1] では、EN ISO 10077-2 [6] では同等の熱伝導率を使用した簡略化されたアプローチを採用して対流がモデル化されていますが、結果は流体の流れのシミュレーションとよく匹敵することが示されました。 ISO 10077-2 では、相互接続が 2mm を超えないキャビティは別個のものとして考慮されると規定しています。その仮定については論文や研究への言及が不足しており、CFD シミュレーションによって 7mm がより現実的な基準であ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 現在ベルギーの市場で入手可能なさまざまな窓枠の特性を分析した結果、3 つの異なるフレーム素材 (アルミニウム、木材、ビニール) 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になることを避けるための汎用モデルとして使用できます。これらのモデルは、ベルギー建設認証協会 BCCA) およびヨーロッパ アルミニウム センターと協力して設計されており、フレームの中立的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一般的な対策の信頼できる概要を得ることができます。アルミニウム フレームの場合、ベルギーにおける現在の標準基準は、ガラス繊維強化ポリアミドのサーマル ブレークを備えた 3 チャンバー プロファイルです。このシステムは、通常は内部ガスケットと組み合わせた中央ガスケットによって気密および防水が行われます。同様に、一般的なビニール製の窓枠は 5 つの部屋で構成されており、適切な強度と剛性を確保するためにスチールのプロファイルが挿入されています。耐候性は、内側の面と外側の面に 1 つずつ、計 2 つのガスケットによっても確保されています。木製の基準フレームは厚さ 68 mm で、硬材で作られており、内部と中央のガスケットで構成されています。 BCCA と協力して、小規模なラウンドロビン シミュレーション演習が開始されました。窓枠メーカーは、一般モデルをシミュレートし、EN ISO 10077-2 に従って Uf 値を報告するよう依頼されました。この呼びかけに応じたのはわずか 5 社であったため、この結果はベルギーの建築業界全体を代表するものとは見なされませんが、それでも多くの興味深い結論が導き出されています。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 らも使用されました。 / エネルギープロセディア 78 (2015) 2500 – 2505 の結果が見つかりました。次に、木製フレームの標準偏差は 0.00W/m²K でしたが、ビニールとアルミニウムのフレームでは標準偏差 0.01 W/m²K でした。明らかに、木製フレームでは伝導が熱伝達の最も重要な方法ですが、他のプロファイルでは対流と放射 (および同等の熱伝導率) がより重要です。図 1 アルミニウム (左)、ビニール (中央)、木製 (右) の一般的な窓枠。各モデルの形状は商用システムの共通分母に基づいています。これらの設計は基本的なものと考えられ、現在の建築慣行を代表するものではない可能性がありますが、このアプローチを使用することで、さまざまな改善戦略の影響をより簡単に評価および定量化できます。欧州規格 EN ISO 10077-2 は、フレームの U 値 (Uf) を計算するための数値計算方法を提供しています。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。最も重要な変更点は、形状係数と非線形放射モデル (EN ISO 10077-2 でのキャビティの等価熱伝導率の使用とは対照的) の正確な計算、およびキャビティ内および内部表面と外部表面での放射と対流の分離解析です。 EN ISO 10077-2 では、等価熱伝導率の計算に平均温度 10°C を採用できると規定しています。シミュレーションによると、対称フレームであっても、温度に依存する対流によって、ここで検討したモデルでは実際に最大 0.003W/m²K の差が生じ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 の差が見つかったことに注意してください)。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をより正確に評価できるようになります。より正確なシミュレーション方法を使用すると、ビニール窓枠の Uf 値は EN ISO 10077-2 計算方法と比較して 2 % 低くなりますが、木製およびアルミニウム窓枠の Uf 値はほぼ 1% 低くなります。対照的に、全体的な熱性能に対する 3 つの異なる熱伝達形式 (伝導、放射、対流) の寄与には、より大きな違いが記録されています。一般に、EN ISO 10077-2 の計算方法では、放射と対流の重要性が過小評価され、伝導の重要性が過大評価されます。特に木造フレーム モデルの場合、EN ISO 10077-2 とより正確な方法との間の熱伝達形態の寄与の違いは顕著です。これは、フレームの空洞内の輻射と対流の重要性が過小評価されているために、さまざまな形態の熱伝達が再配分されたことに起因すると考えられます。空洞の等価熱伝導率が増加すると、木材の伝導率に近づきます。したがって、木材と空洞の間の熱流抵抗の差が減少したため、最初に木材を通って流れた熱流束の一部は、放射によって空洞を通過することを「選択」するようになりました。最後に、シミュレーションでは、EN ISO 10077-2 に準拠して、IGU が同じ厚さで熱伝導率 0.035W/mK の絶縁層に置き換えられます。 (通常の場合のように) プロジェクトベースではない Uf 値の計算では、どのガラス厚を想定すべきかは明確ではありません。表 1 は、ガラス厚 24 mm (二重ガラス 4-16-4) および 42 mm (三重ガラス 4-15-4-15-4) に対して計算された 3 つの基準フレームの Uf 値を示しています。ネイサン・ヴァン・デン・ボスシェら/ Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2503 表 1. ガラス厚 24mm および 42mm の一般的な窓枠の Uf 値。 Uf 値 複層ガラス 24mm (W/m²K) 複層ガラス 42mm (W/m²K) 差 (W/m²K) 差 (%) アルミニウム 2.773 2.618 0.155 5.59 木材 1.707 1.640 0.067 3.93 ビニール 1.503 1.451 0.052 3.46 3. 熱最適化戦略 既存の商用窓枠の分析を通じて、さまざまな熱最適化戦略が見つかりました。さまざまな最適化手法の感度分析が、対応する一般モデルに対して実行されました。 3.1.アルミニウム 表 2 は、熱透過率 2.775 W/(m²K) のアルミニウム窓枠モデルに適用されたさまざまな最適化戦略を示しています。これらの戦略を組み合わせることによって達成可能な最低の Uf 値は 1.210 W/(m²K) で、これは熱損失が 56% 減少することになります。これは達成可能な最低値として考慮されるべきではないことに注意してください。ここで報告される分析は、個別の介入と組み合わせ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ってさらに低い値を達成することができます。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 プロファイル部材の最適化幅 2.759 1 B. サーマル ブレーク (λ=0,30 から λ=0,17W/mK) 2.624 5 C. 拡張サーマル ブレーク (34 から 54mm へ) 2.660 4 D. 中央ガスケットの分割(キャビティ深さ 6mm) 2.713 2 E1。分割サーマル ブレーク (キャビティの深さ 6 mm) 2.411 13 E2。熱破壊時の絶縁 (λ=0,035W/mK) 2.336 16 F1。放射線を遮断する拡張ガラスシール 2.570 7 F2。シフトされたガラス（ガラスリベートで 15 から 30 mm へ） 2.486 10 F3。ガラスとフレーム間の断熱材 (λ=0,035W/mK) 2.475 11 G. キャビティ内の未処理アルミニウム (ε=0,3) 2.499 10 H. 三重ガラス 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+E1+F2 1.594 43 組み合わせA+B+C+D+E1+F3 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 セクションの一部の部分は、さまざまな方法で改善できます。たとえば、輻射を遮断して対流を下げるために、サーマル ブレークを異なるキャビティに分割したり、サーマル ブレーク間のキャビティを断熱材で充填したりできます。最後のオプションが最も効果的であることが判明しました。代わりに 16% の Uf 値の改善が得られましたが、サーマル ブレークを個別のキャビティに分割した場合には 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. で分割できます。 / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 ガラスのガスケットを延長するか、ガラスをフレームの奥深くに移動することにより、キャビティを分離します。ただし、この空洞を断熱材で埋めることがやはり最良の選択肢であると思われます。この技術を適用する場合、毛細管水が IGU の二次シールに浸透しない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と、一部の効果が相殺されるため、累積的な効果は個別の改善の合計と等しくなりません。図 2. 最適化されたフレーム (上) と参照フレーム (下) のシミュレーション結果。左図はアルミ形材内の温度分布、中図はアルミフレーム各部の熱流束、右図はビニールフレーム内の熱流束を示しています。 3.2.ビニール ビニール窓枠の参考モデルの Uf 値は 1.503 W/m²K です。最適化手法の適切な組み合わせを選択することで、0.759 W/m²K または 50% の削減に削減することが可能です。標準的なビニール窓枠の弱点は、スチールの補強であることです。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。1 つは比較的強度のあるより優れた断熱材で補強材を置き換えるか、もう 1 つは補強材が不要になるより強力な材料でフレーム材を交換するかのいずれかです。最初のオプションでは、ステンレス鋼と複合材料の 2 つの材料が提案されています。ステンレス鋼の性能はスチールよりもほとんど優れていませんが、複合強化材 (λ=0.2 W/mK) は実際に違いをもたらします。さらに、フレーム全体が強力な複合材料（例えば、ガラス繊維、λ=0.2 W/mK）で作られている場合、補強は必要なく、結果は複合補強を備えたビニールフレームの結果にほぼ近づきます。ただし、中央の空洞が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優れた性能を達成します。フレームをより多くのキャビティに分割してセクションを深くすると、レンダリングが非効率的になります。フレームを90mmから120mmに深くし、断熱することで熱損失を29%削減します。中央ガスケットを取り付けることで熱損失が 4% 削減され、IGU とフレーム間の断熱材で 3% 削減され、複合材料を使用して鋼鉄補強材を排除すると 11% 削減されます。 3.3.木材 低エネルギーの建物に木造フレームを適用するという最近の進化は、特に木製フレームがネイサン ヴァン デン ボスシェらによって採用されている兆候です。 / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2505 は熱透過率が低い可能性があります。したがって、IGU の熱性能はフレームの性能とバランスをとる必要があります。したがって、さまざまな最適化手法が適用された参照モデルには三重ガラスが採用されています。一方、アルミニウム製の窓は、通常、費用対効果、耐久性、そして一般的に必要なメンテナンスが最小限であることに基づいて選択されます。しかし、アルミニウムフレームが広く使用されているため、フレームの改善は重要な結果をもたらします。針葉樹は硬い木材よりも断熱性に優れていますが、耐久性が低く、早期劣化しやすい可能性があります。このため、リファレンス モデルは硬い木材で作られていますが、環境から適切に保護されている場合は柔らかい木材が使用されます。基準フレームの Uf 値は 1.640W/m²K であり、適切な技術を組み合わせることで、0.584 の Uf 値を取得できます。これは 64% の改善です。フレームの木量に関する 3 つの最適化手法を比較します。最良の技術は、3 層の硬質木材をコルク、PU、そして再びコルクに置き換えることです。あまり成功していませんが、別のアプローチは、中央の塊の 1 つ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、強度を低下させずに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ンを使用できます。どちらのスクリーニングも、堅い木材を断熱性の高い柔らかい木材に置き換えることにより、良好な結果が得られます。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。広葉樹材を木材、コルク、ポリウレタン、コルク材の組み合わせに置き換えると、熱損失が 47% 削減されます。無垢材に小さな空洞（高さ 4 mm、幅 14 mm）を挿入すると耐久性に影響する可能性があり、空洞の体積が 16% の場合、熱損失は 9% しか減少しないことに注意してください。最後に、IGU とフレームの間に断熱材を挿入しても、他のプロファイルと比較して影響ははるかに小さくなります (1%)。他のプロファイルとは対照的に、グレージングストップにはすでに断熱効果があるため、追加の断熱効果が低下します。 4. 結論と考察 窓枠の一般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直接的な最適化戦略により、平均的な窓枠を 50% から 64% まで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、一部の技術がより効果的であることが判明したり、古い方法論が想定していたものよりも他の条件下で最適値を獲得したりすることで、その価値を証明しています。さらに、分析から新たな洞察も得られました。一部の介入は、熱透過率だけでは最適値に達しません。たとえば、理論的には、熱損失を最小限に抑えるために、木製の窓枠の深さを際限なく増やすことができます。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、その他の実際的な制限の間で最適なバランスを見つける必要があります。ビニールやアルミニウムのモデルのような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によるプラスの効果を調べることができます。おそらく別の選択肢は、フレームの全幅にわたって IGU をフレームに構造的に結合し、フレームの構造的機能が部分的に IGU に移されることでしょう。アルミニウムは熱伝導率が高いため、フレームの熱透過率に大きな影響を与えるため、材料の放射率を下げる研究がさらに進むと、放射による熱伝達が大幅に減少する可能性があります。参考文献 [1] A. Gustavsen、D. Araasteh、BP Jelle、C. Curcija、C. Kohler、低伝導窓枠の開発: 現在の窓熱伝達設計ツールの機能と限界 - 最先端のレビュー、Journal of Building Physics、Vol. 32 (2) (2008)、131-153 ページ。 [2] A. Gustavsen、S. Grynning、D. Araasteh、B. Petter Jelle、H. Goudey、高断熱窓枠の主要要素と材料性能目標。 [3] F. Asdrubali、G. Baldinelli、F. Bianchi、窓用アルミニウム フレームの全体的な熱性能に対するキャビティの幾何学的特性と放射率特性の影響。エネルギーと建物 [4] U. Larsson、B. Moshfegh、M. Sandberg、超断熱窓の熱解析 (数値的および実験的調査)、Energy and Buildings、Vol. 29 (1999)、pp. 121-128 [5] N. Byars、D. Araasteh、低導電率窓フレームの設計オプション。太陽エネルギー材料と太陽電池 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: フレームの数値法、2012 年。 [7] Therm 6.3 NFRC シミュレーション マニュアル、ローレンス バークレー国立研究所、2013 年。 [8] Bisco 10.0w。ユーザーマニュアル、Physibel、2012 年。