초록 창 프레임의 열 성능은 2D 수치 시뮬레이션을 사용하여 쉽게 계산할 수 있습니다. 여러 상용 소프트웨어 패키지를 사용할 수 있으며 국제 표준은 열 전송을 계산하는 명확한 방법론을 제공합니다. 그러나 이러한 방법은 학계와 연구 커뮤니티에서 일반적으로 잘 알려져 있지만, 열 최적화는 건축 산업에서 아직 잠재력에 도달하지 못했고 개선을위한 상당한 마진이 있습니다. 특히 중소 기업의 경우 널리 사용되는 사용을 보장하기에 충분히 일반적이며 쉽고 간단한 해석 및 구현을 허용 할만 큼 구체적으로 지침이 부족합니다. 이 연구 프로젝트에서는 건축 산업과 공동으로 비닐, 알루미늄 및 목재 프레임에 대한 일반 창 섹션이 개발되었습니다. 시장 조사를 기반으로, 각 유형의 윈도우 프레임에 대한 열 성능을 향상시키기위한 전형적인 접근법이 식별되고 설명되었습니다. 결과적으로, 표준화 된 및 고급 계산 방법을 사용하여 별도의 개선 및 결합 된 효과의 영향을 연구했다. 이를 위해 열 전달 현상과 표준 계산 절차에 따라 모델링되는 방식에 대해 설명합니다. 그 외에도 표준에서 비롯된 다수의 2 차 효과 (예 : IGU의 두께, 창 리베이트 깊이, 등가 열전도) 및 열전달 계수 감소의 영향에 대해 논의합니다. Centro Congressi Internazionale Srl Nathan van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 2501 지난 수십 년 동안 건물의 에너지 사용을 줄이는 데 관심이 커지고 있습니다. 건물의 전반적인 에너지 효율에 기여하는 많은 측면이 있습니다. 특히 과거 연구에서 단열의 성능이 철저히 조사되었습니다. 많은 연구에도 불구하고 하나의 건물 구성 요소는 여전히 우려의 원천, 특히 창 프레임입니다. 기계적 성능, 작동성, 음향 등과 관련된 특정 경계 조건으로 인해 다소 복잡한 구성 요소입니다. 벽, 지붕 및 바닥의 경우 북유럽 국가 중심의 최대 열 전달에 대한 전형적인 지침은 0.1 ~ 0.3 W.m²k 사이에 있으며 일반적인 건축 유형으로 쉽게 실현할 수 있습니다. Windows의 경우 지침은 덜 엄격하며 일반적으로 0.8W/m²K에서 2.4W/m²K 사이입니다. 일부 국가에서는 IGU에 대한 구체적인 요구 사항도 있습니다. 저 -E 코팅 및 아르곤 가스 충전으로 상업적인 이중 글레이징은 1.1W/m²K의 열 투과율을 갖는 반면, 트리플 글레이징 및 진공 글레이징은 0.5W/m²K만큼 낮아질 수 있습니다. 저자에 대한 지식을 위해, 창 프레임의 열전도율에 대한 다른 국가에서 구체적인 제한은 없습니다. 특정 제한을 부과하면 특정 창 구성을 구성하는 것이 불가능합니다. 예를 들어, 시장에서 사용할 수있는 알루미늄 또는 비닐의 일반적인 슬라이딩 창과 문은 2.0 ~ 4.5W/m²K 사이의 열 전송이 있습니다. 설계 프로세스에서 열 성능이 고려되지 않았기 때문이 아니라 제조 및 사용 편의성에 대한 실제 제한으로 인해. 과학 문헌의 열 최적화와 일반적으로 문헌에 관한 정보는 다소 거의 없다 [1-4]. Gustavsen et al. [1, 2]는 전류 창 디자인의 재료 성능 목표를 정의하기 위해 프레임 재료 및 열 파손의 열전도율의 영향을 연구했습니다. 0.5 w/m²k의 U 값은 필요한 성능 수준으로 선택되었으며, 단순히 시장에있는 최고의 상용 IGU의 U- 값은 0.5W/m²K라는 사실을 기반으로합니다. 이러한 접근법에 기초하여, 열 파단은 0.02W/mk 미만의 열전도율을 가져야한다는 결론을 내렸다 (또는 '새로운'재료가 개발되면 0.005 w/mk), 목재 복합 프로파일의 구조적 절연 재료는 0.03W/mk 미만의 열전도율을 가져야하며 이상적으로 알루미늄이 있어야하며 PVC FREM은 주변 물질을 위해 0.05의 방출로 구성되어야한다. 윈도우 지오메트리에 대한 설계 지침은 제시되지 않았으며, 지정된 전도도를 얻는 방법에 대한 경로는 지정되지 않았다. 마찬가지로, Byars와 Arasteh [5]는 또한 프레임의 U- 값에 대한 열전도율의 영향에 초점을 맞추었다. Gustavsen [1]에 의한 연구에 따르면 대류는 동등한 열 전도도를 갖는 단순화 된 접근법을 채택함으로써 EN ISO 10077-2 [6]에서 모델링되지만 결과는 유체 흐름 시뮬레이션과 잘 비교된다고 지적했다. ISO 10077-2는 상호 연결이 2mm를 초과하지 않는 공동이 별도의 것으로 간주되어야한다는 것을 규정합니다. 논문이나 연구에 대한 언급은 그 가정에 대해 부족하며, CFD 시뮬레이션을 통해 7mm는보다 현실적인 기준이 될 것입니다. 2. 모델 및 시뮬레이션 방법 벨기에 시장에서 현재 사용 가능한 다양한 창 프레임의 특성에 대한 분석은 알루미늄, 목재 및 비닐의 세 가지 프레임 재료의 설계를 초래했습니다. 이들은 시뮬레이션의 중립적 인 기초이며 기존 제품이 향상되거나 불리한 것을 피하기 위해 일반 모델로 사용될 수 있습니다. 이 모델은 프레임의 중립 설계를 보장 할뿐만 아니라 프레임의 열 성능을 향상시키기 위해 취한 일반적인 측정에 대한 신뢰할 수있는 개요를 얻기 위해 벨기에 건설 및 인증 협회 BCCA) 및 유럽 알루미늄 센터와 공동으로 설계되었습니다. 알루미늄 프레임의 경우 벨기에의 현재 표준 기준은 유리 섬유 강화 폴리 아미드에서 열 파괴가있는 3 챔버 프로파일입니다. 이 시스템은 일반적으로 내부 개스킷과 함께 중앙 개스킷을 통해 밀폐 및 방수가됩니다. 유사하게, 일반적인 비닐 창 프레임은 5 개의 챔버로 구성되며, 적절한 강도와 강성을 보장하기 위해 강철 프로파일이 삽입됩니다. weathertightness는 두 개의 개스킷, 하나는 내부 비행기에, 하나는 외부 평면에 있습니다. 목재의 기준 프레임은 두께가 68mm이며 나무로 만들어지며 내부 및 중앙 개스킷으로 구성됩니다. BCCA와 협력하여 작은 라운드 로빈 시뮬레이션 연습이 시작되었습니다. 윈도우 프레임 제조업체는 일반 모델을 시뮬레이션하고 EN ISO 10077-2에 따라 UF 값을보고하도록 초대되었습니다. 5 개의 회사만이 전화에 응답 했으므로 결과는 벨기에 전체 건축 산업의 대표로 간주 될 수 없지만 그럼에도 불구하고 많은 흥미로운 결론이 도출되었습니다. 우선, Therm [7]과 Bisco [8]는 모두 사용되었으며 유사한 2502 Nathan van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 결과가 발견되었습니다. 둘째, 목재 프레임의 경우 표준 편차는 0.00W/m²K 인 반면, 비닐 및 알루미늄 프레임에 대해 0.01 w/m²K의 표준 편차가 발견되었습니다. 분명히, 전도는 목재 프레임에서 열 전달의 가장 중요한 방법이며, 대류 및 방사선 (및 동등한 열 전도도)은 다른 프로파일에서 더 중요합니다. 그림 1 알루미늄 (왼쪽), 비닐 (중간) 및 목재 (오른쪽)의 일반 창 프레임. 각 모델의 형상은 상용 시스템의 공통 분모를 기반으로합니다. 이러한 설계는 기본으로 간주 될 수 있으며 현재 건축 관행을 대표하지는 않지만이 접근법을 사용함으로써 다양한 개선 전략의 영향을 평가하고 정량화하는 것이 더 간단합니다. 유럽 표준 ENO 10077-2는 프레임 (UF)의 U- 값 (UF)을 계산하는 수치 계산 방법을 제공하며, 이는 일반적으로 Therm 또는 Bisco와 같은 상용 2D 열전달 프로그램을 사용하여 수행됩니다. 이 분석을 위해 Bisco가 사용되었지만보다 육체적으로 올바른 접근법이 채택되었습니다. 가장 중요한 변화는 뷰 계수와 비선형 방사선 모델의 정확한 계산 (EN ISO 10077-2에서 캐비티에 동등한 열전도율의 사용과 달리)과 공동 및 내부 및 외부 표면에서 방사선 및 대류의 분리 된 분석입니다. EN ISO 10077-2는 동등한 열전도율을 계산하기 위해 평균 온도 10 ° C를 채택 할 수 있음을 지정합니다. 시뮬레이션에 따르면 대칭 프레임에서도 온도 의존 대류는 실제로 여기에서 고려되는 모델에서 최대 0.003W/m²K의 차이를 유발 함을 보여줍니다 (대류와 방사선이 더 중요한 것이 더 극단적 인 조건에서는 0.04W/m²K의 차이가 발견됨). 일반적으로 이것은 UF 값이 약간 낮아 지지만 다른 최적화 전략에 대한보다 올바른 평가를 허용합니다. 보다 정확한 시뮬레이션 방법을 사용하여 Vinyl 창 프레임의 UF 값은 EN ISO 10077-2 계산 방법에 비해 2 % 낮은 반면, 목재 및 알루미늄 창 프레임의 경우 UF 값은 거의 1 % 낮습니다. 대조적으로, 전체 열 성능에 대한 세 가지 열전달 (전도, 방사선 및 대류)의 기여에는 더 큰 차이가 기록된다. 일반적으로 ENO 10077-2 계산 방법은 방사선 및 대류의 중요성을 과소 평가하고 전도의 중요성을 과대 평가합니다. 특히 목재 프레임 모델의 경우 EN ISO 10077-2 사이의 열 전달 형태의 기여의 차이와보다 정확한 방법이 인상적입니다. 이것은 프레임 캐비티에서 방사선과 대류의 과소 평가 된 중요성으로 인해 다양한 형태의 열 전달의 재분배에 기인 할 수 있습니다. 공동의 등가 열 전도성이 커짐에 따라 목재의 전도도에 접근합니다. 따라서 목재와 공동 사이의 열 흐름 저항의 차이가 감소함에 따라 이제 목재를 통해 처음에 흐르는 열유속의 일부가 방사선을 통해 공동을 가로 지르는 '선택'을 선택합니다. 마지막으로, 시뮬레이션에서 IGU는 EN ISO 10077-2와 일치하여 동일한 두께의 절연층과 0.035W/mk의 열전도율로 대체됩니다. 프로젝트 기반이 아닌 UF 값 계산의 경우 (일반적으로 그렇듯이) 어떤 유리 두께가 가정되어야하는지 명확하지 않습니다. 표 1은 24mm (이중 글레이징 4-16-4) 및 42mm (트리플 글레이징 4-15-4-15-4)의 유리 두께에 대해 계산 된 3 개의 기준 프레임에 대한 UFValues를 보여줍니다. Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500-2505 2503 표 1. 24mm 및 42mm의 글레이징이있는 일반 창 프레임의 UF 값. UF- 값 이중 글레이징 24mm (w/m²k) 트리플 글레이징 42mm (w/m²k) 차이 (w/m²k) 차이 (%) 알루미늄 2.773 2.618 0.155 5.59 목재 1.707 1.640 0.067 3.93 Vinyl 1.503 1.451 0.052 3.46 3. 다양한 열 최적화 전략의 범위가 발견되었습니다. 다른 최적화 기술의 민감도 분석은 해당 일반 모델에서 수행되었습니다. 3.1. 알루미늄 표 2는 2.775 w/(m²k)의 열 투과율로 알루미늄 윈도우 프레임 모델에 적용되는 다양한 최적화 전략을보고합니다. 이러한 전략을 결합하여 달성 가능한 UF 값은 1.210 w/(m²k)이며, 열 손실은 56%입니다. 이것은 달성 가능한 가장 낮은 값으로 간주되어서는 안됩니다. 여기에보고 된 분석은 별도의 개입 및 결합 된 중재의 상대적 영향에 중점을두고,보다 집중된 특정 최적화를 통해 더 낮은 값을 달성 할 수 있습니다. 표 2. 알루미늄 창 프레임에 대한 최적화 전략. 최적화 전략 UF- 값 (W/m²K) 개선 (%) 시작 : 모델 알루미늄 창 프레임 2.775 0 A. 알루미늄 프로파일 멤버의 최적화 폭 2.713 2 E1. 열차 나누기 (깊이 캐비티 6mm) 2.411 13 e2. 열 파손에서의 절연 (λ = 0,035W/MK) 2.336 16 F1. 방사선을 차단하기위한 확장 유약 밀봉 2.570 7 F2. 이동 한 글레이징 (유리 프레 베이트에서 15 ~ 30mm) 2.486 10 F3. 글레이징 & 프레임 사이의 단열재 (λ = 0,035W/mk) 2.475 11 G. 캐비티에서 처리되지 않은 알루미늄 (ε = 0,3) 2.499 10 H. 트리플 글레이징 2.618 6 조합 A+B+C+D+E1+F1 1.709 38 조합 A+B+C+D+E1+F2 1.594 43 조합. A+B+C+D+E1+F3 1.518 45 조합 A+B+C+D+E2+F1 1.649 41 조합 A+B+C+D+E2+F3 1.473 47 조합 A+B+C+D+E2+F3+H 1.210 56 섹션의 일부 부품은 다른 방식으로 개선 될 수 있습니다. 예를 들어, 방사선 및 대류를 차단하기 위해 열 파단은 다른 공동으로 나눌 수 있거나 열 파단 사이의 공동은 단열재로 채워질 수 있습니다. 마지막 옵션은 가장 효과적인 것으로 밝혀졌습니다. UF 값 16%의 개선이 대신에 얻어졌으며, 열차를 별도의 캐비티로 나눌 때 13%의 감소는 분명했습니다. 또한, IgU와 프레임 사이의 공동은 다른 방식으로 처리 될 수 있습니다. 2504 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 글레이징 개스킷을 연장하거나 유약을 프레임으로 더 깊이 이동시켜 별도의 공동. 그러나이 공동을 단열재로 채우는 것이 가장 좋은 선택 인 것 같습니다. 이 기술이 적용되는 경우 모세관 물이 IGU의 2 차 밀봉에 침투하지 않도록주의를 기울여야합니다. 다른 최적화 전략을 결합함으로써 누적 효과는 일부 효과가 대응하기 때문에 별도의 개선의 합과 같지 않습니다. 그림 2. 최적화 된 (상단) 및 기준 프레임 (하단)에 대한 시뮬레이션 결과. 왼쪽 그림은 알루미늄 프로파일의 온도 분포를 보여주고, 중간 그림은 알루미늄 프레임의 각 부분의 열유속을 보여줍니다. 오른쪽 그림은 비닐 프레임의 열유속을 보여줍니다. 3.2. 비닐 비닐 창 프레임의 기준 모델의 UF 값은 1.503 w/m²k입니다. 최적화 기술의 올바른 조합을 선택하여 0.759 w/m²k 또는 50% 감소로 줄일 수 있습니다. 표준 비닐 창 프레임의 약점은 강철 강화입니다. 이 문제를 해결하기위한 두 가지 전형적인 방법론이 있습니다. 더 나은 절연 재료로 보강재를 비교 강도로 교체하거나 강화가 중복되는 더 강한 재료로 프레임 재료를 교체하십시오. 첫 번째 옵션의 경우 스테인레스 스틸과 복합 재료의 두 재료가 제안됩니다. 스테인레스 스틸은 강철보다 거의 성능이 없으며, 반면에 복합 보강재 (λ = 0.2 w/mk)는 실제로 차이를 만듭니다. 또한 전체 프레임이 강력한 복합재 (예 : 유리 섬유로; λ = 0.2 w/mk)로 만들어지면 강화가 필요하지 않으면 결과는 복합 강화와 비닐 프레임의 거의 접근합니다. 그러나 중앙 공동에서 절연되는 경우 복합 프레임은 강화 프레임에 비해 더 나은 성능을 달성합니다. 프레임을 더 많은 공동으로 나누면 섹션이 비효율적으로 렌더링됩니다. 프레임을 90mm ~ 120mm로 심화시키고 절연하면 열 손실이 29%감소합니다. 중앙 개스킷을 설치하면 복합 재료를 사용하여 철강 보강재를 제거하여 열 손실이 4%, IgU와 프레임 사이의 단열재가 3%줄어 듭니다. 3.3. Wood 최근 저에너지 건물에 목재 프레임을 적용하려는 최근의 진화는 특히 목재 프레임 Nathan van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 - 2505 2505는 낮은 열 투과율을 가질 가능성이 있습니다. 따라서 IGU의 열 성능은 프레임의 성능과 균형을 이루어야합니다. 결과적으로 상이한 최적화 기술이 적용되는 기준 모델은 트리플 글레이징을 갖는다. 반면에 알루미늄 창은 일반적으로 비용 효율성, 내구성에 따라 선택됩니다. 일반적으로 최소한의 유지 보수가 필요합니다. 그러나 알루미늄 프레임이 널리 사용되므로 프레임을 개선하는 데 중요한 결과가 있습니다. 부드러운 목재는 단단한 나무보다 더 나은 절연체이지만 내구성이 떨어지고 조기 악화에 취약 할 수 있습니다. 그렇기 때문에 기준 모델이 단단한 나무로 만들어 지지만 환경에서 제대로 차폐되면 부드러운 목재가 사용됩니다. 기준 프레임의 UFValue는 1.640w/m²k이고 적절한 기술을 결합하여 UF 값 0.584를 얻을 수 있습니다. 이것은 64%의 개선입니다. 프레임의 목재 부피와 관련하여 세 가지 최적화 기술이 비교됩니다. 가장 좋은 기술은 Cork, PU 및 Again Cork로 단단한 나무의 세 층을 대체하는 것입니다. 또 다른 방법은 덜 성공했지만 중앙 질량의 직사각형 부분을 코르크로 대체하는 것입니다. 세 번째 옵션은 강도를 줄이지 않고 프레임에 작은 구멍을 만드는 것입니다. 외부 환경에서 목재 프레임을 보호하기 위해 알루미늄 또는 절연 합성 스크리닝을 사용할 수 있습니다. 두 상영 모두 더 나은 절연하는 부드러운 목재로 단단한 나무를 대체하는 데 따른 좋은 결과를 제공합니다. 프레임을 68mm에서 108mm로 심화 시키면 UF 값이 1.640에서 1.269w/m²k로 감소합니다. 나무 코르크 푸 코크 나무 조합으로 나무 재료를 교체하면 열 손실이 47%감소합니다. 단단한 목재 물질에 작은 공기 공동 (4mm x 14mm 너비)을 삽입하면 내구성에 영향을 줄 수 있으며 16% 캐비티의 부피는 열 손실 만 9% 감소시킵니다. 마지막으로, IGU와 프레임 사이에 단열재를 삽입하면 다른 프로파일 (1%)에 비해 훨씬 작은 영향을 미칩니다. 다른 프로파일과는 달리, 유약 정지에는 이미 단열 효과가있어 추가 단열재가 덜 효과적입니다. 4. 결론 및 토론 창 프레임의 일반 모델의 시뮬레이션 결과는 벨기에 시장에서 발견 된 간단한 최적화 전략으로 평균 창 프레임이 최대 50%까지 개선 될 수 있음을 보여줍니다. 새로운 시뮬레이션 방법론은 일부 기술이 가정 된 방법론보다 다른 조건에서 더 효과적이거나 최적의 것으로 판명되면서 그 가치를 입증합니다. 또한 새로운 통찰력이 분석에서 상승했습니다. 일부 개입은 열 전달만으로 최적에 도달하지 못합니다. 예를 들어 열 손실을 최소화하기 위해 목재 창 프레임의 이론적으로 깊이가 끝날 수 있습니다. 지능형 설계는 열 성능, 재료의 제한된 사용 및 기타 실제 제한 사이의 최적의 평형을 찾아야합니다. 비닐 및 알루미늄 모델과 같은 중공 프레임의 경우 프레임에서 IGU의 깊이를 증가시키는 긍정적 인 효과를 검사 할 수 있습니다. 아마도 또 다른 옵션은 프레임의 총 폭에 대한 프레임에 IgU를 구조적으로 결합하여 프레임의 구조적 기능이 부분적으로 IGU로 전송되는 것입니다. 높은 열전도로 인한 프레임의 열 투과율에 대한 알루미늄의 상당한 영향으로 인해, 재료의 방사율을 감소시키는 것에 대한 추가 연구는 방사선에 의한 열 전달의 상당한 감소를 초래할 수있다. 참고 문헌 [1] A. 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