Otimização térmica de quadros de janela

Resumo O desempenho térmico dos quadros de janela pode ser facilmente calculado usando simulações numéricas 2D. Vários pacotes de software comercial estão disponíveis e os padrões internacionais fornecem uma metodologia clara para calcular a transmitância térmica. No entanto, embora esses métodos sejam bem conhecidos na academia e na comunidade de pesquisa em geral, a otimização térmica ainda não atingiu todo o seu potencial na indústria da construção e há uma margem considerável para melhorias. Especificamente para empresas pequenas e médias, há uma falta de diretrizes que sejam genéricas o suficiente para garantir um uso amplo, além de específico o suficiente para permitir uma interpretação e implementação fáceis e diretas. Neste projeto de pesquisa, seções genéricas de janelas foram desenvolvidas para quadros de vinil, alumínio e madeira em colaboração com a indústria da construção. Com base em uma pesquisa de mercado, foram identificadas abordagens típicas para melhorar o desempenho térmico de cada tipo de quadro da janela. Posteriormente, o impacto de melhorias separadas, bem como efeitos combinados, foram estudados usando métodos de cálculo padronizados e avançados. Para isso, os fenômenos de transferência de calor e a maneira como eles são modelados de acordo com os procedimentos de cálculo padrão são discutidos. Ao lado, vários efeitos secundários originários dos padrões são discutidos, por exemplo, a espessura da IGU, a profundidade do desconto da janela, as condutividades térmicas equivalentes e o impacto dos coeficientes de transferência de calor reduzidos. Revisão de pares sob responsabilidade do Centro Congressi Internazionale SRL Nathan van den Bossche et al. / Procedia de energia 78 (2015) 2500 - 2505 2501 Ao longo das últimas décadas, houve um interesse crescente em reduzir o uso de energia nos edifícios. Existem muitos aspectos que contribuem para a eficiência energética geral de um edifício, por exemplo: um design inteligente, sistemas HVAC eficientes, interfaces herméticas e um nível de isolamento apropriado. Particularmente, o desempenho do isolamento foi investigado minuciosamente em estudos anteriores. Apesar de muitas pesquisas, um componente de construção continua sendo uma fonte de preocupação, mais especificamente o quadro da janela. É um componente bastante complexo devido a condições de contorno específicas relacionadas ao desempenho mecânico, operatilidade, acústica etc. Para paredes, telhados e diretrizes típicas da transmitância térmica máxima no centro para os países da Europa do Norte estão situados entre 0,1 e 0,3 W.M²k, o que pode ser facilmente realizado com tipos de construção comuns. Para o Windows, as diretrizes são menos rigorosas e geralmente variam entre 0,8w/m²k e 2,4w/m²k. Em alguns países, também existem requisitos específicos nos IGU. Vidros duplos comerciais com revestimento de baixo E e enchimento de gás argônio têm uma transmitância térmica de 1,1W/m²K, enquanto as vidros triplos e as vidros a vácuo podem chegar a 0,5w/m²k. Para o conhecimento dos autores, não há restrições específicas em diferentes países sobre a condutividade térmica dos quadros da janela. Observe que a imposição de restrições específicas tornaria impossível construir algumas configurações de janela específicas. Por exemplo, janelas deslizantes e portas típicas em alumínio ou vinil disponível no mercado têm uma transmitância térmica entre 2,0 e 4.5W/m²K. Não porque o desempenho térmico não foi considerado no processo de projeto, mas devido às restrições práticas na fabricação e na facilidade de uso. As informações sobre otimização térmica na literatura científica e a literatura em geral são bastante escassas [1-4]. Gustavsen et al. [1, 2] estudaram o impacto da condutividade térmica do material da estrutura e das quebras térmicas, para definir alvos de desempenho do material para projetos de janelas de correntes. Observe que um valor em U de 0,5 W/m²K foi escolhido como nível de desempenho necessário, simplesmente com base no fato de que os melhores IGUs comerciais no mercado agora têm um valor U de 0,5W/m²k. Com base nessa abordagem, concluiu -se que as quebras térmicas deveriam ter uma condutividade térmica abaixo de 0,02W/mk (ou 0,005 W/mk se forem desenvolvidos 'novos' materiais), os materiais isolantes estruturais para os perfis compostos de madeira devem ter uma condutividade térmica abaixo de 0,03w/mk e idealmente alumínio e as molduras de PVC. Não foram apresentadas diretrizes de projeto para geometria de janelas e nenhuma vias foi especificada sobre como adquirir as condutividades especificadas. Da mesma forma, Byars e Arasteh [5] também se concentraram no impacto da condutividade térmica no valor U do quadro. Pesquisas de Gustavsen [1] indicaram que, embora a convecção seja modelada na ISO 10077-2 [6] adotando uma abordagem simplificada com condutividades térmicas equivalentes, os resultados se comparam bem às simulações de fluxo de fluido. ISO 10077-2 Prescreve que as cavidades com uma interconexão que não excedam 2 mm devem ser consideradas separadas. Qualquer referência a trabalhos ou pesquisas está faltando para essa suposição e, por meio de simulações de CFD, foi demonstrado que 7mm seria um critério mais realista. 2. Modelos e método de simulação. Essas são uma base neutra para simulações e podem ser usadas como modelos genéricos, a fim de evitar que os produtos existentes sejam favorecidos ou desfavorecidos. Esses modelos foram projetados em colaboração com a BCCA da Belgian Construction and Certification Association) e o Centro Europeu de Alumínio, não apenas para garantir o design neutro dos quadros, mas também para obter uma visão geral confiável das medidas típicas que são tomadas para melhorar o desempenho térmico dos quadros. Para os quadros de alumínio, a referência padrão atual na Bélgica é um perfil de 3 câmara com uma quebra térmica na poliamida reforçada com fibra de vidro. O sistema é feito hermético e estanque por meio de uma junta central, normalmente em combinação com uma junta interior. Da mesma forma, os quadros comuns das janelas de vinil são compostos por 5 câmaras e um perfil de aço é inserido para garantir uma força e rigidez adequadas. A intemperidade também é garantida por duas juntas, uma no plano interior, um no plano externo. A estrutura de referência em madeira tem uma espessura de 68 mm e é feita de madeira e compreende uma junta interior e central. Em colaboração com o BCCA, foi iniciado um pequeno exercício de simulação de Robin redondo. Os fabricantes de quadros de janela foram convidados a simular os modelos genéricos e relatar o valor da UF de acordo com o EN ISO 10077-2. Apenas 5 empresas responderam à chamada, para que os resultados não possam ser considerados representativos para a indústria de construção belga completa, mas, no entanto, várias conclusões interessantes foram tiradas. Primeiro de tudo, foram utilizados Therm [7] e Bisco [8] e 2502 Nathan Van den Bossche et al. / Procedia de energia 78 (2015) 2500 - 2505 foram encontrados resultados. Em segundo lugar, para a estrutura de madeira, o desvio padrão foi de 0,00W/m²K, enquanto um desvio padrão de 0,01 W/m²K foi encontrado para a estrutura de vinil e alumínio. Evidentemente, a condução é a maneira mais importante de transferência de calor na estrutura de madeira, enquanto a convecção e a radiação (e as condutividades térmicas equivalentes) são mais importantes nos outros perfis. Fig. 1 Janelas genéricas em alumínio (esquerda), vinil (meio) e madeira (direita). A geometria de cada modelo é baseada no denominador comum de sistemas comerciais. Esses projetos podem ser considerados básicos e talvez não sejam representativos da prática atual de construção, mas, usando essa abordagem, é mais direto avaliar e quantificar o impacto de diferentes estratégias de melhoria. O padrão europeu EN ISO 10077-2 fornece um método de cálculo numérico para calcular o valor em U do quadro (UF), que normalmente é feito usando o programa comercial de transferência de calor 2D comercial, como Therm ou Bisco. Para esta análise, a Bisco foi usada, mas uma abordagem mais correta fisicamente foi adotada. As mudanças mais importantes são o cálculo preciso dos fatores de visão e o modelo de radiação não linear (ao contrário do uso de condutividade térmica equivalente para cavidades na ISO 10077-2) e à análise separada da radiação e convecção em cavidades e nas superfícies internas e externas. O EN ISO 10077-2 especifica que uma temperatura média de 10 ° C pode ser adotada para calcular a condutividade térmica equivalente. As simulações mostram que, mesmo em quadros simétricos, a convecção dependente da temperatura realmente induz diferenças de até 0,003W/m²k nos modelos que são considerados aqui (lembre -se de que em condições mais extremas em que foram encontradas convecção e radiação são mais importantes, foram encontradas diferenças de até 0,04W/m²k). Em geral, isso leva a valores de UF ligeiramente mais baixos, mas permite uma avaliação mais correta de diferentes estratégias de otimização. Usando o método de simulação mais preciso, o valor de UF da estrutura da janela de vinil é 2 % menor em comparação com o método de cálculo EN ISO 10077-2, enquanto que para os quadros da janela de madeira e alumínio, o valor do UF é quase 1 % menor. Por outro lado, uma diferença maior é registrada na contribuição das três formas diferentes de transferência de calor (condução, radiação e convecção) para o desempenho térmico geral. Geralmente, o método de cálculo EN ISO 10077-2 subestima a importância da radiação e convecção e superestima a importância da condução. Especificamente para o modelo da estrutura de madeira, a diferença na contribuição das formas de transferência de calor entre o EN ISO 10077-2 e o método mais preciso é atingir isso, isso pode ser atribuído a uma redistribuição das diferentes formas de transferência de calor devido à importância subestimada da radiação e convecção nas cavidades da estrutura. À medida que a condutividade térmica equivalente das cavidades cresce, ele se aproxima da condutividade da madeira. Assim, uma parte do fluxo de calor que fluiu inicialmente através da madeira agora 'escolhe' para atravessar a cavidade por meio da radiação, à medida que a diferença na resistência ao fluxo de calor entre a madeira e a cavidade diminuiu. Finalmente, nas simulações, a IGU está-de acordo com a EN ISO 10077-2-substituída por uma camada de isolamento com a mesma espessura e uma condutividade térmica de 0,035W/Mk. Dado o fato de que, para valores de UF de cálculo que não são baseados em projetos (como geralmente é o caso), não está claro qual espessura do vidro deve ser assumida. A Tabela 1 mostra os Ufvalues ​​para os três quadros de referência, calculados para uma espessura de vidro de 24 mm (vidros duplos 4-16-4) e 42 mm (envidraçamento triplo 4-15-4-15-4). Nathan van den Bossche et al. / Procedia de energia 78 (2015) 2500-2505 2503 Tabela 1. Valores de UF dos quadros de janelas genéricos com vidros de 24 mm e 42 mm. Valores de UF de vidros duplos de 24 mm (W/m²k) Vidros triplos de 42 mm (W/m²k) Diferença (W/m²K) Diferença (%) de alumínio 2,773 2.618 0,155 5.59 Madeira 1.707 1.640 0,067 3,93 Vinil 1.503 1.451 0,702 3.640 3,067 3,93 Vinil 1.503 1.451 0,702 3.640 3,067 Foram encontradas diferentes estratégias de otimização térmica. Uma análise de sensibilidade das diferentes técnicas de otimização foi realizada nos modelos genéricos correspondentes. 3.1. A Tabela 2 de alumínio relata as diferentes estratégias de otimização aplicadas ao modelo da estrutura da janela de alumínio com uma transmitância térmica de 2,775 com (m²K). O menor valor de UF alcançável ao combinar essas estratégias é de 1,210 W/(m²K), uma redução na perda de calor de 56%. Observe que isso não deve ser considerado como o menor valor alcançável. A análise relatada aqui se concentra no impacto relativo de intervenções separadas e combinadas e, por meio de otimização específica mais focada, pode ser alcançado valores mais baixos. Tabela 2. Estratégias de otimização para quadros de janelas de alumínio. Estratégias de otimização de UF-valor (W/m²K) (%) Iniciar: Modelo da moldura da janela de alumínio 2.775 0 A. Largura da otimização dos membros do perfil de alumínio 2.759 1 B. quebra térmica (de λ = 0,30 a λ = 0,17w/mk) 2.624 5 C. 2.713 2 E1. Dividindo quebra térmica (cavidades de profundidade 6mm) 2.411 13 E2. Isolamento na quebra térmica (λ = 0,035W/mk) 2.336 16 F1. Vidros estendidos vedação para bloquear a radiação 2.570 7 F2. Vidros deslocados (de 15 para 30 mm em GlassRebate) 2.486 10 F3. Isolamento entre vidros e armação (λ = 0,035w/mk) 2,475 11 g. alumínio não tratado em cavidades (ε = 0,3) 2,499 10 H. Vidros triplos 2,618 6 combinação a+b+c+d+e1+f1 1.709 38 combinação a+b+c+c+c+c+e1+e 1 f2+f2+f2+f2+e 1 f2+e 1 f2+e 1 f2+e 1 f2+c+c+c+c+c+c+e f2+f1 1.709 38 a+b+c+c+c+c+c+e1+e1 f2+f2+f2+e 1 f2+e 1 f1 4. 1.518 45 Combinação a+b+c+d+e2+f1 1.649 41 combinação a+b+c+d+e2+f3 1,473 47 combinação a+b+c+d+e2+f3+h 1.210 56 Algumas partes de uma seção podem ser melhoradas de maneiras diferentes. Por exemplo, para bloquear a radiação e diminuir a convecção, a quebra térmica pode ser dividida em diferentes cavidades, ou as cavidades entre a quebra térmica podem ser preenchidas com material de isolamento. A última opção acaba sendo a mais eficaz: foi obtida uma melhoria do valor de UF de 16%, enquanto uma redução de 13% ficou evidente ao dividir a quebra térmica em cavidades separadas. Além disso, a cavidade entre a IGU e o quadro pode ser tratada de maneiras diferentes. Pode ser dividido em 2504 Nathan van den Bossche et al. / Procedia de energia 78 (2015) 2500 - 2505 Cavidades separadas, estendendo a junta envidraçada ou mudando o vidro mais fundo para o quadro. No entanto, preencher essa cavidade com isolamento parece ser a melhor opção novamente. Se essa técnica for aplicada, precisará ser dada atenção para evitar a água capilar para penetrar na vedação secundária da IGU. Ao combinar diferentes estratégias de otimização, o efeito cumulativo não é igual à soma da melhoria separada, porque alguns efeitos contratam. Figura 2. Resultados da simulação para os quadros otimizados (em cima) e de referência (inferior). A figura esquerda mostra a distribuição de temperatura nos perfis de alumínio, a figura do meio mostra o fluxo de calor em cada parte da estrutura de alumínio, a figura direita mostra o fluxo de calor nos quadros de vinil. 3.2. Vinil O valor UF do modelo de referência da estrutura da janela de vinil é de 1,503 W/m²K. É possível reduzi -lo para 0,759 W/m²K ou uma redução de 50% escolhendo a combinação correta de técnicas de otimização. O ponto fraco de uma estrutura de janela de vinil padrão é o reforço de aço. Existem duas metodologias típicas para resolver esse problema: substituir o reforço por um melhor material isolante com força comparativa ou substituir o material da estrutura por um material mais forte pelo qual o reforço se torna redundante. Para a primeira opção, dois materiais são propostos: aço inoxidável e um material composto. O aço inoxidável tem um desempenho dificilmente melhor que o aço, um reforço composto (λ = 0,2 W/Mk), por outro lado, realmente faz a diferença. Além disso, se todo o quadro fosse feito de um composto forte (por exemplo, com fibra de vidro; λ = 0,2 W/mk), não é necessário reforço, o resultado quase se aproxima do da estrutura de vinil com reforço composto. No entanto, se nas cavidades centrais estiverem isoladas, os quadros compostos alcançarão um melhor desempenho em comparação com os quadros reforçados. Dividir o quadro em mais cavidades de aprofundar a seção renderizar ineficazmente. Aprofundando a estrutura de 90 mm para 120 mm e isolando -a reduz a perda de calor em 29%. A instalação de uma junta central reduz a perda de calor em 4%, o isolamento entre a IGU e o quadro em 3%, usando um material composto para eliminar o reforço de aço, torna uma redução de 11%. 3.3. Madeira A recente evolução para aplicar armações de madeira em edifícios de baixa energia é um sinal de que particularmente os quadros de madeira Nathan van den Bossche et al. / Procedia de energia 78 (2015) 2500 - 2505 2505 tem potencial para ter uma baixa transmitância térmica. Assim, o desempenho térmico da IGU deve ser equilibrado com o desempenho do quadro. Consequentemente, o modelo de referência no qual as diferentes técnicas de otimização são aplicadas tem vidros triplos. As janelas de alumínio, por outro lado, são tipicamente escolhidas com base em sua relação custo -benefício, durabilidade e geralmente exigem manutenção mínima. No entanto, à medida que os quadros de alumínio são amplamente utilizados, melhorar o quadro tem consequências importantes. A madeira macia é um isolador melhor que a madeira dura, mas é menos durável e possivelmente suscetível à deterioração prematura. É por isso que o modelo de referência é feito de madeira dura, mas quando protegida corretamente do ambiente, a madeira macia é usada. O quadro de referência possui um UFValue de 1,640w/m²k e, combinando as técnicas apropriadas, pode ser obtido um valor de UF de 0,584. Esta é uma melhoria de 64%. Três técnicas de otimização em relação ao volume de madeira da estrutura são comparadas. A melhor técnica é substituir três camadas de madeira dura por cortiça, PU e novamente cortiça. Outra abordagem, embora menos bem -sucedida, é substituir uma parte retangular da massa central por cortiça. A terceira opção é fazer pequenos orifícios no quadro sem reduzir sua força. Para proteger a estrutura de madeira do ambiente externo, pode -se utilizar um alumínio ou uma triagem sintética isolada. Ambas as exibições oferecem bons resultados que resultam da substituição de madeira dura por madeira macia que isola melhor. O aprofundamento do quadro de 68 mm para 108 mm diminui o valor de UF de 1,640 para 1,269W/m²k. Substituir o material de madeira por uma combinação de madeira-com-com-c-pu-cork-wood reduz a perda de calor em 47%. Observe que a inserção de pequenas cavidades de ar (de 4 mm de altura por 14 mm de largura) no material de madeira maciça pode afetar a durabilidade, e um volume de cavidades de 16% reduz apenas a perda de calor em 9%. Finalmente, a inserção de isolamento entre a IGU e o quadro tem um impacto muito menor em comparação com os outros perfis (1%). Ao contrário dos outros perfis, a parada de vidro já tem um efeito isolante, fazendo com que o isolamento adicional seja menos eficaz. 4. Conclusões e discussão Os resultados da simulação dos modelos genéricos dos quadros de janelas mostram que um quadro médio de janela pode ser melhorado em 50% até 64%, com estratégias de otimização direta encontradas no mercado belga. A nova metodologia de simulação prova seu valor, pois algumas técnicas acabam sendo mais eficazes ou ganham um ótimo em outras condições que a metodologia antiga assumida. Além disso, novas idéias surgiram da análise. Algumas intervenções não atingem um ideal com base apenas na transmitância de calor: por exemplo, teoricamente a profundidade da estrutura da janela de madeira pode ser aumentada sem parar para minimizar a perda de calor. Um design inteligente deve encontrar um equilíbrio ideal entre o desempenho térmico, um uso restrito do material e outras restrições práticas. Para quadros ocos como o modelo de vinil e alumínio, pode ser examinado o efeito positivo de aumentar a profundidade do IGU no quadro. Talvez outra opção seja unir estruturalmente o IGU ao quadro sobre a largura total do quadro, de modo que a função estrutural do quadro é parcialmente transferida para a IGU. Devido à influência significativa do alumínio na transmitância de calor da estrutura devido à alta condutância térmica, pesquisas adicionais sobre a redução da emissividade dos materiais podem levar a uma redução substancial na transferência de calor por radiação. Referências [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, Desenvolvendo quadros de janelas de baixa condutância: recursos e limitações das ferramentas atuais de design de transferência de calor da janela-Revisão de última geração, Journal of Building Physics, vol. 32 (2) (2008), pp.131-153. [2] A. Gustavsen, S. Grynning, D. Arasteh, B. Petter Jelle, H. Goudey, elementos -chave e alvos de desempenho material para quadros de janelas altamente isolantes. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. Bianchi, Influência das Propriedades Geométricas e de Emissividade das Cavidades no desempenho térmico geral dos quadros de alumínio para janelas. Energia e construção [4] U. Larsson, B. Moshfegh, M. Sandberg, Análise térmica de janelas super isoladas (investigações numéricas e experimentais), Energy and Buildings, vol. 29 (1999), pp. 121-128 [5] N. Byars, D. Arasteh, Opções de design para quadros de janelas de baixa condutividade. Materiais de energia solar e células solares 25 (1992) 143-148. [6] EN ISO 10077-2, Desempenho térmico de janelas, portas e persianas - cálculo da transmitância térmica Parte 2: Método numérico para Frames, 2012. [7] Manual de simulação de NFRC Therm 6.3, Lawrence Berkeley National Laboratory, 2013. [8] BISCO 10.0W. Manual do Usuário, Physibel, 2012.