Термическая оптимизация оконных рамок

Аннотация тепловые характеристики оконных рам можно легко рассчитать с помощью 2D численного моделирования. Доступно несколько коммерческих программных пакетов, и международные стандарты обеспечивают четкую методологию для расчета тепловой передачи. Однако, несмотря на то, что эти методы хорошо известны в научных кругах и в исследовательском сообществе в целом, термическая оптимизация еще не достигла своего полного потенциала в строительной отрасли, и существует значительная маржа для улучшения. В частности, для малых и средних предприятий отсутствует рекомендации, которые достаточно общие, чтобы гарантировать широкое использование, а также достаточно конкретные, чтобы обеспечить легкую и простую интерпретацию и реализацию. В этом исследовательском проекте были разработаны общие окна для винила, алюминия и деревянных рам в сотрудничестве со строительной отраслью. Основываясь на рыночном обзоре, были определены и описаны типичные подходы к улучшению тепловых характеристик для каждого типа оконной рамки. Впоследствии влияние отдельных улучшений, а также комбинированных эффектов было изучено с использованием как стандартизированных, так и передовых методов расчета. Для этого обсуждаются явления теплопередачи и способ, которым они смоделированы в соответствии со стандартными процедурами расчета. Кроме того, обсуждается ряд вторичных эффектов, возникающих из стандартов, например, толщины IGU, глубины скидки окна, эквивалентной теплопроводности и воздействия пониженных коэффициентов теплопередачи. Переизменная обзор под ответственностью Centro Congressi Internationalale SRL Nathan van Den Bossche et al. / Энергетическая процедура 78 (2015) 2500 - 2505 2501 В течение последних нескольких десятилетий проявляется растущий интерес к снижению потребления энергии в зданиях. Существует много аспектов, которые способствуют общей энергоэффективности здания, например: интеллектуальная конструкция, эффективные системы HVAC, воздушные интерфейсы и соответствующий уровень изоляции. В частности, эффективность изоляции была тщательно исследована в прошлых исследованиях. Несмотря на множество исследований, один компонент здания остается источником беспокойства, в частности, оконная рама. Это довольно сложный компонент из -за конкретных граничных условий, связанных с механической производительностью, оперативностью, акустикой и т. Д. Для стен, крыши и этажи Типичные рекомендации по максимальной термической передаче в центральной и северо-европейской странах расположены от 0,1 до 0,3 Вт. Для Windows руководящие принципы менее строгие и обычно варьируются от 0,8 Вт/м²K до 2,4 Вт/м²K. В некоторых странах также есть конкретные требования к IGU. Коммерческое двойное остекление с покрытием с низким содержанием E и газовым наполнением аргона имеет термическую пропускную способность 1,1 Вт/м²K, тогда как тройное остекление и вакуумное остекление могут составлять всего 0,5 Вт/м²K. Для знания авторов, в разных странах нет особых ограничений на теплопроводность оконных рам. Обратите внимание, что наложение конкретных ограничений сделает невозможным создание некоторых конкретных конфигураций окна. Например, типичные скользящие окна и двери в алюминиевом или виниле, доступные на рынке, имеют термическое пропускание от 2,0 до 4,5 Вт/м²K. Не потому, что тепловые характеристики не рассматривались в процессе проектирования, а из-за практических ограничений в производстве и простоте использования. Информация о термической оптимизации в научной литературе и литературе в целом довольно скудна [1-4]. Густавсен и соавт. [1, 2] изучали влияние теплопроводности материала рамы и термических разрывов, чтобы определить целевые показатели производительности материала для конструкций оконных окон. Обратите внимание, что u-значение 0,5 Вт/м²K было выбрано в качестве необходимого уровня производительности, просто на основе того факта, что лучшие коммерческие IGU на рынке теперь имеют u-стоимость 0,5 Вт/м²K. Основываясь на этом подходе, был сделан вывод, что тепловые разрывы должны иметь теплопроводность ниже 0,02 Вт/мк (или 0,005 Вт/мк, если разработаны новые материалы), структурные изоляционные материалы для древесных составных профилей должны иметь теплопроводность ниже 0,03 Вт/МК, а в идеале алюминиевые и PVC -кадры должны составлять полости с эмиссионными материалами. Никаких рекомендаций по проектированию геометрии окон не было представлено, и не было указано никаких путей о том, как приобрести указанные проводимость. Аналогичным образом, Byars и Arasteh [5] также сосредоточились на воздействии теплопроводности на u-значение рамы. Исследования Густавсена [1] показали, что, хотя конвекция моделируется в EN ISO 10077-2 [6] путем принятия упрощенного подхода с эквивалентной теплопроводностью, результаты хорошо сравниваются с моделированием потока жидкости. ISO 10077-2 предписывает, что полости с взаимосвязью, не превышающей 2 мм, должны рассматриваться как отдельные. Любая ссылка на документы или исследования не хватает для этого предположения, и с помощью моделирования CFD было показано, что 7 мм будет более реалистичным критерием. 2. Модели и метод моделирования Анализ характеристик ряда оконных рам, доступных в настоящее время на бельгийском рынке, привел к проектированию трех различных кадрских материалов: алюминий, древесина и винил. Это нейтральная основа для моделирования и может использоваться в качестве общих моделей, чтобы избежать преимуществ или обездоленных. Эти модели были спроектированы в сотрудничестве с Бельгийской ассоциацией строительства и сертификации BCCA) и Европейским алюминиевым центром, не только для того, чтобы гарантировать нейтральный конструкцию кадров, но и для получения надежного обзора типичных мер, которые предпринимаются для повышения тепловых характеристик кадров. Для алюминиевых рам текущий стандартный эталон в Бельгии представляет собой профиль 3 камеры с термическим разрывом в армированном полиамиде стеклянного волокна. Система производится герметичной и водонепроницаемой с помощью центральной прокладки, как правило, в сочетании с внутренней прокладкой. Аналогичным образом, общие виниловые оконные рамы состоят из 5 камер, а стальный профиль вставлен для обеспечения достаточной прочности и жесткости. Знамошка также обеспечивается двумя прокладками, одной на внутренней плоскости, одна на внешней плоскости. Спортивная рама в дереве имеет толщину 68 мм и изготовлена ​​из лиственной древесины и содержит внутреннюю и центральную прокладку. В сотрудничестве с BCCA было начато небольшое упражнение по моделированию круглого робина. Производителям оконных рамок было предложено имитировать общие модели и сообщить о значении UF-адреса в соответствии с EN ISO 10077-2. Только 5 компаний ответили на звонок, поэтому результаты не могут считаться представительными для полной бельгийской строительной индустрии, но, тем не менее, был сделан ряд интересных выводов. Прежде всего, были использованы как термин [7], так и Биско [8] и аналогичные 2502 Nathan van Den Bossche et al. / Энергетическая процедура 78 (2015) 2500 - 2505 результатов были обнаружены. Во -вторых, для деревянной рамы стандартное отклонение составляло 0,00 Вт/м²K, тогда как для виниловой и алюминиевой рамы было обнаружено стандартное отклонение 0,01 Вт/м²K. Очевидно, что проводимость является наиболее важным способом теплопередачи в деревянной раме, тогда как конвекция и излучение (и эквивалентная теплопроводности) более важны в других профилях. Рис. 1 Общие оконные рамы в алюминиевом (слева), виниловом (среднем) и древесине (справа). Геометрия каждой модели основана на общем знаменателе коммерческих систем. Эти конструкции можно считать основными и, возможно, не репрезентативными для текущей практики строительства, но, используя этот подход, более просто оценить и количественно оценить влияние различных стратегий улучшения. Европейский стандарт EN ISO 10077-2 обеспечивает метод численного расчета для расчета значения U рамы (UF), который обычно выполняется с использованием коммерческой программы 2D теплопередачи, такой как Therm или Bisco. Для этого анализа использовалось Bisco, но был принят более физически правильный подход. Наиболее важными изменениями являются точный расчет коэффициентов представления и модели нелинейного излучения (в отличие от использования эквивалентной теплопроводности для полостей в EN ISO 10077-2) и отдельного анализа излучения и ура в полостях и на внутренних и внешних поверхностях. EN ISO 10077-2 указывает, что средняя температура 10 ° C может быть принята для расчета эквивалентной теплопроводности. Моделирование показывает, что даже в симметричных кадрах конвекция, зависящая от температуры, фактически индуцирует различия до 0,003 Вт/м²K в моделях, которые здесь рассматриваются (размышления о том, что в более экстремальных условиях, где конвекция и излучение более важны, были обнаружены различия до 0,04 Вт/м²K). В целом, это приводит к немного более низким значениям UF, но позволяет более правильной оценке различных стратегий оптимизации. Используя более точный метод моделирования, значение UF-винилового рамы на 2 % ниже по сравнению с методом расчета EN ISO 10077-2, тогда как для деревянных и алюминиевых оконных рам значение UF-значение почти на 1 % ниже. Напротив, большая разница регистрируется в вкладе трех различных форм теплопередачи (проводимость, излучение и конвекция) в общие тепловые характеристики. Как правило, метод расчета EN ISO 10077-2 недооценивает важность излучения и конвекции и переоценивает важность проводимости. В частности, для модели деревянной рамы, разница в вкладе форм теплопередачи между EN ISO 10077-2 и более точным методом поражает это может быть отнесено к перераспределению различных форм теплопередачи из-за недооцененной важности излучения и конвекции в полосах кадра. По мере роста эквивалентной теплопроводности полостей она приближается к проводимости древесины. Таким образом, часть теплового потока, которая первоначально протекала через древесину, теперь «решает» пересекать полость посредством излучения, поскольку разница в сопротивлении теплового потока между древесиной и полостью уменьшилась. Наконец, при моделировании IGU находится-в соответствии с EN ISO 10077-2-заменен изоляционным слоем с той же толщиной, а теплопроводность 0,035 Вт/мк. Учитывая тот факт, что для расчетов UF-значений, которые не основаны на проекте (как обычно бывает), неясно, какая толщина стекла следует предположить. В таблице 1 показаны UFValues ​​для трех эталонных рамков, рассчитанных для толщины стекла 24 мм (двойное остекление 4-16-4) и 42 мм (тройное остекление 4-15-4-15-4). Nathan van den Bossche et al. / Энергетическая процедура 78 (2015) 2500-2505 2503 Таблица 1. Значения UF-значений общих оконных рамок со остеклением 24 мм и 42 мм. Значения UF-значения с двойной остеклением 24 мм (W/M²K) Тройной глаза 42 мм (W/M²K) Разница (W/M²K) разность (%) Алюминий 2,773 2,618 0,155 5,59 древесина 1.707 1,640 0,067 3,93 винил 1,503 1,451 0,052 3,46 3. различных стратегий тепловой оптимизации были найдены. Анализ чувствительности различных методов оптимизации был выполнен на соответствующих общих моделях. 3.1. В алюминиевой таблице 2 сообщается о различных стратегиях оптимизации, применяемых к модели алюминиевой оконной рамки с тепловой передачей 2,775 Вт/(м²K). Наименьшее достижимое значение UF -значения путем объединения этих стратегий составляет 1,210 Вт/(M²K), снижение потери тепла на 56%. Обратите внимание, что это не следует рассматривать как самое низкое достижимое значение. Анализ, о котором сообщается здесь, фокусируется на относительном воздействии отдельных и комбинированных вмешательств, и посредством более целенаправленной конкретной оптимизации может быть достигнуто даже более низкие значения. Таблица 2. Стратегии оптимизации для алюминиевых витрин. Стратегии оптимизации UF-значения (W/M²K) Улучшение (%) Пуск: модель алюминиевого окна кадра 2.775 0 A. Ширина оптимизации членов профиля алюминия 2,759 1 B. Термический разрыв (от λ = 0,30 до λ = 0,17 Вт/мк) 2,624 5 C. Удличенный термо-разрыв (от 34 до 54 мм) 2,660 4 D. Devide Devide Devide Devide Debridy Debridy-Debridive Devidive Devidive Debridive Devidive Debridive Devidiod-D. D. Debridive Devidirod Devidirod Depidirodsidirod. 2.713 2 E1. Разделение теплового разрыва (глубины 6 мм) 2.411 13 E2. Изоляция при термическом разрыве (λ = 0,035 Вт/мк) 2.336 16 F1. Расширенное остекление герметизации для блокировки излучения 2.570 7 F2. Сдвижное остекление (от 15 до 30 мм в стеклянном отделении) 2,486 10 F3. Изоляция между глазурью и кадром (λ = 0,035 Вт/мк) 2.475 11 G. Необработанный алюминий в полостях (ε = 0,3) 2,499 10 H. Тройная глазунка 2,618 6 Комбинация A+B+C+D+E1+F1 1,709 38 Комбинация A+B+D+E1+F 2 1,594 4 4 38 COMMEBING A+F+F+F+F 2 1,594 4 4 4 4 4 44 4 44 4 4 4 44 4 4 4 44 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 44 44 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 44 4 4 4 4 44 4 4 444 4 4 4. 1.518 45 Комбинация A+B+C+D+E2+F1 1.649 41 Комбинация A+B+C+D+E2+F3 1.473 47 Комбинация A+B+C+D+E2+F3+H 1.210 56 Некоторые части секции могут быть улучшены различными способами. Например, для блокирования излучения и нижней конвекции тепловой разрыв может быть разделен на разные полости, или полости между тепловым разрывом могут быть заполнены изоляционным материалом. Последний вариант оказывается наиболее эффективным: было получено улучшение уровня UF-значения 16%, тогда как снижение на 13% было очевидно при разделении термического прорыва на отдельные полости. Кроме того, полость между IGU и рамой может рассматриваться по -разному. Это можно разделить на 2504 Nathan van Den Bossche et al. / Энергетические процедуры 78 (2015). Тем не менее, заполнение этой полости изоляцией, кажется, является лучшим вариантом снова. Если этот метод применяется, необходимо уделить внимание, чтобы предотвратить капиллярную воду для проникновения во вторичное герметизацию IGU. Объединив различные стратегии оптимизации, совокупный эффект не равен сумме отдельного улучшения, поскольку некоторые эффекты противодействуют. Рисунок 2. Результаты моделирования для оптимизированных (вверху) и эталонных кадров (внизу). На левой фигуре показано распределение температуры в алюминиевых профилях, средняя фигура показывает тепловой поток в каждой части алюминиевой рамы, на правой фигуре показан тепловой поток в виниловых рамах. 3.2. Винил UF-значение эталонной модели виниловой окна рама составляет 1,503 Вт/м²K. Можно уменьшить его до 0,759 Вт/м²K или снизить 50%, выбрав правильную комбинацию методов оптимизации. Слабой точкой стандартной виниловой рамки является стальное усиление. Существует две типичные методологии для решения этой проблемы: либо замените подкрепление лучшим изоляционным материалом с сравнительной силой, либо заменить материал рамы более сильным материалом, с помощью которого усиление становится избыточным. Для первого варианта предложены два материала: нержавеющая сталь и композитный материал. Нержавеющая сталь работает едва ли лучше, чем сталь, композитное усиление (λ = 0,2 Вт/мк), с другой стороны, действительно имеет значение. Более того, если бы весь рам был изготовлен из сильного композита (например, со стеклянным волокном; λ = 0,2 Вт/мк), не требуется подкрепление, результат почти приближается к результату виниловой рамки с композитным армированием. Однако, если в центральных полостях изолированы, композитные рамы достигают лучшей производительности по сравнению с усиленными кадрами. Разделение рамы на больше полостей углубления секции неэффективно. Углубление рамы от 90 мм до 120 мм и изоляция уменьшает потерю тепла на 29%. Установка центральной прокладки уменьшает потерю тепла на 4%, изоляция между IGU и рамой на 3%, используя композитный материал, чтобы устранить стальное армирование, что делает снижение на 11%. 3.3. Древесина Недавняя эволюция для нанесения деревянных рамков в низкоэнергетических зданиях является признаком того, что в частности, деревянные рамки Натан ван ден Боссче и др. / Энергетическая процедура 78 (2015) 2500 - 2505 2505 имеют потенциал для низкой тепловой передачи. Таким образом, тепловые характеристики IGU должны быть сбалансированы с производительностью кадра. Следовательно, эталонная модель, на которой применяются различные методы оптимизации, имеет тройное остекление. С другой стороны, алюминиевые окна обычно выбираются на основе их экономической эффективности, долговечности и, как правило, требуют минимального обслуживания. Однако, поскольку алюминиевые рамы широко используются, улучшение рамы имеет важные последствия. Мягкая древесина - лучший изолятор, чем твердый древесина, но он менее долговечен и, возможно, подвержен преждевременному ухудшению. Вот почему эталонная модель сделана из твердой древесины, но при правильном защите от окружающей среды используется мягкая древесина. Спортивная рама имеет UFValue 1,640 Вт/м²K, и, объединив соответствующие методы, можно получить значение UF-адреса 0,584. Это улучшение 64%. Сравниваются три метода оптимизации в отношении деревянного объема рамы. Лучшая техника - заменить три слоя твердой древесины на пробку, PU и снова Корк. Другой подход, хотя и менее успешный, состоит в том, чтобы заменить одну прямоугольную часть центральной массы на пробку. Третий вариант - сделать небольшие отверстия в раме, не уменьшая его прочность. Чтобы защитить деревянную раму из внешней среды, можно использовать алюминий или изолированный синтетический скрининг. Оба скрининга дают хорошие результаты, которые связаны с заменой твердой древесины мягким деревом, которая изолирует лучше. Углубление рамы от 68 мм до 108 мм уменьшает значение UF-адреса с 1,640 до 1,269 Вт/м²K. Замена материала из твердой древесины на комбинацию деревянной категории Cork-Cork Wood снижает потерю тепла на 47%. Обратите внимание, что вставка небольших воздушных полостей (высотой 4 мм и шириной 14 мм) в материал из твердого древесины может влиять на долговечность, а объем 16% полостей уменьшает потерю тепла на 9%. Наконец, вставка изоляции между IGU и рамой оказывает гораздо меньшее воздействие по сравнению с другими профилями (1%). Вопреки другим профилям, остановка остекления уже имеет изоляционный эффект, что приводит к тому, что дополнительная изоляция будет менее эффективной. 4. Выводы и обсуждение. Новая методология моделирования доказывает свою ценность, поскольку некоторые методы оказываются более эффективными или получают оптимальный в других условиях, чем предполагаемая старая методология. Кроме того, новое понимание поднялось от анализа. Некоторые вмешательства не достигают оптимума, основанного на одном только тепловой пропускании: например, теоретически глубина деревянной оконной рамы может быть бесконечно увеличить, чтобы минимизировать потерю тепла. Интеллектуальный дизайн должен найти оптимальное равновесие между тепловыми характеристиками, ограниченным использованием материала и других практических ограничений. Для полых рам, таких как виниловая и алюминиевая модель, можно исследовать положительный эффект увеличения глубины IGU в кадре. Возможно, другим вариантом было бы структурно связать IGU с кадром по общей ширине кадра, поэтому структурная функция кадра частично передается в IGU. Из -за значительного влияния алюминия на тепловой пропуск рамы из -за высокой теплопроводности, дальнейшие исследования по снижению излучения материалов могут привести к существенному снижению теплопередачи путем излучения. Список литературы [1] A. Gustavsen, D. Arasteh, BP Jelle, C. Curcija, C. Kohler, Разработка оконных рамков с низкой проводностью: возможности и ограничения текущих инструментов проектирования теплопередачи окна-современный обзор, Journal of Building Physics, vol. 32 (2) (2008), с.131-153. [2] А. Густавсен, С. Гриннинг, Д. Арастех, Б. Петтер Джель, Х. Гуди, Ключевые элементы и материалы целей производительности для высокоизоляющихся оконных рам. [3] F. Asdrubali, G. Baldinelli, F. Bianchi, Влияние геометрических и излученных свойств полостей на общие тепловые характеристики алюминиевых рам для окон. Энергия и постройки [4] U. Larsson, B. Moshfegh, M. Sandberg, Тепловой анализ супер изолированных окон (численные и экспериментальные исследования), Energy and Buildings, Vol. 29 (1999), стр. 121-128 [5] Н. Байарс, Д. Арастех, Варианты проектирования для оконных рам. Солнечные энергетические материалы и солнечные элементы 25 (1992) 143-148. [6] EN ISO 10077-2, Тепловые характеристики окон, дверей и ставни - Расчет теплопровода Часть 2: Числовой метод для кадров, 2012. [7] Руководство по моделированию THEM 6.3 NFRC, Лоуренс Беркли Национальная лаборатория, 2013. [8] Bisco 10,0W. Руководство пользователя, Physibel, 2012.