Термическая оптимизация оконных рам

Аннотация Тепловые характеристики оконных рам можно легко рассчитать с помощью численного двумерного моделирования. Доступно несколько коммерческих пакетов программного обеспечения, а международные стандарты предоставляют четкую методологию расчета коэффициента теплопередачи. Однако, несмотря на то, что эти методы хорошо известны в академических кругах и исследовательском сообществе в целом, термическая оптимизация еще не достигла своего полного потенциала в строительной отрасли, и существуют значительные возможности для улучшения. В частности, для малых и средних предприятий отсутствуют руководящие принципы, которые были бы достаточно общими, чтобы гарантировать широкое использование, а также достаточно конкретными, чтобы обеспечить простую и понятную интерпретацию и внедрение. В рамках этого исследовательского проекта в сотрудничестве со строительной отраслью были разработаны типовые оконные секции для виниловых, алюминиевых и деревянных рам. На основе исследования рынка были определены и описаны типичные подходы к улучшению тепловых характеристик для каждого типа оконной рамы. В дальнейшем влияние отдельных улучшений, а также совокупных эффектов изучалось с использованием как стандартизированных, так и усовершенствованных методов расчета. Для этого обсуждаются явления теплопередачи и способы их моделирования в соответствии со стандартными процедурами расчета. Помимо этого, обсуждается ряд вторичных эффектов, вытекающих из стандартов, например, толщина стеклопакета, глубина оконного притвора, эквивалентная теплопроводность и влияние пониженных коэффициентов теплопередачи. Рецензирование проводится CENTRO CONGRESSI INTERNAZIONALE SRL Натаном Ван Ден Босше и др. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2501 На протяжении последних нескольких десятилетий наблюдается растущий интерес к снижению энергопотребления в зданиях. Существует множество аспектов, которые способствуют общей энергоэффективности здания, например: продуманный дизайн, эффективные системы отопления, вентиляции и кондиционирования, герметичные соединения и соответствующий уровень изоляции. В частности, в прошлых исследованиях тщательно исследовались характеристики изоляции. Несмотря на многочисленные исследования, один компонент здания остается источником беспокойства, а именно оконная рама. Это довольно сложный компонент из-за особых граничных условий, касающихся механических характеристик, работоспособности, акустики и т. д. Для стен, крыш и полов типичные нормативы максимальной теплопроводности в странах Центральной и Северной Европы находятся в пределах от 0,1 до 0,3 Вт·м²К, что легко реализовать при использовании обычных типов конструкций. Для окон требования менее строгие и обычно варьируются от 0,8 Вт/м²К до 2,4 Вт/м²К. В некоторых странах также существуют особые требования к МГС. Коммерческое двойное остекление с низкоэмиссионным покрытием и наполнением аргоном имеет коэффициент теплопередачи 1,1 Вт/м²К, тогда как тройное остекление и вакуумное остекление могут достигать всего 0,5 Вт/м²К. Насколько известно авторам, в разных странах нет конкретных ограничений по теплопроводности оконных рам. Обратите внимание, что введение определенных ограничений сделает невозможным создание некоторых конкретных конфигураций окон. Например, типичные раздвижные окна и двери из алюминия или винила, доступные на рынке, имеют коэффициент теплопередачи от 2,0 до 4,5 Вт/м²К. Не потому, что тепловые характеристики не учитывались в процессе проектирования, а из-за практических ограничений при производстве и простоты использования. Сведения о термической оптимизации в научной литературе, да и в литературе в целом, весьма скудны [1-4]. Густавсен и др. [1, 2] исследовали влияние теплопроводности материала рамы и терморазрывов, чтобы определить целевые показатели характеристик материала для современных оконных конструкций. Обратите внимание, что значение U, равное 0,5 Вт/м²К, было выбрано в качестве требуемого уровня производительности просто на основании того факта, что лучшие коммерческие стеклопакеты на рынке сейчас имеют значение U, равное 0,5 Вт/м²К. На основании этого подхода был сделан вывод, что терморазрывы должны иметь теплопроводность ниже 0,02 Вт/мК (или 0,005 Вт/мК, если разрабатываются «новые» материалы), конструкционные изоляционные материалы для древесно-композитных профилей должны иметь теплопроводность ниже 0,03 Вт/мК, а в идеале рамы из алюминия и ПВХ должны содержать полости с коэффициентом излучения ниже 0,05 для окружающих материалов. Никаких рекомендаций по проектированию геометрии окна не было представлено, и не было указано, как получить заданную проводимость. Аналогичным образом, Байарс и Арасте [5] также сосредоточили внимание на влиянии теплопроводности на значение U рамы. Исследования Густавсена [1] показали, что, хотя конвекция моделируется в стандарте EN ISO 10077-2 [6] с использованием упрощенного подхода с эквивалентной теплопроводностью, результаты хорошо сопоставимы с моделированием потока жидкости. ISO 10077-2 предписывает, что полости с межсоединением, не превышающим 2 мм, должны рассматриваться как отдельные. Для этого предположения отсутствуют какие-либо ссылки на статьи или исследования, а с помощью CFD-моделирования 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 разработке трех различных материалов рам: алюминия, дерева и винила. Они представляют собой нейтральную основу для моделирования и могут использоваться в качестве общих моделей, чтобы избежать преимуществ или недостатков существующих продуктов. Эти модели были разработаны в сотрудничестве с Бельгийской ассоциацией строительства и сертификации (BCCA) и Европейским алюминиевым центром не только для того, чтобы гарантировать нейтральную конструкцию рам, но и для того, чтобы получить надежный обзор типичных мер, которые принимаются для улучшения тепловых характеристик рам. Для алюминиевых рам текущим стандартом в Бельгии является трехкамерный профиль с термическим разрывом из полиамида, армированного стекловолокном. Система становится воздухонепроницаемой и водонепроницаемой посредством центральной прокладки, обычно в сочетании с внутренней прокладкой. Аналогичным образом, обычные виниловые оконные рамы состоят из 5 камер, в которые вставлен стальной профиль, обеспечивающий достаточную прочность и жесткость. Герметичность также обеспечивают две прокладки: одна на внутренней плоскости, другая на внешней. Деревянная опорная рама толщиной 68 мм изготовлена ​​из твердой древесины и включает внутреннюю и центральную прокладку. В сотрудничестве с BCCA было начато небольшое круговое моделирование. Производителям оконных рам было предложено смоделировать типовые модели и сообщить значение Uf в соответствии со стандартом EN ISO 10077-2. На призыв откликнулись только 5 компаний, поэтому результаты нельзя считать репрезентативными для всей строительной отрасли Бельгии, тем не менее, был сделан ряд интересных выводов. Прежде всего, использовались как Therm [7], так и Bisco [8], и аналогичные 2502 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) Найдено 2500 – 2505 результатов. Во-вторых, для деревянной рамы стандартное отклонение составило 0,00 Вт/м²К, тогда как для виниловой и алюминиевой рамы было обнаружено стандартное отклонение 0,01 Вт/м²К. Очевидно, что теплопроводность является наиболее важным способом передачи тепла в деревянном каркасе, тогда как конвекция и излучение (и эквивалентная теплопроводность) более важны в других профилях. Рис. 1. Типовые оконные рамы из алюминия (слева), винила (в центре) и дерева (справа). Геометрия каждой модели основана на общем знаменателе коммерческих систем. Эти проекты можно рассматривать как базовые и, возможно, не репрезентативные для современной строительной практики, но с использованием этого подхода становится проще оценить и количественно оценить влияние различных стратегий улучшения. Европейский стандарт EN ISO 10077-2 предоставляет метод численного расчета для расчета значения U рамы (Uf), который обычно выполняется с использованием коммерческой программы двумерной теплопередачи, такой как Therm или Bisco. Для этого анализа использовался Биско, но был принят более физически правильный подход. Наиболее важными изменениями являются точный расчет коэффициентов обзора и модели нелинейного излучения (в отличие от использования эквивалентной теплопроводности для полостей в EN ISO 10077-2), а также раздельный анализ излучения и конвекции в полостях, а также на внутренних и внешних поверхностях. Стандарт EN ISO 10077-2 определяет, что для расчета эквивалентной теплопроводности можно принять среднюю температуру 10°C. Моделирование показывает, что даже в симметричных системах конвекция, зависящая от температуры, фактически вызывает различия до 0,003 Вт/м²К в рассматриваемых здесь моделях (имейте в виду, что в более экстремальных условиях, где конвекция и излучение более важны, были обнаружены различия до 0,04 Вт/м²К). В целом это приводит к несколько более низким значениям Uf, но позволяет более правильно оценить различные стратегии оптимизации. При использовании более точного метода моделирования значение Uf для виниловой оконной рамы оказывается на 2 % ниже по сравнению с методом расчета EN ISO 10077-2, тогда как для деревянных и алюминиевых оконных рам значение Uf почти на 1 % ниже. Напротив, большая разница зафиксирована во вкладе трех различных форм теплопередачи (проводимости, излучения и конвекции) в общие тепловые характеристики. Обычно метод расчета EN ISO 10077-2 недооценивает важность излучения и конвекции и переоценивает важность проводимости. Конкретно для модели деревянного каркаса бросается в глаза разница во вкладе форм теплопередачи между EN ISO 10077-2 и более точным методом. Это можно объяснить перераспределением различных форм теплопередачи из-за недооценки значения излучения и конвекции в полостях каркаса. По мере роста эквивалентной теплопроводности полостей она приближается к проводимости древесины. Таким образом, часть теплового потока, который первоначально проходил через древесину, теперь «предпочитает» пересечь полость посредством излучения, поскольку разница в сопротивлении тепловому потоку между древесиной и полостью уменьшилась. Наконец, при моделировании стеклопакет – в соответствии со стандартом EN ISO 10077-2 – заменяется изоляционным слоем той же толщины и теплопроводностью 0,035 Вт/мК. Учитывая тот факт, что для расчета значений Uf, не основанных на проекте (как это обычно бывает), неясно, какую толщину стекла следует принимать. В Таблице 1 показаны значения Uf для трех эталонных рам, рассчитанные для толщины стекла 24 мм (двойное остекление 4-16-4) и 42 мм (тройное остекление 4-15-4-15-4). Натан Ван Ден Босше и др. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2503 Таблица 1. Значения Uf стандартных оконных рам со стеклопакетом 24 мм и 42 мм. Значения Uf двойное остекление 24 мм (Вт/м²К) тройное остекление 42 мм (Вт/м²К) разница (Вт/м²К) разница (%) алюминий 2,773 2,618 0,155 5,59 дерево 1,707 1,640 0,067 3,93 винил 1,503 1,451 0,052 3.46 3. Стратегии термической оптимизации В ходе анализа существующих коммерческих оконных рам был обнаружен ряд различных стратегий термической оптимизации. Анализ чувствительности различных методов оптимизации был выполнен на соответствующих типовых моделях. 3.1. Алюминий В Таблице 2 представлены различные стратегии оптимизации, примененные к модели алюминиевой оконной рамы с коэффициентом теплопередачи 2,775 Вт/(м²К). Наименьшее достижимое значение Uf при сочетании этих стратегий составляет 1,210 Вт/(м²К), что означает снижение теплопотерь на 56%. Обратите внимание, что это не следует рассматривать как наименьшее достижимое значение. Анализ, представленный здесь, фокусируется на относительном влиянии отдельных и комбинированных мер, а посредством более целенаправленной конкретной оптимизации можно достичь даже меньших значений. Таблица 2. Стратегии оптимизации алюминиевых оконных рам. Стратегии оптимизации Значение Uf (Вт/м²К) Улучшение (%) Начало: модель алюминиевой оконной рамы 2,775 0 A. Оптимизация ширины элементов алюминиевого профиля 2,759 1 B. Тепловой разрыв (от λ=0,30 до λ=0,17Вт/мК) 2,624 5 C. Расширенный термический разрыв (от 34 до 54 мм) 2,660 4 D. Разделительная центральная прокладка (глубина) полости 6 мм) 2,713 2 Е1. разделительный терморазрыв (глубина полостей 6мм) 2.411 13 E2. изоляция при термическом разрыве (λ=0,035Вт/мК) 2,336 16 F1. удлиненное уплотнение стекла для защиты от радиации 2,570 7 F2. сдвинутое остекление (от 15 до 30 мм по фальцу) 2.486 10 F3. изоляция между остеклением и рамой (λ=0,035Вт/мК) 2,475 11 G. необработанный алюминий в полостях (ε=0,3) 2,499 10 H. Тройное остекление 2,618 6 комбинация A+B+C+D+E1+F1 1,709 38 комбинация A+B+C+D+E1+F2 1,594 43 комбинация A+B+C+D+E1+F3 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 раздела можно улучшать по-разному. Например, для блокирования излучения и снижения конвекции терморазрыв можно разделить на разные полости или полости между терморазрывом можно заполнить изоляционным материалом. Последний вариант оказывается наиболее эффективным: вместо этого было получено улучшение значения Uf на 16%, тогда как при разделении термического разрыва на отдельные полости наблюдалось снижение на 13%. Кроме того, полость между стеклопакетом и рамой можно обрабатывать по-разному. Его можно разделить на 2504 Nathan Van Den Bossche et al. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 разделяют полости, расширяя прокладку остекления или перемещая остекление глубже в раму. Однако заполнение этой полости изоляцией снова представляется лучшим вариантом. Если применяется этот метод, необходимо обратить внимание на предотвращение проникновения капиллярной воды во вторичное уплотнение стеклопакета. При комбинировании различных стратегий оптимизации совокупный эффект не равен сумме отдельных улучшений, поскольку некоторые эффекты противодействуют. Рис. 2. Результаты моделирования для оптимизированного (вверху) и эталонного (внизу) кадров. На левом рисунке показано распределение температуры в алюминиевых профилях, на среднем рисунке показан тепловой поток в каждой части алюминиевого каркаса, на правом рисунке показан тепловой поток в виниловых каркасах. 3.2. Винил Показатель Uf эталонной модели виниловой оконной рамы составляет 1,503 Вт/м²К. Его можно снизить до 0,759 Вт/м²К или на 50 %, выбрав правильную комбинацию методов оптимизации. Слабым местом стандартной виниловой оконной рамы является стальное армирование. Существует два типичных метода решения этой проблемы: либо заменить армирование более качественным изоляционным материалом со сравнительной прочностью, либо заменить материал каркаса более прочным материалом, при котором армирование становится излишним. Для первого варианта предложены два материала: нержавеющая сталь и композитный материал. Нержавеющая сталь работает едва ли лучше, чем сталь, с другой стороны, композитное армирование (λ=0,2 Вт/мК) действительно имеет значение. Более того, если весь каркас будет изготовлен из прочного композита (например, из стекловолокна; λ=0,2 Вт/мК), усиление не потребуется, а результат почти приблизится к результату винилового каркаса с композитным армированием. Однако если центральные полости изолированы, композитные рамы достигают лучших характеристик по сравнению с усиленными рамами. Разделение кадра на большее количество полостей или углубление секции визуализируется неэффективно. Углубление рамы с 90мм до 120мм и ее утепление снижает потери тепла на 29%. Установка центральной прокладки снижает теплопотери на 4%, утепление между стеклопакетом и рамой на 3%, использование композитного материала для устранения стальной арматуры дает снижение на 11%. 3.3. Дерево. Недавняя эволюция применения деревянных каркасов в зданиях с низким энергопотреблением является признаком того, что именно деревянные каркасы Натан Ван Ден Босше и др. / Energy Procedia 78 (2015) 2500 – 2505 2505 потенциально обладают низким коэффициентом теплопередачи. Таким образом, тепловые характеристики стеклопакета должны быть сбалансированы с характеристиками рамы. Следовательно, эталонная модель, к которой применяются различные методы оптимизации, имеет тройное остекление. С другой стороны, алюминиевые окна обычно выбираются исходя из их экономической эффективности, долговечности и, как правило, минимального обслуживания. Однако, поскольку алюминиевые рамы широко используются, улучшение рамы имеет важные последствия. Мягкая древесина является лучшим изолятором, чем твердая, но она менее долговечна и, возможно, подвержена преждевременному износу. Вот почему эталонная модель изготовлена ​​из твердой древесины, но при правильной защите от окружающей среды используется мягкая древесина. Эталонная система имеет значение Uf, равное 1,640 Вт/м²К, и путем объединения соответствующих методов можно получить значение Uf, равное 0,584. Это улучшение на 64%. Сравниваются три метода оптимизации деревянного объема рамы. Лучший способ — заменить три слоя твердой древесины пробкой, ПУ и снова пробкой. Другой подход, хотя и менее успешный, заключается в замене одной прямоугольной части центральной массы пробкой. Третий вариант – проделать в раме небольшие отверстия, не снижая ее прочности. Для защиты деревянного каркаса от внешней среды можно использовать алюминиевый или изолированный синтетический экран. Оба экрана дают хорошие результаты, обусловленные заменой твердой древесины мягкой древесиной, которая лучше изолирует. Углубление рамы с 68 мм до 108 мм снижает значение Uf с 1,640 до 1,269 Вт/м²К. Замена древесного материала комбинацией «дерево-пробка-полиуретан-пробка» снижает потери тепла на 47%. Обратите внимание, что вставка небольших воздушных полостей (высотой 4 мм и шириной 14 мм) в массив древесины может повлиять на долговечность, а объем полостей в 16% снижает потери тепла только на 9%. Наконец, установка изоляции между стеклопакетом и рамой оказывает гораздо меньшее влияние по сравнению с другими профилями (1%). В отличие от других профилей, ограничитель остекления уже имеет изолирующий эффект, поэтому дополнительная изоляция становится менее эффективной. 4. Выводы и обсуждение Результаты моделирования типовых моделей оконных рам показывают, что средняя оконная рама может быть улучшена на 50–64% с помощью простых стратегий оптимизации, представленных на бельгийском рынке. Новая методология моделирования доказывает свою ценность, поскольку некоторые методы оказываются более эффективными или достигают оптимума в других условиях, чем предполагала старая методология. Кроме того, в результате анализа были получены новые идеи. Некоторые меры не достигают оптимума, основанного только на теплопередаче: например, теоретически глубину деревянной оконной рамы можно увеличивать бесконечно, чтобы минимизировать потери тепла. Разумный дизайн должен найти оптимальное равновесие между тепловыми характеристиками, ограниченным использованием материалов и другими практическими ограничениями. Для полых рам, таких как модели из винила и алюминия, можно оценить положительный эффект увеличения глубины стеклопакета в раме. Возможно, другим вариантом было бы конструктивно приклеить стеклопакет к раме по всей ширине рамы, чтобы конструктивная функция рамы частично перешла к стеклопакету. Из-за значительного влияния алюминия на теплопроводность рамы из-за высокой теплопроводности дальнейшие исследования по снижению излучательной способности материалов могут привести к существенному снижению теплопередачи излучением. Ссылки [1] А. Густавсен, Д. Арасте, Б. П. Йелле, К. Курция, К. Колер, Разработка оконных рам с низкой проводимостью: возможности и ограничения современных инструментов проектирования теплопередачи окон - Обзор современного состояния, Журнал строительной физики, Vol. 32 (2) (2008), стр. 131–153. [2] А. Густавсен, С. Гриннинг, Д. Арасте, Б. Петтер Джелле, Х. Гуди, Ключевые элементы и целевые показатели характеристик материалов для оконных рам с высокими изоляционными свойствами. [3] Ф. Асдрубали, Г. Балдинелли, Ф. Бьянки, Влияние геометрических свойств полостей и коэффициента излучения на общие тепловые характеристики алюминиевых рам для окон. Энергия и здания [4] У. Ларссон, Б. Мошфег, М. Сандберг, Термический анализ сверхизолированных окон (численные и экспериментальные исследования), Energy and Buildings, Vol. 29 (1999), стр. 121-128 [5] Н. Байарс, Д. Арасте, Варианты конструкции оконных рам с низкой проводимостью. Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы 25 (1992) 143-148. [6] EN ISO 10077-2, Тепловые характеристики окон, дверей и ставен. Расчет коэффициента теплопередачи. Часть 2: Численный метод для рам, 2012 г. [7] Therm 6.3 Руководство по моделированию NFRC, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли, 2013 г. [8] Bisco 10.0w. Руководство пользователя, Physibel, 2012 г.