Тепловая оптимизация профиля для производства оконных рам
Подробности- Подробности
- Категория: Интересная техника
Тепловые характеристики оконных конструкций сейчас можно легко рассчитать с помощью 2D моделирования. В настоящее время, для специалистов доступно несколько коммерческих пакетов программного обеспечения для осуществления таких расчётов в соответствии со стандартами. Такие международные стандарты предоставляют чёткую методологию расчёта коэффициента теплопередачи. Однако, несмотря на то, что эти методы хорошо известны в научных кругах, тепловая оптимизация ещё не полностью раскрыла свой потенциал в строительной отрасли, а поэтому существует значительный запас для совершенствования.
В частности, для небольших фирм по производству оконных конструкций, не хватает руководящих принципов, которые были бы достаточно общими, чтобы гарантировать широкое использование. В то же время они должны быть достаточно конкретными, чтобы обеспечить лёгкую и понятную интерпретацию и реализацию. В рамках некоторых исследовательских проектов и в сотрудничестве со строительной отраслью, были разработаны типовые оконные профили для изготовления виниловых, алюминиевых и деревянных рам. На основе исследования рынка были определены и описаны типичные подходы к улучшению тепловых характеристик для каждой разновидности (по используемым материалам) и для каждого типа оконной рамы.
Впоследствии влияние отдельных улучшений, а также комбинированных эффектов было изучено с использованием как стандартизированных, так и усовершенствованных методов расчёта сопротивления теплопередачи и способ их моделирования в соответствии со стандартными методиками. Кроме того, специалистами был исследован ряд вторичных эффектов, вытекающих из стандартов, например, толщина стеклопакетов, глубина оконного переплёта, эквивалентные теплопроводности и влияние пониженных коэффициентов теплопередачи.
На протяжении последних нескольких десятилетий наблюдается растущий интерес к сокращению энергопотребления в зданиях. Существует множество аспектов, которые вносят вклад в общую энергоэффективность здания: интеллектуальный дизайн, эффективные системы кондиционирования, герметичные двери и соответствующий уровень изоляции.
Несмотря на множество исследований, один компонент здания остаётся источником беспокойства, а именно оконная рама. Это довольно сложный компонент из-за специфических граничных условий, связанных с механическими характеристиками, работоспособностью, акустикой и так далее. Для стен, крыш и полов типичные рекомендации по максимальному коэффициенту теплопередачи в странах находятся в диапазоне от 0,1 до 0,3 Вт/м2К, что легко может быть реализовано при использовании обычных типов конструкций. Для окон же рекомендации менее строгие и обычно варьируются от 0,8 до 2,4 Вт/м2К.
В некоторых странах также существуют особые требования к используемым стеклопакетам. Коммерческие двойные стеклопакеты с низкоэмиссионным покрытием, с заполнением камеры между остеклением инертным газом (как правило, аргоном) имеют коэффициент теплопередачи 1,1 Вт/м2К, в то время как тройное остекление и вакуумное остекление могут достигать значения коэффициента теплопотери 0,5 Вт/м2К. Но, насколько известно, в разных странах нет особых ограничений на теплопроводность самих оконных рам. Обратите внимание, что введение определённых ограничений сделало бы невозможным создание некоторых конкретных конфигураций окон. Например, типичные раздвижные окна и двери из алюминия или винила, доступные на рынке, не были бы допущены к использованию, так как имеют коэффициент теплопередачи от 2,0 до 4,5 Вт/м2К. Это происходит не потому, что тепловые характеристики не учитываются в процессе проектирования, а из-за практических ограничений в производстве и простоты использования.
Информация о термической оптимизации на производстве, в научной литературе, в целом довольно скудна и многие технические специалисты не изучают этот аспект вовсе. Изучение влияния теплопроводности материала рамы и тепловых разрывов, необходимы, чтобы определить целевые показатели энергоэффективности материала для конструкций окон. Обратим внимание, что значение теплопроводности в 0,5 Вт/м2К было выбрано в качестве требуемого уровня энергоэффективности конструкции оконной рамы, просто исходя из того факта, что почти все коммерческие стеклопакеты на рынке теперь имеют такое же значение теплопроводности.
Основываясь на этом подходе, был сделан вывод, что конструкционные изоляционные материалы для деревянных и композитных профилей должны иметь теплопроводность ниже 0,02 Вт/м2К (или 0,005 Вт/м2К, если речь идёт о разработке новых материалов для производства окон). В идеале алюминиевые и ПВХ рамы должны содержать полости с коэффициентом теплопотери ниже 0,05 Вт/м2К. Но для достижения такого результата, до сих пор не было представлено никаких руководящих принципов проектирования геометрии окон, и не было указано никаких путей получения указанных проводимостей. Стандарт ISO 10077-2 предписывает, что полости с расстоянием между соединениями, не превышающим 2 мм, должны рассматриваться как отдельные. Для этого предположения отсутствуют какие-либо ссылки на документы или исследования, и с помощью моделирования было установлено, что 7 мм будет более реалистичным критерием.
2. Модели и метод моделирования
Анализ характеристик ряда оконных рам, доступных в настоящее время на российском рынке, показывает, что в основном используются три различных материала для изготовления оконных рам в современных окнах/оконных конструкциях остекления: алюминий, дерево и винил (ПВХ). Они являются нейтральной основой для моделирования и могут использоваться в качестве универсальных моделей, чтобы избежать преимуществ или недостатков существующих продуктов.
Для алюминиевых рам действующим стандартом в Европе является 3-камерный профиль с термическим изолятором из полиамида, армированного стекловолокном. Система сделана воздухонепроницаемой и водонепроницаемой при помощи интеграции центральной прокладки, обычно в сочетании с внутренней прокладкой. Аналогично, обычные виниловые оконные рамы состоят из 5 камер, а для обеспечения достаточной прочности и жёсткости внутрь вставляется ещё стальной профиль. Герметичность обеспечивается также двумя прокладками, одной на внутренней плоскости, другой на внешней плоскости.
Опорные рамы для окон из дерева имеют, как правило, толщину 68 мм, и изготавливаются из древесины твёрдых пород. Они тоже содержат внутреннюю и центральную изоляционную прокладку. Очевидно, что теплопроводность является наиболее важным способом передачи тепла в деревянном каркасе, тогда как конвекция и излучение (и эквивалентные теплопроводности) более важны в других типах профиля.
Рис. 1 Типовые оконные рамы из алюминия (слева), винила (посередине) и дерева (справа). Геометрия каждой модели основана на общем знаменателе коммерческих систем. Эти проекты можно рассматривать как базовые и, возможно, не репрезентативные для текущей строительной практики, но при использовании этого подхода более просто оценить и количественно оценить влияние различных стратегий улучшения.
Европейский стандарт EN ISO 10077-2 предоставляет метод численного расчёта коэффициента сопротивления теплопотере (Uf ) для полостей в оконных рамах. Этот стандарт определяет, что для расчёта эквивалентной теплопроводности может быть принята средняя температура 10 °C. Моделирование показывает, что даже в симметричных рамах, зависящая от температуры конвекция фактически вызывает различия до 0,003 Вт/м2К (но стоит иметь 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 оценивать различные стратегии оптимизации при конструировании оконных конструкций.
Большая разница регистрируется в трёх различных формах теплопередачи (теплопроводность, излучение и конвекция) в общую тепловую энергоэффективность. Как правило, стандартные методы расчёта недооценивают важность факторов излучения и конвекции, но значительно переоценивают важность теплопроводности материалов. Это можно объяснить перераспределением различных форм теплопередачи из-за недооценённой важности излучения и конвекции в полостях оконной рамы. По мере роста, эквивалентной теплопроводности полостей в алюминиевых и пластиковых окнах, она приближается к характеристикам проводимости древесины в деревянных оконных конструкциях. Таким образом, часть теплового потока, который первоначально проходил через древесину, теперь «выбирает» пути преодоления через полости в виде теплового излучения, поскольку разница в сопротивлении тепловому потоку между древесиной и полостью уменьшилась.
И самое главное упущение: в ходе моделирования стандарта EN ISO 10077-2 стеклопакет условно заменён изоляционным слоем той же толщины и теплопроводностью 0,035 Вт/м2К. То есть, данный стандарт вообще не учитывает дополнительных теплопотерь в форме теплового излучения и конвекции. Учитывая этот факт, значения коэффициентов теплопотери (Uf), изначально рассчитываются неправильно, так как из методологии неясно, какие дополнительные тепловые потери будут у оконных конструкций при разной толщине стеклопакетов. Это неизменно вносит неточность при выполнении расчёта по проектированию.
3. Способы сокращения теплопотерь
В ходе анализа существующих коммерческих оконных рам был разработан ряд различных стратегий тепловой оптимизации.
3.1. Алюминий
Некоторые формы профиля могут быть улучшены различными способами. Например, для блокирования излучения и снижения конвекции камеры теплового барьера могут быть разделены на различные полости, или полости между термическим разрывом могут быть заполнены изоляционным материалом. Последний вариант оказывается наиболее эффективным: опытным путём было вычислено улучшение значения Uf на 16%, в то время как при простом разделении теплового разрыва на отдельные полости было заметно снижение лишь на 13%. Кроме того, полость между стеклопакетом и рамой может быть обработана различными способами. Его можно разделить на отдельные полости, удлинив прокладку для остекления или сдвинув остекление глубже в раму. Однако заполнение этой полости изоляцией, по-видимому, снова является лучшим вариантом. Если применяется этот метод, необходимо обратить внимание на предотвращение проникновения капиллярной воды во вторичное уплотнение стеклопакета. При объединении различных стратегий оптимизации совокупный эффект не равен сумме отдельных улучшений, поскольку некоторые эффекты противодействуют друг другу.
Рисунок 2. Результаты для оптимизированной и эталонной систем конструкции окон различного профиля. На левом рисунке показано распределение температуры в неоптимизированной раме из алюминиевого профиля, на среднем рисунке показан тепловой поток в каждой части алюминиевой рамы, которая была максимально оптимизирована, на правом рисунке показан тепловой поток в виниловых рамах.
3.2. Винил
Значение Uf эталонной модели виниловой оконной рамы составляет 1,503 Вт/м2К. Можно уменьшить его до 0,759 Вт/м2К , что равняется улучшением на 50 %, выбрав правильную комбинацию методов оптимизации. Слабым местом стандартной виниловой оконной рамы является стальная арматура. Существует два типичных метода решения этой проблемы: либо заменить арматуру лучшим изоляционным материалом со сравнимой прочностью, либо заменить материал каркаса более прочным материалом, при котором арматура становится избыточной.
Для первого варианта предлагаются два материала: нержавеющая сталь и композитный материал. Нержавеющая сталь работает едва ли лучше, чем сталь, с другой стороны, композитная арматура (=0,2 Вт/м2К) действительно способствует улучшению сопротивления теплоотдаче. Более того, если вся рама будет изготовлена из прочного композита (например, из стекловолокна, у которого показатель равен =0,2 Вт/м2К), армирование не требуется, а эффективность почти приближается к результату виниловой рамы с композитной арматурой. Однако, если центральные полости будут изолированы, то композитные рамы достигают лучшей энергоэффективности по сравнению с профилем усиленным стальным сердечником. Разделение рамы на большее количество полостей с углублением сечения делает конструкцию менее эффективной. Углубление рамы с 90 мм до 120 мм и её изоляция снижают теплопотери на 29%. Установка центральной прокладки снижает теплопотери всего на 4%, внедрение изоляции между стеклопакетом и каркасом на 3%, а использование композитного материала вместо стальной арматуры снижает коэффициент теплопотери на 11%.
3.3. Древесина
Недавняя эволюция применения деревянных рам в зданиях с низким энергопотреблением свидетельствует о том, что, деревянные рамы имеют большой потенциал по снижению коэффициента теплопередачи. Таким образом, тепловые характеристики стеклопакета в таких окнах должны быть сбалансированы с характеристиками самой рамы. Следовательно, разумным будет применять в деревянных окнах тройное остекление. Алюминиевые окна обычно выбираются исходя из их экономической эффективности, долговечности и, как правило, требуют минимального технического обслуживания. Однако, поскольку алюминиевые рамы широко используются, улучшение конструкции профиля рамы имеет важные последствия. Мягкая древесина является лучшим изолятором, чем твёрдая древесина, но она менее долговечна и подвержена преждевременному износу.
Система расчёта коэффициента теплопотери для деревянных окон имеет значение 1,640 Вт/м2К, и, комбинируя соответствующие методы оптимизации, можно получить значение до 0,584 Вт/м2К (это улучшение на 64 %). Если сравнивать три метода оптимизации в отношении объёмных параметров деревянной рамы, то лучшим из них будет такой, в котором цельная деревянная рама из твёрдой древесины заменяется тремя слоями (мягкая древесина, полиуретан, снова мягкая древесина).
Для защиты деревянной рамы из мягкой древесины от внешней среды можно использовать алюминиевый или синтетический изолирующий экран. Расширение рамы с 68 мм до 108 мм уменьшает значение Uf с 1,640 до 1,269 Вт/м2К. Замена лиственного материала комбинацией дерево-пробка-полиуретан-пробка-дерево снижает теплопотери на 47%. Обратите внимание, что вставка небольших воздушных полостей (высотой 4 мм и шириной 14 мм) в материал из цельной древесины может повлиять на долговечность конструкции не в лучшую сторону, а увеличение объёма полостей на 16 % снижает потери тепла только на 9 %. Наконец, вставка изоляции между стеклопакетом и каркасом оказывает гораздо меньшее влияние по сравнению с другими профилями (всего 1 %). В отличие от других профилей, упор для остекления уже обладает изолирующим эффектом, в результате чего дополнительная изоляция становится менее эффективной.
4. Выводы
Результаты моделирования типовых моделей оконных рам показывают, что типичная оконная рама может быть улучшена на 50-64% с помощью простых стратегий оптимизации, доступных на рынке. Новая методология моделирования доказывает свою ценность, поскольку некоторые методы оказываются более эффективными или достигают оптимума в других условиях, чем предполагала старая методология. Некоторые вмешательства не достигают оптимального результата, основанного только на коэффициенте теплопередачи: например, теоретически глубину деревянной оконной рамы можно было бы бесконечно увеличивать, чтобы свести к минимуму потери тепла. Разумный конструктив при создании профиля должен найти оптимальное равновесие между тепловыми характеристиками, ограниченным использованием материала и другими практическими ограничениями.
Для полых рам, таких как окна из ПВХ профиля и алюминия, можно изучить положительный эффект увеличения глубины стеклопакета в раме. Возможно, другим вариантом было бы конструктивное соединение дополнительным изолятором стеклопакета с рамой по всей ширине рамы, чтобы структурная функция рамы частично передавалась и стеклопакету. Значительное влияние алюминия на коэффициент теплопередачи каркаса, из-за высокой теплопроводности, дальнейшие шаги по снижению излучательной способности материалов могут привести к существенному снижению теплопередачи.