Сравнительный анализ термических моделей типичных систем остекления для навесных фасадов
|
Сравнительный анализ термических моделей типичных систем остекления для навесных фасадов
Лоуренс Д. Карбари, младший научный сотрудник1; Филби Алберт, инженер по внедрению/техническая поддержка2 1 Dow Corning Corporation; PO Box 994, Midland MI 48686-0994, USA 2 Dow Corning Seneffe; адрес Parc Industriel Zone C, B-7180 Seneffe, Belgium
Ключевые понятия
1= структурное остекление 2= термическое моделирование 3= уплотнители, навесной фасад
Аннотация
В данной работе произведено сравнение коэффициента теплопередачи и энергопотребления стандартных систем остекления для навесных фасадов, широко применяющихся при строительстве офисных зданий в крупных городах по всему миру. Для исследования были отобраны четыре типовых системы остекления: 1) стандартная, то есть механическая фиксация стеклопакета в раме с применением ЭПДМ уплотнителя; 2) структурное остекление с применением жидкого силиконового всепогодного герметика; 3) структурное остекление с применением силиконового герметика в виде ленты; 4) сочетание систем стандартного и структурного остекления (смешанный вариант). Моделирование проводилось с помощью программы Winslo 2D, причем первые три типа остекления тестировались в трех вариантах, а именно: 1) с алюминиевой дистанционной рамкой; 2) с дистанционной рамкой из нержавеющей стали; 3) с дистанционной рамкой Warm Edge (“теплый край”). Смешанный вариант смоделирован только с алюминиевой рамкой. После определения коэффициента теплопередачи системы полученные результаты можно использовать для оценки энергопотребления отдельно взятой системы в определенных условиях, а затем сравнить полученные для различных конфигураций результаты. В настоящей работе уточняется, что стандартные системы остекления вначале демонстрируют высокую эффективность, но со временем уплотнители стареют и усыхают. Более того, остаточная деформация при сжатии уплотнителей приводит к дополнительной инфильтрации воздуха и воды, еще больше снижая характеристики системы. Присутствие в конструкции алюминиевых дистанционных рамок также снижает энергоэффективность, недостаточно изолируя стеклопакет от неблагоприятного воздействия внешней среды. Наиболее эффективным из всех смоделированных систем было признано структурное остекление с применением технологии Warm E, показавшее в ходе исследования отличные теплоизолирующие свойства.
Введение
Министерство энергетики США, управление по эффективному использованию энергоресурсов и конструкциям с использованием возобновимых источников энергии, регулярно публикует методические указания к Комплексному проектированию. При данном подходе на этапе проектирования учитываются все элементы будущего здания путем постепенного введения отдельных подсистем и компонентов в рабочую модель. Чтобы в полной мере оценить преимущества Комплексного проектирования, в начале проекта необходимо собрать вместе специалистов по материалам, строителей-профессионалов и представителей владельцев/жильцов. “На офисные здания приходится 17% всего энергопотребления США. Создавая менее энергоемкие здания, мы укрепляем не только их конструкционную, но и энергетическую устойчивость, а сокращение потребности в органическом топливе благоприятно отражается на экологии ” [1] Тревожная статистика: 17% всей потребляемой в США электроэнергии расходуется коммерческими зданиями. В 2005 году каждый житель США израсходовал 337 миллионов Британских тепловых единиц (БТЕ), а страна в целом – 100800 триллионов БТЕ [2], причем 18093 триллиона БТЕ – коммерческий сектор. Та же ситуация наблюдается и в Евросоюзе. На официальном сайте Комиссии Евросоюза приводятся следующие данные: “На долю офисных зданий приходится 40% всей расходуемой ЕЭС электроэнергии”. [3] Таким образом, коммерческий сектор забирает заметную долю потребляемой энергии. Современные архитектурные концепции прослеживаются в очертаниях новых офисных зданий, появляющихся в крупнейших городах мира. Конструкции из стекла и металла, спроектированные ведущими архитектурными компаниями, являются произведениями искусства и воплощением функциональности. Они призваны обеспечить максимально комфортные условия для служащих, чтобы последние работали с полной отдачей. Владелец здания просто обязан создать комфортные условия для работы, чтобы привлечь выгодных арендаторов и/или служащих. Арендаторы и наемные работники платят ренту, покрывая расходы на энергоснабжение и эксплуатацию здания. Сейчас мы начинаем осознавать важность рационального энергопотребления во всех аспектах нашей жизни, поскольку таким образом можно сократить избыточный расход электроэнергии и, следовательно, выброс в атмосферу газов, провоцирующих “парниковый эффект”. Публикации, разъясняющие суть Киотского протокола, помогли всем осознать важность данной проблемы. Структурное остекление, применяемое в офисных зданиях, должно иметь эстетичный вид как изнутри, так и снаружи. Эффективность привлекательных систем остекления сейчас высока, как никогда прежде. Ниже (Рис. 1) показаны коэффициенты теплопередачи различных типов остекления. По мере эволюции строительных технологий был сделан значительный шаг в усилении теплоизоляции и, соответственно, сокращении энергозатрат. Так появился герметичный однокамерный стеклопакет. Введение аргона в качестве наполнителя для камеры, изобретение низкоэмиссионных покрытий и разработка двухкамерных стеклопакетов еще более повысили энергоэффективность фасадов коммерческих зданий. На приведенной ниже столбчатой диаграмме отражены средние коэффициенты теплопередачи (U стекла) для остекления различных конфигураций (глубина камеры - 12мм, излучение низкоэмиссионного покрытия - 5%). [4]
Рис.1 Значения теплопередачи разных систем остекления 
На диаграмме видно, что коэффициент теплопередачи в 0.7 Вт/м2К достигается при использовании двухкамерного стеклопакета с аргоном в качестве наполнителя и двумя низкоэмиссионными покрытиями. Этот показатель можно еще улучшить, заменив аргон другими инертными газами, например криптоном или ксеноном. Тогда значения U стекла будут 0.6 и 0.5 Вт/м2К соответственно. Однако, любые дополнительные изменения увеличивают конечную стоимость фасада, а срок окупаемости проекта всегда принимается во внимание при составлении сметы. Как отмечалось выше, на диаграмме представлены значения теплопередачи в центре стеклопакета. Коэффициент теплопередачи стены из обычных материалов составляет 0.3-0.6 Вт/м2К, крыши – 0.15-0.3 Вт/м2К, и на эти два компонента приходится большая часть поверхности здания. Таким образом, камнем преткновения остается сравнительная неэффективность систем остекления, то есть фасадов в целом, а не самого стекла. Актуальность технологий, позволяющих улучшить энергосберегающие характеристики систем остекления, возрастает с каждым днем, особенно учитывая тот факт, какую площадь остекление занимает в современных зданиях. Следует отметить, что конструкционные особенности рам и методики крепления стекла к раме не изучались должным образом, хотя в этой области требуется не меньшее внимание к деталям. Стандартные рамы изготавливаются из алюминия - материала с одним из наиболее высоких значений теплопроводности. Существует множество способов термоизоляции алюминиевых рам - уплотнители, силиконовые всепогодные жидкие и твердые герметики, полиуретановые и полиамидные термомосты. В настоящей работе изучаются четыре распространенных метода крепления стекла к раме.
Задачи исследования
В данном исследовании описываются результаты изучения того, в какой степени техника крепления стекла к раме влияет на общий коэффициент теплопередачи системы. Чтобы не усложнять картину, для тестирования была выбрана простая алюминиевая рама. В базовой сборке ее ширина составляет 75 мм, глубина – 125 мм, толщина стены – 3 мм (рис. 2). Как видно на рисунке, в зависимости от используемого метода крепления конструкция рамы слегка меняется.
Рис.2 Типы рам и способы фиксации 
Стандартная система с механической фиксацией стеклопакета Структурное остекление с термоизоляцией жидким всепогодным герметиком Структурное остекление с термоизоляцией силиконовым герметиком в виде ленты Смешанный вариант - механическая фиксация в сочетании с применением полиамидного термомоста
В ходе исследования проводилось сравнение между системами остекления со следующими типами фиксации стекла:
1. Стандартный метод фиксации с использованием уплотнителей из ЭПДМ (этилен-пропилен-диен мономер) резины. а) Теплоизоляционные характеристики измерялись как для нового стеклопакета, так и имеющего срок эксплуатации. В последнем случае проверялась рабочая гипотеза о том, что с течением времени уплотнители усыхают и инфильтрация воздуха извне усиливается. 2. Фиксация стеклопакета посредством жидкого всепогодного силиконового герметика. 3. Фиксация стеклопакета посредством силиконового герметика в виде ленты. 4. Смешанный вариант – механическое закрепление стеклопакета в раме с применением полиамидного термомоста.
Во всех моделях использовались идентичные стеклопакеты (по линейным размерам, покрытиям, конфигурации), состоящие из двух 6-мм листов стекла с 15-мм камерой. Эффективное излучение выбранного низкоэмиссионного покрытия на внешней стороне внутреннего стекла составляет 4%. Коэффициент теплопередачи стекла – 1.393 Вт/м2К. В стеклопакетах применялись три вида дистанционных рамок с двухступенчатой герметизацией. Для первичной герметизации был выбран полиизобутилен (ПИБ), для вторичной – силикон (из-за его долговечности). По данным Cardinal Corporation, процент разгерметизации на протяжении 20 лет эксплуатации составляет 0.5% для стеклопакетов с ПИБ герметиком и 8% - с полисульфидным. [5] Для вторичной герметизации был выбран силикон, поскольку только силиконовые герметики разрешены к применению при структурном остеклении офисных зданий. Толщина и ширина слоя силиконового герметика одинаковы во всех случаях и составляют 6 мм х 15 мм. Первая дистанционная рамка изготовлена из алюминия, вторая - из нержавеющей стали, а третья, с применением технологии Warm E (“теплый край”), - из вспененного осушенного силикона.
Результаты
Использованные в настоящем исследовании рамы предназначены лишь для проведения сравнения между разными типами остекления. Их теплоизоляционные свойства достаточно низки, но перед исследователями не стояла задача улучшить качество рам. Первостепенной задачей являлось провести объективное относительное сравнение систем остекления с разными типами фиксации. Еще раз следует особо отметить, что во всех вариантах использовались абсолютно одинаковые стеклопакеты, поскольку в фокусе исследования находился не оптимальный подбор стекол, а тип дистанционной рамки и способ крепления стеклопакета к раме. Выбранные для моделирования температуры соответствуют Европейским стандартам. Все данные можно легко пересчитать, руководствуясь стандартами ASHRAE, действующими на территории США. Первая смоделированная конструкция представляет собой стеклопакет, механически закрепленный в раме с применением ЭПДМ уплотнителей. Вторая конструкция - это тот же стеклопакет с ЭПДМ уплотнителями, но только теперь между внешним уплотнителем и стеклом имеется некоторое расстояние. Таким образом имитируется ситуация, возникающая в результате длительной эксплуатации, когда уплотнители, под воздействием внешней среды, теряют пластичность и начинают “разбалтываться”. Когда это происходит, особенно в странах с жарким летом, с наружной стороны стыки обрабатываются жидким герметиком, чтобы уменьшить инфильтрацию воздуха и воды. Работы производятся за счет владельца здания, чтобы улучшить микроклимат в помещениях и снизить энергозатраты. Третий вариант представляет собой структурное остекление, при котором стеклопакет приклеивается к раме и герметизируется посредством жидкого всепогодного герметика. В сплошном навесном фасаде применяются импосты, разделяющие его по вертикали. Четвертый вариант представляет собой также структурное остекление с герметизацией не жидким, а ленточным герметиком. Последний, смешанный, вариант представляет собой механическое крепление стеклопакета к раме, но с применением полиамидного термомоста. Поскольку мост не сплошной, программа исключает его при расчете показателей, хотя в модели со сплошным термомостом значения температур и теплопередачи отличаются друг от друга незначительно. Для более точного моделирования данной ситуации нужна трехмерная программа. В таблице, приведенной ниже, даны значения для обоих вариантов, которые свидетельствуют об их схожести. Моделирования термических условий для различных конструкций производилось в среде двухмерной программы Winlso 2D. Для температуры в помещении установлено значение 20˚С; для температуры внешней среды -5˚С. Термические градиенты показаны на рис. 3, отдельно по каждой системе остекления.
Рис.3.1 Система остекления с механической фиксацией и дистанционной рамкой Warm E, новые уплотнители
 Рис.3.2 Система остекления с механической фиксацией и дистанционной рамкой Warm E, старые уплотнители
 Рис.3.3 Структурная система остекления с применением жидкого всепогодного герметика и с дистанционной рамкой Warm E
 Рис.3.4 Структурная система остекления с применением ленточного герметика и с дистанционной рамкой Warm E
 Рис.3.5 Смешанный вариант - с полиамидным термомостом 
Рис. 3.1 – 3.5 Распределение температур в каждой модели с “теплой” дистанционной рамкой
В целях экономии места, изотермические карты приведены выборочно. Данные по результатам исследования систематизированы в Таблице 1.
Таблица 1 Сводная таблица по результатам исследования
* Измерения проводились по Стандарту ЕЭС EN10077-2 на стеклопакете 1м х 2м с Ug=1.393 Вт/м2К и 4% низкоэмиссионным покрытием на внешней стороне внутреннего стекла. ** Итоговое место вычислялось следующим образом. Сначала определялись места (1-14) по каждому из трех параметров, затем вычислялось среднее значение, которое и становилось итоговым. Например, структурное остекление с жидким герметиком получило первые места по температуре внутреннего профиля, температуре внутреннего стекла и коэффициенту теплопередачи фасада. Таким образом, получается (1+1+1)/3=1 – итоговое первое место. ***Средневзвешенные значения для итоговых мест с 8 по 11 отличались крайне незначительно.
Окончательные места присуждались после определения средневзвешенных значений основных сравнительных параметров: теплопередача фасада в целом, температура внутреннего профиля и температура внутреннего стекла. При внимательном изучении таблицы заметно, что наибольший положительный эффект достигается при сочетании “теплой” дистанционной рамки и структурного остекления с применением силиконового герметика. Из первых семи систем остекления шесть относятся именно к такому типу. Также в таблице показаны более низкие характеристики системы с неплотно прилегающими уплотнителями, которая имитирует реальную ситуацию с изношенными уплотнителями. Нарушение герметичности остекления снижает его эффективность и ведет к росту затрат на энергоснабжение. Системы, получившие по данной оценочной системе места с 8 по 11, были практически равны по основным показателям. Хорошо известно, что силикон разрешен к применению при структурном остеклении благодаря его износостойкости. Впервые четырехсторонняя фиксация стеклопакетов посредством силикона была применена в 1971 году [6] в Детройте, штат Мичиган, США. Здание до сих пор успешно эксплуатируется и при этом эффективно функционирует. Данный проект стал самым очевидным доказательством надежности силиконовых герметиков, и благодаря ему системы структурного остекления завоевали популярность в мировой строительной отрасли. Полученные методом экструзии ленточные герметики сохраняют ту же прочность и те же свойства, что и жидкие, а именно: устойчивость к УФ-излучению, отсутствие усадки, низкая остаточная деформация и устойчивость к воздействию внешней среды. Можно предположить, что системы с механической фиксацией дольше сохранят герметичность и термоизолирующие свойства, если использовать силиконовые уплотнители.
Энергозатраты
Поток энергии можно представить как коэффициент теплопередачи фасада, умноженный на площадь и на разницу температур между внутренними помещениями и окружающей средой. При сравнении разных систем было предложено ориентироваться на теплопередачу площади остекления. Наименьший коэффициент теплопередачи в рамках данного исследования был отмечен на уровне 1.66 Вт/м2К, а наибольший составил 3.39 Вт/м2К. Хорошей иллюстрацией значимости коэффициента теплопередачи может стать простой расчет при максимальной или минимальной температуре внешней среды и постоянной температуре внутренних помещений. В настоящем исследовании фигурируют изотермы - 5˚С (температура снаружи) и 20˚С (в помещении). Хотя это соответствует европейским стандартам, на земном шаре немало мест, где ночные температуры опускаются до - 20˚С, а в помещении поддерживаются те же 20˚С. В Таблице 2 наглядно показано, почему предпочтителен более низкий коэффициент теплопередачи. Плата за электричество - это прямой расход владельца здания, который должен взыскать ее с арендаторов. Стоимость киловатт-часа разная в разных странах, и она во многом определяет стоимость работ по утеплению фасада. Интересно взглянуть на №12 и 14 в вышеупомянутой таблице, которые соответствуют новой и старой системе с механической фиксацией. Согласно предварительным расчетам, изношенная система будет потреблять на 44% больше электроэнергии для поддержания постоянной температуры в помещениях при резком падении температуры снаружи. Это достаточное основание для арендодателя задуматься о проекте по ремонту фасада.
Таблица 2 Примерное энергопотребление при использовании разных типов остекления, когда разница температур составляет 20˚ и 40˚
Заключение
Наилучшие теплоизолирующие свойства в настоящем исследовании показала система структурного остекления с применением жидкого всепогодного силиконового герметика и с дистанционной рамкой с теплым краем (Warm E). Кроме того, все системы с данной дистанционной рамкой продемонстрировали лучшие теплосберегающие характеристики. Система с механической фиксацией и “изношенными” уплотнителями обнаружила повышенную теплопередачу и, соответственно, большие энергозатраты на пиковых нагрузках. Системы структурного остекления с дополнительной герметизацией превзошли механические и смешанные по всем трем параметрам: температуре внутреннего профиля, температуре внутреннего стекла и коэффициенту теплопередачи фасада. Дистанционная рамка, изготовленная по технологии Warm E, дает значительные преимущества любой системе остекления.
Перспективы
В будущем, с появлением программ с удобным интерфейсом, моделирование энергозатрат систем остекления станет гораздо проще. Сейчас оно ведется преимущественно на программном обеспечении собственной разработки и фокусируется главным образом на ОВКВ-оборудовании. Однако в будущем к таким исследованиям в строительной индустрии будут прибегать гораздо чаще. Описанная в настоящей работе термическая модель станет прообразом других точно настраиваемых программ, с помощью которых можно будет найти оптимальное решение по выбору системы остекления, исходя из эстетических требований проекта, простоты монтажа и доступности.
Литература 1. US Department of Energy, Office of Energy and Renewable Design website http://www.eere.energy.gov/buildings/highperformance/design_ approach.html August 10, 2006 2. Energy Information Administration, Monthly Energy Review Feb 2007, page 25 http://www.eia.doe.gov/emeu/mer/contents.html 3. European Commission http://ec.europa.eu/energy/demand/legislation/buildings_en.htm February 19, 2007 4. GANA – Glass Association of North America – Specifiers Guide to Architectural Glass – 2005 Edition 5. Cardinal Corporation http://www.cardinalcorp.com/products_xledge/xledge.htm 6. Hilliard, J. R., Parise, C. J., and Peterson, C. O. Jr., Structural Sealant Glazing, Sealant Technology in Glazing Systems, ASTM STP 638, ASTM International, West Conshohocken, PA, 1977, pp. 67-99
|
