Experimental Characterization and Modeling of Advanced Polymer Composite Window Frames

Jan Jakub Zajas

    Publikation: Ph.d.-afhandling

    Abstract

    Selv om vinduesrammer kun er en relativ lille del af den samlede bygnings klimaskærm er de ansvarlig for en stor mængde varmetab, hvilket skyldes deres dårlige isoleringsegenskaber, hvis man sammenligner med andre bygningselementer. Med fokus på den nuværende trend i forhold til at reducere bygningers energiforbrug er det tydeligt, at der er behov for at forbedre den termiske ydeevne af nutidige rammer, således at bygningerne opfylder de nye og mere skrappe krav.

    Denne PhD afhandling vil fokusere på forbedringerne af den termiske ydeevne af vinduesrammer lavet af glasfiberforstærket plastik (FRP). Dette materiale er for nyligt blevet introduceret på markedet for vinduesrammer, og det er blevet et interessant valg grundet dets fine termiske og mekaniske egenskaber, hvilket kan medføre en forbedring af isoleringsevnen for vinduesrammer.

    Der er adskillige måder at forbedre den termiske transmission af vinduesrammer. Varme overførsel via en vinduesramme er en kombination af varmeledning, konvektion og stråling og hver af disse mekanismer kan reduceres på forskellig vis. Et eksempel kunne være at inddele hulrummene for at reducere konvektionsvarme flowet eller benytte emissitvity materialer for at mindske den radiation. Disse samt adskillige andre løsninger er undersøgt i første del af Phd afhandlingen. Simuleringer af simple geometrier er udført i forhold til at kunne evaluere potentialet ved forskellige løsninger. Resultaterne viser, at anvendelse af forskellige modifikationer til en vis grad giver en betydelig reduktion af termisk transmission. For at opnå ydereligere forbedringer kræver dette mere drastiske forandringer.

    På den baggrund er der foretaget en omfattende undersøgelse af, hvorledes rammegeometrien kan forbedres på et overordnet niveau. Ordinære vinduesrammer kan blive udformet i mange forskellige former, hvilket giver udviklerne en stor designmæssig frihed. Selv om der kan designes et uendeligt antal versioner af vinduesrammer er det ikke alle rammer, der vil have tilfredsstillende termiske egenskaber. Det er vigtigt at klarlægge, hvorledes et korrekt design af en ramme vil biddrage til at forbedre de termiske ydeevner. Derefter kan hele rammegeometrien blive optimeret i forhold til den termiske transmission, størrelse og materialevalg.

    Optimeringsprocessen kan blive foretaget ved at designe et stort antal vinduesrammers geometri og derefter evaluere deres termiske egenskaber, fortrinsvis på en automatisk måde. En stor del af denne PhD afhandling er dedikeret til udviklingen af et parametrisk designværktøj, som kan benyttes til et sådant formål. Derefter er det endelig værktøj brugt til at optimere rammerne. Optimeringen har fokus på flere formål, hvilket gør opgaven endnu mere kompliceret. Undersøgelsen foreslår to fremgangsmåder: en vægtet sum fremgangsmåde og en genetisk algoritme.

    Et andet formål med PhD afhandlingen var at udvikle en ny kombination af materialer, der kan bruges til at forbedre vinduesrammer. Denne kombination består af på ydersiden højstyrke kompositlaminat, og isolerende skum på indersiden. Resultatet blev udviklingen af et funktionelt gradueret materiale med rummeligt varierende egenskaber. Denne usædvanlige konstruktion skaber en udfordring i forhold til eksperimentel karakterisering af produktet. Problemstillingen kan løses ved at benytte laser flash metoden, som kan tilpasses dette specifikke formål. Der er foretaget mindre modifikationer i LFA 447 laser flash apparatet, som med en fin opløsning tillader afledning af de lokale transportegenskaber af forskellige materialer. Denne metode var valideret og blev med succes benyttet til formålet.
    OriginalsprogEngelsk
    Vejledere
    • Heiselberg, Per Kvols, Hovedvejleder
    UdgivelsesstedAalborg
    Udgiver
    StatusUdgivet - 2014

    Emneord

    • Window Frames
    • Heat Loss
    • Energy Use
    • Thermal Performance
    • Fiberglass Reinforced Plastic (FRP)
    • Conduction
    • Convection
    • Radiation
    • Frame Geometry
    • Parametric Design Tool

    Fingeraftryk

    Dyk ned i forskningsemnerne om 'Experimental Characterization and Modeling of Advanced Polymer Composite Window Frames'. Sammen danner de et unikt fingeraftryk.

    Citationsformater