Bruk av den dynammiske vindusmodellen i norsk klima

Abstract

”Bruk av den dynamiske vindusmodellen i norsk klima” er ett masterprosjekt som ser på muligheten for å benytte en dynamisk vindusmodell i et norsk klima. Et dynamisk vindu er i hovedsak tenkt brukt ved rehabilitering av bygg som ikke har et ventilasjonsanlegg som tilfører friskluft. Tilluften går gjennom vinduet i en luftspalte mellom det ytterste og det innerste glass laget. Tanken er at luften vil bli forvarmet ved hjelp av solstråling og varmeoverføring som kommer gjennom det innerste glasslaget fra rommet på innsiden. Siden det i Norge er kalde vintre og relativt varme sommere er spørsmålet hvordan vinduet vil respondere på det varierende klimaet. Prosjektet er innledet med en litteraturstudie for å kartlegge grunnleggende forståelse for temaet og for å undersøke hvor langt forskningen har kommet på området. For å oppnå lavere U-verdi bør et dynamisk vindu bestå av tre eller flere glass, hvor av et glass bør være et energiglass. Turbulent strømning bør unngås ettersom dette øker varmeoverføringen i luftstrømmen, turbulent strømning er indikert å oppstå i hulrom med dybde mellom 25 og 50 mm. Dette kan det leses mer om i kapittel 2 og 3. Ettersom oppgaven er skrevet i en begrenset tidsperiode var det nødvendig å avgrense området litt. På bakgrunn av litteraturstudiet ble det designet fire forskjellige vindusmodeller, betegnet som A, B, C og D, som skulle testes for utvalgte simuleringsdager. Simuleringsdagene valgtes etter kriteriene klar kald vinterdag, overskyet vinterdag, klar varm sommerdag og overskyet sommerdag. De forskjellige vinduskombinasjonene, simuleringsdagene sammen med to forskjellige luftmengder, ulike glasstyper og utvendige persienner for sommerdagene ble lagt inn i simuleringsprogrammet WIS Software 3.0.1. WIS er ett allsidig simuleringsverktøy som kan beregne egenskapene til vindussystemer og komponenter samt beregne temperaturforløpet gjennom vinduene. Totalt ble det utført 1032 simuleringer som danner grunnlaget for sammenlikningene hvor resultatene er hentet fra. Vinduskonstruksjoner, værdata, simuleringsdager, beregninger og simuleringer kan det leses mer om i kapittel 4. Alle data fra simuleringene ble ført inn i regneark og grafer for å kunne sammenlikne U-verdier, g-verdier, innvendig overflatetemperaturer og tilluftstemperaturer fra den ventilerte luftspalten for alle vinduene. Simuleringsdataene bruktes også til å beregne energitilskudd/tap fra varmegjennomgang, soltilskudd og ventilasjon for å kunne se på en total energibetraktning for de forskjellige vinduene. Resultatene og sammenlikningene er presentert og beskrevet i kapittel 5. Resultatene fra sammenlikningene viser at U-verdiene halveres ved å halvere luftmengden og at de laveste U- og g-verdiene oppnås ved å plassere energiglasset ytterst i vinduskonstruksjonen, som det er gjort i vindu A og C. Når det gjelder temperaturene blir tilluftstemperaturen inn i rommet fra den ventilerte spalten mest påvirket av solstrålingen. Vinduene B og D er de vinduene som påvirkes raskest av solen og får de største temperatursvingningene i løpet av dagen. Vinduene B og D er også de vinduene som gir de høyeste overflatetemperaturene, mens vindu A og C ligger litt lavere om sommeren. Den klart laveste innvendige overflatetemperaturen om vinteren er for vindu A, samtidig som dette vinduet også har den jevnt høyeste temperaturen om vinteren når det gjelder tilluftstemperaturen, og den laveste på sommeren. Ikke uventet reduserer de utvendige persiennene g-verdien og den innvendige overflate temperaturen betraktelig, og til dels også tilluftstemperaturen. Luftmengdene når persiennene er nede har liten betydning når det gjelder påvirking av den innvendige overflatetemperaturen, men når det gjelder lufttemperaturen inn i rommet gir halvert luftmengde større utslag for de forskjellige vinduene og simuleringsdagene. Konklusjonen for denne rapporten er at det dynamiske vinduet vil kunne benyttes med gode resultater for det norske klimaet. Vindu A og C er de vinduene som forfatterne mener er best egnet med bakgrunn i de undersøkte kriteriene. Den største forskjellen på vindu A og C er at for vintersituasjonen vil vindu A ha en lavere innvendig overflatetemperatur enn vindu C, mens for tilluftstemperaturen vil det være motsatt. Lufthastigheten bør senkes om vinteren for å få bedre utnytte av forvarmingen, mens om sommeren bør luftmengdene være høyere. De utvendige persiennene hjelper til å redusere varmetilskuddet om sommeren betraktelig.

“Using the dynamic window-model in Norwegian climate” is a project which studies the possibility of using a dynamic window-model in a Norwegian climate. A dynamic window is primarily intended for use in cases of rehabilitation of buildings not equipped with HVAC systems. The description of a dynamic window is a window which has free or forced ventilation of air between the outer and inner glass surface. The idea is that the air which passes through the window will be preheated by the sun and heat transfer from the inner glass surface. Considering the long cold winters and temperate summers in Norway, the question is how the dynamic window-model will perform in these conditions. This master thesis is initiated with a literature study to understand the basic on this type of window-model and gain knowledge on how far research has progressed in this general field. To achieve low U-values a dynamic window should consist of three glass layers or more, whereas one of the glass layers should be a low energy glass. Turbulent flow patterns should be avoided as this increases heat-transfer between glass surfaces on each side of the ventilated cavity, turbulent flow patterns is indicated to form in ventilated cavities with depths between 25 and 50 mm. These findings can be reviewed in chapter 2 and 3. Due to the time schedule given to complete this master thesis some limitations considering the width of the project had to be made. Based on the literature study four dynamic window-models, denoted as A, B, C and D, were designed to be tested for selected simulation days. The simulation days were chosen according to the following criteria; cold clear winter day, overcast winter day, warm clear summer day and overcast summer day. The European simulation software WIS 3.0.1 was used to simulate the selected dynamic window-models and simulation days. WIS is a versatile simulation tool that is able to calculate the properties of complex window systems and components, as well as calculate the temperature development through the dynamic windows. A total of 1032 simulations form the basis for evaluating the dynamic window-models. Chapter 4 includes data on window constructions, weather data, simulation days, calculations and simulations in general. Data acquired from the simulations were put into spreadsheets and graphs to compare U-values, g-values, inner glass surface temperatures and supply air temperatures. Simulation data were also used to calculate heat gain and -loss considering heat transfer, solar heat gain and ventilation. The results and comparisons are presented in chapter 5. The results show that U-values are halved by halving the amount of air passing through the windows. The results also show that the lowest U- and g-values is achieved by placing the energy glass on the outer surface facing the outside, as done for window-model A and C. The supply air temperature is affected the most by solar radiation. Window-model B and D are highly affected by solar radiation and experience the greatest temperature fluctuations during the day. Window B and D also experience the highest inner glass surface temperatures, while the surface temperatures for windows A and C are slightly lower in summer conditions. Window-model A experiences the lowest inner surface temperatures in winter, while this window also has stabile high supply air temperatures in winter and lower supply air temperatures in summer than the other window-models. Not unexpectedly, using external blinds in summer significantly reduces the g-value and inner glass surface temperature, and in some extent the supply air temperature. Using full or halved air volumes through the windows shows only small differences in combination with use of external blinds in summer conditions considering the inner surface temperature. Considering supply air temperature, variations of air volume through the windows show greater impact on the various windows and simulation days. The conclusion of this master thesis is that the dynamic window-model can be used in a Norwegian climate with good results. Window-model A and C are considered to be the windows best suited for use in a Norwegian climate, this is based on the results from the simulations. Window A and C show some differences in a winter situation, window A has a lower inner surface temperature than window C, while the situation is opposite considering supply air temperatures. The rate of air passing through the window should be lowered in a winter situation to better the windows preheat ability, while higher air volumes would be preferred in summer. The external blinds reduced heat gain due to solar radiation in summer considerably.

A master thesis from Aalborg University

Bruk av den dynammiske vindusmodellen i norsk klima

[Using the dynamic window-model in Norwegian climate]