Prüfung der thermischen Eigenschaften moderner Befestigungssysteme für hinterlüftete Fassaden

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 946 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die in diesem Artikel beschriebene Studie untersuchte eine Reihe von Gebäudebefestigungen, die in hinterlüfteten Fassaden verwendet werden. Für die tatsächlich auf dem Industriemarkt befindlichen Baubefestigungen wurden die Werte der effektiven Wärmeleitfähigkeit experimentell gemessen. Diese Werte wurden anschließend in numerischen Simulationen verwendet, die mit der Softwareanwendung COMSOL Multiphysics durchgeführt wurden. Die Validierung des Simulationsmodells erfolgte in spezifischen zusätzlichen experimentellen Tests. Der Beitrag stellt eine Methode zur Bestimmung des effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten für Verbindungselemente mit neuartigem Design vor. Für verschiedene Varianten von Mehrschichtwänden mit den Befestigungsmitteln wurden Temperaturverteilungen und Wärmeströme ermittelt. Die Berechnung des effektiven Wärmeleitkoeffizienten für ein Strukturprofil basiert auf der Wärmebilanz des Messstandes. Die durchgeführten Tests zeigen nicht nur eine erwartete Verringerung des Koeffizientenwerts für Konstruktionen, in denen Edelstahl verwendet wird. Die Ergebnisse zeigen auch, dass die Befestigungselemente mit ausgeschnittenen Löchern in ihren Strukturen deutlich niedrigere effektive Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweisen als solche mit massiven Wänden. Begründet werden kann dieser Effekt mit der Bildung labyrinthartiger Verengungen, die den leitfähigen Wärmeflusspfad im Befestigungselement verlängern. Als Endergebnis der experimentellen Tests und der COMSOL-Simulationen wird die Anwendung der effektiven Wärmeleitfähigkeit als neuer Indikator für die thermische Wirksamkeit von Gebäudebefestigungen in der industriellen Praxis vorgeschlagen. Daher empfiehlt es sich, Baubefestigungen mit unterschiedlichen Lochformen zu konstruieren, um deren Dämmeigenschaften zu verbessern.

In der Vergangenheit waren die Kriterien für die Auswahl von Baubefestigungen für den Bau einer hinterlüfteten Wand vor allem Festigkeit und mechanische Eigenschaften. Nach der Verschärfung der Vorschriften über die Isolierungsbedingungen, die Gebäudewände erfüllen müssen, und der hohen Effizienz von Materialien, die die Oberfläche der Wände isolieren, stellte sich heraus, dass die Verluste durch den von den tragenden Strukturen, einschließlich der Gebäudebefestigungen, übertragenen Wärmestrom verursacht werden verantwortlich ist, einen immer größeren Anteil an den gesamten Wärmeverlusten ausmacht. Diese Situation zwingt Planer dazu, Baubefestigungen mit immer besseren Isolierparametern zu verwenden. Eine neue Lösung, die noch nicht weit verbreitet ist, aber wie diese Untersuchung gezeigt hat, ist die Verwendung der Erweiterung der Löcher für den Wärmeflussweg in Befestigungselementen effektiv. Die Autoren des Artikels verwendeten Standardmethoden zur Bewertung der thermischen Eigenschaften der getesteten Verbindungselemente: experimentelle Tests und numerische Simulationen.

Numerische Simulationen und experimentelle Tests werden häufig verwendet, um die Eigenschaften verschiedener Gebäudebefestigungen1,2 in Bezug auf Festigkeit3,4 und verwendete Materialien zu untersuchen. Die Wärmebildtechnik ermöglicht die Identifizierung der thermischen Eigenschaften von Befestigungselementen5,6 und deren Auswirkungen auf Wandsysteme mit mehreren Schichten. Hinterlüftete Fassadensysteme, die aufgrund ihrer Energieeinsparungen eine wünschenswerte Lösung sind7,8, werden mithilfe numerischer Simulationen untersucht9. Im Mittelpunkt der Untersuchungen stehen vor allem die Auswirkungen des saisonalen Wetters auf die Leistungsmerkmale einer Fassade10 oder der Einfluss hinterlüfteter Fassaden auf den Energiebedarf von Gebäuden11. In12 untersuchten die Autoren die Wärmeübergangskoeffizienten von Wänden mit unterschiedlichen Mengen an Befestigungsmitteln, die zur Befestigung des Paneels an der Fassade verwendet wurden. Sie fanden einen deutlichen Anstieg der Koeffizientenwerte von hinterlüfteten Paneelen im Vergleich zu herkömmlichen hinterlüfteten Fassadensystemen. Der vorliegende Artikel zeigt, dass auch einzelne Elemente hinterlüfteter Fassaden einen Einfluss auf die Wärmeleitung haben.

Hinterlüftete Fassaden bestehen aus einer Innenschicht, Isolierung, Lüftungskammer und Außenverkleidung (Außenhautplatten). Das System reduziert die thermische Belastung durch Sonneneinstrahlung und schützt vor Witterungseinflüssen13. Heutzutage wird intensiv darüber geforscht, dass Fassaden ein unverzichtbares Element der Hochhausarchitektur moderner Städte sind14. Der Einsatz von hinterlüfteten Fassaden wurde in15 ausführlich analysiert.

Gebäudebefestigungen sind wichtige Elemente von hinterlüfteten Fassaden und unterliegen den geltenden europäischen16 und polnischen17 Vorschriften. Da diese Vorschriften eine schrittweise Reduzierung der Wärmedurchgangskoeffizienten für Gebäudetrennwände vorsehen, besteht Bedarf an einer Befestigungskonstruktion, die dabei hilft, die Koeffizienten auf das erforderliche Niveau zu minimieren. Die Anforderungen an Wärmedämmung, Festigkeit und Brandschutz werden derzeit durch folgende Optionen erfüllt:

Konstruktion von Verbindungselementen aus Materialien mit geringerer Wärmeleitfähigkeit (z. B. Edelstahl statt Aluminiumlegierungen);

Zunehmende Komplexität des Befestigungsdesigns (z. B. Verwendung von Löchern, die den Wärmeflussweg verlängern);

Anbringen von Pads aus Isoliermaterialien.

Die dritte Möglichkeit ist schwierig umzusetzen, wenn gleichzeitig Festigkeits- und Brandschutzanforderungen erfüllt werden sollen. Die erste Option liefert gute Ergebnisse, weist jedoch erhebliche Einschränkungen auf. Ein Material, das zukünftige Anforderungen an den Leitfähigkeitskoeffizienten zu einem akzeptablen Preis erfüllt, ist schwer zu finden. Die zweite Option ist auf dem Vormarsch, insbesondere in Kombination mit der ersten Option.

In diesem Artikel werden die Ergebnisse experimenteller und Simulationsstudien der thermischen Eigenschaften von Befestigungssystemen für hinterlüftete Fassaden vorgestellt, bei denen die ersten beiden Optionen angewendet wurden. Der Parameter, der diese Eigenschaften charakterisiert, ist die effektive Wärmeleitfähigkeit, die im Artikel weiter definiert wird. Die effektive Wärmeleitfähigkeit wird im Wesentlichen durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem das Befestigungselement besteht, dessen Gestaltung (z. B. Verwendung von Öffnungen, die den Wärmefluss behindern) und den Wärmewiderstand an den Kontaktstellen der Wärmeübertragungsflächen beeinflusst. Es sollte hinzugefügt werden, dass die angewandte Messmethode die Auswirkungen aller oben aufgeführten Faktoren berücksichtigt. Daher charakterisiert die so ermittelte effektive Wärmeleitfähigkeit die tatsächlichen thermischen Eigenschaften des Befestigungselements.

Abbildung 1 veranschaulicht das Konzept der Messung des Wärmeübergangskoeffizienten und die Auswirkung einzelner Eingabefaktoren, wie z. B. der Verwendung von Öffnungen.

Veranschaulichung des Einflusses der Wärmeleitfähigkeit des Befestigungsmaterials und der Verwendung wärmeflussbehindernder Öffnungen auf die effektive Leitfähigkeit von Gebäudebefestigungen und den übertragenen Wärmestrom. Beschreibung: A – Wärmeübertragungsfläche (Schnittstelle zwischen dem Befestigungselement und der kühleren Oberfläche) (m2), L – Länge des Befestigungselements in Richtung des Wärmeflusses (m), Th – durchschnittliche Temperatur der Heizoberfläche (K), Tc – durchschnittliche Temperatur der Kühlerfläche (K).

In diesem Artikel werden die Studienergebnisse für derzeit verfügbare Befestigungssysteme zur Befestigung von hinterlüfteten Fassaden vorgestellt. Das Design der Befestigungselemente kombiniert die oben beschriebenen Optionen 1 und 2. Abbildung 2 zeigt die Abmessungen des Befestigungselements.

Abmessungen eines Baubefestigers zur Befestigung von hinterlüfteten Fassaden.

Abbildung 3 zeigt die komplette Gebäudebefestigungseinheit, ergänzt durch die Montagehalterung. In der in Abb. 3 gezeigten Form dient die Befestigungsanordnung zur Befestigung der Verkleidungen und wurde in dieser Form experimentellen Tests unterzogen.

Baubefestiger mit Montagewinkel.

Die Wärmebilanz ist die wichtigste Methode zur Analyse vieler praktischer Probleme der Festkörper-Thermomechanik und Bauphysik.

Die Messung des effektiven Wärmeleitkoeffizienten λ eines Baubefestigers basiert auf der Wärmebilanz des Messstandes. Unter Vernachlässigung der Wärmeverluste an die Umgebung entspricht der Zahlenwert des Wärmestroms, der durch den durch die Heizung fließenden elektrischen Strom geliefert wird, dem Zahlenwert des Wärmestroms, der durch die Oberflächen des Befestigungselements geleitet wird. Es kann durch Gleichung ausgedrückt werden. (1):

wobei \(\dot{Q}_{el}\) – von der Heizung gelieferte elektrische Leistung (W), \(\dot{Q}_{cond}\) – durch das Befestigungselement übertragener Wärmefluss (W).

Der Ständer soll möglichst geringe Wärmeverluste in der Umgebung gewährleisten, um die Bedingungen des Fourierschen Gesetzes der eindimensionalen Wärmeleitung zu erfüllen. Die Verwendung von Gleichstrom ermöglicht eine einfache und genaue Bestimmung der vom Heizgerät abgegebenen Wärmeleistung:

Der zwischen zwei ebenen Flächen übertragene Wärmestrom und für die in Abb. 1 angegebenen Beziehungen kann auf eine Weise geschrieben werden, die die Bestimmung der effektiven Wärmeleitfähigkeit ermöglicht:

wobei A – Wärmeübertragungsfläche (Grenzfläche zwischen dem Befestigungselement und der kühleren Oberfläche) (m2), L – Länge des Befestigungselements in Wärmeflussrichtung (m), Th – durchschnittliche Temperatur der Heizoberfläche (K), Tc – durchschnittliche Temperatur von die kühlere Oberfläche (K), λ – Wärmeleitfähigkeitskoeffizient für ein homogenes Material (W m−1 K−1) oder, wie in diesem Artikel weiter verwendet: λ′ – effektive Wärmeleitfähigkeit für ein inhomogenes Material.

Die vorgeschlagene Messmethode bestimmt den tatsächlichen effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, der den Einfluss der Innenstruktur des Befestigungselements (Löcher, die den Wärmefluss in der Wärmeaustauschfläche verlängern, Extrusion) und den Einfluss des thermischen Kontaktwiderstands auf seine Wärmeleitfähigkeit berücksichtigt.

Die Tests umfassten Messungen des effektiven Wärmeleitkoeffizienten des in Abb. 2 dargestellten Gebäudebefestigungselements. Bei den Messungen unter tatsächlichen Einsatzbedingungen wird das Befestigungselement durch einen Montagewinkel (Abb. 3) ergänzt, an dem die Verkleidung (tatsächliche Bedingungen) befestigt wird. oder der Kühler (Messbedingungen) angebracht ist. Die Oberfläche des Bauteils ist die Wärmeaufnahmefläche. Der Messstand wurde nach dem im Abschnitt „Einführung“ vorgestellten Messkonzept gebaut. Das schematische Diagramm des Ständers ist in Abb. 4 dargestellt, und eine Ansicht der Messstrecke ist in Abb. 5 dargestellt. Der Hauptteil ist die Baugruppe, die das getestete Befestigungselement mit dem Heizer und dem Kühler verbindet. Zwei Miniatur-Thermoelemente werden zwischen der Befestigungswand und der Heizung platziert. Der Kühler wird am gegenüberliegenden Ende des Befestigungselements befestigt und zwei Miniatur-Thermoelemente werden zwischen dem Befestigungselement und dem Kühler platziert. Die Heizung, das Befestigungselement, die Thermoelemente und der Kühler wurden mit Silikon beschichtet, um den thermischen Kontaktwiderstand an der Schnittstelle zwischen zwei wärmeleitenden Oberflächen zu verringern.

Schematische Darstellung des Messstandes. Bezeichnungen: 1 – Befestigungselement, 2 – Montageelement, 3 – Heizer, 4 – Kühler, 5, 6 – K-Typ-Thermoelemente (0,5 mm Durchmesser), 7 – Heizwiderstand, 8 – Kühlmitteleinlass 9 – Kühlmittelauslass, 10 – Isoliertes Gehäuse.

(A) Ansicht des experimentellen Abschnitts, bevor er isoliert und in den Dewar-Kolben gestellt wird. Bezeichnungen wie in Abb. 4, (B) Ansicht des Versuchsteils nach der Platzierung im Dewargefäß und während des Isolationsprozesses. Bezeichnungen: 11 – Styroporisolierung, 12 – Dewargefäß.

Das Temperaturmesssystem bestand aus drei Thermoelementen vom Typ K, die an das Messmodul NI 9211 und dann an das Modul cDAQ-9171 angeschlossen waren, das an eine PC-Steuerung angeschlossen war (Abb. 6). Das Skript zur Steuerung des Experiments und des Datenflusses wurde in LabView geschrieben. Zwei Thermoelemente wurden auf der Kühlfläche und eines auf der Heizfläche platziert. Die Verwendung nur eines Thermoelements auf der Heizfläche war auf die unregelmäßige Oberfläche des Befestigungselements zurückzuführen. Wie in Abb. 4 zu sehen ist, bestand die Heizung aus einem Heizwiderstand 7 und einem Aluminiumblock 3 für eine gleichmäßige Wärmeverteilung. Die Thermoelemente 5 und 6 wurden zwischen dem Aluminiumblock und dem Befestigungselement platziert. Die gesamte Temperaturmessstrecke wurde mit einem Testo 735-2 Thermometer mit Pt100 Testo 0614 0235 Messfühler kalibriert. Die Messung wurde unter stationären Bedingungen durchgeführt. Wie im neuen Text erwähnt, wurde die Probe mit einer dicken Schicht Styropor und einem Dewar-Gefäß isoliert. Der Messung ging eine 60-minütige Aufwärmphase voraus, damit der Aufbau stabile Bedingungen erreichen konnte. Die eigentliche Messsitzung umfasste dann 20–30 Teilmessungen pro Sekunde. Der stationäre Zustand und die gute Wärmedämmung des Aufbaus ermöglichten eine beträchtliche Anzahl kumulierter Teilmessungen.

Schema des Messsystems.

Um einen niedrigen Wert der Unsicherheit des effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten zu erhalten, wurde das Messsystem mit hochpräzisen Messsensoren ausgestattet, die mit einem Computersystem zum Lesen und Aufzeichnen von Daten gekoppelt waren. Die LabView-Umgebung ermöglichte eine bequeme Kalibrierung der Temperaturmesspfade, Abb. Abb. 7, 8 und Tabelle 1 zeigen beispielhaft eine Kalibrierkurve für eines der Thermoelemente im Versuchsstand.

Daten zum Zeichnen der Kalibrierungskurve werden in LabView eingegeben.

Kalibrierkurve für einen Temperaturmesspfad.

Die Kalibrierung des Messpfades bestehend aus Messmodulen von National Instruments und Thermoelementen K-Typ von Czaki ergab die maximal zulässige Messunsicherheit von 0,5 K. Die Kalibrierung deckte den Bereich von 20 bis 90 °C ab, in dem alle Messungen der Serie durchgeführt wurden .

Die eigentlichen Berechnungen ermittelten den effektiven Wärmeleitkoeffizienten λ′ nach Formel (4). Während der Messungen betrug die Spannung, die die Heizung versorgte, ca. Die Spannung betrug ca. 10 V und der durch die Heizung fließende Strom betrug ca. 0,6 A. Beide Parameter blieben während des gesamten Experiments konstant. Für Experimente und Berechnungen wurden Varianten von Verbindungselementen aus Edelstahl und Aluminiumlegierungen ausgewählt und nach den Lösungen verschiedener Hersteller hergestellt. Die Außenabmessungen der Stahlbefestigungen betrugen 50 × 60 × 210 mm und die der Aluminiumlegierungsbefestigungen 40 × 60 × 210 mm. Die Stahlbefestigungen hatten seitlich an der Wand angebrachte Verstärkungsrippen für zusätzliche Steifigkeit. Bei einem Befestigungstyp wurden Löcher ausgeschnitten (Abb. 1), um den effektiven Wärmeleitkoeffizienten zu reduzieren. Dieser Effekt wurde in dieser Studie bestätigt. Folgende Befestigungsvarianten wurden untersucht:

Edelstahl, δf = 2 mm,

Edelstahl, δf = 3 mm,

Edelstahl, 5 Löcher, δf = 3 mm,

Aluminiumlegierung, δf = 2,75 mm,

Aluminiumlegierung, δf = 4 mm.

Die Eigenschaften der Materialien zur Herstellung von Verbindungselementen sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Die Berechnungsergebnisse des durchschnittlichen effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten des Verbindungselements sind in Tabelle 3 dargestellt.

Befestigungselemente Nr. Die Befestigungselemente Nr. 2 und 3 haben eine ähnliche mechanische Festigkeit und Abmessungen wie das Befestigungselement Nr. 5 (Tabelle 3) und können austauschbar verwendet werden. Daher erscheint es ratsam, ein Verbindungselement mit den besten thermischen Parametern zu identifizieren und sein Potenzial zur Reduzierung von Wärmeverlusten zu ermitteln. Die Verbindungselemente 2 und 3 sind aufgrund der identischen Abmessungen, Art und Dicke direkt vergleichbar. Tabelle 3 zeigt, dass die den Wärmeübergang behindernden Löcher den effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten verringern.

Es ist zu beachten, dass der effektive Wärmeleitfähigkeitskoeffizient auf Gl. (3) und bezieht sich auf die Kontaktfläche des Befestigungselements mit den Oberflächen der Heizung und des Kühlers.

Verbindungselemente aus Aluminiumlegierung haben einen viel höheren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten und unterscheiden sich in ihrer Konstruktion von denen aus Stahl. Das Diagramm ermöglicht einen weiteren Rückschluss auf die Auswirkung der Dicke des Befestigungselements, dh eine verringerte Dicke führt zu einem verringerten effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten der Befestigungseinheit.

Die Richtigkeit der Methode wurde anhand der Messung der Wärmeleitfähigkeit eines homogenen Materials verifiziert – eines Quaders mit den Maßen 50 × 50 × 100 mm aus der Aluminiumlegierung AW-2017A (AlCu4MgSiA). Das erzielte Ergebnis für die gewählte Legierung betrug 143,5 W m−1 K−1, was nahe dem in EN 573-1 für AW-2017A angegebenen Wert liegt.

Die experimentellen Untersuchungen wurden durch numerische Simulationen ergänzt, die darauf abzielten, den Wärmeübergangskoeffizienten und den Wärmeverlust einer Einheitsfläche (1 × 1 m) der hinterlüfteten Wand zu bestimmen.

Die Simulationen wurden mit dem kommerziellen COMSOL Multiphysics-Paket18 durchgeführt. Ein digitales Modell des mehrschichtigen Wandabschnitts mit dem Befestigungsmittel basierte auf den Annahmen in Abb. 9. Die Simulationen wurden für Varianten eines 1 × 1 m großen mehrschichtigen Wandabschnitts mit der Außenverkleidung aus (a) Faserbeton durchgeführt ( λ = 1,5 W m−1 K−1) und (b) Aluminiumlegierungsplatten (λ = 167 W m−1 K−1). Folgende zwei Varianten wurden in Betracht gezogen:

Befestigungselement aus rostfreiem Stahl mit wärmeflussverlängernden Löchern, δf = 3 mm, λ = 4,26 W m−1 K−1.

Befestigungselement aus Aluminiumlegierung, δf = 4 mm, λ = 21,04 W m−1 K−1.

Querschnitt einer mehrschichtigen Wand, analysiert mittels numerischer Simulation. Bezeichnungen: 1 – Wand (Stahlbeton), 2 – Isolierung (Mineralwolle), 3 – Luftspalt, 4 – zwei Varianten der Außenverkleidung: Faserbeton, δp = 20 mm, oder Platten aus Aluminiumlegierung, δp = 3 mm , 5 – Befestigungselement.

In Tabelle 4 sind die Daten der in den numerischen Simulationen berücksichtigten Materialien der mehrschichtigen Wandelemente zusammengestellt.

Simulationsbasierte Berechnungen wurden in der COMSOL-Umgebung18 durchgeführt und umfassten die Bestimmung der Temperaturfelder in den betrachteten Abschnitten mehrschichtiger Wände, des Wärmeübergangskoeffizienten und des durch die mehrschichtige Wand übertragenen Wärmestroms. Die Simulationen basierten auf der Wärmeübertragungsgleichung, die für die durch die Beziehung bestimmten Bedingungen beschrieben wurde:

wobei T – Temperatur, λx, λy, λz – Wärmeleitfähigkeit in x-, y- bzw. z-Richtung, q – Wärmefluss pro Volumeneinheit.

Eine Differentialgleichung kann beliebig viele Lösungen haben, da die Integrationskonstanten beliebig gewählt werden können. Um die richtige Lösung zu finden, müssen unter anderem grenzüberschreitende Bedingungen spezifiziert werden, darunter:

Anfangsbedingungen, die die Temperaturverteilung im mehrschichtigen Wandabschnitt zu einem ausgewählten Zeitpunkt (Zeitpunkt Null) definieren.

Randbedingungen, die die Wärmeübertragungsbedingungen an der Außenfläche des mehrschichtigen Wandabschnitts definieren, dh Umgebungstemperatur (in einiger Entfernung von der Außenseite der Wand) 253 K und 293 K an der Innenseite und entsprechend die konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten 8 W m−2 K−1; 25 W m−2 K−1. Das numerische Modell bestand aus 147.473 tetraedrischen Elementen, was den Rechenaufwand erheblich machte, aber die Zuverlässigkeit der Ergebnisse verbesserte. Der Fehler war bei einer gröberen Maschenweite größer als bei einer feineren. Numerische Simulationen wurden für eine normale vordefinierte Maschenweite durchgeführt. Die Methodik der Sensitivitätsanalyse wurde aus 19 und 20 übernommen.

Abbildung 10 zeigt ein Beispiel eines Querschnitts des zu analysierenden mehrschichtigen Wandfragments. Der Querschnitt zeigt das Temperaturfeld mit einem Farbcode zur Beurteilung der Tieftemperaturtiefe im Querschnitt einer mehrschichtigen Wand.

Berechnetes Temperaturfeld im mehrschichtigen Wandquerschnitt, geschnitten durch eine Ebene, die durch die Befestigungselemente verläuft. Verkleidung – Faserbeton. Berücksichtigte Fälle: (a) Aluminium-Befestigungselement, δf = 4 mm (b) Aluminium-Befestigungselement, δf = 2,75 mm, (c) Edelstahl-Befestigungselement δf = 3 mm, (d) Edelstahl-Befestigungselement mit Löchern, δf = 3 mm, ( e) Edelstahlbefestigung δf = 2 mm.

Die Analyse des Temperaturfeldes in der Gebäudewand zeigt eine deutliche Reduzierung der Tieftemperaturbereiche bei Verwendung eines korrosionsbeständigen Stahlbefestigungselements und eine Verringerung der Tieftemperaturtiefe innerhalb des Querschnitts der mehrschichtigen Wand.

Abbildung 11 zeigt das Temperaturfeld in den Querquerschnitten der Wandfragmente. Der Einfluss der Befestigungsposition ist sichtbar, ebenso wie die deutlich höheren Temperaturgradienten für das Befestigungselement aus Aluminiumlegierung.

Berechnetes Temperaturfeld in transversalen Querschnitten der mehrschichtigen Wand mit einer Aluminiumverkleidung. Berücksichtigte Fälle: (a) Aluminium-Befestigungselement, δf = 4 mm (b) Aluminium-Befestigungselement, δf = 2,75 mm, (c) Edelstahl-Befestigungselement δf = 3 mm, (d) Edelstahl-Befestigungselement mit Löchern, δf = 3 mm, ( e) Edelstahlbefestigung δf = 2 mm.

Tabelle 5 stellt das Endergebnis der Simulation zusammen, dh den Wärmeübergangskoeffizienten und den Wärmefluss, der durch die mehrschichtige Wand dringt. Die Analyse der Ergebnisse in Tabelle 5 zeigt einen signifikanten Einfluss der verwendeten Gebäudebefestigungen auf den Wärmeverlust der mehrschichtigen Wand. Die dicke Mineralwolldämmung ist ein wesentlicher Faktor bei der Wärmeleitung durch Gebäudebefestigungen und hat einen erheblichen Einfluss auf den Wärmeverlust.

Die Messunsicherheiten vom Typ A und Typ B für die Bestimmung des effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten wurden gemäß dem Leitfaden zur Angabe der Messunsicherheit21 berechnet. Die Standardunsicherheit vom Typ A wurde basierend auf der statistischen Analyse der Messungen mit der Standardabweichung vom Mittelwert als Grundlage berechnet. Die Standardunsicherheit vom Typ B wurde basierend auf den Messunsicherheiten der im Experiment verwendeten Geräte bestimmt. Das interne Messsystem des TDK-Lambda-Netzteils wurde zur Messung der Spannung und des an die Heizung gelieferten Stroms verwendet, wobei die maximal zulässige Messunsicherheit 0,05 % des gemessenen U und 0,3 % des gemessenen I betrug. Die Wärmeübertragungsfläche wurde anhand der gemessenen linearen Abmessungen des Profils berechnet. Die Messungen wurden mit einem Messschieber mit einer Ableseunsicherheit von 0,1 mm durchgeführt. Um ein Konfidenzniveau über 95 % zu erreichen, haben wir in statistischen Berechnungen den Abdeckungsfaktor kp = 221 übernommen. Tabelle 3 zeigt die Messunsicherheit für den effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten der untersuchten Gebäudebefestigungen.

Die ordnungsgemäße Durchführung der numerischen Simulationen sollte auch die Validierungsphase22 umfassen. Um die numerischen Ergebnisse zu validieren, wurden die tatsächlichen Betriebsbedingungen der Befestigungselemente im Versuchsstand simuliert, Abb. 12. Das bedeutet, dass die gleichen Temperaturbereiche und Temperaturunterschiede zwischen der Innen- und Außenseite der Wand, die in der numerischen Simulation angenommen wurden, aufgezeichnet wurden das validierende Experiment.

Schematische Darstellung des Versuchsstandes zur digitalen Modellvalidierung (nicht maßstabsgetreu). Beschreibung: 1 – Gebäudebefestigung, 2 – Heizung, 3 – Wärmebildkamera, 4 – Aluminiumplatte, die eine mehrschichtige Außenwandverkleidung simuliert. Die Abmessungen des Luftspalts und der Isolierung sind in Abb. 9 angegeben.

Anschließend wurden mit der Wärmebildkamera FLIR SC7600 Thermogramme der mit dem Befestigungselement verbundenen Verkleidungsoberfläche erstellt. Das Temperaturprofil aus der Wärmebildaufnahme stimmte mit dem aus der Simulation erhaltenen Profil überein, was bestätigt, dass die Messung und die Simulationstechniken korrekt durchgeführt wurden.

Abbildung 13 zeigt die Temperaturunterschiede entsprechend dem Simulationsmodell und den experimentellen Thermogrammen. Der untersuchte Temperaturdifferenzbereich wurde durch zwei Kreise mit den Durchmessern d1 und d2 begrenzt. Der Durchmesser d1 beträgt 78 mm und entspricht in etwa dem des Kreises, der den Querschnitt des Befestigungselements umschreibt. Für die Simulation und Validierung war der Durchmesser d2 doppelt so groß wie der Durchmesser d1.

Temperaturverteilung um die Grenzfläche zwischen Befestigungselement und Verkleidung unter Bedingungen, die die natürlichen Temperaturen beider Elemente simulieren: (A) numerische Simulation, (B) aufgezeichnet mit einer Wärmebildkamera. Die Temperaturmittelwerte wurden entlang der Kreise mit den Durchmessern d1 und d2 ausgewertet.

Die numerischen Ergebnisse wurden validiert, indem die erhaltenen Werte Tsimul mit Temperaturmessungen Tgemessen unter den entsprechenden Bedingungen verglichen wurden. Ein numerisches Modell gilt als gut validiert, wenn der relative Unterschied zwischen den oben genannten Ergebnissen weniger als 10 %23 beträgt. Die relative Differenz wurde wie folgt berechnet:

Die Durchschnittswerte der simulierten und gemessenen Temperatur an Kreisen mit den Durchmessern d1 und d2 sind in Tabelle 6 angegeben, wo auch der Wert der relativen Differenz ε angegeben ist.

In allen untersuchten Fällen betrug die Differenz ε weniger als 10 %.

Die Kombination aus numerischen Simulationen und Wärmebildstudien ist eine effektive Methode zur Untersuchung der Wärmeübertragung und zur Rationalisierung von Gebäuden. Das Experiment bestätigte die Genauigkeit der numerischen Simulation. Die Verwendung von Edelstahl für Verbindungselemente ist vorteilhaft für die Wärmeübertragung, da Stähle eine geringere Wärmeleitfähigkeit haben als andere herkömmliche Materialien, z. B. Aluminiumlegierungen. Es ist zu beachten, dass sich der im Artikel definierte effektive Wärmeleitfähigkeitskoeffizient nicht auf den Querschnitt des Befestigungselements bezieht, sondern auf die Kontaktfläche des Befestigungselements mit den Heiz- und Kühlflächen. Die Tests zeigten eine deutliche Verringerung des effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten für eine Struktur mit Löchern, die den Wärmeflusspfad verlängern. Die Ergebnisse zeigen, dass die Verbindungselemente, deren Wände gefräst wurden, einen geringeren Wärmeübergangskoeffizienten aufweisen als solche mit massiven Wänden. Dieser Effekt ist auf die Bildung labyrinthartiger Verengungen im leitfähigen Material zurückzuführen, die den Wärmeflussweg verlängern. Zukünftige Versuche, den effektiven Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten zu reduzieren, sollten sich auf die Auswahl geeigneter Stahllegierungen und die Optimierung der Form und Anzahl der Löcher konzentrieren, die den Wärmeflussweg verlängern. Dabei ist auf die Anforderungen an die Festigkeit der Verbindungselemente zu achten. Die in den vorgestellten Untersuchungen vorgeschlagene strukturelle Methode zur Verbesserung der thermischen Eigenschaften von Verbindungselementen durch Erweiterung des Wärmepfadflusses ist eine neue Praxis in der Bauindustrie. Die experimentellen Daten der effektiven Wärmeleitfähigkeit aller getesteten Verbindungselemente bewiesen die Wirksamkeit dieses neuen Verbindungselementdesigns. Diese Ergebnisse empfehlen die Neukonstruktion von Gebäudebefestigungen mit Strukturlöchern als effektive und wirtschaftliche Möglichkeit zur Verbesserung ihrer Isolationsparameter. Die effektive Wärmeleitfähigkeit, die als Indikator für die thermische Leistung des Verbindungselements verwendet wird, ist ein neuer Vorschlag in der Fachliteratur. Dieser Indikator sollte durch die Überprüfung experimenteller Tests, wie sie in der Arbeit durchgeführt werden, gestützt werden.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind aufgrund der fehlenden Zustimmung kooperierender Unternehmen nicht öffentlich zugänglich, können jedoch auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.

Wärmeübertragungsfläche (Schnittstellenfläche zwischen Befestigungselement und Kühler) (m2)

Spezifische Wärme (J kg−1 K−1)

Abdeckungsfaktor

Abmessung des Befestigungselements in Richtung des Wärmestromflusses (m)

Strom (A)

Wärmestrom (W)

Durchschnittliche Temperatur der Oberfläche (K)

Spannung (V)

Dicke (mm)

Relativer Unterschied

Wärmeleitfähigkeitskoeffizient (W m−1 K−1)

Effektiver Wärmeleitfähigkeitskoeffizient (W m−1 K−1)

Dichte (kg m−3)

Wärmeleitung

Elektrisch

Heizung

Kühler

Verschluss

Panel

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Die Forschung, die zu diesen Ergebnissen führte, wurde von der Fakultät für Bauingenieurwesen, Mechanik und Petrochemie der Technischen Universität Warschau, 09-400 Płock, Polen, im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 504/04480/7193/44.000000 gefördert.

Diese Autoren trugen gleichermaßen bei: Mirosław Grabowski, Mieczysław E. Poniewski und Jacek Wernik.

Fakultät für Bauingenieurwesen, Mechanik und Petrochemie, Technische Universität Warschau, 09-400, Płock, Polen

Miroslaw Grabowski, Mieczyslaw E. Poniewski und Jacek Wernik

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Konzeptualisierung, MG und JW; Methodik, MG; Software, JW; Validierung, MG und Zeugen Jehovas; formale Analyse, MG; Untersuchung, MG; Datenkuration, MG; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung, MG; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, MG, MEP und JW; Aufsicht – MEP Alle Autoren haben die veröffentlichte Version des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondent ist Mirosław Grabowski.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Grabowski, M., Poniewski, ME & Wernik, J. Prüfung der thermischen Eigenschaften moderner Befestigungssysteme für hinterlüftete Fassaden. Sci Rep 13, 946 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27748-4

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Eingegangen: 20. Juli 2022

Angenommen: 06. Januar 2023

Veröffentlicht: 18. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27748-4

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