DOI:10.30857/1813-6796.2018.4.1.

UDC 620.91:697.1

           

 

PANASYUK I. V., KUZNETSOVA O. O.

Kyiv National University of Technologies and Design

 

THERMAL INSULATION PERFORMANCE OF STEEL FRAMED WALLS

Purpose. The task of the work consisted in evaluation and comparison of thermal insulation performance of various types of metal stud walls. For that purpose three common types of metal stud walls were simulated, and three levels of insulation were included in the models for each type of wall.

Methodology. Representative wall section geometric models were created taking advantage of their symmetry to position the adiabatic plans. The thermal properties of the materials were assumed to be uniform for all simulated walls. The following boundary conditions were set for external and internal environment: an external temperature equal to 0 oC and a convective surface heat transfer coefficient he=25 W/(m2·K); the internal temperature was defined at 20 oC and a convective surface heat transfer coefficient hi=7.69 W/(m2·K). Thermal transmittance of steel framed walls was analyzed using heat-transfer simulation program THERM 7.6.

Findings. Thermal insulation performance of various configurations of metal stud walls has been evaluated. Installing additional exterior sheathing insulation is an effective way to improve the thermal insulation performance of the metal framed walls. Changing stud spacing from 40 cm o.c. to 60 cm o.c. decreased wall U-value by nearly 15 % for a wall without exterior expanded polystyrene (EPS) sheathing. The efficiency of this change decreases for walls with additional exterior insulation sheathing. The decrease in U-value caused by the increased spacing was about 11 % with 1.2 cm of EPS and about 9.5 % with 2.5 cm of EPS. Changing the distance between metal studs from 40 to 60 cm o.c. reduced the value of the framing effect (caused by steel studs) by about 9.4 %. However, the framing effect can also be lowered by the addition of EPS sheathing – about 14 % for walls with 2.5 cm thick layer of EPS.

Scientific novelty. Approaches to enhance thermal insulation performance of steel framed walls were determined.

Practical value. The work results can be used in designing new energy efficient buildings.

Key words: steel framed wall, U-value, thermal insulation, thermal insulation performance, energy efficient buildings.

 

ТЕПЛОЗАХИСНА ЕФЕКТИВНІСТЬ СТІН ІЗ МЕТАЛЕВИМ КАРКАСОМ

ПАНАСЮК І.В., КУЗНЄЦОВА О.О.

Київський національний університет технологій та дизайну

Мета. Завдання роботи полягало в оцінці та порівнянні теплозахисних характеристик різних конфігурацій металокаркасних стін. З цією метою було проведено комп’ютерне моделювання трьох модифікацій металокаркасних стінових конструкцій, при цьому  в моделях для кожної конфігурації стіни тричі варіювався рівень теплової ізоляції.

Методика. При розробці геометричних моделей стінових конструкцій був використаний принцип геометричної симетрії для розміщення адіабатних площин. Теплові властивості матеріалів вважалися однорідними для всіх модельованих стін. Для зовнішнього та внутрішнього середовища були встановлені наступні граничні умови: зовнішня температура та коефіцієнт тепловіддачі приймалися рівними 0 оС і 25 Вт/(м2·К), відповідно; внутрішня температура становила 20 oC, а коефіцієнт тепловіддачі із внутрішньої поверхнею стіни приймався рівним 7,69 Вт/(м2·К). Приведені коефіцієнти теплопередачі стін зі сталевими каркасами були визначені за допомогою прикладної комп’ютерної програми для моделювання теплопередачі THERM 7.6.

Результати. Було оцінено теплозахисні характеристики різноманітних конфігурацій стін із металевим каркасом. Встановлено, що застосування додаткової зовнішньої ізоляції є одним із ефективних способів підвищення теплоізоляційних характеристик металевих каркасних стін. Збільшення відстані між вертикальними металевими каркасними елементами від 40 см до 60 см також дозволяє знизити коефіцієнт теплопередачі майже на 15% для стіни без застосування додаткової зовнішньої теплоізоляції. Ефективність цієї зміни зменшується для стін із додатковою зовнішньою теплоізоляцією. Зниження коефіцієнта теплопередачі, обумовлене збільшенням відстані каркасних елементів, становило близько 11% при застосуванні зовнішнього шару пінополістиролу завтовшки 1,2 см та приблизно 9,5% при застосуванні пінополістиролу завтовшки 2,5 см. Зміна відстані між вертикальними металевими каркасними елементами від 40 до 60 см дозволяє зменшити також значення коефіцієнта теплотехнічної неоднорідності приблизно на 9,4%. При цьому значення цього коефіцієнта можна також зменшити шляхом застосування додаткового зовнішнього шару пінополістиролу, при цьому це зменшення сягає 14% для стін із теплоізоляційним шаром завтовшки 2,5 см.

Наукова новизна. Визначено шляхи підвищення теплозахисної ефективності металокаркасних стін.

Практична значимість. Результати роботи можуть бути використані при проектуванні нових енергоефективних будівель та споруд.

Ключові слова: стіна із металевим каркасом, коефіцієнт теплопередачі, теплова ізоляція, теплозахисна ефективність, енергоефективні будівлі.

 

ТЕПЛОЗАЩИТНАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТЕН С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ КАРКАСОМ

ПАНАСЮК И. В., КУЗНЕЦОВА Е. А.

Киевский национальный университет технологий и дизайна

Цель. Определить конфигурации металлокаркасных стен с улучшенными теплотеплозащитными характеристиками.

Методика. Коэффициенты теплопередачи металлокаркасных стен были определены с помощью прикладной компьютерной программы для моделирования теплопередачи THERM 7.6.

Результати. Были оценены теплозащитные характеристики различных конфигураций стен с металлическим каркасом.

Научная новизна. Определены подходы для повышения теплозащитной эффективности металлокаркасных стен.

Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы при проектировании новых энергоэффективных зданий и сооружений.

Ключевые слова: стена с металлическим каркасом, коэффициент теплопередачи, теплоизоляция, теплозащитная єффективность.

 

Література References

1. Kuznetsova, E. A (2016). A review of definitions of zero energy buildings. Metallurgical and Mining Industry, 11, 92 – 98.

2. Sharma, A., Saxena, A., Sethi, M., & Shree, V. (2011). Life cycle assessment of buildings: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(1), 871-875.

3. Murtinho, V., Ferreira, H., Correia, A., et al. (2010). Affordable houses: architectural concept of light steel residential house. In: ICSA2010 – International conference on structures and architecture, 1291–1297.

4. Santos, P., da Silva, L. S., & Ungureanu, V. Energy Efficiency of Light-weight Steel-framed Buildings, European Convention for Constructional Steelwork (ECCS), Technical Committee 14–Sustainability and Eco-Efficiency of Steel Construction, N.129,2012.ISBN 978-92-9147-105-8.

5. Kosny, J. & Christian, JE. (1995). Thermal evaluation of several configurations of insulation and structural materials for some metal stud walls. Energy and Buildings 22(2), 157–163.

6. Höglund, T. & Burstrandb, H. (1998). Slotted steel studs to reduce thermal bridges in insulated walls. Thin-Walled Structures, 32, 81–109.

7. EN ISO 6946:2008. Building Components and Elements—Thermal Resistance and Thermal Transmittance – Calculation Method; International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland, 2008.

8. EN ISO 10211. Thermal bridges in building construction – Heat flows and surface temperatures – detailed calculations (ISO 10211:2007), CEN, 2007.

9. THERM. Retrieved from: https://windows .lbl.gov/software/therm

1. Kuznetsova, E. A (2016). A review of definitions of zero energy buildings. Metallurgical and Mining Industry, 11, 92 – 98.

2. Sharma, A., Saxena, A., Sethi, M., & Shree, V. (2011). Life cycle assessment of buildings: a review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15(1), 871-875.

3. Murtinho, V., Ferreira, H., Correia, A., et al. (2010). Affordable houses: architectural concept of light steel residential house. In: ICSA2010 – International conference on structures and architecture, 1291–1297.

4. Santos, P., da Silva, L. S., & Ungureanu, V. Energy Efficiency of Light-weight Steel-framed Buildings, European Convention for Constructional Steelwork (ECCS), Technical Committee 14–Sustainability and Eco-Efficiency of Steel Construction, N.129,2012.ISBN 978-92-9147-105-8.

5. Kosny, J. & Christian, JE. (1995). Thermal evaluation of several configurations of insulation and structural materials for some metal stud walls. Energy and Buildings 22(2), 157–163.

6. Höglund, T. & Burstrandb, H. (1998). Slotted steel studs to reduce thermal bridges in insulated walls. Thin-Walled Structures, 32, 81–109.

7. EN ISO 6946:2008. Building Components and Elements—Thermal Resistance and Thermal Transmittance – Calculation Method; International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland, 2008.

8. EN ISO 10211. Thermal bridges in building construction – Heat flows and surface temperatures – detailed calculations (ISO 10211:2007), CEN, 2007.

9. THERM. Retrieved from: https://windows .lbl.gov/software/therm

 

PANASIUK IGOR

[email protected]

ORCID:  0000-0001-6671-4266

Researcher ID: 56672850100

Head of Department of heat and power engineering, resource saving and technological safety

Kiev National University of Technologies & Design

KUZNETSOVA OLENA

[email protected]

ORCID:   0000-0002-1786-314X

 Researcher ID: 57143768700

Heat-and-Power Engineering, Resource Saving and Technogenic Safety Department

Kiev National University of Technologies & Design