気候負荷を受けた断熱ガラスユニットを介した熱伝達

日付: 2023 年 1 月 30 日

著者: ズビグネフ・レスポンデク

ソース：材料2020年、13(2)、286

https://doi.org/10.3390/ma13020286

（この記事は特集「建設・建材のエネルギー」に属します）

断熱ガラスユニット (IGU) の建設に使用される構造要素の 1 つは、ガスで満たされた狭い隙間であり、その目的は建物のガラスの熱特性を改善することです。 気象パラメータの自然変化: 大気圧、温度、風は、ギャップ内のガス圧力の変化に影響を与え、その結果、ユニットのコンポーネントガラス板の荷重とたわみに影響を与えます。 低温条件下や大気圧が上昇すると、構成ガラス板が凹状のたわみを持ち、そのような負荷がかかったガラスの隙間の厚さが公称厚さよりも薄くなることがあります。

この論文では、冬の条件でこの厚さを減らすことが、断熱ガラスユニットによる設計熱損失に及ぼす影響を分析しています。 この目的のために、サンプル単位でのガラスのたわみが測定され、これに基づいて動作条件下でのギャップの厚さが推定されました。 次に、公称厚さのギャップと荷重下で減少した厚さのギャップについて求めた熱透過率と熱流量密度を比較しました。 気候負荷の影響を考慮すると、特定の条件下では、IGU による熱損失の計算値が増加する可能性があることが示されました。 これは、ギャップが対流によって熱を伝達しない場合、つまり熱透過率の変化が線形範囲にある場合に発生します。

たとえば、「暖冬」の条件で現在製造されている三重ガラス IGU の場合、熱損失の計算値は 5% に増加する可能性があり、ギャップが 10 ～ 14 mm の二重ガラス IGU の場合、この比率は約 4.6% になります。 他の場合、たとえば、ユニット内のギャップの厚みが大きい、外気温度の大幅な低下など、ギャップに慣習が現れます。 したがって、隙間の厚さを減らしても、窓ガラスの断熱性が悪化することはありません。 IGU を設計するときは、この影響を考慮する必要があります。 また、風荷重は隙間の厚さに大きな影響を与えないことも判明した。

一般に建築業界で窓やファサードのガラスの充填として使用される断熱ガラス ユニット (IGU) は、端でガラス スペーサーで接続された 2 つ以上の部品ガラスで構成されています。 構成要素のガラス板の間には、ガスが充填された狭い隙間が形成されます。 このようにして構築された建物の隔壁の熱性能を向上させるために、隙間には空気よりも熱伝導率の低いガス、最も多くの場合はアルゴンが充填されます。 Low-E コーティングを施したガラス部品を使用することで、性能がさらに向上します。このようなコーティングは気象条件にさらされるとすぐに腐食するため、隙間の側面に配置する必要があります。 したがって、断熱ガラスユニットの隙間の気密性は、透明ガラスの良好な断熱性を維持するために必要な要素です[1、2]。

しかし、隙間が狭いと、環境負荷の伝達とそれに伴う構造要素の変形という観点から、IGU の特定の特性が決まります。 ギャップはユニットの製造プロセスでガスで満たされるため、ギャップ内のガスには圧力、温度、体積のいくつかの初期パラメータがあります。 動作条件下では、断熱ガラスユニットは気候負荷にさらされ、ギャップと環境の間の圧力差により構成要素のガラス板に荷重やたわみが生じます。 たとえば、大気圧の増加やギャップ内のガス温度の低下により、窓ガラスのたわみが凹状になり (図 1a)、これらのパラメータの逆の変化が凸状に変化します (図 1b)。 ギャップ内の過小圧力の大きさは、気候荷重の値だけでなく、IGU の構造にも依存します。 一般に、IGU の寸法 (幅 × 長さ) が減少し、ガスギャップの厚さが増加し、コンポーネントのガラスプレートの厚さが増加すると、この値は増加します。 圧力差が IGU のたわみにどのような影響を与えるかについては、この記事の後半で説明します。