Thermal Performance Evaluation of Lighweight Steel Frame Walls

Abstract

Atualmente, alcançar um alto nível de eficiência energética no o setor de edifícios é imperativo, devendo o consumo de energia na operação ser reduzido para níveis mínimos. Para atingir esse baixo consumo de energia é crucial entender como ocorrem a transferência de calor em todos os tipos de parede, sendo capaz de melhorar o comportamento térmico, reduzindo a perda de calor e diminuindo seu coeficiente de transmissão térmica (valor de U). Para isso, é fundamental uma avaliação precisa e confiável do coeficiente transmissão térmica da envolvente do edifício a fim de se obter uma avaliação consistente do comportamento térmico e, por consequência, da eficiência energética. A construção em Light Steel Frame (LSF) está ganhando espaço e sendo cada vez mais sendo utilizada devido às suas vantagens conhecidas, tais como ser mais flexível, mais rápida e mais limpa do que o sistema de construção tradicional. No entanto, os elementos construtivos em LSF precisam ser bem projetados e protegidos contra pontes térmicas indesejadas causadas pela alta condutividade térmica do aço. Além disso, avaliar o desempenho térmico das paredes em LSF é uma questão desafiadora, pois sua estrutura interna de aço pode facilmente levar a pontes térmicas que podem induzir a erros de cálculos nos métodos simplificados. Nesta dissertação, simulações numéricas serão realizadas para avaliar diferentes configurações de dois tipos de paredes LSF: uma parede divisória interna e uma parede externa de fachada. Vários parâmetros foram avaliados separadamente para medir sua influência no valor de U da parede, bem como foi também mensurada a eficiência da adição de outros elementos (tiras de corte térmico) com o objetivo de melhorar o desempenho térmico das paredes. Além disso, seis métodos analíticos, disponíveis na literatura, para calcular o valor de U tiveram sua precisão avaliada e comparada. Foram avaliados 80 modelos LSF diferentes, utilizando os métodos analíticos, e os valores de U obtidos para cada dos métodos foram comparados com os valores fornecidos pela simulação numérica (THERM), utilizados como valores de referência. A confiabilidade desses modelos numéricos foi assegurada pela comparação com os valores obtidos em uma validação experimental de laboratório.

Nowadays, having a high level of energy efficiency for building sector is mandatory, and the operation energy consumption must be reduced to minimum levels. To achieve this low energy consumption is crucial to understand how heat transfer occurs in every kind of wall, being able to improve the thermal behavior, reducing the heat loss and decreasing its thermal transmittance (U-value). For this, a precise and reliable evaluation of the thermal transmittance of building envelope is fundamental to perform a consistent assessment of thermal behavior and energy efficiency. The light steel frame (LSF) construction is become widely used due to its well-known advantages such as being more flexible, faster and cleaner than the traditional construction system. However, these LSF elements need to be well designed and protected against undesired thermal bridges caused by the steel high thermal conductivity. Also, evaluating the thermal performance of LSF walls is a challenging issue as their internal steel structure can easily lead to thermal bridges which may induce to calculations mistakes on simplified methods. In this dissertation, numerical simulations are performed to assess different configurations of two kinds of LSF walls: an interior partition wall and an exterior facade wall. Several parameters were evaluated separately to measure their influence on the wall U-value, as well as the addition of other elements (thermal breaks strips) to achieve better thermal performances. Also, six analytical methods, available in literature, to calculate U-value have their accuracy evaluated and compared. 80 different LSF models were evaluated using the analytical methods and the obtained U-values for each one was compared with those provided by numerical simulation (THERM), which were used as the reference value. The reliability of these numerical models was ensuring by comparison with the values given on laboratory experimental validation.