FI90903B

FI90903B - Airflow guide for skylight

Info

Publication number: FI90903B
Application number: FI924902A
Authority: FI
Inventors: Heikki Veikko Vainio
Original assignee: Icopal Oy
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1992-10-29
Publication date: 1993-12-31
Also published as: FI924902A0; FI90903C

Abstract

Airflow guide which gathers together and guides airflows to the lower edges of skylights to eliminate disadvantages caused by cold surfaces. The airflow guide consists of a plate 1 which is shaped at its lower and upper edge, has good thermal conductivity and is fixed to support structures by a sleeve 2 made of material with good thermal conductivity. By means of the length of the sleeve 2, the height of the channel formed by the plate 1 and the support structure 15 is defined according to the dimensions and shape of the skylight so that the upward force of the airflows 4 prevents cooled air masses 5 and 7 from flowing. <IMAGE>

Description

9090390903

ILMAVIRTAUKSEN OHJAIN KATTOIKKUNOITA VARTENAIRFLOW CONTROLLER FOR SKY WINDOWS

Keksinnön kohteena on kattoikkunoiden ilmavirtauksen ohjain, jossa ikkunan alareunaan kiinnitetty levy muodostaa kanavan joka kokoaa ja ohjaa ilmavirtauksia haluttuun kattoikkunan 5 kohtaan.The invention relates to an airflow controller for skylights, in which a plate attached to the lower edge of the window forms a duct which collects and directs the airflows to a desired location in the skylight 5.

Kattoikkunoiden rakenteet koostuvat useimmiten muotoilluista metallirakenteista, joihin on kiinnitetty yksi tai useampi muovi- tai lasilevy . Metallirakenteet johtavat tunnetusti hyvin lämpöä. Niiden lämmöneristys on usein yli kaksikymmentä kertaa 10 alhaisempi kuin hyvin eristetyn seinän. Yhdysvaltalaisessa patentissa nro 4 484 048 on kuvattu alumiiniprofiilista rakennettavaa kattoikkunajärjestelmää.Skylight structures usually consist of shaped metal structures to which one or more plastic or glass sheets are attached. Metal structures are known to conduct heat well. Their thermal insulation is often more than twenty times 10 lower than a well-insulated wall. U.S. Patent No. 4,484,048 describes a skylight system constructed of aluminum profile.

Kattoikkunoissa tavallisesti käytettävien lasien tai useampi-lasisten elementtien lämmöneristys ei ole myöskään riittävä, 15 vaikkakin useampilasisten elementtien lämmöneristys on parempi kuin ikkunan metallisten karmirakenteiden. Lasiosan lämmöneristystä on mahdollista lisätä käyttämällä selektiivisiä laseja, joissa on pitkäaaltoista lämpösäteilyä heijastava pinnoite. Pinnoitteen rakennetta on laajemmin ja yksityiskohtaisemmin 20 kuvattu yhdysvaltalaisessa patentissa nro 4 462 883.The thermal insulation of glass or multi-glazed elements commonly used in skylights is also insufficient, although the thermal insulation of multi-glazed elements is better than that of metal window frame structures. It is possible to increase the thermal insulation of the glass part by using selective glasses with a coating that reflects long-wave heat radiation. The structure of the coating is described in more detail and detail in U.S. Patent No. 4,462,883.

Kun ulkoilman lämpötila laskee, metallirakenteiden läpi siirtyvät lämpövirrat kasvavat. Lämpövirtauksen määrä on suoraan riippuvainen uiko- ja sisäilman lämpötilaerosta. Metallirakenteiden leveydellä ei ole suurtakaan vaikutusta lämpövirtauksien 25 määrään. Useampilasisissa tai -muovisissa elementeissä levyjen lukumäärän ja levyjen välisten läpinäkyvien lämpöä eristävien ilma- tai kaasuvälien lisääminen vähentävät niiden kautta siirtyviä lämpövirtauksia.As the outside air temperature decreases, the heat flows through the metal structures increase. The amount of heat flow is directly dependent on the temperature difference between outdoor and indoor air. The width of the metal structures has little effect on the amount of heat fluxes 25. In multi-glass or plastic elements, increasing the number of plates and the transparent heat-insulating air or gas gaps between the plates reduce the heat fluxes transferred through them.

Kattoikkunoiden ongelmaksi koetaan lämmönvirtaukset sisältä 30 ulos metallisten ikkunarakenteiden läpi. Ongelma ei ole niin suuri useampikertaisten lasi- tai muovielementtien lä- 2 pinäkyvissä osissa kuin metallirakenteisissa ikkunan karmi- ja puiterakenteissa. Lasien tai muovielementtien väliin sijoitetut metalliset välikehikot, jotka sijoitetaan levyjen reunaan sopivan välitilan leveyden muodostamiseksi, toimivat kuten 5 metalliset karmi- ja puiterakenteet. Ongelman poistamiseksi on kehitetty lasien tai muovien väliin sijoitettuja metallisia kehikolta korvaavia ratkaisuja, jotka ovat tunnettuja esimerkiksi yhdysvaltalaisista patenteista nro 4 788 382 ja 4 873 803.The problem with skylights is perceived by heat flows from the inside out through metal window structures. The problem is not so great in the transparent parts of multiple glass or plastic elements as in metal-framed window frames and frames. Metal spacer frames placed between the glass or plastic elements, which are placed at the edge of the plates to form a suitable space for the space, act like metal frame and frame structures. To overcome this problem, metal frame replacement solutions placed between glasses or plastics have been developed, which are known, for example, from U.S. Patent Nos. 4,788,382 and 4,873,803.

10 Joskus lämpövirtauksien määrät ovat niin suuria, että kattoikkunoiden metallista valmistettujen karmi- ja puiterakenteiden pintalämpötilat laskevat huomattavasti alhaisemmiksi kuin huoneilman lämpötilat. Pintalämpötilat voivat olla niin alhaisia, että lämpötilat saavuttavat kastepistelämpötilan, jolloin ilman 15 sisältämä vesihöyry tiivistyy metallirakenteisten karmi- ja puiterakenteiden sisäpinnoille tai rakenteiden sisälle.10 Sometimes the amounts of heat fluxes are so high that the surface temperatures of the frame and frame structures made of metal skylights fall considerably lower than the room air temperatures. The surface temperatures can be so low that the temperatures reach the dew point temperature, whereby the water vapor contained in the air 15 condenses on the inner surfaces of the metal-framed and wooden structures or inside the structures.

Kun ulkoilman lämpötila on nolla tai siitä alhaisempi, voi seurauksena olla metallirakenteen pinnalle tai rakenteiden sisään tiivistyneen vesihöyryn jäätyminen. Luonnollisesti vesi-20 höyryn tiivistyminen ja jäätyminen on esteettisesti epäsuota-vaa. Tämän lisäksi tiivistyneen vesihöyryn valumat likaavat ja vaurioittavat metallirakenteita ympäröiviä pintoja. Kattoikkunoiden metallirakenteiden pinnoille tai rakenteiden sisälle tiivistynyt vesihöyry, joka on jäätynyt, koetaan erityisen 25 suureksi ongelmaksi. Jäätynyt vesi on joustamatonta ja kovaa.When the outside air temperature is zero or lower, freezing of water vapor condensed on the surface of the metal structure or inside the structures may result. Naturally, condensation and freezing of water-20 vapor is aesthetically undesirable. In addition, runoff of condensed water vapor contaminates and damages the surfaces surrounding metal structures. Condensed water vapor on the surfaces of metal structures in skylights or inside structures, which has been frozen, is perceived as a particularly major problem. Frozen water is inflexible and hard.

Kun lisäksi jään tilavuus on suurempi kuin veden, jossa jäätyminen on tapahtunut, rikkoo jään muodostama paine kattoikkunoiden karmi- ja puite- sekä niitä ympäröivien tai sisältämien rakenneosien rakenteita.In addition, when the volume of ice is greater than the water in which the freezing has taken place, the pressure created by the ice breaks the structures of the frame and frame of the skylights and the components surrounding or contained in them.

30 Lisäksi lämpövirtojen siirtyessä sisältä ulos kattoikkunoiden hyvin lämpöä johtavien rakenneosien läpi, kattoikkunoiden huonelämpötilaa alhaisemmat pintalämpötilat jäähdyttävät rakenteiden läheisyydessä olevia ilmamassoja. Ilmamassojen tiheys muuttuu ja ne tulevat ympäröiviä ilmamassoja raskaammiksi, jonka 35 seurauksena jäähtyneet ilmamassat alkavat virrata alaspäin ja jäähdyttävät huoneilman lämpötilaa.30 In addition, as heat flows from the inside through the highly heat-conducting components of the skylights, surface temperatures lower than the room temperature of the skylights cool the air masses in the vicinity of the structures. The density of the air masses changes and they become heavier than the surrounding air masses, as a result of which the cooled air masses begin to flow downwards and cool the room air temperature.

90903 390903 3

Alaspäin virtaavat kylmät ilmavirtaukset luovat niiden keskuudessa työskenteleviin tai oleskeleviin ihmisiin epäviihtyvyyden tunteen, joka heikentää työ- ja oleskeluviihtyvyyttä. Viihtyvyyden lisäämiseksi syntyneissä olosuhteissa tarvitaan lämmi-5 tysenergian käyttöä kasvattavaa lisälämmitystä.The cold air currents flowing downward create a feeling of discomfort in the people working or staying among them, which impairs the comfort of working and living. In order to increase comfort, additional heating is needed to increase the use of heating energy.

Kattoikkunoiden yhteydessä esiintyvien haittojen poistamiseksi on kehitetty monia menetelmiä. Eräänä yleisesti käytössä olevana ratkaisuna käytetään lisälämmöneristystä, joka on valmistettu hyvin lämpöä eristävästä materiaalista. Lisälämmöneristys 10 sijoitetaan metallirakenteiden väliin erottamaan hyvin lämpöä johtavat rakenteet toisistaan. Ikkunarakenteiden lisäläm-möneristyksen periaate on tunnettu kanadalaisesta patentista nro 1 257 142.Many methods have been developed to eliminate the disadvantages associated with skylights. One commonly used solution is to use additional thermal insulation made of a well-insulating material. Additional thermal insulation 10 is placed between the metal structures to separate the highly thermally conductive structures. The principle of additional thermal insulation of window structures is known from Canadian Patent No. 1,257,142.

Lisälämmöneristys lisää luonnollisesti ikkunarakenteen leveyttä 15 ja raaka-aine- sekä työkustannuksia. Aina lisälämmöneristystä ei voida käyttää riittävän leveinä rakenteina tarvittavan lämmöneristyksen saavuttamiseksi heikentämättä ikkunarakenteilta vaadittavaa lujuutta.The additional thermal insulation naturally increases the width of the window structure 15 and the raw material and labor costs. It is not always possible to use additional thermal insulation as a sufficiently wide structure to achieve the required thermal insulation without compromising the strength required of window structures.

Varsinkin alumiinisissa profiilijärjestelmissä, tiivistyneen 20 vesihöyryn poisjohtamiseksi, on ollut välttämätöntä sijoittaa kattoikkunan karmirakenteisiin erillisiä kondenssi- ja vuoto-vesikanavia. Kanavat on suunniteltu niin, että kattoikkunoiden vaakaprofiilit ohjaavat rakenteisiin tiivistyneen vesihöyryn muodostamat vesivirrat pystyprofiileihin tehtyihin kanaviin ja 25 edelleen ulkotilaan.Especially in aluminum profile systems, in order to drain the condensed water vapor, it has been necessary to place separate condensation and leakage water channels in the skylight frame structures. The ducts are designed so that the horizontal profiles of the skylights direct the water flows generated by the water vapor condensed into the structures to the ducts made in the vertical profiles and further to the outside.

Ennen kuin kanavajärjestelmät toimivat moitteettomasti tulee profiileihin järjestää kaato vesivirtojen ohjaamiseksi oikeaan suuntaan, kaikki liitoskohdat tulee tiivistää huolellisesti ja asennustyöltä vaaditaan suurempaa tarkkuutta, kuin muussa ta-30 pauksessa rakenteilta vaaditaan. Kondessivesien poisjohtamisek si tarkoitetut kanavointijärjestelmät ovat kalliita toteuttaa ja vaativat asennuksen jälkeisiä vuosittaisia tarkastuksia ja huoltotoimenpiteitä.Before the duct systems work properly, the profiles must be topped down to direct the water flows in the right direction, all joints must be carefully sealed and greater precision is required for the installation work than is otherwise required for the structures. Drainage systems for draining condensate are expensive to implement and require annual post-installation inspections and maintenance.

44

Kun halutaan välttyä kattoikkunoiden metallirakenteisiin, muovi- tai lasilevyn alapintoihin tiivistyneen vesihöyryn aiheuttamilta haitoilta, suunnataan metallirakenteiden ja lasilevyjen alareunan pinnoille lämminilmasuihkuja. Samalla lämminilmasuih-5 kut estävät jäähtyneiden ilmamassojen virtaukset alaspäin.In order to avoid the disadvantages caused by water vapor condensed on the metal structures of the skylights, on the lower surfaces of the plastic or glass sheet, hot air jets are directed at the lower surfaces of the metal structures and the glass sheets. At the same time, the hot air jets prevent the cooled air masses from flowing downwards.

Tässä ratkaisussa tulee kattoikkunoiden ja metallirakenteiden huuhtelemiseksi asentaa kattoon ilmastointiputket, puhaltimet ja ilman lämmitykseen tarvittavat laitteet. Järjestelmä on monimutkainen, lämmitysenergiaa hukkaavaa, vaikeasti säädettä-10 vissä, kallis ja ilmaputkistot usein muodostavat näköesteitä.In this solution, in order to flush the skylights and metal structures, air-conditioning pipes, fans and equipment necessary for air heating must be installed on the ceiling. The system is complex, wasting heating energy, difficult to adjust-10, expensive and air piping often forms a barrier to vision.

Kattoikkunoissa, joissa ehdottomasti tulee välttää ilman sisältämän vesihöyryn tiivistyminen ja jäätyminen sekä jäähtyneiden ilmamassojen liikkeet, käytetään sähkölämmitteisiä laseja. Tällainen rakenne tunnetaan saksalaisesta julkaisusta Of-15 fenlegungsschrift nro 23 50 614.In skylights, where it is essential to avoid condensation and freezing of the water vapor contained in the air, as well as the movements of cooled air masses, electrically heated glass is used. Such a structure is known from German publication Of-15 fenlegungsschrift No. 23 50 614.

Keksinnön mukaisen laitteen avulla ohjataan kattoikkunan alareunaan lämpimät ilmavirtaukset, joilla saadaan poistettua edellä esitetyt epäkohdat. Tämän toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle laitteelle on tunnusomaista se mitä on esitetty 20 patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.By means of the device according to the invention, warm air currents are directed to the lower edge of the skylight, with which the above-mentioned drawbacks can be eliminated. To achieve this, the device according to the invention is characterized by what is set forth in the characterizing part of claim 20.

Keksinnön mukaisen laitteen tärkeimpänä etuna voidaan pitää, että kattoikkunoiden metallirakenteisiin ei tarvitse lisätä erillisiä lisälämmöneristeitä, rakenteiden pinnoille tiivistyneen veden poistamiseksi ei tarvita kondenssiveden poistouria 25 tai kanavia eikä kattoikkunan pinnoille tarvitse puhaltaa lämmitettyä ilmaa tai käyttää sähkölämmitteisiä laseja. Keksinnön mukainen laite estää jäähtyneiden ilmamassojen virtaukset, yksinkertaistaa kattoikkunoiden rakenteita, helpottaa niiden huoltoa ja estää niiden sekä niitä ympäröivien rakenteiden 30 likaantumisen ja vaurioitumisen.The main advantage of the device according to the invention is that it is not necessary to add separate additional thermal insulation to the metal structures of the skylights, no condensate drainage grooves or ducts are needed to remove condensed water on the surfaces of the structures, and no heated air or electrically heated glass is required. The device according to the invention prevents the flows of cooled air masses, simplifies the structures of the skylights, facilitates their maintenance and prevents fouling and damage to them and the surrounding structures.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisemmin oheiseen piirustukseen nro 1. viittaamalla.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawing No. 1.

Il 90903 5Il 90903 5

Piirustus nro 1. Kattoikkunan ilmavirtauksien ohjain.Drawing No. 1. Skylight airflow controller.

Piirustus nro 1 esittää kaaviomaisesti keksinnön kohteena olevaa kattoikkunarakennetta, jossa on virtausohjain 1. Virtausoh-jaimen pää on muotoiltu lämminilmavirtauksien keräämiseksi ja 5 suuntien ohjaamiseksi kattoikkunoiden ongelmakohtiin. Yhtenäinen ohjainlevy on erotettu kattoikkunan sekundäärispalkista 15. lämpöä hyvin eristävällä hoikilla 2., jonka pituudella säädetään levyn 1. muodostaman kanavan korkeutta ja kiinnitetään läpimenevällä ruuvilla 3. sekundääripalkkiin. Hoikin pituus 10 määritellään kattoikkunan rakenteen ja sijainnin mukaan.Drawing No. 1 schematically shows a skylight structure according to the invention with a flow guide 1. The end of the flow guide is shaped to collect warm air currents and to direct directions to the problem areas of the skylights. The unitary guide plate is separated from the secondary beam 15 of the skylight by a heat-insulating sleeve 2, the length of which adjusts the height of the channel formed by the plate 1 and is fastened to the secondary beam 3 by a through screw. The length 10 of the sleeve is determined by the structure and location of the skylight.

Lämpimät ilmavirtaukset 4. ohjataan keksinnön mukaisen vir-tausohjaimen 1. avulla kylmille ikkunan metallirakenteen 8. ja kattoikkunan läpinäkyvien levyjen 12. sisäpinnoille, jonka seurauksena ilmavirtauksien 5. lämpötila laskee. Levyjen 12.The warm air flows 4. are directed by means of the flow controller 1 according to the invention to the cold inner surfaces of the metal structure 8 of the window and the transparent plates 12 of the skylight, as a result of which the temperature of the air flows 5 decreases. Plates 12.

15 reuna-alueiden metallikehikoiden kautta siirtynyt lämpövirta vaikuttaa rakenteen 8. sisäpinnalle. Ohjain 1. ja hoikin 2 pituus on mitoitettu tapauskohtaisesti niin, että jäähtyneet ilmavirtaukset 5. siirtyvät eteenpäin lämpimämpien ilmavirtauksien 4. nosteessa.The heat flow transferred through the metal frames of the 15 edge areas affects the 8. inner surface of the structure. The length of the guide 1 and the sleeve 2 is dimensioned on a case-by-case basis so that the cooled air flows 5. move forward in the lift of the warmer air flows 4.

20 Kattoikkunan läpinäkyvien levyjen 12. sisäpintojen lämpötilan ollessa alhaisempi kuin huoneilman lämpötilan jäähtyneet ilmamassat 6. virtaavat levyn suuntaisesti ja kohtaavat ylöspäin suuntautuvat ilmavirtaukset 4. ja 5. Virtauksien ohjaimen 1. materiaali on valittu niin, että se johtaa hyvin lämpöä. Kun 25 jäähtyneet ilmamassat 4. ja 5 kohtaavat sekoittuen turbulenssi-sessa virtauksessa 7. ohjaimen muotoillun yläpään kohdalla, alkavat ilmamassat kiertoliikkeen ohjaimen säteilemän lämmön vaikutuksesta.20 When the temperature of the inner surfaces of the transparent panels of the skylight 12. is lower than the cooled air masses at room temperature 6. flow parallel to the panel and meet the upward air flows 4. and 5. The material of the flow controller 1. is chosen so that it conducts heat well. When the cooled air masses 4 and 5 meet in a turbulent flow 7 at the shaped upper end of the guide, the air masses begin to rotate under the influence of the heat radiated by the guide.

Vaikka ulkoilman kanssa kosketuksissa oleva kattoikkuna raken-30 neosa 10. on eristetty suoranaisesta yhteydestä sisäpuoliseen metallirakenteeseen 8. niiden väliin sijoitetulla lämpöä hyvin eristävillä kerroksilla 11, rakenneosan 8. pintalämpötila on alhaisempi kuin huoneilman lämpötila, kun ulkolämpötila on pienempi kuin huonelämpötila. Kattoikkunan metallirakennetta 35 pyritään lämpöeristämään vielä lisälämmöneristeillä 14. ja 16.Although the skylight structure 10 in contact with the outside air is insulated from direct contact with the inner metal structure 8 by highly insulating layers 11 interposed therebetween, the surface temperature of the component 8 is lower than the room air temperature when the outdoor temperature is lower than room temperature. The aim is to thermally insulate the metal structure 35 of the skylight with additional thermal insulators 14 and 16.

66

Huoneilman sisältämän vesihöyryn siirtyminen metallirakenteiden sisäosiin estetään rakenteen 8. ja lisälämmöneristyksen 16. väliin sijoitetulla kosteudensulkumassauksella 9. Massaus on samalla ilmatiivis eikä päästä lävitseen sellaisia haitallisia 5 virtauksia, jotka rajoittaisivat tai estäisivät ohjattujen lämpimien 4. ja jäähtyneiden 5. ilmanvirtauksien kulkua suunnitellulla tavalla.The transfer of water vapor from the room air to the interior of the metal structures is prevented by a moisture barrier 9 placed between the structure 8 and the additional thermal insulation 16. The mass is airtight and does not allow harmful 5 flows to

Kattoikkunarakenne kiinnitetään primääri- ja sekundääritukiin erityisellä kiinnityskappaleella 17, joka suojataan sateelta, 10 tuulelta ja lumelta suojapellillä 18.The skylight structure is fastened to the primary and secondary supports with a special fastening piece 17, which is protected from rain, 10 wind and snow by a protective damper 18.

Erityisesti on huomattava, että keksinnön mukaista ilmavirtauksien ohjainta on selitetty vain yhteen sen edulliseen toteutta-misesimerkkiin viitaten. Tällä ei kuitenkaan haluta rajoittaa keksintöä vain tätä rakenne-esimerkkiä koskevaksi vaan monet 15 muunnokset ovat mahdollisia seuraavien patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen koko laajuudessa.In particular, it should be noted that the air flow controller according to the invention has been described with reference to only one preferred embodiment thereof. However, this is not intended to limit the invention to this structural example only, but many modifications are possible throughout the scope of the inventive idea defined by the following claims.

ilil

Claims

90903 7

An air flow guide for reducing the consequences of low surface temperatures of skylight components, characterized in that a continuous guide plate (1) detached from other structures is attached to the lower edge of the skylight, forming a flow channel whose edges are shaped to control airflows.

Flow guide according to Claim 1, characterized in that the lower and upper edges of the guide plate (1) are shaped.

Flow guide according to Claims 1 and 2, characterized in that the guide plate is fastened to the support structures (15) by a heat-insulating sleeve (2).

Flow guide according to Claim 1, 2 or 3, characterized in that the length of the sleeve (2) is determined by the dimensions of the components of the skylight.

Flow guide according to Claims 1, 2, 3 or 4, characterized in that the guide plate is made of a highly thermally conductive material. 8