OPTIMIZING THERMAL PERFORMANCE OF WINDOW FRAMES FOR ENERGY EFFICIENCY IN HOT CLIMATES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final Thesiss - Sara Daas- G202215740.pdf Restricted to Repository staff only until 19 May 2026. Download (4MB)

Arabic Abstract

في المناطق ذات الظروف المناخية القاسية، مثل المملكة العربية السعودية، تلعب كفاءة الأداء الحراري لغلاف المبنى دورًا حاسمًا في تحسين كفاءة استهلاك الطاقة، لا سيما في المباني السكنية التي تعتمد بشكل كبير على التبريد. تهدف هذه الدراسة إلى تحسين تصاميم إطارات النوافذ لتقليل استهلاك الطاقة، من خلال معالجة معدلات النفاذية الحرارية العالية (U-Value) لإطارات الألمنيوم التقليدية، والتي تسهم بشكل كبير في الأحمال الحرارية للتبريد. من خلال النمذجة الحاسوبية والمحاكاة الطاقية، تم تقييم فعالية استخدام مواد بديلة مثل U-PVC والألياف الزجاجية (Fiberglass)، بالإضافة إلى استخدام فواصل حرارية (Thermal Breaks)، وتحليل نسب الإطار إلى الزجاج، في مناطق مناخية مختلفة في المملكة، مثل البيئة الحارة في الظهران والمناخ المعتدل في أبها. باستخدام برنامجي Therm وWindow، تم حساب قيم النفاذية الحرارية (U-Values) لعدة تكوينات، حيث أظهرت النتائج أن زيادة سماكة الألمنيوم أو ملء التجاويف الداخلية بالعزل لها تأثير طفيف. في المقابل، أدى استخدام مواد غير معدنية مثل U-PVC والألياف الزجاجية إلى تقليل U-Value للإطار بنسبة تتراوح بين 79% و85% مقارنة بالألمنيوم. كما أدت الفواصل الحرارية المدمجة بمواد عازلة مثل Aerogel إلى خفض قيمة النفاذية الحرارية بنسبة تتراوح بين 56% و67%.. أظهرت محاكاة الأداء الطاقي باستخدام برنامج EnergyPlus أن هذه التحسينات ساهمت في تقليل استهلاك التبريد السنوي بنسبة 9.5% في الظهران و7.5% في أبها. كما بيّنت النتائج أن النوافذ الكبيرة (≥1.7×1.7 متر) أدت إلى زيادة وفورات الطاقة في المناخات الحارة بفضل انخفاض U-Value للزجاج مقارنة بالإطار، بينما كانت المواد البديلة أكثر تأثيرًا في المناخات المعتدلة. وأكد التحليل الاقتصادي فترات استرداد قصيرة (تصل إلى 2-3 أشهر لإطارات U-PVC) وانخفاض كبير في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (تصل إلى 3700 كجم / سنة). تؤكد هذه النتائج أهمية تبنّي استراتيجيات تصميم مخصصة للمناخ، حيث يُوصى باستخدام إطارات من U-PVC أو الألياف الزجاجية مع فواصل حرارية في المناطق الحارة، والاكتفاء بفاصل حراري واحد في إطارات الألمنيوم في المناطق المعتدلة. توصي الدراسة بتحديث كود البناء السعودي ليتضمن اشتراطات الأداء الحراري للإطارات، وتشجيع استخدام المواد غير المعدنية. كما تسهم هذه الدراسة في تعزيز الفهم النظري والتطبيق العملي لمساهمة إطارات النوافذ في تحسين كفاءة الطاقة.

English Abstract

In regions with extreme climatic conditions, such as Saudi Arabia, the thermal performance of building envelopes plays a critical role in energy efficiency, particularly for cooling-dominated residential structures. This study investigates the optimization of window frame designs to reduce energy consumption by addressing the high thermal transmittance (U-value) of conventional aluminum frames, which contribute significantly to cooling loads. Through a combination of computational modeling and energy simulations, the research evaluates the efficacy of alternative materials (U-PVC, fiberglass), thermal breaks, and frame-to-glass ratios across Saudi Arabia’s climatic zones, including the hot-humid environment of Dhahran and the moderate climate of Abha. Using Therm and Window software, U-values were calculated for diverse configurations, revealing that while increasing gauge thickness or adding cavity insulation had minimal impact, non-metallic materials such as U-PVC and Fiberglass reduced frame U-values by 79–85% compared to aluminum. Thermal breaks, particularly aerogel-integrated designs, further enhanced performance, lowering aluminum frame U-values by 56–67%. Energy simulations in EnergyPlus demonstrated that these optimizations reduced annual cooling consumption by 9.5% in Dhahran and 7.5% in Abha. Larger window sizes (≥1.7×1.7 m) in hot climates amplified savings by leveraging glass’s lower U-value, while material substitutions proved more impactful in milder climates. Economic analysis confirmed short payback periods (as low as 2–3 months for U-PVC frames) and meaningful CO₂ emission reductions (up to 3,700 kg/year). The findings underscore the importance of climate-specific design strategies: prioritizing U-PVC and thermally broken frames in hot regions and single breaks in aluminum in moderate zones. Policy recommendations include revising the Saudi Building Code to mandate thermal breaks and incentivizing non-metallic materials. This study contributes to both theoretical understanding and practical application by addressing the overlooked thermal impact of window frames. It advocates for policy updates in the Saudi Building Code, provides designers with data-driven guidelines, and proposes educational inclusion of frame performance analysis. Ultimately, the findings offer a pathway for more sustainable and energy-efficient residential architecture in hot climate regions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental Architectural Research Research > Engineering
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Committee Advisor:	Alhazmi, Mansour
Committee Members:	Alhaji Mohammed, Mohammed and Abdelmoneim, Adel
Depositing User:	SARA DA'AS (g202215740)
Date Deposited:	20 May 2025 07:29
Last Modified:	27 May 2025 04:45
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143393