شبیه سازی عملکرد حرارتی در ویندوز

برای حفظ دمای داخل ساختمان در دمای مناسب نیاز به پنجره هایی با طراحی مناسب دارد تا گرما را در تابستان و گرما را در زمستان نگه دارند. بیایید نگاهی بیندازیم که چگونه پنجره ها عایق حرارتی می کنند و چگونه گرما را (یا نه) بین داخل ساختمان و فضای باز منتقل می کنند.

به حداقل رساندن انتقال حرارت در ویندوز

کلید به حداقل رساندن انتقال حرارت در پنجره های ساختمان، انتخاب مصالح و طراحی مناسب است. بیشتر پنجره‌ها از دو تا سه صفحه شیشه‌ای که به لعاب عایق معروفند، ساخته می‌شوند که بین آنها فضایی برای عایق‌سازی وجود دارد. (در آب و هوای قطبی، گاهی اوقات پنجره ها با چهار یا پنج عدد از این صفحات شیشه ای ساخته می شوند.)

بین دو شیشه یک فاصله وجود دارد که آنها را از هم جدا می کند. جداکننده‌های قدیمی‌تر از فلز ساخته شده‌اند، اما فلز گرما را به خوبی هدایت می‌کند – دقیقاً برعکس چیزی که ساکنان ساختمان در پنجره‌شان می‌خواهند. از این رو، فوم ساختاری یا آلومینیوم پوشش داده شده در یک مانع حرارتی بیشتر استفاده می شود. فضای بین شیشه با گازی پر می شود که رسانایی حرارتی پایینی دارد، مانند آرگون یا کریپتون، تا انتقال حرارت بین شیشه ها کاهش یابد. این گازها به این دلیل استفاده می شوند که رسانایی حرارتی آنها حتی کمتر از هوا است، بنابراین به خوبی هدایت حرارتی را مسدود می کنند.

نمودار یک پنجره
شماتیک یک پنجره بلوک صورتی جداکننده است و نواحی قرمز نشان دهنده مهر و موم است. تصویر از ویکی پدیا

مدلسازی عایق حرارتی

چرا ممکن است در آن زمان، دفتر من در طول زمستان سردتر از بقیه ساختمان شود؟ هنگام طراحی این پنجره های عایق، مهم است که از عرض مناسب فاصله بین شیشه ها اطمینان حاصل کنید. اگر فضای زیادی وجود داشته باشد، جریان‌های همرفتی می‌توانند در گاز ایجاد شوند و در صورتی که میر نشوند، گرما را از صفحه گرم‌تر به شیشه سردتر منتقل می‌کنند. از طرف دیگر، اگر فضای کافی وجود نداشته باشد، گرما به راحتی از یک پنجره به دیگری منتقل می شود، زیرا آنها به قدری به هم نزدیک هستند که می تواند رسانایی رخ دهد.

هنگام تعیین طراحی ایده آل پنجره، می توانیم به نرم افزار شبیه سازی برای راهنمایی مراجعه کنیم. استاندارد بین المللی ISO 10077-2:2012 نحوه شبیه سازی نرم افزاری را برای پیش بینی عملکرد حرارتی پنجره ها، درها و کرکره ها تعریف می کند. همچنین مجموعه‌ای از معیارها را ارائه می‌کند که نرم‌افزار شبیه‌سازی برای تأیید اعتبار باید آن‌ها را پاس کند. COMSOL Multiphysics تمام این معیارها را با موفقیت پشت سر می گذارد.

بیایید یکی از این مدل های معیار برای شبیه سازی عملکرد حرارتی در یک پنجره را بررسی کنیم .

نمودار و بزرگنمایی که سطح مقطع قاب پنجره و شیشه را نشان می دهد
مقطع قاب پنجره و شیشه.

هندسه مدل COMSOL نشان داده شده در بالا شامل دو شیشه پنجره است. گاز پرکننده؛ یک اسپیسر متشکل از یک قطعه آلومینیومی نازک، یک لایه سیلیکاژل، و یک لایه پلی آمید. یک قاب چوبی حاوی چندین حفره؛ و چندین بلوک از یک لاستیک به نام مونومر اتیلن پروپیلن دی ان (EPDM) که برای آب بندی استفاده می شود – وجود لاستیک قاب پنجره را هوا و ضد آب نگه می دارد.

قاب های پنجره پر از سوراخ هستند

هنگام تنظیم این شبیه‌سازی برای مطالعه گرادیان حرارتی، آرایش قاب مورد توجه مهمی است. اغلب، حفره ها عمداً در قاب های پنجره ساخته می شوند. آنها تا زمانی که همرفت در حفره محدود باشد عایق حرارتی را ارائه می دهند. استاندارد ISO 10077-2:2012 هر حفره را بر اساس شکل آن و میزان تهویه ای که در معرض آن قرار می گیرد طبقه بندی می کند.

حفره ها از تهویه نشده (کاملاً بسته) متغیر هستند، به این معنی که در داخل قاب بدون اتصال به مرز بیرونی قرار دارند یا با شکافی کمتر از 2 میلی متر به هم متصل می شوند. تهویه کمی ، به این معنی که با شکافی کمتر از 10 میلی متر به مرز داخلی یا خارجی متصل است. به تهویه خوب ، اصطلاحی که شامل هر حفره ای می شود که توسط دو نوع دیگر پوشانده نشده است (و معمولاً بیشتر در معرض مرز بیرونی قرار دارد).

رسانایی حرارتی قاب همچنین بر میزان گرما یا سرمای پنجره تأثیر می گذارد. قاب های پلاستیکی یا چوبی، مانند آنچه در شماتیک بالا نشان داده شده است، هدایت حرارتی کمی دارند و عایق خوبی دارند. قاب های ساخته شده از مواد رسانای بیشتر، مانند فلزات، گرمای بیشتری را از یک طرف پنجره به سمت دیگر منتقل می کنند. قاب های آلومینیومی به دلیل استحکام مصالح اغلب در ساختمان های تجاری مورد استفاده قرار می گیرند، اما برای داشتن عملکرد حرارتی خوب نیاز به طراحی دقیق دارند.

آزمایش اثربخشی شیشه عایق

بنابراین یک پنجره چقدر عایق کاری می کند؟ برای مدل‌سازی جریان گرما در یک پنجره، باید مقاومت حرارتی هر ماده و همچنین هندسه (شامل اندازه، شکل و محل حفره‌ها) را در نظر بگیریم. متغیرهای دیگر شامل دمای داخلی و خارجی، ضرایب محاسبه انتقال حرارت و شرایط مرزی است که شار گرما را تعریف می کند. همانطور که از نتایج شبیه‌سازی مشاهده می‌کنیم، می‌تواند تفاوت دمای بسیار زیادی بین مرز بیرونی شیشه پنجره و فضای داخلی وجود داشته باشد – به این معنی که پنجره کار خود را به خوبی انجام می‌دهد.

مشخصات دما برای مدل پنجره COMSOL.

هنگامی که اخیراً یک مدیر ساختمان برای بررسی پیش نویسی که از طریق دفتر من می آمد وارد شد، برای لحظه ای در کارم مکث کردم تا ببینم او دما را در ارتفاعات مختلف در امتداد دیوار اندازه می گیرد. من از تغییرات شدید دما شگفت زده شدم – پنجره عایق شده اصلاً عایق خوبی نداشت. حتی بعد از اینکه قاب دوباره بسته شد، اینجا هنوز کمی سرد بود و حالا می‌دانم چرا.