 |
تأثیر لعاب بر عملکرد حرارتی یک پنجره
معرفی
در طول طراحی یک ساختمان، مسائل زیست محیطی تاثیر قابل توجهی در کل پروژه پیدا کرده است. یکی از اولین نگرانی ها بهبود عملکرد حرارتی است. در این فرآیند، نرم افزارهای شبیه سازی ابزارهای کلیدی را برای مدل سازی تلفات حرارتی و عملکرد در ساختمان فراهم می کنند
استاندارد بین المللی ISO 10077-2:2012 ( مرجع 1 ) به عملکرد حرارتی پنجره ها، درها و کرکره ها می پردازد. این مقادیر محاسبه‌شده ویژگی‌های حرارتی پروفیل‌های قاب را به منظور اعتبارسنجی یک نرم‌افزار شبیه‌سازی ارائه می‌کند.
COMSOL Multiphysics کل معیار را با موفقیت پشت سر گذاشت. این سند دو مورد آزمایشی ISO 10077-2:2012 را در رابطه با تأثیر لعاب بر عملکرد حرارتی یک پنجره توصیف می کند. سایر موارد تست از این استاندارد در برنامه های زیر موجود است:
• | عملکرد حرارتی ویندوز |
• | عملکرد حرارتی کرکره های غلتکی  |
شکل 1: هندسه پنجره و نمای مقطع.
تعریف مدل
در هر مورد آزمایشی، یک بخش پنجره یک طرف داخلی گرم را از یک طرف خارجی سرد جدا می کند. قاب پنجره یکسان است اما در اولین کاربرد، یک پانل عایق جایگزین لعاب سنتی می شود. این لعاب سنتی در کاربرد دوم مورد بررسی قرار می گیرد. پس از حل یک مدل، دو کمیت محاسبه شده و با مقادیر هنجاری مقایسه می شود:
• | هدایت حرارتی بین دو طرف داخلی و خارجی |
• | ضریب انتقال حرارتی قاب محاسبه می شود |
حفره های هوا
یک قاب پنجره حاوی حفره های زیادی است. هدف اطمینان از عایق حرارتی است. بر اساس استاندارد، حفره ها بسته به شکل و عرض شکافی که آنها را به محیط داخلی یا خارجی متصل می کند، به روش های مختلفی مدل سازی می شوند. حفره ها به سه نوع تقسیم می شوند:
• | حفره های بدون تهویه ، کاملاً بسته یا با شکافی با عرض حداکثر 2 میلی متر به بیرون یا داخل متصل می شوند. |
• | حفره‌های کمی تهویه‌شونده ، که با شکافی بیشتر از 2 میلی‌متر به بیرون یا داخل متصل می‌شوند، اما از 10 میلی‌متر تجاوز نمی‌کنند. |
• | حفره های با تهویه مناسب ، مربوط به پیکربندی که توسط یکی از دو نوع قبلی پوشش داده نشده است |
در حفره‌های بدون تهویه و کمی تهویه، نرخ جریان گرما با رسانایی حرارتی معادل k eq نشان داده می‌شود که شامل جریان گرما توسط رسانش، همرفت و تابش است و به هندسه حفره و مواد مجاور بستگی دارد. برای تعریف k eq به حفره مستطیلی بدون تهویه و حفره مستطیلی با تهویه کمی مراجعه کنید . این حفره ها به صراحت به عنوان دامنه در هندسه نشان داده می شوند.
هیچ حفره ای با تهویه خوب در دو کاربرد ارائه شده در زیر وجود ندارد. برای نمونه پیکربندی با یک حفره با تهویه خوب، به عملکردهای حرارتی ویندوز مراجعه کنید .
حفره مستطیلی بدون تهویه
برای یک حفره مستطیلی بدون تهویه، رسانایی حرارتی معادل به صورت زیر تعریف می شود:
که در آن d بعد حفره در جهت سرعت جریان گرما است و R مقاومت حرارتی حفره است که توسط:
در اینجا h a ضریب انتقال حرارت همرفتی و h r ضریب انتقال حرارت تابشی است. این ضرایب به صورت زیر تعریف می شوند:
جایی که:
• | C 1 = 0.025 W/(m·K) |
• | C 2 = 0.73 W/(m2 · K) |
• | Δ T حداکثر اختلاف دمای سطح در حفره است |
• | σ = 5.67·10 -8 W/(m2 · K4 ) ثابت استفان-بولتزمن است |
• | T m دمای متوسط در مرزهای حفره است |
• | E تابش بین سطحی است که توسط: |
• | ε1 و ε2 تابش های سطحی هستند (هر دو در این مدل برابر با 0.90 هستند ) |
• | F ضریب دید بخش مستطیل شکل است که توسط: |
• | d بعد حفره در جهت سرعت جریان گرما است |
• | b بعد حفره عمود بر جهت سرعت جریان گرما است |
حفره های مستطیلی کمی تهویه شده
برای یک حفره با تهویه کمی، رسانایی حرارتی معادل دو برابر یک حفره بدون تهویه با همان اندازه است.
شرایط مرزی
شرایط شار حرارتی برای ضلع های داخلی و خارجی توسط قانون خنک کننده نیوتن ارائه می شود:
که در آن T ext دمای بیرونی است ( T ext = T i = 20 درجه سانتی گراد برای سمت داخلی و T ext = T e = 0 درجه سانتی گراد برای سمت خارجی). این استاندارد مقاومت سطح حرارتی، Rs را که به ضریب انتقال حرارت، h مربوط می شود ، به شرح زیر تعریف می کند:
مقاومت سطح حرارتی داخلی و خارجی برابر نیست. علاوه بر این، در مرزهای متصل به سمت داخلی، مقاومت حرارتی افزایش یافته برای لبه ها استفاده می شود. شکل 2 نحوه تعیین مرزها را در جایی که باید اعمال شود توضیح می دهد.
شکل 2: مرزهای محافظت شده.
اگر d بزرگتر از 30 میلی متر باشد، b روی 30 میلی متر تنظیم می شود. در غیر این صورت b = d انتخاب می شود. علاوه بر این، دو مرز به عنوان آدیاباتیک در نظر گرفته می شوند: مرز در تماس با دیوار و انتهای پانل عایق یا لعاب.
شرح دو برنامه
شکل 3 و شکل 4 هندسه هر کاربرد را نشان می دهد اما تنها بخشی از پانل عایق یا لعاب نشان داده شده است. حفره های بدون تهویه دارای شماره قرمز هستند در حالی که حفره های دارای تهویه کمی دارای شماره سبز هستند. مرزهای با مقاومت حرارتی افزایش یافته با خطوط سیاه پررنگ نشان داده می شوند. مرزهای آدیاباتیک در تماس با دیوار با یک مستطیل راه راه نشان داده شده است.
کاربرد 1: قاب چوبی با پانل عایق
اولین کاربرد، هدایت گرما را در بخش قاب چوبی با پانل عایق مورد مطالعه قرار می دهد. بخش قاب از دو بلوک چوبی با رسانایی حرارتی کم 0.13 W/(m·K) ساخته شده است. برای برقراری تماس بین این دو بلوک و ضد آب بودن پنجره از دو واشر اتیلن پروپیلن دی ان مونومر (EPDM) استفاده می شود. دو بلوک EPDM دیگر در دو طرف پانل عایق چیده شده اند. پانل عایق دارای هدایت حرارتی بسیار پایین 0.035 W/(m·K) است.
دو حفره کاملاً بسته و بدون تهویه محسوب می شوند . سومی کمی تهویه شده در نظر گرفته می شود .
شکل 3: هندسه قاب چوبی با پانل عایق.
کاربرد 2: قاب چوبی با لعاب سنتی
لعاب از دو صفحه شیشه ای با رسانایی حرارتی 1.00 W/(m·K) ساخته شده است. در سمت قاب لعاب، ساختاری از آلومینیوم، پلی سولفید و سیلیکاژل برای مسدود کردن بلوک های شیشه ای استفاده شده است. رسانایی حرارتی آنها به ترتیب 160 W/(m·K)، 0.40 W/(m·K) و 0.13 W/(m·K) است. فضای بین صفحات شیشه ای با گازی پر می شود که رسانایی حرارتی آن 0.034 W/(m·K) است (بنابراین این فضا به عنوان یک حفره هوای سنتی در نظر گرفته نمی شود).
شکل 4: هندسه قاب چوبی با لعاب.
نتایج و بحث
پروفایل های دما
شکل 5 و شکل 6 پروفیل های دما را برای هر کاربرد نشان می دهد.
شکل 5: مشخصات دما با پانل عایق.
شکل 6: توزیع دما با لعاب.
مقادیر مورد علاقه
مقادیر مورد علاقه به شرح زیر است:
• | رسانایی حرارتی کل بخش L 2D توسط: |
که در آن 
نرخ جریان گرما از طریق پنجره (بر حسب وات بر متر) است، T e = 0 درجه سانتیگراد دمای خارجی و T i = 20 درجه سانتیگراد دمای داخلی است.
نرخ جریان گرما از طریق پنجره (بر حسب وات بر متر) است، T e = 0 درجه سانتیگراد دمای خارجی و T i = 20 درجه سانتیگراد دمای داخلی است.• | انتقال حرارتی قاب U f توسط: |
که در آن b p عرض قابل مشاهده پانل است که بر حسب متر بیان می شود، b f عرض پیش بینی شده بخش قاب است که بر حسب متر بیان می شود و U p انتقال حرارتی ناحیه مرکزی پانل است که بر حسب W/(m2 ·K بیان می شود . ).
• | انتقال حرارتی خطی قاب Ψ تعریف شده توسط: |
که در آن bg پهنای قابل مشاهده لعاب است که بر حسب متر بیان می شود، U g ضریب انتقال حرارتی ناحیه مرکزی لعاب است که بر حسب W/(m2 ·K) بیان می شود .
در اینجا، Ψ جریان گرمای اضافی ناشی از تعامل قاب و لبه شیشه، از جمله اثر فاصله‌دهنده را توصیف می‌کند. انتقال حرارتی U g برابر با 1.3 W/(m2 ·K) ارائه شده است .
جدول 1 و جدول 2 نتایج عددی COMSOL Multiphysics را با مقادیر مورد انتظار ارائه شده توسط ISO 10077-2:2012 مقایسه می کنند.
جدول 1: مقایسه بین مقادیر مورد انتظار و محاسبه شده مقادیر در برنامه 1.
تعداد | ارزش مورد انتظار | مقدار محاسبه شده | خطای مربوطه |
L 2D (W/(m·K)) | 0.346 | 0.346 | 0.0٪ |
U f (W/(m 2 K)) | 1.36 | 1.38 | 1.47٪ |
جدول 2: مقایسه بین مقادیر مورد انتظار و محاسبه شده مقادیر در برنامه 2.
تعداد | ارزش مورد انتظار | مقدار محاسبه شده | خطای مربوطه |
L 2D (W/(m·K)) | 0.481 | 0.484 | 0.62٪ |
Ψ (W/(m 2 ·K)) | 0.084 | 0.085 | 1.19٪ |
حداکثر اختلاف مجاز برای گذراندن این مورد آزمایشی 3٪ برای رسانایی حرارتی و 5٪ برای انتقال حرارتی (خطی) است. مقادیر اندازه گیری شده کاملاً منسجم هستند و معیارهای اعتبار سنجی را برآورده می کنند.
ارجاع
1. کمیته اروپایی استاندارد، ISO 10077-2:2012، عملکرد حرارتی پنجره ها، درها و کرکره ها – محاسبه انتقال حرارتی – قسمت 2: روش عددی برای قاب ها ، 2012.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_انتقال_حرارت/ساختمان_ها_و_ساختمان/عملکردهای_حرارتی_پنجره_و_شیشه_کاری
دستورالعمل های مدل سازی
ریشه
با باز کردن فایل آماده شده زیر شروع کنید. در حال حاضر شامل تعاریف جهانی، هندسه، متغیرهای محلی، انتخاب ها، عملگرها و خواص مواد است.
کتابخانه های کاربردی
1 | از منوی File ، Application Libraries را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Application Libraries ، Heat Transfer Module>Buildings and Constructions>window_and_glazing_thermal_performances_preset را در درخت انتخاب کنید. |
3 |  روی Open کلیک کنید . |
پنجره با پانل عایق
پنجره با پانل عایق (COMP1)
در پنجره Model Builder ، گره Window with Insulation Panel (comp1) را گسترش دهید .
تعاریف (COMP1)
متغیرهای 1
رسانایی حرارتی بخش برای قسمت پس پردازش را به صورت زیر تعریف کنید.
1 | در پنجره Model Builder ، گره Window with Insulation Panel (comp1)>Definitions را گسترش دهید ، سپس روی Variables 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
L2D | int_internal(ht.ntflux/(Te-Ti)) | W/(m·K) | هدایت حرارتی قاب |
توجه داشته باشید که نرخ جریان گرما از طریق مرزهای داخلی و خارجی برابر است (در قدر مطلق) زیرا سایر مرزها آدیاباتیک در نظر گرفته می شوند.
4 | در پنجره Model Builder ، گره Window with Insulation Panel (comp1)>Definitions را جمع کنید . |
انتقال حرارت در جامدات و سیالات (HT)
مایع 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Heat Transfer in Solids and Fluids (ht) را گسترش دهید ، سپس روی Fluid 1 کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه های 4، 6 و 7 را انتخاب کنید. |
از آنجایی که جابجایی وجود ندارد، یک گسسته درجه دوم دما برای دقت بهتر تنظیم شده است.
3 | در پنجره Model Builder ، روی انتقال حرارت در جامدات و سیالات (ht) کلیک کنید . |
4 | در پنجره تنظیمات برای انتقال حرارت در جامدات و سیالات ، کلیک کنید تا بخش گسسته سازی گسترش یابد . |
5 | از لیست دما ، لاگرانژ درجه دوم را انتخاب کنید . |
شار حرارتی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از فهرست انتخاب ، Exterior Side را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن h ، 1/Rse را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن T ، Te را تایپ کنید . |
شار حرارتی 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، سمت داخلی ( محدوده مسطح) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن h ، 1/Rsi_n را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن T ، Ti را تایپ کنید . |
شار حرارتی 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، سمت داخلی ( منطقه گوشه) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن h ، 1/Rsi_p را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن T ، Ti را تایپ کنید . |
7 | در پنجره Model Builder ، گره انتقال حرارت در جامدات و سیالات (ht) را جمع کنید . |
مطالعه 1
برای محاسبه رسانایی حرارتی بخش، سرعت جریان گرما از طریق قسمت داخلی (یا خارجی) بخش باید تعیین شود. برای داشتن دقت کافی روی این مقدار، تحمل نسبی پیش‌فرض حل‌کننده قبلاً به 10-6 تغییر یافته است . برای دسترسی به این مقدار، گره Solver 1 را گسترش داده و بر روی گره Stationary Solver 1 کلیک کنید . در پنجره تنظیمات حل کننده ثابت ، قسمت General را پیدا کنید .
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
دما (ht)
یک گره ارزیابی جهانی به منظور محاسبه رسانایی حرارتی بخش و انتقال حرارتی قاب اضافه شده است.
خواص حرارتی، پنجره با پانل عایق
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Derived Values را گسترش دهید . |
2 | روی Results>Derived Values کلیک راست کرده و Global Evaluation را انتخاب کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای ارزیابی جهانی ، ویژگی های حرارتی، پنجره با پانل عایق را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
4 | قسمت Expressions را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
L2D | W/(m*K) | هدایت حرارتی بخش (L2D) |
(L2D-Up*bp)/bf | W/(m^2*K) | انتقال حرارتی قاب (Uf) |
5 |  روی ارزیابی کلیک کنید . |
جدول
1 | به پنجره Table بروید . |
نتایج باید نزدیک به مقادیر مورد انتظار در جدول 1 باشد .
نتایج
سطح
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Temperature (ht) را گسترش دهید ، سپس روی Surface کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار دما (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
گروه نمودار فعلی توزیع دما را نشان می دهد. با شکل 5 مقایسه کنید .
همین روش شبیه سازی برای معیار دیگر اعمال می شود. دستورالعمل های زیر مراحل دستیابی به محاسبات را شرح می دهد.
پنجره با پانل عایق (COMP1)
در پنجره Model Builder ، گره Window with Insulation Panel (comp1) را جمع کنید .
پنجره با شیشه
پنجره با شیشه (COMP2)
در پنجره Model Builder ، گره Window with Glazing (comp2) را گسترش دهید .
تعاریف (COMP2)
متغیرهای 2
1 | در پنجره Model Builder ، گره Window with Glazing (comp2)>Definitions را گسترش دهید ، سپس روی Variables 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
L2D | int_internal(ht2.ntflux/(Te-Ti)) | W/(m·K) | هدایت حرارتی قاب |
4 | در پنجره Model Builder ، پنجره را با گره Glazing (comp2)>Definitions جمع کنید . |
انتقال حرارت در جامدات و سیالات 2 (HT2)
مایع 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Heat Transfer in Solids and Fluids 2 (ht2) را گسترش دهید ، سپس روی Fluid 1 کلیک کنید . |
2 | فقط دامنه های 4، 6، 7 و 16 را انتخاب کنید. |
از آنجایی که جابجایی وجود ندارد، یک گسسته درجه دوم دما برای دقت بهتر تنظیم شده است.
3 | در پنجره Model Builder ، روی Transfer Heat in Solids and Fluids 2 (ht2) کلیک کنید . |
4 | در پنجره تنظیمات برای انتقال حرارت در جامدات و سیالات ، بخش گسسته سازی را پیدا کنید . |
5 | از لیست دما ، لاگرانژ درجه دوم را انتخاب کنید . |
شار حرارتی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از فهرست انتخاب ، Exterior Side را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن h ، 1/Rse را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن T ، Te را تایپ کنید . |
شار حرارتی 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، سمت داخلی ( محدوده مسطح) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن h ، 1/Rsi_n را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن T ، Ti را تایپ کنید . |
شار حرارتی 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای شار گرما ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، سمت داخلی ( منطقه گوشه) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Heat Flux را پیدا کنید . از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن h ، 1/Rsi_p را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن T ، Ti را تایپ کنید . |
7 | در پنجره Model Builder ، گره Heat Transfer in Solids and Fluids 2 (ht2) را جمع کنید . |
مطالعه 2
در نوار ابزار صفحه اصلی ، 
روی محاسبه کلیک کنید .
روی محاسبه کلیک کنید .نتایج
یک گره Global Evaluation به منظور محاسبه رسانایی حرارتی مقطع و انتقال حرارتی خطی قاب اضافه شده است.
خواص حرارتی، پنجره با شیشه
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ارزیابی  جهانی کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ارزیابی جهانی ، ویژگی های حرارتی، پنجره با شیشه را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست مجموعه داده ، مطالعه 2/راه حل 2 (4) (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Expressions را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
L2D | W/(m*K) | هدایت حرارتی بخش (L2D) |
L2D-Uf*bf-Ug*bg | W/(m*K) | انتقال حرارتی خطی قاب (psi) |
5 |  روی ارزیابی کلیک کنید . |
جدول
1 | به پنجره Table بروید . |
نتایج باید نزدیک به مقادیر مورد انتظار در جدول 2 باشد .
نتایج
سطح
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Temperature (ht2) را گسترش دهید ، سپس روی Surface کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار دما (ht2) ، روی  Plot کلیک کنید . |
گروه نمودار فعلی توزیع دما را نشان می دهد. با شکل 6 مقایسه کنید .
