 |
عملکرد حرارتی کرکره های غلتکی
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 که فقط مربوط به کرکره‌های غلتکی است توضیح می‌دهد. سایر موارد تست از این استاندارد در برنامه های زیر موجود است:
• | عملکرد حرارتی ویندوز |
• | تأثیر لعاب بر عملکرد حرارتی یک پنجره  |
شکل 1: نمایش سه بعدی جعبه کرکره با کرکره در داخل.
تعریف مدل
در هر مورد آزمایشی، یک بخش شاتر یک طرف داخلی گرم را از یک طرف خارجی سرد جدا می کند. پس از حل یک مدل، دو کمیت محاسبه شده و با مقادیر هنجاری مقایسه می شود:
• | هدایت حرارتی بین دو طرف داخلی و خارجی؛ |
• | انتقال حرارتی قاب کرکره |
حفره های هوا
ساختار کرکره ای حاوی حفره های زیادی است. هدف اطمینان از عایق حرارتی است. بر اساس استاندارد ISO 10077-2:2012، 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 |
برای حفره اصلی در جعبه کرکره، این قوانین کمی متفاوت هستند ( شکل 2 را ببینید ):
شکل 2: باز شدن جعبه کرکره ای.
• | اگر e 1 + e 3 ≤ 2 میلی متر باشد، حفره بدون تهویه در نظر گرفته می شود . |
• | اگر حداکثر ≤ 35 میلی متر باشد ، حفره کمی تهویه شده در نظر گرفته می شود . |
• | اگر بیش از 35 میلی متر باشد ، حفره دارای تهویه مناسب در نظر گرفته می شود . |
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 ، حفره های مستطیلی با تهویه کمی و حفره های غیر مستطیلی 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/(m 2 · K 4/3 ) |
• | 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.
حفره های غیر مستطیلی
حفره های غیر مستطیلی طبق قوانین تعریف شده در ISO 10077-2:2012 که در زیر ارائه شده است به حفره های مستطیلی با مساحت و نسبت ابعاد یکسان تبدیل می شوند. سپس، k eq به دنبال یکی از دو حالت مستطیلی قبلی ارزیابی می شود.
شکل 3: تبدیل حفره غیر مستطیلی.
شکل 3 یک حفره غیر مستطیلی به مساحت A را نشان می دهد . سپس، d و b عمق و عرض (مطابق با جهت جریان گرما) کوچکترین مستطیلی هستند که می تواند حاوی حفره غیر مستطیلیباشد . حفره مستطیلی معادل با اندازه b × d و مساحت A باید موارد زیر را برآورده کند:
بنابراین، b و d به صورت زیر داده می شوند:
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.
شرح دو برنامه
شکل 4 و شکل 5 هندسه هر مدل را نشان می دهد. حفره های بدون تهویه دارای شماره قرمز هستند در حالی که حفره های دارای تهویه کمی دارای شماره سبز هستند. مرزهای آدیاباتیک با مستطیل های راه راه نشان داده می شوند.
کاربرد 1: جعبه کرکره ای
اولین کاربرد، هدایت گرما را در یک جعبه کرکره ای مطالعه می کند. ساختار اصلی از پلی وینیل کلرید (PVC) ساخته شده است که رسانایی حرارتی پایین k برابر با 0.17 W/(m·K) دارد. در داخل جعبه، یک پانل عایق وجود دارد که دارای رسانایی حرارتی بسیار پایین 0.035 W/(m·K) است.
در این نرم افزار سی و هشت حفره وجود دارد. سی و هفت مورد از آنها به بیرون متصل نیستند بنابراین به عنوان حفره های بدون تهویه در نظر گرفته می شوند . حفره اصلی به دلیل دهانه بزرگ در جعبه (15 میلی متر) کمی تهویه می شود.
شکل 4: هندسه جعبه کرکره ای.
کاربرد 2: پروفیل شاتر پی وی سی
این نرم افزار هدایت گرما را در پروفیل کرکره PVC مطالعه می کند. کرکره از دو بلوک PVC ساخته شده است که رسانایی حرارتی 0.17 W/(m·K) دارند.
در این نرم افزار پنج حفره وجود دارد. آنها به بیرون متصل نیستند بنابراین به عنوان حفره های بدون تهویه در نظر گرفته می شوند .
شکل 5: هندسه پروفیل کرکره PVC.
نتایج و بحث
پروفایل های دما
پروفیل های دما برای هر مدل در شکل 6 و شکل 7 نشان داده شده است .
شکل 6: توزیع دما در جعبه کرکره ای.
شکل 7: توزیع دما در پروفیل کرکره PVC.
مقادیر مورد علاقه
مقادیر مورد علاقه به شرح زیر است:
• | رسانایی حرارتی کل بخش، L 2D ، به وسیله: |
که در آن 
نرخ جریان گرما از طریق شاتر (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 شاتر (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 l طول پیش بینی شده بخش داخلی عمود بر جهت جریان گرما (بیان شده بر حسب متر) 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 مقادیر محاسبه شده مقادیر در برنامه 1.
تعداد | ارزش مورد انتظار | مقدار محاسبه شده | خطای مربوطه |
L 2D (W/(m·K)) | 0.181 | 0.183 | 1.10٪ |
U f (W/(m 2 K)) | 1.05 | 1.035 | 1.43٪ |
جدول 2: مقایسه بین مقادیر مورد انتظار و مقادیر محاسبه شده مقادیر در برنامه 2.
تعداد | ارزش مورد انتظار | مقدار محاسبه شده | خطای مربوطه |
L 2D (W/(m·K)) | 0.207 | 0.207 | 0.00٪ |
U f (W/(m 2 K)) | 3.64 | 3.63 | 0.27٪ |
حداکثر اختلاف مجاز برای گذراندن این مورد آزمایشی 3٪ برای رسانایی حرارتی و 5٪ برای انتقال حرارت 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: Heat_Transfer_Module/Buildings_and_Constructions/roller_shutter_thermal_performances
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>roller_shutter_thermal_performances_preset را در درخت انتخاب کنید. |
3 |  روی Open کلیک کنید . |
جعبه کرکره ای
جعبه کرکره غلتکی (COMP1)
در پنجره Model Builder ، گره Roller Shutter Box (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 Roller Shutter Box (comp1)>Definitions را گسترش دهید ، سپس روی متغیرها 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 Roller Shutter Box (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 2-19 و 21-40 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 ، قسمت داخلی 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 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، جعبه کرکره ای
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، جعبه شاتر غلتکی 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/sb_htot | 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 . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
گروه نمودار فعلی توزیع دما را نشان می دهد. با شکل 6 مقایسه کنید .
همین روش شبیه سازی برای معیار دیگر اعمال می شود. دستورالعمل های زیر مراحل دستیابی به محاسبات را شرح می دهد.
پروفیل کرکره پی وی سی
جعبه کرکره غلتکی (COMP1)
در پنجره Model Builder ، گره Roller Shutter Box (comp1) را جمع کنید .
نمایه کرکره پی وی سی (COMP2)
در پنجره Model Builder ، گره PVC Shutter Profile (comp2) را گسترش دهید .
تعاریف (COMP2)
متغیرهای 2
1 | در پنجره Model Builder ، گره PVC Shutter Profile (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 ، گره PVC Shutter Profile (comp2)>Definitions را 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 2، 3 و 5-7 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 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 ، قسمت داخلی 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 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 ارزیابی جهانی به منظور محاسبه رسانایی حرارتی بخش و انتقال حرارتی قاب اضافه شده است.
خواص حرارتی، پروفیل کرکره پی وی سی
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ارزیابی  جهانی کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ارزیابی جهانی ، مشخصات حرارتی، نمایه شاتر PVC را در قسمت نوشتار 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/s_wtot | 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 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 . |
5 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
گروه نمودار فعلی توزیع دما را نشان می دهد. با شکل 7 مقایسه کنید .
