کاهش اتلاف انرژی با تغییر گاز بین دو شیشه در پنجره­ های دوجداره

 

حدود یک چهارم از اتلاف انرژی ساختمان به دلیل استفاده از پنجره نامناسب است. اما در دو دهه اخیر تکنولوژی ساخت پنجره دوجداره با فاصله هوایی روز به روز پیشرفت کرده است. این پنجره ها عموما از دو لایه شیشه، که توسط فاصله ای از هم جدا شده اند، تشکیل می شوند.

در شکل زیر، نمونه ای از این پنجره ها را نشان می دهد. در این شکل، جزئیات قاب پنجره نیز مشخص شده است.

فاصله بین دو لایه شیشه توسط هوا و یا گاز دیگری با ضریب هدایت پایین همچون آرگون، دی اکسید کربن و کریپتون پر می شود. بدین ترتیب با توجه به اینکه پنجره های یک ساختمان عمومی دارای مقاومت حرارتی کمتری نسبت به سایر اجزای آن است، به کار گیری این پنجره ها می تواند نقش به سزایی در کاهش مصرف انرژی داشته باشد. برای مطالعه دقیق میزان تلفات حرارتی از پنجره های دوجداره و مقایسه عملکرد آنها نسبت به پنجره های ساده تک شیشه ای، نیاز به بررسی مکانیزم های مختلف انتقال حرارت است. جابجایی و تشعشع روی سطوح خارجی، هدایت در داخل شیشه ها، جابجایی و تشعشع در فاصله هوای دو پنجره، و حتی نفوذ تشعشع خورشید از شیشه ها به داخل، از جمله مکانیزم های دخیل در انتقال حرارت است. به همین دلیل جهت مطالعه عملکرد این سیستم ها عموما از فرضیات ساده کننده ای استفاده می شود. شاید ساده ترین تقریب، استفاده از فرض انتقال حرارت هدایت یک بعدی  در داخل شیشه ها و داخل هوا است. در این شرایط می توان نرخ انتقال گرما را به راحتی با کمک مقاومت حرارتی محاسبه نمود. اما باید توجه داشت که سیال بین دو جداره شیشه ای با دماهای مختلف ساکن باقی نمی ماند. در واقع ایجاد گرادیان های دما در سیال، موجب برقراری حرکت در آن می شود، سیال مجاور سطح گرم در اثر گرم شدن سبک شده و به سمت بالا حرکت می کند، و سیال سرد از دوردست جایگزین ان می شود. بدین ترتیب حرکت های چرخشی در داخل لایه هوای محبوس بین شیشه، ایجاد می گردد. این حرکت ها بر نرخ اتلاف گرما از پنجره اثر دارد.

بیان مساله و روش حل

با صرف نظر از اثرات بعد سوم، پنجره را به صورت محفظه ای دو بعدی مطابق شکل 2 در نظر میگیریم. این محفظه از دو لایه شیشه ای به ضخامت Ls=5mm که توسط فاصله ای از یکدیگر جدا شده اند، تشکیل شده است، ارتفاع پنجره برابر H= 0.5m و بعد عمود بر صفحه برابر واحد است.

سطوح بالا و پائین را عایق فرض کرده و دمای دیواره ­های خارجی شیشه­ ها را به صورت یکنواخت Thو Tc در نظر میگیریم.

شکل 2- تصویر شماتیک پنجره دو جداره

جهت تحلیل مسئله لازم است که معادله هدایت انرژی در داخل شیشه­ ها و معادلات پیوستگی،انرژی در داخل سیال بین آن­ها حل شوند. این معادلات با فرض جریان دو بعدی آرام برای گازهای هوا، آرگون و کریپتون به روش عددی حل شده و به توزیع دما در شیشه ­ها و گازها به دست آمده ­اند. پس از معلوم شدن توزیع دما، برای محاسبه نرخ تبادل حرارت پنجره کافیست از سری فوری روی یکی از سطوح عمودی محفظه استفاده نمود. این نرخ انتقال حرارت کل بر واحد طول پنجره عبارت است از:

که در این رابطه ضریب هدایت شیشه Ksاست.

همان­گونه که قبلا اشاره شد، اگر هوای بین دو جداره ساکن فرض شود، می توان با فرض هدایت یک بعدی در کل پنجره اتلافات حرارتی را تخمین زد. در این شرایط با استفاده از مقاومت های حرارتی نرخ اتلاف گرما از واحد طول پنجره عبارت است از:

که در این فرمول، H ارتفاع پنجره و Kf ضریب هدایت هواست.

نتایج

خواص به کار رفته در محاسبات برای شیشه و هوا و گازهای آرگون و کریپتون در جدول 1 آورده شده است. محاسبات برای سه مقدار اختلاف دمای داخل و خارج پنجره برابر، و فاصله بین شیشه­ های برابر با L=  5mm الی Lf = 70 mm انجام شده است و نتایج به دست آمده از این بررسی ­ها در شکل­های 3 تا 6 ارائه شده است.

 

ضریب هدایت

W/m.K

جرم حجمی

Kg/m3

گرمای ویژه

J/Kg.k

لزجت(n * 105 )

2/ S

شیشه

1.4

2500

750

هوا

0.0263

1.161

1007

1.589

آرگون

0.0177

1.624

517

1.410

کریپتون

0.0094

3.743

248

0.673

جدول 1- خواص ترموفیزیکی شیشه و گازهای مورد بررسی

شکل 3 تغییرات اتلافات حرارتی، Qcبا فاصله بین شیشه ها را برای گازهای مختلف نشان می دهد. این نمودار با فرض ساکن بودن گاز بین شیشه ها و بر اساس انتقال حرارت هدایتی استخراج شده اند. نمودارهای زیر به ازای اختلاف دمای داخل و خارج برابر با 25 درجه سلسیوس رسم شده اند. افزایش فاصله بین شیشه ­ها موجب کاهش اتلافات حرارتی برای کلیه گازها می شود. همان­طور که دیده می­شود، افزایش این فاصله از چهار سانتی­متر به بالا عملا تاثیر چندانی بر کاهش تلفات حرارتی ندارد. علاوه بر اینکه به ازای کلیه فاصله­ ها، ابتدا گاز کریپتون و سپس گاز آرگون دارای تلفات کمتری می­باشند.

 
  

شکل 3- تغییرات اتلافات حرارتی هدایتی با فاصله بین لایه ­های شیشه برای گازهای مختلف

اگر حرکت­های جابجائی آزاد سیال بین شیشه ­ها نیز در نظر گرفته شود، رفتار متفاوتی به چشم می خورد. در شکل 4 تغییرات اتلافات حرارتی با در نظر گرفتن حرکت­های درون گاز، Q، رسم شده است. در این حالت از حل معادلات حاکم، به روش عددی، توزیع دما و در نتیجه نرخ انتقال حرارت محاسبه شده است. همان­طور که دیده می­شود، اگرچه در اینجا نیز برای کلیه گازها با افزایش فاصله بین جداره ­ها نرخ تلفات حرارتی، کاهش می­یابد، لکن رفتار گازها متفاوت است. به عبارتی در اینجا استفاده از هوا شرایط مناسب­تری ایجاد کرده و نرخ تلفات را کاهش می دهد.

علت این امر می تواند ناشی از تاثیر لزجت­های گازها بر حرکت­های جابجایی باشد. در حرکت­های جابجایی آزاد عدد ریلی، Ra= gβΔTL3/na  معرف شدت جریان است. ضریب انبساط حجمی  حرارتی هر سه گاز تقریبا برابر بوده و صورت کسر ثابت است. مخرج کسر نیز حاصلضرب ضریب لزجت در ضریب پخش حرارتی، در مورد آرگون بیشتر از کریپتون و هوا بیشتر از دوتای دیگر است. بنابراین عدد ریلی هوا کمتر از دوتای دیگر بوده و جریان­های ضعیف­تری در آن برقرار می­شود. این امر موجب کاهش تبادل حرارت جابجایی آزاد بین دو طرف می­شود. به همین دلیل رفتار شکل 4 در خصوص نقش گازها با رفتار شکل 3 متفاوت است. البته از اثر تشعشعی صرف نظر شده است.

شکل 4- تغییرات اتلافات حرارتی با فاصله بین لایه ­های شیشه برای گازهای مختلف با در نظر گرفتن انتقال حرارت جابجایی آزد

شکل 5- تغییرات اتلافات حرارتی هدایتی با اختلاف دمای دو طرف پنجره برای گازهای مختلف

 
  

شکل 6- تغییرات اتلافات حرارتی با اختلاف دمای دو طرف پنجره برای گازهای مختلف با در نظر گرفتن انتقال حرارت جابجایی آزاد

در شکل­های 5 و 6 به ازای فاصله ثابت بین جداره ­ها داخل و خارج ( 1 سانتی­متر) اثر تغییرات اختلاف دمای بین داخل و خارج بر نرخ­های تبادل حرارت Qc  و Q رسم شده است. تغییرات هر دو تقریبا خطی بوده و با افزایش اختلاف دماهای داخل و خارج،Th – Tc ، اتلافات حرارتی زیاد می­شوند. در اینجا نیز بدون در نظر گرفتن حرکت­های درون گاز، کریپتون شرایط مناسب­تری برای کاهش تلفات حرارتی نشان می دهد. ولی در حضور حرکت­های سیال، هوا مناسب تر است.

منبع:

مجله در و پنجره و نما/ دی ماه 1390/ بهزاد قاسمی/ استادیار مهندسی مکانیک دانشکده فنی و مهندسی دانشگاه شهرکرد

جهت کسب هر گونه اطلاعات بیشتر در این زمینه می توانید با متخصصین ما تماس حاصل فرمائید.

اسکرول به بالا