Prozori sa punjenjem stakla fazno promenljivim materijalom

Abstrakt

Sa termalne tačke gledišta, prozori predstavljaju najslabiju vezu između unutrašnjeg i spoljnjeg ambijenta prostorije. U hladnim klimama, oni su odgovorni za 10–25% toplotnih gubitaka iz zagrejanog ambijenta ka spoljnoj atmosferi. U toplim klimama prekomerna solarna radijacija ulazi u unutrašnji ambijent kroz prozore, dovodeći do porasta rashladnog opterećenja rashladnog sistema.

U ovom radu je analiziran prozor sa punjenjem PCM između stakala, koji je izložen solarnoj radijaciji u toploj klimi. Model dvostruko ostakljenog prozora punjenog sa PCM, je relativno jednostavan i korišćena je efektivna konduktivna radijacija, jednodimenzionalna formulacija. Prenos toplote kroz prozor je računat i ukupni koeficijenti toplotnih dobitaka su poređeni i diskutovani.

Uvod

Jedan od efikasnih načina smanjenja prekomernog i rashladnog opterećenja u toplim klimama je eliminisanje ili minimiziranje solarnih toplotnih dobitaka kroz staklene prozore koristeći pasivni mehanizam smanjenja količine direktne solarne radijacije kroz prozor bez smanjenja prirodnog osvetljenja.

Možda Vas zanima:

Pametni prozori iz Koreje – Tehnologija koja bi mogla redefinisati industriju prozora projekat: Atelje Đukić – K4: Integracija stakla, drveta i metala u harmoniji sa prirodom Da li postoje savršeni prozori i vrata? Izbor stakla ima ključnu ulogu u udobnosti vašeg prostora

Zavese, perzijaneri i slični materijali i metode su široko korišćene kao metod za smanjenje incidentne direktne solarne radijacije. U radu [1] se diskutuje o prednostima korišćenja materijala za zasenjivanje, posebno unutrašnje instaliranih, kao što su perzijaneri. Ovi elementi izgledaju više efektivni za toplotnu kontrolu ako su njihove površine reflektivne i ako se njihova orijentacija podešava više puta dnevno.

Jednostavno stakleni prozori su ranjivi na incidentno solarno zračenje koje lako prodire kroz jednostavnu providnu staklenu ploču oko 90%. Razvoj novih materijala i novih tehnologija, i novih strategija za smanjenje potrošnje energije vodi ka naglašenom istraživanju i razvoju više efikasnijih prozora. Prozori koji imaju karakteristiku selektivne solarne radijacije su primeri toplotno efikasnih prozora.

Selektivne osobine uzrokuje depozitni film na staklenim pločama koji dozvoljava promenu propustljivosti, refleksiju i apsorpciju prozora. Ovi filmovi mogu biti projektovani tako da apsorbuju ili reflektuju u skladu sa talasnim dužinama incidentnog zračenja. Veliki pregled tehnologija selektivnih filmova je objavljen u radu [2].

Visoke performanse su takođe ostvarene korišćenjem vakuumskim staklenim panelima kao alternativno rešenje za toplotno izolovane staklene prozore, gde je prenos toplote kondukcijom i konvekcijom značajno smanjen [3-5].

Korišćenje apsorpcionih gasnih punjenja u prostor između staklenih ploča se javlja kao alternativno rešenje za toplotno izolovane staklene prozore. Korišćenje gasova sa jakim infracrvenim radijacionim karakteristikama je istraživano i neki pojednostavljeni modeli su bili formulisani u [6,7].

Nedavno, precizni model zasnovan na modelu spektralne radijacije, koji je primenjen na prozor sa dvostrukim ostakljenjem. Rezultati su zasnovani za noćne uslove, u terminu ukupnih toplotnih dobitaka, zaključeno je da infracrvena radijacija apsorbujućih gasova ima mali uticaj na redukciju prenosa toplote kroz toplotni prozor [6-8]. U radu [9] je predstavljen model koji kombinuje kondukciju, konvekciju i zračenje kod staklenih prozora koji nisu punjeni gasom i određene su temperature stakla pri dnu prozora. Zbog porasta interesa za primenu spektralne integracije jednačine radijacionog transporta u praktičnoj primeni, razvijeno je nekoliko realnih gasnih modela [10-12].

Drugi sistemi staklenih prozora koji koriste alternativne materijale za punjenje umesto apsorpcionih gasova kao što su siliko aerogel [13,14], fazno promenljivi materijali [15-17], homogenic materijali [18,19].

Fluid teče u prostoru između staklenih ploča prozora sa dvostrukim ostakljenjem nudeći opciju za termalno efektivne prozore. Model i računski program za simulaciju performansi konvencionalnih prozora i ventiliranih prozora je razvijen u radu [23]. Studije o efektu venecijanera postavljenih u prostor koji oblikuju dve staklene ploče je objavljen u radu [24].

U ovom radu je dato numeričko modelovanje koncepta sa punjenjem fazno promenljivim materijalom. Rezultati modela su predstavljeni i diskutovani.

Model sa fazno promenljivim materijalom (PCM)

Matematički model

Koncept predstavljen u ovom radu je relativno jednostavan i efektivan. Korišćen je dvostruki stakleni prozor gde su stakla razdvojena na određenu širinu i punjena fazno promenljivim materijalom određene temperature fuzije, kako je prikazano na slici 1. Spoljno staklo prima solarnu radijaciju, gde deo biva apsorbovan, drugi deo se reflektuje i ostatak od oko 80% se prenosi ka fazno promenljivom materijalu (PCM) (u početku u čvrstom stanju), koji apsorbuje deo primljene energije i reflektuje ostatak dok unutrašnja temperatura ostaje nepromenjena.

Na kontaktu između spoljnje staklene ploče i fazno promenljivog materijala (PCM), radijacija apsorbovana od strane PCM i toplota provođenja od strane staklene površine uzrokuje porast temperature PCM, dok dostigne temperaturu fuzije i pretvara sloj PCM u tečnost. Svaki dodatni porast prenesene energije će voditi do porasta temperature tečnosti i konsekventno porasta temperature unutar prostorije. Dobro urađen projekat će omogućiti da se spoljna temperatura spušta pre ukupne fuzije zatvorenog fazno promenljivog materijala (PCM). Problem je formulisan tako da pretpostavlja da nema konvekcije u tečnoj fazi fazno promenljivog materijala (PCM) i konstantne fizičke i toplotne osobine.

U radu je usvojena dimenzionalna formulacija i ignorišu se efekti ekstremiteta panela.

Diferencijalna jednačina za svaki region je

gde I = 1, 2, 3 predstavljaju spoljnu staklenu ploču, fazno promenljivi materijal i unutrašnju staklenu ploču, respektivno.

Odgovarajući granični uslovi za ovaj region su:

(a) Granični uslov na x = 0 je određen uslovom da spoljna površina prozora razmenjuje toplotu konvekcijom i radijacijom sa spoljnim ambijentom.

gde h_G,ext predstavlja koeficijent spoljnjeg globalnog filma i odgovara sumi konvektivnog i radijacionog koeficijenta
h_G,ext = h_C,ext + h_R,ext i
h_R,ext = ε · σ (T²_1e + T²_ext ) (T_1e – T_ext) gde je Ɛ emisivnost stakla i
σ = 5,67 · 10–8
Stefan Boltzmanova konstanta.

(b) Pri x = x1 granični uslov zavisi od stanja fazno promenljivog materijala. Moguća su tri granična uslova.

Iz bilansa energije na interkontaktu staklo-PCM

(b1) PCM je čvrst, kada je temperatura ispod temperature fazne promene T_pa

(b2) Analiziramo PCM blizu unutrašnje strane spoljne staklene ploče, kada je formiran prvi tečni sloj PCM.

(b3) PCM blizu spoljne staklene površine je u tečnom stanju

(c) Pri x = x1 + S(t) koje odgovara interkontaktu tečno-čvrsto stanje, u regionu gde se javlja fazna promena. Praveći toplotni bilans na interkontaktu dolazimo do

T_L = T_S = T_PC

(d) Na isti način kao kod x = x1, granični uslov na x = x2 zavisi od stanja fazno promenljivog materijala blizu unutrašnje površine stakla, daje porast ka tri moguća granična uslova.

(d1) x1< S(t) < x2; čvrsta faza još postoji:

(d2) Zadnji čvrsti sloj

(d3) PCM materijal je potpuno u tečnom stanju:

(e) Na x = x3

gde je hG_,int = h_C,int + h_R,int predstavlja koeficijent unutrašnjeg globalnog filma i odgovara sumi konvektivnog i radijacionog koeficijenta,

Unutrašnji i spoljašnji koeficijenti konvekcije su 8,3 i 16,7 W/m²K respektivni kao što je dato u radu [9]. Unutrašnji i spoljašnji koeficijenti globalnog filma su računati i ažurirani za vreme procesa iteracije.

Jednačine zajedno sa graničnim uslovima su rešene korišćenjem eksplicitne šeme konačnih razlika. U regionu fazno promenljivog materijala PCM je korišćena pokretna mreža, procedura data u [25].

Svaka faza je podeljena u 10 koraka ∆X_L i ∆X_S, u tečnom i čvrstom regionu, respektivno. Svaka debljina staklene ploče je takođe podeljena u 10 jednakih prostornih koraka. Detalji ove mreže su prikazani na slici 2.

Koeficijent solarnog toplotnog dobitka datog sistema je definisan kao deo incidentnog solarnog zračenja koji prodire u unutrašnji ambijent i sastavljen je od: (i) solarna radijacija koja prodire direktno i apsorbovana je od strane unutrašnjeg ambijenta i (ii) solarna radijacija apsorbovana od strane prozorskog sistema i upravljena ka enterijeru preko mehanizama prenosa toplote.

Prva komponenta je određena računanjem koje uključuje optičke osobine prozorskog sistema i podatke o solarnom zračenju. Prozori za stambene objekte su generalno projektovani tako da imaju visoku propustljivost vidljive svetlosti i konsekventno predstavljaju visoku propustljivost solarnog zračenja. Druga komponenta može biti određena korišćenjem optičkih osobina prozorskog sistema, korišćenjem mehanizama prenosa toplote. Konsekventno, za jednostavni stakleni sistem može se napisati:

gde je τ deo incidentnog solarnog zračenja direktno prenesena kroz prozorski sistem, α je koeficijent apsorpcije prozorskog sistema, U je koeficijent prolaza toplote, α U/hext je deo apsorbovan zračenjem. Efekti temperaturne razlike između spoljašnjeg i unutrašnjeg ambijenta kao i unutrašnje i spoljašnje brzine vazduha su uključeni u Uhext. U slučaju dvostruko ostakljenog prozora koeficijent toplotnih dobitaka može se predstaviti na sledeći način:

gde su:

α₁ i α₂ koeficijenti apsorpcije dve staklene ploče, respektivno i hgap je koeficijent filma ograničen fazno promenljivim materijalom u otvoru.

Rezultati i diskusije

Sledeće slike pokazuju numeričke rezultate iz predstavljenog modela za slučaj stakla debljine 6 mm sa fazno promenljivim materijalom.

Slike 3 i 4 prikazuju numeričke rezultate za sisteme sa debljinom stakla 6 mm i fazno promenljivim materijalom PCM. Na slici 4 su predstavljeni rezultati, toplotnih dobitaka i incidentnog zračenja u članovima sunce-vreme za grad Campinas u Brazilu. Slika 4 prikazuje temperaturni profil istog sistema ostakljenja.

Kao što se može videti do sredine dana prisutne su dve faze. Posle sredine dana unutrašnja temperatura počinje da raste postepeno. U ovom radu je ukazana uloga fazno promenljivog materijala PCM. Filteri fazno promenljivog materijala PCM kroz proces fazne promene smanjuju prodor količine toplote dok je kompletno u tečnom stanju.

Slika 5 pokazuje efekat promene debljine stakla na koeficijent prolaza toplote U, koeficijent solarnih dobitaka i šading koeficijent (SC) za slučaj jednostavnog staklenog sistema. Rezultati pokazuju veliko smanjenje vrednosti U, i relativno malo smanjenje vrednosti koeficijenta solarnih dobitaka, SGHC i šading koeficijent SC sa porastom debljine prozorskog stakla.

Rezultati za slučaj dvostrukog staklenog sistema sa fiksnim rastojanjem 3 mm i promenljivim debljinama stakla su prikazani na slici 6. vrednost U se smanjuje neprekidno sa porastom debljine stakla, dok vrednost SHGC(F) i SC pokazuju najmanju vrednost za debljinu stakla od 5 mm.

Dvostruko ostakljeni sistem punjen nepokretnim vazduhom pokazuje U vrednost 2,0–3,0 W/m²K kako je dato na slici 7, dok SHGC i SC ne pokazuju promene usled promene rastojanja između stakala. Slika 8 pokazuje rezultate za slučaj dvostruko ostakljenog sistema sa prostorom punjenim sa PCM. Sa slike se vidi da se U vrednost smanjuje sa porastom rastojanja, dok su F i SC praktično nepromenljivi sa porastom rastojanja.

Eksperimentalni sistem je trenutno u fazi konstrukcije. Rad sistema će biti kontrolisan termoelementima koji mere unutrašnje temperature i uključuju pumpu za punjenje džepa sa obojenim tečnim PCM. Na ovaj način sistem deluje kao pokretna zavesa, za zasenjivanje i toplotnu zaštitu. Numeričke studije (računanja) su korišćene da pomognu kod projektovanja konstrukcije.

Zaključci

U ovom radu je predstavljen model prozora sa dvostrukim ostakljenjem punjenog sa fazno promenljivim materijalom. Model je relativno jednostavan i efektivno radijaciono provođenje je utvrđeno jednodimenzionalnom formulacijom. Dvostruko ostakljeni prozor ima faktor F u oblasti 0,55-0,65. Analizom je utvrđeno da reflektivna stakla kod korišćenja fazno promenljivih materijala imaju neznatan uticaj na F.

Ideja ovog rada je da se u letnjim uslovima, kod dvostrukog ostakljenja koristi PCM. Na taj način bi se izbeglo i spoljno i unutrašnje zasenjivanje. Na ovaj način bi prozorski sistem značajno pojeftinio, a efekti bi bili slični klasičnom zasenjivanju (grilje, roletne i venecijaneri). Naročitu pažnju treba obratiti tipu fazno promenljivog materijala, kako bi se obezbedilo više puta topljenje i očvršćavanje bez remećenja karakteristika.

Eksperimentalni rad će dati odgovarajuće rešenje za punjenje džepa PCM. Dalji koraci će biti usmereni ka projektovanju vakuumskih izolacionih stakala. Eksperimentalni rad na ventilacionim prozorima je predstavljen u [20]. Novi koncept ventilacionih prozora je predstavljen u [21], dok je procedura računanja za ventilacione prozore sa zavesama i venecijanerima predstavljena u [22].

Literatura

• [1] L.Z. Mills, W.R. Mc Cluney, The benefits of using window shades, ASHRAE Journal 35 (1993) 20-27.
• [2] C.M. Lampert, Heat mirror coatings for energy conserving windows, Solar Energy Materials and Solar cells 6(1981) r-41.
• [3] R. Sullivan, D.K. Arasteh, F.A. Beck, Energy performance of evacuated glazing in residential buildings, ASHRAE Transactions 102 (part 2) (1996) 220-227.
• [4] M. Lenzen, R.E. Collins, Long-term field tests of cacuum glazing, Solar Energy 61 (1997) 11-15.
• [5] R.E. Collins, T.M. Simko, Current status of the Science and technology of vacuum glazing, Solar Energy 62 (1998) 189-213.
• [6] T. Eriksson, C. Granqvist, J. Karlsson, Transparent thermal insulation with infrared absorbing gases, Solar Energy Malemals 16 (1987) 243-253.
• [7] S. Reilly, D. Arasteh, M. Rubin, The effects of infrared absorbing gasses on window heat transfer: a compansonof theory and experiments Solar Energy Materials 20 (1990) 277-288.
• [8] K.A.R. Ismail, C. Salinas, Application of the CW model for the solution of non-gray coupled radiative conductive heat transfer in double glass window with canly filled with mixtures of absorbing gases, in: Proccedings of ICHMT International Symposium on Radiative transfer – Radiation IV, Istanbul, 2004.
• [9] T. Muneer, N. Abodahad, A. Gilchrist, Combined conduction, convection and radiation heat transfer model for double-glazed windows, proceedings of the CIBIE a18 (4) (1997) 183-191.
• [10] J. Taine, A. Soufiani, Gas IR radiative properties: from specitroscopic data to approximate models, Advances in Heat Transfer, vol. 33, Acad: Press, San Diego, CA, 1999, pp.295-414.
• [11] M. Denison, B. Webb, A spectral-line based weighted – sum – of – gray gases model for arbitrary RTE solvers, ASME Journal of Heat Transfer 115 (1993) 1004-1012.
• [12] M. Modest, H. Zhang, The full-spectrum correlated – distribution for thermal radiation from molecular gas – particulate mixtures. ASME Journal of Heat Transfer 124 (2002) 30-38.
• [13] M. Einarsrud, S. Haereid, V. Wittwe, Some thermal and optical properties of a new transparent silico aerogel material with low density, Solar Energy Materials and solar cell 31 (1993) 341-347.
• [14] K. Duer, S. Svendsen, Monolithic silica aerogel in superinsulating glazings, Solar Energy 63 (1998) 259-267.
• [15] K.A.R. Ismail, J.R Henriquez, U-Values, optical and thermal coefficients of composite glass systems, Solar Energy Materials and Solar Cells 52 (1998) 155-182.
• [16] K.A.R. Ismail, J.R. Henriquez. Thermally effective windows with moving phase change materials curtains, Appliea Thermal Engineering 21 (2001) 1909-1923.
• [17] H. Manz: P.W. Egolf, P. Suter, A. Goetzberger, TIM-PCM esternal wall system for solar space heating and daylighting, Solar Energy 61 (1997) 369-379.
• [18] K. Rottkay, M. Rubin, J. Kerr, Optical modeling of a complete electrohomic device, in: The 2nd International Conference on Electrochronics, San Diego, USA, Octobar 1996.
• [19] A. Seeboth, J. Schneider, A. Parzak, Material for intelligent sun protecting glazing, Solar Energy Materials and Solar Cells 60 (2000) 263-277.
• [20] N. Onur, M. Sivrioglu, O. Turgut, An experimental study on air window collector having a vertical blind for active heating, Solar Energy 57 (1996) 375-380.
• [21] Y. Elzion, E. Erell, Controlling the transmission of radiant energy through windows: a novel ventilated reversible glazing system, Building and Environment 35 (2000) 433-444.
• [22] J. Tanimoto, K. Kimura, Simulation Study on an air flow window system with an integrated roll screen, Energy and Buildings 26 (1997) 317-325.
• [23] K.H. Haddad, A.H. Elmahdy, Companson of the monthly thermal performance of a conventional window and a supply air window, ASHRAE Transactions 104 (Part 1B) (1998) 1261-1276.
• [24] Z. Zhang, A. Bejan, J.L. Lage, Natural convection in a vertical enclosure with internal permeable screen, Journal of Heat Transfer 113 (1991) 377-383.
• [25] H. Manz, Numerical simulation of heat transfer by natural convection in cavities of facade Elements, Energy and Buildings 35 (2003) 305-311.

Autor teksta: Prof. dr Dragan Škobalj