1- مقدمه:

انتقال حرارت زمانی انجام میشود که یک یا چند جسم با اختلاف دما شروع به تبادل انرژی گرمایی با هم کنند که در این صورت تغییرات انرژی در جسم صورت میگیرد این تغییرات همیشه از سمت جسم گرمتر به سمت جسم سرد تر در حال انجام میباشد تا زمانی که به تعادل گرمایی برسند که در این حالت تمامی اجسام دارای دمایی یکسان میباشند.

2- انواع انتقال حرارت:

انتقال حرارت به صورت کلی از سه روش پیرویت میکنن (هدایت ، همرفت و تابش) به به توضیح هر کرام میپردازیم

تصویر شماره 1-انواع انتقال حرارت، از راست به چپ:1- تبادل حرارت تابشی(تشعشع) بین دو صفحه با فاصله2-تبادل حرارت همرفت از سطح به سیال در حال حرکت 3-هدایت توسط یک جسم[1].

    2-1 انتقال حرارت توسط هدایت:

هدایت انتقال گرما بین موادی است که مستقیماً با یکدیگر در تماس هستند. هرچه رسانا بهتر باشد ، گرما با سرعت بیشتری منتقل می شود.رسانایی هنگام گرم شدن ماده اتفاق می افتد ، ذرات انرژی بیشتری به دست می آورند و بیشتر لرزش می کنند. سپس این مولکول ها به ذرات مجاور برخورد کرده و مقداری از انرژی خود را به آنها منتقل می کنند. سپس این کار ادامه یافته و انرژی را از قسمت گرم به سردتر ماده منتقل میشود. [3]

     2-2 انتقال حرارت توسط همرفت:

انرژی گرمایی با همرفت از مکان های گرم به مکانهای سرد منتقل می شود. همرفت زمانی اتفاق می افتد که مناطق گرمتر( مایع یا گاز )به مناطق خنک تری در مایع یا گاز برسد. سپس مایعات یا گاز خنک کننده جای مناطق گرمتری را می گیرد که بالاتر رفته اند. این منجر به یک الگوی گردش مداوم می شود. جوشاندن آب در یک تابه نمونه خوبی از این جریان های همرفت است. مثال خوب دیگر از همرفت در جو است. سطح زمین توسط خورشید گرم می شود ، هوای گرم بالا می رود و هوای خنک وارد می شود.

     2-3 انتقال حرارت توسط تشعشع:   

تشعشع روشی برای انتقال گرما است که به اتفاقی بین منبع حرارت و جسم گرم شده متکی نیست ، همانطور که در مورد هدایت و همرفت اتفاق می افتد. گرما از طریق فضای خالی توسط تابش حرارتی که اغلب اشعه مادون قرمز نامیده می شود ، منتقل می شود. این نوعی تابش الکترومغناطیسی است. در فرآیند تابش هیچ جرمی رد و بدل نمی شود و به هیچ واسطه ای نیاز نیست. به عنوان مثال تابش می توان به گرمای خورشید ، یا گرمای آزاد شده از رشته یک لامپ اشاره کرد. [2].

3- محاسبه  ضریب انتقال حرارت در جداره ها:

جداره های ساختمان مهمترین قسمت در مبحث انرژی میباشد که با باز طراحی و عایق کاری درست میتوان در مصرف انرژی یک ساختمان تغییر چشم گیری ایجاد کرد ولی امروزه برای محاسبه انتقال حرارت جداره های ساختمان های ساخته شده مشکلاتی وجود دارد یکی از این مشکلات نبود شناخت کافی از مصالح ساخته شده جداره ها است . ضخامت مصالح وجنس مصالح بیشترین تاثیر را در میزان انتقال حرارت دارند .برای محاسبه انتقال حرارت در جداره ها از فرمول زیر استفاده میکنیم که به این فرمول قانون فوریه گفته میشود

          تصویر شماره2-فرمول فوریه[4].

Qcond   میزان انتقال گرما از نقطه 1 به نقطه 2 J/s (or w)                       

A سطح مقطعی که از طریق ان هدایت گرما رخ میدهد  m2                                   

K هدایت حرارتی موادW/mK                                                                                                                                                   

    3-1انواع روش محاسبه انتقال حرارت با استفاده از داده ها:

برای محاسبه میزان انتقال حرارت در جداره های ساختمان(u-value)   ب صورت در جا به علت وجود لایه های مختلف و نبود شرایط ازمایشگاهی و یا نبود شناخت کافی از لایه های تشکیل دهنده ان جداره محاسبه ضریب انتقال حرارت دشوار میباشد.

تصویر شماره 3-موارد تاثیر گذار در محاسبه انتقال حرارت[5]  

اگر از لایه های ساختمان اطلاعات داشته باشیم میتوان با استفاده از نرم افزار های همچون energyplus  و DesignBuilder و.... استفاده کرد ,و مقادیر را برای محاسبات وارد نرم افزار های شبیه ساز کرد و نرم افزار نتایج را در اختیار ما قرار میدهد و یا با استفاده از سایت های آنلاین  با وارد کردن اطلاعات اولیه میتوان به محاسبه این مقدار پرداخت .

تعدادی از این سایت ها عبارت اند از:

https://durathermfluids.com/resources/calculators/heat-transfer

https://www.omnicalculator.com/physics/specific-heat

https://planetcalc.com/7072

          3-2-1 محاسبه انتقال حرارت درجا توسط U-value Meter

این دستگاه به صورت در جا در ساختمان و در روی دیوار (قسمت مرتفع دیوار) نصب میشود درون دستگاه گرما توسط یک حس گر مسی گرما سنج اندازه گیری میشود زیرا مس دارای ضریب هدایتی بالا میباشد، این دما سنج به صورت مداوم در حال اندازه گیری دمای خارج شده از جداره میباشد و با افزایش نسبی انرژی خارج شده میتواند مقدار U را محاسبه کند .  [6]    

تصویر شماره4-دستگاه U value meter  که به صورت کاملا عایق شده در روی دیوار نصب میشود

در این دستگاه سعی شده تمامی اجزای تشکیل دهنده انتقال گرما جمع آوری شود توسط گرما سنج(انتقال حرارت هدایت ،هم رفت و تابشی) برای این کار دما سنج درون دستگاه با یک فاصله بسیار کم نزدیک به دیوار نصب میشود .ابن قطعه در دو سمت دیوار نصب میشود این دستگاه حدود .05 % ضریب خطا دارد .

تصویر شماره5-لایه های تشکیل دهنده در هنگام آزمایش [6].

این روش برای دیوار های سنگین مناسب نمیباشد به این دلیل که روند انتقال حرارت به کندی و از حالت پایدار خارج میشود در این دستگاه مقادیر اندازه گیری شده در یک سیستم معادلات استفاده می شود که در آن از خصوصیات حرارتی صفحه حس گر جذب گرما ، جرم ، دمای فضای خارج ، افزایش دما در صفحه حس گر ، ظرفیت گرما و یک انتقال همرفت غیر خطی مراقبت شده. ضریب و بعلاوه خصوصیات قسمت قطعه آزمایش ، مساحت ، دمای نزدیک به دو طرف و زمان اندازه گیری شده و در نهایت با تغییر در فرمول فوریه و جا گزاری اعداد به نتیجه پایانی که مقدار ضریب U است میرسیم. [6].

با استفاده از انتقال حرارت همرفتی و با تابش حرارتی معادله شار گرمایی

و با در نظر گرفتن ضریب انتقال حرارت بنا بر این در این روش انرژی سطح باید با انرژی منتقل شده به سنسور ها برابری داشته باشد ضریب انتقال حرارت از طریق دیواری که چند لایه دارد با توجه به تعریف میشود 

همچنین باید در فرمول سطح اندازه گیری شده را وارد کنیم 

در این فرمول با داشتن دمای داخل و خارج    قادر به دریافت U هستیم       

   بنا بر این با توجه به مدت زمان اندازه گیری و در یافت داده ها از دمای سطوح و دمای خارجی میتوان به فرمول زیر رسید

        3-2-2 محاسبه انتقال حرارت درجا توسط  iso9869

در این روش نیاز به اندازه گیری طولانی مدت میباشد(بین 3 روز تا 7 روز) تا به توان به صورت در جا مقدار RC را محاسبه کرد. از این روش برای اندازه گیری RC و در نهایت U اجزای ساختمان به روش جمع بندی اجزا استفاده میشود در این روش نیازی به لایه برداری از اجزای ساختمان نمیباشد. در این آزمایش هر چه دستگاه ها بیشتر فعال باشند نتایج به حالت آزمایشگاهی نزدیکتر میباشد ، و از طرفی هرچه دیوار سنگین تر باشد مدت زمان بیشتری برای محاسبه مقادیر لازم میباشد (تا 36 روز) [7]

نحوه کار استاندارد [8] Iso9869

در این روش یک سنسور گرما بر روی جداره خارجی و سنسور دیگر در جداره داخلی نصب میشود که تغییرات دمای جداره را در داخل و خارج اندازه گیری میکند در کنار این سنسور ها دو عدد سنسور ترموکوپل نصب میشود که دما را اندازه گیری میکند و در نهایت تمامی اطلاعات به یک دیتا لاگر داده شده و ثبت میشود و در نهایت نرم افزار شروع به جمع آوری اطلاعات و پردازش ان میکند تا به نزدیک ترین جواب نسبت به دوره اندازه گیری برسد، در این آزمایش نباید مقدار Re اندازه گیری شده هر روز از روز قبل مقدار .05 % بیشتر باشد  روش اندازه گیری این مقدار به صورت ماتریکسی میباشد. [7]

          3-2-3 محاسبه انتقال حرارت درجا توسط  ASTR

در این روش که تشابه بسیار به روش iso9869 دارد ولی تفاوتی که در ان وجود دارد ،اهمیت دمای سطح کل جداره که در محاسبه ضریب u تاثیر گذار میباشد در این روش که توسط چگالی ناپایداری حرارتی که در سر تا سر دیوار اندازه گیری شده به دست می آید مقدار u  با توجه به درجه حرارت درونی دیوار هوای داخل اتاق  و هوای بیرون و درجه حرارت سطح دیوار داخلی و با توجه به ضریب انتقال حرارت 7/69W/M2 به دست میاید  یکی از مزیت های این روش دوره زمانی کوتاه ان است [9]

 در این روش از معادلات زیر برای اندازه گیری ضریب U استفاده میشود ، که در ان سطح داخلی حرارت هوای داخل و خارج دمای هوای داخل و اختلاف دمای سطح داخلی را نشان میدهد.

تهیه کننده این مقاله مهندس مصطفی مهاجرانی می باشد.

5-منابع

1. https://www.engr.colostate.edu/CBE101/topics/heat_transfer.html
2. https://www.edinformatics.com/math_science/how-is-heat-transferred.html
3.  http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatra.html
4. https://www.mathjax.org/#docs
5.  https://www.ahlborn.com/en_UK/heat-flux-measurement
6.  Energy Renovation of Buildings Utilizing the U-value Meter,  a New Heat Loss Measuring Device doi:10.3390/su2020461
7.  A response factor-based method for the rapid in-situ determination of wall’s thermal resistance in existing buildings  http://dx.doi.org/10.1016/j.enbuild.2016.03.0 
8.  In-situ characterization of walls’ thermal resistance: An extension to the ISO 9869 standard method  https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2018.09.004
9.  Reliability Field Test of the Air–Surface Temperature Ratio Method for In Situ Measurement of U-Values    doi:10.3390/en11040803