انواع انتقال حرارت در ساختمان

هر تبادل حرارتی در ساختمان از سه مسیر انجام می‌شود:

1. رسانش (Conduction)

انتقال حرارت از میان جداره‌های جامد مثل دیوار، سقف، پنجره، کف.

شدت رسانش وابسته به:

• اختلاف دما


• ضریب هدایت حرارتی مصالح $k$


• ضخامت جداره

فرمول پایه رسانش:

$Q = U \cdot A \cdot \Delta T$

که مهم‌ترین پارامتر آن U-Value است.

---

2. جابجایی (Convection)

انتقال حرارت از سطح جداره به هوای اطراف:

• جابجایی طبیعی (تغییر دانسیته هوا)


• جابجایی اجباری (باد، سیستم تهویه)

در مرز سطح جداره، ضریب انتقال حرارت جابجایی $h$ نقش دارد.

---

3. تشعشع (Radiation)

انتقال انرژی به صورت امواج حرارتی بین دو سطح با دماهای مختلف.

نمونه‌ها:

• تابش خورشید به پنجره


• تبادل حرارت بین سقف سرد و بدن انسان


• تابش ناشی از بخاری یا شومینه

در محاسبات حرارتی ساختمان، تشعشع نقش کلیدی دارد، مخصوصاً برای پنجره‌ها و سطوح خارجی.

---

ضریب انتقال حرارت کل (U-Value)

U مهم‌ترین پارامتر در محاسبات حرارتی است و میزان عبور حرارت از یک جداره را نشان می‌دهد.

هرچه U کمتر باشد، عایق‌بودن بهتر است.

فرمول کلی محاسبه از مقاومت حرارتی:

$$U = \frac{1}{R_{total}}$$

و

$$R_{total} = R_{si} + R_{1} + R_{2} + … + R_{so}$$

هر لایه مقاومت حرارتی دارد:

$$R = \frac{d}{k}$$

• $d$: ضخامت


• $k$: ضریب هدایت حرارتی مصالح

در پایان برای کل جداره $U$ به دست می‌آید و بعد مقدار انتقال حرارت با فرمول زیر محاسبه می‌شود:

$$Q = U \cdot A \cdot \Delta T$$

---

محاسبه انتقال حرارت در اجزای مختلف ساختمان

1. دیوارها

از فرمول رسانش:

• تعیین لایه‌ها (آجر، گچ، عایق…)


• محاسبه مقاومت کل


• محاسبه U


• سپس محاسبه مقدار گرمایش/سرمایش مورد نیاز

---

2. سقف

سقف‌ها معمولاً بزرگ‌ترین سهم اتلاف حرارت در زمستان و جذب تابش در تابستان را دارند.

در اقلیم گرم و خشک سقف نقش حیاتی دارد.

فرمول مشابه دیوار، ولی اثر تابش خورشید (Solar Gain) نیز اضافه می‌شود.

---

3. کف

اتلاف حرارت از کف معمولاً کمتر است؛ مگر کف روی زمین سرد یا طبقه همکف باشد.

---

4. پنجره‌ها

پنجره‌ها پیچیده‌تر هستند چون شامل:

• رسانش


• جابجایی


• تشعشع


• عبور تابش خورشید $SHGC$

پارامترهای مهم پنجره:

• $U_{window}$


• $SHGC$: ضریب سود حرارت خورشیدی


• نوع شیشه (single, double, low-e)

انتقال حرارت کل پنجره:

$$Q = U \cdot A \cdot \Delta T + \text{Solar Gain}$$

---

فرم‌های مهم مورد استفاده در محاسبات حرارتی

انتقال حرارت ساعتی

بر اساس اختلاف دمای داخل و خارج:

$$Q = U \cdot A \cdot (T_{inside} - T_{outside})$$

سود حرارت تابشی خورشید

$$Q_{solar} = A_{glass} \cdot SHGC \cdot I$$

• $I$: شدت تابش خورشید


• وابسته به هندسه خورشید، فصل، ساعت

---

بار حرارتی (Heat Load) در ساختمان

برای طراحی سیستم‌های گرمایش/سرمایش باید کل Q تمام اجزا جمع شود:

• دیوارها


• سقف


• کف


• پنجره‌ها


• نفوذ هوا (Infiltration)


• افراد و تجهیزات

بار نهایی را به دستگاه‌های سرمایش/گرمایش می‌دهند.

---

نقش طراحی معماری در کاهش انتقال حرارت

• افزایش عایق (کاهش U)


• استفاده از سایه‌بان


• استفاده از جرم حرارتی


• تهویه مناسب


• انتخاب جهت‌گیری مناسب


• بهینه‌سازی اندازه پنجره‌ها