THE THERMAL ASSESSMENT OF ENERGY ACTIVE WINDOW SYSTEM IN BUILDINGS IN HOT CLIMATES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Mahmoud Magzoub- Final Msc Thesis-March.2024 Full TWKMF.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 3 April 2025. Download (9MB)

Arabic Abstract

لا شك أن غلاف المبنى يلعب دورا محورياً في تقليل استهلاك الطاقة في المباني، خاصة أحمال التبريد وانتقال الهواء من البيئة الداخلية إلى الخارجية، وانتقال ً الحرارة من خلال المواد بناء على طبيعتها وتركيبها الكيميائي. لذلك يعد استخدام النظم الزجاجية متعددة الطبقات مع النوافذ المتكيفة للطاقة عاملاً مهماً في تبني نظام قادر على استخدام الهواء الراجع أو العادم من نظام التكييف. مثل هذه التكنلوجيا تساعد على جعل درجة حرارة السطح الداخلي للنوافذ قريبة من درجة حرارة الغرفة، مما يقلل من أثر عملية التبادل الحراري بين البيئة الخارجية والداخلية للمبنى. هذه التكنولوجيا تستغل أو تستثمر درجة الحرارة المنخفضة نوعياً للهواء الراجع أو العادم من نظام التكييف، فبدلاً من التخلص منه إلى الخارج، يمكن ببساطة استغلال هذا الهواء في تبريد سطح النوافذ الزجاجية من خلال ضخه في الفراغ الموجود بين طبقتي الزجاج. تعتمد هذه الفكرة على مبدأين أساسيين، الأول أنه كلما زادت سرعة الهواء، زادت قدرته على تبريد الأسطح، والثاني أن المقاومة الحرارية للهواء لها علافة عكسية مع درجة حرارته. يهدف هذا البحث لتقييم جدوى استخدام مثل هذا النظام أو الفكرة في أجواء المملكة العربية السعودية وقدرته على التكيف في الأجواء الحارة بشكل عام، ومعرفة أي تغييرات في التصميم أو صلب الفكرة قد يتطلبها استخدامه في الأجواء الحارة والرطبة. يأخذ البحث في عين الاعتبار تجريب عدة نماذج لمعرفة مدى جدواها، ومعرفة أفضل تصميم من ناحية المتغيرات المتعلقة بخصائص الهواء كالحرارة والسرعة والضغط، أو ما يتعلق بتصميم النافذة نفسها، كالمسافة الفاصلة بين لوحي الزجاج. تعتمد منهجية البحث على التجربة والمحاكاة الحاسوبية، حيث تم نمذجة التجربة عن طريق نظم ميكانيكا الموائع الحسابية، لمحاكاة النظام أو التجربة حرارياً وهوائياً لمعرفة الانخفاض المتوقع في درجة حرارة الأسطح. تظهر نتائج التجربة العملية عدم جدوى النظام في الأجواء الحارة، حيث على عكس المتوقع، تزداد درجة حرارة السطح الداخلي للنافذة بين 2إلى 4درجات. على صعيد ً أخر، تظهر النتائج المحاكاة بناء على نماذج مأخوذة من الأبحاث السابقة نتائج ايجابية، في مدى 4إلى 7درجات انخفاض في درجة الحرارة، بناء على المتغيرات التي تمت تجربتها أو محاكاتها حاسوبياَ، بمعامل خطأ لا يتجاوز .% ً 4بناء على النتائج الأبحاث السابقة، يمكن استنتاج حصول توفير معتبر في طاقة المباني، بافتراض صحة النتائج المبنية على الأبحاث السابقة ونمذجة ميكانيكا الموائع الحسابية، على أساس وجود معامل خطاً ٍ عال في التجربة العملية

English Abstract

Building envelopes plays a vital role in reducing energy consumption in buildings, especially in heat and mass transfer, HVAC cooling load, infiltration rate, and exfiltration. Using a multi-layer glazing system, Energy Active Window (EAW) adapts window insulation technology to reuse low-grade air from the HVAC system. This technology makes the temperature at the internal surface of the window close to the indoor air temperature, which would minimize heat exchange between indoor and outdoor. It invests the relatively low temperature of return-air airflow in the air gap between glass panes of the windows or curtain system to reduce the temperature of the air gap and the stagnant air film on glass panels. The system uses two basic concepts related to window thermal design: firstly, moving air has a higher ability to reduce surface temperature than stagnant air; secondly, air resistivity has an inverse relationship with its temperature. The glass portion in any building envelope is considered weak, especially in high-rise buildings where the entire envelope is the source of enormous heat inlet. The Energy Active Window (EAW) solution does not affect the visual quality or reduce daylighting entering indoor space, and all the system components are hidden in a specific frame. This study attempted to reduce energy consumption by increasing the thermal resistivity of the curtain system without adding another glass panel, channeling the Return Air (RA) from the HVAC system into the curtain frame to reduce the temperature of the air gap and air film layer. The research methodology used in this study includes experiments and simulation to examine the heat exchange rate between outdoor and indoor building environments. A state-of-the-art CFD program has been used to simulate exhaust/return air behavior in the window system aerodynamically and thermally, to provide the expected reduction of surface temperature. When conducting CFD simulation and validated it with experimental setup detailly described in literature, results show a reduction of 4 to 7 °C based ontype of window, for both inner and outer pane when outdoor temperature is 45 degrees with less than 4% margin of error. Different components of EAW were tested with variety of velocities, air gap width, air volume, outdoor temperatures and using triple of double-glazing layer. Moreover, an implantation guideline was developed to help researchers to develop a solid setup with low margin of error in hot climate of Dhahran; a prediction guideline was developed also to give the optimum values to get best outcomes from EAW in hot climates. Based on these results such a system would have high potential to reduce surface temperature of the window, a significant reduction of energy consumption is expected, without adding any tangible initial or running cost on stakeholders

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Environmental
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Committee Advisor:	Mohammed, Mohammed
Committee Members:	Budaiwi, Ismail M. and Al-Homoud, M.
Depositing User:	MAHMOUD MAGZOUB (g201908090)
Date Deposited:	22 Apr 2024 06:29
Last Modified:	22 Apr 2024 06:29
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142832