IMPROVING THERMAL PERFORMANCE OF ENERGY ACTIVE WINDOW SYSTEMS BY INTEGRATING AIR FLOW ELEMENTS TO ENHANCE OCCUPANTS’ COMFORT IN HOT CLIMATES. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Master's Thesis) MS_Thesis_Syed_Yaqeen_Mahdi_202212120_updated_1.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 22 May 2026. Download (5MB)

Arabic Abstract

النشطة (EAW) من خلال تكامل تدفق الهواء الداخلي والتحسين الهندسي. تمت مقارنة النموذج الأساسي لـ EAW، وهو تكوين زجاجي مزدوج وثلاثي مع قنوات هواء سلبية، مع بدائل تصميم متعددة تتضمن قضبان بولي كربونات دائرية ومثلثة ومربعة موضوعة على فترات مختلفة داخل فتحات تدفق الهواء لتحسين خلط الهواء ونقل الحرارة. باستخدام محاكاة ديناميكا الموائع الحسابية في ANSYS Fluent، تم تقييم سلوك تدفق الهواء وأنماط نقل الحرارة عبر نطاق سرعة يتراوح من 0.24 م/ث إلى 0.57 م/ث بينما تم تسجيل مقاييس الأداء المقابلة مثل درجة حرارة الهواء الخارج ودرجة حرارة الزجاج الداخلي ومتوسط فروق درجة حرارة الألواح (∆Tavg) بشكل منهجي. من بين جميع التكوينات المختبرة، ظهر البديل 2 للقضيب المربع (SA2)، مع ثلاثة قضبان متباعدة بمقدار 0.05 م/ث في فتحة تدفق الهواء الخارجي، باعتباره التصميم الأمثل. أظهر هذا التكوين الأمثل زيادة قدرها 0.65 درجة مئوية في درجة حرارة الهواء الخارج وانخفاضًا قدره 2.45 درجة مئوية في درجة حرارة الزجاج الداخلي مقارنةً بنموذج EAW الأساسي بسرعة 0.24 متر/ثانية، مما يؤكد العزل الحراري واستعادة الحرارة بشكل أفضل. علاوة على ذلك، وُجد أن تباعد القضبان يؤثر بشكل كبير على انتقال الحرارة، حيث يؤدي التباعد الضيق إلى زيادة الأداء من خلال تحسين وقت الإقامة والتفاعل السطحي وعلاوة على ذلك، كشفت عمليات المحاكاة السنوية التي أجريت في EnergyPlus (عبر DesignBuilder) أن أفضل حالة EAW قللت من استهلاك طاقة التبريد بنسبة تصل إلى 24.6٪ مقارنةً بنظام الزجاج المزدوج، و17.6٪ مقارنةً بنظام الزجاج الثلاثي، و4.8٪ مقارنةً بنموذج EAW الأساسي. بالإضافة إلى ذلك، أظهر تحليل الراحة الحرارية باستخدام قيم Fanger PMV أن أفضل حالة حافظت باستمرار على PMV بين -0.68 و0.98، مما أبقى شاغلي المبنى ضمن نطاق الراحة الحرارية المحايدة أو قريبًا جدًا منه على مدار العام. في الوقت نفسه، تذبذبت أنظمة الزجاج المزدوج والثلاثي التقليدية خارج هذا النطاق. حُسبت قيمة معامل انتقال الحرارة (U) في أفضل حالة لأنظمة EAW (SA2 بمسافة قضبان 0.05 متر مكعب/متر مكعب) لتكون 0.12 واط/م².كلفن، متفوقةً بشكل ملحوظ على قيم الزجاج التقليدي (التي تتراوح بين 2.2 و5.8 واط/م².كلفن). تُبرز هذه النتائج إمكانات أنظمة EAW المُحسّنة هندسيًا في تقليل أحمال الطاقة مع تحسين الراحة الداخلية بشكل كبير. يُقدم التصميم المُقترح حلاً عمليًا وسلبيًا وقابلًا للتطوير لأغلفة المباني الموفرة للطاقة من الجيل التالي

English Abstract

This study presents a comprehensive numerical investigation into the thermal performance enhancement of an Energy-Active Window (EAW) system through internal airflow integration and geometric optimization. The baseline model of EAW, a double and triple-glazed configuration with passive air channels, was compared against multiple design alternatives incorporating circular, triangular, and square polycarbonate bars placed at various intervals within the airflow slots to enhance air mixing and heat transfer. Using CFD simulations in ANSYS Fluent, airflow behaviour and heat transfer patterns were evaluated across a velocity range of 0.24 m/s to 0.57 m/s while corresponding performance metrics such as outflow air temperature, inner glazing temperature and average of pane temperature differences (∆Tavg) were systematically recorded. Among all the tested configurations, Square Bar Alternative 2 (SA2) emerged as the optimal design with three bars spaced at 0.05 m c/c in the outflow air slot. This best-case configuration demonstrated a 0.65°C increase in outflow air temperature and a 2.45°C reduction in inner glazing temperature compared to the base EAW model at 0.24 m/s velocity, confirming superior thermal insulation and heat recovery. Moreover, bar spacing significantly influences heat transfer, with tighter spacing increasing performance by enhancing residence time and surface interaction. Further, annual simulations performed in EnergyPlus (via DesignBuilder) revealed that the best-case EAW reduced cooling energy consumption by up to 25% compared to a double-glazed system, 18% compared to a triple-glazed system, and 5% compared to the EAW base model. The thermal comfort analysis using Fanger PMV values also showed that the best case consistently maintained PMV between -0.68 and 0.98, keeping occupants within or very close to the neutral thermal comfort range year-round. At the same time, conventional double and triple-glazed systems fluctuated further outside this range. The EAW best-case (SA2 with bar spacing of 0.05 m c/c) U-value was calculated to be 0.12 W/m².K, significantly outperforming conventional glazing values (ranging from 2.2 to 5.8 W/m².K). These results highlight the potential of geometrically optimized EAW systems to reduce energy loads while significantly improving indoor comfort. The proposed design offers a practical, passive, and scalable solution for next-generation energy-efficient building envelopes.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Architectural
Department:	College of Design and Built Environment > Architectural Engineering and Construction Management
Committee Advisor:	Mohammed, Mohammed Alhaji Mohammed
Committee Members:	Ismail, Ismail Mohammed Budaiwi and Adel, Adel Abdelmoneim Abdou
Depositing User:	SYED MAHDI (g202212120)
Date Deposited:	22 May 2025 11:40
Last Modified:	22 May 2025 11:40
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143431