Thermal design in architecture

1. Thermal design in architecture Instructor: M Sc. Eng. Nagham Ali Hasan 10rdlecture- 1st semester 2010/2011

2. Thermal comfortالراحة الحرارية: • Definition: • the state of mind that expresses satisfaction with the surrounding environment • يحصل الشعور بالراحة الحرارية عندما يتمكن الشخص من التخلص من الطاقة الحرارية الزائدة،المتولدة بصورة مستمرة داخل جسمه، والناتجة عن عمليات الأيض الغذائي. وهذا يؤدي الى حصول( لجسم الانسان. والمحافظة على درجة حرارة الجسم ب ( ٣٧ درجة مئويةThermal Balance التوازن الحراري. في حين تكون درجة حرارة الجلد 31-٣٤ درجة مئوية (a) Heat transfer mechanisms: the Bedouin by day. (b) Heat transfer mechanisms: the Bedouin at night.

4. Thermal equilibrium الاتزان الحراري للإنسان : أي الحالة التي يشعر فيها الإنسان بالرضى والنشاط في البيئة الحرارية المحيطة به. Mmetabolism ±( R+ Cd +Cv) – E energy = zero

5. Thermal equilibrium الاتزان الحراري للبيئة الداخلية للمبنى\ a material is at thermal equilibrium when there is no energy/heat transfer between the material and its surroundings

6. العوامل المؤثرة في الشعور بالراحة الحرارية: يتحكم في تلك العمليات لإنتاج أو فقد الحرارة عوامل مناخية كدرجات الحرارة والرطوبة النسبية وحركة الهواء والإشعاع وعوامل أخرى ترجع للإنسان, كالتأقلم والسن ونوع الجنس وشكل الجسم والدهون المختزنة والحالة الصحية ونوعية النشاط الذي يمارسه والنظام الغذائي.

7. Comfort, health and environmental physics • Thermal comfort include: – air temperature and temperature gradients – radiant temperature – air movement – ambient water vapor pressure – amount of clothing worn by the occupants – occupants’ level of activity. Indoor comfort, apart from being a subjective matter, depends mainly on two factors: indoor temperature and humidity.

8. Thermal transmission • Forms of thermal transmission: • Conduction التوصيل • Convection الانتقال • Radiation الإشعاع • Evaporation and condensing البخر والتكثيف يتم التبادل الحراري بين المبنى والبيئة المحيطة عن طريق : • الأسطح الخارجية للمبنى • الفتحات • التهوية والتسريب

9.  Conduction occurs in a solid material when its molecules are at different temperatures. The hotter molecules transmit energy (heat) to the cold side of the material. For example, a spoon placed into a hot cup of coffee conducts heat through its handle and into the hand that grasps it. In buildings, conduction occurs primarily through walls and windows.  Convection is the transfer of energy by the movement of fluids and gases. Warm air rises and is replaced by colder air drawn in from outside. In multi-storey buildings* with inadequate internal partitions, this can create powerful and wasteful draughts.  Radiation is where the energy is transported by electromagnetic waves*. Unlike the other mechanisms, radiation requires no intervening medium to propagate. Radiation into buildings occurs mainly through glass windows and doors, but if walls are not well insulated, radiation falling outside may heat the inside by conduction.

10. Envelope of the building:Thermal design principles • تقييم الظروف المناخية • تقييم الظروف الداخلية • تحديد الوسائل والإجراءات التصميمية • Thermal design requirements:

11. Gaza city climate • المعلومات المناخية لمدينة غزة: • درجة الحرارة 25-13 ’م • الرطوبة النسبية 65%-85%صيفا, 60-80%شتاء • الرياح السائدة: شمالية غربية متغيرة 9.3م\ث

12. Building categories for thermal design

13. Factors affect on thermal design

14. الخصائص الحرارية لمواد البناء وعناصر الإنشاء Building Material Thermal properties Note: Proper component and insulation materials allow a decrease in the heating or cooling needed by providing an effective resistance to the flow of heat, or said more simply, by creating a better conservation of the inside temperature.

15. Thermal storage الكتلة الحرارية: thermal massهي مقدار اختزان الحرارة المنتقلة إلى المادة والاحتفاظ بها أو فقدانها Q= ρ. C .V . ∆t كلما زادت كتلة المادة زادت قدرتها على اختزان الحرارة المواد الثقيلة : كالرخام – الباطون- الطوب الأسمنتي- كتلة حرارية عالية“ اختزان حراري عالي إلا أنها عالية التوصيل الحراري بحيث تتطلب عزل حراري لتحسين أدائها بينما المباني التراثية ذات الجدران الحجرية السميكة والمباني الطينية جيدة الاختزان الحراري تحتفظ بجو داخلي مريح. يتم التمييز بين العناصر الإنشائية حسب قدرتها على اختزان الحرارة إلى: عناصر إنشائية ثقيلة: بطيئة التسخين والتبريد استجابة حرارية بطيئة عناصر إنشائية خفيفة: عالية التسخين والتبريد استجابة حرارية سريعة

16. الموصلية الحراريةk)) Thermal conductivity هي قيمة التيار الحراري المار عموديا خلال وحدة المساحة من سطح وسط مادي سماكته متر واحد بتأثير فرق درجة الحرارة بين سطحيه درجة واحدة هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كجم واحد من المادة درجة مئوية واحدة السعة الحرارية(c) heat capacity

17. Thermal conductance (C) المواصلة الحرارية • هي مقدار التيار الحراري watt المار عموديا على وحدة المساحة لعنصر إنشائي نتيجة تأثير فرق درجة الحرارة بين سطحيه. • k الموصلية الحرارية • d سماكة المادة • تتأثر بالكثافة والسعة الحرارية ودرجة الحرارة والرطوبة. • كلما زادت كثافة المادة زادت قدرتها موصليتها C=k/d watt/m2.k

18. Thermal Conductivity Measurement

20. Thermal resistance المقاومة الحرارية: هي خاصية منع انتقال الحرارة خلال عنصر إنشائي . أو هي قدرة العنصر الإنشائي على عزل الحرارة. R= 1/C = d/k المقاومة الحرارية لعنصر إنشائي من طبقة واحدة متجانسة R=R1+R2+R3+….Rn المقاومة الحرارية لعنصر إنشائي متعدد الطبقات RT=Rsi+Rso+R المقاومة الحرارية الكلية لعنصر إنشائي حيث : المقاومة الحرارية للسطح الداخلي Rsi المقاومة الحرارية للسطح الخارجي Rso

22. Insulation and building materials Definition: Insulation means all materials with a high resistance to heat flow. حبيبات الحشو الخفيف: سائل رغوي بخاخ: الألواح الصلبة أو الشرائح:

23. Thermal insulation • تأثير موضع العازل في العناصر الإنشائية: • Internal • External • medium

24. Time lag: التخلف الزمني • Time lag: التخلف الزمني : φهو الفارق الزمني في وصول الموجة الحرارية من السطح الخارجي للعنصر الإنشائي إلى سطحه الداخلي ويقاس بالساعة. • يعتمد سرعة انتقال الحرارة من الخارج إلى الداخل على: • نوع المادة, • تغير زوايا سقوط الشمس وشدتها • سمك الحائط- الموصلية- الكثافة

25. الجسور الحرارية thermal bridge • الجسور الحرارية وتسمى الجسور الباردة cold bridges وهي أجزاء من المنشأ ذات مقاومة حرارية منخفضة (فقد حراري عالي) وتكون مجاورة لأجزاء أخرى ذات مقاومة حرارية أعلى (فقد حراري أقل) • وتتعرض السطوح للعناصر الإنشائية التي تشغل جسوراً حرارية لخطر تكثف الرطوبة عليها لكونها الأشد برودة,. • أماكن تواجدها: • توجد عند زوايا الجدران الخارجية • مواضع التقاء الجدران بالأسقف • التقاء الجدران بالأرضيات والسقف