เนื้อหาวันที่ : 2009-09-21 11:37:40 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 7366 views

การคำนวณการลดความร้อนรับเข้าสู่ตัวบ้านผ่านกระจกสองชั้น

ความร้อนจากรังสีของดวงอาทิตย์เป็นสาเหตุสำคัญให้อาคารบ้านเรือนมีความร้อนเข้าสู่ภายในและเกิดความไม่สบายในการพักอาศัย การใช้กระจกสองชั้นเพื่อลดความร้อนและให้เกิดความถ่ายเทของอากาศก็เป็นอีกวิธีหนึ่งที่ช่วยให้ความร้อนที่เข้ามาได้มีการระบายออกและมีอากาศหมุนเวียนที่ดีขึ้นจริงหรือ พิสูจน์ได้จากการคำนวณ

อ.ดร.วิทยา พวงสมบัติ
สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษมบัณฑิต

.

.

ความร้อนจากรังสีของดวงอาทิตย์เป็นสาเหตุสำคัญให้อาคารบ้านเรือนมีความร้อนเข้าสู่ภายในและเกิดความไม่สบายในการพักอาศัย การใช้กระจกสองชั้นเพื่อลดความร้อนและให้เกิดความถ่ายเทของอากาศก็เป็นอีกวิธีหนึ่งที่ช่วยให้ความร้อนที่เข้ามาได้มีการระบายออกและมีอากาศหมุนเวียนที่ดีขึ้นจริงหรือ พิสูจน์ได้จากการคำนวณ

.

ปัญหาความสบายภายในบ้านพักอาศัยเขตร้อนชื้นส่วนใหญ่ คือปริมาณความร้อนจากการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ในแต่ละวันที่เข้าสู่ภายในบ้านพักอาศัยเกือบตลอดทั้งปี ทั้งทางด้านหลังคา ผนัง หน้าต่าง และส่วนอื่นที่ได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์ ดังนั้นเพื่อสนองต่อความสบายของมนุษย์จึงได้นำการใช้พลังงานเชิงพาณิชย์ผ่านเครื่องจักรกลทางไฟฟ้า

.

เช่น พัดลม เครื่องปรับอากาศ มาใช้ปรับสภาวะภายในบ้านพักอาศัยให้เหมาะสม ซึ่งทำให้เกิดการสิ้นเปลืองพลังงานเชิงพาณิชย์เป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งประเทศที่ต้องนำเข้าพลังงานเชิงพาณิชย์จะส่งผลให้เกิดการขาดดุลการค้า อีกทั้งยังก่อให้เกิดปัญหาทางด้านมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมเนื่องจากผลของการใช้หรือเปลี่ยนรูปแบบของพลังงาน

.

แต่แนวทางหนึ่งที่ใช้ในการลดปริมาณความร้อนจากรังสีอาทิตย์ที่เข้าสู่บ้านพักอาศัยเพื่อให้เกิดความสบายแบบประหยัดพลังงาน คือ การประยุกต์ใช้หลักการของตัวเก็บรังสีอาทิตย์กับหลังคาและผนัง ซึ่งจะทำให้ค่าการถ่ายเทความร้อนต่ำลง อีกทั้งยังทำให้เกิดการระบายอากาศแบบธรรมชาติภายในบ้านพักอาศัย โดยที่ผลลัพธ์นี้เกิดจากการออกแบบรูปร่างหลังคา และผนังให้เหมาะสม คือ มีส่วนด้านนอก ช่องอากาศ ส่วนด้านในของทั้งผนังและหลังคา

.

รวมทั้งจัดช่องทางเข้าของอากาศที่ส่วนด้านใน และช่องทางออกของอากาศที่ส่วนด้านนอกของทั้งหลังคา และผนัง เพื่ออาศัยอิทธิพลของแรงลอยตัวของอากาศที่อยู่ภายในช่องอากาศนี้เหนี่ยวนำให้เกิดการไหลเวียนของอากาศภายหลังจากรังสีอาทิตย์ตกกระทบหลังคาและผนัง หรือกล่าวได้ว่าเมื่อรังสีอาทิตย์ตกกระทบผิวหลังคา และผนังที่ประยุกต์ใช้หลักการของตัวเก็บรังสีอาทิตย์ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิผิวสูงขึ้น และอากาศภายในช่องที่สัมผัสกับผิวร้อนนี้ จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นจึงให้ความหนาแน่นของอากาศซึ่งแปรผกผันกับอุณหภูมิมีค่าต่ำลง

.

ดังนั้นอากาศภายในช่องว่างอากาศจึงลอยตัวสูงขึ้น และไหลออกสู่ช่องทางออกที่ส่วนด้านนอกหลังคาและผนัง จึงทำให้เกิดการเหนี่ยวนำให้อากาศภายในห้องที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไหลเข้าสู่ช่องว่างอากาศทางส่วนด้านในทั้งของหลังคาและผนัง ดังนั้นตราบใดที่ผลของแรงลอยตัวของอากาศภายในช่องว่างยังดำเนินอย่างต่อเนื่อง ก็จะทำให้เกิดการระบายอากาศตามธรรมชาติ และจากผลลัพธ์นี้จึงทำให้ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทผ่านผนังและหลังคา

.

เนื่องจากอิทธิพลของรังสีอาทิตย์เข้าสู่ภายในบ้านลดลง เพราะอากาศที่ระบายออกไปผ่านช่องว่างจะพาความร้อนส่วนหนึ่งจากผิวที่มีอุณหภูมิสูงถ่ายเทออกไป จึงส่งผลให้ช่องอากาศนี้ทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อนที่จะเข้าสู่อาคารอีกชั้นหนึ่ง และจากผลของการระบายอากาศแบบธรรมชาติภายในบ้านพักอาศัยจึงทำให้ผู้ที่อยู่ภายในบ้านพักอาศัยรู้สึกสบาย เพราะเกิดการแทนที่อากาศภายในซึ่งเป็นการระบายอากาศเพื่อสุขภาพของผู้พักอาศัย

.

รวมทั้งผลจากความเร็วของอากาศที่เคลื่อนที่ภายในบ้าน หน้าต่างกระจก เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของบ้านหรืออาคารที่เป็นทางผ่านของลม ความร้อน และแสงสว่าง ที่เข้าสู่บ้านหรืออาคารได้ จึงได้รับความนิยมมากในการติดตั้งสำหรับบ้านพัก และอาคาร เนื่องจากทำให้ผู้อาศัยสามารถเห็นทัศนียภาพภายนอกบ้านพักอาศัย นอกจากนี้ ยังสามารถติดตั้งง่าย รวดเร็ว และสะดวกกว่าการก่อผนังทึบด้วยคอนกรีต

.

ปัจจุบันจึงมีการพัฒนาหน้าต่างกระจกให้มีความสวยงาม ทันสมัยและประหยัดพลังงาน สามารถป้องกันความร้อนได้ดี และยอมให้แสงผ่านเข้ามา ได้มากเพื่อการนำไปใช้ประโยชน์ได้ โดยรูปแบบของหน้าต่างกระจกสองชั้น จะทำการดัดแปลงจากกระจกชั้นเดียวให้เป็นหน้าต่างกระจกสองชั้นซึ่งจะเกิดช่องว่างระหว่างกระจก แล้วจะทำการเจาะช่องเปิดระบายอากาศด้านบนที่กระจกชั้นนอก และเจาะช่องเปิดระบายอากาศด้านล่างที่กระจกชั้นใน

.

ซึ่งหลักการระบายอากาศของกระจกสองชั้นก็คือ เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบที่พื้นผิวของกระจกด้านนอก ซึ่งเกิดการแผ่รังสีความร้อน และจะส่งผ่านความร้อนผ่านกระจกชั้นนอก ถ่ายเทความร้อนให้กับอากาศในช่องว่าง และเมื่ออากาศได้รับความร้อน ทำให้ความหนาแน่นของอากาศจะลดลง อากาศสามารถลอยตัวสูงขึ้น ซึ่งจะเกิดการพาความร้อนแบบธรรมชาติระหว่างกระจกสองชั้น โดยจะนำพาอากาศร้อนไหลออกสู่ช่องเปิดด้านบน

.

เนื่องจากอากาศจะไม่สามารถเกิดช่องว่างอากาศได้ จึงมีการไหลของอากาศในห้องเข้าสู่ช่องเปิดด้านล่างเข้าแทนที่อากาศในช่องว่างระหว่างกระจกเกิดเป็นระบบระบายอากาศแบบธรรมชาติ ทำให้อากาศเกิดการไหลเวียนหรือเกิดการถ่ายเทของอากาศเกิดขึ้น ทำให้สามารถลดความร้อนที่จะผ่านหน้าต่างกระจกสองชั้นเข้าสู่ภายในห้องได้ และยังสามารถลดอุณหภูมิภายในห้องซึ่งเกิดจากการไหลเวียนของอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 1

.

รูปที่ 1 รูปการระบายอากาศของห้องที่ติดตั้งหน้าต่างกระจกสองชั้น

.

รูปที่ 2 รูปการถ่ายเทความร้อนต่างๆ ของหน้าต่างกระจกสองชั้นระบายอากาศ

.

รูปที่ 3 รูปวงจรความต้านทานทางความร้อนของหน้าต่างกระจกสองชั้นระบายอากาศ

.
การกระจายความร้อนของกระจกสองชั้นระบายอากาศ

สำหรับการวางกระจกในแนวตั้งฉาก ซึ่งสามารถสมดุลสมการพลังงานอย่างง่าย ถือว่าระหว่างการนำความร้อนในกระจก และการถ่ายความร้อนด้วยการพาความร้อนแบบธรรมชาติไปกับการเคลื่อนที่ของอากาศ สำหรับทางด้านกระจกที่สัมผัสกับอากาศแวดล้อม จะทำให้มีการเคลื่อนที่ของอากาศระหว่างแผ่นกระจกสองชั้นและของอากาศในห้องจะสามารถสมดุลสมการพลังงานที่เหมาะสม ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระจกสองชั้นกับสภาวะแวดล้อม ซึ่งบ่งบอกถึงการดูดกลืนพลังงานแสงอาทิตย์บนผิวของกระจก การถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน การแผ่รังสี การถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อนจะผ่านทะลุกระจก และการเก็บสะสมพลังงาน

.
การเคลื่อนที่ของอากาศ

ช่องอากาศแบ่งออกเป็นส่วนของทางเข้า โดยส่วนแรกคืออุณหภูมิทางเข้าของอากาศ จะเท่ากับอุณหภูมิในห้อง และส่วนที่สองคืออุณหภูมิทางออกของอากาศทางด้านนอกห้องซึ่งจะเชื่อมต่อกันด้วยช่องทางการไหลของอากาศ ซึ่งสามารถคำนวณในรูปอัตราไหลเชิงปริมาตรของอากาศที่เหนี่ยวนำระหว่างกระจกสองชั้นระบายอากาศ สามารถคำนวณโดยใช้สมการ ดังนี้ [1]

.
                                                                   (1)
.
เมื่อ     =  อัตราไหลเชิงปริมาตรของอากาศ, (m3/s)    
       To  = อุณหภูมิของอากาศที่ทางออกช่องเปิด, (K)   
       Ti   = อุณหภูมิของอากาศที่ทางเข้าช่องเปิด, (K)  
       AR  = อัตราส่วนพื้นที่หน้าตัดของทางออกต่อทางเข้า, 
       AC  = พื้นที่หน้าตัดการไหลของอากาศ, (m2)   
                             =        (2)                                                      
       Cd  =  สัมประสิทธิ์การปล่อยออกของช่องเปิด
        S   =  ระยะห่างของช่องว่างอากาศระหว่างกระจกสองชั้น , (m)    
        W  =  ความกว้างของกระจก, (m)  
         L  =   ความสูงของกระจก, (m)  
      ACH = อัตราการเปลี่ยนอากาศ, (1/hr)
           = ปริมาตรของห้อง, (m3)
.
การถ่ายเทความร้อน
สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนรวม
                        (3)
.
ความร้อนที่สูญเสียรวม
                   (4)
.
ปริมาณรังสีอาทิตย์ที่ถูกดูดกลืนด้วยกระจกสองชั้น
สำหรับกระจกชั้นนอก                                                             
สำหรับกระจกชั้นใน    
.
ดังนั้นอัตราการถ่ายเทความร้อนที่ถ่ายเทออกที่ทางช่องเปิด ที่ทางออกของกระจกชั้นนอกคือ
                                       (5)
                             (6)
.
เมื่อ     GT =   ค่าความเข้มรังสีอาทิตย์รวม, (W/m2)
          A   = พื้นที่พื้นผิวของกระจก, (m2)
          T = ค่าการส่งผ่านรังสี
      a1,a2 = ค่าการดูดกลืนความร้อน
.
ประสิทธิภาพการระบายอากาศของหน้าต่างกระจกสองชั้น
จากอัตราการไหลของอากาศเชิงมวล
                                       (7)
เมื่อ      GQ = ความหนาแน่นของอากาศในช่องว่างระหว่างกระจกสองชั้น , (kg/m3)
.
ประสิทธิภาพการระบายอากาศของหน้าต่างกระจกสองชั้น คือ
                                       (8)
เมื่อ       G= ค่าความเข้มรังสีอาทิตย์รวม, (W/m2)
           Cp   = ความจุความร้อนจำเพาะของอากาศ, 
             S  = ระยะห่างระหว่างกระจกสองชั้น, (m)
             L  = ความสูงของกระจก, (m)
.

ตัวอย่างการคำนวณ หน้าต่างกระจกสองชั้นบานหนึ่งดังแสดงในรูปที่ 2 มีข้อมูลต่างๆ ดังแสดงในโจทย์ด้านล่าง จงหาประสิทธิภาพของการระบายอากาศผ่านหน้าต่างกระจกสองชั้น

อุณหภูมิที่ทางเข้าของช่องเปิด     Ti  = 35 oC  = 308 K                
อุณหภูมิที่ทางออกของช่องเปิด   To = 36 oC   = 309 K             
ค่าความเข้มรังสีอาทิตย์รวม       GT  = 500 W/m2
ค่าความต้านทานความร้อนรวม   Rtot = 0.60 m2. K/ W
.
ขนาด และคุณสมบัติของกระจกชั้นใน และชั้นนอก

กระจกชนิด FL 12 CLEAR GLASS
ขนาดกระจก (SxL)                       = 0.9  1.07 m
ขนาดช่องว่างระหว่างกระจก (W )     = 0.065 m
ความหนากระจก ()                  = 6 mm = 0.006 m
ค่าการดูดกลืน ()                   = 0.13
ค่าการส่งผ่านรังสี ()                = 0.8

.
สัมประสิทธิ์การการถ่ายเทความร้อนรวม จาก สมการ (3) ได้
.
ความร้อนที่สูญเสียรวมคำนวณจาก
.
ดังนั้น ความร้อนที่ถูกถ่ายเทออกไป คำนวณจาก
.
การคำนวณอัตราการไหลเชิงปริมาตรของอากาศผ่านหน้าต่างกระจกสองชั้น
จากสมการ (1)
.
คำนวณหาพื้นที่หน้าตัดการไหลของอากาศ  
   Ac =  W×S    
       =  0.9m×0.065m
       =  0.06  m²
.
คำนวณหาอัตราส่วนพื้นที่หน้าตัดของทางออกต่อทางเข้าของหน้าต่างกระจกสองชั้น
.
แทนค่าในสมการ (1)
.
การคำนวณประสิทธิภาพการระบายอากาศของหน้าต่างกระจกสองชั้น
จาก สมการ (7) คำนวณอัตราการไหลของอากาศเชิงมวล
.
ดังนั้น ประสิทธิภาพการระบายอากาศของหน้าต่างกระจกสองชั้น คือ
.

จากวิธีการคำนวณจะเห็นได้ว่า เมื่อใช้หน้าต่างกระจกสองชั้นจะทำให้การถ่ายเทความร้อนผ่านกรอบอาคารเข้าสู่ภายในบ้านมีค่าน้อยลง เนื่องจากมีการระบายอากาศผ่านหน้าต่างกระจกสองชั้น และยังสามารถนำวิธีการดังกล่าวไปใช้ร่วมกับส่วนอื่นๆ ของกรอบอาคารเพื่อลดความร้อนรับเข้าสู่ตัวบ้านได้

.
เอกสารอ้างอิง

• John A. Duffie and William A. Beckman, "Solar Engineering of Thermal Processes," John Wiley & Sons. Inc., 1980.
• Awbi., H.B., 1994, "Design Considerations For Naturally Ventilated Building," Renewable Energy, Vol.5, Part II, pp. 1081-1090
• ไพฑูรย์ มีศิลป์ และ คณะ, 2550, "การลดความร้อนเข้าสู่ตัวอาคารโดยการระบายอากาศแบบธรรมชาติผ่านหน้าต่างกระจกสองชั้น," ปริญญานิพนธ์, สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษมบัณฑิต

.

สงวนลิขสิทธิ์ ตามพระราชบัญญัติลิขสิทธิ์ พ.ศ. 2539 www.thailandindustry.com
Copyright (C) 2009 www.thailandindustry.com All rights reserved.

ขอสงวนสิทธิ์ ข้อมูล เนื้อหา บทความ และรูปภาพ (ในส่วนที่ทำขึ้นเอง) ทั้งหมดที่ปรากฎอยู่ในเว็บไซต์ www.thailandindustry.com ห้ามมิให้บุคคลใด คัดลอก หรือ ทำสำเนา หรือ ดัดแปลง ข้อความหรือบทความใดๆ ของเว็บไซต์ หากผู้ใดละเมิด ไม่ว่าการลอกเลียน หรือนำส่วนหนึ่งส่วนใดของบทความนี้ไปใช้ ดัดแปลง โดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร จะถูกดำเนินคดี ตามที่กฏหมายบัญญัติไว้สูงสุด