تحلیل آسایش حرارتی در فضای مجهز به ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی
نویسنده :
مهدی معرفت ، نوید مروت
1- دانشیار مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران ٢- دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران و تهران
چکیده – هدف اصلی در طراحی سیستم های گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع تأمین شرایط آسایش حرارتی می باشد. در تحقیق حاضر، عملکرد سیستم تهویه لایه ای و سیستم سرمایش تابشی سقفی به صورت جداگانه و در ترکیب با یکدیگر به منظور تأمین شرایط آسایش حرارتی کلی و موضعی مورد مطالعه قرار گرفته است، به این منظور به کمک دینامیک سیالات محاسباتی، به بررسی و تحلیل پارامترهای PMV (میانگین آرای گروه بزرگی از افراد) و PPD (در صد نارضایتی حرارتی افراد به عنوان دو شاخص آسایش حرارتی کلی پرداخته شده است، همچنین اختلاف دمای هوا در جهت عمودی و ریسک کوران حرارتی نیز به عنوان دو شاخص نارضایتی حرارتی موضعی، مورد مطالعه قرار گرفته اند. براساس نتایج تحقیق حاضر، ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی موجب توزیع یکنواخت در شرایط آسایش حرارتی کلی نسبت به کاربرد جداگانه هر یک از سیستم ها می شود. همچنین اختلاف دمای هوا در جهت عمودی کاهش یافته و ریسک کوران حرارتی نیز وجود ندارد. از این رو ترکیب سیستم تهویه لایه ای با سرمایش تابشی سقفی به عنوان راهکاری نوین و کاربردی، توانایی تأمین شرایط آسایش حرارتی کلی و موضعی را دارا می باشد.
1- مقدمه
هدف اصلی سیستم های گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع ایجاد شرایط آسایش حرارتی برای انسان می باشد. براساس استاندارد اشري آسایش حرارتی به صورت زیر تعریف می شود.
آسایش حرارتی حالتی ذهنی است که از شرایط محیط ابراز رضایت می کند و در چنین شرایطی افراد دارای احساس حرارتی مطلوب می باشند [۱] به طور کلی در طراحی سیستم های تهویه مطبوع دو رویکرد وجود دارد 1- رویکرد سنتی که در آن به تأمین بار حرارتی و برودتی ساختمان توجه می شود. ۲- رویکرد نوین که در آن طراحی بر مبنای مدل های آسایش حرارتی صورت گرفته و تأمین شرایط آسایش حرارتی برای ساکنان مدنظر است.
از جمله سیستم هایی که براساس رویکرد نوین طراحی شده اند می توان به سیستم تهویه لایه ای و سیستم سرمایش تابشی سقفی اشاره نمود که به ترتیب بر اساس مکانیزم جابه جایی و تشعشع کار می کنند سیستم های تهویه مطبوع ساختمان را می توان به دو دسته عمده تابشی و جابجایی تقسیم کرد. عملکرد سیستم های جابجایی، تبادل حرارت از طریق همرفت طبیعی یا اجباری و مطبوع ساختن دمای هوای اتاق برای ساکنان می باشد.
در سیستم های تابشی مکانیزم اصلی انتقال حرارت تشعشع می باشد. اساس کار این سیستمها، فراهم کردن سطوح وسیع با ایجاد اختلاف دمای اندک نسبت به دمای هوای داخل می باشد. با توجه به این که سهم تابش در تبادل حرارت بدن در حدود ۴۲ درصد و بیشتر از سایر سازوکارهای انتقال حرارت است سیستم های تابشی تطابق بهتری با فرایندهای انتقال حرارت بین بدن و محیط اطراف دارند [۲]. همان طور که در شکل ۱ مشاهده می شود، در محیط طبیعی مکانیزم تشعشع غالب است و پس از آن تعریق بیشترین سهم را در انتقال حرارت از بدن انسان دارد. در حالی که در حضور سرمایش تابشی سقفی، تشعشع مکانیزم غالب بوده و تعریق بسیار کاهش یافته است که این موضوع موجب بهبود شرایط آسایش حرارتی می شود.
در شکل ۲ نمونه ای از سیستم سرمایش تابشی سقفی که در دانشگاه تربیت مدرس مورد مطالعه قرار گرفته است [۴] مشاهده می شود.
از جمله مزایای سیستم سرمایش تابشی سقفی عدم وجود گرادیان عمودی دمای زیاد می باشد. همچنین به دلیل بالاتر بودن دمای سطوح تابشی نسبت به سیستمهای وزشی و نزدیک تر بودن به دمای محیط اتاق، تطابق مناسبی میان توزیع عمودی دمای اتاق در سیستم های تابشی و توزیع ایده آل وجود دارد .
از این رو سیستم های سرمایش تابشی سقفی به عنوان راهکاری نوین در سیستم های تهویه مطبوع توانسته اند به خوبی آسایش حرارتی یکنواخت را ضمن مصرف کم انرژی فراهم کنند. با تمامی ویژگی های مثبتی که برای سیستم سرمایش تابشی سقفی ذکر شد، باید به این موضوع توجه داشت که عدم توانایی خروج بار نهان و پایین بودن کیفیت هوای فضای اقامتی از جمله معایب مهم و اساسی در این سیستمها می باشد.
به منظور رفع این معایب، ترکیب سرمایش تابشی سقفی با انواع سیستم های تهویه توسط محققین مورد مطالعه قرار گرفته است.
در سال ۲۰۰۲ میریل و همکاران به بررسی تجربی و شبیه – سازی سیستم سرمایش و گرمایش تابشی سقفی از نظر آسایش حرارتی و مصرف انرژی و کارایی این سیستمها در کشور فرانسه پرداخته و به این نتیجه رسیدند که با حفظ دمای سطح پائل در دمای ۱۷°C ضمن ایجاد شرایط آسایش حرارتی از مشکل میعان نیز جلوگیری می شود [۵] در سال ۲۰۰۳ ژانگ و همکاران به بررسی ترکیب سرمایش تابشی سقفی با تهویه اختلاطی پرداختند [۶].
در سال ۲۰۰۸ چودهاری و همکاران به بررسی آسایش حرارتی در یک فضای اداری در منطقه گرم و مرطوب استرالیا پرداخته اند و به این نتیجه رسیدند که سرمایش تابشی سقفی همراه با سیستم تهویه جابجایی و پیش سرمایش هوای ورودی، بهترین شرایط آسایش حرارتی را فراهم می کند [۷]. در سال ۲۰۱۱ فونکا و همکاران به بررسی تجربی شرایط حرارتی یک اتاق مجهز به سرمایش تابشی سقفی پرداختند و اثر پارامترهای مختلف را بر روی آسایش حرارتی گزارش کرده اند [۸]. در سال ۲۰۱۳ اکسیزیدیس و همکاران به بررسی و مقایسه عملکرد سیستم های سرمایش تابشی و تهویه جابه جایی با توجه به مصرف انرژی و آسایش حرارتی پرداخته [۹] و نتیجه گرفتند ترکیب سیستم سرمایش تابشی سقفی و تهویه جابه جایی امکان دستیابی به آسایش حرارتی با مصرف کم انرژی را فراهم می کند.
همان طور که مشاهده می شود در تحقیقات صورت گرفته ترکیب سیستم تهویه جابجایی و یا تهویه اختلاطی با سیستم سرمایش تابشی سقفی مورد توجه بوده است و تاکنون مطالعه ای بر روی ترکیب تهویه لایه ای با سرمایش تابشی سقفی صورت نگرفته است
در شکل ۳ نمونه ای از جریان هوای ایجاد شده به وسیله سیستم تهویه لایه ای که توسط لین و همکاران [۱۰] مورد مطالعه قرار گرفته، نشان داده شده است.
سیستم تهویه لایه ای از جمله سیستمهای تهویه مطبوع نوین می باشد که به منظور دستیابی به آسایش حرارتی مطلوب و کاهش مصرف انرژی اولین بار توسط لین و همکاران ( ۱۲،۱۱ ] برای اتاق های کوچک و متوسط مورد بررسی قرار گرفته است. در این سیستم تنها بر ناحیه ای که سر و گردن افراد قرار دارد، توجه می شود .
هوای مورد نیاز در ناحیه تنفس شخص فراهم شده و توجه اندکی هم به کیفیت هوا و آسایش حرارتی در ناحیه بالای اتاق (1/5m≤ ارتفاع داشته و ناحیه پایین اتاق را ( m 8/0 ≥ ارتفاع ) مورد توجه قرار نمی دهد. در این سیستمها مکان دریچه ها و سرعت هوا باید به خوبی بهینه شود تا از ریسک کوران حرارتی در اطراف بدن شخص جلوگیری شود. لین و همکاران (۱۲] باتوجه به شاخص های PMV و PPD نشان دادند که سیستم تهویه لایه ای تنها قادر به تأمین آسایش حرارتی در ناحیه استنشاقی افراد می باشد. در تحقیقی دیگر این و همکاران به بررسی توزیع ذرات گازهای آلاینده در فضای مجهز به این سیستم ها پرداختند (۱۰). مصرف انرژی سیستم های تهویه لایه ای، تهویه جابه جایی و تهویه اختلاطی نیز مورد مقایسه قرار گرفته که نتایج این تحقیق نشان دهنده مصرف انرژی به مراتب پایین تر سیستم تهویه لایه ای می باشد [۱۳]. علی رغم تمامی تحقیقات صورت گرفته و ویژگیهای مثبت سیستم تهویه لایه ای، این سیستم ها همچنان با مشکل عدم توزیع یکنواخت آسایش حرارتی و نیز وابستگی شدید میدان سرعت به میدان دما مواجه می باشند. همچنین امکان استفاده از این سیستمها در فضاهای با بار حرارتی بالا وجود ندارد .
مطالعات انجام شده در گذشته عمدتا بر روی ترکیب سیستم تهویه جابجایی و با تهویه اختلاطی با سرمایش تابشی سقفی بوده است و تاکنون مطالعه ای بر روی ترکیب تهویه لایه ای با سرمایش تابشی سقفی صورت نگرفته است. از این رو در تحقیق حاضر با توجه به مزایا و معایب سیستم تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی، ترکیب این سیستمها به عنوان راهکاری نوین و کاربردی به منظور تأمین آسایش حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است.
٢- روش انجام تحقیق
پیش بینی جریان هوا در داخل ساختمان می تواند اطلاعات بسیار مفیدی برای طراحی بهینه سیستم های تهویه مطبوع در اختیار قرار دهد. همچنین توسعه یک روش قابل اطمینان و مقرون به صرفه برای این پیش بینی بسیار ضروری است. یک روش مناسب برای شبیه سازی های عددی استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی می باشد. با این وجود در استفاده از این روش توجه به دو پارامتر زمان و دقت حل بسیار ضروری است در جریان های آرام نتایج با دقت خوبی قابل محاسبه می باشند اما در جریان های مغشوش دست یابی به جوابهای قابل قبول دشوار است. از جمله مدل های اغتشاشی مورد استفاده در شبیه سازی جریان سیال در فضاهای داخلی می توان به مدل صفر معادلهای داخلی اشاره نمود. این مدل توسط وران [۱۴] به منظور شبیه سازی جریان هوا در فضاهای داخلی، در اثر جابجایی طبیعی، جابجایی اجباری و جابجایی اختلاطی ارائه شده است [۱۵،۱۴]
با بررسی انواع مدل های اغتشاشی توسط نویسندگان مقاله حاضر و نیز صحت سنجی نتایج حاصل با نتایج تجربی، مدل صفر معادلهای داخلی به عنوان مدل مناسب از نظر دقت و زمان اجرا، برای شبیه سازی ها مورد استفاده قرار گرفته است [۱۶]
۳- شبیه سازی عددی
به منظور تأمین شرایط آسایش حرارتی در فضای مجهز به ترکیب سیستم تهویه لایه ای و سرمایشی تابشی سقفي میدان های دما و سرعت به کمک شبیه سازی سه بعدی در نرم افزار ایرپک مورد بررسی قرار گرفته است. فضای مورد بررسی یک اتاق با طول، عرض و ارتفاع به ترتیب۳/۹، ۲/۹ و ۲٫۶ متر می باشد. منابع حرارتی فضای اداری در جدول ۱ نشان داده شده اند. در سیستم تهویه لایه ای، هوا از طریق دریچه ای با ابعاد ۲۱۰ در ۱۷۰ میلی متر وارد فضای اقامتی نشان داده شده در شکل ۴ میشود.
در شکل ۵ شبکه بندی فضای محاسباتی مشاهده میشود. با توجه به تغییرات شدید میدان جریان در اطراف منابع حرارتی، در این نواحی از شبکه بندی با ابعاد کوچک تر استفاده شده است.
۴- معادلات حاکم
در تحقیق حاضر مدل صفر معادلهای داخلی مورد استفاده قرار گرفته است. این مدل از یک معادله جبری برای بیان گرانروی اغتشاشی استفاده می کند.
که p چگالی سیال، Vمقدار سرعت محلی و L فاصله تا نزدیک ترین دیوار است.
بر اساس معادله 1 ، معادلات ناویر استوکس متوسط گیری شده نوشته می شود. معادلات حاکم بر پیوستگی، اندازه حرکت خطی و انرژی در حالت کلی به صورت زیر نوشته می شوند.
جزییات ϕ و rϕ و Sϕ که در جدول ۲ آورده شده اند.
۵- شرایط مرزی
شرط مرزی هوای ورودی، سرعت یکنواخت در نظر گرفته شده است.
شرط مرزی خروجی شرط نیومن در نظر گرفته میشود یعنی جرم هوای ورودی به دریچه خروجی برابر جرم خروجی از آن می باشد. دمای سطح پانل های سرمایش تابشی ثابت فرض شده است. سقف و کف عایق فرض شده و دیواره ها با شرط شار حرارتی ثابت در نظر گرفته می شوند. خصوصیات هندسی حرارتی دیوارها مطابق تحقیق [۱۲] انتخاب شده است تا امکان مقایسه فراهم شود. ضخامت دیوارها ۲۰ سانتی متر و با ضریب هدایت حرارتی W/mk ۰/۷ فرض شده است.
دمای هوای خارج ۳۶ درجه سانتی گراد در نظر گرفته می شود که معادل یک روز گرم تابستانی در شرایط آب و هوایی تهران می باشد. برای شبیه سازی تشعشع از مدل (‘D0) استفاده می شود. حرارت تولید شده توسط شخص و کامپیوتر براساس مقادير واقعی می باشد که از استاندارد اشری ۵۵ فصل ۲۹ استخراج شده است. شرط دیواره های عایق برای دیواره های داخلی، سقف، کف و میز در نظر گرفته می شود. در نزدیکی دیواره ها از شرط تابع دیواره استاندارد استفاده شده است، زیرا ثابت شده تغییرات در ناحیه نزدیک دیواره به علت پایین بودن عدد رینولدز از رفتار لگاریتمی پیروی می کند [۱۲]. برای حل عددی از روش حجم محدود، شبکه سازمان یافته، فرض بوزینسک برای جابجایی طبیعی، روش بالادست مرتبه دوم برای گسسته سازی معادلات و از الگوریتم سیمپل به منظور کوپلینگ معادلات سرعت و فشار استفاده شده است.
۶- توصیف نمونه مورد بررسی
در تحقیق حاضر، برای ترکیب سیستم تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی، به تحلیل و بررسی شرایط آسایش حرارتی در فضای نشان داده شده در شکل ۴ پرداخته شده است. به این منظور چهار شاخص PPD، PMV اختلاف دمای هوا در جهت عمودی و ریسک کوران حرارتی مورد مطالعه قرار گرفته است. در جدول ۳ نمونه های مورد مطالعه معرفی شده است.
نمونه های ۱ تا ۳ مربوط به سیستم تهویه لایه ای است که سرعت هوای ورودی ( m/s ) ۱/۱۹ و دمای هوای ورودی متغیر است. نمونه های ۴ تا ۶ مربوط به سیستم تهویه لایه ای است که سرعت هوای ورودی (5 m) ۲/۱ و دمای هوای ورودی متغیر است. نمونه های ۷ تا ۹ مربوط به سیستم سرمایش تابشی سقفی می باشد که دمای سطح پانل تغییر می کند. نمونه های ۱۰ تا ۱۲ نیز برای ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی است که دمای هوای ورودی و سطح پانل متغیر در نظر گرفته شده است. نسبت پوشش سقف پل نیز ۸۰ درصد در نظر گرفته شده است .
۷- بررسی استقلال حل از شبکه
به منظور بررسی استقلال حل از شبکه، برای ترکیب تهویه لایه ای با سرمایش تابشی سقفی با دمای هوای ورودی و دمای سطح پائل ۲۴ درجه سانتیگراد، توزیع دما در ارتفاع اتاق در مختصات 1.65 = X و 1.45 = y متر برای شبکه بندی های مختلف مقایسه شده است. همان طور که در شکل ۶ مشاهده می شود نتایج برای ۴۶۸۳۲۷ و ۸۲۳۶۵۹ سلول با دقت خوبی به یکدیگر نزدیک می شوند که نشان دهنده استقلال حل از شبکه می باشد، از این رو در حل عددی از شبکه بندی با ۴۶۸۳۲۷ سلول محاسباتی استفاده میشود. لازم به ذکر است که برای سایر نمونه های مورد بررسی نیز استقلال حل از شبکه بررسی شده است و شکل ۶ به عنوان نمونه ای از بررسیها آورده شده است.
۸- تشریح پارامترهای مورد ارزیابی
۱-۸- شاخص pmv1
به منظور ارزیابی آسایش حرارتی از شاخص PMV استفاده می شود که بر اساس مدل فنگر [۱۷] استخراج شده است. این مدل پرکاربردترین مدل مورد استفاده است که در آن ۴ عامل محیطی و ۲ عامل شخصی، به عنوان عوامل موثر بر آسایش حرارتی در نظر گرفته می شود. چهار عامل محیطی عبارتند از : سرعت هوا، دمای هوا، رطوبت هوا و میانگین دمای تشعشعی دو عامل شخصی نیز سطح فعالیت و میزان پوشش افراد می باشد به طور کلی اثبات شده است که دمای هوا و سطح فعالیت بیشترین تأثیر را بر آسایش حرارتی دارند [۲۰].
شاخص PMV در واقع میزان متوسط گروه بزرگی از افراد را در مورد آسایش حرارتی پیش بینی می نماید و بر اساس معادله (۳) محاسبه می شود [۱۹]
که M نرخ متابولیک (.(W/m2 Wکار خارجی W. IC1 مقاومت حرارتی لباس (m2K/W)، ƒc1 به نسبت پوشش فرد در حالت با لباس به حالت بدون لباسta دمای هوا c° ،̅tr میانگین دمای تشعشعی c° varبا سرعت نسبی هوا (m/s )، Pa فشار نسبی بخار آب (Pa)، hc ضریب انتقال حرارت جابجایی (W/m2k )، وtcl دمای سطح لباس c° می باشند. شاخص PMV در قالب ۷ تقسیم بندی نشان داده شده در جدول ۴ آسایش حرارتی را پیش بینی می کند.
در شبیه سازی حاضر نرخ متابولیک met ۱ در نظر گرفته شده که متناظر با فردی نشسته در یک اداره می باشد. رطوبت نسبی محیط و هوای ورودی ۵۰ درصد در نظر گرفته شده که بر اساس استاندارد ASHRAE برای این رطوبت نسبی دمای آسایش حرارتی در محدوده ۲۴/۴ تا ۲۷/۲ درجه سانتی گراد قرار دارد. همچنین نسبت پوشش لباس1 در نظر گرفته می شود.
۲-۸ – پیش بینی درصد نارضایتی
برای پیش بینی آرای انفرادی اشخاص باید از شاخص PPD استفاده کرد. این شاخص درصد افرادی را که احساس گرما یا سرمای شدید می کنند، محاسبه می نماید. لذا این شاخص، تعداد افرادی را که در بین گروه بزرگی از اشخاص احساس نارضایتی حرارتی دارند، تعیین می کند [۱۹].
۳-۸ – اختلاف دمای هوا در جهت عمودی
به طور عادی دمای هوا با افزایش ارتفاع از کف زیاد می شود اگر این اختلاف دما زیاد شود ممکن است بدن به طور کلی در شرایط أسایش باشد، اما گرم شدن محلی در ناحیه سر و سرد شدن محلی در ناحیه پا اتفاق بیفتد که این موضوع بیانگر اختلاف دمای هوا در جهت عمودی می باشد. اختلاف دمای هوا در جهت عمودی یکی از عوامل مؤثر بر نارضایتی حرارتی موضعی می باشد که تاثیر به سزایی بر آسایش حرارتی افراد دارد، از این رو بررسی آن ضروری می باشد.
بر اساس استاندارد اشری حداکثر مقدار قابل قبول اختلاف دمای هوا در جهت عمودی2/5C.m-1 می باشد .
۴-۸ – ریسک کوران حرارتی
کوران حرارتی، سرد شدن محلی بدن انسان است که به صورت غیر دلخواه بر اثر جریان هوا ایجاد می شود. وقتی که کوران حرارتی در یک محیط موجود باشد، افراد خواستار دمایی بالاتر و یا توقف سیستم تهویه مطبوع می شوند [۱۹].
در نارضایتی ناشی از این عامل سه پارامتر دمای هوا، سرعت متوسط جریان هوا و شدت اغتشاشات جریان هوای وزشی مؤثرند. منظور از شدت اغتشاش، نسبت انحراف استاندارد سرعت اغتشاشی به سرعت میانگین جریان هوا می باشد. به کمک برنامه CFD به صورت سه بعدی الگوی جریان هواء دمای هوا، سرعت جریان هوا و توزیع اغتشاشات بدست می آید که به کمک آنها مقدار PD که نشان دهنده نارضایتی ناشی از کوران حرارتی می باشد، بدست می آید.
که T دمای هوا (c°)، u سرعت هوا ( (m/s Tu شدت توربولانسی وk انرژی جنبشی اغتشاشی ( J/kg) می باشد.
9- صحت سنجی
تحلیل و بررسی آسایش حرارتی در فضای مجهز به ترکیب سیستم تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی به کمک دینامیک سیالات محاسباتی مورد مطالعه قرار گرفته است. به دلیل مغشوش بودن جریان هوا pe=10291،Recr= 2000،Re=13849 از مدل های توربولانسی برای پیش بینی جریان هوا استفاده می شود. به دلیل خطای ذاتی روش های RANS مدل مورد استفاده برای شبیه سازی باید صحت سنجی شود. برای این منظور نتایج حاصل از چهار مدل اغتشاشی صفر معادله ای، صفر معادله ای داخلی، ꜫ k-و k-eRNG استخراج گردیده و با نتایج تجربی لین و همکاران [۱۱] مقایسه شده است.
به منظور صحت سنجی حل عددی، مقادیر سرعت و دما در ۸ خط محاسباتی استخراج شده و نتایج حاصل با نتایج تجربی لین و همکاران [۱۱] مقایسه شده است [۱۶]. به عنوان نمونه ای از این نتایج نمودار تغییرات سرعت در امتداد ( x = 2.15,y=1/75 در شكل ۷ رسم شده است .
همان طور که در شکل ۷ مشاهده میشود تنها مدل صفر معادلهای داخلی قادر به پیش بینی رفتار سرعت جریان هوا میباشد و سایر مدل ها، حتی رفتار را به درستی پیش بینی نمی کنند. با توجه به این شکل مشاهده می شود نتایج مدل صفر معادلهای داخلی با دقت خوبی بر داده های تجربی منطبق می باشد، مقایسه نتایج شبیه سازی عددی با نتایج تجربی نشان دهنده دقت قابل قبول مدل صفر معادلهای داخلی در پیش بینی میدان جریان می باشد (۱۶] بنابراین در تحقیق حاضر از این مدل استفاده می شود.
۱۰- نتایج و بحث
۱-۱۰- میدان سرعت ومیدان دما
الگوی جریان ایجاد شده به وسیله سیستم های تهویه، تأثیر زیادی بر آسایش حرارتی و کارایی سیستم تهویه دارد. از این رو مطالعه میدان های دما و سرعت به/ منظور بررسی پارامترهای مؤثر بر سیستم تهویه امری ضروری می باشد.جریان ورزشی در فضای مورد بررسی متأثر از دو عامل می باشد. اول، اختلاف /74 دما بین سطوح گرم و هوای داخل که منجر به جریان رو به بالا در مجاورت دیوار می شود و دوم اثرمرز جامد که سبب تشکیل سرعت و لایه مرزی حرارت در فضا می شود، جریان القایی ایجاد شده در این فضا بیشتر متأثر از سطح گرم خارجی و سطح سرد پانل می باشد [۲۱]
در شکل ۸ میدان های سرعت و دما در صفحه(x-z ( y=1/45m رسم شده است.
دمای هوا در ورود به فضا کمتر از دمای سایر نواحی می باشد. همچنین سرعت هوای ورودی بیشتر از سرعت سایر نواحی می باشد. جریان هوای ورودی از سیستم تهویه لایه ای هوای تازه را در ناحیه استنشاقی (ناحیه بین ارتفاع ۰/۸ تا ۱/۴ متر) تأمین می کند و سپس بر اثر نیروی شناوری به سمت پایین جریان می یابد. این سیستم، هوا با کیفیت بهتر را در ناحیه تنفس شخص تأمین می کند، به دلیل وجود میز و شخص، چندین گردابه در جریان هوای اطراف آن ایجاد می شود. در ناحیه نزدیک به شخص به دلیل گرمای تولید شده، جریان هوا به سمت بالا حرکت می کند. هوای گرم شده به سمت بالا رفته که در اثر تماس با سقف سرد، جریان هوای بازگشتی به فضای اتاق وجود دارد.
یکی از مشکلات سیستم تهویه لايه ای ریسک کوران حرارتی می باشد، همان طور که در جدول ۵ مشاهده می شود با افزایش سرعت هوای ورودی اگرچه آسایش حرارتی کلی تأمین می شود ولی نارضایتی ناشی از کوران حرارتی، به عنوان یکی از عوامل مهم و مؤثر در نارضایتی حرارتی موضعی، به شدت افزایش می یابد. از این رو در طراحی فضاهای مجهز به این سیستم ها باید دقت ویژه ای مبذول داشت. با افزایش دمای هوای ورودی نیاز به سرعت هوای بیشتری می باشد که باعث افزایش ریسک گوران حرارتی می شود. این موضوع یکی از دلایل ترکیب سیستم تهویه لایه ای با سرمایش تابشی سقفی می باشد. هدف از این کار امکان افزایش دمای هوای ورودی ضمن ثابت نگه داشتن سرعت هوا می باشد تا علاوه بر تأمین آسایش حرارتی کلی، مشکل ریسک کوران حرارتی، که از جمله عوامل نارضایتی حرارتی موضعی می باشد، برطرف شود .
۲-۱۰ – ارزیابی آسایش حرارتی
به منظور ارزیابی آسایش حرارتی کلی، دو شاخص PMV و PPD و برای بررسی نارضایتی حرارتی موضعی، دو شاخص اختلاف دمای هوا در جهت عمودی و ریسک کوران حرارتی مورد استفاده قرار گرفته است .
در جدول ۵ خلاصه ای از نتایج بدست آمده برای چهار شاخص PD , PPD, PMV و اختلاف دمای هوا در جهت عمودی از مچ پا تا سر فرد، در صفحه y = 1.45 m آورده شده است. علت انتخاب صفحه y=1.45 m، حضور شخص و نیز دریچه هوای ورودی در این صفحه می باشد .
در نمونه های ۱ تا ۳ که مربوط به سیستم تهویه لایه ای می باشد تنها در نمونه ۱ که دمای هوای ورودی ۱۹ درجه سانتی گراد است.
قادر به تأمین آسایش حرارتی مطلوب
می باشد، اما %20 = PPD می باشد که بیشتر از حد مجاز (PPD≤%15) است.همچنین مقادیر اختلاف دمای هوا در جهت عمودی و PD اگر چه در حد مجاز می باشند اما با توجه به جدول ۶ باعث می شوند که این سیستم در دسته بندی B سیستم های تهویه مطبوع قرار گیرد. نمونه های ۴ تا ۶ مربوط به حالتی است که سرعت هوای ورودی از سیستم تهویه لايای به (m/ s) ۲/۱ افزایش یافته است. در این نمونه ها اگرچه PMV مطلوب حاصل می شود، اما مقدار PD بسیار بالا می باشد به صورتی که موجب می شود این سیستم در دسته بندی C سیستم های تهویه قرار گیرد، نمونه های ۷ تا ۹ مربوط به فضای مجهز به سرمایش تابشی سقفی می باشد که همان طور که در جدول ۵ مشاهده می شود اگرچه از نظر اختلاف دمای هوا در جهت عمودی و شاخص PD بسیار مناسب می باشد، ولی قادر به تأمین آسایش حرارتی نمی باشد .
نمونه های ۱۰ تا ۱۲ مربوط به ترکیب سیستم تهویه لایه ای با سرمایش تابشی سقفی می باشد. هر سه نمونه از توانایی تأمین آسایش حرارتی کلی و نیز آسایش حرارتی موضعی می باشند و همچنین در دسته بندی A سیستم های تهویه قرار می گیرند. البته با توجه به این که در استاندارد اشری پیشنهاد شده است که در فصل تابستان مقادير PMV مثبت در نظر گرفته شود، نمونه ۱۲ به خوبی آسایش حرارتی کلی و موضعی را تأمین می کند.
۳-۱۰- تحلیل شاخص های PMV و PPD
شکل های ۹ و ۱۰ به ترتیب تغییرات PMV و PPD در ارتفاع اتاق برای ناحیه حضور شخص نشان می دهد. در شکل های ۹ و ۱۰ تغییرات PMV و PPD برای سه سیستم تهویه لایه ای، سرمایش تایشی سقفی و نیز ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تایشی سقفی، با یکدیگر مقایسه شده اند. همان طور که مشاهده می شود در سیستم سرمایش تابشی سقفی به هیچ وجه توانایی تأمین آسایش حرارتی را ندارد. مقادير1≤ PMV و 30%~PPD نشان دهنده عدم توانایی این سیستم در تأمین شرایط آسایش حرارتی کلی می باشد.
در سیستم تهویه لایه ای مقادیر 
و 20 % ≥PPD نشان دهنده توانایی نسبتا مناسب این سیستم ها در توانایی شرایط آسایش حرارتی کلی می باشد. برای ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی دامنه تغییرات PMV کمتر از حالتی است که تنها از سیستم تهویه لایه ای استفاده شود.
تغییرات PPD بر حسب ارتفاع اتاق نشان دهنده تقریبا یکسان بودن تغییرات PPD برای حالت تهویه لایه ای و حالت ترکیب آن با سیستم سرمایش تابشی سقفی می باشد.
شکلهای ۱۱ و ۱۲ کانتورهای PMV و PPD را در سه مقطع y = 1.45 m, X=1.55m ,z=1.1mبرای ترکیب تهویه لایه ای با سرمایش تابشی سقفی با دمای هوای ورودی و پانل ۲۴ درجه سانتی گراد نشان می دهند. همان طور که مشاهده می شود در تمامی مقاطع نشان داده شده مقدار PMV در ناحیه حضور شخص نزدیک به صفر می باشد که بر اساس جدول ۶ نشان دهنده تعادل گرمایی مناسب میان شخص و محیط می باشد. در سایر نواحی نیز تغییرات PMV در محدوده ۰/۷۵ تا ۷۵/ • بوده و از این رو تغییرات شدیدی در مقدار PMV فضا وجود ندارد. بنابراین برای شخص متحرک در فضای اتاق نیز شرایط آسایش حرارتی در محدوده قابل قبولی وجود دارد.
کانتورهای درصد نارضایتی افراد نشان دهنده مقدار PPD کمتر از ۵ درصد در ناحیه استنشاقی شخص میباشد و همچنین در سایر نواحی نیز عموما در محدوده کمتر از ۱۰ درصد است، بنابراین از جمله مزایای مهم ترکیب سیستم تهویه لایه ای با سرمایش تابشی سقفی می توان به شرایط آسایش حرارتی یکنواخت در فضای اتاق اشاره داشت .
۴-۱۰- تحلیل ریسک کوران حرارتی
در شکل ۱۳ نمودار تغییرات سرعت در ناحیه حضور شخص رسم شده است. با توجه به این شکل سرعت هوا در ارتفاع ۱/۱ متر که ناحیه سر و گردن شخص است، کمتر از ۰/۲۵ متر بر ثانیه می باشد. بر اساس استاندارد اشری ۵۵ (سال ۲۰۰۴) در این سرعت باید حداقل دما ۲۳/۵ درجه سانتی گراد باشد تا ریسک کوران حرارتی وجود نداشته باشد با توجه به شکل ۱۴ دمای هوا در ناحیه سر و گردن شخص در حدود ۲۵/۲ سانتیگراد می باشد، بنابراین مشکل ریسک کوران حرارتی در فضای مجهز به ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تابشی وجود نخواهد داشت که این موضوع نیز از دیگر مزایای ترکیب سیستم تهویه لایه ای و سرمایش تابشی میباشد.
۵-۱۰- تحلیل اختلاف دمای هوا در جهت عمودی
گرادیان دما در نواحی پایینی (ارتفاع کمتر از ۰/۶ متر) بسیار کم می باشد که نشان دهنده اختلاط کامل هوا در این نواحی است با توجه به شکل ۱۴ گرادیان دما در ناحیه حضور شخص کمتر از ۰/۵ درجه سانتی گراد می باشد در حالی که در فضایی که تنها مجهز به تهویه لایه ای است اختلاف دمای هوا در جهت عمودی ۳ درجه سانتی گراد در ارتفاع اتاق می باشد. سهم بالای تابش در انتقال حرارت توسط سیستم سرمایش تابشی سقفی باعث بهبود شرایط آسایش حرارتی و از بین رفتن گرادیان عمودی دمای نامطلوب می شود.
از طرفی اختلاف دمای اندک بین سطوح تابشی و محیط باعث کاهش گرادیان عمودی دما می شود. با توجه به این موارد باید به این موضوع توجه داشت که اگرچه در سیستم تهویه لایه ای دمای هوای منبع بالاست ولی با توجه به نیاز به ایجاد گرادیان دمای معکوس (سر و گردن خنک تر از پا) باید فاصله میان دریچه هوای ورودی و شخص کم باشد با توجه به تحلیل چهار شاخصPD, PPD,PMV و اختلاف دمای هوا در جهت عمودی و نیز بررسی کانتورهای دما و سرعت در فضای مورد بررسی، مشاهده میشود که ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی به خوبی می تواند ضمن تأمین آسایش حرارتی کلی، آسایش حرارتی موضعی را نیز فراهم نماید. از این رو ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی، راهکاری نوین و کاربردی به منظور تأمین شرایط آسایش حرارتی می باشد که در دسته A سیستم های تهویه مطبوع قرار دارد.
۱۱- جمع بندی
در تحقیق حاضر به تحلیل آسایش حرارتی در فضای مجهز به ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی، به کمک دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته شده است. به این منظور ۱۲ نمونه فضای محاسباتی شامل ۶ نمونه فضای مجهز به تهویه لایه ای که دارای سرعت و دمای هوای ورودی متفاوت میباشند، ۳ نمونه فضای مجهز به سرمایش تابشی سقفی با دمای سطح پانل متفاوت و نیز ۳ نمونه ترکیب تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی مورد مطالعه قرار گرفته است.
در تمامی نمونه های مورد بررسی چهار شاخص PPD PMV اختلاف دمای هوا در جهت عمودی و پیش بینی ریسک کوران حرارتی مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. با توجه به نتایج بدست آمده از تحقیق حاضر مشاهده می شود که سیستم تهویه لایه ای اگرچه به تنهایی امکان تأمین شرایط آسایش حرارتی کلی را دارد، اما با مشکل عدم توزیع یکنواخت شرایط آسایش حرارتی مواجه می باشد. همچنین با توجه به پایین بودن دمای هوای ورودی نسبت به دمای هوای اتاق، علی رغم تأمین شرایط آسایش حرارتی کلی، نارضایتی حرارتی موضعی وجود دارد. به منظور تأمین شرایط آسایش حرارتی با دمای بالاتر هوای ورودی، در نمونه های ۴ تا ۶ سرعت هوای ورودی در فضای مجهز به تهویه لایه ای افزایش داده شده است. دراین حالت نیز مشاهده شد که اگر چه آسایش حرارتی کلی با دمای هوای ورودی بالاتر تأمین شده است، اما ریسک کوران حرارتی بسیار افزایش یافته و به کلی شرایط آسایش حرارتی را بر هم میزند.
در فضای مورد بررسی در تحقیق حاضر سیستم سرمایش تابشی سقفی نیز مورد مطالعه قرار گرفته و مشاهده شد که برای دماهایی بالاتر از دمای نقطه شبنم که احتمال میعان بخارات آب بر روی سطح پانل وجود ندارد، شرایط آسایش حرارتی کلی تأمین نمی شود اما از نظر شرایط آسایش حرارتی موضعی با مشکل مواجه نمی باشد. با توجه به تحلیل و بررسی سیستم تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی به صورت جداگانه و در نظر گرفتن مزایا و معایب هر سیستم، ترکیب این دو سیستم به منظور تأمین آسایش حرارتی مورد مطالعه قرار گرفته است.
در فضای مجهز به ترکیب سرمایش تابشی سقفی و تهویه لایه ای مشاهده شد که توزیع آسایش حرارتی کلی یکنواخت تر بوده و پارامترهای PMV و PPD در محدود شرایط مناسب آسایش حرارتی قرار دارند. گرادیان دمای عمودی نسبت به سیستم تهویه لایه ای بسیار کاهش یافته و به دلیل افزایش دمای هوای ورودی، سرعت هوای مورد قبول افزایش یافته و در نتیجه ریسک کوران حرارتی وجود ندارد. از این رو ترکیب سرمایش تهویه لایه ای و سرمایش تابشی سقفی در دسته بندی A سیستم های تهویه مطبوع قرار گرفته و به عنوان راهکاری نوین و کاربردی به منظور تأمین شرایط آسایش حرارتی می تواند مورد استفاده قرار گیرد .
۱۲- مراجع
[1] ASHRAE Standard 55, Thermal Environment Conditions for Human Occupancy. 2004.
[2] Watson, R.D., and Chapman, K.S., “Handbook of Radiant Heating and Cooling”, McGraw-Hill, New York, 2001
[3] Banhidi, L.J., “Radiant Heating Systems-Design and Applications”, Pergamum Press, 1991.
[4] Mashhodi Fallah M., Experiment analysis of radiant cooling ceiling In terms of thermal comfort parameters with different source of cold water, MSc Thesis, Tarbiat Modares University, Tehran,2011. (In Persian)
[5] Miriel, J., Serres, L., Trombe, A., “Radiant ceiling panel heating-cooling systems: Experimental and simulated study of the performances thermal comfort and energy consumptions”, Applied Thermal Engineering, Vol. 22, 2002, pp.1861 1872
[6] Jae Weon, Jeong, Stanley A. Mumma, “Ceiling radiant cooling panel capacity enhanced by mixed convection in mechanically ventilated spaces”, Applied Thermal Engineering, Vol. 23, 2003, pp.293-2306. 2
7] Chowdhury, A.A., Rasul, M.G., Khan, M.K., **Thermal comfort analysis and simulation for various low-energy cooling-technologies applied to an office building in a subtropical climate”, Applied Energy, Vol.85, 2008, pp.449-462.
[8] Fonseca, N., “Experimental study of thermal condition in a room with hydronic cooling radiant surfaces”, International journal of refrigeration, Vol. 34, 2011, pp. 686-695.
[9] Oxizidis, S., Agis, M., Papadopoulos, “Performance of radiant cooling surfaces with respect to energy consumption and thermal comfort”, Energy and Buildings, 2013, 199-209.
[10] Tian L., Lin Z., Wang Q., “Comparison of gaseous contaminant diffusion under stratum ventilation and under displacement ventilation”. Journal of Building and Environment, Vol. 45, 2010, pp. 2035-2046.
(11)Tian L., Lin Z., Wang Q., “Experimental investigation of thermal and ventilation performances of stratum ventilation”, Journal of Building and Environment, Vol. 46, Issue 6, 2011, pp. 1309-1320.
[12] Tian L., Lin Z., Liu J., Yao T., Wang Q., “The impact of temperature on mean local air age and thermal comfort in a stratum ventilated office”, Journal of Building and Environment, Vol. 46, Issue 2, 2011, pp. 501-510.
[13] Lin Z, Lee C.K., Fong K.F., Chow T.T., Yao T., Chan A. “Comparison of annual energy performances with different ventilation methods for cooling”, Energy and Buildings, 2011, pp. 130 136.
[14] Weiran X., New turbulence models for indoor airflow simulation, PhD. Thesis, MassachusettsInstitute of Technology, 1998.
[15] Qingyan C., Weiran X., “A zero-equation turbulence model for indoor air flow simulation”,Energy and Building, 1998, pp. 137-144.
[16] Morovat N., Maerefat M., Rasoli, H., “The study of turbulence models in simulation of airflow field in space with stratum ventilation”, 21st International Conference on MechanicalEngineering, Tehran, 2013. (In Persian)
[17] Fanger PO. Thermal comfort-analysis and applications in environmental engineering, New York: McGraw Hill companies. Inc., 1970.
[18] Chiang, W., Wang, C., Huang, J. “Evaluation of cooling ceiling and mechanical ventilation systems on thermal comfort using CFD study in an office for subtropical region”, Building and Environment,
2012, pp. 113-127.
[19]. HeidarineZhad G., Dolfani Sh., Zangeneh M.A., Heidarine Zhad, M., Tehrmal comfort, Road housing and urban development research center, Tehran, pp.
57-60, 2009. (In Persian)
[20] Chakrouna, W., Ghali, K., Ghaddar, N. “Air quality in rooms conditioned by chilled ceiling and mixed displacement ventilation for energy saving”, Energy and Buildings, 2011, pp. 2684-2695.
[21] Dorosti Gh., Maerefat M., Omidvar, A. “Utilization of induced convection inceiling radiant cooling systems forimproving of performance”, Modares Journal of Mechanical Engineering, Vol. 10, No. 3, pp. 45-56, 2010. (In Persian)
منبع مقاله :
دیدگاهتان را بنویسید