مجله تاسیسات

 

تحلیل عملکرد یک سیستم تهویه مطبوع متمرکز به منظور تامین شرایط آسایش حرارتی در هنگام خواب

نویسندگان :

سيد عليرضا ذوالفقاری، على فؤادالدینی، سید محمد هوشمند استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند، بیرجند دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه بیرجند

 

چکیده

در تحقیق حاضر، تاثیرات دبی و دمای هوای ورودی بر عملکرد یک سیستم تهویه مطبوع متمرکز مخصوص خواب مورد بررسی قرار گرفته است. برای این منظور یک سیستم تهویه مطبوع متمرکز مخصوص حالت خواب، شامل یک تخت و دو دریچه ورود و خروج هوا به ترتیب در بالای سر فرد و زیر تخت در نظر گرفته شده و برای شرایط مذکور، معادلات مربوط به جریان، انرژی و آسایش حرارتی به کمک حلگر اپن فوم به صورت عددی حل شده است.

همچنین در تحقیق حاضر، شرایط آسایش حرارتی، نارضایتی حرارتی موضعی و ضریب بهره وری انرژی برای سیستم تهویه متمرکز در هنگام خواب مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که عملکرد سیستم مذکور به طور چشمگیری به دبی و دمای هوای ورودی وابسته است، به طوری که دبی کم برای جریان ورودی میتواند موجب توزیع ناهمگن دما و سرعت شده و در نتیجه وضعیت نامناسبی را به لحاظ آسایش حرارتی ایجاد می کند.

همچنین، جهت بهره مندی از مزایای سیستم تهویه متمرکز بایستی از به کار بردن دبیهای بسیار بالا نیز پرهیز شود؛ چرا که در دبی ها بالا، محدوده وسیعی از اتاق به جای ناحیه خواب فرد تحت تاثیر سیستم تهویه قرار می گیرد. همچنین نتایج حاکی از آن است که با افزایش دبی ضریب بهره وری انرژی کاهش می یابد و مقدار آن به ازای دبی 120 ليتر بر ثانیه به کمتر از 1/5 می رسد که این امر نشان دهنده مزیت پایین بکار گیری سیستم های تهویه مطبوع متمرکز به لحاظ مصرف انرژی در دبی های بالا میباشد.

1- مقدمه

انسان حدود یک سوم عمر خود را در حالت خواب سپری می کند. خواب نه تنها عاملی برای رفع خستگی است، بلکه نقش بسزایی در حفظ و تقویت حافظه دارد. بنابراین افزایش کیفیت خواب از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

تحقیقات صورت گرفته در این زمینه تاثیر عوامل ذهنی- جسمی فرد و نیز عوامل محیطی را بر روی کیفیت خواب تصدیق کرده اند [۱]. عوامل محیطی موثر بر کیفیت خواب مواردی نظیر نور، صدا و شرایط گرمایی محیط را شامل می شوند. تحقیقات تجربی نشان داده است که وقتی شرایط گرمایی محیط از محدوده آسایش حرارتی فاصله می گیرد، کیفیت خواب کاهش می یابد (۲) الين و دنگ [۳] در یک تحقیق آزمایشگاهی نشان دادند که انتخاب مناسب و صحیح لباس، روانداز و رخت خواب به عنوان مقاومت حرارتی میان بدن و محیط می تواند موجب دستیابی به شرایط آسایش حرارتی با صرف انرژی کمتر شود.

همچنین ایشان نشان دادند که در مناطق گرم و مرطوب، کاهش مقاومت حرارتی ناشی از لباس و رخت خواب برای رسیدن به شرایط آسایش حرارتی در هنگام خواب کافی نیست و نیاز است تا از وسایل تهویه مطبوع مناسب نیز در هنگام خواب استفاده شود. با این حال لین و دنگ [۴] در یک مطالعه پیمایش میدانی نشان دادند که مردم مناطق گرم و مرطوب، به منظور کاهش هزینه انرژی غالبا از سیستم تهویه مطبوع در زمان خواب بهره نمی گیرند. بنابراین توسعه سیستم های تهویه مطبوع مناسب برای محیط خواب با هدف کاهش مصرف انرژی ضمن دستیابی به شرایط آسایش حرارتی ضروری به نظر می رسد،

سیستم های تهویه مطبوع به لحاظ توانایی شان در متمرکز کردن عمل تهویه بر ناحیه خاصی از فضای ساختمان به دو دسته متمرکز و فراگیر” تقسیم می شوند. در سال های اخیر، سیستم های تهویه مطبوع متمرکز به دلیل عملکرد مناسب شان در کنترل دمای محلی و کاهش مصرف انرژی مورد توجه محققان قرار گرفته اند.

این سیستم ها به ساکنان ساختمان ها اجازه می دهند تا تنظیمات حرارتی نواحی خاص ساختمان را به صورت مجزا انجام دهد؛ در حالی که شرایط گرمایی بقیه نقاط می تواند آزادانه نوسان کند (۵). در طول سال های گذشته سیستم های تهویه مطبوع متمرکز مختلفی توسعه داده شده اند، که می توان آنها را به چهار دسته کفی ، میزی، پارتیشنی و سقفی تقسیم کرد.

نتایج تحقیقات انجام شده پیرامون بررسی عملکرد سیستم های تهویه متمرکز نشان میدهد که به کارگیری این سیستم ها می تواند موجب کاهش مصرف انرژی، بهبود شرایط آسایش حرارتی و ارتقای ا سطح کیفیت هوای داخل شود. نتایج تحقیقات بامان و همکاران (۶) نشان می دهد که در ساختمان های اداری نصب سیستم های تهویه مطبوع متمرکز رومیزی موجب افزایش رضایت افراد به لحاظ حرارتی، صوتی و کیفیت هوا میشود.

از طرفی این سیستم های تهویه مطبوع، هوای تازه را مستقیما به ساکنان ساختمان می رساند و به این ترتیب موجب بهبود کیفیت هوا در ناحیه استنشاقی افراد می شود. همچنین، شات (۷) شرایط کیفیت هوای داخل را در وضعیت استفاده از سیستم تهویه مطبوع متمرکز کفی بررسی کرد و نتیجه گرفت که میزان ذرات معلق نسبت به حالت استفاده از سیستم های سنتی به طور قابل ملاحظه ای کمتر است. ضمن این که استفاده از این سیستم به صرفه جویی در مصرف انرژی کمک می کند؛ چرا که به جای ایجاد شرایط آسایش حرارتی در تمام اتاق، تنها ناحیه ای که فرد در آن حضور دارد را تحت تاثیر قرار می دهد

کاربردهای کنونی سیستم های تهویه مطبوع متمرکز عمدتا متناسب با محیط های فعالیت روزانه نظیر محیط کار، خرید و … می باشد. بر این اساس، کمتر به کاربرد سیستم های متمرکز برای محیط خواب توجه شده است. این در حالی است که در هنگام خواب با توجه به ثابت و محدود بودن موقعیت خوابیدن افراد، به نظر می رسد که بتوان از سیستم های تهویه متمرکز به نحو بسیار موثری برای ارتقای شرایط آسایش حرارتی افراد استفاده نمود. در سال ۲۰۱۲، پان و همکاران [۸] در یک تحقیق آزمایشگاهی به بررسی عملکرد یک سیستم متمرکز برای حالت خواب پرداختند. نتایج تحقیق ایشان نشان داد که این سیستم می تواند موجب کاهش قابل توجهی در مصرف انرژی شود. پس از آن، مائو و همکاران [۹-۱۱] در تحقیقاتی گسترده، عملکرد یک سیستم تهویه مطبوع متمرکز ساده را برای حالت خواب مورد بررسی قرار دادند و به تحلیل آزمایشگاهی و عددی میزان تاثیر جانمایی دریچه های ورودی و خروجی هوا بر عملکرد این سیستم پرداختند.

نتایج تحقیقات ایشان نشان داد که بکار گیری این سیستم موجب صرفه جویی قابل ملاحظه ای در مصرف انرژی می شود. همچنین مشاهده شد که با نزدیک شدن دریچه ورودی و خروجی هوا به محل قرار گیری انسان می توان بهره وری انرژی را افزایش داد. اما این کار موجب توزیع غیریکنواخت سرعت و دما در محل حضور فرد خواهد شد.

براساس آنچه که گفته شد، تاکنون تحقيق جامعی بر روی عملکرد سیستم تهویه مطبوع متمرکز با مدل سازی همزمان شرایط آسایش حرارتی افراد و عوامل نارضایتی موضعی ایشان در هنگام خواب صورت نگرفته است این در حالی است که به نظر می رسد سیستم های متمرکز به دلیل وزش نسبتا شدید بر روی بدن، ممکن است موجب رخداد نارضایتی ناشی از کوران در افراد شوند. لذا در تحقیق حاضره سعی شده است تا با مدل سازی همزمان تأثیرات سیستم های متمرکز در شرایط مختلف، تحلیل مناسبی از ضریب بهره وری انرژی این سیستم و شرایط آسایش حرارتی افراد در هنگام خواب ارائه شود.

2- فضای نمونه

هندسه مورد بررسی در تحقیق حاضر، منطبق بر تحقيق مائو و همکارن [۹] در نظر گرفته شده است. بر این اساس، فضای نمونه اتاقی با طول، عرض و ارتفاع ۳/۶، ۲/۴ و ۲/۵ متر می باشد که تختخوابی در یک سمت اتاق قرار گرفته و در یچهای به ابعاد ۲۱×۵۷ سانتی متر مربع روی دیوار و در ارتفاع ۲۰ سانتی متری بالای تخت خواب تعبیه شده است. همچنین، اتاق مورد نظر دارای یک دریچه خروجی به ابعاد ۱۶*۳۷ سانتی متر مربع می باشد. ضمن این که بدن انسان نیز با یک هندسه ساده سازی شده به صورت خوابیده روی تخت مدل سازی شده است. شکل ۱ نمای کلی و ابعاد فضای نمونه را نشان می دهد.

به منظور بررسی عملکرد سیستم تهویه متمرکز بر شرایط آسایش حرارتی در هنگام خواب، جریان هوا با دبی و دمای مختلف از دریچه ورودی تعبیه شده در بالای سر فرد به فضای اتاق وارد می شود و شرایط حرارتی حاکم بر اطراف فرد را متأثر می کند. نرخ جریان هوای ورودی بین ۵۰ تا ۱۲۰ لیتر بر ثانیه و دمای آن در هر حالت پر مبنای شرایط آسایش حرارتی تعیین می شود. همچنین، شرط مرزی برای بدن انسان شار ثابت در نظر گرفته شده است و مقدار آن بر اساس نرخ متابولیک افراد در هنگام خواب برابر با ۴۵ وات بر متر مربع سطح بدن لحاظ شده است. ضمن این که میزان اتلاف حرارتی از دیوارهای خارجی و پنجره به ترتیب ۱۸ و ۲۰ وات بر متر مربع می باشد و سطح تخت، کف اتاق و سایر دیوارها، عایق در نظر گرفته شده است.

3- معادلات حاکم و روش حل

در این تحقیق، به منظور تحلیل جریان و انرژی از معادلات پیوستگی، بقای تکانه خطی و بقای انرژی تحت شرایط پایا و غیرقابل تراکم با در نظر گرفتن اثرات شناوری حرارتی از طریق تقریب یوزینسک استفاده شده است.

 

معادله پیوستگی :

 

همچنین  که بیانگر نیروهای حجمی (شناوری) وارد بر سیال است و به کمک تقريب بوزینسک محاسبه می شود.

 

 

 

 

 

 

که ضریب انبساط حجمي K^-1 و  يردار شتاب گرانش زمین( ms^-2) (است. همچنین µeff  با ضریب لزجت مؤثر سیال است که شامل لزجت سیال و الزجت اغتشاشی سیال می باشد و داریم :

 

 

 

که لزجت اغتشاشی سیال به کمک مدل دو معادله ای  استاندارد محاسبه می گردد .

همچنین، برای انجام محاسبات و حل معادلات حاکم در تحقیق حاضر، از حلگر عددی اوپن فوم و بسته حل بویانت بوزینسک سيمبل فوم استفاده شده است. حلگر مذکور برای حل عددی از روش حجم محدود بهره می گیرد. ضمن این که در این حلگر از تقریب وزینسک برای در نظر گرفتن اثرات جابه جایی طبیعی بر معادله جریان و از الگوریتم سیمپل برای تصحیح جفت شدگی بین فشار و سرعت استفاده شده است.

همچنین برای حل مسأله یک شبکه بندی غیر سازمان یافته ایجاد شده است و در طی حل عددی، استقلال حل از شبکه محاسباتی به دقت مورد بررسی قرار گرفته و شبکه ای با حدود ۴۰۰ هزار گره محاسباتی مناسب تشخیص داده شده است همان طور که در بخش۲ تشریح شد، شرایط مرزی سرعت برای دریچه های ورودی به گونه ای تعیین می شود که یک دیی حجمی مشخص متغیر بین ۵۰ تا ۱۲۰ لیتر بر ثانیه) را به اتاق وارد کند. سپس، با استفاده از سعی و خطا، دمای هوای ورودی به نوعی تعیین شده است که بتواند شرایط مطلوب آسایش حرارتی را برای فرد تأمین نماید. ضمن این که جزئیات مربوط به سایر شرایط مرزی در بخش ۲ آمده است. همچنین با توجه به استفاده از مدل اغتشاشی k-ꜫ لازم به ذکر است که شدت اغتشاشات در محل دریچه ورودی ۴۰ درصد در نظر گرفته شده است .

4- تشریح پارامترهای مورد بررسی

۱-۴- آسایش حرارتی در حالت خواب

در سال ۱۹۶۲ مکفرسون [۱۲] یا انجام آزمایشات وسیعی بر روی ۱۲۹۶ نفر در محیطی کنترل شده با انتقال حرارت یکنواخت ۴ عامل تاثیر گذار بر احساس حرارتی را به صورت دمای هوا، سرعت هوا، رطوبت، دمای میانگین تابشی، نرخ متابولیک و نوع لباس بیان نمود. مدتها بعد، همین عوامل به عنوان عوامل اصلی تأثیر گذار بر آسایش حرارتی در مدل آسایش اشری مطرح شدند [۱۳]. اما تاریخچه الرائه مدل های تحلیلی آسایش حرارتی، به تحقیقات فنگر [۱۴] در سال ۱۹۷۰ برمی گردد. فنگر (۱۴] با استفاده از نوشتن معادله موازنه انرژی برای بدن، تأثیرات ۶ عامل ذکر شده را با یکدیگر ترکیب نمود و یک شاخص جديد تحت عنوان میانگین آراء افراد ⁷(PMV) برای سنجش احساس حرارتی افراد و ارزیابی شرایط حرارتی محیط معرفی کرد.

شایان ذکر است که شاخص میانگین آرای افراد یک شاخص بسیار متداول است که در استانداردهای تأسیساتی مانند دست نامه میانی اشري أ۱۵] از آن به عنوان یک شاخص استاندارد یاد شده است. شاخص میانگین آراء افراد، در واقع احساس حرارتی گروه بزرگی از افراد را نسبت به شرایط گرمایی محیط، بررسی و ارزیابی می کند و یک مقدار کمی را به احساس حرارتی عمومی افراد

نسبت می دهد. با این وجود، شاخص مذکور با استفاده از یک مدل فیزیکی بسیار ساده توسعه یافته است و فرضيات ساده کننده زیادی برای محاسبه آن به کار رفته است. بر این اساس، شاخص میانگین آراء افراد، در موارد خاص مانند ارزیابی شرایط آسایش حرارتی افراد در هنگام از دقت مناسبی برخوردار نیست.

لذا لازم است تا برای استفاده از معیار قنگر برای شرایط مختلف، اصلاحاتی در مدل آسایش حرارتی اعمال گردد. در همین راستا، لين و دنگ [۱۶] در سال ۲۰۰۸، معیار قنگر و شاخص میانگین آراء اقراد را برای حالت خواب مورد بازنگری قرار دادند و رابطه (۸) را برای پیش بینی احساس حرارتی افراد در هنگام خواب ارائه کردند.

 

 

که h_c ضریب انتقال حرارت جابجایی در سطح می باشد که بر اساس داده ها و روش ارائه شده در دست نامه بنیادی اشري [۱۵] محاسبه می شود. همچنین t̅r  با دمای میانگین تابشی)  t_a (cدمای هوای محیط (c° ) p_a فشار بخار هوا (kPa) در دمای محیط می باشد. همچنین، در رابطه(8) R_t مقاومت حرارتی کلی برای سیستم تخت خواب است.

ضمن این که لین و دنگ [۳] در یک تحقيق تجربی، مقاومت کلی برای روانداز و تخت خواب های رایج را ارائه کرده اند. شایان ذکر است که در تحقیق حاضر فرض بر این است که فرد بر روی تخت خوابی با یک تشک معمولی و با لباسی نازک که تمام بدنش را پوشانده خوابیده است. در چنین وضعیتی طبق نتایج لین و دنگ. مقاومت کل میان بدن و محیط،  m²K 1/53W^-1 در نظر گرفته می شود.

۲-۴ – شاخص نارضایتی حرارتی موضعی ناشی از کوران

یکی از عوامل نارضایتی حرارتی، احساس سرمای موضعی به علت جریان هوا می باشد. به این پدیده نامطلوب اصطلاحا كوران گفته می شود. درصد افرادی که در یک محیط از رخداد كوران ابراز نارضایتی می کنند از رابطه تجربی (۹) به دست می آید [۱۷]

 

که DR در صد نارضایتی افراد ناشی از پدیده کوران (%), V̅سرعت جریان هوا m/s T_a دمای هوا (C°) و T_u شدت اغتشاشات جریان ورزشی (.%) می باشد طبق استاندارد 55 اشرى [۱۷] مقدار شاخص DR نباید بیشتر از ۲۰% باشد.

 

 

 ۳-۴ – ضریب بهره وری انرژی

برای بررسی عملکرد سیستم های تهویه متمرکز معمولا از پارامتر ضریب بهره وری انرژی استفاده می شود. ضریب بهره وری انرژی در واقع شاخصی برای سنجش میزان کارآمدی سیستم تهویه متمرکز است و نشان می دهد که تا چه حد سیستم تهویه بر روی هدف اصلی یعنی تهویه محیط اشغال شده توسط انسان ها متمرکز شده است. این پارامتر پیش از این توسط لین و همکاران [۱۸] به صورت (۱۰) تعریف شده است :

که T_uzو T_ozبه ترتیب دمای متوسط هوا در قسمت اشغال نشده و در قسمت اشغال شده است. همچنین .t_s بیان کننده دمای هوای ورودی در سیستم تهویه متمرکز می باشد. در صورتی که دمای متوسط هوا در قسمت اشغال شده کمتر از بیرون این ناحیه باشد مقدار رابطه (۱۰) بیشتر از ۱ خواهد بود لذا بهره گیری از سیستم تهویه مطبوع متمرکز موجب تمرکز عمل تهویه مطبوع بر ناحیه حضور فرد شده و از این طریق در مصرف انرژی صرفه جویی شده است. همچنین، هر چه مقدار ضریب بهره وری انرژی بیشتر باشد صرفه جویی در مصرف انرژی بیشتر خواهد بود .

5- اعتبار سنجی

به منظور اعتبار سنجی، نتایج تحقیق حاضر با نتایج تجربی و مدل سازی عددی مائو و همکاران [۹] به ازای دبی ورودی ۸۰ لیتر بر ثانیه و دمای هوای ورودی ۲۳ درجه سلسیوس در سه نقطه مختلف از قضای نمونه با هم مقایسه شده است، شکل2 محل نقاط مورد بررسی بر روی فضای نمونه را نشان می دهد. همچنین در شکل ۳ مقایسه میان نتایج تحقیق حاضر با نتایج تجربی و عددی مائو و همکاران [۹] ارائه شده است. همان طور که مشاهده می شود، همخوانی نسبتا مناسبی میان نتایج تحقیق حاضر با نتایج تجربی و عددی به چشم می خورد و همین امر نشان دهنده صحت و اعتبار قابل قبول مدل سازی حاضر است .

6- نتایج و بحث

همان طور که گفته شد هدف اصلی تحقیق حاضر، بررسی عملکرد سیستم تهویه متمرکز بر شرایط آسایش حرارتی در هنگام خواب می باشد. برای این منظور، تأثیر دبی و دمای هوای ورودی بر عملکرد سیستم مذکور مورد بررسی قرار گرفته است.

همچنین، برای این که امکان تحلیل نتایج به سادگی فراهم باشد، در ابتدا با ثابت قرض نمودن دمای هوای ورودی، اثرات تغییر دبی بر عملکرد سیستم تهویه متمرکز بررسی می شود و سپس در گام بعدی دمای هوای ورودی به نحوی تنظیم می شود که در ناحیه اشغال شده، شاخص میانگین آراء افراد در محدوده مجاز باشد و به عبارت دیگر، بیشینه مقدار PMV در محدوده حضور فرد برابر با ۵/ ۰ + شود. بر این اساس، در نتایج بخش دوم، به ازای تغییر در دبی هوای ورودی، دمای هوای سیستم به نحوی تنظیم می شود که شرایط آسایش حرارتی در ناحیه اشغال شده در همه حالتها مشابه باشد. این امر، امکان مقایسه بهتر نتایج را با وجود قید آسایش حرارتی در ناحیه حضور فرد فراهم خواهد نمود.

1-6- بررسی عملکرد سیستم تهویه مطبوع متمرکز به ازای تغییر دبی و ثابت بودن دمای ورودی

ابتدا به بررسی تأثیر میزان دبی ورودی بر شرایط حرارتی اتاق و محل حضور فرد پرداخته می شود. در تمام این حالت ها دمای هوای ورودی برابر با ۲۵

 

درجه سلسیوس (۲۹۸/۱ کلوین) در نظر گرفته شده است و دبی جریان ورودی از ۵۰ تا ۱۲۰ لیتر بر ثانیه تغییر می کند. جدول شاخص های عملکردی سیستم تهویه متمرکز را به ازای تغییر دبی هوای ورودی نشان می دهد. همچنین، در شکل ۴ نمودار تغییرات متوسط دمای اتاق، متوسط دمای ناحیه حضور فرد و نیز متوسط دمای ناحیه اشغال نشده به ازای تغییر دبی ورودی نشان داده شده است .

همان طور که انتظار می رود، مطابق با شکل ۴، افزایش دبی جریان هوای ورودی با ثابت بودن دما باعث میشود که مقادیر متوسط دما در اتاق کاهش یابد. به طوری که با افزایش دبی هوای ورودی از ۵۰ به ۱۲۰ لیتر بر ثانیه دمای متوسط اتاق حدود ۵ کلوین کاهش می یابد. همچنین، چنان چه گفته شد، یکی از مشخصه های اصلی سیستم تهویه متمرکز، ایجاد تمرکز بر تهویه ناحیه حضور افراد است.

بنابراین، برای بررسی نحوه عملکرد سیستم مذکوره لازم است تا متوسط دمای هوا در ناحیه اشغال شده و اشغال نشده با یکدیگر مقايسه شود. برای این منظور، شکل ۵ ناحیه ای از اتاق که مستقیمأ تحت تأثیر سیستم تهویه قرار گرفته است را نشان می دهد. این ناحیه بیانگر بخشی از فضای اتاق است که حداکثر اختلاف دمای آن با دمای هوای ورودی، از ۲ کلوین تجاوز نکند. همان طور که مشاهده می شود، با افزایش دبی هوای ورودی، ناحیه تأثیرگذاری سیستم تهویه متمرکز به شدت بزرگ می شود. این امر نشان می دهد که در صورت افزایش دبی هوای ورودی، عملکرد سیستم مذکور به سیستم های فراگیر نزدیک می شود و از تمرکز بر ناحیه حضور افراد که هدف اصلی این سیستم ها است، فاصله می گیرد. بر این اساس، افزایش دبی در سیستم های متمرکز تهویه عملکرد این سیستم ها را از حالت موضعی و متمرکز دور می کند و باعث می شود که بخش قابل توجهی از انرژی سیستم صرف تهویه بخش اشعال نشده اتاق شود.

برای بررسی میزان کارآمدی سیستم تهویه متمرکز، اختلاف متوسط دمای ناحیه اشغال نشده با دمای ناحیه اشغال شده در شکل ۶ نشان داده شده است. شایان ذکر است که هر چه اختلاف میان دمای دو ناحیه مذکور بیشتر باشد، عملکرد سیستم تهویه متمرکز بهتر خواهد بود. همان طور که در شکل ۶ مشاهده می شود، با افزایش دبی ورودی از ۵۰ تا ۱۲۰ لیتر بر ثانیه اختلاف دمای دو ناحیه اشغال نشده و اشغال شده از حدود ۳/۵ به ۱ کلوین کاهش می یابد.

بر این اساس، مشاهده می شود که افزایش دبی سیستم تهویه متمرکز در صورت ثابت بودن دمای ورودی باعث کاهش کارایی سیستم متمرکز خواهد شد. اما نکته بسیار مهمی که باید به آن توجه شود این است که برای دست یابی به شرایط آسایش حرارتی می بایست شاخص PMV در محدوده ۵/ ۰ تا ۰/۵ + قرار داشته باشد، با نگاهی به اطلاعات جدول ۱ ملاحظه می شود که دبی بسیار کم نیز نمی تواند شرایط احساس حرارتی مناسب را ایجاد کند. بر این اساس، به ازای دمای ورودی ۲۵ درجه سلسیوس، باید دبی سیستم متمرکز مورد بررسی در تحقیق حاضر بین ۸۰

 

 

 

 

 

 

 

تا ۱۲۰ لیتر بر ثانیه تنظیم شود. هر چند که با توجه به نکات پیشین، زیاد شدن دبی ورودی باعث پایین آمدن کارایی این سیستم به لحاظ تمرکز تهویه

 

 

بر ناحیه حضور فرد می شود. لذا، می توان چنین نتیجه گرفت که به ازای دمای ورودی ۲۵ درجه سلسیوس، مقدار دبی ۸۰ لیتر بر ثانیه بهترین عملکرد را نشان میدهد ۲-۶

2-6- بررسی عملکرد سیستم تهویه مطبوع متمرکز با قید برقرار بودن شرایط آسایش حرارتی

در این بخش از تحقیق، سعی می شود تا عملکرد سیستم تهویه متمرکز در شرایطی مورد بررسی قرار گیرد که طی آن، دمای هوای ورودی بر مبنای قید آسایش حرارتی تنظیم شود. به بیان دیگر، معیار تنظیم دمای هوای ورودی به گونه ای است که بیشینه شاخص

PMV در ناحیه اشغال شده توسط فرد برابر با 0/5 هم باشد. بر این اساس، هر چه دبی جریان ورودی افزایش یابد بایستی از دمای هوای ورودی کاسته شود تا شرایط آسایش حرارتی در همه حالت ها به شکل مشابهی حفظ شود. شكل ۷ نحوه تغییرات دمای هوای ورودی برای دستیابی به شرایط آسایش حرارتی مشابه به ازای تغییر دبی جریان ورودی را نشان می دهد. همان طور که مشاهده می شود. با افزایش دبی از ۵۰ تا ۱۲۰ لیتر بر ثانیه، دمای هوای ورودی می تواند تا نزدیک ۳ کلوین افزایش یابد و از حدود ۲۹۶ به ۲۹۹ کلوین برسد. همچنین، در جدول ۲ مشخصه های عملکردی سیستم تهویه متمرکز برای فرد خوابیده به ازای شرایط حرارتی مذکور ارائه شده است .

لازم به ذکر است که در دبی های پایین (دیی ۵۰ و ۶۰ لیتر بر ثانیه) به دلیل کم بودن دمای هوای ورودی، امکان ایجاد یک توزیع نسبتأ یکدست و مناسب برای شاخص PMV در ناحیه حضور فرد وجود ندارد. بر این اساس، به ازای دبی ۵۰ و ۶۰ لیتر بر ثانیه سعی شده است تا زاویه ورزش از دریچه به نحوی تنظیم شود که توزیع مناسبی از دما، سرعت و پارامتر PMV در محل فرد ایجاد شود.

همچنین، به منظور بررسی عملکرد سیستم تهویه متمرکز به لحاظ کارایی و میزان مصرف انرژی، در شکل ۸ ضریب بهره وری انرژی برای سیستم مذکور به ازای تغییرات دبی ورودی ارائه شده است. همان گونه که انتظار می رود با افزایش دبی جریان ورودی، ضریب بهره وری سیستم تهویه مطبوع کاهش یافته و به مقدار ا نزدیک می شود. به طوری که ضریب بهره وری انرژی به ازای دبی ۱۲۰ لیتر بر ثانیه به کمتر از ۱/۵ می رسد که این امر نشان دهنده

 

 

مزیت پایین بهره گیری از سیستم تهویه مطبوع متمرکز در دبی های بالا می باشد.

 

 

به منظور بررسی عملکرد سیستم تهویه متمرکز در تأمین شرایط آسایش حرارتی در هنگام خواب، درصد شاخص نارضایتی موضعی ناشی از کوران در شکل و نشان داده شده است. طبق نمودار شکل ۹، بر خلاف انتظار، بیشینه درصد نارضایتی موضعی ناشی از کوران با افزایش دبی ورودی کاهش می یابد. البته این امر به دلیل آن است که با بالارفتن دبی و سرعت جریان از دمای هوای ورودی کاسته می شود و طبق رابطه تجربی (۹).

نارضایتی ناشی از کوران هم به سرعت و هم به دمای جریان وزشی وابسته است، لذا ملاحظه می شود که کاهش دمای ورودی توانسته است اثر قابل ملاحظه ای بر کاهش نارضایتی ناشی از کوران داشته باشد. بر این اساس، به نظر می رسد که نارضایتی ناشی از کوران را بتوان با تنظیم دما و دبی جریان ورودی به طور مؤثری کنترل نمود. همچنین در شکل ۱۰، نمایی گرافیکی از توزیع دما و سرعت در صفحه گذرنده از مرکز اتاق برای سه دبی ۷۰، ۹۰ و ۱۱۰ لیتر بر ثانیه ارائه شده است، با دقت در شکل ۱۰ و ملاحظه نحوه توزیع مشخصه های جریانی، می توان نحوه ریزش جریان هوا از سیستم سرمایش متمرکز را به ازای دبی های مختلف با هم مقایسه نمود.

7- نتیجه گیری

در تحقیق حاضر، به بررسی عملکرد یک سیستم تهویه متمرکز مورد استفاده

 

 

 

 

 

برای سرمایش در هنگام خواب پرداخته شده است. در بخش اول نتایج، با ثابت فرض نمودن دمای ورودی، تاثیر دبی جریان بر عملکرد سیستم مذکور مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که در دبیها بالا، به جای این که دامنه عملکرد و تأثیرگذاری سیستم مذکور به ناحیه حضور افراد محدود شود، سیستم بخش قابل توجهی از فضای اتاق را متأثر می کند.

همچنین در دبی های کم نیز توزیع ناهمگن دما و سرعت موجب توزیع ناهمگن شاخص آسایش حرارتی در محل حضور فرد می گردد. بر این اساس، توصیه می گردد در سیستم ارائه شده از وزش جریان با دبی بسیار بالا یا پایین پرهیز گردد. بر این اساس، در شرایط مذکور، دبی ۸۰ لیتر بر ثانیه برای جریان ورودی، مناسب تشخیص داده شد. همچنین در بخش دوم نتایج، سعی شد تا با مقید ساختن سیستم به فراهم نمودن شرایط مطلوب به لحاظ آسایش حرارتی، به بررسی پارامتر نارضایتی حرارتی موضعی و ضریب بهره وری انرژی پرداخته شود.

نتایج نشان داد که در دبی کمتر از ۶۰ لیتر بر ثانیه امکان برقراری شرایط مطلوب آسایش حرارتی وجود ندارد، با این حال بیشینه درصد نارضایتی موضعی ناشی از کوران در تمام دبی ها در محدوده مجاز و کمتر از ۱۸ درصد قرار گرفته است. همچنین مشاهده می شود که با افزایش دبی ورودی، ضریب بهره وری انرژی برای سیستم تهویه متمرکز کاهش می یابد و مقدار این ضریب از ۱/۸۵ در دیی ۵۰ لیتر بر ثانیه به کمتر از 1/۵ در دبی ۱۲۰ لیتر بر ثانیه می رسد.

در مجموع براساس نتایج تحقیق توصیه می گردد که جهت برقراری شرایط مطلوب أسایش حرارتی و همچنین صرفه جویی در مصرف انرژی از دبی های بین ۷۰ تا ۱۱۰ لیتر بر ثانیه به همراه تنظیمات دقیق دمای هوای ورودی جهت سرمایش محیط استفاده گردد. همچنین تحليل نتایج نشان می دهد که سرعت ورودی در سیستم متمرکز مورد بررسی در حالت خواب، باید بین ۰/۶ تا حدود ۰/۹ متر بر ثانیه تنظیم شود، به طوری که سرعت های کمتر از این مقدار، قادر به تأمین شرایط آسایش حرارتی مطلوب و یکنواخت در ناحیه حضور فرد نیستند و سرعت های فراتر از این محدوده، موجب می شود تا مزیت سیستم متمرکز به لحاظ مصرف انرژی از دست برود. در مجموع، نتایج نشان داد که عملکرد سیستم تهویه متمرکز وابستگی شدیدی به دما و سرعت جریان ورودی دارد و بر این اساس، طراحی دقیق و مناسب این سیستم ها از اهمیت زیادی برخوردار است، هر چند که در صورت طراحی مناسب، سیستم های مذکور می توانند ضمن تأمین شرایط آسایش حرارتی، به طور قابل ملاحظه ای موجب صرفه جویی در مصرف انرژی شوند

8- مراجع

[1] J.A. Hobson, Sleep, Scientific American Library, New York, 1989.

[2] D.M. Pan, Z.P. Lin, S.M. Deng, M. Chan, Air-conditioning for sleeping

environments in tropics and/or sub-tropics – A review, Energy, Vol. 51

2013. 18-26, 2013. [3]
2014. Z.P. Lin, S.M. Deng, A study on the thermal comfort in sleeping

environments in the subtropics – measuring the total insulation values for bedding systems commonly used in the subtropics, Building and Environment, Vol. 43, pp. 905-9016, 2008.

141 Z.P. Lin, S.M. Deng. A questionnaire survey on sleeping thermal

environment and bedroom air conditioning in high-rise residences in

Hong Kong, Energy and Buildings, Vol. 38, pp. 1302-1307, 2006.

[5] F. Bauman, E. Arens, Task/Ambient Conditioning Systems Engineering

and Application Guidelines Final Report, Centre for Environment Design Research, University of California, Berkeley, 1996.

[6] F.S. Bauman, H. Zhang, E. Arens, C. Benton, Localized comfort control

with a desktop task conditioning system: laboratory and field

measurements, ASHRAE Transactions, Vol. 99, pp. 733-749, 1993.

[7] R.W. Shute, Integrated access floor HVAC: lessons learned, AS

Transactions, Vol. 101, pp. 877-886, 1995.

[8] D.M. Pan, M. Chan, L. Xia, X. Xu, Performance evaluation of a novel bed.

based task/ambient conditioning (TAC) system, Energy and Buildings,

Vol. 44, pp. 54-62, 2012 19N. Mao, D.M. Pan, M. Chan, S.M. Deng. Experimental and numerical

studies on the performance evaluation of a bed-based task/ambient air

conditioning (TAC) system. Applied Energy, Vol. 136, pp. 956-967, 2014

(10) N. Mao, D.M. Pan, M. Chan, S.M. Deng. Performance evaluation of an air

conditioning system with different heights of supply outlet applied to a

sleeping environment, Energy and Buildings, Vol. 77, pp. 281-291, 2014.

(11) N. Mao, D.M. Pan, M. Chan, S.M. Deng, Thermal, ventilation and energy

saving performance evaluations of a ductless bed-based task/ambient air conditioning (TAC) system, Energy and Buildings, Vol. 66, pp. 297.

305, 2013. 112R.K. Macpherson, Thermal stress and thermal comfort, Ergonomics, Vol.

16, pp. 611-622, 1973.

(13) R.F. Goldman, Extrapolating ASHRAE’s comfort model, HVAC&R

Research, Vol. 5, pp. 189-194, 1999.

(14) P.O. Fanger, Thermal comfort, Copenhagen: Danish Technical Press,

1970. (15) ASHRAE. ASHRAE handbook of fundamentals, Atlanta, 2001.
1971. (16) ZP. Lin, S.M. Deng, A study on the thermal comfort in sleeping

environments in the subtropics – developing a thermal comfort model for sleeping environments, Building and Environment, Vol. 43, pp. 70-81,

2008. (17) ASHRAE, ASHRAE Standard 55-2013, Thermal Environmental Conditions

for Human Occupancy, Atlanta, 2013. (18] W.W. Liu, Z.W. Lian, Y. Yao, Optimization on indoor air diffusion of floor

standing type room air-conditioners, Energy and Buildings, Vol. 40, pp. 59-70, 2008.