مجله تاسیسات

محاسبه تهویه طبیعی ساختمان با استفاده از تحلیل حلقوی”

نویسندگان :

محمد مقیمان

فرزاد مرادی

چکیده

 در این مقاله نور به طبیعی ساختمان با استفاده از تحلیل حلقوی یک بعدی محاسبه شده و اثر عوامل مختلف بر آن مورد بحث و بررسی قرار گرفته است، معادلات حاکم بر پایه موازنه نیروهای شناوری و انتهای فشار اصطکاکی و برفی حول حلقه جربان نوشته شده و برای امکان محاسبه اثر فشار باد و خاصیت دودکش در ساختمانهای با طبقات متعدد، به معادلات کلی بسط داده شده است. معادلات نشان می دهند که نرخ جربان تهویه ، بسته به شرایط حاکم بر ساختمان، با توانهای مختلف گرمای دریافتی (دماي داخل) متناسب است .

در حالت غالب بودن افت فشارهای مقاطع ورودی و خروجی بر افت فشار اصطکاکی با توان ۳۳/ ۰، در حالت غالب بودن افت فشار اصطکاکی با توان 5/0 و در حالت غالب بودن اثر باد با توان ۱. حل معادلات ساده و سریع است و برای ساختمانهای با فضاهای مختلف به علت تداخل متغیرهای حلقه ها حل با استفاده از روش تکرار انجام می شود. در حالت تهویه با جریان مغشوش ضریب اصطکاک از یک رابطه تجربی تعیین شده است. اثر عوامل مختلف از جمله اندازه مقاطع ورودی و خروجی، گرمای دریافتی ساختمان (دمای هوای داخل)، سرعت و جهت باد و همچنین، پديده خاصیت دودکش بر تهویه طبیعی ساختمان مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه نتایج روش تحلیل حلقوی با نتایج مدلهای تجربی رضایت بخش است.

Abstract in this papaer the flow rates in naturally ventilated buildings are calculated using one dimensional loop analysis in which the buoyancy forces are balanced by the pressure drops due to friction. The equations are edended to take into account the effects of wind and stack in multiple floor buildings. The procedure is straight forward and yields the zone air change rates without recourse to a complicated and time consuming calculation. Interaction between loops of multiple zone of multiple floor buildings requires iterations. For turbulent natural ventilation, the friction factor is determined from an experimental formulation. The results show that the ventilation air change rates depend on the nel heat gain to the power 0.33 for entracelet duct domination over internal friction, 0.5 for internal friction dominated conditions, and 1 for wind dominated conditions. The results of the procedure also reveals the significant effects of intet and outlet surface areas on the ventilation of naturally ventilated buildings. The comparison of loop analysis results with empirical methods shows good agreement

مقدمه

در بسیاری از کشورها مصرف انرژی در ساختمانها بیش از مصرف آن در فرآیندهای صنعتی و وسائل نقلیه است. مصرف بالای انرژی در سیستمهای گرمایش و تهویه مطبوع ساختمانها موجب شده است که همواره طراحان و مهندسان تکنیکهای جدیدی را برای کاهش مصرف انرژی مورد مطالعه قرار دهند ( 1,2,3). در مرجع [1] با استفاده از روش تفاضل محدود نقش محفظه هوا در شیشه های دو جداره بر کاهش اتلاف حرارت از پنجره ها مورد مطالعه قرار گرفته است.

نتایج بدست آمده اطلاعات لازم درباره الگوی جریان و خطوط همدما در داخل محفظه هوا و انتقال حرارت از این نوع پنجره ها را فراهم می کند. همچنین نتایج راهنمای مناسبی برای انتخاب اندازه های محفظه هوا نسبت هم ارزی جهت کاهش اتلاف انرژی از ساختمان است. مرجع [2] تکنیکی را برای بازیافت انرژی حرارتی از هوای تخلیه (اگزوز) شده از مکانهای مولد رطوبت و بو مانند سرویسها و آشپزخانه ارائه می کند. تکنیک ارائه شده نشان می دهد که با استفاده از مبدلهای حرارتی مناسب می توان حدود ۶۰ تا ۷۰% انرژی حرارتی آتلافی به طريق فوق را بازیابی نمود. در مرجع [3] یک فرآیند برای کنترل رطوبت هوای داخل ساختمان با مصرف انرژی بسیار کمتر نسبت به روشهای معمول دیگر مورد مطالعه قرار گرفته است. در این تکنیک جذب رطوبت هوا با استفاده از وسائل کنترلی محدودتر و تولید صدای کمتر نسبت به سایر روشها انجام می شود.

یکی از روشهای کاهش مصرف انرژی و همچنین کاهش صدا در ساختمانها، استفاده از تهویه طبیعی بجای تهویه اجباری و مکانیکی است. اگرچه پژوهشگران مطالعات زیادی در مورد جریان طبیعی هوا در فضاهای بسته انجام داده اند [ 4,5,6 ] اما جابجایی طبیعی هوا بین فضاهای داخل و خارج کمتر مورد توجه قرار گرفته است [78].

در مراجع [4,5] جابجایی طبیعی و انتقال حرارت در محفظه های بسته با مقطع مستطیلی در شرایط مرزی مختلف مورد مطالعه قرار گرفته است. مقایسه نتایج آزمایشگاهی و محاسباتی در مرجع [4] توانایی روشهای محاسباتی را در پیشگویی جابجایی طبیعی در محفظه های بسته نشان می دهد. در مرجع [5] اورهان ایدین به روش عددی نشان داده است که در اعداد ریلی به اندازه کافی بزرگ، انتقال حرارت در محفظه بسته ای که دو جدار مجاور آن حرارت داده شوند، به صورت نوسانی انجام می شود. نتایج او نشان میدهد که با افزایش عدد پرانتل پیچیدگی تغییر شکل جریان بیشتر شده و جریان برای پایدار شدن به زمان بیشتری نیاز دارد.

در مرجع [6] جابجایی طبیعی در محفظه بسته با شارژ حرارتی ثابت از جدار عمودی با استفاده از روش اجزاء محدود و نرم افزار Ansys مورد مطالعه قرار گرفته و اثر تغییر ضریب هدایت و گرانروی بر میدانهای سرعت و دما و نیز بر انتقال حرارت، تجزیه و تحلیل شده است. در مرجع [7] مقالات ارائه شده در دومین همایش بین المللی تهویه در سال ۱۹۹۸ مورد بررسی و تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. مقایسه تکنیکهای ارائه شده برای تهویه داخل ساختمان، نشان دهنده توجه پژوهشگران به روشهای تهویه اجباری و استفاده از سیرکولاسیون و تصفیه هوای داخل با استفاده از وسائل مکانیکی می باشد. مرجع [8] کاهش تهویه طبیعی در اثر ایزولاسیون دقيقتر ساختمانهای جدید و در نتیجه کاهش درزها و شکافها در پنجره ها و درها و همچنین، کاهش تعداد دودکشها را در ساختمانهای جدید مطرح کرده و به تهویه مکانیکی توجه بیشتری نموده است. روابط ارائه شده در مراجع برای محاسبه نهویه آزاد اغلب برای نمونه های ساده ساختمانها بوده و دربرگیرنده تمام عوامل مؤثر بر آن نمی باشد [8,9] .

برای استفاده از تهویه طبیعی در ساختمان لازم است طراحی ساختمان بر مبنای عوامل مؤثر بر جریان طبیعی هوا از جمله نیروهای شناوری، اثر باد، اندازه مقاطع جریان هوا و همچنین، اثر پدیده خاصیت دودکش صورت گیرد. نیروی شناوری حاصل از اختلاف دمای هوا در داخل و خارج ساختمان موجب برقراری جریان هوا بین داخل و خارج ساختمان می شود؛ بطوری که جریان هوا از منافذ و مقاطع یک طرف ساختمان وارد و از منافذ و مقاطع طرف دیگر آن خارج می شود.

در تحليل حلقوی، این جریان به صورت یک حلقه بسته در نظر گرفته میشود (شکل 1). با توجه به اینکه در جریان حلقوی جمع جبری افت فشار حول حلقه بسته وقتی در جهت ثابت حرکت کنیم صفر است [10]، رابطه ای بین نیروی شناوری و انتهای فشار اصطکاکی و موضعی به دست می آید. در طراحی تونلهای جاده ای که تمام یا بخش مهمی از تعویض هوای داخل آنها بوسیله تهویه طبیعی انجام می شود، از اثر نیروی شناوری و همچنین اثر باد حداکثر استفاده به عمل می آید. در این تونلها برای استفاده از نیروی شناوری، دو انتهای تونل در دو ارتفاع مختلف ساخته می شود و بطور معمول اثر باد نیز به تهویه طبیعی تونل کمک می کند.

هدف این مقاله بدست آوردن روابط حاکم بر جریان طبیعی هوا در ساختمان با استفاده از روش تحلیل حلقوی و بررسی اثر عوامل مختلف در تعداد تعويض هوای داخل ساختمان می باشد. در روش تحلیل حلقوی، مسیر جریان هوا در ساختمان به صورت یک تونل یا کانال بسته در نظر گرفته میشود و معادلات حاکم از موازنه نیروهای شناوری و انتهای فشار حول حلقه بدست می آید. در این مطالعه افزون بر عوامل اصلی موثر بر تهویه ساختمان مانند گرمای دریافتی ساختمان اختلاف دمای هوای داخل و خارج) که نیروهای شناوری را ایجاد می کند، اثر باد که می تواند بر جابجایی هوا در ساختمان بسیار موثر باشد، و پدیده خاصیت دودکش که به علت اختلاف چگالی هوا در داخل ساختمان در زمستان موجب ورود هوای خارج از پائین و خروج هوای داخل از بالا می شود، عوامل دیگر مانند اندازه سطوح مقاطع ورودی و خروجی و سرعت و جهت باد نیز مورد بررسی قرار میگیرد.

محاسبه جریان جرم برای حلقه جریان

در شکل (۱) مقطع شماتیک ساختمان یک طبقه ای به ارتفاع h نشان داده شده است. دمای هوای سرد خارج از ساختمان با T₁ و دمای هوای گرم داخل ساختمان با T₂ مشخص شده است. خالص گرمای دریافتی ساختمان(Q_N)

که موجب گرم شدن هوای داخل تا دمای T 4 می شود مساوی با مجموع گرماهای دریافتی شامل انرژی خورشیدی، حرارت حاصل از وسیله گرم کننده، گرمای سیستم روشنایی، گرمای حضور افراد و غيره منهای اتلاف حرارت از طريق جدار و جابجایی هوا به خارج می باشد. مقدار Q N با توجه به بارهای حرارتی اشاره شده در بالا از روابط تهویه مطبوع برآورد می شود[11] در حلقه نشان داده شده در شکل (1)، 1 A سطح مقطع هوای ورودی (A ₁=A₂ )، A 4 و مسطح مقطع هوای خروجیA_C و  A₃=A₄با سطح مقطع حجم کنترل فضای داخل ساختمان است. طبق اصل بقای جرم نرخ جريان جرم در طول حلقه ثابت است. در حالت ماندگار ، طبق معادله اندازه حرکت نیروی شناوری حاصل از تغییر چگالی در اثر تغییر دما مساوی با مجموع افتهای فشار در طول حلقه می باشد. با توجه به آنچه در بالا آورده شد، موازنه فشار حول حلقه بسته می شود .

اگر افت فشار اصطکاکی حاصل از واحد وزن هوا در عبور از داخل اتاق را با_3-2 h_Lرا نشان دهیم، با به کاربردن معادله بر نولی بین نقاط ۲ و ۳ داریم؛

که در آن P2 چگالی هوا در دمای T₂  شتاب ثقل و  F=P₂ gh_L2-3 می باشد، از طرفی می توان نوشت:

که در آن D_h قطر هیدرولیکی است، همچنین، با استفاده از معادله برنولی بین نقاط ۶ و او با فرض اینکه چگالی هوای خارج ساختمانp₀ باشد، داریم:

از جمع دو معادله (2) و (4) و تنظیم رابطه حاصل نتیجه می شود:

افت فشارهای (p₃-p₄)و(p₁-p₂)را می توان برحسب ضرایب تخلیه نوشت. با استفاده از رابطه

ΔP =C_d p (u²/2) که در آن U سرعت متوسط هوا از مقاطع ورودی با خروجی است. برای محاسبه U، اگر سطح مقطع جریان را با A، چگالی هوا در سطح مقطع A را با p و دبی جرمی در حلقه که طبق اصل بقاء جرم ثابت است، را با m نشان دهیم داریم :

u=(m/(AP)) بنابراین معادله (۵) به شکل زیر در می آید:

با توجه به اینکه جریان اساسا تراکم ناپذیر است در جملات افت فشار می توان از تغییر چگالی هوا در اثر تغییر فشار چشم پوشی کرد (P₀ P₂  ) البته چگالی هوا با تغییر دما تغییر میکند و با به کار بردن فرضیه بوسینسک در جمله شناوری داریم :

که در آن 1/T=

2/ T=(T₁+T₂)  و Tدمای مطلق بر حسب درجه کلوین است.

از معادله انرژی برای حجم کنترل فضای ساختمان داریم  Q_N = (T₂-T₁) mc_p بطوریکه می توان نوشت :

که در آن C_P گرمای ویژه هوا است، بنابراین داریم :

معادله (۹) نشان می دهد در حالتیکه اصطکاک قابل چشم پوشی باشد(F=0)نرخ جریان جرم متناسب با ریشه سوم خالص حرارت دریافتی (Q_N) می باشد . نرخ جریان جرم بر حسب عدد گراشف می شود [12]

ترکیب نیروی شناوری و اثر باد

برخورد باد با ساختمان موجب افزایش فشار استاتیکی هوا در سطوح یک طرف ساختمان و کاهش آن در سطوح طرف دیگر می شود (شکل ۲)[2]. اختلاف فشار ایجاد شده جابجایی طبیعی هوا را از طریق درها و پنجره ها افزایش می دهد. متوسط فشار تولید شده از تغییر سرعت باد از رابطه زیر به دست می آید (8)

که در آن C_P با ضریب فشار استاتیک و Wسرعت باد (m/s) می باشد. مقدار C_P در هر نقطه از سطح ساختمان به هندسه ساختمان، سرعت و جهت باد و به موانع اطراف ساختمان بستگی دارد. مقادیر برای ساختمانهای با هندسه ساده در مرجع [12] داده شده است. با در نظر گرفتن اثر باد، فشارهای کلی در مقاطع ورودی و خروجی ساختمان می شود .

و با توجه به اینکه P₀ P₂ می توان نوشت :

در معادله (۱۳) دیده می شود که ضریب فشار مثبت باد در ورود (c_p1+) و ضریب فشار منفي (مکش) در خروج (-c_p1 ) نرخ جریان جرم را افزایش می دهند. با تنظیم معادله (۱۳) می توان شکل کلی معادله نرخ جریان جرم در حلقه منفرد را با در نظر گرفتن اثر باد به دست آورد .

معادله (۱۴) یک معادله درجه سوم است که نشان میدهد برای فشارهای خیلی زیاد باد، نرخ جریان جرم متناسب با خالص گرمای دریافتی توسط فضای مورد نظر  است و در صورت ثابت بودن Q_N نرخ جريان جرم با سرعت باد متناسب می باشد .

 سرعت متوسط باد تابعی از ارتفاع از سطح زمین است و افزون بر این به موانع اطراف ساختمان بستگی دارد [8]:

که در آن W سرعت متوسط باد (m/s) در ارتفاع w_r، H  سرعت متوسط باد در ارتفاع مشخص از سطح زمین (معمولا ۱۰ متر) و ضرایب

با توجه به شرایط موانع اطراف ساختمان تعیین می شوند (8)، در این مقاله برایبه ترتیب، از مقادیر ۳۳/ ۰ و ۲۱/ . استفاده شده است.

نرخ جریان جرم با در نظر گرفتن خاصیت دودکش

تحلیل بیان شده برای حلقه منفرد ساختمان یک طبقه را می توان برای محاسبه نرخ جریان جرم در ساختمانهای با طبقات متعدد بسط داد. در شکل (۳) برای هر یک از طبقات یک ساختمان چند طبقه که دارای گرمای خالص دریافتی متفاوت می باشند، یک حلقه مجزا در نظر گرفته شده است. در ساختمانهای با طبقات متعدد در زمستان هوای گرم داخل ساختمان به علت کاهش دانسیته به طرف بالا حرکت می کند (به عنوان مثال از طریق راه پله و در نتیجه فشار هوا در طبقات بالا افزایش و در پایین ساختمان کاهش می یابد. در اثر این تغییر فشار هوای سرد خارج از قسمت پایین ساختمان دارد و هوای گرم داخل از منافذ طبقات بالا به خارج جریان پیدا می کند.

این پدیده که به خاصیت دودکش معروف است موجب افزایش تهویه طبیعی در ساختمانها می شود. در شکل (۳) جریان مربوط به خاصیت دودکش با حلقه ۲ نشان داده شده است. نتیجه مهم خاصیت دودکش گرمتر شدن طبقات بالای ساختمان نسبت به طبقات پایینتر در اثر جریان بیشتر هوای گرم در آنها می باشد. اگر I نشان دهنده طبقه اتاقها و j نشان دهنده طبقات در مسیر راه پله باشد، در شکل (3) T_riدمای اتاق در طبقه i ، Q_ri گرمای دریافتی اتاقهای طبقهi   ( بجز گرمای دریافتی از خاصیت دود کش )،T_SJ دمای راه پله در طبقه  J   و Q_SJ گرمای حاصل از خاصیت دودکش در طبقه j راه پله است که در واقع این گرما به اتاقها داده می شود، چنانچه کل گرمای منتقل شده در اثر خاصیت دودکش مساوی Q_S باشد با توجه به آنچه بیان شد، حرارت دریافتی هر طبقه به نرخ جریان جرمی آن طبقه بستگی داشته و از رابطهQ_S(m_n/m₎ = Q_SI بدست می آید، و سطح مقطع جریان موثر مربوط به آن خواهد شد:

(m / m_ri)= A_SI که در آن A_S مقطع اصلی جریان مربوط به خاصیت دودکش است (معمولا مساوی مقطع افقی مسیر راه پله ساختمان)، بنابراین، گل نرخ جریان جرمی هوا از اتاقهای طبقهi(یا حلقه i) با در نظر گرفتن اثر خاصیت دودکش از رابطه زیر بدست می آید :

با داشتن نرخ جریان جرم کلی (m) می توان از معادله (۱۶) نرخ جریان جرم هر طبقه را از حل مستقیم معادله بالا بدست آورد،

معادله کلی تهویه طبیعی

اگر اثر جریان باد بر تهویه طبیعی ساختمانهای بلند نیز در نظر گرفته شود، معادله (۱۶) به شکل کلی زیر نوشته میشود .

در حالت عدم وجود اثر باد، جریان هوا در داخل ساختمان آرام فرض می شود و ضریب اصطکاک (f) از رابطه  f=64/R_e

که در آن می باشد محاسبه می گردد. بنابراین داریم :

اگر در معادله (۹) بجای f مقدار قرار دهیم، یک معادله درجه دوم بر حسب m بدست می آید و چنانچه اثر مقاطع ورودی و خروجی ناچیز باشد وابستگي m به Q_N می شود: در حالت وجود اثر باد، جریان هوا مغشوش فرض شده و مقدار از f رابطه پیشنهاد شده بوسیله هلندز  محاسبه می شود.

معادله (۱۷) را می توان به شکلBm_i-c+ Am_i³  =0 نوشت که یک معادله درجه سوم است. این معادله با استفاده از روش نیوتون – رافسون به ترتیب برای هر یک از حلقه ها حل می شود. با توجه به اینکه گرمای منتقل شده توسط خاصیت دودکش (Q_SI) و همچنین سطح مقطع مؤثر آن (A_SI) به نرخ جریان جرم طبقه و نیز نرخ جریان جرم کلی ساختمان بستگی دارد، نرخ جریانهای جرم تصحیح شده از تکرار حل معادله (۱۷) بدست می آید.

روابط نمونه های ساده تجربی در مرجع [8] برای تهویه طبیعی وضعیتهای هندسی ساده ساختمان براساس استاندارد

B.V.۵۹۲۵ [14] و نیز برپایه کتاب ASHRAE [9] روابطی تجربی داده شده است. در زیر دو رابطه از روابط یاد شده که با هندسه ساختمان مورد مطالعه در این مقاله تطابق بیشتری دارند، ارائه و نتایج آنها در بخش بررسی نتایج با نتایج تحليل حلقوی مقایسه خواهد شد .

متد استاندارد 8.۵۹۲۵,B:

در مرجع [8] رابطه زیر (در اینجا رابطه مذکور با توجه به علائم و مشخصات هندسه شکلهای ۱ و ۲ نوشته می شود) برای نرخ جریان حجمی تهویه طبیعی ساختمان وقتی نفط فشار بادحجمی تهویه طبیعی ساختمان وقتی نفط فشار باد وجود داشته باشد، داده شده است

متد اشره 

در مراجع [8و9] رابطه زیر برای نرخ جریان حجم تهویه طبیعی ساختمان وقتی اثرات باد و نیروی شناوری وجود داشته باشد، داده شده است

که در آن A سطح مقطع جریان هوا (سطوح مقاطع ورودی و خروجی یکسان) بر حسب سانتیمتر مربع، a ضريب دودکش، b ضریب باد،ΔT اختلاف دمای داخل و خارج (k) و سرعت باد  W(ms  )است. مقادير a و b و  برای طبقات مختلف ساختمان در مرجع [8] داده شده است. برای ساختمان سه طبقه مقدار a مساوی 0/00564m^6hr-2cm-4k-1 ومقدار b مساوی 0/00640m⁴s²hr^-2cm^-4 می باشد .

بررسی نتایج

محاسبات برای یک ساختمان سه طبقه با ارتفاع هر طبقه ۳ متر (مساحت هر طبقه ۲۰۰ متر مربع) و حرارت خالص در بافتی هر متر مربع ساختمان0/125 Kw (یعنی حرارت دریافتی یک اتاق به مساحت ۱۲ متر مربع1/5kw)) در شرایط مختلف انجام شده است، اختلاف دمای داخل و خارج ۲۵°C میباشد. ابتدا محاسبات برای فضای طبقه همکف انجام می شود و اثر باد در نظر گرفته نمی شود، با توجه به اینکه به علت عدم وجود باد سرعت جریان هوا در داخل ساختمان کم است و می توان انتظار داشت که افت فشار در مقاطع ورود و خروج هوا در مقابل افت فشار حاصل از اصطکاک داخلی قابل توجه باشد، در شکل (۴) اثر اندازه سطوح مقاطع ورودی و خروجی بر نرخ یا تعداد تعويض هوای داخل در ساعت مورد مطالعه قرار گرفته است. در شکل مقطع خروجی با A₄مشخص شده است. مشاهده می شود در صورتیکه سطح یکی از دو مقطع (ورودی با خروجی) کوچک باشد، نرخ تعويض هوا تابع آن (كم) خواهد بود و برای افزایش نرخ جریان تهویه طبيعي لازم است سطوح مقاطع ورودی و خروجی با هم افزایش باشد تهویه طبیعی به مقدار قابل توجهی کاهش می یابد.

در شکل (۵) اثر گرمای دریافتی (دمای داخل) بر نرخ تعویض هوای طبقه برای مقادیر مختلف مقاطع جریان نشان داده شده است (مساحت مقاطع ورودی و خروجی مساوی است), مشاهده میشود با افزایش گرمای خالص دریافتی یا در واقع افزایش دمای داخل ساختمان، نرخ تعویق افزایش پیدا می کند. همچنین دیده میشود برای اتاق مورد نظر، مساحت ۱ متر مربع برای سطوح مقاطع ورودی و خروجی، جریان نسبتا کمی را اجازه می دهند و چنانچه سطوح بادشده بیش از ۳ متر مربع باشد، افزایش سطح آنها اثر قابل توجهی بر تهویه طبیعی ندارد. این نتایج با ملزومات ارائه شده در استاندارد ۵۹۲۵ .B,S در مورد اثر اندازه پنجره ها بر تهویه طبیعی فضاها مطابقت دارد [15].

در شکل (۶) اثر گرمای خالص دریافتی (دمای داخل) پر نرخ تعويض هوای داخل طبقات مختلف ساختمان با در نظر گرفتن خاصیت دودکش نشان داده شده است (اندازه سطوح مقاطع ورودی و خروجی برای هر یک از طبقات ۱ متر مربع و سرعت باد صفر است). مشاهده میشود با افزایش گرمای خالص دریافتی، نرخ تعویض هوای جابجایی آزاد در طبقات ساختمان افزایش می یابد. همچنین دیده می شود نرخ تعویض هوا در طبقات بالاتر بیشتر است که علت آن اثر خاصیت دودکش می باشد. البته باید توجه داشت که اثر خاصیت دودکش در ساختمانهای با تعداد طبقات زیاد ( با ارتفاع بیش از ۳۰ متر) قابل توجه است، در این مطالعه از مدل ساختمان سه طبقه با فرض وجود خاصیت دودکش استفاده شده است، که به علت کوتاه بودن ساختمان اثر دودکش قابل توجه نمی باشد.

شکل (۷) اثر اندازه در ارتباطی طبقه به راه پله را بر نرخ تعویض هوای داخل به روش تهویه طبیعی در طبقات مختلف نشان می دهد (سرعت باد صفر است). ارتباط فضای طبقه به راه پله موجب می شود که جریان حاصل از خاصیت دودکش وارد اتاقها شده و تهویه طبیعی طبقه را افزایش دهند. همانگونه که انتظار می رود مشاهده می شود که افزایش سطح مقطع ارتباطی موجب افزایش نرخ جريان تهویه طبیعی می شود و این افزایش در ابتدای افزایش سطح دارای شدت بیشتری می باشد .

شکل (۸) اثر سرعت باد را بر تعداد تعويضي هوايا داخل هر یک از سه طبقه ساختمان نشان می دهد .محاسبات برای سطح مقاطع ورودی و خروجی ۱ متر مربع انجام شده است. مشاهده می شود سرعت باد اثر قابل توجهی بر افزایش نرخ تعويض هوا در اثر تهویه

طبیعی در داخل ساختمان دارد. با توجه به اینکه ساختمان سه طبقه است، سرعت باد مقادیر نسبتا کمی دارد. بدیهی است در طبقات بالاتر ساختمان که سرعت باد بیشتر است، می تواند اثرات بیشتری بر جریان طبیعی هوا در داخل ساختمان داشته باشد.

شکل (۹) اثر مقدار و جهت سرعت باد را بر نرخ جریان تهویه طبیعی برای دو حالت نشان می دهد: در حالت اول باد مستقیما بر ورودی ساختمان برخورد می کند (فشار استاتیکی در مقطع ورودی ساختمان مثبته در حالت دوم جهت باد عکس می باشد. (فشار استاتیکی در سطح ورودی منفی، محاسبات برای طبقه اول ساختمان سه طبقه با در نظر گرفتن اثر خاصیت دودکش انجام شده است. مشاهده می شود در حالت اولیه بر خورد باد با ساختمان موجب افزایش نرخ جريان طبیعی هوا می شود در حالیکه در حالت دوم جریان معکوس باد نه تنها تهویه طبیعی را افزایش نمی دهد بلکه تهویه طبیعی ناشی از نیروی شناوری و خاصیت دودکش را نیز کاهش می دهند .

برای ارزیابی نتایج مدل حلقوی، در شکلهای (۱۱و۱۰) نتایج این مدل با نتایج روابط تجربی ارائه شده در مرجع ]B] برای نمونه های ساده از هندسه ساختمانها مقایسه شده است. در شکل (۱۰) نتایج روش تحلیل حلقوی با نتایج متد استاندارد ۵۹۲۵ ،Bs برای حالتی که فقط أثر باد عامل جابجایی هوای داخل ساختمان (طبقه اول) باشد، مقایسه شده است. سطوح مقاطع ورودی و خروجی ۱۳۲ می باشد. مشاهده می شود که نتایج دو روشی بویژه در سرعتهای پایین باد بسیار بهم نزدیک می باشد. در واقع روش تحلیل حلقوی تعداد تعويض هوای داخل ساختمان را در تمام مقادير سرعتهای باد ندری کمتر از روش استاندارد ۵۹۲۵.B.S محاسبه کرده است. حداکثر اختلاف مقادير محاسبه شده بوسیله دو روش حدود ۱۵% است .

در شکل (11) نتایج مدل تحليل حلقوی با نتایج متد تجربی اشبره برای حالتی که ترکیب اثرات باد و نیروی شناوری هر دو اعمال شود مقایسه شده است، محاسبات برای طبقه سوم ساختمان، سرعت باد ۴ متر بر ثانیه و اندازه سطوح مقاطع ورودی و خروجی یکسان هوا انجام شده است، مقایسه دو روش نشان میدهد که بطور کلی روش تحليل حلقوی تهویه طبیعی را بسیار بیشتر (بیش از حدود ۱۰۰% از متد اشره محاسبه می کند. علت اختلاف نتایج دو مدل می تواند وجود ضرایب ثابت تجريي اثر دودکش و اثر باد در روش آشره باشد. با توجه به اینکه خاصیت دودكش و رفتار باد به پارامترهای زیادی از جمله شرایط متد می ساختمان بستگی دارد، استفاده از ضرایب ثابت برای ساختمانهای مختلف منطقی بنظر نمی رسد، بررسی دو شكل (۱۰ و ۱۱) نشان می دهد که مدل حلقوی نتایجی بین دو مثل استاندارد ۹۲۵ ,B5 و اشره و البته بسیار نزدیکتر به نتایج متد استاندارد محاسبه می کند.

نتیجه گیری

بر پایه تحلیل حلقوی یک بعدی و در نظر گرفتن اثر عوامل مختلف، روابط ساده ای برای محاسبه و تجزیه و تحلیل تهویه طبیعی ساختمان ارائه شده است. معادلات حاکم از موازنه نیروهای شناوری و انتهای فشار اصطکاکی و موضعی بدست آمده و برای محاسبه اثرات باد و خاصیت دودکش در ساختمانهای با طبقات متعدد بسط داده شده است. روابط بدست آمده چگونگی ارتباط نرخ جریان هوا در تهویه طبیعی ساختمان را به عوامل مختلف از جمله گرمای خالص دریافتی (دمای داخل)، سرعت و جهت باد، اندازه مقاطع ورودی و خروجی، و انتهای اصطکاکی و موضعی نشان می دهد. با توجه به اینکه کاربرد تهویه طبیعی در ساختمان مصرف انرژی و تولید صدا را به مقدار قابل توجهی کاهش می دهد، استفاده از تحلیل حلقوی بوسیله طراح ساختمان امکان بررسی سریع طرحهای مختلف و انتخاب طرح بهینه را فراهم میکند. نتایج نشان میدهد سه عامل : دمای داخل (گرمای دریافتی)، سرعت باد ( مقدار و جهت باد) و اندازه مقاطع ورودی و خروجی نقش بسیار مهمی در تهویه طبیعی ساختمان دارند. مقایسه نتایج مدل حلقوی با دو متد استاندارد ۵۹۲۵.B.S و اشره برای ساختمانهای ساده نشان می دهد نتایج بدست آمده از تحلیل حلقوی بین نتایج دو متد یادشده قرار دارد ولی به مدل استاندارد بسیار نزدیک می باشد.

مراجع

1. Korpela, S. A., Lee, Y., and Drummond, J. E, “Heat transfer through a double pane window”, Journal of

Heat Transfer, Vol. 104, pp. 539-544, (1982).

2. Awbi, H. B., and Allwinkle, S. J, “Domestic ventilation with heat recovery to improve indoor air quality”,Energy Build, 9, 305-12, (1986)
3. Crooks, K. W., and Banks, N. J, “Controlling rotary desiccant wheels for dehumidification and cooling”,

ASHRAE Transactions, Vol. 102, No. 2, pp. 633-638, (1996).

4. Bauman, F., Gadgil, A., Kammerud, R., and Grief. R, “Buoyancy driven convection in rectangular

enclosures: Experimental results and numerical calculations”, ASME Paper, No. 80, HT-66, (1980).

SID

5. Aydin. O, “Transient natural convection in rectangular enclosures heated from one side and cooled from

above”, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 26, No. 1, pp. 135-144, (1999).

6. Emery, A. F., and Lee, J. W, “Effects of property variations on natural convection in a square enclosure”ASME Trans., J. Heat Transfer, Vol. 121, No. 1, pp. 57-62, (1999).
7. Goodfellow, HD, “Key note address: Ventilation-past present and future”, Proc. 2nd, Int. Symp. On

Ventilation for Contaminant Control (Ventilation’ 88), London (1988).

8. Awbi, H. B, “Ventilation of Buildings”, Chapman and Hall, London, (1991).
9. ASHRAE Fundamental Handbook, Ch. 22 Natural Ventilation and infiltration, American Society of

Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Atlanta, G. A., (1985).

10. Streeter, V. L., Wylie, B. E., and Bedford, K. W., “Fluid Mechanics”, 9th ed., McGraw Hill, (1998).
11. Jones, W. P, “Air Conditioning Engineering”, 4 th, Edition, Edmunds bury press, (1996).
12. Incropera, F. P., and De Witt, D. P, “Fundamentals of Heat and mMss Transfer”, 4th Edition, John Wiley &Sons, (1996)
13. Liddament, M. W, “Air Infiltration Calculation Techniques-An Application Guide”, Air Infiltration Center,Coventry, UK, (1986).
14. Hollands, H. G., and Schewen, E. C, “Optimization of flow passage geomoetry for air-heating, plate-type solar collectors”, Journal of Solar Energy Engineering Vol. 103, pp. 323-330, (1981).
15. B.S.5925 Code of practice for design of buildings: Ventilation principles and designing for natural

ventilation, British Standards Institution, London, (1980).