بخشی از مقاله
بررسی رفتار حرارتی نماهاي دوپوسته در نمونه موردي مدلسازي شده در دانشگاه موچن آلمان
چکیده – همساز با اقلیم از جایگاه ویژه اي در معماري پایدار برخـوردار مـی باشـد. اسـتفاده منطقـی از انـرژي
خورشیدي، زمینه ساز طراحی نماهاي فعال خورشیدي نظیر نماهاي شفاف، دیوارهاي ذخیره کننده انرژي حرارتی، نماهاي دوپوسته براي تهویه طبیعی، استفاده از سلولهاي خورشیدي و... شده است. نگاهی به بناهاي مسـکونی و اداري متـداول امروز روشن می سازد در حال حاضر تمایل زیادي به ساخت بناهاي کاملا شفاف وجود دارد. بررسی رفتـار حرارتـی نمـا از ملزومات طراحی نماهاي خورشیدي می باشد. براي پیش بینی رفتار حرارتی این بناها و ممانعت از گرم شدن بـیش از حـد آنها در طول تابستان، شبیه سازي و آنالیز عددي آنها در طول پروسه طراحی از اهمیت زیادي برخوردار خواهد بود. یکی از نمونه هاي متداول و بحث برانگیز نماها، نماهاي دوپوسته هستندعمـدتاَ. رفتـار حرارتـی چنـین نماهـایی تحـت تـاثیر فاکتورهاي متنوع مداخله کننده، از پیچیدگی بالایی برخوردار می باشد و شبیه سازي عددي چنـین نماهـایی در مراحـل ابتدایی طراحی ضروري خواهد بود تا از آسایش حرارتی ساکنان اطمینان حاصل گردد. دراین مقالـهبررسـیگزارشـی از آزمایشی شبیه سازي نماي دو پوسته یک نماي دوپوسته به کمک ابزار CFD ارایه شده است که در دانشگاه مـوچن انجـام گرفته است.2 نتایج ارایه شده در این شبیه سازي بعد از بررسی فاکتورهاي موثر مختلف،راهکارهـايمیتواند بـه ارایـه اجرایی در رابطه با ساخت آنها ارایه دهد.
کلید واژگان- نماي دوپوسته، نماي خورشیدي، آنالیز عددي، شبیه سازي.
-1 مقدمه
بحران محیط زیست در جهان، امروزه به یکی از اصلی ترین نگرانیهاي جنبشهاي توسعه پایدار تبدیل شـده اسـت. افـزایش رو بـه رشـد میزان آلاینده ها ، کاهش روزافزون سوختهاي فسیلی و بحرانهاي محیطی ناشی از آن تهدیدي جدي براي آینده حیات انسـان محسـوب می گردد و این در حالی است که ساختمانها بیش از نیمی از مصرف انرژي جهان را به خود اختصاص داده اند.[1]
امروزه، در ساخت نماي بناهاي اداري به تدریج بر نسبت سطوح شیشه اي افزوده می گردد. اگرچه با افـزایش شـفافیت، میـزان دریافـت انرژي خورشیدي نیز روبه رشد می باشد، براي اطمینان از تامین آسایش حرارتی ساکنان، فراهم کردن امکان رفتار مستقل مخاطبـان از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. تامین شرایطی که به کاربران امکان کنترل شرایط حرارتی را خواهد داد، مانند در نظر گـرفتن پنجـره هاي بازشوي مستقل براي هر فضا.
یکی از راه حلهاي تامین بازشو در چنین نماهایی با وجود سرو صداي خیابان، آلودگی هوا و...، در نظر گرفتن یک نماي ثانویه با فاصله از نماي موجود می باشد که می تواند شرایط ممانعت از صوت و فیلتر هواي مورد نیاز براي تهویه را فراهم نماید. ایـن نـوع نماهـا، "نمـاي دوپوسته" نامیده می شوند. فاصله بین پوسته داخلی و پوسته خارجی به کمک تعبیه بازشوهاي مناسی در پوسـته خـارجی تهویـه مـی گردد و از این فضا می توان براي نصب سیستمهایی که مانع دریافت انرژي خورشیدي توسط پوسته داخلـی مـی گردنـد، اسـتفاده قـرار گیرد. بنابراین این امکان فراهم می گردد که کل نماي خارجی بناهاي بلندمرتبه شفاف گردد و انـرژي خورشـیدي بـیش از حـد توسـط پوسته داخلی دریافت نگردد.[2]
به کمک طراحی نماي دوپوسته می توان بازشوهاي متعدد و کافی براي بنا در نظر گرفت، بدون اینکه نگران نفوذ سـر و صـدا و آلـودگی بیش از حد به درون بنا بود. در شرایط زمستانی می توان بازشوهاي پوسته خارجی نما را بسته نگه داشت و به این وسیله هواي گـرم در فاصله میان دو پوسته باقی می ماند و با روشی شبیه به آتریوم به گرمایش فضاي داخلی می انجامد. از سوي دیگر، در شرایط تابسـتانی، با کمک به تهویه فضاي میان دو پوسته می توان از گرم شدن زیاد فضاي داخلی ممانعت نمود. از این رو می توان تامین شرایط آسـایش حرارتی را از مهمترین دلایل طراحی نماهاي دوپوسته برشمرد. در این مقاله به بررسی نتایج شبیه سازي عددي این نماها و بررسی رفتار حرارتی و جریان کنوکسیون هواي میان دو پوسته خواهیم پرداخت که در دانشگاه موچن آلمان انجام پذیرفته است.
-2 شبیه سازي رفتار حرارتی در نماهاي دوپوسته
یکی از نمونه هاي موردي بررسی شده ، یک نمـاي دوپوسـته موجـود در مرکز تحقیقات خورشیدي دانشگاه صنعتی موچن می باشد که بـه دلیـل در دسترس بودن امکانات کافی در مرکز تحقیقات مورد نظر، پارامترهـاي مختلفی از رفتارهاي حرارتی نماي مورد نظـر، در آن مـورد بررسـی قـرار گرفته است و نمودارهاي ارزیابی مفیدي از آن بدست آمده است کـه مـی تواند تا حد زیادي قابل تعمیم به رفتار حرارتی سـایر نماهـاي دو پوسـته باشد.[2]
شکل .1 تصویر شماتیک مقطع نماي دوپوسته[2]
نمونه -1-2 موردي بررسی شده در دانشگاه موچن
این نماي یک ساختمان دو طبقه با سطح نماي 15 مترمربع می باشد که در سال 1999 ساخته شده و طی چندین سال دما و جریان هوا در چنـد نقطه از آن اندازه گیري شده است.
تصویر مقابل جبهه جنوبی این نما را نشان می دهد که تجهیـزات انـدازه گیري میزان جریان هوا روي آن نصب گردیده است. نمـاي بررسـی شـده در این نمونه داراي ارتفاع 275 سانتیمتر، عرض90 سانتیمتر و فاصله بین دوپوسته 60 سانتیمتر می باشد.
شکل.2 جبهه جنوبی مرکز ارزیابی دانشگاه موچن[2]
-2-2 مدلسازي و اعتبارسنجی
در راستاي مدلسازي عددي، ابتدا از نماي نشان داده شده در تصویر یک، مدلی دو بعـدي تهیـه گردیـده اسـت. تصـویر شـماره دو یـک دیاگرام ساده از مدل اجرایی از نماي دوپوسته با فضاي یکپارچه میانی نمایش می دهد. ایـده اصـلی و کـاربردي در ایـن مـدل بـر پایـه محاسبات مستقل استوار می باشد که تنها به بررسی تعداد محدودي پارامتر براي تحلیل نیاز دارد. این داده هاي ورودي بـه طـور مثـال شامل دماي هواي میان دو پوسته نما، تابش خورشیدي و زاویه برخورد آن، دماي هواي اتاق و ضریب انتقال حرارت میان اتاقهاي مجـاور می باشد. سپس، متغیرهاي داخلی وابسته به رفتار حرارتی نما شامل میزان دماي سطح خارجی نما و سرعت جریان حرارتـی در دیـواره ها قابل پیش بینی خواهد بود.
قوانین و روابط ریاضی موجود و پارامترهاي شبیه سازي بهینه سازي شده، مستقل از نمونه مورد بررسی می باشند. لذا می تـوان نتـایج این بررسی را به نماهاي دوپوسته با شرایط متفاوت بسط داد. به دلیل هزینه بالاي مدلسازي شرایط تابش، در ایـن پـژوهش بـه دومـدل شبیه سازي دوبعدي بسنده می شود، اگرچه به دلیل تشابه در اصول، این مدل قابل توسعه به سطح محاسباتی سـه بعـدي نیـز خواهـد بود.[2]
در راستاي اعتبار سنجی مقاله مورد نظر که شبیه سازي نماي دوپوسته دانشگاه موچن را بررسـی مـی کنـد، مـدل پارامترهـا در چهـار موقعیت زیر مورد آزمایش قرار گرفته اند:
-3 روز آفتابی تابستانی ( دماي 27 درجه سانتیگراد)
-4 روز ابري تابستانی (دماي 28 درجه سانتیگراد)
-5 روز آفتابی زمستانی (دماي 3 درجه سانتیگراد)
-6 روز ابري زمستانی (دماي 3 درجه سانتیگراد)
در اینجا، اندازه متغیرهاي زیردر دامنه هاي زیر به صورت تخمینی آورده شده است:
-7 دماي هوا: در دامنه -1 کلوین تا +1 کلوین
-8 دماي سطح نما: در دامنه -1,5 کلوین تا +1,5 کلوین
-9 میزان تابش : در دامنه -10% تا +10%
-10 انتقال حرارتی: در دامنه -5% تا +5%
تصویر شماره سه نتایج محاسبات دماي پوسته هاي نما را با توجه به دماي هوا نشان می دهد.
-3-2 مدل شبیه سازي عددي
در مقاله مورد نظر، مدلسازي عددي توسط نرم افزار فلوینت 6,2 که کاربرد وسیعی در روش CFD دارد انجام گرفته است. جریان هوا به عنوان یک جریان همرفتی آشفته در نظر گرفته شده است. در نظر گرفتن آشفتگی جریـان از اهمیـت زیـادي بـراي تـامین اعتبـار ایـن پژوهش برخوردار بوده است. اهمیت میزان قابل توجه انتقال رسانایی حرارت میان اجسام، به طور مثال میان لوورها و شیشه و نیز جریان هوا از اهمیت بنیادین در رفتار حرارتی نما و تعیین انتقال حرارتی برخوردار می باشد. بـراي تـامین اعتبـار تحقیـق در رابطـه بـا انتقـال حرارتی، شبکه مدسازي در نزدیکی سطوح جامد از تراکم بسیار بیشتري برخوردار شده است. کلیه پارامترها بـه صـورت یکنواخـت و بـه کمک فرمولاسیون مستقل از زمان یا کمک راه حلهاي ریاضی انجام گرفته اند.[2]
در مقاله مورد نظر،گرمایش تابشی به کمک مدل محور قایم مجـزا (DOM) و بـا کیفیـت بـالا انجـام گرفتـه اسـت. بـه همـین دلیـل، مکانیسمهاي انتقال حرارت همگی به صورت برابر در محاسبه لحاظ شده اند.
انتقاال طیفی و رفتار جذبی شیشه در تعریف ویژگیهاي متریال در مدل مورد نظر درنظر گرفته شده اند. شیشه از شفافیت بالا براي نـور مریی برخوردار می باشد، ولی در مقابل اشعه ماوراي بنفش با طول موج 2,5 میکرو متر تقریبا نقوذناپذیر می باشد.
شبیه سازي رفتار طیفی در مدل شبیه سازي شده بخش بزرگتري از منابع عددي را دربر می گیرد. در تصویر 4 رفتار شبیه سازي شـده طیفی شیشه در این مدلسازي نمایش داده شده است.
شکل.4 ویژگیهاي طیفی شیشه[2]
-3 نتایج شبیه سازي
در ادامه، نتایج متعددي از شبیه سازي عددي نمایش داده می شود و پارامترهاي موثر بر تهویه نما و رفتار حرارتی مورد بحث قـرار مـی گیرد.
جذب تابش خورشیدي عمدتا در نماي شیشه اي دوم صورت می گیرد و لوورهاي ضدآفتاب نقش ویژه اي در توسعه جریان همرفتی هوا در درون فضاي خالی دو پوسته دارا می باشند.
در تصویر شماره 5، نمودارهاي جرییات شدت تابش، دمـا و شـدت جریـان در نزدیکی نماي شیشه اي دوم و لوورها ارایه شده است. گرم شدن شیشه سبب تولید جریان هوا در طول سطح داخلی و خارجی پوسته دوم نما مـی گردد.
دامنه شدت تابش نمایش داده شده در تصـویر شـماره 5 در طیـف مریـی طول موج مابین 0,36 و 0,78 میکرومتر می باشـد. تـابش انتقـالی جـذب شده و توسط لوورهایی که گرم شده اند، منعکس می گردد و بدین ترتیـب به انتقال همرفت کمک می کند
