بخشی از مقاله
بررسی سیستمهای سرمایش انفرادی و غیر انفرادی از نقطه نظر مصرف انرژی با اعمال قید آسایش حرارتی
چکیده
استفاده از سیستمهای تهویه انفرادی بهویژه در ساختمانها از موضوعات جدیدی است که امروزه بهدلیل کارایی مناسب آنها در کاهش مصرف انرژی و ایجاد شرایط بهتر آسایش حرارتی، به آن پرداخته میشود. در تحقیق حاضر، میزان مصرف انرژی یک سیستم سرمایش انفرادی مستقر در یک اتاق، با در نظر گرفتن قید آسایش حرارتی مورد ارزیابی قرار گرفته و با سیستم سرمایش غیر انفرادی مقایسه شده است. ابعاد این اتاق 4×3×2/7 متر مکعب و شامل یک دریچهی خروجی هوا (برای هر دو وضعیت انفرادی و غیر انفرادی)، یک دریچه ورودی هوا در وضعیت غیر انفرادی، دو ورودی هوای تهویه انفرادی، میز، صندلی و مدلی تقریبی از یک انسان میباشد. برای انجام محاسبات و حل معادلات حاکم نیز از نرمافزار متن باز OpenFOAM استفاده شده است. نتایج حاکی از آن است که در وضعیت استفاده از سیستم سرمایش انفرادی، دامنه تغییرات شاخص احساس حرارتی میانگین افراد1 در محل حضور فرد بسیار بیشتر از وضعیت استفاده از سیستم سرمایش غیر انفرادی است؛ به عبارت دیگر، این شاخص در سیستم غیر انفرادی توزیع یکنواختتری دارد. نتیجه مهم دیگر این است که میزان مصرف انرژی سیستم سرمایش انفرادی بسیار کمتر از سیستم سرمایش غیر انفرادی میباشد، چون جریان هوای وزشی از سیستم انفرادی تنها محل حضور فرد را تحت تأثیر قرار میدهد ولی در سیستم غیر انفرادی تمام فضای اتاق متأثر از این جریان است.
واژگان کلیدی: تهویه انفرادی، مصرف انرژی، آسایش حرارتی، شاخص احساس حرارتی میانگین افراد.
مقدمه
در طراحی ساختمانهای مسکونی، اداری و صنعتی بایستی شرایط امن و سالم ساختمان از نظر دما، رطوبت، کیفیت هوا، آسایش حرارتی و همچنین میزان مصرف انرژی معقول، کنترل شود. لذا جهت دستیابی به این منظور، سیستمهای تهویه مطبوع اهمیت زیادی پیدا کردهاند.
سیستمهای همرفتی، نمونهای از سیستمهای تهویه مطبوع است که امروزه در اغلب ساختمانها مورد استفاده قرار میگیرند؛ مانند: رادیاتورها، فنکوئلها، دستگاههای هواساز و ... . این سیستمها از وزش هوای سرد یا گرم برای سرمایش و گرمایش بهره میبرند. از آنجایی که این وزش هوا در داخل ساختمانکاملاًمحسوس است، اغلب ساکنان اینگونه ساختمانها از احساس سرمای موضعی در برخی از نقاط بدن خود شکایت دارند. در سیستمهای تهویه همرفتی تنها دو پارامتر دما و سرعت جریان هوا به عنوان معیار طراحی حرارتی ساختمان در نظر گرفته میشود.
سیستمهای همرفتی خود به دو نوع، قابل تفکیک هستند. نوع اول، سیستمهایی هستند که در آنها کل محیط تحت تأثیر جریان هوای وزشی قرار میگیرد، مانند فنکوئلها. این سیستمهای موضعی قابلیت کنترل فردی را ندارند. نوع دیگر، سیستمهایی هستند که تنها بخشی از فضا را برحسب محل قرارگیری اشخاص، تحت تأثیر قرار میدهند و عملکردی شبیه دریچههای کولر داخل خودرو دارند. این دسته، همان »سیستمهای تهویه انفرادی1 « محسوب میشوند. پیادهسازی این سیستمها در خودرو مدتهاست که انجام شده ولی در مورد ساختمان، هنوز در مرحلهی تحقیقاتی قرار دارد.
تهویه انفرادی، پیشرفت جدیدی در زمینهی سیستمهای تهویه مطبوع است((Melikov, 2004 و به عنوان یک روش تهویه پیشرفته و کارامد، توجه بسیار زیادی را به خود جلب کرده است. در یک سیستم تهویه انفرادی امکان تنظیم و کنترل بهراحتی توسط شخص وجود دارد تا شرایط محیطی قابل قبولی برای ساکنان فراهم شود. به عبارتی، افراد بر اساس شرایط آسایش حرارتی خود و احساس رضایت یا عدم رضایتی که از محیط خود دارند، میتوانند سرعت و جهت وزش، دمای جریان هوا و حتی طرز قرارگیری دریچههای تهویه انفرادی را مطابق میل خود تنظیم نمایند تا به این صورت، وضعیت مطلوب را برای خود فراهم آورند.
کاهش میزان مصرف انرژی، افزایش آسایش حرارتی، افزایش بهرهوری (اثربخشی) و ... از جمله مهمترین مزایای سیستمهای تهویه انفرادی است. در شکل 1 نمونهای از این سیستمها نشان داده شده است.
شکل .1 سیستم تهویه انفرادی همراه با پایانه تخلیه هوا((Sun et al, 2007
از آنجایی که یکی از عوامل مؤثر در تحلیل سیستمهای تهویه انفرادی، بررسی آسایش حرارتی افراد است، بنابراین لازم است در این زمینه نیز مطالبی مطرح شود.
در استاندارد ASHRAE-55(2010)، برای آسایش حرارتی تعریف زیر ارائه شده است:
»آسایش حرارتی، حالتی ذهنی است که شخص از شرایط محیط ابراز رضایت میکند و در این شرایط، افراد دارای احساس حرارتی مطلوب میباشند.« عوامل مؤثر بر آسایش حرارتی را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
الف) عوامل فردی: شامل نرخ متابولیک یا تولید حرارت در بدن، نرخ حرارت ناشی از کار مکانیکی و میزان مقاومت حرارتی لباس.
ب) عوامل محیطی: شامل دمای هوا، دمای متوسط تابش، سرعت هوا و رطوبت نسبی.
پیشینه تحقیق
در چند سال اخیر، تحقیقات قابل توجهی در زمینه سیستمهای تهویه انفرادی صورت گرفته است، که از آن جمله میتوان به موارد زیر اشاره داشت:
ژانگ و همکارانش((Zhang et al, 2008 در سال 2008، یک سیستم تهویه هوا جهت تأمین آسایش حرارتی در محدودهی وسیعی از محیط طراحی کردند، به طوری که در حالت گرمایش بر روی پاها و دستها، و در حالت سرمایش بر دستها و صورت اثر میکرد. توان مصرفی بیشینهی این سیستم تهویه، در سرمایش 41 W و در گرمایش 59 W بود. آنها این سیستم را در محدودهی دماهای بین 18 تا 30 درجه سلسیوس بر روی افراد آزمایش کرده و از طریق شبیه سازی نشان دادند که این سیستم پتانسیل بالایی در صرفهجویی انرژی در آب و هوای گرم و خشک دارد.
ماخول و همکارانش((Makhoul et al, 2013 در سال 2013، به کمک یک مدل دینامیک سیالات محاسباتی سهبعدی به بررسی عملکرد یک سیستم ترکیبی پخشکنندهی سقفی و نازل هممحور تهویه انفرادی پرداختند. این سیستم پیشنهادی در مقایسه با سیستم تهویه اختلاطی معمولی، توانایی بیشتری در صرفهجویی انرژی نشان داد، به طوری که میزان صرفهجویی در انرژی به %34 رسید.
در سال 2013 ژای و همکارانش((Zhai et al , 2013، اثرات جریان هوای انفرادی را که توسط فنهای روی کف اتاق تأمین میشد، مطالعه کردند. آنها مشاهده نمودند که توان مورد نیاز برای برقراری آسایش حرارتی، کمتر از 10 W برای هر شخص میباشد که راه بسیار مؤثر و کارامدی برای کاهش مصرف انرژی در آب و هوای گرم و مرطوب است.
فضای نمونه و روش حل
در این تحقیق، یک اتاق مطابق شکل 2 با ابعاد 4×3×2/7 متر مکعب، شامل یک دریچهی خروجی هوا، دو ورودی هوای تهویه انفرادی، میز، صندلی و مدلی تقریبی از یکانسانِنشسته بر روی صندلی در پشت میز و جلوی سیستم تهویه انفرادی بهعنوان فضای نمونه در نظر گرفته شده است.
برای انجام محاسبات و حل معادلات حاکم، از نرم افزار OpenFOAM و حلگر buoyantBoussinesqSimpleFoam (مرتبط با حل پایای جریان شناوری تراکمناپذیر مغشوش)، استفاده شده است. حلگر مذکور از روش عددی حجم محدود بهره میگیرد.
به منظور مدلسازی و حل مسأله با بررسیهای مختلف، حالتهای مناسب برای شرایط مرزی، هندسی و جریانی در نظر گرفته شده است. در ادامه شرایط استفاده شده در فرآیند حل بیان میشود:
• مدلسازی بر اساس شرایط تابستانی انجام شده است.
• دمای دیوارهها 30 درجه سلسیوس لحاظ شده است.
• یک دریچهی هوای خروجی با ابعاد 60×20 سانتیمتر مربع بر روی سقف اتاق در نظر گرفته شده است.
• برای مدلسازی بهینه فضای نمونه مورد نظر با توجه به تقارن موجود در هندسه اتاق، تنها نیمی از هندسه مورد بررسی قرار گرفته است.
همانطور که از شکل 3 پیداست، در وضعیت سرمایش انفرادی تنها دو دریچه ورودی تهویه به ابعاد 30×10 سانتیمتر مربع، بر روی میز به کار رفته است. پس از بررسیهای عددی فراوان به کمک نرمافزار OpenFOAM و با توجه به حداکثر مقدار شاخص PMV در نزدیکی فرد (یعنی (+0/5، جهت وزش هوا عمود بر سطح دریچه انتخاب شد. شکل 4 جهت وزش از دریچه سمت چپ (که در وضعیت متقارن با دریچهی راست قرار دارد)، را نشان میدهد.
سیستم غیر انفرادی نشان داده شده در شکل 5 جهت مقایسه با سیستم سرمایش انفرادی مذکور در نظر گرفته شده است. مطابق این شکل، در سرمایشغیر انفرادی تنها دریچههای ورودی و خروجی تعبیهشدهدر بالای اتاق، فعال میباشند و سیستم انفرادی غیر فعال است. برای سیستمغیر انفرادی، ابعاد دریچه ورودی 90×30 سانتیمتر مربع و ابعاددریچه خروجی 120×30 سانتیمتر مربع میباشد. در این سیستم، سرعت و دمای هوای ورودی بهترتیب 3 متر بر ثانیه و 20 درجه سلسیوس در نظر گرفته شده است.
