بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر به تحلیل حرارتی یک اتاقک پیشساخته نمونه با دیوارهاي حاوي مواد تغییرفازدهنده پرداخته شده است. براي این منظور، معادلات حاکم شامل معادلات بقاي انرژي براي دیوارها و معادله تعادل دمایی اتاق منفصل شده و سپس یک برنامه عددي به زبان فرترن بر اساس روش اختلاف محدود ضمنی تهیه شد. شبیهسازي با گام زمانی 60 ثانیه براي بازه زمانی یک سال براي شهر تهران انجام گرفت. با استفاده از نتایج حل عددي تأثیر پارامترهاي مختلف، از جمله دماي ذوب ماده تغییرفازدهنده، ضخامت لایه ماده تغییرفازدهنده و نرخ تعویض هواي اتاق، بر روي دماي اتاق و ذخیرهسازي گرماي درون اتاق مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان دادند که با استفاده از مواد تغییرفازدهنده میتوان نوسانات دماي اتاق را تا 3 درجه سلسیوس کاهش داد. با استفاده از نتایج شبیه سازي میتوان نتیجهگیري نمود که براي فصول گرم ماده تغییرفازدهنده با دماي ذوب بالاتر 28 - درجه سلسیوس - مناسبتر است در حالیکه براي فصول سرد بهتر است ماده تغییرفازدهنده با دماي ذوب کمتر 22 - درجه سلسیوس - انتخاب شود.
واژههاي کلیدي: ماده تغییرفازدهنده، تحلیل حرارتی ساختمان، ذخیرهسازي گرما، کاهش مصرف انرژي تحلیل حرارتی یک ساختمان نمونه با دیوارهاي حاوي مواد تغییرفاز دهنده براي شهر تهران
مقدمه
افزایش روزافزون گازهاي گلخانهاي، محدودیت منابع سوختهاي فسیلی و بالا رفتن قیمت سوخت، از مهمترین انگیزههاي تلاش براي استفاده بهینه از منابع مختلف انرژي و همچنین استفاده از منابع جدید انرژي تجدیدپذیر میباشد. با توجه به شکل 1 حدود %40 از کل مصرف انرژي ایران را مصارف خانگی و تجاري تشکیل میدهد. این آمار نشان میدهند که سهم انرژي تولیدي از سوختهاي فسیلی - گازوئیل، گاز طبیعی و ذغال سنگ - از کل انرژي تولید شده در ایران حدود % 97 است. شکل 2 نشاندهنده این است که بخش خانگی و تجاري بهتنهایی مسئول %25 از تولید گاز کربن دياکسید به طور مستقیم میباشد. البته با درنظر گرفتن این واقعیت که %30 از برق تولید شده در نیروگاهها صرف مصارف خانگی و تجاري میشود، سهم واقعی بخش خانگی و تجاري از تولید کربن دياکسید حدود %35 میباشد .[1]
این آمار خود نشاندهنده اهمیت بسیار زیاد یافتن راههایی براي کاهش مصرف و افزایش بازده و همچنین استفاده از انرژيهاي تجدیدپذیر در کشور است. در صورت بیتوجهی و ادامه روند کنونی، عواقب ناگوار اقتصادي و زیستمحیطی در انتظار کشور خواهد بود. آلودگی روزافزون هواي شهرهاي بزرگ کشور، تصویري روشن از چشمانداز نگرانکننده آینده و هشداري جدي براي تغییر وضعیت فعلی تولید و مصرف انرژي در ایران است. با توجه به مصرف بالاي انرژي در ساختمانها، تلاشهاي زیادي براي کاهش و بهینه مصرف نمودن سوختهاي فسیلی در ساختمان انجام شده است. ابراهیمپور و کریمی واحد [2] با استفاده از نرمافزار انرژي پلاس مصرف انرژي یک ساختمان تحلیل حرارتی یک ساختمان نمونه با دیوارهاي حاوي مواد تغییرفاز دهنده براي شهر تهران آموزشی را در تبریز بهدست آوردند و نشان دادند که میتوان با انجام تغییرات مختلف جهت بهینهسازي مصرف انرژي در این ساختمان، میزان مصرف سالانه انرژي را تا 40 درصد کاهش داد.
یکی از گزینه هاي افزایش بازده انرژي، توسعه سیستمهاي ذخیرهکننده انرژي میباشد که بهاندازه یافتن منابع جدید انرژي مهم است. یکی از روشهاي مؤثر براي ذخیرهسازي انرژي گرمایی در ساختمان، استفاده از مواد تغییرفازدهنده میباشد. در این روش، از یک ماده تغییرفازدهنده با خواص مناسب - گرماي نهان ذوب بالا و دماي ذوب در محدوده مورد نیاز - در اجزاء مختلف ساختمان استفاده میشود. ماده تغییرفازدهنده بر اساس مکانیزم جذب یا آزاد شدن گرما هنگام تغییر فاز، انرژي گرمایی را در خود ذخیره و به هنگام نیاز آزاد میسازد و بدین طریق نوسانات دمایی هواي ساختمان را کمتر میکند.
استفاده از مواد تغییرفازدهنده بهعنوان ذخیرهساز گرما در ساختمانها، یکی از کاربردهاي اولیه مورد مطالعه در زمینه مواد تغییرفازدهنده بوده است. اولین گزارشها در مورد کاربرد مواد تغییرفازدهنده مربوط میشود به مطالعاتی که توسط تلکس [3] در سال 1975 و لین [4] در سال 1986 در زمینه گرمایش و سرمایش ساختمانها انجام گرفت. این مطالعات، آغازي بود براي توسعه سیستم-هاي ذخیرهسازي انرژي که یکی از راهحلهاي ممکن براي مشکل عدم تناسب عرضه و تقاضاي انرژي میباشد. ابهت [5]، لورش و همکاران [6] و فرید [7] لیست جامعی از مواد مناسب براي ذخیرهسازي گرماي نهان را با پوشش طیف گستردهاي از دماهاي ذوب گزارش نمودهاند.
شبیه سازي انرژي ساختمان کمک میکند تا ظرفیت ذخیرهسازي گرما توسط سیستمهاي حاوي مواد تغییرفازدهنده را بتوان تخمین زد. به عنوان نمونه میتوان به مطالعه عددي انجام شده توسط دارکوا و اوکالاقان [8] اشاره نمود که در آن کاربرد مواد تغییرفازدهنده در ساختمان به صورت عددي مورد بررسی قرار گرفت. در این مطالعه از دو نوع لایه تغییرفازدهنده با درصد وزنی مشابه استفاده شده است. نوع اول از لایهاي به ضخامت 10 میلیمتر از گچ و 2 میلیمتر ماده تغییرفازدهنده لایه-اي مسطح تشکیل شده بود. نوع دوم از لایهاي به ضخامت 12 میلیمتر تشکیل شده از مخلوط گچ و ماده تغییرفازدهنده بود. نتایج این مطالعه نشان داد که استفاده از ماده تغییرفازدهنده لایهاي مسطح نازك براي متعادلسازي دماي اتاق در شب مفیدتر است و دماي اتاق را در شب به میزان %17 بیشتر از لایه مخلوط ماده تغییرفازدهنده و گچ افزایش میدهد.
در این تحقیق به تحلیل حرارتی یک ساختمان نمونه با دیوارهاي حاوي مواد تغییرفازدهنده در شرایط اقلیمی تهران پرداخته شده است. روش عددي مورد استفاده در این مطالعه، بر مبناي دسته سوم مطالعات عددي در این زمینه است که مورد اشاره قرار گرفت؛ یعنی حل معادله حرارت یکبعدي در دیوارها و معادله تعادل انرژي در یک اتاق. در این روش با استفاده از یک برنامه کامپیوتري به زبان فرترن، بر اساس روش اختلاف محدود ضمنی، انتقال حرارت و دماي ساختمان براي مدت یک سال محاسبه شده و تأثیر پارامترهاي مختلف در استفاده از ماده تغییرفازدهنده به منظور کاهش مصرف انرژي مورد ارزیابی قرار میگیرد.
هندسه مسئله
همانگونه که در شکل 3 نشان داده شده، ساختمان نمونه مورد بررسی در این تحقیق، از یک اتاقک پیشساخته - کانکس - به طول 4، عرض 3 و ارتفاع 3 متر تشکیل شده است. بر روي ضلع جنوبی این اتاقک، پنجرهاي ساخته شده از شیشه دوجداره به طول 2 متر و ارتفاع 1/5 متر و بر روي ضلع غربی آن دري آلومینیمی به طول 1 متر و ارتفاع 2 متر وجود دارد.
