بخشی از مقاله
خلاصه
سیستم گرمایش از کف تکنولوژی جدیدی است که در چند دهه اخیر رشد بسیار چشمگیری داشته است. سیستم گرمایش از کف امروزه در تمام جهان به سایر سیستم های گرمایشی مانند رادیاتور، فن کوئل در خانه های مسکونی، کارخانه ها و سوله های صنعتی ترجیح داده می شود. مطالعات اخیر نشان داده است که گرمایش از کف می تواند روش بهینه تری نسبت به سایر روش ها باشد.
در این مقاله با استفاده از شبیه سازی عددی و به صورت سه بعدی به بررسی انتقال حرارت در سیستم گرمایش از کف در یک اتاق پرداخته شده است. سهم انتقال حرارت تشعشع و جابجایی برای کف پوش سرامیک در مقایسه با میزان انتقال حرارت کل به دست آمده است. سپس پروفیل دما و سرعت جریان هوا در وسط اتاق با سایر حالت ها مقایسه گردیده است. بهینه ترین حالت ممکن برای آب ورودی به لوله های کف اتاق که منجر به آسایش حرارتی برای ساکنین اتاق می گردد درRe=726 حاصل می شود.
.1مقدمه
با افزایش روز افزون جمعیت و همچنین کاهش منابع انرژی، مصرف بهینه انرژی امری بدیهی می باشد. در این راستا نقش سیستم های گرمایشی بهینه ساختمان ها و مجتمع های مسکونی در منترل و بهینه سازی مصرف انرژی مهم و قابل تامل می باشد. سیستم حرارتی گرمایش از کف که انتقال حرارت به صورت تشعشعی - تابشی - سهم زیادی در فرآیند گرمایشی آن دارد.
در مقایسه با سایر سیستم های حرارتی نه تنها در صرفه جویی و بهنیه سازی مصرف انرژی بلکه در مقوله رفاه و آسایش ساکنان ساختمان ها دارای نقاط قوت بسیاری می باشد. در سال های اخیر، سیستم گرمایش از کف در کشورهای اروپایی و آمریکایی بسیار متداول شده است و دلیل این گسترش روز افزون بهینه بودن مصرف انرژی، توزیع یکسان گرما در تمامی سطح و فضا و دوری از مشکلات موجود در سایر روش ها، به عنوان مثال سیاه شدن دیواره ها، گرفتگی و پوسیدگی لوله ها و... می باشد.
با توجه به افزایش توجه و حساسیت عمومی نسبت به مسائل صرفه جویی انرژی و حفظ منابع طبیعی بسیار ملموس است اگر سیستم گرمایش از کف مورد استقبال عمومی قرار گیرد. از آن جا که این سیستم با دمای آب پایین حدود30 الی 40 درجه سانتی گراد کار می کند و همچنین مقدار حرارت خروجی برای هوای اتاق و ناحیه هر قسمت قابل کنترل می باشد. بنابراین بازدهی و صرفه جویی این سیستم بسیار بهتر از سایر سیستم ها می باشد. به عنوان مثال براساس آزمایشات و محاسباتی که انجام شده و در جزوات عملی موجود می باشد این سیستم %20-40 نسبت به سیستم هایی که با چرخش هوا عمل می کنند در مصرف انرژی صرفه جویی می کند.
این صرفه جویی مخصوصا در ساختمان هایی با سقف های مرتفع و رسمی، پنجره های زیاد و بزرگ یعنی در مجموع ساختمان هایی که دارای بار حرارتی بالای می باشند بسیار مشهودتر می باشد. زیرا همانطور هم که قبلا ذکر شد دیگر انرژی صرف گرم کردن تمام هوای تاق و به ویژه سقف ها نخواهد شد به همین دلیل میزان اتلاف انرژی نسبت به سایر روش ها بسیار کم می باشد.
2 .مروری بر تحقیقات انجام شده
در بسیاری از مسائل مهندسی، انتقال حرارت تابشی نقش مهمی ایفا می کند . مطالعات قبلی، بر روی ساختمان ها، نشان دادند که حتی دمای اتاق، تاثیر تبادل تابش، بر میزان جابجایی طبیعی سطوح مهم است.
کادینسکی و پریک[1]، به طور عددی به مطالعات تاثیرات تابش سطح جسم خاکستری بر روی جریان سیال در یک هندسه دو بعدی پرداختند. مطالعات ذکر شده نشان دادند که اثر انتقال حرارت تابشی بر میزان جابجایی سطوح مهم است.
در بیشتر مطالعات انجام شده در مورد سیستم های گرمایش از کف، تنها انتقال حرارت جابجایی مورد توجه قرار گرفته است و میزان دقیقی از سهم انتقال حرارت تابشی سطوح وجود ندارد .[2] به طور مثال کارادگ و تکه[3]، به صورت عددی تاثیرات دمای سطوح کف و سقف بر عدد ناسلت در سیستم های گرمایش از کف پرداختند. کارادگ و تکه[4] ، در مقاله ای دیگر رابطه جدید برای عدد ناسلت کف در سیستم های گرمایش از کف ارائه کردند که به متغیرهای بیشتری وابسته بود و از ساده سازی های کمتری استفاده می کرد.
ستاری و فرهانیه[5] در مقاله خود به مطالعه پارامتریک به روی عملکرد سیستم های گرمایش از کف پرداختند. برای این کار از یک مدل المان محدود برای یک اتاق نمونه با سیستم های گرمایش از کف استفاده شده است. در این تحلیل مکانیزم های انتقال حرارت هدایتی، جابجایی و تشعشع در حالت ناپایا، در نظر گرفته شده است و تاثیر پارامترهای مختلف نظیر قطر لوله، جنس لوله، ضخامت پوشش کف و غیره بر روی اتاق و مدت زمان پایا شدن سیستم بررسی شد.
ان ها به این نتیجه رسیدند که جنس و قطر لوله های بکار رفته در کف اثر کمی بر عملکرد حرارتی سیستم های گرمایش از کف داشته و نوع و ضخامت پوشش کف بیشترین تاثیر را بر عملکرد حرارتی دارد.
ارگین[6]، در مقا له خود تاثیرات جریان داخلی بر روی مکانیز انتقال حرارت دیواره را در یک خانه دو طبقه دارای گرمکن، مورد بررسی قرار داد . تبادلات تابشی بین سطوح اتاق و سطوح گرمکن با استفاده از روش تشعشع خالص محاسبه گردید و در نهایت نرخ انتقال حرارت دیواره توسط تابش، جابجایی و هدایت ارائه شد.
هانیوبوچی و هوکوی[7] انتقال حرارت تشعشعی و جابجایی را در یک اتاق با گرمایش از کف مورد بررسی قرار داده اند. آن ها با صرف نظر کردن از اثرات ساکنین، موانع در سطح و هرگونه چشمه حرارتی به جزء کف و با لحاظ کردن شرایط پایدار، توزیع درجه حرارت را در ارتفاع اتاق به دست آوردند.
ویتزمن و همکارانش[8]، به بررسی عددی سیستم گرمایش از کف پرداخته و تاثیر نوع سازه بر بازده سیستم گرمایش از کف و سیستم گرمایش معمولی در حالت ایده آل را مورد بررسی قرار داده اند. آن ها نشان دادند که در سازه سنگین راندمان سیستم گرمایش از کف%20 بیشتر از سیستم های گرمایش معمولی و در سازه سبک نیز راندمان سیستم گرمایش از کف %10 بیشتر از سیستم های گرمایش معمولی می باشد. آن ها تحقیقی دیگر[9] با استفاده از شبیه سازی دو بعدی به طور دینامیکی سیستم گرمایش از کف را مدل نموده اند . آن ها با مدل خود تاثیر فونداسیون و ساختار کف روی مصرف انرژی و اتلاف حرارتی به زمین را با کوپل کردن مدل کف و مدل فضای داخلی اتاق به دست آوردند
.3 مدل فیزیکی
اتاقی به ابعاد3m 3m 3m به صورت مکعب مستطیل در نظر گرفته شده است. آرایش لوله ها به صورت مارپیچی - سینوسی - انتخاب گریده است. به گونه ای که فاصله مرکز تا مرکز هر لوله نسبت به یکدیگر 0,35m و فاصله مرکز لوله های نزدیک دیواره ها تا دیوارمجانب خود 0,275m می باشد. قطر لوله ها2,5cm انتخاب شده است. شکل 1 مدل سه بعدی آرایش لوله ها و اتاق را نمایش می دهد.
شکل 1 مدل سه بعدی هندسه اتاق به همراه کف و لوله های کف
با توجه به اینکه در شبیه سازی عددی، نحوه شبکه بندی و تعداد المان ها تاثیر به سزایی در نتایج عددی به دست آمده دارند، ضرورت دارد استقلال نتایج به دست آمده از تعداد المان ها مورد مطالعه قرار گیرد. از این رو در تعداد المان های مختلفی برای شرایط یکسان شبیه سازی انجام شده است و دمای میانگین اتاق برای تعداد المان مختلف مورد بررسی قرار گرفته است که در شکل2 نشان داده شده است. مطابق این شکل، در صورتی که تعداد المان از 1500000 سلول بیشتر شده است، نتایج به دست آمده تغییر زیادی نداشته است لذا در تمامی شبیه سازی ها سعی گردیده است از همین تعداد المان استفاده شود.
