بخشی از مقاله
چکیده
مطالعه بر روی مکانیزمهای انتقال حرارت و بررسی تاثیر آن بر الگوی جریان هوا در سیستمهای تهویه مطبوع، به منظور دستیابی به شرایط مطلوب آسایش حرارتی و کیفیت هوا، بسیار مهم و ضروری است. در پژوهش حاضر به مطالعه و ارزیابی الگوی جریان هوا و شرایط آسایش حرارتی و کیفیت هوا در فضای مجهز به سامانه تلفیقی سرمایش تشعشعی هیدرونیک و تهویه لایهای به کمک دینامیک سیالات محاسباتی پرداخته شده است .
بدین منظور پارامترهای PMV و PPD به عنوان دو شاخص مهم آسایش حرارتی و میانگین موضعی عمر هوا به عنوان مهمترین شاخص کیفیت هوا مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج پژوهش حاضر نشان میدهد که الگوی جریان هوا در سامانه پیشنهادی تاثیر قابل توجهی بر تامین همزمان شرایط آسایش حرارتی و کیفیت هوا در فضای مجهز به این سامانه دارد. بر اساس نتایج پژوهش حاضر، تامین همزمان شرایط آسایش حرارتی و کیفیت مطلوب هوا توسط سامانه تلفیقی سرمایش تشعشعی هیدرونیک و تهویه لایهای به عنوان رهیافتی جدید و کاربردی معرفی شده است.
مقدمه
تامین آسایش حرارتی و کیفیت هوای مطلوب، از عوامل مهم و موثر در تعیین نوع سیستم تهویه مطبوع میباشند. شرایط نامناسب داخل ساختمان از نظر آسایش حرارتی و کیفیت هوا، علاوه بر کاهش کارآیی افراد، سلامتی آنها را نیز به خطر می اندازد. بنابراین مطالعه بر روی سیستمهای تهویه مطبوع نوین به منظور دستیابی به شرایط مطلوب آسایش حرارتی و کیفیت هوا ضروری است. از جمله سیستمهایی که براساس رویکرد نوین طراحی شدهاند میتوان به سیستم تهویه لایهای و سیستم سرمایش تشعشعی هیدرونیک اشاره نمود که به ترتیب براساس مکانیزم انتقال حرارت جابهجایی و تشعشع کار میکنند.
در سیستم سرمایش تشعشعی بدلیل اختلاف دمای اندک بین سطوح تابشی و محیط، گرادیان عمودی دما که یکی از عوامل مهم نارضایتی موضعی میباشد اندک است. همچنین به دلیل بالاتر بودن دمای سطوح تابشی نسبت به سیستم های وزشی و نزدیک تر بودن به دمای محیط اتاق، تطابق مناسبی میان توزیع عمودی دمای اتاق در سیستم های تابشی و توزیع ایدهآل وجود دارد.
همچنین امکان ایجاد سیستمهای تلفیقی با به هم پیوستن این سیستمها و سایر سیستمهای تهویه مطبوع فراهم میباشد. در شکل 1 نمونه ای از پانل سرمایش تشعشعی هیدرونیک مورد مطالعه در آزمایشگاه مهندسی حرارتی دانشگاه تربیت مدرس ملاحظه میشود.
از سوی دیگر توجه به این موضوع ضروری است که عدم توانایی خروج بار حرارتی نهان، پایین بودن کیفیت هوای فضای اقامتی[2]، و میعان بخارات آب موجود در هوا بر روی سطح پانلهای سرمایش تشعشعی[3] از جمله معایب مهم و اساسی سیستمهای سرمایش تشعشعی هیدرونیک گزارش شده است.
سیستم تهویه لایهای به منظور تامین آسایش حرارتی مطلوب اولین بار توسط تیان و همکاران 4]،[5 برای اتاقهای کوچک و متوسط مورد بررسی قرار گرفته است. در این سیستم تنها بر ناحیهای از اتاق که سر و گردن افراد قرار دارد توجه شده است . دستیابی به این شرایط بوسیله قرار دادن محل دریچه ورودی هوا در ارتفاعی بالاتر از سر افراد حاصل میشود . در شکل2 جریان هوای ایجاد شده بوسیله سیستم تهویهلایهای مورد مطالعه توسط تیان و همکاران[6]، ملاحظه میشود.
در سال 2009، کورگناتی و همکاران با استفاده از یک تحقیق آزمایشگاهی و شبیهسازی عددی، کارآیی سیستمهای سرمایش تابشی به همراه سیستم تهویه هوا را از نظر آسایش حرارتی مورد مییابد.[7] در سال 2012 چیانگ و همکاران به بررسی آسایش حرارتی در فضای مجهز به سرمایش تشعشعی هیدرونیک و تهویه اختلاطی برای اقلیم گرم و مرطوب پرداختهاند و ترکیب این دو سیستم را به عنوان راهکاری جدید به منظور تامین آسایش حرارتی معرفی نمودهاند.
در سال 2013 ریس و همکاران به بررسی الگوی جریان هوا و توزیع دما در فضای مجهز به ترکیب سرمایش تشعشعی و تهویه جابجایی پرداختهاند و این سیستم را به عنوان راهکاری جدید به منظور بهبود توزیع دما و عملکرد سیستم تشعشعی معرفی نمودهاند.
شکل :1 نمونهای از پانل سرمایش تشعشعی هیدرونیک مورد مطالعه
شکل:2 جریان هوای سیستم تهویه لایه ای
همانطور که ملاحظه میشود در تحقیقات پیشین به بررسی جداگانه سیستم سرمایش تشعشعی هیدرونیک پرداخته و یا ترکیب این سیستم با سیستم تهویه جابجایی یا تهویه اختلاطی بررسی شده است. از اینرو تاکنون مطالعهای بر روی سامانه تلفیقی سرمایش تشعشعی هیدرونیک و تهویه لایهای انجام نشده است. لذا در پژوهش حاضر به مطالعه الگوی جریان هوا و بررسی تاثیر آن بر شرایط آسایش حرارتی و کیفیت هوا در فضای مجهز به سامانه تلفیقی پیشنهادی پرداخته میشود.
شبیهسازی عددی فضای آزمون
در تحقیق حاضر با استفاده از نرم افزار ایرپک به ارزیابی سامانه تلفیقی سرمایش تشعشعی هیدرونیک و تهویه لایهای پرداخته شده است. بدین منظور فضای نشان داده شده در شکل 3 با طول، عرض و ارتفاع به ترتیب 3/9، 2/9 و 2/6 متر به عنوان فضای آزمون در نظر گرفته شده است. سه دیوار به عنوان دیوار داخلی و یک دیوار به عنوان جدار خارجی در نظر گرفته میشود. ضخامت دیوار داخلی 20 سانتیمتر و ضخامت دیوار خارجی 30 سانتیمتر و ضریب هدایت حرارتی آنها نیز طبق جداول تهویه مطبوع، به ترتیب mK 0/7 W و mK 0/5 W فرض شده است. سقف و کف اتاق نیز به عنوان جدار جابجایی m2K 5 W در نظر گرفته شده که معادل یک روز گرم تابستانی در شرایط آب و هوایی تهران داخلی در نظر گرفته شدهاند.
ضریب تشعشع سطوح نیز به صورت wall floor 0.7 , panel 0.95 در نظر گرفته شده است. دمای سطح پانل سرمایش تشعشعی ثابت فرض شده است. روی دیوار خارجی شرط مرزی انتقال حرارت جابجایی همراه با در نظر گرفتن تشعشع خورشید منظور شده است . این در حالی است که در تحقیقات پیشین عموما از شرط دما ثابت روی دیوار خارجی استفاده می شود که از شرایط واقعی فاصله دارد. دیوارهای داخلی و کف عایق در نظر گرفته شده است. رطوبتنسبی محیط و هوای ورودی 50 درصد و دمای هوای محیط بیرون 36 œ C با ضریب است. برای شبیه سازی تشعشع مدل سطح به سطح 1 استفاده میشود.
شخص و کامپیوتر به صورت مکعب مستطیل مدل شده که حرارت تولید شده آنها براساس مقادیر واقعی استخراج شده از استاندارد ASHRAE است.[10] برای حل عددی از روش حجم محدود، شبکه سازمان یافته، روش بالادست مرتبه دوم برای گسستهسازی معادلات و از الگوریتم سیمپل به منظور کوپلینگ معادلات سرعت و فشار استفاده شده است. منابع تولید حرارت داخلی شامل شخص و کامپیوتر با توان تولید حرارت به ترتیب 100 و 180 وات در نظر گرفته شده است.[11] نرخ تنفس فرد برابر [12] 8 l / min و نرخ تولید CO2 حاصل از تنفس [13] /23 l / min در نظر گرفته شده است. در شبیهسازی حاضر برای تمام نمونهها نرخ متابولیک 1 met فرض شده که متناظر با فردی نشسته در اداره میباشد . نسبت پوشش لباس نیز 0/7 فرض میشود که متناسب با پوشش تابستانی میباشد.
بررسی استقلال حل از شبکه
در چند ناحیه از میدان محاسباتی نتایج توزیع دما و سرعت برای شبکههای مختلف با هم مقایسه شدهاند. به عنوان نمونه تغییرات سرعت در ناحیه حضور شخص - x 1.65 m و - z 1.45 m در شکل4 ارائه شده است.
شکل:4 محاسبه جوابهای مستقل از اندازه شبکه محاسباتی برای :
الف: توزیع سرعت ب: توزیع دما ج: توزیع آلاینده CO2
شکل:5 صحتسنجی حل عددی - مقایسه با مرجع - [4] در امتداد خط x 2.15 m, z 1.75 m
صحت سنجی حل عددی
به منظور صحتسنجی حل عددی، توسط نویسندگان تحقیق حاضر، نتایج حاصل از چهار مدل اغتشاشی صفر معادلهای، صفرمعادلهای داخلی، k- و k- 51* در 8 خط محاسباتی استخراج شده و با نتایج تجربی تیان و همکاران [4] مقایسه شده است.[14] نمونهای از نتایج برای توزیع سرعت، دما و غلظت آلاینده CO2 در امتداد خط x 2.15m, y 1.75m در شکل 5 آورده شده است. با توجه به این که نتایج مدل صفر معادلهای داخلی با دقت خوبی بر داده های تجربی منطبق است بنابراین در تحقیق حاضر از این مدل استفاده شده است.
ارائه نتایج
مطالعه بر روی مکانیزمهای انتقال حرارت و بررسی تاثیر آن بر الگوی جریان هوا در سیستمهای تهویه مطبوع به منظور دستیابی به شرایط مطلوب آسایش حرارتی و کیفیت هوا بسیار مهم و ضروری است. از اینرو به بررسی و ارزیابی الگوی جریان هوا پرداخته میشود . شماتیک الگوی جریان هوای ایجاد شده بوسیله سیستم تلفیقی سرمایش تشعشعی هیدرونیک و تهویه لایهای در شکل 6 نشان داده شده است. جریان هوا در اتاق را میتوان براساس نوع نیروی محرک به جریان جابجایی طبیعی، جابجایی اجباری و جابجایی ترکیبی دستهبندی نمود . در جریان جابجایی اجباری نیروی محرک فشار در جریان جابجایی طبیعی نیروی محرک شناوری و در جریان جابجایی اختلاطی هر دو نیروی محرک فشار و شناوری نقش موثر را بر عهده دارند.
جدول -1 معادلات ناویر استوکس در مدل صفر معادلهای داخلی
