تعیین بهترین موقعیت نصب سیستم گرمایش با انتقال حرارت جابجایی با در نظر گرفتن آسایش حرارتی افراد و محدودیت های معماری ساختمان

                                                      تألیف: مهندس علی حسینی مقدم

                                                                                                 دانش آموخته ی مهندسی مکانیک دانشگاه خواجه نصیر الدّین طوسی

                                                                                      دانشجوی دکترای مکانیک (گرایش تبدیل انرژی) دانشگاه تهران

                                                                   ناظر تأسیسات پروژه در شرکت ترمو اسکان

نیاز روزافزون به انرژی و افزایش هزینه های انرژی در کشورمان از یک سو و ساخت و سازهای جدید و معماری های نوین از سوی دیگر نیاز به بازنگری در نحوه ی استفاده از سیستم های گرمایشی موجود را افزایش داده است. بیشترین سیستم گرمایشی که امروزه در ساختمان ها بکار برده می شود بر اساس انتقال حرارت جابجایی کار می کنند مانند فن کویل ها، اسپیلت ها و …. که همگی از نوع سیستم های دمنده می باشند.

پارامترهای مهم در انتقال حرارت جابجایی عبارتند از دمای جریان، سرعت جریان، رطوبت جریان و سطح تبادل حرارت جریان. برای رسیدن به حالت ایده آل باید ترکیبی مناسب بین پارامترهای بالا برقرار شود. به علاوه محدویت های معماری و آسایش حرارتی نیز به عوامل مذکور اضافه می گردد.

آسایش حرارتی عبارتست از : شرایطی که فرد از نظر ذهنی و حرارتی در آن محیط احساس رضایت داشته باشد.

از آنجا که افراد مختلف در شرایط برابر احساس یکسانی ندارند نیاز است تا رابطه ای برای آسایش حرارتی تعریف گردد. خروجی این رابطه عددی بین 3 تا 3- است که 3- نشان دهنده سرمای مفرط و 3 نشان دهنده گرمای مفرط است و صفر حالت بی تفاوتی حرارتی و آسایش را نشان می دهد.

(1)

در رابطه (1) L بار حرارتی کل بدن و M نرخ سوخت ساز بدن است که برای فعالیت های مختلف در استانداردها بیان شده است.

به علاوه برای آسایش حرارتی محدویت هایی وجود دارد: دمای میانگین محیط ، سرعت جریان در اطراف شخص  و رطوبت نسبی در محیط بین 45 تا 55 درصد باشد.

همچنین شرایط معماری در فضاهای داخلی ایجاب می کند که ورودی و خروجی سیستم گرمایش یا در پایین دیوار نزدیک کف اتاق و یا در داخل سقف کاذب باشد به علاوه قرارگیری در آکس فضا نیز یکی دیگر از شروط اساسی معماری است.

در نتیجه مقایسه برای رسیدن به مکان مطلوب به حالت های زیر محدود می شود:

1-    ورودی جریان در پایین دیوار و خروجی جریان در سقف کاذب باشد.

2-    ورودی جریان در سقف کاذب و خروجی جریان در پایین دیوار باشد.

علت اینکه ورودی و خروجی در یک ارتفاع قرار نمی گیرند کاهش ناحیه ای است که سرعت جریان در آن صفر یا نزدیک به صفر است که ناحیه سکون نامیده می شود.

شکل 1 ناحیه  سکون را برای حالت های مختلف قرارگیری ورودی و خروجی نشان می دهد.

2-1		1-1
4-1		3-1
	شکل 1: ناحیه سکون جریان برای حالت های مختلف قرارگیری ورودی و خروجی برگرفته از ASHRAE 1998

با توجه به اشکال بالا کمترین ناحیه سکون به ترتیب مربوط به حالت 2 و 1 است و برای انتخاب حالت ایده آل بین حالت 1 و 2 مقایسه ای در شرایط زیر انجام شده است.

دمای هوای ورودی 22 درجه سانتیگراد، کسر رطوبت   و سرعت هوای ورودی 0.15 متر بر ثانیه. سطح مقطع ورودی جریان نیز به اندازه یک فن کویل 400cfm  است که معمولا برای یک اتاق 3*4*4 متر استفاده می شود. دیوارهای اتاق از جنس آجر معمولی با یک لایه پشم شیشه مابین آن و یک لایه گچ می باشد تا ضریب انتقال حرارت به حداقل برسد.

جدول 1 نتایج را برای این مقایسه نشان می دهد.

شاخص PMV نیز در هر 4 حالت تقریبا 0.6- است و تنها تفاوت موجود در رطوبت نسبی میانگین است که برای حالت 2 کمتر است. برای دمای 22 درجه هوای سردتر  ورودی به دلیل چگالی بالا تمایل کمتری با گردش در فضا داشته و لذا دمای میانگین اتاق بیشتر شده و رطوبت نسبی کاهش می یابد و برای دمای 30 درجه که از دمای میانگین حجمی اتاق بیشتر است نیز هوای ورودی به دلیل انرژی بیشتر و چگالی کمتر به گردش در آمده و اختلاط جریان افزایش پیدا کرده و دمای میانگین افزایش و رطوبت نسبی کاهش می یابد.

شکل 2 الف: توزیع سرعت برای ورودی پایین و دمای 22 درجه	شکل2 ب: توزیع سرعت برای ورودی در سقف کاذب و دمای 22 درجه
شکل 2 ج: توزیع دما برای ورودی پایین و دمای 22 درجه	شکل 2 د: توزیع دما برای ورودی در سقف کاذب و دمای 22 درجه
شکل 2 و: توزیع رطوبت نسبی برای ورودی پایین و دمای 22 درجه	شکل 2 ه: توزیع رطوبت نسبی برای ورودی در سقف کاذب و دمای 22 درجه
شکل 3 الف: توزیع سرعت برای ورودی پایین و دمای 30درجه		شکل 3 ب: توزیع سرعت برای ورودی در سقف کاذب و دمای 30درجه
شکل 3 ج: توزیع دما برای ورودی پایین و دمای 30درجه		شکل 3 د: توزیع دما برای ورودی در سقف کاذب و دمای 30درجه
شکل 3و: توزیع رطوبت نسبی برای ورودی پایین و دمای 30درجه		شکل 3 ه: توزیع رطوبت نسبی برای ورودی در سقف کاذب و دمای 30درجه

فاکتور مهم دیگر تلفات حرارتی از سقف کاذب و کف اتاق است. اگر کف اتاق بر روی زمین باشد، زمین با دمای تقریبا 25درجه سانتیگراد خود به عنوان یک منبع گرمایش عمل می کند و در صورتی که اتاق در طبقات باشد، قرارگیری ورودی در سقف کاذب و نزدیکی آن به کف طبقه بالاتر عامل ایجاد گرادیان دمایی به سمت طبقه بالاتر است و سهم قابل توجهی از انرژی صرف طبقه بالایی شده و به هدر می رود. در شرایطی که اگر ورودی در پایین دیوار باشد اکثر انرژی ورودی در فضا صرف فضا شده و این گرادیان دمایی عاملی محرک برای گرمایش فضا است.

نتیجه گیری:

قرارگیری ورودی جریان هوا در سقف کاذب رطوبت نسبی بالاتری را نسبت به قرارگیری ورودی جریان هوا در نزدیک کف اتاق ایجاد می کند. هر دو حالت در ناحیه آسایش قرار دارند ولی رطوبت نسبی کمتر آسایش بیشتری به همراه دارد زیرا دفع حرارت از طریق تعریق در سطح پوست و تلفات تبخیری تنفسی کاهش می یابد. به علاوه اتلاف حرارت بیشتر از فضا در حالتی که ورودی در سقف کاذب قرار دارد عاملی در جهت افزایش مصرف و به طبع آن افزایش هزینه های انرژی می باشد.

منابع:

[1]: Ali Hosseni Moghadam, Numerical Analysis of Combined Convective Heat transfer in a Room with Considering Thermal Comfort Parameters, sep 2012

[2]: ASHRAE 55 Thermal environmental conditions for human occupancy. ASHRAE Standard, ashrae , 55-1992

[3]: Fanger P  Thermal comfort. Danish Technical Press, Copenhagen, Denmark. 1970

[4] : ISO 7730 , Moderate thermal environment – Determiation of the PMV and PPD indices and specification of the conditions for thermal comfort. International Standardisation Organisation , iso. ch ,EN-ISO-7730. 1995

[5] :     Kurazumi Y, Tsuchikawa T, Yamato Y, Nakaya T, Matsubara N, Horikoshi T. Radiative heat balance of the human body in radiative cooling/heating rooms. Effective radiation area factors of the human body and configuration factors between the human body and rectangular planes in sideway sitting, leg-out sitting, lateral and supine postures. Transactions of the Society of Heating, Air-Conditioning and Sanitary Engineers of Japan 2005;97:1–14.

[6] : Gokhan S , Muhsin K ,(2010) Numerical analysis of air flow , heat transfer ,moisture transport and thermal comfort in a room heated by two-panel radiators.energy and buildings Journal ,vol 43 , pp 137-146.