توضیحات

پروژه شبیه سازی تهویه مطبوع اتاق با توزیع هوا براساس کنترل جت هوای ورودی از دریچه تعبیه شده در سقف در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT

 

در اواخر قرن نوزدهم تکنولوژی ساخت ساختمانهای جدید معرفی شد. این تکنولوژی جدید و مصالحی نظیر فولاد، طراحی ساختمانهای مستحکم تری را امکان پذیر ساخت. نوررسانی و هوارسانی مصنوعی فضای داخلی ساختمان را به مقدار زیادی مستقل از شرایط جوی ساخت. افزایش پیچیدگی های تکنولوژیکی و ابعاد ساختمانهای جدید منجر به تخصصی شدن صنعت ساختمان گشت. نتیجه ای که حاصل شد این بود که ساختمانها صرفا بر اساس نیاز ساکنان ساخته نشده، بلکه اهداف وسیع تری برای آنها در نظر گرفته میشود.

جریان هوای داخلی ساختمان:

اکثر افراد بیشتر وقت خود را در فضای داخلی ساختمان و اغلب در فضاهای مشترک می گذرانند. با پیدایش سیستم های کنترل محیطی مکانیکی و افزایش کنترل بر روی هوای فضای داخلی ساختمان انتظار ساکنان برای آسایش حرارتی هوای داخل ساختمان بیشتر شده است. با درنظرگرفتن این واقعیت که شرایط آسایش حرارتی در محوطه یک ساختمان برای هر فرد خاص به دامنه ناچیزی محدود می شود و این دامنه برای هر فرد متفاوت است، برآوردن این انتظارات کمی سخت تر به نظر می رسد. علیرغم وجود سیستم های کنترل محیطی گسترده در ساختمانها، نارضایتی در خصوص جریان هوای فضای داخل ساختمان هنوز مرسوم است. علاوه بر آسایش حرارتی، کیفیت هوای داخلی ساختمان نیز مورد بحث می باشد. این مساله از بحران انرژی در اوایل دهه 1970 نشات می گیرد. از هنگامی که صرفه جویی در مصرف انرژی به تمامی نیازهای دیگر برتری یافت، درست از آن زمان به بعد بود که نماهای ساختمان بهتر عایق بندی گشت و از نشت هوا جلوگیری به عمل آمد. تهویه مرکزی جایگزین تهویه مکانیکی محلی یا طبیعی شد. میزان جریان هوا نیز کاهش یافت. سیستم تهویه مرکزی کنترل شده با میزان هوارسانی کم، نگهداری شرایط قابل قبول را برای ساکنین دشوارتر می سازد. هوای تازه نمی تواند مستقیما برای ساکنان فراهم شود. علاوه بر این، اصلاح شرایط از طریق تهویه طبیعی(برای مثال باز کردن پنجره ) به علت هوابندی نمای ساختمان پیش از این امکان پذیر نیست.

نتیجه هوابندی مناسب و کاهش هوای تازه در ساختمان موجب بالا بردن گازهای خروجی از مصالح جدید (نظیر عایق های پشم سنگ به کار رفته در دیواره های ساختمان های جدید)، مبلمان و محصولات پاک کننده شده بود و پی آمد آن بروز مشکلاتی در خصوص سلامت ساکنان بود. علیرغم تلاشهای انجام شده در سال های اخیر جهت بهبود کیفیت فضای داخلی ساختمان، مطالعه بر روی کیفیت هوای داخل ساختمان در سال 1998 در اروپا که در 56 ساختمان اداری در 9 کشور انجام شده نشان داد که 20 درصد از ساکنان از محیط داخلی ساختمان ناراضی هستند. اهمیت نگهداری فضای مساعد ساختمان وقتی آشکار می شود که در نظر بگیریم در هر اقتصاد مدرن بخش عمده ای از تولید ناخالص ملی (GNP) توسط افرادی بدست می آید که در ساختمان های اداری مشغول به کار هستند. از نظر اهمیت آسایش حرارتی و کیفیت هوای داخلی ساختمان، دستیابی به شرایط محیطی قابل قبول در فضای یکنواخت ساختمان ها بر آسایش حرارتی افراد ترجیح دارد. به منظور تمرکز بیشتر بر روی ساکنان به جای اتاق و یا ساختمان، به دانش کافی در خصوص الگوی جریان هوای داخلی ساختمان نیاز است. دفعات تعویض هوا و توصیف شرایط ورودی و خروجی اطلاعات کافی را در خصوص آسایش حرارتی و کیفیت هوا برای ساکنان فراهم نمی کند. اتاق و یا ساختمان نمی تواند بیش از این به عنوان یک منطقه مجزا در نظر گرفته شود. W.H.Carrier یکی از بنیان گذاران سیستم های تهویه مطبوع این مساله را چنین عنوان می کنند و در هیچ سیستم تهویه مطبوعی مهمتر از شکل توزیع هوای آن وجود ندارد. باتوجه به آگاهی از اهمیت الگوی هوای داخل ساختمان، ابزارها باید ویژگی های جریان را در مرحله اولیه طراحی تعیین و پیش بینی کنند.

ابزارهای موجود برای تعیین و پیش بینی جریان هوای داخلی ساختمان محدود می باشند. جریان هوا در یک اتاق به صورت غیر هم دما، توربولانس، سه بعدی و ناپایدار مشخص می شود. درنتیجه بحث جریان داخلی هوای ساختمان عمدتا به صورت یک تحقیق تجربی و آزمایشی باقی مانده است و در اکثر موارد به مدل های ساده ای از محیط فیزیکی داخل ساختمان محدود می شود. با پیدایش دینامیک سیالات محاسباتی، روش جالبی را برای تحقیق تجربی جریان هوای داخل ساختمان ارائه نموده است. CFD راه جدیدی را برای پیش بینی عددی هوای داخل ساختمان بطور مفصل با انعطاف پذیری زیاد از نظر شرایط مرزی و ترکیب بندی هموار نموده است.

شیوه های هوارسانی:

تعداد ترکیب بندی های جریان هوای داخلی ساختمان بسیار زیاد است. انتخاب استراتژی مناسب برای تهویه اتاق به فاکتورهای متعددی از جمله کارکرد ساختمان بستگی دارد. این تحقیق بر روی تهویه مکانیکی در یک اتاق خالی تمرکز دارد. دو اصل اساسی برای تهویه مکانیکی یک اتاق عبارت از:

– جریان اختلاطی( Mixing Flow)

– جربان جابه جایی( Displacement Flow ).

جریان اختلاطی به این معنی است که هوای تازه داخل اتاق با سرعت نسبتا بالایی تغذیه می شود. جت هوای تغذیه در داخل اتاق موجب اختلاط شدید هوای اتاق می شود. درنتیجه درجه حرارت و غلظت آلاینده از ثبات لازم برخوردار خواهند شد. از زمان پیدایش تهویه مکانیکی جریان اختلاطی مهمترین اصل تهویه بوده است. در جریان جابجایی هوای نسبتا تمیز و خنک در سطح زمین با سرعت کم تغذیه میشود. هوا از پایین ترین بخش اتاق در اثر جریان همرفتی ایجاد شده توسط منابع گرمایی داخل اتاق به طرف سقف منتقل شده و سپس دوباره به پایین جریان پیدا می کند. سرعت هوا در اتاق بسیار پایین است. ویژگی بارز جریان جابه جایی، لایه بندی جریان و تقسیم اتاق به دو ناحیه است. گرادیان دما و غلظت آلاینده بین لایه زیرین هوای نسبتا تازه و تمیز و لایه فوقانی هوای نسبتا گرم و آلوده وجود دارد. این نوع تهویه تنها در فضاهای خنک قابل اجرا است. این پدیده در اوایل دهه 80 برای محیطهای اداری به پیشنهاد شد.

باتوجه به افزایش کارایی سیستم تهویه و سطوح بهتر کیفیت هوا که می تواند در مقایسه با جریان اختلاطی در مقدار مشابهی از هوای تغذیه شده در نزدیکی فرد ساکن بدست آید، روش جریان جابه جایی به طور افزایشی به کار می رود. هوارسانی یک اتاق به طور طبیعی نیز امکان پذیر است. این امر با تعویض کردن هوای داخل ساختمان با هوای خارج از طریق دریچه های نمای ساختمان میسر است. برای اتاق های اداری هوارسانی طبیعی در شرایط آب و هوایی معتدل، قادر نیست مقادیر بالایی از کیفیت هوای داخل مورد نیاز در طی سال را حفظ کند. از این رو به ویژه برای ساختمان اداری عمدتا هوارسانی مکانیکی یا مرکزی به کار می رود.

سیستم های تهویه مطبوع کنترل شده مرکزی، تفاوت های آشکار در نیازهای آسایش حرارتی را بین افراد نادیده می گیرند. عدم تاثیر فرد ساکن بر روی شرایط گرمایی داخل ساختمان نارضایتی های مربوط به ساختمان را افزایش داده است. این نارضایتی ها به همراه افزایش آگاهی از محیط منجر به تحقیقی برای روش های جایگزین شده است که روش طبیعی تری را برای شرایط جوی هوای داخل ساختمان به وجود آورده که کنترل بهتر افراد را نیز در پی دارد. این روش به طرح مربوط به اقلیم شناسی شهرت دارد. در این طرح ها هوای خارج ساختمان، هوای داخل ساختمان را تامین می کند و کنترل مجاری از طریق کنترل دریچه ها امکان پذیر است.

علیرغم تمایل به استفاده از تهویه طبیعی تر، ممکن است لازم باشد تهویه هوای مکانیکی هنوز باتوجه به درنظرگرفتن بدترین شرایط آب و هوایی محیط بیرون از ساختمان انجام گیرد. جهت دستیابی به آسایش حرارتی، کیفیت هوا و نیز استفاده از انرژی کم، توجه محققان به سمت سیستم هایی معطوف می شود که در نظر دارند تنها بر محیط لحظه ای فردی که سیستم را به کار می اندازد تاثیر گذار باشد. این سیستمها شرایط جوی در مقیاس میکرو (Micro) را در درون شرایط جوی در مقیاس ماکرو (Macro ) به وجود می آورند.

در ازای دارا بودن مناطق محلی، نیازهای مبرم مربوط به آسایش برای تهویه مطبوع شرایط جوی در مقیاس ماکرو ممکن است کمتر شود که به موجب آن بازده انرژی به عنوان مثال افزایش می یابد.  کنترل افراد در خصوص شرایط گرمایی در منطقه میکرو به عنوان مهمترین عامل در افزایش رضایت کاربر محسوب می شود. بنابراین سیستم های تهویه مطبوع به عنوان بخش جدایی ناپذیر از روش جدیدی با نام ساختمان هایی با تکنولوژی بالا به شمار می روند. در مقایسه با تهویه به روش جریان اختلاطی و جریان جابه جایی، پیش بینی کارایی تهویه طبیعی و سیستم های تهویه مطبوع با ابزارهای امروزی بسیار دشوار می باشد. در نتیجه اخیرا در زمینه عملکرد این سیستم های نوآورانه جدید مطالب زیادی در دسترس نمی باشد. با این وجود با توجه به نیازهای موجود در استانداردها و هزینه های بالای چرخه زندگی دخیل در شرایط جوی یک ساختمان به پیش بینی قابل اطمینانی در خصوص شرایط جوی داخل ساختمان نیاز است.

با انتخاب یک سیستم مناسب توزیع هوا و همچنین انتخاب درست تجهیزات هوا دهی، هوا می تواند به طور مناسب در درون فضای مورد نظر توزیع گردد، بطوریکه تمامی ملزومات و انتظارات حرارتی بر آورده شوند. اصول توزیع هوا که ما با آنها کار میکنیم می توانند به دو گروه مختلف تقسیم بندی شوند :

روش های توزیع هوا:

-توزیع هوا بر اساس کنترل جت هوا

-توزیع هوا بر اساس جابجایی هوا

-توزیع هوا به صورت پیستونی

 

توزیع هوا بر اساس کنترل جت هوا:

این روش معمول ترین نوع توزیع هوا است. هوا به صورت یک یا چند جت پرسرعت توزیع میگردد و سرعت و جهت گیری جت های هوا به طوری تنظیم می شوند که هوای اتاق به صورت موثر یکنواخت و مخلوط می شود. فرآیند اختلاط، آلاینده های هوا را به طور همگن در درون فضا پراکنده می کند. میزان غلظت آلاینده ها توسط مقدار آلاینده های تولید شده در فضا و همینطور نرخ جریان هوا تعیین می گردد. توزیع هوا به صورت جت، تقریبا نسبت به اغتشاشات موجود در هوای اتاق بی تفاوت بوده و چه هوای گرم و چه هوای سرد هر دو می توانند بدون ایجاد گرادیان های دمایی بالا در فضا تغذیه شوند. در برخی از فضا های اداری که به صورت سلولی طراحی شده اند، اتاق های هتل و اتاق های منازل مسکونی هوای تغذیه معمولا در جهتی هدایت می شوند که با سقف یا دیوار برخورد می نمایند. این امر باعث ایجاد یک الگوی چرخشی پایدار برای جریان هوا می گردد بطوریکه گرادیان دمایی کوچک و حساسیت جریان هوا نسبت به اغتشاشات هوای اتاق قابل صرفنظر می باشد. در فضاهای بزرگ با نیاز سرمایشی توزیع هوا بصورت جت، معمولا باعث می شود مقادیر نسبتا بالای سرعت هوا در سطح کف باتوجه به نرخ بالای جریان هوای لازم ایجاد گردد. اگر برای چنین کاربریهایی از توزیع جت استفاده می شود استفاده از دیفیوزرهایی که بتوانند هوای اطراف را به همراه جت به حرکت در آورند حائز اهمیت می باشند. فضاهای صنعتی معمولا در تابستان نیاز به سرمایش و در زمستان نیاز به گرمایش دارند. اگر هوایی با دمای بالاتر از دمای اتاق توسط این روش به داخل فضاها توزیع گردد معمولا مشکلاتی در خصوص هدایت هوای گرم به درون فضای اشغال شده به وجود می آید. برای برطرف کردن این مشکل بایستی از تعداد زیادی نازل هدایت کننده هوا به منظور تامین اختلاط مناسب هوا در تمام هوا بهره گرفت .

به عنوان جایگزین می توان از دیفیوزرهایی که آزادانه از سقف آویزان (ساپورت) شده اند با قابلیت تغییر جهت پرتاب و پخش هوا استفاده کرد بطوریکه جهت پرتاب هوا برحسب اینکه دمای هوای تغذیه بالاتر یا پایین تر از دمای هوای اتاق باشد قابل تنظیم باشند.

توزیع هوا براساس جابجایی هوا:

در این روش هوای تغذیه مستقیما و بدون اختلاط با هوای موجود در اتاق به درون فضای اشغال شده تغذیه می گردد. این روش تضمین کننده کیفیت هوای قابل قبول و بازدهی بالای تهویه می باشد . هوا با سرعت نسبتا پایین در سطوح نزدیک به کف به درون فضا تغذیه می شود. هوا در طول اتاق از سطح کف حرکت کرده و جایگزین هوایی می شود که از طریق جریان های همرفتی به سمت دریچه تخلیه هوا در سقف منتقل می شود. یک جریان جابجایی (Displacement Flow) در قسمت های پایین اتاق و یک جریان اختلاطی (Mixing Flow) در قسمت بالایی اتاق به دلیل جریان های کنوکسیونی ناشی از منابع حرارتی شکل می گیرد. اینکه جریان اختلاطی تا چه فاصله ای از سقف به سمت پایین حکمفرما می شود بستگی به دبی هوای تغذیه دارد که این دبی بر روی جریان کلی کنوکسیونی( Total Convection Flow) تاثیر گذار است.

برای تهویه عمومی در فضاهای صنعتی مخصوصا اگر ارتفاع سقف بلند بوده و همین طور آلاینده ها به همراه حرارت در محیط تولید می شوند توزیع هوا به صورت جابجایی کیفیت هوای بیشتری نسبت به توزیع هوا به صورت جت ایجاد می نماید. توزیع هوا بر اساس جابجایی همچنین می تواند برای تهویه مطبوع به منظور تامین آسایش (Comfort Ventilation) در فضا های عمومی مثل اتاق های کنفرانس و سالن های سخنرانی و رستورانها مناسب باشد. از این روش نبایستی جهت تغذیه هوای گرم در زمستان استفاده شود چرا که در این صورت ممکن است هوای گرم و تمیز تغذیه شده به اتاق بدلیل دانسیته پایین و تمایل به حرکت به سمت بالا مستقیما و بدون ایجاد تاثیر مطلوب بر روی اتاق به سمت تجهیزات تخلیه هوا (دریچه برگشت) حرکت کرده و از آنجا خارج گردد.

توزیع هوای پیستونی:

اگر استاندارد بالایی در خصوص پاکیزگی و عدم وجود آلاینده ها در هوای محیط (Air Purity) مورد نیاز باشد، مثل اتاق های عمل بیمارستانها و اتاق های تمیز (Clean Room)، توزیع هوای پیستونی ایده آل است. مقادیر بالای نرخ جریان هوا (دبی هوا)، یک جریان پایدار جابجایی هوا را بوجود می آورد. هوا با سرعت های پایین در تمامی فضای اتاق از بالا به پایین مثل حرکت یک پیستون در درون سیلندر به حرکت در آمده و به همراه تمام آلاینده هایی که در حین عبور از فضا با خود همراه کرده است در سمت مقابل از فضا خارج می شود. ته نشینی ذرات معلق سنگین تر هوا بصورت موثری اتفاق می افتد.

در اتاق های تمیزی که بیشترین درجه تمیزی برای هوای داخل اتاق مورد انتظار است سرعت پیستونی برابر با 0.5 متربرثانیه برای هوای معمول و مناسب است. این میزان سرعت هوا و دبی ایجاد شده توسط آن باعث بوجود آمدن 600 بار تجدید هوا در ساعت می گردد و این به معنی یک جریان جابجایی بسیار موثر است. اگر در ارتباط با میزان تمیزی مورد انتظار برای هوا، سختگیری کمتری وجود داشته باشد مقادیر دبی می توانند کمتر باشند. مقادیر دبی متناظر با تجدید هوای 60 بار در ساعت نیز معمول هستند. با تعبیه دریچه های برگشت در کف، درجه بالایی از جریان هوای جابجایی وابسته به همراه برخی اختلاطهای موضعی بوجود خواهد آمد.

مزایا و معایب روش های توزیع هوا:

توزیع هوا به صورت جابجایی برای فضاهایی مناسب است که مقادیر بالایی از آلاینده های سبک در فضا تولید شده است. همین طور در جاهایی که حرارت اضافی موجود در هوا بایستی زدوده شود و همچنین در مکان هایی که نیاز به تهویه مناسب وجود دارد. توزیع هوا بصورت پیستونی برای مواردی مناسب است که نیاز اکید برای کیفیت و پاکیزگی هوا دارد مثل اتاق های تمیز و اتاق های عمل بیمارستان.

توزیع هوا به صورت جت:

مزایا:

-مناسب جهت دمای هوای تغذیه بالاتر یا پایین تر از دمای هوای اتاق .

-الگوی پایدار جریان هوا و بازگشت سریع الگو پس از ایجاد یک اغتشاش (Disturbance)

-دمای یکنواخت درون فضا.

-وجود انعطاف پذیری و سهولت در خصوص تعیین محل دریچه های هوا .

-مناسب جهت گرمایش و تهویه ساختمان هایی که از عایق بندی حرارتی مناسب برخوردار نیستند .

معایب:

-توزیع و تجمع یکنواخت آلاینده در داخل فضای مورد تهویه .

-وجود خطر مدار کوتاه برای جریان هوا درصورتیکه دمای هوای تغذیه بالاتر از دمای هوای اتاق بوده و دریچه های برگشت از چیدمان مناسبی برخوردار نباشند.

-خطر ایجاد جریان هوا در جهات نامطلوب در صورت نیاز به بار سرمایشی بالا و وجود موانع بر سر راه جریان هوا.

-عدم وجود سهولت در مورد تغییر دبی هوا بصورت همزمان با حفظ بازدهی تهویه .

توزیع هوا به صورت جابجایی :

مزایا :

-ایجاد لایه بندی در هوای اتاق (Stratification) و در نتیجه اختلاط آلاینده ها به طور بسیار محدود که در نهایت منجر به غلظت کم آلاینده ها در فضای اشغال شده می گردد.

-سرعت پایین جریان هوا .

-اغتشاش کم جریان هوا.

-امکان استفاده از یک سیستم سرمایشی کم ظرفیت از نوع سرمایشی تبخیری غیر مستقیم

معایب :

-نامناسب جهت دمای هوای تغذیه بالاتر از دمای هوای اتاق (بدلیل میانبرشدن هوای گرم و سبک )

-محدود شدن ظرفیت سرمایش به مقادیر مشخص.

-نامناسب جهت دریچه هایی که به فضای کافی بر روی کف نیاز دارند.

-نامناسب جهت استفاده در ساختمان های با عایق بندی نامناسب .

توزیع هوای پیستونی :

مزایا :

-حذف آلاینده ها در فضا بصورت کاملا موثر.

-حرکت هوا بصورت قابل قبول در مقادیر بالای دبی جریان .

-گرادیان دمای کوچک.

معایب:

-نامناسب در صورتی که دمای هوای تغذیه بطور قابل ملاحظه ای بالاتر یا پایین تر از دمای اتاق باشد .

-حساسیت نسبت به اغتشاشات ایجاد شده در هوای اتاق در مقادیر کوچک دبی .

نامناسب جهت دیفیوزرهای بزرگی که فضای زیادی را در کف و سقف و یا بر روی دیوار اشغال می کنند.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی تهویه مطبوع اتاق با توزیع هوا براساس کنترل جت هوای ورودی از دریچه تعبیه شده در سقف در نرم افزار انسیس فلوئنت ANSYS FLUENT  انجام شده است.

هندسه مسئله:

هندسه مسئله در نرم افزار سالیدورک ترسیم شده است.

شبکه و مش:

شبکه و مش در نرم افزار انسیس مشینگ تولید شده است.

شبیه سازی و حل:

شبیه سازی در نرم افزار انسیس فلوئنت(ANSYS FLUENT) انجام شده است.

حلگر:

حلگر فشار مبنا (Pressure based) در شرایط پایا استفاده شده است.

مدل لزجت:

مدل جریان آشفته دو معادله ای k-ω SST استفاده شده است.

وابستگی سرعت-فشار:

برای وابستگی سرعت-فشار از الگوریتم حل پیوسته(coupled) استفاده شده است. برای گسسته سازی معادله فشار از روش مرتبه دوم و برای گسسته سازی مومنتوم و انرژی از طرح بالادست مرتبه دوم استفاده شده است.

نمونه نتایج شبیه سازی: