روش ادغام خنک کننده تابشی با تهویه ترکیبی برای بهبود بهره وری انرژی و جلوگیری از تراکم در محیط های گرم و مرطوب

اگرچه خنک کننده تابشی نسبت به سیستم های خنک کننده اتاق هوای معمولی به طور قابل توجهی کارآمدتر است ، اما به دلیل افزایش خطر تراکم توسط ویندوزهای باز یا دهانه های خارج نشده در پاکت ساختمان ، پتانسیل کاربرد آن در مناطق مرطوب گرم محدود است. داشتن پنجره های مداوم و تهویه مکانیکی در چنین آب و هوایی برای جلوگیری از خطر تراکم ، نیاز به کاهش قابل توجهی در هوای خارج دارد. مطالعه حاضر به بررسی اثرات تهویه ترکیبی اتصال (پنجره و مکانیکی) با خنک کننده تابشی در دوره های قابل قبول در دمای هوای خارج می پردازد. یک روش بهینه سازی که باعث افزایش بهره وری انرژی و به حداکثر رساندن پتانسیل باز کردن پنجره بدون ریسک در فصول بحرانی (تابستان و پاییز) می شود و به کار می رود. از نرم افزار IDA-ICE برای انجام شبیه سازی های حرارتی پویا از یک مدل کلاس معمولی استودیویی استفاده می شود که برای آن موارد و شرایط مختلف مورد بررسی قرار می گیرد. سناریوهای مختلف خنک کننده و تهویه و استراتژی های کنترل یکپارچه و مورد بررسی قرار می گیرند. پتانسیل ها و محدودیت ها را می توان بین موارد مختلف ذکر کرد. علاوه بر این ، تجزیه و تحلیل با استفاده از ANSYS-CFX و همچنین ابزارهای دیگر برای تأیید و ارزیابی تأثیر روش بهینه سازی پیشنهادی در هوای داخلی و راحتی کاربر تهیه شده است. این یافته ها حاکی از پتانسیل بزرگی برای راه حل پیشنهادی در کاهش قابل توجهی تقاضای انرژی و ارائه پتانسیل باز کردن پنجره بدون خطر است.

1. معرفی

1. 1مزایا و محدودیت های تهویه ترکیبی اتصال با خنک کننده تابشی

با توجه به افزایش هزینه های انرژی در حال حاضر و نگرانی های اکولوژیکی ، سیستم های تهویه ترکیبی که راه حل های تهویه طبیعی را با تهویه مکانیکی ادغام می کنند ، برای دستیابی به راحتی کاربر با انرژی کمتر و پیچیدگی فنی مؤثر هستند [1،2،3]. افزایش راحتی کاربر در ارتباط با پتانسیل باز کردن پنجره و کنترل کاربر بر تهویه طبیعی گزارش شده است [4،5]. با استفاده از سیستم های خنک کننده معمولی (All-Air) ، بارهای خنک کننده از طریق گردش حجم زیاد هوای خنک یا تهویه شده استخراج می شوند. این رویکرد نه تنها مقادیر زیادی انرژی را نیاز دارد ، بلکه به فضای قابل توجهی برای مجاری و تجهیزات فنی با توجه به حجم گردش هوا نیاز دارد. این در اصل به این دلیل است که ، به عنوان مثال در حالت خنک کننده ، برای رسیدن به هوای مورد نظر و دمای عملیاتی مورد نظر ، کل اتاق باید توسط هوا خنک شود. یک روش خنک کننده کارآمد ، یک روش هوا و آب است که شامل ترکیبی از تهویه مکانیکی هوای خنک شده و خنک کننده تابشی از طریق سطوح سرد شده در سقف ، کف یا دیوارها است. در مورد چنین سیستمی ، حجم تأمین شده و تهویه هوا به مقدار مورد نیاز برای حفظ کیفیت خاص هوای داخلی ، که اغلب مربوط به شرکت انباشته شده است ، به حداقل می رسد₂سطح در اتاق. متفاوت از سیستم های تهویه مطبوع معمولی (همه هوا) ، روش هوا و آب معقول است زیرا ظرفیت گرمای خاص آب از هوا بالاتر است و این باعث می شود 4000 برابر برای حمل و نقل انرژی کارآمدتر شود [6]. Feustel و Stetiu [7] ادعا می کنند که 40 ٪ صرفه جویی در مصرف انرژی با استفاده از خنک کننده تابشی در مقایسه با رویکردهای تهویه مطبوع معمولی حاصل می شود. در چنین سیستمهایی آب از طریق لوله هایی که در تماس با یک سطح هستند گردش می کند. یک روش کارآمدتر ممکن است شامل تهویه ترکیبی برای استفاده از تکنیک های منفعل احتمالی باشد که شامل تهویه پنجره ، تهویه مکانیکی و خنک کننده تابشی است. نمودار در شکل 1 مفهوم سیستم پیشنهادی تهویه هیبریدی همراه با خنک کننده تابشی را خلاصه می کند. همچنین محدودیت های سایر امکانات اتصال را شامل می شود که فقط دو مورد از سه مؤلفه را شامل می شود.

در حالی که در اولین خنک کننده تمام هوا ، گرما از طریق همرفت هوای اجباری استخراج می شود ، در خنک کننده تابشی ، سطح آب خنک شده از طریق تابش و همرفت ، گرما را از اتاق استخراج می کند. علاوه بر این ، خنک کننده تابشی نیازی به اختلاف دمای زیادی بین دمای اتاق مورد نظر و دمای سطح ندارد. این می تواند با اختلاف دما به اندازه 2-4 K [8] کار کند ، که برای حفاظت از انرژی قابل توجه است. این امر به این دلیل است که دمای راحتی اتاق می تواند بالاتر از سیستم های تهویه مطبوع معمولی باشد ، زیرا بخش بزرگی از گرمای تولید شده توسط بدن انسان از طریق تبادل حرارت تابشی با پنل خنک کننده جذب می شود. اگرچه مطالعه دیگری توسط Stetiu [9] ادعا می کند که به طور متوسط 30 ٪ پس انداز در ایالات متحده از طریق خنک کننده تابشی حاصل می شود ، یکی از چالش های مهم این سیستم به دلیل خطرات احتمالی آن در آب و هوای گرم و مرطوب مربوط می شود. تراکم که به طور معمول از طریق مصرف هوای مرطوب گرم از طریق نفوذ یا دهانه های بزرگ در ساختمان رخ می دهد. اساساً ، چگالش روی سطح خنک کننده اگر دمای سطح زیر دمای شبنم باشد (T_d) از هوا. این اساساً پتانسیل تهویه ترکیبی را با استفاده از دهانه های پنجره محدود می کند ، زیرا تراکم اغلب با تشکیل قالب و وخیم شدن کیفیت محیطی داخلی همراه است.

مطالعات متعددی از بین بردن مشکل تراکم در سیستم های خنک کننده تابشی از دیدگاه های مختلف [10،11،12،13،14،15] پرداخته است. ری و کیم [16] یک بررسی ادبیات گسترده در مورد موضوعات مربوط به خنک کننده تابشی و چالش های مرتبط با کاربرد آن انجام دادند. در بین 540 مقاله انتخاب شده ، 68 برای تجزیه و تحلیل دقیق انتخاب شدند. نتایج حاکی از پتانسیل عالی برای خنک کننده تابشی برای بهره وری انرژی و بهبود راحتی حرارتی است. با این حال ، نویسندگان مطالعات بیشتری را برای غلبه بر محدودیت ها و چالش های مرتبط با آب و هوای خاص ، انواع ساختمان و سیستم های کنترل پیشنهاد می کنند. در زیر روشهای ارائه شده در کارهای تحقیقاتی متعدد برای مقابله با مشکل تراکم ارائه شده است. چیانگ و همکاران. دریافت که افزایش دمای تأمین هوا (t_سوپال) از 24 درجه سانتیگراد 13. 2 ٪ برای چیلر و 8 ٪ برای کل سیستم خنک کننده صرفه جویی می کند [17]. اگرچه این رویکرد از منظر صرفه جویی در مصرف انرژی مفید است ، اگر هوای عرضه شده حاوی مقدار زیادی رطوبت باشد که به اندازه کافی از طریق dehumidification استخراج نشود ، که شامل خنک کردن هوا در زیر T آن است ، ممکن است خطر تراکم افزایش یابد ،_d؛یعنی خنک کننده نهفته. Vangtook و Chirarattananon [10] دریافتند که حفظ دمای سطح در دمای 25 درجه سانتیگراد برای جلوگیری از تراکم تحت شرایط خاص کافی است. محدودیت این رویکرد این است که برای فضاهایی با سود گرمای قابل توجهی مناسب تر است. این تحقیق همچنین نشان می دهد که از آب خنک کننده ، تولید شده توسط یک برج خنک کننده ، برای خنک کننده تابشی و تهویه مکانیکی استفاده می شود. ژانگ و نیو [18] ادعا می كنند كه در طول روز ، dehumidififiers هوا و تهویه مکانیکی باید انجام شود و از یك ساعت قبل از استفاده از سیستم خنک کننده تابشی برای جلوگیری از تراکم ، شروع می شود ، که به وضوح نشان دهنده ظرفیت محدودی برای تهویه پنجره است. مقایسه بین یک سیستم خنک کننده هوای زیر زمین و یک سیستم تهویه ترکیبی با استفاده از تهویه متقابل توسط سونگ و کاتو انجام شد [12] ، که ادعا می کنند که دومی به طور قابل توجهی از انرژی بیشتری برخوردار است. این مطالعه روشی را برای از بین بردن تراکم در تابلوهای تابش عمودی سیستم تهویه ترکیبی با ترکیب یک تابه تخلیه در قسمت پایین پانل توصیف می کند ، اما این به یک سیستم لوله کشی اضافی نیاز دارد. به طور مشابه ، هندریش و دانیلز [14] استفاده از رادیاتورهای خنک کننده در مقیاس بزرگ را به شکل لوله هایی که همزمان به عنوان موانع باد و dehumidifiers کار می کنند ، برای یک پروژه در ابوظبی پیشنهاد می کنند. این ایده پتانسیل تهویه ترکیبی را در فضاهای فضای باز استفاده می کند. مفهوم دیگر برای افزایش پتانسیل خنک کننده تابشی توسط Seo و همکاران معرفی شد.[13]: آنها پیشنهاد می کنند که با ادغام یک دستگاه تهویه در نمای ، خنک کننده هوا در فضای باز و خنک کننده کف تابشی را درآورد که تهویه اختصاصی ، کاهش مصرف و خنک کننده هوای خارج را تسهیل می کند. ویژگی اصلی این سیستم این است که نیاز به خنک کردن هوای خارج از منزل را به حداقل می رساند و به از بین بردن رطوبت از هوای داخلی در محیط داخلی کمک می کند و در نتیجه 20 ٪ پس انداز با توجه به خنک کننده تابشی معمولی می شود. با این حال ، این سیستم نیاز به یک دستگاه تهویه غیر متمرکز اضافی دارد که در پاکت ساختمان گنجانیده شود ، که محدودیت هایی از انعطاف پذیری و دیدگاه های طراحی معماری دارد.

ایده های دیگر برای جلوگیری از تراکم توسط هنگ و همکاران مورد بحث قرار گرفت.[15]نویسندگان نتیجه می گیرند که برای جلوگیری از تراکم در آب و هوای گرم و مرطوب ، یک سیستم تهویه در معرض خطر ضروری است. علاوه بر این ، همیشه توصیه می شود که یک سیستم مدیریت ساختمان (BMS) دارای استراتژی های کنترل تراکم باشد. همانطور که توسط SEO و همکاران پیشنهاد شده است.[13] ، آبرسانی باید محدود و کنترل شود تا دمای سطح حداقل 2 K بالاتر از TD حفظ شود. Siegenthaler خاطرنشان می کند [19] که حاشیه ایمنی توصیه شده باید بین 2 تا 4 K باشد. با توجه به نوسانات ناگهانی در دمای داخلی و بارهای حرارتی ، به ویژه در فضاهایی با تعداد زیادی از کاربران مانند کلاسهای درس ، این قابل درک است.

از آنجا که تهویه متقابل برای تخلیه گرما از یک ساختمان ضروری است ، فراهم کردن تهویه مداوم پنجره در حالی که خنک کننده تابشی در حال کار است ، تمرکز آهنگ و کاتو بود [12]. تهویه متقابل همچنین برای بهبود احساس حرارتی در شرایط گرم و مرطوب اساسی است. با توجه به ساختمانهای سنتی در شهرهای گرم و مرطوب مانند جده ، عربستان سعودی ، می توان درسهای جالبی آموخت. جرم حرارتی بالا از ساختارهای عظیم شکل منفعل خنک کننده تابشی را فراهم می کند. از آنجا که ساختمانها برای تهویه متقابل طبیعی بهینه شده اند ، ساختارهای سنتی در جده تاریخی نمونه ای از خنک کننده و تهویه تابشی همراه را ارائه می دهند. این روش همچنین توسط کونیا شرح داده شده است [20]. اگرچه برخی از محققان تمایل دارند بعد از وقوع آن از طریق سیستم های زهکشی ، مشکل چگالش را حل کنند ، برخی دیگر نشان می دهند که دمای سطح خنک کننده برای جلوگیری از آن کنترل می شود. با این حال ، در محدوده این تحقیق ، مشخص شده است که بین حالت های باز کردن پنجره ، دمای سطح خنک کننده تابشی و T رابطه روشنی وجود دارد_سوپالاز سیستم تهویه مکانیکیدر صورت حفظ کیفیت هوای داخلی ، همیشه نمی توان از تهویه مکانیکی در کلاسهای درس جلوگیری کرد. این به سادگی به این دلیل است که در دوره هایی که دمای فضای باز (t)_a) قابل قبول است ، باد ممکن است هنوز هم باشد ، و تبادل هوا ممکن است محدود باشد. این راه حل هایی را فراهم می کند که سطح خنک کننده تابشی را از خطر تراکم دور نگه می دارد. بنابراین ، راه حل هایی برای جلوگیری از رشد قالب خارج از محدوده این تحقیق است. با این حال ، اقدامات مفیدی برای غلبه بر این مسئله توسط [12،13] برجسته شده است.

1. 2انگیزه

تهویه مطبوع مسئولیت بیش از 70 ٪ مصرف انرژی الکتریکی کشور [14] در کشور در حال توسعه و داغ عربستان سعودی را بر عهده دارد. بنابراین ، با توجه به تغییرات فعلی در اقتصاد انرژی عربستان سعودی ، تجدید نظر در مورد خنک شدن ساختمانها مهم است. طراحان و برنامه ریزان ساختمان باید به وضوح بین خنک کننده و تهویه مطبوع برای این اتفاق تمایز قائل شوند. علاوه بر این ، برنامه ریزی مؤثر در مورد آب و هوای داخلی باید محدودیت هوای فضای باز با تهویه مطبوع و خنک شده را به سطح ضروری برای حفظ کیفیت هوای داخلی در فضای داخلی و استفاده از خنک کننده تابشی برای از بین بردن بارهای گرمای معقول در نظر بگیرد. بازار خنک کننده تابشی در آب و هوای گرم و گرم ، عمدتاً به دلیل ترس از تراکم است [11]. این نشان می دهد جایی برای تحقیق در مورد روشها برای گسترش امکان سنجی و ترکیب عملی چنین سیستمهایی.

امکانات آموزشی ، از جمله ساختمانهای دانشگاه ، از جمله مصرف کنندگان پر انرژی در عربستان سعودی است. داده های اخیر در مورد مصرف انرژی دانشگاه پادشاه عبدالعزیز در جده در سال 2016 حاکی از تقاضای انرژی الکتریکی سالانه بسیار بالا است. حداقل 40 ٪ از این انرژی برای خنک کننده مصرف می شود و باقیمانده شامل انرژی مورد نیاز برای عملکرد سیستم های HVAC است. این با بهبود استراتژی های خنک کننده و حالت های تهویه ، پتانسیل صرفه جویی در مصرف انرژی قابل توجهی را نشان می دهد.

علاوه بر این ، شواهد فزاینده ای وجود دارد که نشان می دهد تهویه طبیعی کلاسهای درس برای ارائه کیفیت هوای راحت در فضای داخلی ضروری است ، که به طور قابل توجهی با عملکرد ، از جمله توانایی های یادگیری و کار ، سرنشینان مرتبط است [15،16،17،18]. تحقیقات انجام شده توسط Dhalluin و Limam [16] تأثیر تهویه طبیعی به فصول و محل ساختمان را شامل می شود ، که پتانسیل آن را بطور قابل توجهی گسترش می دهد. نتایج آنها حاکی از آن است که در شرایط معین ، یک سیستم باز کردن پنجره خودکار که توسط دمای هوا و سطح نورپردازی کنترل می شود در تابستان نسبت به زمستان مؤثرتر است. با این حال ، تکیه کمتر به تهویه مکانیکی برای صرفه جویی در مصرف انرژی و کاهش نگهداری و تلاش های عملیاتی بسیار مهم است. علاوه بر این ، پتانسیل تهویه پنجره و تأثیر آن بر بهره وری انرژی توسط Bayoumi مورد بحث قرار گرفت [18]. این مطالعه حساسیت درجه باز پنجره را با استفاده از دمای آستانه باز پنجره (WOT) 25 درجه سانتیگراد نشان می دهد. فضاهای مدل شده حاوی یک کولر ایده آل بوده و هیچ تحقیقاتی در رابطه با خطر تراکم انجام نشده است. با این حال ، با وجود صرفه جویی در مصرف انرژی بالقوه ، با توجه به خنک کننده تابشی و تهویه هیبریدی در آب و هوای گرم و مرطوب جده به دلیل خطر تراکم که ممکن است در صورت مخلوط کردن هوای فضای باز با هوای داخلی ، به عنوان مثال توسط تهویه مکانیکی ، ممکن است چالش هایی را ایجاد کند. در حالی که خنک کننده تابشی فعال است.

1. 3کمک های جدید مقاله

رویکردهای فعلی ، از بررسی ادبیات ، در تأمین خنک کننده درخشان در آب و هوای گرم و گرم می تواند به شرح زیر خلاصه شود:

سطوح خنک کننده تابشی عمودی و جمع آوری دستی یا زهکشی اضافی آب میعانات

اگرچه روشهای مختلف برای افزایش بهره وری انرژی و جلوگیری از تراکم در کارهای تحقیقاتی مورد بررسی مورد بحث قرار گرفته است ، اما هیچ یک از راه حل های ارائه شده به طور مستقیم پتانسیل باز کردن پنجره را در نظر نگرفته اند. اتصال تهویه پنجره طبیعی با خنک کننده تابشی بسیار کارآمدتر از تهویه هوا معمولی است [17]. با این حال ، این عامل بسیار مهم است زیرا با آن ارتباط دارد و به طور قابل توجهی بر TD یک اتاق تأثیر می گذارد و در صورت عدم توجه سایر عوامل همبستگی در برنامه ریزی و بهره برداری از ساختمان ، خطر تراکم را افزایش می دهد. علاوه بر این ، اگرچه یک کار تحقیقاتی یک t ثابت را پیشنهاد می کند_سوپالاز تأمین هوای مکانیکی متناوب برای جلوگیری از تراکم ، مطالعات دیگر روی این موضوع تمرکز نکرده اند.

به بهترین وجه دانش نویسنده ، این اولین مطالعه ای است که روشی را برای ادغام تهویه ترکیبی با خنک کننده تابشی با توجه به WOT ، t می پردازد_a , T_سوپال , T_d، و دمای سطح سقف (t_s,c). روش بهینه سازی ارائه شده که طیف وسیعی از t توصیه شده را ایجاد می کند_سوپالسهم اضافی است که به حداکثر رساندن پتانسیل باز کردن پنجره بدون خطر (RF-WOPOT) با حداقل تقاضای انرژی ممکن برای خنک کننده هوای در فضای باز که با تهویه مکانیکی استفاده می شود ، کمک می کند. در حالی که مورد مورد بررسی یک مرکز کلاس درسی در آب و هوای گرم جده ، عربستان سعودی است ، روش ارائه شده می تواند در شرایط دیگر در سایر مناطق برای ارزیابی امکان سنجی چنین سیستمی در مراحل اولیه طراحی و برنامه ریزی یک مورد استفاده شود. تجهیزات فنی ساختمان.

2. روشها

2. 1چارچوب شبیه سازی حرارتی

2. 1. 1. پارامترهای خاص اتاق

یک کلاس استودیوی معماری در دانشکده طراحی محیط زیست ، دانشگاه پادشاه عبدالعزیز ، به عنوان یک مطالعه موردی برای این تجزیه و تحلیل انتخاب شد. این اتاق عمدتاً به این دلیل انتخاب شده است که دانش آموزان معماری تمایل دارند ساعات طولانی در مدرسه کار کنند تا از ساعات باز استفاده کنند. علاوه بر این ، چنین کلاس درس این پتانسیل را دارد که پانل های سقفی معلق موجود را با سطوح خنک کننده تابشی جایگزین کند. تحولات و مطالعات اخیر بازار در مورد تشک های مویرگی نشان دهنده پتانسیل زیادی برای ادغام سقف های معلق با حمل و نقل گرمای مؤثر و یکنواختی دما است [19،20،21].

کلاس استودیوی انتخاب شده دارای مساحت 305. 2 متر 2 و ارتفاع سقف 4 متر بود. مجهز به یک سیستم تهویه مطبوع تمام هوا بود. جهت گیری کلاس استودیو به غرب بود که سه پنجره بزرگ غیر قابل اجرا 40 ٪ از نمای را اشغال کردند.

شکل 2 نمای داخلی با زاویه دید گسترده از کلاس مورد مطالعه را نشان می دهد. شکل 3 عناصر مفهوم خنک کننده و تهویه ترکیبی را نشان می دهد. علاوه بر پنجره های قابل استفاده در ضلع غربی ، تهویه مکانیکی هوای خنک و دفع شده را به اندازه لازم برای حفظ سطح مشخصی از هوای داخلی و کیفیت محیطی فراهم می کند. با توجه به چارچوب داده شده کلاس ، مناسب ترین مکان ها برای ادغام پانل های خنک کننده تابشی ، سقف کاذب موجود و دیوارهای جانبی واقع در ضلع شمالی و جنوبی اتاق است.

مدل شبیه سازی را می توان در شکل 4 مشاهده کرد. کلاس درس دارای مساحت 305. 2 متر 2 و حجم 1221 متر 3 است. از نرم افزار IDA-ICE 4. 7. 1 برای انجام شبیه سازی های حرارتی استفاده می شود. این بسته نرم افزاری می تواند شبیه سازی های حرارتی پویا را برای ارزیابی عملکرد ساختمان یا بخشی از آن انجام دهد. محاسبات بر اساس داده های آب و هوایی سالانه سالانه محل انتخاب شده است. پرونده های داده طراحی توسط نرم افزار شبیه سازی و بر اساس اصول Ashrae 2013 ارائه شده است. در حالی که شبیه سازی پویا نتایج 8760 ساعت را تولید می کند ، برای درک آسان تر نتایج به طور متوسط برای هر یک از چهار فصل نماینده چهار روز معمولی است. این بدان معنی است که هر یک از 24 ساعت میانگین مقادیر شرایط آب و هوایی را در طول فصل ارائه می دهد. علاوه بر این ، پایگاه داده بزرگ HVAC در نرم افزار شامل انواع مختلفی از سیستم های خنک کننده تابشی است که می تواند در مدل های شبیه سازی گنجانیده شود. مدل سازی شامل شرایط حرارتی کلاس و همچنین پارامترهای مرتبط با سیستم HVAC است که دمای تأمین هوا و تقاضای انرژی الکتریکی حاصل از آن برای خنک کننده است. ضریب عملکرد (COP) چیلر به 3. 0 تنظیم شده است. علاوه بر این ، این برنامه توسعه سیستم های کنترل مختلفی را که می تواند در ویندوز ، خدمات ساختمان و بسیاری از مؤلفه های دیگر اعمال شود ، امکان پذیر می کند. اطلاعات بیشتر در مورد نرم افزار انتخاب شده در جای دیگر در دسترس است [22،23]. شرایط موجود به عنوان مورد (1) برای برآورد مصرف انرژی آن برای خنک کننده مدل شد. مورد (2) تحولات بیشتری برای ایجاد یک مورد مرجع جدید ، که شامل خنک کننده تابشی است ، انجام شده است تا در مقایسه با تحقیقات بیشتر مورد استفاده قرار گیرد. دمای سطح خنک کننده تابشی به طور خودکار با توجه به دمای هوای داخلی کنترل می شد (T_i). خواص حرارتی نما تغییر یافته است تا امکان نفوذ بیشتر در روز فراهم شود. یک صفحه نمایش خارجی ، که هنگام تابش خورشیدی به 100 W/m 2 می رسید ، ترسیم می شود. جدول 1 شرایط شبیه سازی هر دو مورد را تشریح می کند. برنامه روزانه مدل شبیه سازی شامل یک عامل در دسترس بودن سرنشین 1. 0 از 10:00 تا 16:00 و 0. 5 از 08:00 تا 10:00 و 16:00 تا 22:00 در روزهای هفته و یک عامل در دسترس بودن 0. 5 است. از ساعت 08:00 تا 22:00 آخر هفته. داده های شکل 5 محاسبه ای را برای کل سال نشان می دهد.

فرض بر این بود که اتاق حاوی 24 سرنشین است که هرکدام رایانه ای با میانگین انتشار 75 W/واحد داشتند. ورودی دارای رتبه بندی روشنایی نصب شده تقریباً 13 w/m 2 بود ، با اثر درخشان 75 لیتر در W و یک بخش همرفت 0. 3.

نفوذ هوای در فضای باز به طور قابل توجهی بر کیفیت هوای داخلی تأثیر می گذارد و بنابراین ، تنظیم کلی حجم هوای داخلی از جمله دمای شبنم را تغییر می دهد. مدل سازی نفوذ در فضای باز در پارامترهای شبیه سازی پویا در نظر گرفته شد ، در مدل ، 0. 5 ACH در اختلاف فشار 50 Pa. میزان نفوذ پویا و با جریان باد محور همراه بود.

2. 1. 2. خصوصیات آب و هوا

برجسته کردن ویژگی های اصلی آب و هوا محل مطالعه برای تجزیه و تحلیل های بعدی مهم بود. شکل 4 دارای محور اصلی است_a(منحنی های قرمز) و t_d(منحنی های بنفش) برای هر روز به طور متوسط در هر فصل. رطوبت نسبی مربوطه (RH) (منحنی های آبی) در محور ثانویه نمایش داده می شود. محاسبه t_dبا استفاده از تقریب او ت-روش ه-ماگنوس [24،25] ارائه شده در معادله (1) انجام شد ، جایی که a = 17. 625 و b = 243. 04:

شکل 5 خطر احتمالی تراکم را نشان می دهد اگر دمای سطح زیر 25 درجه سانتیگراد کاهش یابد و یک پنجره باز شود ، که می تواند در تابستان یا پاییز رخ دهد. در طول تابستان ، t_aبه ندرت کمتر از 32 درجه سانتیگراد در طول ساعت کار و مطالعه است و به دلیل اختلاف دمای کوچک بین روز و شب ، پتانسیل تهویه شب محدود است. بنابراین ، در صورت عدم وجود سیستم کنترل باز کردن پنجره ، نگه داشتن پنجره ها در تابستان در نظر گرفته می شود. در این شرایط ، تحقیقات اولیه آب و هوا نشان دهنده خطر تراکم در زمستان یا بهار نیست ، با این حال ، مشکل در پاییز باقی مانده است.

2. 1. 3. مدل شبیه سازی حرارتی

شش مورد تحقیق ایجاد و شبیه سازی شد. جدول 1 موارد شبیه سازی و چارچوب را تشریح می کند. همانطور که در بالا بحث شد ، مورد (1) و مورد (2) به مدلهای پایه اشاره می کنند ، که در آن ویندوز هرگز باز نشده است. علاوه بر این ، در حالی که مورد (1) نشان دهنده مورد مرجع واقعی است ، مورد (2) شامل تحولات جزئی در تنظیمات نمای و دمای تنظیم اتاق است. به طور کلی ، WOT از 28 درجه سانتیگراد در مدل های شبیه سازی بقیه موارد تنظیم شده بود."D" در جدول 1 مخفف حالت های کنترل پویا است ، جایی که t_سوپالیک روال خاص را دنبال می کند. چهار استراتژی کنترل تدوین شده و برای کنترل هوای ورودی با استفاده از تهویه مکانیکی با توجه به t تنظیم شده است_aو WOTهوا از طریق پریز برق واقع در سقف اتاق تحویل داده شد و برای حفظ سطح رضایت بخش از کیفیت هوای داخلی مورد نیاز بود.

شکل 6 استراتژی های کنترل را تشریح می کند. STR_1 و STR_2 از T_سوپالتهویه مکانیکی مورد استفاده برای هوای ورودی ، که از طریق خروجی هوا واقع در سقف اتاق تحویل داده می شد و برای حفظ سطح رضایت بخش از کیفیت هوای داخلی مورد نیاز بود. حرف_aبه عنوان t اختصاص داده شد_سوپالو در صورت T ، پنجره در هر دو STR_1 و STR_2 باز می شود_aبرابر یا کمتر از WOT بود. پنجره بسته می شود و WOT به عنوان t اختصاص می یابد_سوپالدر str_1 ، اگر t_aبالاتر از WOT بود. همین مورد در STR_2 اعمال می شود ، به جز اینکه T_سوپالاگر t در دمای 16 درجه سانتیگراد ثابت شد_aبزرگتر از WOT بود.

به غیر از تنظیمات بیان شده در جدول 1 ، تمام پارامترهای اتاق برای اطمینان از قوام در نتایج شبیه سازی ثابت شدند. حجم مصرف هوای تازه برای حفظ کیفیت مناسب هوای داخلی در ارتباط با نرخ ارز مورد نیاز قرار گرفت. بدیهی است که عملکرد کاربران تحت تأثیر افزایش سطح CO قرار گرفت₂تمرکز؛آستانه پیش فرض تنظیم شده در IDA-ICE برای CO₂غلظت برای فعال کردن منبع هوای تازه 1000 ppm بود. اتلاف گرما و تولید رطوبت توسط سرنشینان موارد اساسی است که توسط IDA-ICE در داخل محاسبه می شود. این شامل گرمای معقول (خشک) و نهفته (مرطوب) است که توسط سرنشینان ساطع می شود. رطوبت نسبی داخلی حاصل در اتاق تحت تأثیر رطوبت داخلی توسط سرنشینان قرار می گیرد که T را نیز تعیین می کند_dداخل اتاق. این عامل بدیهی است که تحت تأثیر ویندوزهای باز شده و به همین ترتیب محاسبه می شود.

علاوه بر این ، مورد (5) یک WOT پویا را ادغام می کند که WOT را برای دستیابی به حداکثر RF-WOPOT بهینه می کند. این مدل در شکل 7 توضیح داده شده است. علاوه بر این ، در مورد (6) ، یک مرحله بهینه سازی بیشتر انجام شده و ارائه شده است. اقدامات در مدل شبیه سازی برای به حداقل رساندن بار خنک کننده در حالی که حداکثر RF-WOPOT را به حداقل می رساند ، انجام شد. خطر تراکم با محاسبه تفاوت بین دمای سطح سقف t ارزیابی شد_s,cو t_dدر اتاق در حالی که پنجره ها باز بودند. تهویه مکانیکی نیز برای کنترل کیفیت هوای داخلی فعال بود. خطر تراکم در صورتی بوجود می آید_{بی تفاوت}، که اختلاف دما بین T بود_s,cو t_dاز هوای اتاق ، مطابق معادله (2) زیر حاشیه ایمنی بود. در محدوده این تحقیق ، t_{بی تفاوت}مقادیر 4 و 2 K به ترتیب به عنوان ریسک حداقل و قابل توجه مشخص شد. علاوه بر این ، t_سوپالنقش مهمی در تغییر t بازی کرد_dاز هوای داخلی ، که بدیهی بر T تأثیر گذاشته است_{بی تفاوت} .

علاوه بر این ، توجه به این نکته حائز اهمیت است که دمای مختلف منبع تغذیه ، از 16 تا 32 درجه سانتیگراد ، می تواند منجر به سطوح مختلف راحتی حرارتی و الگوهای توزیع هوا شود.

2. 2بهینه سازی دمای تأمین هوا برای جلوگیری از خطر تراکم و دستیابی به حداقل بار خنک کننده

از آنجا که از منبع هوا عمدتاً برای حفظ سطح مشخصی از کیفیت هوای داخلی استفاده می شد ، درجه حرارت در مصرف هوا (به عنوان T نشان داده شده است_سوپال) یک پارامتر تعیین کننده بود که بار خنک کننده را به میزان قابل توجهی تحت تأثیر قرار داد. با این حال ، در سیستم های تهویه هیبریدی ، که در آن تهویه پنجره تحت شرایط خاصی در نظر گرفته شده بود و برای اهداف صرفه جویی در مصرف انرژی ، همیشه برای تنظیم T لازم نبود_سوپالدر دمای 16 درجه سانتیگراد به عنوان STR_2. تفاوت اصلی بین STR_2 و STR_3 در این بود که ویندوزهای موجود در دومی باز بودند. این در مورد (6) اعمال می شود و در شکل 8 توضیح داده شده است.

بدیهی است ، با تکیه بر STR_1 کاملاً در جایی که t_سوپالمعادل T بود_aدر شرایط خاص ، مانند مورد (4) ، در دوره های زیاد T باعث تراکم شد_dهوای در فضای بازهوا بدون قید و شرط تحویل داده شد و ممکن است حاوی مقدار زیادی رطوبت باشد که روی سطوح سرد چگال می شود. این نشان می دهد که توسعه استراتژی جدید منبع تغذیه STR_4 که میزان خنک کننده t را محدود می کند_سوپالبه یک سطح میانی بین دو رویکرد شدید که ذکر شد ، و از T مورد نیاز تجاوز نکرد_{بی تفاوت}از 4 K. از زمان بهینه t_سوپالبین t بود_سوپالاز str_1 y₁و t_سوپالاز str_2 y₂، با استفاده از شکل نقطه ای از معادلات خط مستقیم [26] ، بهینه t_سوپالy در معادله (3) برای x = 4 حل شد ، که محدودیت T را نشان می دهد_{بی تفاوت}بشرمتغیر M شیب موجود در معادله (4) را نشان می دهد:

جایی که x₁و x₂نشان داده شده_{بی تفاوت}از موارد Str_1 و Str_2 به ترتیب استفاده شد. شکل 7 روش اجرا شده را برای تعیین بهینه t توضیح می دهد_سوپالبرای پرونده (5) و مورد (6).

این همچنین بدان معنی است که تحت استفاده از Str_4 که در آن t_aبالاتر از WOT بود ، هیچ تراکم انتظار نمی رفت. این به این دلیل است که T_سوپالدر شکل 8 با توجه به منحنی های آبی و قهوه ای اصلاح شد_سوپالبه سطحی که t کاهش یافته است_dاز 4 K حفظ شد ، رسیدن به 16 درجه سانتیگراد بسیار کاهش نمی یابد ، که باعث مصرف غیر ضروری انرژی خنک کننده می شود. نمودار همچنین نتیجه T را ارائه می دهد_dدر اتاق پس از مخلوط کردن هوای خود با هوای تازه تأمین شده از هر دو پنجره و تهویه مکانیکی.

2. 3تأیید یافته های تولید شده

نتایج شبیه سازی با استفاده از نرم افزار شبیه سازی حرارتی پویا IDA-ICE محاسبه شد ، اما تجزیه و تحلیل جریان هوا ، تأثیر آن بر راحتی کاربر و پنل های خنک کننده تابشی نیز مهم بود. به خصوص ، دمای هوای اتاق ، با چنین حالت تهویه مختلط ، در محدوده پایدار و راحت قرار دارد. علاوه بر این ، دمای پانل های خنک کننده باید بالاتر از t باقی بماند_dاز هوای اتاقاگرچه تست های دینامیک سیال تجربی و به ویژه ، شبیه سازی تونل باد در جامعه علمی و مهندسی به عنوان قابل اطمینان ترین روش های اعتبار سنجی پذیرفته شده است ، پیشرفت های اخیر در دینامیک سیال محاسباتی (CFD) پتانسیل خوبی را ارائه می دهد زیرا نتایج بسیار دقیق و قابل مقایسه ای را نشان داده اندبه شرایط دنیای واقعی در مرزهای معقول خطاها [27]. محدودیت های مدل های شبیه سازی رایانه توسط بسیاری از محققان با توجه به بسیاری از بسته های نرم افزاری مورد بحث و اشاره قرار گرفته است [28،29]. بنابراین ، تحقیقات فعلی شامل شبیه سازی های اساسی با استفاده از IDA-ICE بود. نتایج با کمک تجزیه و تحلیل CFD با تمرکز بر تابستان و پاییز به دلیل شرایط مهم آنها تأیید شد. تأیید بیشتر با استفاده از DiAgram HX و یک ابزار آنلاین در نظر گرفته شد.

2. 3. 1. شبیه سازی CFD حالت پایدار

برای توسعه درک بهتر از نتایج حاصل از IDA-ICE ، شبیه سازی CFD با استفاده از پارامترهای مربوط به مدل شبیه سازی حرارتی انجام شد. مدل کلاس درس به تصویر کشیده شده در شکل 4 در شبیه سازی CFD استفاده شد. هدف این بود که با تکرار مدل در یک محیط شبیه سازی دیگر ، نتایج را تأیید کنیم. در محدوده این مطالعه ، از شبیه سازی های CFD حرارتی حالت پایدار با استفاده از ANSYS-CFX برای اعتبارسنجی نتایج شبیه سازی های حرارتی استفاده شد. در اصل ، نرم افزار CFD معادلات دیفرانسیل جزئی حاکم بر یک میدان جریان را برای پیش بینی سرعت ، فشارها و دما در تمام نقاط موجود در این زمینه از طریق فرآیند گسسته سازی با استفاده از تکنیک های حجم محدود به آنها معادلات Navie r-Stokes حل می کند. علاوه بر این ، CFD یک ابزار طراحی قدرتمند در نظر گرفته شده است که از موقعیت های پیچیده جریان مدل می کند. با این حال ، در نظر گرفتن محدودیت های اصلی و عدم قطعیت های مطابق با تامورا و همکاران بسیار مهم است.[30،31،32] به مدل آشفتگی ، شبکه محاسبه و شرایط مرزی نسبت داده شده است. چارچوب هر دو جنبه در محدوده این مطالعه در متن زیر گنجانده شده است. معادلات متوسط Navie r-Stokes را می توان در معادلات زیر بیان کرد.

∂ ρ u i ∂ t + ∂ ∂ x j (ρ u i u j) = - ∂ p ′ ∂ x i + ∂ ∂ x j [μ e f f (∂ u i ∂ x j + ∂ u i ∂ x i)] + s m m

در جایی که S M مجموع نیروهای بدن است ، μ E F F یک ویسکوزیته مؤثر برای تلاطم است و P ′ فشار اصلاح شده را نشان می دهد. بنابراین ، سمت چپ معادله (7) نشان دهنده همرفت و سمت راست در توالی ، نیروهای بدن فشار ، انتشار و تعامل حرکت بین نیروها است.

مدل تلاطم مجموعه یک استاندارد K - ε بود. همانطور که در برنامه های مهندسی به طور گسترده ای استفاده می شود. شدت تلاطم پیش فرض متوسط (5 ٪) نیز در هر دو پارامترهای ورودی تهویه طبیعی و مکانیکی تنظیم شده است. Stamou و Katsiris [32] یک مطالعه تأیید تجربی از یک مدل CFD برای جریان هوای داخلی و انتقال حرارت انجام دادند. چندین مدل آشفته در تجزیه و تحلیل CFD از جمله مورد استفاده در محدوده این مقاله مورد آزمایش قرار گرفت. آنها نتیجه گرفتند که مدل استاندارد k-ε که یک مدل نیمه تجربی است قادر به پیش بینی های قابل قبول از ویژگی های کیفی اصلی جریان بود. علاوه بر این ، نوع لایه ای از زمینه های دما نیز به خوبی پیش بینی شده بود. بنابراین ، آنها ادعا كردند كه استفاده از این مدل ها برای اهداف عملی امکان پذیر است. برای توصیف تأثیر تلاطم ، μ E f f با μ t در معادله (8) جایگزین می شود ، که ویسکوزیته تلاطم است. مدل سازی μ t در معادله (9) نشان داده شده است. مقادیر k و ε از معادلات حمل و نقل دیفرانسیل تولید می شود که انرژی جنبشی و میزان اتلاف تلاطم ، معادلات (10) و (11) را توصیف می کند. P K در معادله (12) تولید تلاطم را به دلیل نیروهای چسبناک نشان می دهد. از یک مدل شناور کامل استفاده شد و P K B مطابق معادله (13) مدل سازی می شود.