مقاله ارائه شده توسط گروه تحقیق و توسعه شرکت آلومینیوم شیشه تهران در چهارمین همایش ملی فن آوری های نوین صنعت ساختمان
تهویه طبیعی روشی است که درآن بدون استفاده از دستگاههای تهویه مطبوع و تجهیزات مکانیکی به هوای تازه بیرون اجازه ورود به فضاهای داخلی داده میشود. استفاده از تهویه طبیعی در ساختمان ها یکی از راهکارهای موثر در جهت کاهش مصرف انرژی، بهبود کیفیت هوای داخل و فراهم کردن شرایط آسایش کاربران فضا می باشد. به منظور نیل به این هدف، سیستم تهویه طبیعی ساختمان می بایست به صورت کارآمدی طراحی شود و عوامل تاثیرگذار در این سیستم مانند محاسبات جریان باد غالب منطقه، مکان و ارتفاع بازشوها، نوع کاربری فضا و … مدنظر قرار بگیرد. هدف از این مقاله بررسی حرکت جریان هوا در پیرامون یک ساختمان متحرک با کاربری رستوران و شناخت مناطق بهینه جهت جانمایی بازشوهای داخلی است. در این راستا میبایست به سیستم مناسب بازشو و محدودیت های موجود در طراحی این رستوران توجه شود تا میزان کارایی گزینه های پیشنهادی بالاتر رود. در این راستا از شبیه سازی مدل ساختمانی با بهره گیری از روش دینامیک سیالات محاسباتی جریان داخل و اطراف این ساختمان استفاده گردید. نتایج حاکی از مکان بهینه قرارگیری دریچه های ورود و خروج هوا در جداره های رستوران میباشد.
مقدمه
تهویه طبیعی در ساختمان ها یکی از نمادهای اساسی در طراحی سبز و پایدار میباشد. این نوع نگرش به طراحی میتواند محدوده وسیعی از استفاده از فناوری های نوین را دربر بگیرد. این راهکار در ساختمانها می تواند موجب کاهش مصرف انرژی های فسیلی و پایداری هرچه بیشتر ساختمان ها شود. تهویه هوا نقش موثری در تهیه کیفیت لازم هوای داخل ساختمان داشته و میتواند موجب حذف آلودگی های بوجود آمده یا دفع گرمای بیش از حد فضا شود. یکی از انواع راههای تهویه، تهویه عبوری بوده که در این روش هوا بین دو قسمت از ساختمان به علت اختلاف فشار هوای ایجاد شده جریان می یابد. تهویه عبوری به صورت رایج از میان پنجره ها، روزنه ها و شبکه های تعبیه شده در نما وارد و خارج می شود. هوای عبوری از بخشی از ساختمان با فشار مثبت وارد و از بخش دیگر با فشار منفی خارج می شود.
دو فاکتور اساسی در بررسی جریان هوا، سرعت و فشار بوده که می بایست در نقاط مختلف پروژه و تراز های ارتفاعی مختلف بررسی و تحلیل شود. یکی از شناخته شده ترین روش های شبیه سازی به منظور نیل به نتایج صحیح استفاده از شبیه سازی CFD1 است. جریان هوای ایجاد شده در اطراف ساختمان جزو جریان های آشفته محسوب میشود. جریان سیال آشفته دارای ویژگی‌های بسیاری در مقیاس طول‌های مختلف است که همگی با یکدیگر ارتباط دارند که در روش های معمول از متوسط گیری از معادلات حاکم بر جریان استفاده میکنند. همواره انتخاب یک مدل آشفتگی مناسب برای تحلیل مدل عددی به منظور رسیدن به جواب هایی دقیق تر دارای اهمیت است. یکی از مدل های شناخته شده در این زمینه مدل توربولنس k-ε بوده که در این مقاله به عنوان مدل پایه در محاسبات استفاده شده است.
پیشینه تحقیق
در ارتباط با بحث تهویه داخلی در فضای داخلی رستوران ها تحقیق مشابهی انجام نشده است اما میتوان به بررسی ادبیات این موضوع در تحقیقات مشابه اشاره کرد. حسینی و همکاران در مقاله ای به ارزیابی جریان هوا و آسایش حرارتی در ساختمانهایی مجهز به بادگیر پرداخته اند. در این مقاله شرایط شهر یزد به عنوان شهر مبنا درنظر گرفته شده است. در این راستا ۶ نوع طراحی متفاوت از بادگیر بررسی شده و از محاسبات CFD و تحت شرایط پایدار از جریان توربولنس هوا استفاده شده است. شرایط مرزی مدل طراحی شده مطابق شرایط آب و هوایی شهر یزد درنظر گرفته شده و نتایج بدست آمده از مدل توربولنس k – ω با داده های واقعی موجود در پیشینه تحقیق مقایسه و اعتبارسنجی گشته است. داده های آسایش حرارتی شهر یزد برای تعیین شرایط آسایش حرارتی داخلی فضای مدل سازی استفاده شده و با بهرهگیری از این داده ها، ابعاد بهینه عرض و ارتفاع بادگیر مشخص شده است. در پژوهشی دیگر پرن و همکاران به شبیه سازی CFD بادگیرهای سقفی۲ در برابر جریان هوای رو به بالا در ساختمان های طویل پرداخته و مقایسه ای میان وجود دهانه بازشو تکی یا دوتایی در سقف های دندانه ای انجام داده اند. در این راستا یک زون حرارتی مدل شده و در دوحالت سقف محدب یا مقعر، نسبت بهینه بازشدگی مکان قرارگیری بادگیر بدست آمده است. در شبیه سازی این مدل از محاسبات CFD و مدل توربولنس k – ω بهره گرفته شده است. شبکه بندی مدل بر اساس میزان حساسیت نواحی مدل انجام شده و نتایج بدست آمده با داده های گردآوری شده از پیشینه تحقیق اعتبار سنجی شده است. نتایج این تحقیق نشان می دهد نسبت بازشدگی داخلی به خارج تاثیر زیادی در نرخ جریان هوای عبوری از مدل دارد. هاگ و قانی در مقاله ای به بررسی استفاده از تهویه غیرفعال با وجود یک دریچه ورود هوا در مقایسه با استفاده از تجهیزات مکانیکی ورود هوای تازه پرداخته اند. در این بررسی پتانسیلهای این دستگاه با توجه به استاندارد های انگلیسی BS5952 (اصول تهویه و طراحی تهویه طبیعی) و استاندارد BS5925 (نرخ هوای تازه مطلوب) بررسی شده است. نتایج این بررسی اطلاعات مفیدی برای معماران و مهندسان به منظور کاهش هزینه های جاری ساختمان های نوساز و موجود میدهد. در این راستا از شبیه سازی CFD به منظور ارزیابی تاثیر سرعت بادهای متفاوت (یک تا پنج متر برثانیه) و مسیرهای مخالف وزش باد بر عملکرد دستگاه استفاده شده است. نتایج این پژوهش حاکی از توانایی این دستگاه برای تامین نرخ جریان هوای تازه مطلوب مطابق با استانداردهای موجود و در شرایط وزش باد حداقلی است. در پژوهش های داخلی نیز تحقیقاتی در جهت بررسی جریان هوای داخلی فضا انجام شده است. خادمی در پایان نامه خود با عنوان بررسی تأثیر بازشوها بر جریان طبیعی هوا در ساختمانهای اداری با هدف بهینه‌سازی مصرف انرژی به بررسی ساختمان مرکز مطالعات راهبردی تهران به عنوان نمونه موردی پرداخته است. در این راستا دو مقوله کاهش مصرف انرژی و شرایط آسایش موضوعات حایز اهمیت بوده است. این پژوهش با استفاده از روش شبیه سازی با مقایسه تطبیقی برای بررسی انواع بازشو در نرم افزار Fluent و Airpack انجام شده است. سه راهکار متفاوت برای تهویه طبیعی تحلیل و در نهایت راهکار تهویه عبوری انتخاب شده است. در پژوهشی دیگر منتظری و دهقان به بررسی عددی جریان هوای القاء شده توسط یک بادگیر به عنوان عامل تهویه طبیعی در داخل یک ساختمان نمونه پرداخته اند در این مقاله، تاثیر حضور بادگیر در القاء جریان هوا به داخل فضای زیر آن، با استفاده از نرم افزار فلوئنت به صورت دو بعدی شبیه سازی عددی شده است. در این شبیه سازی عددی، جریان دو بعدی، تراکم ناپذیر ، غیر دائم، لزج و آشفته در نظر گرفته شده است. جهت مدلسازی آشفتگی، مدل k-e مورد استفاده قرار گرفته است. در این بررسی جزئیات توزیع سرعت و فشار در داخل بادگیر، فضای بیرونی اطراف آن و فضای داخلی زیر بادگیر از جمله فضای نشیمن و حیاط به دست آمده است. همچنین تاثیر سرعت وزش باد، ابعاد دریچه های ورودی و خروجی و نیز ارتفاع تیغه میانی بادگیر بر توزیع سرعت و فشار در فضاهای مورد اشاره، بررسی و تحلیل گردیده است.
روش تحقیق
در این پژوهش هدف اصلی بررسی نقش جریان هوا و تهویه طبیعی در جانمایی بهینه بازشوهای فضای داخلی یک رستوران است. در این راستا از ابزارهای مختلف تحقیق همچون مطالعات کتابخانه ای، نمونه موردی و شبیه سازی رایانه ای بهره برده شده است. تجزیه و تحلیل داده ها نیز با استفاده از روش های آمار توصیفی و استدلال منطقی انجام گرفته است.
ویژگی های مدل پایه
رستوران گردان، ساختمانی با کاربری رستوران در منطقه گردشگری چالیدره در شهر مشهد واقع شده است. تصویر یک مدل کلی ساختمان و ارتفاع آن را نسبت به زمین نشان میدهد. این رستوران متحرک بوده و ارتفاع آن نسبت به سطح زمین متغیر است. در این پژوهش بیشترین ارتفاع قرارگیری پروژه به عنوان معیار بررسی لحاظ گردید. در داخل ساختمان فضای سرو غذا تعریف شده است. با توجه به محدودیتهای تعریف شده برای جداره های پروژه، امکان ایجاد بازشوی دستی وجود نداشته و میبایست امکان تهویه طبیعی نیز برای پروژه درنظرگرفته شود تا در مواقع اضطراری و قطع برق بتوان از این امکان برای جریان هوای داخلی فضا استفاده کرد.
مدل سه بعدی ساختمان
مسئله اصلی در بهینه سازی جریان هوای طبیعی در مدل ساختمان، امکان سنجی ایجاد بازشو در گرداگرد پروژه و مکان یابی بهینه آن است. به منظور تخمین سرعت و فشار جریان هوای ایجاد شده در اطراف رستوران گردان، آنالیز جریان باد خارجی برای این مجموعه انجام گردید تا به طور دقیق سرعت هوا و مناطق تحت فشار و مکش در سطح کف و سقف رستوران گردان ارزیابی شود.
آنالیز جریان هوای خارجی
به منظور آنالیز جریان هوای خارجی مدل، حجم این پروژه در تونل باد فرضی مدل سازی گردید. شبکه بندی با اعمال رشد ۵۰ % باعث شده است تا ابعاد شبکه ها در سطوح تعریف شده رشد افزایشی نداشته باشد، محاسبات در ابعاد مناسب تری انجام شده و نتایج دقیق تری بدست آید.
شبکه بندی مدل پروژه
مدل تونل باد و حجم پروژه
به منظور محاسبه دقیق شرایط موجود پروژه، فرضیاتی برای سرعت هوای اطراف ساختمان به شرح زیر در نظر گرفته شده است:
سازمان هواشناسی ایران، سالنامه های هواشناسی را منتشر میکند که حاوی اطلاعات ثبت شده در ایستگاه های زمینی است. اطلاعات مذکور عموما برای پارامترهایی چون سرعت و جهت باد، بارندگی و غیره ثبت گردیده اند. داده های مورد استفاده در این مقاله، میانگین سرعت باد بر حسب نات (KNOT) و سمت و سرعت وقوع سریع ترین باد در اقلیم مورد بررسی از سال ۱۹۵۱ تا ۲۰۱۰ میلادی به صورت ماهانه و برای ارتفاع ۱۰ متری از سطح زمین است میزان سرعت باد مبنا در شهر مشهد بر اساس داده های ۶۰ ساله ایستگاه سینوپتیک شهر مشهد به صورت میانگین لحاظ گردید مقدار این عدد ۴٫۱KNOT یا ۲٫۱m/s در ارتفاع ده متری از سطح زمین است.
نیروی اصطکاک
نیروی اصطکاک، نیرویی است که حاصل از تماس باد با سطح زمین است. سطح زمین نیرویی افقی در جهت حرکت باد بر روی آن اعمال می کند که اثر آن کاهش سرعت باد می باشد. مقدار این نیرو با فاصله گرفتن از سطح زمین کاهش پیدا میکند؛ به طوری که در بیرون لایه مرزی (ارتفاعی که در آن اثرات ویسکوز حایز است) مقدار نیروی اصطکاک قابل چشم پوشی است. در بیرون از لایه مرزی، مدل حاصل همان مدل باد گرادیان است. در داخل لایه مرزی نیروی اصطکاکی سبب می شود تا جریان باد به سمت نواحی کم فشار به حرکت درآید. این تغییرات در سرعت افقی باد نسبت به ارتفاع در اصطلاح پروفیل عمودی سرعت باد نامیده می شود. مطالعه تغییرات سرعت باد با توجه به زبری سطح و ناهمواری سطح زمین می باشد. سرعت باد غالب برای ارتفاع ده متر از سطح زمین با توجه ارتفاع این عدد طبق فرمول زیر متناسب سازی میشود.
در این رابطه V1 میزان سرعت باد در ارتفاع h1 و V2 میزان سرعت باد در ارتفاع h2 می باشد . Z میزان فاصله تاثیر سختی جداره (زمین) می باشد که طبق جدول سازمان انرژی سوییس عدد ۰٫۴ متر در نظر گرفته می شود.
میزان تاثیر سختی جداره زمین در نواحی مختلف (m)
با درنظرگیری تاثیر سختی جداره زمین، پروفیل باد مطابق تصویر زیر ترسیم شده است:
پروفیل باد در سطح پروژه کنونی (m/s)
نتایج شبیه سازی جریان هوای خارجی
دو فاکتور اساسی در بررسی جریان هوای اطراف ساختمان رستوران گردان، سرعت و فشار هوای ایجاد شده در کف و سقف پروژه میباشد. تصویر زیرنمایانگر توزیع سرعت جریان هوا در جداره های رستوران میباشد.
توزیع فشار جریان هوا در کف پروژه
توزیع فشار جریان هوا در سقف پروژه
با توجه به آنالیز فشار هوا در کف و سقف پروژه، مسیر جریان باد و توجه به مدور و متقارن بودن حجم پروژه، در صورت وزش باد از هر جهت جغرافیایی، یک سمت از دریچه های ورود هوا در کف با فشار مثبت به صورت مسیر ورود جریان هوا عمل کرده و سه دریچه در جهات دیگر با وجود فشار منفی به صورت مسیر خروج جریان هوا عمل می کند.
توزیع سرعت جریان هوا در گرداگرد پروژه
با توجه به مدور و متقارن بودن پروژه، سرعت و فشار هوا برای جریان باد وزیده شده از هر چهار جهت جغرافیایی، مشابه نتایج بدست آمده بوده و می توان در طراحی و جانمایی دریچه های ورود هوا این مسئله را درنظر گرفت.
سرعت جریان هوا در کف پروژه با توجه به مسیر جریان هوا
در صورتی که ورودی هوا را دریچه ی رو به سمت جریان باد در نظر بگیریم، سرعت هوای ایجاد شده در این ناحیه مطابق بخش علامت گذاری شده ۰٫۲۴ متر بر ثانیه می باشد. با درنظر داشتن این فرضیه که که با جانمایی دریچه هایی در ۴ سمت شمالی، جنوبی، شرقی و غربی کف پروژه، جریان هوا در داخل پروژه ایجاد می شود، مدل سازی این حالت انجام گردید.
آنالیز جریان هوای داخلی
به منظور آنالیز جریان هوای داخلی مدل، حجم رستوران به تنهایی با دریچه های در نظر گرفته شده برای ورود و خروج هوا مدل سازی گردید. شبکه بندی با اعمال رشد ۵۰% باعث شده است تا ابعاد شبکه ها در سطوح مسطح رشد افزایشی نداشته باشد، محاسبات در ابعاد مناسب تری انجام شده و نتایج دقیق تری بدست آید.
شبکه مش بندی مدل شبیه سازی شده برای آنالیز تهویه داخلی
مشخصات دریچه های در نظر گرفته شده مطابق تصاویر زیر است:
مشخصات دریچه ورود هوا
مشخصات دریچه های خروج هوا
نتایج شبیه سازی جریان هوای داخلی
با توجه به آنالیز انجام شده، نتایج بدست آمده به شرح زیر است:
جریان هوا
یکی از فاکتورهای اساسی در تعیین مطلوبیت جریان هوا، یکنواخت بودن و یکپارچگی حرکت هوا در تمام فضای داخل پروژه است تا شرایط یکسانی از نظر آسایش حرارتی در فضا ایجاد شود. تصاویر زیر نشان دهنده مسیر جریان هوا در داخل مدل رستوران است:
مسیر جریان هوای ایجاد شده در فضای داخلی پروژه
مطابق مسیر جریان هوای داخلی در پروژه، فرضیه ایجاد تهویه هوا با وجود دریچه هایی در ۴ بخش شمالی، جنوبی، شرقی و غربی کف پروژه درست بوده و می توان با باز کردن این دریچه ها در کف، چرخش جریان هوا را داشت.
نحوه چرخش هوا در فضای مدل و سرعت جریان هوا در تراز ۱٫۲ متری
سرعت جریان هوا
به منظور بررسی سرعت جریان هوای ایجاد شده، این فاکتور در ارتفاع سر انسان نشسته در رستوران (۱۲۰ سانتی متر) مورد ارزیابی قرار گرفت.
سرعت جریان هوا در تراز ۱٫۲ متری
با توجه به مقادیر بدست آمده حدود سرعت جریان هوا در ارتفاع مد نظر، ۰٫۰۵ متر بر ثانیه می باشد. گرچه این میزان سرعت جریان هوا برای ایجاد شرایط آسایش حرارتی مناسب نمی باشد، اما میتوان مطمئن شد که در صورت نیاز به جریان هوای تازه و عدم استفاده از سیستم های مکانیکی، چرخش جریان هوا ایجاد می شود. به منظور بررسی دقیق تر، سرعت جریان هوا در مقاطع مختلفی از فضای داخلی پروژه ارزیابی شده است که جانمایی این مقاطع مطابق تصویر زیر است.
مقاطع A تا E در سطح مدل
تصاویر زیر سرعت جریان هوا در مقاطع مشخص شده را نمایش می دهد:
سرعت جریان هوا در مقطع A-A
سرعت جریان هوا در مقطع B-B – محل دریچه خروجی هوا
سرعت جریان هوا در مقطع C-C
سرعت جریان هوا در مقطع D-D محل دریچه ورودی هوا
سرعت جریان هوا در مقطع E-E
با توجه به نتایج بدست آمده میزان سرعت هوا در ارتفاع فرد نشسته پشت میز در حدود ۰٫۰۲ متر بر ثانیه می باشد. این مقدار از سرعت هوا گرچه پاسخگوی شرایط آسایش حرارتی ( تابستانی و زمستانی) نمی باشد اما به عنوان جریان هوای تازه در داخل کابین می تواند محسوب شود. تصاویر زیر نقشه های وضع موجود پروژه را نمایش می دهد که با توجه به سازه کف، جانمایی محل دریچه های تهویه هوا در بین شبکه های احداث شده کف میباشد.
تصویر زیر جانمایی دریچه های هوا در نقشه سازه کف را نمایش می دهد. به منظور ورود و خروج هوا از دمپرهایی در محل های مشخص شده استفاده می شود.
محدوده جانمایی دریچه های دمش و مکش هوا در سازه کف پروژه
با در نظر گرفتن آنالیزهای انجام شده، در صورت وزش باد از هر جهت جغرافیایی، یک جبهه از دریچه ها به صورت دمنده و سه جبهه دیگر به صورت مکنده عمل می کنند. به منظور کنترل دستی دمپرها می توان از دریچه متخلخل لولایی در کف برای ایجاد دسترسی به دمپر ها بهره برد. جزئیات اجرائی قرارگیری دریچه های هوا به صورت زیر می باشد:
مقطع A-A از محل قرارگیری دمپرهای مکانیکی در کف پروژه
نتیجه گیری
مطابق نتایج بدست آمده از این مقاله با قرارگیری دریچه های ورود و خروج هوا در کف رستوران، جریان هوای یکپارچه ای در فضای داخلی رستوران ایجاد میشود. سرعت جریان هوای ایجاد شده به منظور ورود هوای تازه به فضای داخل با درنظرگرفتن سرعت جریان هوای میانگین سایت پروژه، کافی بوده و میتوان در مواقع اضطراری از این دریچه ها به عنوان مسیر ورود و خروج هوای تازه استفاده کرد. با توجه به مدور و گردان بودن فرم ساختمان، درصورت وزش باد از هرجهت جغرافیایی، دو دریچه از دریچه های موجود به عنوان دمنده هوا عمل کرده و شش دریچه دیگر به عنوان مکنده، نقش خروج هوا از فضای داخلی را ایفا میکنند. استفاده از دمپرهای مکانیکی نیز امکان باز و بسته شدن این دریچه ها را میسر میکند.
