تحقیق انباشتگی دمای به دام افتاده- اندازه گیری دما های اقلیمی در اطراف سیستم تغلیظ نوع اسپلیت در ساختمان بلندی در سنگاپور

تهویه مطبوع، به عنوان بزرگترین تقاضای انرژی برای ساختمان ها در مناطق استوایی، تابع افزایش جمعیت منطقه و رشد امکانات است.  اکثرسیستم های نصب شده از نوع سیستم های تهویه مطبوع انشعابی است. در حالی که عملکرد تجهیزات جدید خیلی بهتر است، تأثیر اقلیمی که در منطقه نصب واحد تغلیظ کننده، اغلب نادیده گرفته می شود. چندین مطالعه برای به تجزیه و تحلیل اثر انباشت، جریان هوای شناور رانشی ، ناشی از گرمای پس داده شده از واحد تغلیظ از شبیه سازی CFD استفاده کرد. این امر درجه حرارتهای بالاتر در سیم پیچ و در نتیجه  وخامت عملکرد سیستم های تهویه مطبوع را به دنبال دارد. ما اولین اندازه گیری های میدانی را در یک ساختمان 24 طبقه در سنگاپور انجام دادیم. شبکه ای از سنسورهای بی سیم دما، درجه حرارت اطراف واحد تغلیظ را اندازه گرفت. ما دریافتیم که درجه حرارت در فضای خالی به طور مداوم در طول ارتفاع ساختمان تا10-13 درجه افزایش یافته است که نشان دهنده  اثر انباشتگی قابل توجهی گرمای باز پس از واحد تغلیظ است. ما همچنین دریافتیم  که هوای گرم در پشت کرکره هایی که برای رعایت زیبایی شناسی بکار میروند، گیر می افتد، که خود باعث افزایش درجه حرارت تا 9 درجه می شود. درجه حرارت در حدود 50 درجه درون واحدهای تغلیظ  طبقات 10 و بالاتر  نتیجه ترکیب دو اثر می باشند، کاهش 32 درصدی در بازده واحد در مقایسه با مورد طراحی تأثیر نایافته را به دنبال داشت. این اثر قابل توجه در طراحی ساختمان و ارزیابی عملکرد به کلی نادیده انگاشته شده است، و تنها با یک فرایند طراحی یکپارچه می توان درستی راه حل های کارامد تحقق بخشید.

مقدمه و پیشینه:

زمانی که ما برای تحقیق افزایش بهره وری انرژی و کاهش  انتشار گازهای گلخانه ای ناشی از عملیات ساختمانی در تلاش می کردیم، توقع جامعه از فضای ساختمانی همچنان افزایش داشت.  آنچنانکه جوامع اروپایی از فن آوری حرارت مرکزی در دسترس نظیر شومینه و اجاق  فاصله گرفتند، در حال حاضر در کشورهای در حال توسعه تهویه مطبوع بیش از پیش مورد انتظار است. این موضوع خصوصا در بازار در حال رشد سریع، برای واحد تهویه مطبوع با نوع انشعاب منفرد یا نوع پنجره ای، که مردم در  کشورهای در حال توسعه و پرجمعیت مناطق استوایی بیش از همیشه به دنبال آن هستند، صدق می کند.

اگر ما در پی علت افزایش  تجمعی  تقاضای انرژی باشیم، باید پاسخ را در طراحی و نصب و این گونه سیستم های کوچک در مقیاس بزرگ بپردازیم.  نصب و راه اندازی بدون کنترل واحدهای  اسپلیت با تاثیر چشمگیر بر عوامل  زیبایی شناختی در  نمای خارجی و در مکان های نظیر سنگاپور شکل گرفته است، و حرارت پس داده شده توسط این سیستم ها نیز تا حد زیادی نادیده گرفته شده است. ما برای اولین بار یافته های تجربی درباره تاثیر بلندمدت گرمای پس داده از واحد های اسپلیت نصب شده در سراسر یک ساختمان 24 طبقه در سنگاپور را بر دمای محلی ارائه می کنیم.  نتایج تحقیق ما از تاثیر زیاد درجه حرارت در مجاورت ساختمان ها از نظر تأثیر بر رفاه ساکنین و عملکرد مورد انتظار از سیستم تهویه پرده برداشت. بطوریکه مشخص شد این پدیده  به طور قابل توجهی کاهش بهره وری از تجهیزات تهویه مطبوع و افت رفاه را به همراه داشته است.

این افت عملکردی، بهبود در ساخت و ساز را که باید به طور گسترده تعقیب شود  تضعیف می کند، زیرا انرژی مورد استفاده برای ایجاد، اداره و بازسازی ساختمان، عامل انسانی مهمی در نشر گازهای گلخانه ای و در نتیجه تغییرات آب و هوایی است.  76 درصد از کل برق مصرفی در ایالات متحده است در ساختمانها استفاده می شود(1). با توجه به ماهیت استاتیک آنها و پتانسیل های موجود برای بهبودی، ساختمان سازی فرصت عمده ای برای پیشگیری از  تولید بیشتر گازهای گلخانه ای هستند(2). در مناطق مرطوب استوایی سنگاپور سال 2007، حدود 75% از ساختمانها (تا حدی) تهویه مطبوع داشتند، که این تعداد از آن زمان افزایش یافته است(3). تحولات مشابه در کشورهای منطقه با افزایش جمعیت و ثروت انتظار می رود.

شواهدی وجود دارد که افزایش راه حلهای تهویه مطبوع ساده در تولید R- 22 به عنوان جانشین، سرد کننده هایی در سیستم های تهویه مطبوع کوچک به کار رفت. این پدیده  به سرعت در کشورهای در حال توسعه در حال پیشرفت است(4). این یک شاخص خطرناک در مقابل بهبود تغییرات آب و هوایی محسوب می شود، و در درجه اول با توجه به پتانسیل گرم شدن سراسری در R- 22 ، و ثانیاً به عنوان شاخص معینی برای  نصب در حال گسترش این نوع از واحدهای کوچک قابل توجه است. اغلب این محصولات به عنوان واحد خود اجرا(DIY) با عدم نیاز به نصب حرفه ای به فروش می رسد که  ممکن است مسائل مربوط به فاصله مناسب، موانع مقابل دیوارها، تامین هوای ناکافی یعنی همه آنچه در افت عملکرد فعلی آن موثر است را شامل شود.  حتی بدون استفاده از داده های R- 22، تنها نگاهی گذرا به اطراف هر یک از شهرهای به سرعت در حال رشد در مناطق استوایی برای درک شیوع این سیستم ها کافی است که به وضوح در شکل(1) نشان داده شده است.

در سنگاپور در یکی از توسعه یافته ترین شهرهای استوایی، تلاشها در جهت به حداکثر رساندن عملکرد این سیستمها اعمال شد. یکی از تلاش ها، طرح علامت گذاری سبز که طرحی برای صدور گواهینامه ساخت پایدار بود، برای ایجاد پایداری در ساخت و ساز ها در محیط زیست راه اندازی شد. هدف این بود تا 80٪ ساختمان ها تا سال 2030 با علامت گذاری سبز تایید شوند که به بهره وری حداقل در نصب و راه اندازی واحد های اسپلیت دلالت داشت(5). هنوز خود استاندارد ها حاکی از عدم کارآیی این سیستم ها در ساختمان های دارای اسپلیت است، بطوریکه راندمان این سیستمها  نسبت به ساختمان های دارای چیلرهای مرکزی 33 ٪  کمتر  است(6). گواهی علامت گذاری سبز تنها به پروژه های کامل ساختمانی اعمال می شود، اما سنگاپور حتی تا سطح مشتری یک نظام سخت برای تأیید عملکرد اجرا کرده است(7).

اما همه این تلاش ها فقط  عملکرد خریداری را کنترل می کند وربطی به عملکرد نصب ندارد. عملکرد سیستم های تهویه مطبوع مستقیماً به درجه حرارت در محل تامین سرما مربوط است، و مهمتر این که در دستگاههای اسپلیت درجه حرارت که در آن گرما برگشت می کند مورد نظر است. ضریب عملکرد (COP)، نسبت میزان تدارک سرمایی به ورودی برق دستگاه خنک کننده است. در چیلر معمولی ممکن است COP ،3 باشد، ارائه 3 کیلو وات خنک کنندگی برای هر 1 کیلو وات برق. اما اگر چه این عدد اغلب به عنوان یک ارزش گزارش شده است، آن وابسته به درجه حرارت واقعی تجربه شده توسط سیستم خواهد بود. با توجه به الگوی طراحی ساختمان LowEx (8) ما با تمرکز بر بهینه سازی دما، نفوذ و تأثیرگذاری آن را بر عملکرد سنجیدیم.

این امر منجر به توسعه بسیاری از سیستم های ساخت و ساز جدید در سوئیس شد(10،9)، که می توانست از طریق یک ارزیابی تام سیستم که تفاوت درجه حرارت را به حداقل رساند عملکرد بهتری داشته باشد، وبه ضریب عملکرد بیشتر از 10 دست یابد(11). در حال حاضر هدف ما رسیدن به بهینه سازی مشابه برای سیستم های خنک کننده در مناطق استوایی برای سیستم خنک کننده در دمای بالا در آزمایشگاه است(12). برای سیستم های دستگاه اسپلیت ما باید در پی راهی باشیم که  گرما به محیط زیست برگردد، زیرا روش نصب و راه اندازی به طور قابل توجهی می تواند روی درجه حرارت و در نتیجه عملکرد واقعی تاثیر گذارد. پیدا کردن پایین ترین درجه حرارت برای پس دادن گرما، بالاترین کارایی را ارائه می دهد، بررسی آب و هوای سنگاپور نشان داد، این اختلاف درجه حرارت برای دستیابی به  ظرفیت بهتر، نسبت به زمانی که  هوا سینک حرارتی بوجود می آورد، کم بود(13). لذا ضروری است برای نصب سیستم اسپلیت روشی که به  سردترین درجه حرارت ممکن منتهی شود، اتخاذ گردد. متاسفانه روش استاندارد از اهمیت این هدف غفلت کرده است، و شکل1 نشان می دهد که چگونه دماهای بالاتر غیر ایده آل ممکن است در اطراف واحد ها تولید شود.

با وجود نصب واحد های اسپلیت در فضای نمای بیرونی ساختمان ها تعداد اندکی از مردم زیبایی شناسی نماهای بیرونی را می پسندند شکل (1). در نتیجه آنها اغلب اقدام به نصب دستگاهها  در فضا های پنهان نظیر فرورفتگی ها یا فضا های محدود مانند نور گیر های داخلی می نمایند. متأسفانه این  فضاهای مستور از جریان باد برای خارج کردن گرما محرومند. لذا اثر انباشت پیامدی است  که ممکن است ایجاد شود. گرمای برگشتی از واحد تغلیظ باعث ایجاد بسته هایی از جریان هوای عمودی می گردد که به طور فزاینده گرم تر است، و در طول ساختمان بالا می رود. واحدهای تغلیظ  باید بیشتر کار کنند تا بتوانند گرما را از این محیط گرمتر خارج نمایند، و در نتیجه کاهش عملکرد را به دنبال خواهند داشت، در موارد شدید، که سیال فرصت رسیدن به درجه حرارت معین را پیدا نکند ممکن است دستگاه متوقف شود.

برخی از مطالعات انجام شده برای تجزیه و تحلیل این پدیده، از شبیه سازی های CFD استفاده کرده است، "باجیک" در یک مطالعه مروری بررسی وسیعی از طریق مطالعات شبیه سازی CFD در ساختمان های بلند هنگ کنگ انجام داد(14).  "چو" استدلال کرد که شبیه سازی کامپیوتری مناسب ترین و اقتصادی ترین راه برای مطالعه اثر انباشت است و نشان داد که افزایش دما در سیم پیچ کندانسور درطبقه بالای یک ساختمان بلند مسکونی در هنگ کنگ بیش از 7 (K forthe)، بود (15).  در مطالعات بعدی  "چو" و "باجیک" تأثیرشکل مستعد ساختمانها برای بازگشت روی اثر انباشت حرارتی بررسی شد (16،17). باجیک دریافت در سیم پیچ درجه حرارت 4-9 K در طبقه 30 ، بسته به حرارت پسداده شده در هر واحد تغلیظ ( 2-6 کیلو وات ) افزایش یافت(18).