شرایط اقلیمی و شرایط طرح داخل در طراحی تهویه مطبوع

مقدار بارهای گرمایشی و سرمایشی که باید برای تهویه مطبوع ساختمان ها در زمستان سرد و تابستان گرم انجام شود به شرایط مطلوب در داخل و به شرایط بیرونی در یک روز معین بستگی دارد.

این شرایط اقلیمی و شرایط داخلی در اصل، بارهای گرمایش و سرمایش برای حفظ شرایط طراحی داخلی در زمانی که داده های آب و هوای بیرون از مقادیر طراحی تجاوز نمی کند محاسبه می شود.

طراحی و تجزیه و تحلیل سیستم های تهویه مطبوع شامل انتخاب شرایط طراحی داخلی و خارجی مناسب، آموزش تاسیسات، برآورد ظرفیت مورد نیاز تجهیزات سرمایشی یا گرمایشی، انتخاب سیستم سرمایش -گرمایش مناسب، انتخاب شرایط تامین، طراحی سیستم های انتقال و توزیع هوا و غیره است. ورودی ها مشخصات ساختمان و الگوی کاربری آن و هرگونه نیاز خاص دیگر می باشد.

در شرایط تابستانی معمولی، ساختمان گرمای محسوس و نهان را از محیط اطراف و همچنین به دلیل منابع حرارتی داخلی (RSH و RLH) دریافت می کند. هوای ورودی به ساختمان، گرمای ساختمان را از فضای مطبوع خارج می کند. این بارهای گرمایی همراه با سایر گرمای حاصل از تهویه، مجاری برگشتی و غیره باید توسط فن کویل ها از جریان هوا استخراج شود تا هوا در شرایط سرد و خشک مورد نیاز برای تکمیل چرخه به ساختمان عرضه شود. به طور کلی، نرخ انتقال حرارت محسوس و نهان (GSH و GLH) روی کویل خنک‌کننده به دلیل نیاز به تهویه و تلفات مجرای برگشتی، بیشتر از گرمای ساختمان است. برای تخمین ظرفیت بار سرمایشی مورد نیاز کویل ها (GTH)، برآورد ساختمان و سایر دستاوردهای حرارتی ضروری است. افزایش حرارت ساختمان به نوع ساختمان، شرایط بیرونی و شرایط داخلی مورد نیاز بستگی دارد. از این رو انتخاب شرایط طراحی داخلی و خارجی مناسب گام مهمی در طراحی و تحلیل سیستم های تهویه مطبوع است

شرایط طراحی فضای خارجی

دما و رطوبت محیط ساعت به ساعت و روز به روز و مکان به مکان متفاوت است. به عنوان مثال، در تابستان دمای محیط از طلوع خورشید افزایش می یابد، در بعد از ظهر به حداکثر می رسد و دوباره تا عصر کاهش می یابد. در یک روز معین، رطوبت نسبی نیز با دما تغییر می کند و به طور کلی زمانی که دمای محیط حداکثر است به حداقل مقدار می رسد. برای اکثر نقاط اصلی جهان، داده های هواشناسی به صورت میانگین روزانه یا ماهانه حداکثر و حداقل دما و رطوبت نسبی یا دمای حباب مرطوب مربوطه در دسترس است. همانطور که قبلا ذکر شد، برای تخمین ظرفیت سرمایشی مورد نیاز یک دستگاه تهویه مطبوع، علاوه بر شرایط داخلی، اصلاح شرایط طراحی بیرونی نیز ضروری است. بدیهی است که شرایط طراحی انتخاب شده ممکن است فقط برای مدت کوتاهی حاکم باشد و بیشتر اوقات شرایط واقعی بیرونی با مقادیر طراحی متفاوت خواهد بود. در نتیجه، در بیشتر مواقع سیستم در شرایط خارج از طراحی کار می کند.

شرایط طراحی بیرون نیز به عوامل زیر بستگی دارد:

1. نوع سازه، یعنی سنگین بودن آن، متوسط یا سبک
2. خصوصیات عایق بندی ساختمان
3. سطح شیشه یا سایر سطوح شفاف
4. نوع استفاده
5. ماهیت سکونت
6. محدوده روزانه (تفاوت بین حداکثر و حداقل دما در یک روز معین)

شرایط طراحی فضای باز (خارج) انتخاب مقادیر حداکثر یا حداقل سالانه داده های آب و هوای فضای باز در تعیین شرایط فضای باز مقرون به صرفه نیست. داده‌های طراحی فضای باز در آموزشگاه فنی معمولاً به شرح زیر تعیین می‌شود:

1. با توجه به تجزیه و تحلیل آماری داده‌های هواشناسی (داده‌های هواشناسی) به‌طوری‌که 1، 2.5 یا 5 درصد از کل ساعات کاری ممکن برابر یا بیش از مقادیر طراحی فضای باز باشد.
2.  طبق ASHRAE (انجمن مهندسین گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع آمریکا) برای برخی از پایتخت های جهان.

شرایط طراحی فضای خارجی برای تابستان

انتخاب حداکثر دمای خشک حباب و تر حباب در یک مکان خاص منجر به ظرفیت های سرمایشی بسیار زیاد می شود زیرا حداکثر دما معمولاً تنها برای چند ساعت در سال باقی می ماند. از این رو توصیه می شود که شرایط طراحی فضای باز برای تابستان بر اساس مقادیر دمای حباب خشک و میانگین دمای تر حباب همزمان که برابر یا بیشتر از 0.4، 1.0 یا 2.0 درصد کل ساعات یک سال است انتخاب شود. این مقادیر برای مکان های اصلی در جهان در کتاب های داده مانند کتاب های راهنمای AHRAE موجود است. اینکه آیا مقدار 0.4٪ یا مقدار 1.0٪ یا مقدار 2.0٪ انتخاب شود به نیازهای خاص بستگی دارد. در صورت عدم وجود هر گونه الزامات خاص، مقدار 1.0% یا 2% ممکن است برای شرایط طراحی فضای باز تابستانی در نظر گرفته شود.

طراحی تابستانی توصیه شده و دمای تر حباب، زمانی که برابر یا بیشتر از 2.5٪ از تعداد کل ساعات (یعنی 2928 ساعت) در ژوئن، جولای، آگوست و سپتامبر انتخاب شود،

(i) دمای حباب خشک 23 درجه سانتیگراد

(ii) دمای تر حباب 28 درجه سانتیگراد

معمولاً حداکثر دمای 33 درجه سانتیگراد در ساعت 2 بعد از ظهر رخ می دهد. و حداقل دمای 28 درجه سانتیگراد درست قبل از طلوع خورشید رخ می دهد. محدوده روزانه دمای حباب خشک حدود 5 تا 6 درجه سانتیگراد و میانگین دمای روزانه حباب خشک 30.5 درجه سانتیگراد است.

شرایط طراحی فضای باز (خارج) به موارد زیر بستگی دارد:

1. موقعیت جغرافیایی
2. عرض جغرافیایی
3. ارتفاع
4. فصل (تابستان یا زمستان)

شرایط طراحی فضای خارجی برای زمستان:

مشابه تابستان، طراحی تهویه مطبوع زمستانی برای بدترین شرایط ثبت شده مقرون به صرفه نیست، زیرا این امر باعث افزایش ظرفیت گرمایشی بسیار بالا می شود. از این رو توصیه می شود که شرایط طراحی فضای باز برای زمستان بر اساس مقادیر دمای حباب خشک که برابر یا بیشتر از 99.6 یا 99.0 درصد کل ساعات یک سال است انتخاب شود. مشابه شرایط طراحی تابستانی، این مقادیر برای مکان‌های اصلی در جهان در کتاب‌های داده مانند کتاب‌های راهنمای AHRAE موجود است. به طور کلی مقدار 99.0٪ کافی است، اما اگر ساختمان از مواد سبک وزن ساخته شده باشد، عایق بندی ضعیفی داشته باشد یا شیشه قابل توجهی داشته باشد یا دمای فضا بسیار مهم است، آنگاه مقدار 99.6٪ توصیه می شود.

طرح زمستانی توصیه شده و رطوبت نسبی همزمان، زمانی که برابر یا بیشتر از 1٪ یا 2.5٪ از تعداد کل ساعات (یعنی 2160 ساعت) در دسامبر، ژانویه و فوریه انتخاب شود.

1. دمای حباب خشک 9 درجه سانتیگراد
2. رطوبت نسبی 50٪

حداقل دما در 6 صبح یا 7 صبح قبل از طلوع خورشید رخ می دهد و محدوده روزانه حدود 6 تا 8 درجه سانتیگراد در روزهای بسیار سرد زمستان است.

شرایط طراحی داخلی:

شرایط طراحی داخلی مورد نیاز به کاربری مورد نظر ساختمان بستگی دارد. تهویه مطبوع یا برای فراهم کردن شرایط آسایش مناسب برای سرنشینان یا برای فراهم کردن شرایط مناسب برای نگهداری محصولات فاسد شدنی مثلاً در سردخانه ها یا شرایطی برای انجام یک فرآیند یا برای محصولاتی که باید درتهویه مطبوع صنعتی تولید شوند، مورد نیاز است.

شرایط داخلی مورد نیاز برای کاربردهای سردخانه و تهویه مطبوع صنعتی بسته به نیاز خاص بسیار متفاوت است. با این حال، شرایط داخلی مورد نیاز برای سیستم های تهویه مطبوع، صرف نظر از اندازه، نوع، مکان، استفاده از ساختمان تهویه مطبوع و غیره عملاً یکسان باقی می ماند، زیرا این امر به راحتی حرارتی انسان مربوط می شود.

برای اکثر سیستم‌های تهویه مطبوع مورد استفاده در ساختمان‌های تجاری و عمومی، دمای داخلی و رطوبت نسبی توصیه شده طبق ASHRAE (انجمن مهندسین گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع آمریکا) به شرح زیر است:

1. تابستان: دمای حباب خشک 23.5 – 25.5 درجه سانگی گراد، رطوبت نسبی 50 – 60٪
2. زمستان: دمای حباب خشک 21 – 23.5 درجه سانتیگراد، رطوبت نسبی 30 – 40 درصد.

باید توجه داشت که:

1- شرایط طراحی داخلی بر اساس ASHRAE (انجمن مهندسین گرمایش، تبرید و تهویه مطبوع آمریکا) تعیین می شود.

2- برای محاسبه بار فضای طراحی از شرایط طراحی بیرونی و داخلی استفاده می شود.

محاسبه بار سرمایش

هدف از محاسبه بار (تخمین):

هدف از تخمین بار، تعیین اندازه تجهیزات تهویه مطبوع و تبرید در دوره آموزش طراحی تجهیزات ثابت است که برای حفظ شرایط طراحی داخلی در طول دوره های حداکثر دمای بیرونی مورد نیاز است. بار طراحی بر اساس شرایط طراحی داخلی و خارجی است و ظرفیت تجهیزات تهویه مطبوع و تبرید برای تولید و حفظ شرایط داخلی مطلوب است. در محاسبه بار سرمایش، چهار اصطلاح جریان گرمایی مرتبط وجود دارد.

1- بار سرمایشی محیط

2- افزایش حرارت فضا

3- نرخ استخراج گرمای محیط

4- بار کویل سرمایشی.

بار سرمایشی محیط:

تعریف بار سرمایشی: مجموع گرمای دریافتی از محیط برای رساندن آن به دمای مطلوب توسط تجهیزات تهویه مطبوع و تبرید به عنوان بار سرمایشی شناخته می شود.

بارهای سرمایشی به شرح زیر طبقه بندی می شوند:

طبقه‌بندی بار سرمایشی بر اساس انواع هوای گرم:

 دو جزء اصلی بار سرمایشی اعمال‌شده به یک دستگاه تهویه مطبوع که در هوای گرم کار می‌کند به شرح زیر است:

گرمای محسوس

 افزایش حرارت محسوس به عنوان افزودن مستقیم گرما به فضای بسته، بدون تغییر در رطوبت خاص آن تعریف می شود.

این گرمای محسوس بیشتر در طول فرآیند تهویه مطبوع تابستانی حذف می شود. افزایش حرارت محسوس ممکن است به دلیل یکی یا همه منابع انتقال حرارت زیر رخ دهد:

1. حرارتی که از طریق رسانش از دیوارهای بیرونی، کف، سقف، درها و پنجره‌های بیرونی به دلیل اختلاف دمای دو طرف آنها وارد ساختمان می‌شود.
2. گرمای دریافتی از تابش خورشید که مستقیماً از طریق شیشه‌های پنجره‌ها، هواکش‌ها یا درها منتقل می‌شود و گرمای جذب شده توسط دیوارها و سقف‌ها در معرض تابش خورشیدی و بعداً توسط رسانایی به اتاق منتقل می‌شود.
3. گرمای وارد شده از طریق پارتیشن داخلی از اتاقهای همان ساختمان که مطبوع نیستند.
4. گرمای حاصل از چراغ ها، موتورها، ماشین آلات، عملیات پخت و پز، فرآیندهای صنعتی و ….
5.  گرمای آزاد شده توسط ساکنین.
6. افزایش حرارت محسوس تهویه ناشی از اختلاف دمای هوای تازه و هوای موجود در فضا (هوای بیرون و داخل)
7. گرمای هوای بیرون که از شکاف درها، پنجره‌ها و از دهانه‌های مکرر آنها به داخل (نفوذ) نشت می‌کند.
8. دریافت گرما از طریق دیواره های مجاری که هوای مطبوع را از طریق فضای بدون تهویه در ساختمان حمل می کنند.
9. گرمای حاصل از کار فن.

 گرمای نهان

افزایش گرمای نهان به عنوان افزایش گرمای فضا از طریق افزودن رطوبت، بدون تغییر در دمای حباب خشک آن تعریف می‌شود.

این گرمای نهان باید در طول فرآیند تهویه مطبوع تابستانی حذف شود. افزایش گرمای نهان ممکن است به دلیل یکی از همه منابع زیر رخ دهد:

1.  گرمای نهان تهویه ناشی از اختلاف رطوبت هوای تازه و هوای موجود در فضا (هوای بیرون و داخل).
2.  افزایش حرارت ناشی از رطوبت هوای بیرون که از طریق نفوذ وارد می شود.
3.  گرمای حاصل از متراکم شدن رطوبت ساکنین.
4.  گرمای حاصل از تراکم رطوبت ناشی از هر فرآیندی مانند پختن غذا که در فضای مطبوع صورت می گیرد.
5.  افزایش حرارت ناشی از عبور رطوبت مستقیم به فضای مطبوع از طریق دیواره ها یا پارتیشن های قابل نفوذ از بیرون یا از مناطق مجاور که فشار بخار آب بیشتر است.

باید توجه داشت که کل بار گرمایی که باید توسط تجهیزات تهویه مطبوع و تبرید برداشته شود، مجموع بارهای حرارتی محسوس و نهان است که در بالا توضیح داده شد. همچنین بار گرمای محسوس به دمای حباب خشک ساختمان و بار گرمای نهان به دمای حباب مرطوب ساختمان اشاره دارد.

 طبقه بندی بار سرمایشی با توجه به محیط داخل و خارج:

بارهای خارجی

بارهای خنک کننده خارجی شامل موارد زیر است:

1.  بارهای محسوس از طریق مجموعه های پوششی مات (سطوح) مانند سقف، دیوار، کف، در، پنجره، پارتیشن و …
2.  بارهای محسوس) از طریق مجموعه های پوششی شفاف یا نیمه شفاف (سطوح) مانند نورگیرها، پنجره ها، دهانه های لعابدار و غیره.
3.  بارهای محسوس از طریق تهویه و نفوذ (نشت هوا)
4.  بارهای محسوس تهویه و نفوذ.

 بارهای داخلی

بارهای سرمایشی داخلی شامل موارد زیر است:

1. گرمای محسوس و نهان ناشی از افراد
2. گرمای محسوس ناشی از روشنایی

• گرمای محسوس ناشی از بارهای برق و موتورها (آسانسور، پمپ، فن و سایر ماشین آلات)
• گرمای محسوس و نهان ناشی از وسایل برقی افزایش گرمای فضا: افزایش گرمای فضا به عنوان سرعت ورود گرما به فضا یا گرمای تولید شده در یک فضا در یک بازه زمانی تعریف می‌شود.

باید توجه داشت که مجموع افزایش گرمای خارجی و داخلی که در بالا مورد بحث قرار گرفت به عنوان غول های گرمای اتاق شناخته می شود.

نرخ استخراج گرمای محیط:

سرعتی که گرما از فضای تهویه‌شده خارج می‌شود، تنها تا درجه‌ای که دمای هوای اتاق ثابت بماند، برابر با بار سرمایش محیط است.

از نظر تئوری، ممکن است منطقی به نظر برسد که افزایش گرمای فضا معادل بار خنک کننده فضا است، اما در عمل نرخ گرما با بار سرمایشی برابر نیست.

بار کویل سرمایشی:

بار کویل سرمایشی مجموع تمام بارهای سرمایشی فضاهای مختلف مورد استفاده توسط تجهیزات به اضافه بارهای خارجی فضاها مانند گرمای کانال، نشت کانال، حرارت فن و هوای آرایشی در فضای باز است.

ملاحظات اولیه طراحی

به طور کلی مراحل طراحی و محاسبه بار سرمایشی به شرح زیر است:

1) شرایط مکان جغرافیایی (طول جغرافیایی، طول جغرافیایی، سرعت باد، بارش و غیره).

2) شرایط طراحی فضای باز (دما، رطوبت و غیره).

3) شرایط طراحی داخلی.

4) مشخصات ساختمان (مصالح، اندازه، شکل، رنگ سطح معمولاً از روی نقشه و مشخصات ساختمان مشخص می شود).

5) پیکربندی (موقعیت، جهت گیری و سایه اندازی خارجی از پلان و مشخصات ساختمان، همچنین سایه اندازی از ساختمان مجاور را می توان با نقشه سایت یا با بازدید از سایت پیشنهادی مانند آب مجاور، ماسه، پارکینگ و … تعیین کرد).

6) برنامه های عملیاتی (روشنایی، اشغال، لوازم و تجهیزات).

7) ملاحظات اضافی (نوع سیستم تهویه مطبوع، انرژی فن، محل فن، تلفات و افزایش حرارت کانال، نشتی کانال، نوع و موقعیت سیستم برگشت هوا …).

روش های محاسبه بار خنک کننده

برای محاسبه کامل نواحی و بارهای کل ساختمان، یکی از سه روش زیر باید استفاده شود:

1. روش تابع انتقال (TFM): این پیچیده ترین روش ارائه شده توسط ASHRAE است و نیاز به استفاده از یک برنامه کامپیوتری یا صفحه گسترده پیشرفته دارد.
2. ضرایب بار سرمایشی دیفرانسیل بار خنک کننده (CLTD/CLF): این روش از روش TFM مشتق شده است و از داده های جدول بندی شده برای ساده سازی فرآیند محاسبه استفاده می کند. این روش را می توان به راحتی به برنامه های صفحه گسترده ساده منتقل کرد اما به دلیل استفاده از داده های جدول بندی شده دارای محدودیت هایی است.
3. دیفرانسیل دمای معادل مجموع (TETD/TA): این روش ترجیحی برای محاسبه دستی یا ساده صفحه گسترده قبل از معرفی روش CLTD/CL F بوده است.
4. تعادل گرمایی (HB) و سری زمانی تابشی (RTS)  عموماً برای اهداف تحقیقاتی و تحلیلی استفاده می شود و می توان آن را با معادلات دیفرانسیل با استفاده از حل های عددی حل کرد

تفاوت دمای بار سرمایشی و ضریب بار سرمایشی (CLF)  برای تبدیل افزایش گرمای محسوس فضا به بار خنک‌کننده معقول فضا استفاده می‌شود.

تفاوت دمای بار سرمایشی تفاوت دمای بار خنک کننده به عنوان یک تفاوت دمایی معادل برای محاسبه بار خنک کننده خارجی آنی در یک دیوار یا سقف تعریف می شود.

بار خنک کننده محسوس در فضا Qrs به صورت زیر محاسبه می شود:

Q_rs = A.U.CLF

که در آن

A = مساحت دیوار یا سقف خارجی (m2)

U = ضریب انتقال حرارت کلی دیوار یا سقف خارجی (W/m2k).

منابع:

https://www.ques10.com/p/42359/inside-and-outside-design-conditions/https://www.ustudy24.com/userfiles/4f2249ce3d752537559a5f243d8c47ff.pdf