تحلیل یک سوله صنعتی با نمای دو پوسته در تهران

مقدمه

سوله با نمای دو پوسته : میزان مصرف انرژي در جهان امروز بعد از بحرانهاي افزایش قیمت نفت به یکی از چالشهاي اساسی براي کشورهاي در حال توسعه تبدیل شدهاست. در سالهاي اخیر افزایش نگرانی ها در خصوص اثرات زیست محیطی مصرف انرژيهاي فسیلی و گرم شدن کره زمین اهمیت این موضوع را دو چندان کردهاست. از سوی دیگر سهم بخش ساختمان در مصرف انرژي قابل توجه است. هنگام بحث در خصوص مصرف انرژي در ساختمان، غالباً ساختمانهاي مسکونی و اداري-تجاري مدنظر بوده و کمتر به ساختمانهاي صنعتی نظیر سولهها، کارگاهاي کوچک و بزرگ و کارخانه ها و … توجه میشود در حالی که بدلیل نوع ساخت و مصالح بکار رفته میزان مصرف انرژي در اینگونه ساختمانها غالباً زیاد است.
ساختمان هایی که در آنها از نماي شیشهاي استفاده شدهاست به جهت زیباشناسی، ایجاد شفافیت، منظر زیبا و نورگیري طبیعی همواره مورد توجه معماران بودهاست.از آنجا که از شیشه ها به عنوان پوسته خارجی بیشترین اتلاف حرارت در ساختمان صورت می گیرد عملکرد ساختمانها با نماي شیشهاي با سیاست کلی صنعت ساختمان در بخش کاهش مصرف انرژي منطبق نیست.
بنابراین باید راه حلی یافت که ضمن حفظ زیبایی نما و تامین نور طبیعی، اتلاف انرژي را به حداقل رساند [1]و [2]. سیستم نماي دو پوسته ،1میتواند پاسخی مناسب براي رفع این مشکل محسوب گردد. به نماهائی از ساختمان که از چند لایه تشکیل شده ،است نماهاي دو پوسته میگویند. این نوع نماها علاوه بر اینکه بارهاي گرمایشی و سرمایشی را کاهش میدهند عایقهاي صوتی مناسبی نیز هستند. بنابراین میتوان یهاسوله ی که داراي نماي شیشه اي هستند را با سوله هاي با نماي دوپوسته جایگزین نمود. عملکرد نماهاي دو پوسته در فصول مختلف بدین صورت است که در فصل گرم بر اثر تابش خورشید هواي داخل شکاف به مرور
گرم شده و در اثر اختلاف چگالی ناشی از اختلاف دما در داخل شکاف جریانی از هوا به وجود می آید. با باز کردن دریچه اي از پایین و دریچهاي از بالا اثر مکشی بسیار قوي به وجود آمده و هواي خنک با سرعت بیشتري به فضاي داخل شکاف کشیده و جریانی قابل ملاحظه در داخل نماي دوپوسته به وجود میآید که به سرمایش ساختمان در فصل گرم کمک می دکن . سایه اندازهایی که در بین دوپوسته قرار می ،دنگیر براي جذب و یا انعکاس تشعشعات ناخواستۀ خورشیدي مورد استفاده قرار می گیرند. گرماي جذب شده توسط سایهانداز را میتوان با جابجایی هوایی که در بین سطوح حرکت می کند از شکاف خارج نمود.

نماي دوپوسته در فصل سرد میتواند به دو شکل به کاهش بار حرارتی کمک نماید:
الف) سیستم نماي دو پوسته کاملاً بسته بوده و جریانی در شکاف وجود نداشته باشد. در این حالت در اثر تشعشع خورشید و پدیده گلخانهاي هواي داخل شکاف گرم شده و با گرم شدن هواي داخل شکاف تلفات تشعشعی، هدایتی و جابجایی کاهش می یابد.
ب) هوا از فضاي داخل ساختمان به درون شکاف دمیده شود. در این حالت هواي گرم داخل ساختمان وارد شکاف دوپوسته شده و در اثر تشعشع خورشید و پدیده گلخانهاي گرمتر شده و از طریق کانال کشی به داخل ساختمان باز میگردد .[2]هر دو حالت الف و ب باعث کاهش اتلاف حرارت در فصل سرد میشوند. کارهاي زیادي در زمینه نماهاي دوپوسته انجام شدهاست. در سال 2001چیو و همکارانش اولین تحلیل پارامتریک در نماهاي دوپوسته را انجام دادند[3]. در سال 2002 زولنر و همکارانش آزمایشی تجربی در زمینه انتقالحرارت و عدد ناسلت در نماي دوپوسته ارائه کردند [4] .در سال 2004 گراتیا و همکارش تحلیلی از نماي دوپوسته در نماي جنوبی یک ساختمان براي پیدا کردن بهترین عملکرد حرارتی در طول مدت 8شبانه روز انجام دادند [5] .در سال 2004پاسکواي آنالیزي از انرژي ذخیره شده ویا تلف شده در ساختمانهاي بلند با نماي دوپوسته ارائه داد [6]. در سال 2006چو و هانگ تاثیر عمق حفره نماي دوپوسته را بر اثر دودکشی آن مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند[7] .در سال 2008حقیقت و اداجیرو نماي دوپوسته را به روش ایرزونال2 شبیه سازي کرده و نتایج منطبقی نسبت به نتایج تجربی به دست آوردند [8]. در سال 2009چان و همکارانش عملکرد نماي دوپوسته را از لحاظ انرژي در ساختمان مورد بررسی قرار دادند آنها به بررسی نماي دو پوسته در جهات مختلف و مقایسه حالت دوپوسته با تک جداره به کمک نرمافزار انرژي پلاس پرداختند[9].
در این مقاله در ابتدا نماي دو پوسته تعریف و انواع آن به اجمال آورده میشود. در ادامه میزان مصرف انرژي سرمایشی-گرمایشی براي یک سوله معمولی در مقایسه با همان سوله با بکارگیري نماي دو پوسته در آب و هواي تهران با استفاده از نرم افزار Energy Plus که یکی از اصلیترین نرم موافزارهاي جود در زمینه تحلیل انرژي در ساختمان است، محاسبه شده و میزان صرفه جویی انرژي در حالتهاي گوناگون بررسی میگردد.

تعریف نمای دو پوسته

موسسه تحقیقات ساختمان بلژیک 3در سال 2002سیستم نماي دو پوسته را به صورت ذیل تعریف کرده است[10]. با توجه به شکل 1نماي دو پوسته اي با دارا بودن حداقل دو پوسته بین فضاي داخل ساختمان و محیط خارجی از سایر نماها متمایز می شود. در حد فاصل این دو پوسته مسیري براي جریان هوا تعبیه شده است . پوسته خارجی نما به طور کامل شیشه اي می باشد که معمولاً از شیشه سخت تهیه می گردد . پوسته داخلی اغلب به طور کاملاً شیشه اي نیست و شیشه بکار رفته در آن از نوع عایق است. فضاي خالی بین دو پوسته که به شکاف 4معروف است می تواند کاملاً به طور طبیعی یا به کمک فن و یا به صورت ترکیبی از این دو تهویه گردد. (کلید واژه: سوله صنعتی با نمای دو پوسته)

عرض این فضا بنـا بـه عملکـرد و کـاربرد لازم مـیتوانـد از 20 سانتیمتر تا 2متر پهنا داشته باشد. این پهنـا بـه روشـی کـه نمـا نگهداري میشود وابسته است. پنجرههایی در داخل نماي داخلـی تعبیه شده که ساکنین در هر طبقه می توانند جهـت تهویـه اتـاق خود از آن استفاده نمایند. همچنین در فضاي بین دو پوسته غالبـاً از وسایل سایه انداز که به شکل کرکره هاي افقی بـوده وعموم به صورت اتوماتیک کار میکنند استفاده می شود. این سایهاندازها شدت نور ورودي به داخـل سـاختمان را کنتـرل کـرده و انـرژي تابشی خورشید را جذب یا منعکس میکنند.

طبقه بندی نمای دو پوسته

نماهاي دو پوسته به سه روش متفاوت طبقه بندي میشوند این روشها عموماً به شرایط ناحیۀ شکاف و نحوه جریان هوا در آن مربوط می شود . در ادامه این سه روش تشریح میشوند[11].
1)روش اول در طبقه بندي نماي دوپوسته بر اساس نحوه جریان هوا در داخل فضا یا شکاف بین دو پوسته بوده که این طبقه بندي به چهار صورت زیر امکانپذیر است.
الف)جریان هواي داخل از طریق شکاف به بیرون دفع می شود.
ب) هوا از داخل وارد شکاف شده و به داخل تخلیه شود
ج) هواي تازه از بیرون به داخل شکاف فرستاده شده و به درون ساختمان تخلیه شود
د) هوا از خارج وارد شکاف شده و به خارج تخلیه شود در شکل شماره 2این چهار حالت نشان داده شده است. (کلیدواژه: سوله با نمای دو پوسته)

2) روش دوم براي طبقه بندي نماي دوپوسته بر اساس نیروي محرك جریان هوا در میان شکاف بین دو پوسته میباشد . این طبقه بندي به دو شکل زیر انجام میگیرد.
– سیستم هاي تهویه به صورت مکانیکی: در این سیستم ها جریان هوا توسط فن تولید می شود که قابل تنظیم بوده و میتوان آن را با دقت بالا کنترل نمود.
– سیستم هاي تهویه به صورت طبیعی: در این حالت، نیروهاي محرك بر مبناي جابهجایی طبیعی و اختلاف فشار هوا صورت می پذیرد. در این حالت نرخ جریان هوا مقدار معینی ندارد و بستگی به شرایط آب و هوایی دارد. این حالت میتواند در شرایطپ آب و هوایی خیلی گرم اثر مثبتی در کاهش بار سرمایشی ساختمان داشته باشد.
3)سومین روش براي طبقه بندي نماي دوپوسته بر اساس نماي خارجی آن است مطابق با شکل 3در این روش نیز چهار حالت وجود دارد که به طور مختصر تشریح میشوند.

– نماي چند طبقه اي5 :در این حالت نماي خارجی بصورت یکدست بوده و بین دو پوسته، جدا کننده افقی یا عمودي وجود ندارد. تهویه هوا از طریق دریچه هاي موجود در کف و سقف هر طبقه انجام می شود.
– نماي دالانی6 :در این حالت نماي خارجی در هر طبقه به وسیله جداکننده هاي افقی به چند دالان تقسیم می شود که هدف از انجام این کار بوجود آمدن عایق صوتی، ایمنی بیشتر در برابر آتش سوزي و تسهیل حرکت هوا می باشد.
– نماي جعبه اي یا پنجره اي7 :در این حالت نماي خارجی به بخش هاي کوچکتر و مستقلی تقسیم می شود که هر کدام از آنها میتوانند همانند پنجره عمل کنند.
– نماي جعبه ستونی8 :در این حالت یک ردیف از عناصر جعبه- پنجره اي در نماي خارجی قرار گرفته اند که این عناصر با یک ستون عمودي در نما مربوط می باشند. این ستون عمودي میزان خروج هوا از طریق دریچه هاي بالا را افزایش می دهد. (کلیدواژه: سوله با نمای دو پوسته)

مدل سازی

مدل سازی ریاضی: براي محاسبه میزان مصرف انرژي در این مطالعه از نرم افزار Energy Plus این نرم افزار بر اساس روش بالانس حرارتی عمل میکند و در صورت نیاز به محاسبه جریان هوا با روش Air Zonalمحاسبات مربوط به جریان هوا و انتقال حرارت را انجام میدهد. در این نرم افزار براي شبیه سازي جابجایی طبیعی در شکاف از روش Air Zonalاستفاده شده است. در این شبیه سازي فضاي داخل شکاف به روش Air Zonalو دیگر فضاها به روش بالانس حرارتی تحلیل شده اند. روش Air Zonalدر نرمافزار انرژي پلاس تحت عنوان Air Flow Networkبوده که از سه مرحله تشکیل شده است. در مرحله اول فشار و جریان هوا در هر گره مشخص می شود. در مرحله دوم دما و رطوبت هر گره مشخص شده و نهایتاً در مرحله آخر بار نهان و محسوس در هر فضا به دست آمده و براي تعیین بار سیستم HVACدرمعادلات بالانس حرارتی فضا وارد میشود. جزئیات کامل مربوط به محاسبات مرحله اول و دوم، نحوه محاسبه بارهاي محسوس ونهان ، شرایط همگرایی ، معادلات تکرار، دماي فضا و تمامی معادلات مورد نیاز در روشAir Flow Networkدر مرجع مهندسی نرم افزار Energy Plusموجود است. به عنوان مثال چند نمونه از معادلات استفاده شده در ادامه آورده شده است. معادله شماره 1 که جریان جرمی را به اختلاف فشار مربوط میکند معادله توانی نامیده میشود[12].

براي محاسبه اختلاف فشار از معادله شماره 2 که همان معادله برنولی است استفاده میشود. علاوه بر دو معادله شماره 1و 2 از معادله بقاي جرم نیز استفاده می شود.

معادلات شماره 1تا 3به یکدیگر کوپل شده و به روش عددي مقادیر جریان جرمی به دست میآید. با توجه به معلوم بودن جریان جرمی هوا دماي هر گره از رابطه زیر به دست میآید.

مدل سازی هندسی

نماي کلی سوله در نظر گرفته شده در شکل شماره 4نشان شده که ابعاد این سوله 270*19متر است.

براي محاسبه دقیق تر میزان مصرف انرژي در این مسئله، فضاي داخلی این سوله به پنج فضاي جداگانه با دیوارهاي مجازي تقسیم شده است. چهار فضا با نماهاي شمالی، جنوبی، شرقی و غربی در ارتباط بوده و فضاي پنجم فضاي مرکزي میباشد. ارتفاع این سوله از کف تا سقف 2/6متر بدون سطح شیروانی در نظر گرفته شده است. نسبت سطح پنجره خور به دیواري که این پنجره ها در آن قرار دارد 43/0است. براي محاسبه بار برودتی در تابستان دماي ترموستات فضاي داخل سوله 24درجه و براي محاسبه بار حرارتی در زمستان دماي ترموستات فضاي داخل سوله 21درجه در نظر گرفته شده است. در جدول 1خواص ترموفیزکی دیوار، سقف و کف مرتبط با این مسئله آورده شده است. (کلیدواژه: سوله با نمای دو پوسته)

سه نوع پنجره با شیشه شفاف معمولی، شیشه انعکاسی و دو جداره براي این آنالیز در نظر گرفته شده است. خواص اپتیکی این شیشه ها در جدول 2آورده میشود. براي شبیه سازي سوله مذکور در شهر تهران از داده هاي آب و هوایی با فرمت TMY2استفاده شدهاست [13].

شبیه سازی

ابتدا میزان مصرف انرژي براي سوله بدون در نظر گرفتن نماي دو پوسته و با شیشه شفاف معمولی محاسبه میشود. این حالت اولیه تحت عنوان Base caseنامیده میشود. سپس در جهت جنوبی سوله انواع نماي دو پوسته ، شبیهسازي شده و سرانجام انواع حالتها در چهار جهت شرقی، جنوبی، غربی و شمالی شبیه سازي میشود تا اثر جایگزین نمودن نماي دوپوسته مورد ارزیابی قرار گیرد. (کلیدواژه: سوله با نمای دو پوسته)

نتایج

نتایج بار سرمایشی: سوله اولیه بدون استفاده از نماي دو پوسته در سه حالت شیشه شفاف ساده، شیشه رفلکس و دو جداره ساده شبیه سازي شده است سپس براي نماي دو پوسته بنا به اینکه از پوسته داخلی یا خارجی از شیشه تک جداره یا دو جداره استفاده شده چهار حالت در نظر گرفته شده است که در شبیهسازي مورد استفاده قرار گرفته است این چهار حالت به صورت زیر تعریف می شوند.

s-s -1به معنی تک جداره داخل-تک جداره خارج
s-d -2به معنی تک جداره داخل-دو جداره خارج
d-s -3به معنی دو جداره داخل-تک جداره خارج
d-d -4به معني دو جداره داخل و خارج

درضمن هر کدام از این چهار حالت با دو شیشه شفاف و رفلکس شبیه سازي شدهاند .با توجه به این توضیحات در جهت جنوبی بار سرمایشی براي 8حالت نماي دوپوسته و 3حالت نماي شیشه اي ساده در شکل شماره 6نشان داده شده است. (کلیدواژه: سوله با نمای دو پوسته)

در شکل شماره 7میزان کاهش بار برودتی سوله در فصل گرم در چهار جهت با جایگزین نمودن نماي دوپوسته با شیشه شفاف در مقایسه با حالت مبنا که شیشه شفاف معمولی است نشان داده شده است.

در شکل شماره 8میزان کاهش بار برودتی سوله در فصل گرم در چهار جهت با جایگزین نمودن نماي دوپوسته با شیشه رفلکس در مقایسه با حالت مبنا که شیشه شفاف معمولی است نشان داده شده است.

همانطور که از نمودار هاي فوق نشان داده شده است جهت هاي جنوبی و شرقی بنا به حالتهاي مختلف بیشترین مقدار کاهش بار سرمایشی را دارند که براي شیشه ساده از 6.5تا 8.5درصد و براي شیشه رفلکت از 8.5تا 13درصد است.

نتایج بار گرمایشی: در شکل شماره 9مقدار بار گرمایشی سوله در چهار جهت اصلی ودر پنج حالت مختلف از نما نشان داده شده است.

همانطور که در شکل 9مشخص است کمترین بار گرمایشی مربوط به جهت جنوبی است. با توجه به اینکه جهت جنوبی بیشتر از سایر جهات در معرض تشعشع خورشید قرار دارد کمتر شدن بار گرمایشی در این جهت از لحاظ فیزیکی درست است. در شکل شماره 10درصد کاهش بار گرمایشی در جهات مختلف و در چهار حالت مختلف از نماي دوپوسته نشان داده شده است.

در شکل شماره 10مشهود است که با جایگزین نمودن نماي دو پوسته در جهت جنوبی بار گرمایشی ساختمان به کمترین مقدار ممکن خواهد رسید.

نتیجه گیری (کلیدواژه: سوله با نمای دو پوسته)

در این مقاله امکان بکارگیري نماي دوپوسته به جاي نماي معمولی در سولهها در شهر تهران مورد بررسی قرار گرفته و نتایج شبیه سازي نشان میدهد که استفاده از نماهاي دوپوسته به جاي نماهاي معمولی میتواند تأثیر زیادي در کاهش مصرف سالیانه انرژي داشته باشد. نتایج شبیه سازي نشان میدهد که مصرف انرژي در حالتی که از نماي دو پوسته در جهت جنوبی استفاده شده است کمترین مقدار است.

در سوله ساز عضو شوید و درخواست برآورد اولیه قیمت ساخت سوله ثبت کنید

نویسندگان: مهدي معرفت، عزیز عظیمی، سید هاشم موسوي واسطی، محمد آرمین صابونی

منابع (کلیدواژه: سوله با نمای دو پوسته)

1- تقوي،ندا و منتظرمعتمدي، سمیه .بکارگیري نماي دو پوسته و سیستم HAVCدر ساختمان بلند مرتبه، پنجمین همایش بهینه سازي مصرف سوخت در ساختمان، تهران،اردیبهشت 1385

2- Arons, D.M,2000,” Properties and Application of Double Skin Building, M.S. thesis Massachusetts institute of technology”,
3- Chiu, Y., Shao, L.A.,2001, “parametric study of solar double skin facade on energy saving effect”, Clima 2000 – Napoli, Italy Kreith.
4- Zöllner, A., Winter, E.R.F., Viskanta, R.,2002, “Experimental studies of combined heat transfer in turbulent mixed convection fluid flows in double-skin-façades”, Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 45, pp. 4401–4408.
5- Gratia, E., Herde, A., 2004,” Optimal operation of a south double-skin facade”, Energy and Buildings Vol. 36, pp. 41–60
6- Pasquay, T.,2004,” Natural ventilation in highrise buildings with double facades saving or waste of energy”, Energy and Buildings, Vol 36, pp. 381–389..
7- cavity depth on smoke spreading of double-skinChow, W.K., Hung W.Y.,2006,” Effect of fac-ade”, Building and Environment, Vol. 41 pp. 970–979. ,,
8-ventilated double skin fac¸ade A zonal Jiru, T.E., Haghighat, F., 2008, “Modeling approach”, Energy and Buildings, Vol. 40 pp.1567–1576.,
9- Z.,2009,”Investigation on energy performanceChan, A.L.S., Chow, T.T., Fong, K.F., Lin of double skin fac¸ade in Hong Kong”, Energy and Buildings, Vol.41, pp.1135–1142.,
10-book for a better understanding of conceptual Belgian Building Research Institute, Source and operational aspects of active facad http://www.bbri.be/activefacades/index2.html.es.
11-University, Lund Institute of Technology, Poirazis, H. Double Skin Facades. 2006, Lund Sweden, www.ebd.lth.se.
12- IVHC 2011- 1186EnergyPlus Software. Engineering Reference, documentation data,
13-Ebrahimpour, A., Maerefat, M., 2010, “A method f generation of typical meteorological year”, Energy or Conversion and Management, Vol.51, pp.410–417.