بررسی تاثیر خصوصیات فیزیکی پوسته های ساختمان ها بر زمان تاخیر و ضریب کاهش انتقال حرارت(نمونه ی موردی: ساختمان های بلند مرتبه ی شهر همدان)

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره نوزدهم،ویژه نامه شماره4، بهار1396

بررسی تاثیرخصوصیات فیزیکی پوسته های ساختمان ها بر زمان تاخیر و ضریب کاهش انتقال حرارت(نمونه ی موردی: ساختمان های بلند مرتبه ی شهر همدان)

مهدی شریفی[1]*

mahdisharifi76@yahoo.com

وحید قبادیان[2]

چکیده

زمینه و هدف: راهکارهای صرفه جویی و بهینه سازی مصرف انرژی به منظور کاهش آلودگی زیستی و بهبود شرایط محیطی، از ضروریات بخش ساختمان می باشد. یکی از بخش های ساختمان که اثر زیادی در مصرف انرژی دارد، پوسته ها هستند. به همین علت بررسی رفتار پوسته ها از اهمیت بالایی برخوردار است. هم چنین جریان حرارت از میان پوسته ها عامل اصلی تغییرات دمای هوای داخل است و به طور مستقیم بر بار گرمایشی و سرمایشی و آسایش حرارتی فضای داخلی موثر می باشد. هدف از انجام این تحقیق بررسی رفتار حرارتی پوسته ها در ساختمان ها و دست یابی به جداره های شفاف با عملکرد مناسب تر در ساختمان های شهر همدان است.

روش بررسی: این مقاله با روش تجربی انجام گرفت و با استفاده از ابزار اندازه گیر محیطی، دمای داخلی و دمای نزدیک پوسته در دو سمت داخلی و خارجی ساختمان های بلند مرتبه با نمای شیشه ای در شهرهمدان، ثبت گردید. 2 پارامتر زمان تاخیر و ضریب کاهش جریان حرارتی با توجه به داده های به دست آمده تحلیل شد. سپس با روش قیاس عددی و استدلال منطقی رفتار پوسته ها مورد بررسی قرار گرفت.

یافته‌ها: این مقاله نشان داد با توجه به مطلوب بودن زمان تاخیر طولانی تر و ضریب کاهش کمتر در شهر همدان، باتوجه به محاسبه ی میزان زمان تاخیر، شیشه های دو لایه نسبت به شیشه های تک لایه سکوریت به اندازه 50 درصد عملکرد بهتر، هم چنین شیشه های با ضخامت بیشتر و با فاصله میانی بیشتر بین دو جداره در شیشه های دو لایه، نسبت به انواع دیگر شیشه های دو لایه به اندازه 16 درصد عملکرد مناسب تری را در ارتباط با عامل زمان تاخیر جریان حرارت دارا می باشد.

بحث و نتیجه‌گیری: نتایج این تحقیق در جهت فهم بهتر رفتار حرارتی پوسته ها و نیز به منظور طراحی مناسب در شرایط اقلیمی شهر همدان می تواند مفید باشد.

واژه­های کلیدی: زمان تاخیر، ضریب کاهش، خصوصیات پوسته ها، انتقال حرارت.

Effects of the physical properties of building envelopes on heat transfer timelag and decrement factor (Case study: high-rise buildings in Hamadan)

Mahdi Sharifi[3]*

mahdisharifi76@yahoo.com

Vahid Ghobadian[4]

Abstract

Background and Objective: Strategies for energy saving and optimization of its consumption to reduce environmental pollution and to improve environmental conditions have been the main requirements for building construction. Envelopes are those parts of buildings that have a considerable impact on energy consumption. That is why the study of envelopes behavior is especially important. In addition, heat transfer between the envelopes is the main factor of changes in the internal temperature and affects directly the heating and cooling load and thermal comfort of the interior space. This paper aims to study the thermal behavior of the envelopes in buildings and to achieve transparent envelopes with appropriate function in the buildings of Hamedan.

Method: This study has been conducted using an experimental method. The internal temperature and the temperature near the envelope on both inner and outer sides of high-rise buildings with glazed facades in Hamadan have been registered using the environmental measurement tool. According to the obtained data, two parameters of heat transfer time lag and decrement factor have been analyzed. Then, the behavior of the envelopes has been studied by a numerical analogy and logical reasoning.

Findings: According to the calculation of the time lag, this study shows that in Hamadan, double glazing has a better performance (50%) than single tempered glazing due to the desirability of longer time lag and less decrement factor. In addition, in terms of heat transfer time lag, glasses with higher thickness and more distance between two layers of double glazing have better performance (16%) than other types of double glazing.

Conclusion: The results of this study can be useful to better understand the thermal behavior of the envelopes, as well as to better designing based on the climatic conditions of Hamadan.

Keywords: Time lag, Decrement factor, Properties of envelopes, Heat transfer.

مقدمه

تامین شرایط آسایشی با استفاده از مصرف انرژی فسیلی باعث بر هم خوردن تعادل اکولوژی می شود و آلودگی محیطی زندگی بشر را به خطر انداخته است. به منظور کاهش اثرات منفی این موضوع، استفاده از منابع تجدید پذیر باید بیشتر گردد. انرژی خورشیدی یک منبع انرژی پاک و تجدید پذیر است که آلودگی ایجاد نمی کند و ساختمان ها بوسیله ی سیستم های فعال و غیرفعال، مدیریت انرژی می گردند. سیستم های فعال به منتقل حرارت، ذخیره و کنترل آن به منظور اصلاح و ذخیره انرژی خورشیدی نیاز دارند. عناصر ساختمانی در سیستم های غیرفعال، حرارت را انتقال و ذخیره می کنند. عناصرساختمانی جرمی مانند دیوارها و کف ها به عنوان ذخایر حرارتی کار می کنند و ذخیره انرژی خورشیدی در دوره ی تابستانی انجام شده و این عناصرساختمانی حرارت را در زمانی که مورد نیاز است مصرف می کنند. تغییرات دمای روزانه در عناصر دیوار غیر نورگذر داخل به تفاوت دمای محیط و فضای داخل بستگی دارد. جذب تشعشع خورشیدی از دیوار غیر نور گذر خارجی جهت رشد تدریجی در توزیع دما در دیوار تا رسیدن به یک حالت تعادل ادامه می یابد. این فرآیند فیزیک حرارتی مصالح در فضای داخلی دیوار خوانده می شود و به نظر می رسد این دوره ی انتقال پروفیل دما بر روی مقاطع عبور از دیوار حرکت سینوسی داشته باشد. این بستگی به ماهیت فیزیک حرارتی مصالح دارد.(1) از طرفی ذخیره انرژی غیر فعال طی روز می تواند در شب استفاده گردد. به علاوه از کاهش دمای داخلی در زمانی که سیستم حرارتی خاموش است ممانعت می کند. در اقلیم های گرم و خشک و سرد خصوصا در طراحی دیوار ها در زمان تفاوت دما های بیرونی و داخلی این موضوع اثر کمتری دارد. جریان حرارتی پوسته ی ساختمان در رژیم انتقال، تحت اثر آفتاب اتفاق می افتد و روش های عددی و تحلیلی مختلفی برای حل این معادله ارایه گردیده است و این فرم از انتقال را نشان می دهد (1).

بنابر آمار مرکز آمار ایران در سال ۱۳۹۱، جمعیت 15- 34 ساله ۴۳ درصد کل جمعیت ایران را تشکیل می دهد . این واقعیت یعنی جمعیت جوان کشور در کنار میزان رو به رشد مهاجرت به شهرهای بزرگ، دلیلی بر روند رو به رشد تقاضا برای خانه های جدید و ساختمان های خدماتی و عمومی به ویژه در این شهرها است. از سوی دیگر مصرف انرژی در بخش ساختمان در ایران، 58/2 برابر متوسط مصرف جهانی می باشد (2).

هم چنین امروزه کمبود زمین در شهرها از جمله مسایلی است که سیاست شهرسازی را در مقیاس کلان به سمت بلند مرتبه سازی سوق داده است. همدان نیز از جمله شهرهای ایران است که به علت رشد فزاینده ی جمعیت و مهاجرت از استان های همجوار، دارای حجم گسترده ای از ساخت وساز می باشد. بلند مرتبه سازی به عنوان روشی جهت پاسخ گویی به این نیاز روز افزون ارایه گردیده است. طبق آمار منتشره توسط سازمان توانیر، ساختمان ها حدود ۴۰ درصد از کل انرژی مصرفی کشور را به خود اختصاص داده است (3).

این آمار و ارقام نشان دهنده لزوم صرفه جویی در مصرف سوخت در ایران و وجود پتانسیل بالا در بخش ساختمان های عمومی در راه نیل به هدف یاد شده است. در معماری بومی مناطق سرد که همدان نیز جز این مناطق است، دیوارهای قطور با جرم حرارتی زیاد می توانست تعدیل کننده ی شرایط آسایشی باشد اما با گسترش بلند مرتبه سازی و نما های شیشه ای، اتلاف حرارت از پوسته ها افزایش یافته است. پوسته ساختمان به عنوان واسطه اصلی بین فضای داخل و خارج، نقش قابل توجهی در تعدیل شرایط آب و هوایی و تامین آسایش ساکنین و در نتیجه کاهش بارهای سرمایشی و گرمایشی دارد و طراحی و اجرای پوسته های ساختمانی که بتوانند با رفتار حرارتی مناسب بالاترین میزان آسایش حرارتی را در فضای داخل بدون کمک تجهیزات مکانیکی تامین کنند، می توانند تا حدود زیادی سبب صرفه جویی در مصرف انرژی گردید (3).

در این پژوهش رفتار حرارتی پوسته های 4 ساختمان بلند مرتبه اداری- خدماتی با نمای شیشه ای و در شرایط واقعی بررسی شده است. هدف پژوهش ارزیابی کیفیت پوسته ها در ارتباط با دو عامل زمان تاخیر و ضریب کاهش جریان حرارت می باشد. به این منظور داده های محیطی اندازه گیری شده توسط ابزار سنجش محیطی با یک دیگر قیاس شده اند.

سوابق تحقیق

بیشتر پژوهش های پیشین در ارتباط با دو عامل ضریب کاهش و زمان تاخیر پوسته های ساختمانی، بر روی تعیین و کشف خصوصیات فیزیکی حرارتی مصالح و تاثیر مستقیم آن ها بر دو عامل مذکور متمرکز بوده اند و اکثر این مطالعات خصوصیات مصالح غیر شفاف را بررسی کرده اند. به طور مثال آسان و اسنکاتر[5] خصوصیات فیزیک حرارتی را پیدا کردند که روی ضریب کاهش و زمان تاخیر موثر هستند. آن ها زمان تاخیر و ضریب کاهش را برای مصالح ساختمانی غیر شفاف محاسبه کردند. آسان این موضوع را کشف نمود که ضخامت و نوع مصالح اثرات عمیقی روی ضریب کاهش و زمان تاخیر دارد (4).

زینگ جین[6] زمان تاخیر و ضریب کاهش جریان حرارت را در چندین مصالح رایج جهت استفاده در دیوارهای غیر نور گذر بررسی و محاسبه کرد و جداول محاسباتی آن را با توجه به ضریب انتقال حرارت، گرمای ویژه و ظرفیت حرارتی ترسیم نمود. هم چنین روی این مساله بحث کرد که با کاهش ضریب هدایت حرارتی، زمان تاخیر افزایش می یابد و زمانی که ضریب هدایت حرارتی کاهش یابد ضریب کاهش نیز کاهش می یابد. در ادامه روی این موضوع تحلیل و محاسبه کرد که با افزایش ظرفیت گرمایی، زمان تاخیر نیز افزایش می یابد ولی ضریب کاهش، کاهش می یابد (5).

در پژوهشی دیگر بالاجی[7] پوسته های مختلفی را که از مصالح صلب و غیر نور گذر ساخته شده و از ترکیب مصالحی مثل دیوار آجری، بتن سبک و بتن سنگین به همراه عایق حرارتی به دست آمده، بررسی کرده و زمان تاخیر و ضریب کاهش جریان حرارت را در آن ها محاسبه کرد (6).

پژوهش های دیگر همان اثرات را روی زمان تاخیر و ضریب کاهش به صورت آزمایشگاهی و تئوری پیدا کرده اند (1). هم چنین عوامل موثر دیگری که تغییرات مشخص را بر روی دو عامل مذکور ایجاد می کنند مورد بررسی قرار گرفته اند. کونتولون و بیکاس[8] اثرات ضریب جذب بیرونی و اختلاف دما را به وسیله یک مدل شبکه ی دمایی دینامیک مطالعه کردند (7). کونتولون و ایومورفوپولو[9] اثر جهت گیری دیوار و ضریب جذب خارجی را روی زمان تاخیر و ضریب کاهش بررسی کردند (8).

در مطالعه ای دیگر توسط چون سون[10]، رابطه ی بین زمان تاخیر و ضریب کاهش به دو روش عددی و آزمایشگاهی بررسی گردید. در این بررسی 12 اتاقک نمونه با دوازده نوع پوسته ی صلب مختلف ساخته، در تونل باد کنترل شده آزمایش و نتایج آزمایشگاهی و تئوری با یک دیگر مقایسه و آنالیز شد (9).

 بر اساس نتایج بررسی پژوهش های پیشین، این پژوهش با هدف بررسی تاثیر خصوصیات پوسته های نورگذر و شفاف ساختمان در شرایط واقعی و با روش سنجش محیطی انجام شده است. اهمیت دیگر این پژوهش بررسی عملکرد حرارتی پوسته های ساختمانی در شرایط اقلیمی شهر همدان است.

تعاریف

ضریب کاهش و زمان تاخیر در پوسته ها

مدت زمانی که طول می کشد تا حرارت از یک سمت جرم حرارتی به سمت دیگر آن برسد، اصطلاحا زمان تاخیر نامیده می شود. بنابراین هر چه ضخامت و مقاومت در برابر انتقال حرارت یک جسم بیشتر باشد، آن جسم دارای زمان تاخیر بیشتری خواهد بود و مقدار کاهش حداکثر دمای سطح داخلی نسبت به حداکثر دمای خارجی ضریب کاهش نامیده می شود (10).

زمان تاخیر و ضریب کاهش دو پارامتر ارزیابی دیوارها هستند (5). زمان تاخیر بیشتر و ضریب کاهش کمتر در دمای سطحی داخلی و خارجی موثر هستند. زمان تاخیر و ضریب کاهش از خصوصیات با اهمیت رفتار حرارتی هستند که در قابلیت ذخیره ی گرمایی مصالح موثرند. آن ها را می توان به وسیله خصوصیات فیزیک حرارتی مصالح به دست آورد.

فرمول زمان تاخیر:

F = t _{[Tin (max)]} - t _{[Tout (max)]}                                                         

زمانی هستند که دمای سطحی خارجی و داخلی ماکزیمم باشند. t _[Tin(max)], t_[Tout(max)]

فرمول ضریب کاهش:               زمانی T_{in (max)}و T_{in (min)}است که دماهای سطحی داخلی مینیمم و ماکزیمم باشد و زمانی  T_{out (max)}و T_{out (min)}است که دماهای سطح بیرونی مینیمم و ماکزیمم باشند.

شکل 1- زمان تاخیر و ضریب کاهش در رابطه با دماهای خارجی و داخلی

Figure 1– The schematic representation of time lag and decrement factor in relation to the internal and external temperatures

به نظر می رسد انتقال حرارت در دیوارها تک بعدی باشد و مقاطع دیوار مرکب از چند لایه با ضخامت ها و ضرایب حرارتی متفاوت هستند معادله اصلی انتقال حرارت ازطریق رسانایی به شکل زیر است:

شکل 2- انتقال حرارت از دیوار

Figure 2-The schematic representation of heat transfer through the wall

که در آن k ضریب هدایت حرارتی، rچگالی،  cpظرفیت گرمایی ویژه،¶T اختلاف دما و ¶t اختلاف زمان در جهت جریان حرارت می باشد.

ضریب جذب بیرونی:               

هنگامی که اشعه ای بر روی سطح نور گذری تابیده می شود، بخش های معینی از کل اشعه ی تابیده شده جذب، منعکس و منتقل می شود. در سطوح نور گذر، مجموع ضریب جذب، ضریب انعکاس و ضریب انتقال در اجسام نورگذر همیشه برابر یک است که توسط رابطه ی زیر بیان می گردد.

a+r+t=1که در آن a ضریب جذب، r ضریب انعکاس وtضریب عبور می باشد.

فرضیه ها

خصوصیات پوسته ها از جمله ضخامت، جنس، تعداد لایه ها، فواصل و...در زمان تاخیر و ضریب کاهش موثر هستند.

پوسته هایی که زمان تاخیر بیشتر و ضریب کاهش کمتری دارند. دارای رفتار حرارتی بهتری هستند.

پوسته های شفافی که دارای شیشه های ضخیم تر، تعداد و فواصل بیشتر هستند، زمان تاخیر بیشتری دارند.

پوسته های شفافی که دارای شیشه های ضخیم تر، تعداد و فواصل بیشتر هستند، ضریب کاهش کمتری دارند.

مواد و روش ها

در این پژوهش در ابتدا 4 ساختمان نمونه ی بلند مرتبه در شهر همدان که دارای نماهای شیشه ای و شفاف هستند جهت آزمودن فرضیه ها انتخاب و سپس به روش تجربی و با سنجش های محیطی رفتار پوسته های آن ها ارزیابی شد. با جمع آوری داده های دمایی این ساختمان ها نمودارهای زمان-دمای آنها ترسیم می گردید. سپس به روش استدلال قیاسی و تحلیلی این نمودار ها مشخص شد که کدام یک از پوسته ها دارای رفتار بهتری از لحاظ دو پارامتر زمان تاخیر و ضریب کاهش هستند.

این پوسته های شفاف دارای مشخصات و ویژگی های متفاوتی از جمله ضخامت، نوع، رنگ، دوجداره، تک جداره بودن، فواصل بین شیشه ها و...هستند. در دوره ی زمانی اوج دمای زمستانی با نصب دستگاه های دیتا لاگر[11] دمایی در فضای داخلی، روی پوسته ها از داخل[12]، خارج [13]و فضای خارجی سعی شد دمای لحظه ای این ساختمان ها برداشت گردد. این ساختمان ها عموما دارای ارتفاع یکسان بین 12تا 13 طبقه بوده و در شرایطی یکسان از لحاظ ارتفاعی،سمت و سو و... نصب گردیده اند. در این موضوع سعی شده تا حد امکان از دریافت تابش آفتاب جلو گیری گردد. چون دریافت تابش آفتاب باعث مخدوش شدن اطلاعات می گردد. نمودارهای زیر اطلاعات کسب شده از شرایط دمای این ساختمان ها را نشان می دهد.

نمودار 1- دمای لحظه ای در سطوح مختلف ساختمان آرین

Chart 1- Momentary temperature at different surfaces of JahanNama building

نمودار 2- دمای لحظه ای در سطوح مختلف ساختمان سعیدیه

Chart 2- Momentary temperature at different surfaces of Arian building

نمودار3- دمای لحظه ای در سطوح مختلف ساختمان شهباز

Chart 3- Momentary temperature at different surfaces of Shahbaz building

نمودار 4- دمای لحظه ای در سطوح مختلف ساختمان جهان نما

Figure 4- Momentary temperature at different surfaces of Sa'idiyeh building

یافته ها

همان طور که قبلا بحث گردید از میان پارامترهای اصلی در مورد عمل کرد پوسته ها در انتقال حرارت، دو پارامتر اصلی زمان تاخیر و ضریب کاهش هستند. با ترسیم پروفیل دمای پوسته های ساختمان های مورد نظر در مورد رفتار حرارتی این پوسته ها اختلافاتی مشاهده گردید که می توان به شرح زیر در مورد آن ها اظهار نظر کرد. در مورد ساختمان A (آرین) زمانی که دمای هوای خارجی در ابتدای روز در حدود2- درجه است دمای روی پوسته از بیرون(B.C outdoor) در حدود 55/8+ درجه و دمای روی پوسته از داخل(B.C indoor) در حدود 55/10+ درجه و دمای داخلی 1/15 درجه می باشد. با افزایش دمای خارجی در طول روز تا مرز8 + درجه و دمای داخلی تا حد 7/29+ درجه سانتی گراد مشاهده می گردد که اختلاف دمای دو طرف پوسته مقدار کمی در حدود 2+ می باشد. پس این پوسته با توجه به شرایط ذکر شده دارای عملکرد مناسبی در بحث انتقال حرارت نیست.

ساختمان B(سعیدیه) در شروع برداشت اطلاعات دارای دمای در حدود 2- درجه در بیرون است. دمای پوسته از داخل 8+ درجه و از بیرون 12+ درجه و دمای داخلی در حدود 15.4+ درجه می باشد. با افزایش دما در داخل تا مرز 4/19+ درجه سانتی گراد در طول زمان کوتاهی، دمای سطح پوسته در داخل و خارج به یک نسبت افزایش یافته (5/17و75/15 درجه) و به اختلاف کمی می رسند. که علت این امر آن است که این پوسته اصلا رفتار حرارتی مناسبی نداشته و حرارت به سرعت از آن عبور کرده و دمای دو طرف پوسته به تعادل رسیده است.

درساختمان C(شهباز) در ابتدای صبح که دما تا 2+ درجه نیز افت کرده است، دمای داخلی در حدود 30+ درجه است. دما روی پوسته از خارج در حدود 9+ درجه و دمای پوسته از داخل در حدود 21+ درجه می باشد. با افزایش دما در طول روز تا مرز 10+ درجه در خارج و دمای داخلی تا حدود 28+ درجه باز
مشاهده می گردد که دمای پوسته در خارج در مرز 10+ و دمای داخلی پوسته در حدود 5/19+ درجه است.این اختلاف زیاد ما بین دمای دو طرف پوسته از عملکرد مناسب آن حکایت دارد.

درساختمان D (جهان نما) در زمان ابتدای برداشت (صبح)، دما در فضای خارجی در حدود 6+ درجه و دمای داخلی در حدود 18+ درجه است. دمای روی پوسته از خارج در حدود 11+ درجه و دمای پوسته از داخل در حدود 16+ درجه می باشد که نشان از اختلاف بالای دما در دو طرف پوسته دارد. با گذشت زمان و افزایش دما در طول روز تا مرز 24+ درجه در داخل و تا مرز 12+ درجه در خارج، دمای روی پوسته از خارج در حدود 5/17+ درجه و دمای پوسته از داخل در حدود 5/23+ درجه است که این اختلاف در داخل و خارج نشان از عمل کرد مناسب در طول زمان برداشت دارد.

نمودار های زیر به صورت سه بعدی وضعیت دمایی بخش های مختلف پوسته را در یک دوره ی زمانی 24 ساعته نمایش می دهد که در سطور بالا عمل کرد هر پوسته با توجه به شرایط دمایی آن ها توضیح داده شد.

نمودار5- نمودار سه بعدی دمای لحظه ای سطوح مختلف در یک روز، ساختمان جهان نما

Chart 5- Three-dimensional diagram of momentary temperature of different surfaces in a day, JahanNomabuilding

نمودار 6- نمودار سه بعدی دمای لحظه ای سطوح مختلف در یک روز، ساختمان آرین

Chart 6- Three-dimensional diagram of momentary temperature of different surfaces in a day, Arian building

نمودار7- نمودار سه بعدی دمای لحظه ای سطوح مختلف در یک روز، ساختمان سعیدیه

Figure 7- Three-dimensional diagram of momentary temperature of different surfaces in a day, Sa'idiyeh building

نمودار8- نمودار سه بعدی دمای لحظه ای سطوح مختلف در یک روز، ساختمان شهباز

Figure 8- Three-dimensional diagram of momentary temperature of different surfaces in a day, Shahbaz building

در ادامه با روشن شدن وضعیت دمای داخل و خارج و عمل کرد حرارتی پوسته ها به محاسبه ی مقادیر زمان تاخیر و ضریب کاهش طبق فرمول های ذکرشده پرداخته می شود. شایان ذکر است به ذلیل آن که برداشت ها در فصل زمستان بوده و در حالت اتلاف حرارت قرار داشتیم فاصله ی میان نقاط مینیمم به عنوان مقدار زمان تاخیر و ضریب کاهش در محاسبات لحاظ گردیده است. جدول زیر مشخصات پوسته های مورد ارزیابی شده از جمله ضریب انتقال حرارت، چگالی، گرمای ویژه، مقاومت حرارتی و ضریب انتقال حرارت سطحی را ارایه کرده و در انتهای جدول مقادیر زمان تاخیر و ضریب کاهش محاسبه و درج گردیده است.

جدول1- مشخصات پوسته ها و محاسبه ی زمان تاخیر و ضریب کاهش

Table 1- properties of the envelopes and calculation of time lag and decrement factor

بحث و نتیجه گیری