بادگیر تبخیری غیر مستقیم برای اقلیم گرم و مرطوب

نوشته: B.Givoni و همکاران

مترجم: مهندس مزدک صدری افشار

 

اشاره: استاد Givoni ، استاد بخش معماری دانشگاه UCLA  کالیفرنیاست که در زمینه ی بادگیرها به ویژه بادگیرهای تبخیری مدت هاست  تحقیقات وسیعی انجام می‌دهد و از او تا به حال چندین مقاله منتشر شده  است. مقاله‌ی حاضر راجع به بادگیر با سیستم تبخیری غیر مستقیم است  که به همراه S.Yajima که در موسسه تحقیقات فنی شرکت Fujita ژاپن  کار می‌کند و S.Nutlaya که در آن زمان دانشجوی دکترا بوده، منتشر  کرده اند. 

 

سیستم سرمایش با دوش آب 

وقتی که قطره های ریز آب که دارای سطح بزرگ هستند مانند دوش آب به  صورت عمودی رو به پایین از بالای یک تنوره (شفت) افشانده می‌شوند، این آب ریزان حجم زیادی از هوا را وارد شفت می‌کنند؛ آب در حوض کوچکی در زیر تنوره یا شفت جمع آوری شده و دوباره به سردوش پمپ می‌شود.

اندازه حرکت یا ممنتم آب ریزان به جریانی از هوا منتقل شده و موجب ایجاد  گذر هوای ناشی از اینرسی هوا در داخل شفت می‌گردد. تبخیر از قطرهای ریز  موجب خنک شدن آب و نیز هوا در درون شفت می‌گردد. به طوری که بر اساس آزمایش‌های نشان داده شده، می‌تواند به عنوان سیستم سرمایش ساختمان به‌کار رود.

این سیستم شامل یک تنوره (شفت) باز با دوش‌هایی در بالا و یک حوض  جمع آوری در پایین است. آبی که توسط یک پمپ گردش داده می‌شود، دمایی  تقریبا نزدیک به دمای حباب تر (Wbt) را دارد. با جای گیری یک مکانیزم بادگیر ( گیرنده ی باد ) در بالای سردوش، می‌توان به جریان ناشی از اینرسی هوا بر اثر  باد اضافه کرد.

از آنجا که در جریان هوای آزاد از هر نوع آبی می‌تواند تبخیر صورت گیرد، از  آب خاکستری یا آب دریا نیز می‌توان برای این سیستم استفاده کرد. در حقیقت  تفاوتی نمی‌کند که آب چه باشد؛ در هر حالت عملکرد سرمایش یکی است.

عملکرد سیستم به صورت سرمایش تبخیری مستقیم در UCLA لس آنجلس  و ریاض عربستان سعودی به وسیله ی دکتر ناصر الحمیدی در سال ۱۹۹۴ به عنوان  قسمتی از پایان نامه ی دکترایش و بعداً در UCLA، توسط نویسنده سنجیده شده  است. این مقاله عملکرد سیستم را در حالت سرمایش تبخیری مستقیم برای اقلیم های  مختلف و حالت سرمایش تبخیری غیر مستقیم در UCLA را با ترکیب بندی و  آرایش‌های گوناگون برای آزمون خلاصه کرده است.

افت دمای هوای خروجی 

مقایسه سرمایش با آب شیرین و آب دریا 

آزمایش اثرات نوع آب ( شیرین یا آب دریا ) روی افت دمای هوای خروجی از  شفت توسط دانشجوی قبلی نویسنده ناصر الحمیدی در UCLA انجام شده  است. این آزمون توسط دوش‌هایی به ارتفاع ۲ متر و جریان گذر آب   I/min14.4  انجام شده است. افت دمای هوای خروجی به نسبت فرو افت دمای  حباب تر بوده است. مطابق شکل (۱) به طور عملی افت دما با آب دریا مشابه با آب شیرین بود شیب متوسط ) افت دمای نسبی ) دو خط رگراسیون حدود 0.72 است.

حالت سرمایش تبخیری مستقیم مربوط به بادگیر دارای دوش در یک  مطالعه ی گسترده در پردیس دانشگاه شاه فهد در ریاض عربستان توسط دکتر  ناصر الحمیدی (۱۹۹۵) به عنوان قسمتی از پایان نامه ی دکترایش مورد تحقیق  و آزمایش قرار گرفته بود. دانشگاه برای تحقیق او یک ساختمان طویل با پنج  اتاق کامل هر یک به ابعاد 3*3.6*3.6 متر با دیوارهای سنگین و عایق کاری شده  فراهم کرد؛ اتاق آخری را او به عنوان دفتر برگزید و اتاق آخری دیگر را به عنوان  اتاق کنترل.

در باقی اتاق‌ها عملکرد سه سیستم مختلف سرمایش خود بخودی از جمله  بادگیر با دوش که توسط Givoni تدارک دیده شده بود، مورد ارزیابی قرار  گرفت. کار پایش ( monitoring ) در تابستان ۱۹۹۴ انجام گردید. در این  مقاله تنها عملکرد سیستم سرمایش با دوش مورد بحث قرار گرفته است.

این حقیقت که سیستم دوش با آب دریا دارای عملکرد مشابه آب تازه است  باعث می شود که بتوان از این سیستم در مناطق ساحلی اما کویری که کمبود آب  تازه ولی آب دریای نامحدود در اختیار دارند، استفاده نمود. از این سیستم در  مکان‌هایی می‌توان استفاده کرد که سایر سیستم‌های سرمایش تبخیری که نیاز  به آب با کیفیت بالا دارند را نتوان استفاده کرد.

آزمایش افت دمای خروجی در ژاپن 

رابطه ی بین فرو افت دمای حباب تر و افت دمای هوای خروجی در یوکوهامای  ژاپن نیز توسط ساتوش یا جیما در شرکت Fujita مورد آزمایش قرار گرفت. در  این آزمایش‌ها ارتفاع دوش 3 متر و دامنه ی آهنگ گذر آب 3 تا 15 لیتر در ثانیه  بود. شکل (۲) الگوی دما در یکی از این آزمایش‌ها را نشان می‌دهد: DBT  و WBT دمای هوای خروجی و دمای حوضچه آب خط رگراسیون، نشانگر  آزمون‌های مختلف در یوکوهاما را نشان می‌دهد که شیب آن 0.83 است.

سرمایش تبخیری مستقیم یک اتاق با اندازه ی واقعی در ریاض  عربستان 

مطالعات در UCLA – سرمایش تبخیری مستقیم ٫ غیر مستقیم شامل  سلول آزمون ( اتاق ) با ابعاد داخلی ۱٫۲۴٫۸ و ارتفاع ٫ بود. دیوارها و بام اتاق از ساندویچ پانل‌های مرکب از تخته چند لایی با 2 اینچ عایق ساخته  شده بود. رنگ جداره های بیرونی اتاق سفید بودند. دو مبدل حرارتی با ابعاد یک  متر در یک متر زیر سقف در داخل اتاق نصب شده بودند. برج بادگیر خنک شامل  یک حوضچه ی محصور و متصل به آن، یک تنوره یا شف،ت یک سازه ی بادگیر ( گیرنده ی باد ) در بالای شفت بود. لوله ای به قطر 30cm فضای حوضچه را  به اتاق متصل می‌کرد. این ترکیب در شکل (۴) نمایش داده شده است.

شکل و ترکیب آزمون 

این سیستم با شکل و ترکیب‌های زیر تحت آزمون قرار گرفت:

الف) اتاق کنترل بسته، بدون هیچ گونه سرمایش

ب ) سرمایش تبخیری مستقیم – تنها گذر هوای خنک به اتاق

ج ) سرمایش تبخیری غیر مستقیم با شکل و ترکیب‌های زیر

ج ۱) دو مبدل حرارتی – گردش مداوم آب خنک شده از درون دو مبدل  حرارتی

ج ۲) دو مبدل حرارتی – گردش روزهنگام آب خنک شده از درون دو مبدل  حرارتی

ج ۳) یک مبدل حرارتی – گردش مداوم آب خنک شده از درون یک مبدل  حرارتی

د ) هم سرمایش مستقیم و هم غیر مستقیم – گذر هوای خنک شده و گردش  آب از میان دو مبدل حرارتی

نتایج تجربی 

شرایط کنترل 

شکل (۵) دماهای خارج و داخل را در خلال دو روز در اکتبر (۱۹۹۶) هنگامی  که اتاق بدون سرمایش بود، نشان می‌دهد. همان طور که انتظار می رود اتاق  بسته ای که دارای رنگ سفید بود، الگوی دمای داخل نسبت به الگوی دمای  خارج قدری کاهش در تغییر (swing) و تاخیر زمانی حد بالا و حد پایین را  نشان می‌دهد. دمای میانگین داخل نزدیک به دمای میانگین در بیرون بود. حد  بالا (maxim ) 2 تا 3 درجه سانتی گراد زیر حد بالای بیرون بودند. این رابطه می تواند به  توان مبنایی برای ارزیابی عملکرد سرمایش تحت شکل و ترکیب‌های گوناگون  مورد استفاده قرار گیرد.

سرمایش تبخیری مستقیم 

شکل (۶) دمای بیرون و دمای حباب تر (WBT) و دمای داخل همچنین  دماهای حوضچه ی آب را در خلال ۵ روز دسامبر (۱۹۹۶) وقتی که هوای خنک  شده از فضای بسته ی بالای حوضچه به سمت اتاق جریان داشت را نشان  می‌دهد.

این جریان تنها بر اثر ریزش قطره های آب درون تنوره یا شفت بدون  هیچ گونه کمک مکانیکی تولید می‌شود.

حد بالای داخل از میانگین دماهای خارج پایین تر بوده و میانگین آن حدود 9 درجه سانتی گراد پایین تر از حد بالای خارج بود. با ایجاد یک موج گرما در خلال این دوره ی  پایش اختلاف دما بین ماکزیمای داخل و خارج افزایش یافته است.

الگوهای دما پیشنهاد می‌کنند که دماهای داخل نزدیک به دمای آب  حوضچه هستند.

جالب توجه است که در خلال ساعتی که افزایش نسبتا تند دمای حباب تر  بود مقارن می‌شد با افزایش در دمای بیرون، دمای آب پایین تر از دمای حباب تر بود. این پدیده به سبب اینرسی تولید شده توسط جرم آب بود که نشان می دهد با جرم بیشتر آب می‌توان دمای آب را به نحو چشمگیری پایین تر از (WBT) داشت.

سرمایش تبخیری غیر مستقیم با دو مبدل حرارتی:

در این سری آزمایش‌ها، اتاق با گردش مداوم آب خنک شده‌ی حوضچه از  درون دو مبدل حرارتی زیر سقف خنک می‌گردد. در این شکل و ترکیب مساحت  مبدل حرارتی نیمی از مساحت سقف بود. شکل (۷) الگوهای دما در خلال ۴ روز  در ژانویه (۱۹۹۷) رانشان می‌دهد. دو روز اول نسبتاً آفتابی تر و با رطوبت نسبی  کمتری نسبت به دو روز بعد بودند (WBT) در طی این دوره ی آزمون افزایش  یافته موجب افزایش متناظر در دمای آب حوضچه و دمای داخل گردید.  در هر چهار روز دماهای حداکثر داخل خیلی پایین تر از ماکزیمای بیرون  بودند. ماکزیمای داخل در خلال دو روز آفتابی حدود 10 درجه سانتی گراد زیر ماکزیمای خارج  تنزل کرد. اما در خلال روز سوم که روز خنک تر و مرطوبی بود نیز حداکثر دمای  داخل حدود 5 درجه سانتی گراد از حداکثر دمای خارج پایین تر آمده بود.

فقط گردش روز هنگام آب از درون دو مبدل حرارتی 

در خلال این سری آزمایش در نوامبر ۱۹۹۶ اتاق با گردش آب خنک شده  از درون دو مبدل حرارتی تنها در خلال روز خنک می‌شد. شکل (۸) الگوهای دما  را نشان می‌دهد. در این شکل الگوی نرخ جریان آب در خلال ۴ روز نشان داده  شده است. حداکثر دماهای بیرون در این چهار روز به شدت افزایش یافته اما  (WBT) تا حدودی ثابت مانده است. از آنجا که دمای آب عمدتاً توسط (WBT)  کنترل می‌شود، دمای حوضچه نیز ثابت مانده و دمای داخل نیز ثابت می‌ماند.  قابل توجه است در خلال ساعتی که آب از درون مبدل های حرارتی گردش پیدا  نکرد، دماهای ورودی و خروجی تقریباً همان دمای داخل بود.

افت ماکزیمای داخل از حدود 6 درجه سانتی گراد در روز اول تا حدود 11 درجه سانتی گراد تا آخرین  روز که گرمترین بوده است، افزوده شده است. این الگوهای دما در شکل این گونه  پیشنهاد می دهد که با سرمایش تبخیری غیر مستقیم در خلال ساعت‌های داغ  روز تنها کافی است که آب خنک شده را از درون مبدل‌های حرارتی گردش دارد.  با این وجود بهتر است در خلال ساعت‌های شب نیز این گردش آب از طریق  دوش ادامه داشته باشد تا حوضچه ی آب به قدر کافی خنک شده و این خنکی  برای روز بعد استفاده شود.

سرمایش تبخیری غیر مستقیم با یک مبدل حرارتی 

در خلال این سری آزمایش‌ها اتاق با گردش دائم آب خنک شده ی حوضچه  از درون تنها یک مبدل حرارتی خنک می‌گردد. شکل (۹) الگوهای دما در خلال  این سه روز در آوریل ۱۹۹۷ را نشان می‌دهد. دمای حداکثر بیرون در همان حدود  باقی می ماند اما (WBT) در خلال روز اول آب شیر نیز به حوضچه اضافه شد  که موجب افزایش ناگهانی و به‌دنبال آن کاهش ناگهانی در دمای حوضچه گردید.  افت دمای ماکزیمای داخل بازتابی از تغییرات در ( WBT) است. مقدار آن  در روز اول وقتی که حداکثر اختلاف بین (WBT) و (DBT) یا همان فرو  افت حباب تر حدود 9 درجه سانتی گراد بود، مقدار افت دمای حد بالای داخل فقط 3.5 درجه سانتی گراد بود.

ترکیب سرمایش تبخیری مستقیم و غیر مستقیم 

در این سری آزمایش‌ها اتاق هم با سرمایش تبخیری مستقیم ( گذر هوا ) و  هم سرمایش تبخیری غیر مستقیم ( مبدل‌های حرارتی ) خنک می شد. شکل  (۱۰) الگوهای دما را در خلال یک دوره ی شش روزه وقتی که دمای خارج یک  سیکل موجی گرما یعنی افزایش و کاهش را بروز می‌داد، نشان می دهد. دمای  حداکثر بیرون با اختلاف بیشتر بین حد بالای (WBT) و (DBT ) حد بالا  همراه بود. در روز سوم با داشتن فرو افت (WEB) بیشتر (11.5 درجه سانتی گراد) حداکثر  افت دمای داخل حدود 8 درجه سانتی گراد بود. الگوی دمای داخل تقریباً الگوی دمای آب  حوضچه را دنبال می‌کرد که نشانگر این است عاملی که بر دمای داخل  حکمفرماست دمای حوضچه است. افت روزانه ی حداکثر دمای داخل به زیر  مقادیر خارج بازتاب اختلاف روزانه بین حد بالای دمای خارج و حد بالای آب  است. نسبت میانگین بین حداکثر افت دمای داخل و حداکثر افت دمای آب حدود  0.65 بود.

نتیجه گیری 

نتایج این تحقیق این امر را پیش رو قرار می‌دهند که بادگیر خنک دارای  دوش می‌تواند هم به صورت سرمایش تبخیری مستقیم هم به صورت غیر مستقیم  عمل سرمایش موثر را انجام دهد. عملکرد آن در هر دو حال بستگی به فرو افت  حباب تر محلی در خلال ساعت‌های داغ روز دارد عامل حکمفرما بر عملکرد  سیستم دمای آب حوضچه است. وقتی که دوش شب و روز کار می‌کند با داشتن  جرم زیادی از آب میتوان دمای آب روزهنگام را پایین تر از (WBT) محیط بیرون داشت. به ویژه در مناطق گرم و مرطوب که تغییر (Swing) دمایی  شبانه روز در آن زیاد باشد . مانند نقاط شرقی ژاپن منطقه ی توکیو این مورد در  جدول شماره (۴) مورد مطالعه قرار گرفته است.

 

به نقل از ماهنامه تهویه مطبوع، شماره چهارم