در برخی از مناطق آمریکا، محبوبیت پمپ‌های حرارتی مینی اسپلیت کانالی (داکت اسپلیت) به علت مشخصاتی مانند مصرف کم انرژی و پنهان بودن از دید افراد، در حال افزایش است. گرچه هزینه‌ی اولیه و هزینه‌ی نصب و راه‌اندازی این سیستم‌ها معمولا از مینی اسپلیت‌های معمولی (بدون کانال) بیشتر است، برای برخی خانواده‌ها که مایل نیستند یونیت داخلی دستگاه را در محل زندگی خود ببینند، این تفاوت قیمت ارزش دارد.
باتوجه به علاقمندی صنایع محلی و خانواده‌ها به این فناوری، شرکت مدیریت انرژی بونویل آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث‌وست و آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر را تأسیس کرد تا قابلیت‌هایی در آزمایشگاه بهره‌وری انرژی ایجاد کرده و بتواند پمپ‌های حرارتی داکت اسپلیت را مدل‌سازی کند.
پس از اضافه شدن قابلیت‌های اصلی، امکان مقایسه‌ی نتایج مصرف انرژی این سیستم با مصرف انرژی سیستم‌های دیگری که در آزمایشگاه بهره‌وری انرژی موجود بود – مانند گرمایش مقاومتی الکتریکی ناحیه‌ای، پمپ‌های حرارتی منبع هوایی مرکزی و پمپ‌های حرارتی اسپلیت بدون داکت (معمولی) – ایجاد شد.
سپس هر کدام از این فناوری‌ها با استفاده از ۵ پروتوتایپ ساختمان در ۳ ناحیه BPA (شرایط اقلیمی) آزموده می‌شوند تا مشخص شود اسپلیت کانالی تحت سناریوهای مختلف، چه عملکردی خواهد داشت.
نتیجه‌ی این پروژه، مجموعه‌ای از مدل‌های انرژی پلاس بود که نشان‌دهنده‌ی شرایط مختلف پروتوتایپ در هر ناحیه‌ی اقلیمی بودند. به طور کلی، پمپ‌های حرارتی مینی اسپلیت کانالی نسبت به سیستم گرمایش مقاومتی الکتریکی ناحیه‌ای (همراه با سیستم تهویه مطبوع پنجره‌ای برای سرمایش) بین ۳۳ تا ۶۰ درصد انرژی کمتری مصرف می‌کنند.
نتایج هم‌چنین نشان داد که سیستم‌های مینی اسپلیت کانالی، در حدود ۴ درصد انرژی بیشتری نسبت به سیستم‌های مینی اسپلیت بدون کانال مصرف می‌کنند. مصرف انرژی این سیستم‌ها نسبت به گرمایش الکتریکی ناحیه‌ای – بسته به پروتوتایپ و شرایط اقلیمی – بین ۳۷ تا ۶۴ درصد کمتر است.
مقدمه
در یک سیستم پمپ حرارتی مینی اسپلیت، یک یونیت خارجی (کمپرسور، فن و کویل) مبرد سرد یا گرم را به درون خانه و یونیت‌های داخلی نصب شده بر دیوار یا سقف، هدایت می‌کند.
یونیت‌های داخلی دارای یک فن هستند که هوا را به واسطه‌ی یک مبدل حرارتی، از روی مبرد عبور می‌دهد، و هوای سرد یا گرم درون اتاق توزیع می‌شود. این سیستم‌های مینی اسپلیت با پمپ‌های حرارتی رایج متفاوت هستند؛ معمولا کوچک‌ترند، با شبکه‌ی کانال کل خانه در ارتباط نیستند، و گاهی بیش از یک یونیت فن کویل داخلی دارند که توسط یک یونیت کندانسور خارجی پشتیبانی می‌شوند.
در یک سیستم مینی اسپلیت بدون کانال این یونیت‌ها بر روی سطح دیوار تمام شده، نصب می‌شوند. ارتفاع این یونیت‌ها در حدود ۱ فوت (۳۰ سانتی‌متر)، عمق آن‌ها نیز ۱ فوت (۳۰ سانتی‌متر) و طول آن‌ها ۳ فوت (۹۰ سانتی‌متر) است.
معمولا، در صورتی که فضا به صورت باز باشد یا درهای اتاق‌ها باز گذاشته شود، برای هر طبقه از خانه (حدودا ۱۰۰۰ فوت مربع – ۹۰ متر مربع) یک یونیت داخلی در نظر گرفته می‌شود. برخی افراد، نصب یونیت‌های داخلی مینی اسپلیت‌های بدون کانال را بر روی دیوار، در تعارض با زیبایی می‌دانند؛ بنابراین سازندگان گزینه‌ای به نام مینی اسپلیت کانالی را ارائه کرده‌اند، که یونیت‌های داخلی در اتاق زیرشیروانی، زیرزمین یا سقف کاذب قرار داده می‌شوند.
فارغ از مکان نصب دستگاه‌ها، در این سیستم قطعات حجیم و بزرگ از دید پنهان هستند و دهانه‌ی ورودی کانال (گریل) در مکان‌های کانال‌کشی شده قرار داده می‌شود. این سیستم‌ها هم‌چنین با نام‌های «مینی داکت» و «اسلیم داکت» نیز شناخته می‌شوند.
یک شکل عادی از سیستم‌های مینی داکت اسپلیت برای یک خانه، شامل یک یونیت خارجی است که به دو یا سه خط لوله انتقال مبرد متصل است، که هر کدام از این خطوط لوله، مبرد را به یک یونیت داخلی هدایت می‌کند.
یونیت‌های داخلی ممکن است در بخش‌های مختلف یک طبقه یا طبقات مختلف ساختمان نصب شده باشند. این یونیت‌های داخلی می‌توانند جریان هوای مورد نیاز برای یک اتاق بزرگ، یا چند جریان هوا را برای توزیع در اتاق‌های کوچک‌تر تأمین کنند.
محبوبیت این سیستم در مناطق شمال غرب در حال افزایش است. در این مناطق، منازل عمدتا دارای سیستم گرمایشی مقاومتی الکتریکی بوده‌اند و خانواده‌ها اکنون مایل هستند که از گزینه‌ای جایگزین استفاده کنند که بازدهی بیشتر، مزیت پنهان بودن و هم‌چنین قابلیت تأمین سرمایش را داراست.
باتوجه به این افزایش محبوبیت، برای تأمین‌کنندگان صنایع همگانی (برق و …) مهم است که بتوان سیستم‌های داکت اسپلیت را در نرم‌افزاری شبیه‌سازی کرد که قابلیت مدل کردن و برآورد موارد زیر را داشته باشد:
• کارایی سیستم داکت اسپلیت در خانه‌های موجود و خانه‌های جدید • صرفه‌جویی انرژی در سیستم داکت اسپلیت در مقایسه با سیستم‌های تهویه مطبوع موجود • صرفه‌جویی انرژی در سیستم داکت اسپلیت در مقایسه با سیستم‌های بدون داکت و دیگر سیستم‌های تهویه مطبوع جایگزین
طرح پروژه
باتوجه به علاقمندی صنایع محلی و خانواده‌ها به سیستم‌های پمپ حرارتی کانالی (داکت اسپلیت) شرکت مدیریت انرژی بونویل (BPA) این پروژه را به صورت یک پروژه مشترک میان آزمایشگاه ملی پاسیفیک نورث‌وست (PNNL) و آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر (NREL) تعریف کرد.
برای این پروژه، PNNL و NREL یک مدل شبیه‌سازی شده برای سیستم داکت اسلپیت ایجاد کردند که ترکیبی از مدل سیستم‌های بدون کانال (DLS) و مدل سیستم کانالی مرکزی بود که پیش از آن مدل شده بودند. با توجه به محدودیت‌های مالی، سیستم داکت اسپلیت تنها برای یک برند تولیدکننده شبیه‌سازی شد.
برای تعیین عملکرد این مدل در شرایط و سناریوهای مختلف، مدل داکت اسپلیت در ۵ خانه نمونه مختلف و سه شهر متفاوت شبیه‌سازی شد، که هر کدام از این سه شهر نماینده یکی از اقلیم‌های BPA بودند. سیستم گرمایش مقاومتی الکتریکی ناحیه‌ای به همراه سیستم تهویه مطبوع پنجره‌ای برای سرمایش به عنوان مبنای مقایسه در تمامی موارد انتخاب شد. در این مدل فرض شده است که از این دو سیستم برای گرمایش و سرمایش کل خانه استفاده می‌شود.
هدف اصلی این پژوهش، افزودن سیستم مینی اسپلیت کانالی به نرم‌افزار BEopt و مقایسه و تعیین کاهش مصرف انرژی در این سیستم نسبت به سیستم مبنا بود.
نرم‌افزار BEopt که توسط NREL طراحی شده است، قابلیت‌هایی ارائه می‌کند که برای ارزیابی طراحی ساختمان‌های مسکونی و شناسایی طرح‌هایی مقرون به صرفه و با راندمان بالا برای سطوح مختلفی از صرفه‌جویی در کل خانه تا رسیدن به حد نهایی مصرف انرژی صفر (zero net energy) استفاده می‌شود.
از BEopt می‌توان برای تحلیل ساختمان‌های جدید و یا بازسازی خانه‌های موجود، هم‌چنین برای خانه‌های تک خانوار و ساختمان‌هایی با چند خانوار، و از طریق ارزیابی طراحی ساختمان، بررسی پارامترها و بهینه‌سازی بر مبنای هزینه استفاده کرد.
نرم‌افزار BEopt از EnergyPlus، برترین موتور شبیه‌سازی وزارت انرژی آمریکا استفاده می‌کند. فرضیات مربوط به شبیه‌سازی مبتنی بر پروتکل شبیه‌سازی ساختمان آمریکا است.
ایجاد مدل
ایجاد مدل شبیه‌سازی برای سیستم DED شامل تعیین مناطق اقلیمی، نمونه‌ها، برند سازنده و یونیت‌های مشخصی بود که می‌بایست شبیه‌سازی می‌شدند.
مناطق اقلیمی و نمونه‌ها
شهرهای نمونه، بر مبنای یک توزیع استراتژیک از میان سه اقلیم BPA انتخاب شدند. جدول ۱ شهرهای انتخاب شده، اقلیم‌های BPA و درجه-روز گرمایشی مورد نیاز برای آن اقلیم را نشان می‌دهد.
نقشه‌های نمونه‌ی ساختمان‌های مسکونی بر مبنای زیرمجموعه‌ای از نمونه‌ها که NREL قبلا برای افزودن سیستم DLS به نرم‌افزار استفاده کرده بود، انتخاب شد.
این نقشه‌ها در ابتدا برای استفاده‌ی اتاق گفتگوی فنی منطقه طراحی شد که شامل بازه‌ی وسیعی از مساحت، طرح، خانه‌های جدید و موجود، انواع دوپوش‌ها و انواع فونداسیون‌ها می‌باشد. نمونه‌های نهایی که برای این پروژه انتخاب شدند در بخش «نقشه‌های نمونه‌ی ساختمان‌های مسکونی» آورده شده‌اند.
اطلاعات سازنده
مقایسه‌ی صرفه‌جویی در مصرف انرژی میان سیستم‌های DLS و DED کار ساده‌ای نیست.
برای یک سازنده‌ی مشخص، مجموعه‌ی مدل‌ها در یک دسته‌ی مشخص از محصولات، ظرفیت‌ها و راندمان‌های متفاوتی خواهند داشت. بنابراین، برای ارائه‌ی نتایجی معقول برای این مطالعه، دستگاه‌ها تا حد امکان مشابه یکدیگر انتخاب شدند (با استفاده از کاتالوگ‌های جولای ۲۰۱۷).
فرضیات
فرضیات موجود در نرم‌افزار:
برای تحلیل سیستم‌های مینی اسپلیت کانالی در BEopt، لازم بود تعدادی اجزا در مدل‌های EnergyPlus وجود داشته باشند. برای یک سیستم پمپ حرارتی مینی اسپلیت، یونیت‌های داخلی و خارجی می‌بایست شبیه‌سازی و به یکدیگر متصل شوند.
علاوه بر آن، سیستم مدیریت انرژی (EMS) بخش مهمی از هر مدل BEopt است که دارای کانال باشد. ورودی‌های مهم در مدل EMS شامل نشتی کانال، سطح عایق‌بندی کانال، سطح کانال و موقعیت کانال است.
در مورد سیستم‌های مینی اسپلیت (کانالی یا غیرکانالی) در خانه‌های موجود، معمولا این سیستم‌ها بخش کوچکی از خانه را گرم/سرد می‌کنند. در صورتی که از این سیستم برای گرم/سرد کردن بخش بزرگی از خانه استفاده شود، معمولا یک یونیت خارجی چندگانه (مولتی اسپلیت)، خطوط مبرد را به سمت چند یونیت داخلی تغذیه می‌کند.
به هرحال، نرم‌افزار BEopt در حال حاضر می‌تواند یک خانه را به صورت تنها یک منطقه گرمایشی/سرمایشی با یک یونیت داخلی شبیه‌سازی کند. این محدودیت، تا حدی باعث ایجاد خطا می‌شود.
