افزایش کارایی چیلر های هوا خنک با جانمایی مناسب

در افزایش کارایی چیلرهای هوا خنک با جانمایی مناسب، تعیین موقعیت مناسب برای تجهیزات در چیلرهای هوا خنک اهمیت بسزایی دارد. برای مثال، اغلب به دلایل زیبایی، چیلرها پشت المان‌های معماری و یا در مکان‌هایی که در معرض دید عموم قرار ندارند، نصب می‌شوند. این مورد می‌تواند جریان هوای محیط به سمت  چیلر های هوا خنک را محدود کند. به‌علاوه، ممکن است کارایی کندانسورهای هواخنک به دلیل دمای بالای محیط و وزش شدید باد، بر اثر برگشت گازهای داغ تخلیه شده از فن کندانسورها به محل ورودی هوا به چیلرها، کاهش یابد.

سرعت و جهت باد، فواصل بین چیلرها، فاصله از ساختمان، ارتفاع دیوار ساختمان و جنس دیوار می‌تواند بر پراکنده شدن گازهای خروجی از چیلر های هوا خن اثر گذاشته و دمای هوای ورودی به کندانسور  را افزایش دهد. مقاله پیش رو، حاصل یک بررسی دینامیک محاسباتی سیالات (CFD)، برای فهمیدن اثر سرعت باد، جهت باد (قرارگیری چیلر نسبت به جهت باد)، فواصل بین چیلرها و فاصله چیلرها از اجزاء ساختمانی است.

کارایی سرمایشی کندانسورهای هواخنک، بر مبنای الگوهای جریان هوا، پراکندگی گازهای تخلیه شده در اطراف چیلرها و توزیع دمای هوای چیلر در ورودی‌ها ارزیابی می‌گردد. میزان برگشت گازهای داغ خروجی به دریچه‌های ورودی هوا و تأثیر آن بر کارایی چیلر، بر مبنای افزایش میانگین دمای هوای ورودی، تخمین زده می‌شود.

در این پژوهش، یک مدل سه‌بعدی، دارای حالت پایدار و غیر هم دمای CFD از یک مجموعه با چهار چیلر هواخنک برای این تحلیل، ایجاد شد و توسعه یافت. همان‌طور که در تصویر 1 نشان داده شده است، چیلرها در کنار یک ساختمان سه طبقه که 40 فوت (12متر) ارتفاع و 120000فوت مربع (11100مترمربع) مساحت دارد، قرار گرفتند. هر چیلر با مجموع 16 فن که در 2 ردیف مرتب شده‌اند، تجهیز شده است.

نرخ جریان هوای تغذیه برای هر فن 10000مترمکعب در دقیقه (4700 لیتر در ثانیه) بوده و افزایش دمای هوا (تغییر دما) در طول کویل کندانسورها، 20درجه فارنهایت (11درجه سانتی‌گراد) در نظر گرفته شده است. بنابراین هر چیلر، ظرفیت انتقال گرمائی در حدود 3470 میلیون بی تی یو در ساعت (1020کیلووات) را دارا می‌باشد.

همان‌طور که در شکل 1c نمایش داده شده است، ورودی‌های هوا در اطراف این چیلرها قرارگرفته‌اند و خروجی‌های هوا به‌صورت عمودی و موازی با فن‌های کندانسور هوا، در بالای چیلرها قرارگرفته‌اند. برای مقاصد تحلیلی، درجه حرارت هوای محیط 80 درجه فارنهایت (26.7 درجه سانتی‌گراد) در نظر گرفته می‌شود که شرایط طراحی 1% حباب خشک، تابستان داغ معمولی را برای شهرهایی همانند سان دیه گو، نشان می‌دهد.

جهات باد موازی و عمود بر ورودی‌های هوا (واقع شده در بعد طولی) چیلرها، در این تحلیل بررسی شده‌اند. جهات باد نسبت به جهت‌گیری چیلرها توسط پیکان‌هایی در شکل 1نمایش داده شده‌اند. این می‌تواند به‌عنوان جهت ورودی هوای چیلر نسبت به جهت باد غالب هم فرض شود. نمونه‌های پیش رو در طول این تحقیق بررسی شدند.

این تحلیل‌ها به‌صورت سیستماتیک با تغییر یک پارامتر در هر دفعه، ترتیب داده شدند.

سه سرعت باد، 5 مایل در ساعت، 10 مایل در ساعت و 15 مایل در ساعت (8 کیلومتردرساعت، 16 کیلومتردرساعت و 24 کیلومتردرساعت) برای دو جهت باد درحالی‌که فاصله بین چیلرها 12 فوت (3.7 متر) و فاصله از ساختمان مجاور 10 فوت (3متر) حفظ شدند، مورد بررسی قرارگرفته‌اند.

فاصله بین چیلرها درحالی‌که فاصله از ساختمان مجاور 10 فوت (3متر) و سرعت باد 10 مایل در ساعت (16 کیلومتردرساعت) و جهت باد موازی با ورودی هوای (در طول) چیلرها بود، بین 6 فوت (1.8متر)، 8فوت (2.4متر) و 12فوت (3.7متر) تغییر کردند.

فاصله چیلر از اجزاء ساختمان بین 5فوت (1.5متر)، 10فوت (3متر) و 15فوت (4.6متر) درحالی‌که فاصله بین چیلرها به‌اندازه 12فوت (3.7متر)، سرعت باد به‌اندازه 10مایل در ساعت (16کیلومتردرساعت) و جهت باد موازی ورودی‌های هوا (در جهت طولی)، ثابت نگه داشته شده بودند، تغییر کرد.

اثر سرعت باد

در حالتی که جهت باد موازی با ورودی‌های هوا است، چیلرها در طرف پشت به باد ساختمان، که منطقه فونداسیون (منطقه‌ای با فشار پائین) شکل گرفته است، قرار دارند. با افزایش سرعت باد، فشار منطقه فونداسیون زیاد می‌شود و حدود فضایی چنین منطقه فشار پائینی، در اطراف چیلر افزایش می‌یابد.

درنتیجه، با افزایش سرعت باد، ستون داغ بلند شده، از خمهای اگزاست فن رو به پائین می‌رود و به ورودی چیلرها وارد می‌شود. همان‌طور که در شکل 2 نمایش داده شده است، در حالت سرعت باد کم، 5 مایل در ساعت (8 کیلومتردرساعت)، ستون داغ به‌صورت عمودی بالای چیلرها می‌رود.

زمانی که سرعت باد از 5مایل در ساعت (8کیلومتردرساعت) به 15 مایل در ساعت (24کیلومتردرساعت) افزایش می‌یابد، ستون دود خروجی به خم شدن به سمت پائین تمایل می‌یابد و در حالتی که سرعت باد 15 مایل در ساعت (24کیلومتردرساعت) است، تقریباً به زمین می‌رسد.

اگرچه افزایش سرعت باد می‌تواند سرعت جریان هوای محیط را افزایش دهد، که این امر می‌تواند دمای زیاد گازهای خروجی را تعدیل کند، خمش گازهای داغ به سمت ورودهای هوای چیلر، اثرات رقیق بودن شرایط باد را تشدید می‌کند. در همه این حالات، دورترین چیلرها (چیلرهای 1 و 4) کمتر از چیلرهای درونی (چیلرهای 2 و 3) اثر می‌پذیرند.

به همین ترتیب ورودی هوایی که در مرکز یک ردیف چیلر قرار دارند، بالاترین دمای هوای ورودی و احتمالاً بیشترین تخریب عملکرد را نسبت به آن‌هایی که در انتهای ردیف قرارگرفته‌اند، نشان می‌دهند.

با افزایش سرعت باد، بالاترین دماهای ورودی به سمت کناره ساختمان تغییر موقعیت می‌دهند. این امر به این خاطر است که با افزایش سرعت باد، گازهای خروجی به حرکت به عقب، به سمت منطقه فشار پایین، گرایش دارند و به سمت ورودی‌های نزدیک‌تر به ساختمان کشیده می‌شوند.

اثر جهت گیری چیلر

وقتی‌که جهت باد، عمود بر ورودی‌های هوای چیلر ( طولی) است، افزایش در سرعت باد به افزایش در دمای هوای ورودی منجر می‌شود. (شکل 3) در این حال ورودی جلویی چیلر اول (چیلر 1) به‌طور مستقیم با باد ورودی مواجه شده و درنتیجه کمترین دمای هوای ورودی را تجربه می‌کند. درحالی‌که چیلرهای دیگری که در منطقه فونداسیون چیلر اول واقع شده‌اند، دمای هوای ورودی بیشتری را تجربه می‌کنند.

مشابه حالت پیشین در دمای باد کم، (5 مایل بر ساعت یا 8 کیلومتر بر ساعت) گاز گرم به‌صورت عمودی به سمت بالا حرکت می‌کند و با افزایش سرعت باد، گاز خروجی به سمت پایین خم می‌شود و تقریباً به زمین می‌رسد. برای تمامی سرعت‌های باد، ورودی هوای چیلرهای میانی (چیلرهای 2 و 3) به‌طور نسبی از آن‌هایی که در خارج قرار دارند (چیلرهای 1 و 4) دمای هوای ورودی بالاتری را تجربه می‌کنند.

درحالی‌که جریان گازهای خروجی داغ در جهت باد به حرکت در می‌آیند، گازهایی که در سمت چیلرهای مجاور بادگیر هستند، روی چیلرهای کناری حرکت می‌کنند. بنابراین، به سمت ورودی‌های چیلرهای پشت به باد کشیده می‌شوند.

همان‌گونه که در شکل 3 نشان داده شده است، اثر چنین حرکت آبشاری گازها، با افزایش سرعت باد برجسته‌تر می‌شود، که منجر به بالاتر رفتن دمای هوای ورودی می‌گردد، بالأخص برای آن ورودی‌های هوایی که در وسط هر ردیف قرار دارند (چیلرهای 2 و 3).

زمانی که جهت باد عمود بر جهت طولی چیلرها است، هوای محیطی می‌تواند به‌راحتی از انتهای عقب و جلوی کوریدورهای مابین چیلرها وارد شود. درنتیجه دمای توزیع در ورودی‌های چیلر، تقریباً متقارن است: دمای بالا در مرکز و دمای پایین در جلو و عقب.

شکل 4 اثر سرعت باد و جهت باد بر میانگین دمای هوای ورودی چیلرها را نشان می‌دهد. این نمودارها بیشتر میانگین دمای هوای ورودی را نسبت به توزیع دما بر روی سطوح ورودی نشان می‌دهند.

دماهای هوای ورودی  بالاتر، نشانگر چرخش بیشتر گازهای داغ خروجی به سمت ورودی‌های هوای چیلر هستند و به‌صورت بالقوه منجر به تخریب عملکرد بالاتر می‌شوند. به خاطر اثر آبشاری کشش گاز داغ، میانگین دمای هوای ورودی ، زمانی که جهت باد عمود بر ورودی‌های هوا است، بیشتر خواهد بود.

برای هر دو جهت، افزایش سرعت باد میانگین دمای هوای ورودی را افزایش می‌دهد. اگرچه چنین افزایشی به‌صورت قابل‌توجهی، زمانی که سرعت باد به 15 مایل بر سرعت یا 24 کیلومتر بر ساعت می‌رسد و ورودی‌های هوا موازی جهت باد هستند، افزایش می‌یابد (شکل 4 قسمت A).

بالعکس، وقتی‌که ورودی‌های هوا عمود بر جهت باد قرارگرفته‌اند (شکل 4 قسمت B) میانگین هوای ورودی به‌تدریج با افزایش سرعت باد افزایش می‌یابد. در هر دو حالت چیلرهای داخلی 2 و 3 دمای هوای ورودی بالاتری را نسبت به چیلرهای خارجی 1 و 4 نشان می‌دهند

اثر فاصله‌گذاری میان چیلرها

هرچه قدر فاصله میان چیلرها از 12 فوت یا 3.7 متر به 6 فوت یا 1.8 متر کاهش یابد، دمای هوای ورودی زیادتر خواهد شد. شکل 5 اثر فاصله‌گذاری میان چیلرها را بر توزیع دمای هوای ورودی چیلرها نشان می‌دهد. در حالت فاصله‌گذاری بیشتر (12 فوت یا 3.7 متر) هوای محیطی بیشتر از انتهایی که از ساختمان دورتر است، وارد کوریدورهای چیلر می‌شود تا سمتی که به ساختمان نزدیک‌تر است. این نشانگر مقاومت بیشتر هوا برای ورود از قسمت نزدیک به ساختمان است.

وقتی فاصله میان چیلرها کاهش می‌یابد، هوای محیطی نمی‌تواند به مرکز کوریدور چیلرها برسد، بنابراین گازهای خارجی داغ را به کشش به سمت ورودی‌های هوا ترغیب می‌کند. این مورد از دمای هوای بیشتر در بالای ورودی‌های چیلر همان‌گونه که در شکل 5 نشان داده شده است آشکار می‌باشد. به‌علاوه این موضوع در شکل 5a هم که دمای گازهای خروجی و چگونگی پراکندگی آن را در بالای چیلرها نشان می‌دهد، قابل‌مشاهده است.

وقتی‌که فاصله چیلرها 12 فوت یا 3.7 متر باشد، گازهای داغ خروجی از یکدیگر جدا شده و تمایل دارند که مستقیماً به سمت بالا حرکت کنند. وقتی‌که فاصله کاهش می‌یابد، این گازها به یکدیگر نزدیک می‌شوند و به‌صورت عمیق‌تری وارد کوریدورهای چیلر می‌شوند. این موضوع از افزایش دمای درون کوریدورها دریافت می‌گردد (تصویر 5a).

اثر فاصله از ساختمان

دمای هوای ورودی هرچه قدر که فاصله میان ساختمان و چیلرها کاهش پیدا کند، افزایش می‌یابد. شکل 6 اثر فاصله چیلرها از دیوار ساختمان بر روی توزیع دما در ورودی هوای چیلر را نشان می‌دهد. وقتی‌که چیلرها نزدیک‌تر به ساختمان قرار می‌گیرند، توزیع دما دورتر از منطقه فشار پایین کشیده می‌شوند. درنتیجه گازهای داغ خروجی از چیلرها به سمت ساختمان حرکت کرده و فاصله میان ساختمان و چیلر را با هوای داغ پر می‌کنند (شکل 6a).

دور کردن چیلرها از ساختمان، فضایی برای ورود هوای محیطی از هر دو انتهای چیلر، ایجاد می‌کند و به کاهش دمای هوای ورودی کمک می‌کند.

شکل 7 نمایانگر اثر فاصله‌گذاری میان چیلرها و فاصله چیلرها از ساختمان، بر میانگین دمای هوای ورودی چیلرها می‌باشد. همان‌گونه که قبلاً گفته شد، این نمودارها میانگین دمای هوای ورودی، به‌جای توزیع دمای هوا در سطوح ورودی و نیز میزان کشش گازهای داغ را نشان می‌دهد.

شکل 7a نشان می‌دهد که کاهش فاصله میان چیلرها ، میانگین دمای هوای ورودی را افزایش می‌دهد. کاهش فاصله میان چیلرها از 12 فوت یا 3.7 متر به 6 فوت یا 1.8 متر، منجر به بالا رفتن میانگین دمای هوای ورودی از 6 درجه فارنهایت یا 3.3 درجه سانتی‌گراد به تقریباً 12 درجه فارنهایت یا 6.6 درجه سانتی‌گراد، می‌شود. وقتی فاصله چیلرها به 6 فوت یا 1.8 متر، کاهش می‌یابد، چیلرهای داخلی 2 و 3 ، افزایش قابل‌توجهی در میانگین دمای هوای ورودی را نشان می‌دهند.

شکل 7b  نمایش می‌دهد که دمای هوای ورودی با افزایش فاصله میان چیلر و ساختمان کم می‌گردد. به‌هرحال این بررسی مشخص می‌کند که اثر افزایش فاصله بر دمای هوای ورودی، بعد از فاصله 10 فوت یا 3 متر، اهمیت کمتری خواهد داشت. این بررسی‌ها برای سرعت باد 10 مایل بر ساعت یا 16 کیلومتر بر ساعت انجام شده‌اند.

ممکن است که برای سرعت‌های باد بیشتر این نتایج رویه متفاوتی را نشان دهند. مقایسه این دو نمودار مشخص می‌سازد که فاصله میان چیلرها اثر بیشتری نسبت به فاصله چیلرها از اجزای ساختمان، بر دمای هوای ورودی دارند.

خلاصه و نتیجه‌گیری

تحلیل CFD مجموعه‌ای از چیلرهای هوا خنک مجاور یک ساختمان 3 طبقه نشان می‌دهد که افزایش در سرعت باد ، گردش گازهای خروجی بر ورودی چیلرها را افزایش خواهد داد، که خود منجر به دماهای ورودی بالاتری می‌گردد.

در بادهایی با سرعت پایین‌تر، گازهای خروجی تمایل دارند که به‌صورت عمودی ( به سمت بالا) از چیلرها دور شوند. درحالی‌که با افزایش سرعت بادها این گازها می‌توانند به سمت پایین و به‌سوی ورودی‌های چیلر خم شوند که منجر به گردش مجدد بالاتری می‌گردد.

وقتی‌که ورودی‌های چیلر عمود بر جهت باد غالب هستند، گازهای خروجی از چیلرهای سمت بادگیر به چیلرهای پشت به بادی که در دنباله آن‌ها قرار دارند، وارد می‌شوند. و این اثر آبشاری با افزایش سرعت باد برجسته‌تر می‌گردد.

این مطالعه به‌علاوه نشان می‌دهد که فاصله بین چیلرها اثر بیشتری جریان مجدد گازهای داغ خروجی نسبت به فاصله بین ساختمان و چیلرها دارند. در شرایط واقعی، سرعت‌ها و جهات باد اغلب می‌توانند نقطه به نقطه تغییر کنند. همچنین سازه‌های اصلی و جانبی می‌توانند بر سرعت و جهت باد محلی اثر بگذارند.

بنابراین حد گردش مجدد گازهای خروجی در هر شرایطی تغییر یابد. در چنین حالاتی ، بررسی‌های CFD می‌توانند دیدگاه‌های ارزشمندی را نسبت به بهینه‌سازی جدید، فاصله‌گذاری میان چیلر های هوا خنک و فاصله چیلرها از اجزای ساختمان، فراهم آورند.

بر اساس دیدگاه‌های برآمده از این مطالعه، قرار دادن ورودی‌های هوای چیلر به‌صورت موازی با جهت باد غالب، با حداقل 10 فوت یا 3 متر فاصله‌گذاری میان چیلر های هوا خنک و نیز حداقل 10 فوت یا 3 متر دورتر از دیوار ساختمان مجاور، می‌تواند گردش مجدد شدید گازهای خروجی به ورودی‌های هوای چیلر و همچنین تخریب عملکرد بالقوه را کاهش دهند.