سیستم های سقف سرد؛ آسایش بیشتر، مصرف انرژی کمتر

سسیستم سقف سرد عمدتاً با استفاده از انتقال حرارت تشعشعی ، امکان مناسبی برای سرمایش یک فضا فراهم می آورد.

در سیستم سقف سرد، حرارت توسط یک سطح سرد ، از طریق جابجایی آزاد و تشعشع جذب شده و به محیط خارج شده انتقال می یابد و از این طریق بالاترین سطح آسایش فراهم می یابد. در این مقاله پس از معرفی سقف سرد، نحوه کارکرد و انواع آن به بررسی مزایا و معایب آن پرداخته شد. سپس محاسبات و طراحی سیستم سرمایشی برای دو سیستم فن کویل و سقف سرد، برای دو سیستم فن کویل و سقف سرد، برای یک پلان نمونه انجام گرفت. مقایسه کیفی از لحاظ آسایش و مصرف انرژی بین دو سیستم انجام و برتری سقف سرد آشکار گردید.   

تحقیقات نشان می دهند که کارایی و بازدهی افراد یک اتاق بستگی مستقیم به کیفیت هوای اتاق (IAQ) و شرایط آسایش دارد. به همین دلیل این دو عامل در تهویه مطبوع ساختمان ها از اهمیت زیادی  برخوردارند. دمای هوا ، میزان رطوبت، سرعت گردش هوا و میزان ذرات معلق هوا از عوامل مؤثر بر آسایش انسان می باشند. نامناسب بودن هر یک از این عوامل به تنهایی موجبات عدم آسایش انسان را فراهم می آورد. یک سیستم تهویه مطبوع (HVAC) مناسب، باید بتواند به میزان کافی هوای تازه وارد اتاق کند (Ventilation)، آلودگی ها را حذف کند، دمای مناسب ایجاد کند، از وزش هوا و گردایان دمای زیاد بر حذر باشد و علاوه بر همه اینها، مصرف انرژی پایینی داشته باشد. سیستم سقف سرد به عنوان سیستمی که در عین مصرف کم انرژی، قابلیت تأمین شرایط مناسب آسایش را دارا می باشد، از مطلوبیت و محبوبیت روبه افزایشی در سطح دنیا برخوردار است.

سیستم های سقف سرد

اکثریت قریب به اتفاق سیستم های سرمایشی معمول، از روش مستقیم یعنی دمیدن هوای تهویه شده به داخل اتاق بهره می گیرند. اما در سیستم سقف سرد، روش غیرمستقیم به کار گرفته شده است. ایده اصلی در سیستم سقف سرد، ایجاد سطوحی سرد در فضای مورد نظر است.

این سطوح توسط یک سیستم عمدتاً هیدرونیک در دمای مناسبی نگه داشته می شوند. حرارت از طریق فرایندهای جابجایی آزاد و تشعشع از محیط جذب می شود. مهم ترین برتری سقف سرد نسبت به سایر سیستم ها، بهره گیری از فرایند تشعشعی است که در بهبود شرایط آسایش بسیار مؤثر است.

انواع سیستم های سقف سرد

اکثریت قریب به اتفاق سیستم های سرمایشی معمول، از روش مستقیم یعنی دمیدن هوای تهویه شده به داخل اتاق بهره می گیرند. اما در سیستم سقف سرد، روش غیرمستقیم به کار گرفته شده است. ایده اصلی در سیستم سقف سرد، ایجاد سطوحی سرد در فضای مورد نظر است.

این سطوح توسط یک سیستم عمدتاً هیدرونیک در دمای مناسبی نگه داشته می شوند. حرارت از طریق فرایندهای جابجایی آزاد و تشعشع از محیط جذب می شود. مهم ترین برتری سقف سرد نسبت به سایر سیستم ها، بهره گیری از فرایند تشعشعی است که در بهبود آسایش بسیار مؤثر است.

انواع سیستم های سقف سرد

سیستم های سقف سرد از لحاظ نوع سطوح سرد به چند دسته تقسیم می شوند. در نوعی از این سیستم ها آب به عنوان سیال عامل از میان لوله های پلاستیکی تعبیه شده در سقف بتنی به گردش در می آید. این آرایش، امکان استفاده از ظرفیت گرمایی بالای بتن و انتقال پیک بار سرمایشی به ساعات غیرپیک را فراهم می آورد.‌( شکل 1) .

نوعی دیگر از سیستم سقف سرد، از شبکه ای از لوله های نازک ( مویین ) پلاستیکی تشکیل شده که می تواند در لایه گچ دیوا هم کار گذاشته شود. این سیستم یک توزیع یکنواخت دما ایجاد می کند و به دلیل انعطاف پذیری لوله های پلاستیکی، بهترین انتخاب برای بازسازی سیستم های قدیمی می باشد. ( شکل 2) .

رایج ترین نوع سقف سرد ، سیستم های پانلی می باشند.

پشت این پانل ها که معمولاً از صفحات آلومینیوم ساخته شده و در سقف کاذب تعبیه می شوند، لوله های فلزی متصل شده است. نکته قابل اهمیت در ساخت این پانل ها، استفاده از ماده ای با ضریب هدایت حرارتی بالاست که موجب پاسخ سریع سیستم به تغییرات دمایی می گردد ( شکل 3 ).

برخی انواع سقف سرد، از هوا به عنوان سیال عامل استفاده می کنند. درصدی از هوای تغذیه با عبور از داخل پانل، حرارت جذب شده توسط پانل را به خارج انتقال می دهد. 

مقداری از هوای تازه نیز از سوراخ های ریزی که روی پانل تعبیه شده، وارد اتاق می شود و عمل Ventilation را انجام می دهد( شکل 4 ).

از آنجایی که پانل های سقف سرد فقط گرمای محسوس فضا را حذف می کنند و به طور کلی قادر به تأمین هوای تازه محیط نیستند، می توانند به طور ترکیبی با یک سیستم Ventilation نه تنها شرایط هوای داخل مناسبی را فراهم می آورد، بلکه بار نهان یا بار ناشی از رطوبت را هم حذف می کند. همچنین کنترل رطوبت فضا نیز توسط این سیستم انجام می شود. از آنجا که در سیستم ترکیبی، Ventilation فقط بار نهان را حذف می کند، حجم هوای مورد نیاز در مقایسه با سیستم های سرمایشی معمول کمتر است. بهترین نتیجه با به کارگیری یک سیستم تهویه جابجایی (DisplacementVentilation )، بدون گردش مجدد هوا فراهم می آید [1]. این سیستم، هوای تازه را با دمای کمتر از دمای اتاق، در سطح پایینی نزدیک کف، وارد اتاق می کند. در نتیجه یک جریان جابجایی یکنواخت، از کف تا سقف به وجود می آید و از طریق دریچه های تعبیه شده در نزدیک سقف از فضا خارج می شود.

مکانیزم انتقال حرارت

دفع حرارت در سیستم های سقف سرد از طریق جابجایی آزاد و تشعشع صورت می گیرد. انتخاب برای بازسازی سیستم های قدیمی می باشد. ( شکل 2) .

رایج ترین نوع سقف سرد ، سیستم های پانلی می باشند.

پشت این پانل ها که معمولاً از صفحات آلومینیوم ساخته شده و در سقف کاذب تعبیه می شوند، لوله های فلزی متصل شده است. نکته قابل اهمیت در ساخت این پانل ها، استفاده از ماده ای با ضریب هدایت حرارتی بالاست که موجب پاسخ سریع سیستم به تغییرات دمایی می گردد ( شکل 3 ).

برخی انواع سقف سرد، از هوا به عنوان سیال عامل استفاده می کنند. درصدی از هوای تغذیه با عبور از داخل پانل، حرارت جذب شده توسط پانل را به خارج انتقال می دهد. 

مقداری از هوای تازه نیز از سوراخ های ریزی که روی پانل تعبیه شده، وارد اتاق می شود و عمل Ventilation را انجام می دهد( شکل 4 ).

از آنجایی که پانل های سقف سرد فقط گرمای محسوس فضا را حذف می کنند و به ابتدا هر یک را به طور جداگانه بررسی کرده و سپس روشی برای محاسبه ترکیب این دو می آوریم .

معادله اساسی برای تشعشع، معادله استفان- بلوتزمان (Stefan – Boltzmann) است :

(1)   

= انتقال حرارات تشعشعی،

= ضریب مرکب شکل و گسیل.

= دمای میانگین تشعشعی سطح سرد یا گرم نشده، (K)

= دمای سطح پانل، (k)

جایی که سطوح زیادی با دماهای متفاوت در مقابل پانل قرار دارند، لازم است که یک دمای میانگین وزنی (AUST) برای سطوح سرد ( یا گرم ) نشده محاسبه کرد . در عمل مقدار ضریب گسیل از سطوح غیر فلزی یا فلزی رنگ آمیزی شده را حدود 9/0 در نظر می گیرند.

بنابراین مقدار ضریب  برای اکثر فضاها حدود 87/0 به دست می آید. با قرار دادن مقدار اخیر در معادله (1)، معادله زیر بدست می آید [2] :

 (2)  

= حرارت منتقل شده به پانل توسط تشعشع،  

= دمای میانگین سطح پانل،

AUST = دمای میانگین وزنی سطوح سرد ( یا گرم ) نشده

مقدار تشعشع جذب شده توسط پانل های سرمایشی در محدوده درجه حرارت های معمول، در شکل 5 دیده می شود . در کاربردهای عمومی با روشنایی فلورسنت، دمای اتاق در سطح 5/1 متری ، نزدیک دمای AUST است. در ساختمان هایی که بار ناشی از دیوارها زیاد می باشد، دمای سطح دیوارها به طور قابل ملاحظه ای از دمای اتاق بالاتر است.

در سیستم های پانلی ، جابجایی معمولاً از نوع جابجایی طبیعی است؛ یعنی حرکت هوا به دلیل گرم یا سرد شدن لایه های مرزی هوا صورت می پذیرد. مقدار انتقال حرارت تابعی است از درجه حرارت سطح پانل و درجه حرارت لایه جریان هوایی که از روی پانل عبور می کند. نفوذ هوای خارج، حرکت افراد و سیستم های تهویه مکانیکی می توانند در فرایند جابجایی طبیعی اغتشاش ایجاد کنند، اما این میزان چندان اهمیتی ندارد. براساس تحقیقات انجام شده، ابعاد اتاق معمولاً تأثیر چندانی بر انتقال حرارت به روش جابجایی طبیعی ندارد، مگر در فضاهای بسیار بزرگ. لذا در کاربری های معمولی مقدار انتقال حرارت جابجایی را از معادله ( 3) محاسبه می کنند [2] .

(3)  

= حرارت منتقل شده از طریق جابجایی آزاد،  

= دمای سطح پانل،

= دمای سطح پانل،

در فضاهای دارای سقف سرد، که بر روی جداره های خارجی آنها، تعداد زیادی روزنه و شکاف وجود دارد، را می توان برابر با AUSTدر نظر گرفت.

با افزودن انتقال حرارت تشعشعی مطابق معادله (2) به انتقال حرارت جابجایی مطابق معادله (3) می توان انتقال حرارت مرکب از سطح یک پانل را محاسبه کرد. در هنگام استفاده از معادله (2) بایدAUST اتاق را بدانیم. در محاسبه AUST، درجه حرارت سطح دیوارهای داخلی را برابر با درجه حرارت اتاق در نظر می گیریم .

آزمایشات انجام شده نشان داده اند اگر مقدار سطوح مشرف به هوای آزاد یک اتاق کم باشد، AUST تقریباً برابر با درجه اتاق است. شکل 6 سرمایش مرکب از تشعشع و جابجایی را نشان می دهد. داده های شکل 6 شامل حرارت حاصل از خورشید لامپ ها، افراد یا تجهیزات نیست و باید این داده ها را از سازندگان دریافت کرد [2].

مزایا و معایب سیستم های سقف سرد

سیستم سقف سرد با بهره گیری از انتقال حرارت تشعشعی بالاتری شرایط آسایش را فراهم می آورد. یکنواختی دمای اتاق و حرکت آرام و نامحسوس هوا، احساس رضایت بخشی برای ساکنین به همراه دارد. از آنجا که هیچ قطعه متحرکی در پانل ها وجود ندارد، سیستم کاملاً بی صدا و بی نیاز از تعمیرات داخل فضای مورد تهویه است.

پراکندگی ذرات معلق و گرد و غبار، به دلیل عدم وجود کوران هوا به حداقل می رسد. سرعت پاسخ به تغییرات در سیستم های تشعشعی بسیار بالاست.

سیستم سرمایش سقفی در دمای کارکرد بالاتری نسبت به سیستم های معمول ( حدود 16 ) عمل می کند. لذا چیلرها در دماهای بالاتری عمل کرده و در نتیجه با افزایش بازده و کاهش مصرف انرژی مواجه خواهیم بود. علاوه بر آن ، با استفاده از پمپ های حرارتی با ضریب عملکرد بالا، برج های خنک کن، سرمایش شبانه و یا ترکیبی از موارد فوق، می توان تجهیزات الکتریکی و مصرف انرژی الکتریکی را به میزان قابل ملاحظه ای کاهش داد. همچنین با ترکیب این سیستم با سیستم های ذخیره سازی انرژی (TES)، می توان پیک بار را به ساعات کم مصرف انتقال داد. توانایی استفاده از سیستم سرمایش مجانی در سیستم سقف سرد نیز، نهایتاً به کاهش مصرف انرژی می انجامد. در سرمایش مجانی، دفع گرما توسط برج خنک کن بسته مرطوب انجام پذیرفته و از چیلر فقط در هوای خیلی گرم استفاده می شود.

شرایط آب و هوایی گرم و خشک و یا معتدل مناسب ترین گزینه برای استفاده از سیسستم های سقف سرد است . در مناطقی که میزان رطوبت هوا زیاد است، احتمال تقطیر (condensation) بر روی سطح پانل ها وجود دارد، که این مسأله ظرفیت سرمایشی پانل را کاهش می دهد.

سرمایش و انتقال آب ، بسیار کم هزینه تر از هواست،چرا که انرژی مورد نیاز پمپ در حدود 5% انرژی مصرفی فن ها در سیستم های هوایی است ( شکل 7 ). در سیستم های ترکیبی نیز به دلیل کاهش حجم هوا، هزینه سرمایش، ابعاد و کانال ها و نیز انرژی مورد نیاز برای انتقال هوا کاهش می یابد. با استفاده از سقف سرد یک مزیت بزرگ دارد و آن صرفه جویی در فضای ساختمان است. به دلیل کاهش حجم هوای تغذیه و در نتیجه کاهش سطح مقطع کانال ها، فضای مفید ساختمان به میزان قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. کاهش ارتفاع هر طبقه به این معنی است که مصالح ساختمانی کمتری در بنای ساختمان مصرف می شود. این کاهش هزینه، برای ساختمان های بزرگ رقم قابل توجهی خواهد بود.

طراحی و مقایسه برای یک پلان نمونه

محاسبات و طراحی سسیستم سرمایشی برای دو سیستم فن کویل و سقف سرد، برای یک پلان نمونه انجام شده است ( شکل 8 ) . پلان مربوط به یک دفتر کار است به ابعاد 3 × 5/3 ×6 متر، واقع در بخش شمالی ساختمان. تعداد افراد حاضر در اتاق 4 نفر است. ساعات کاری از 8 صبح تا 6 بعد از ظهر برای شنبه تا چهارشنبه و 8 صبح تا 1 بعد از ظهر در روز پنج شنبه می باشد. 4 دستگاه کامپیوتر در اتاق موجود است که مجموعاً w 1000 حرارت تولید می کنند.

اتاق دارای دو پنجره رو به شمال به ابعاد 5/1 × 5/1 متر بوده و روشنایی فضا از 8 لامپ فلورسنت 80 واتی تأمین می شود. شرایط طرح داخل فضای فوق به صورت زیر می باشد : دمای خشک 24 و رطوبت نسبی 46% .

مقدار دمای نقطه شبنم نیز 8/11 می باشد. مقدار بار سرمایشی محسوس w 3630 و بار نهان سرمایش w 260 و در نتیجه ، مقدار کل بار سرمایشی برابر با w 3890 خواهد بود.

محاسبات برای سیستم فن کویل ، مقدار جریان آب gpm 9/3 و هوادهی   1020 را به دست می دهد.

برای سیستم سقف سرد لازم است مساحت مورد نیاز پانل و میزان هوای تغذیه ( برای سیستم های ترکیبی ) محاسبه شود. شرایط هوای تغذیه ورودی ( دما و میزان رطوبت) در اختیار طراح است و طراح می تواند با تغییر این دو پارامتر به مقدار بهینه دبی هوا دست یابد. مقدار افزایش درجه حرارت آب پانل را معمولاً  3 در نظر می گیرند. دمای آب ورودی به پانل را هم 5/0 تا 1 بالاتر از دمای نقطه شبنم اتاق در نظر می گیرند. میزان هوای تغذیه ( با دمای 15 و رطوبت   5، 7 برابر با lit/s 80 و مساحت مورد نیاز پانل برای اتاق m² 20 به دست می آید.

هر چند ظرفیت چیلر برای هر دو سیستم یکسان است، اما در عین حال، به این دلیل که دمای آب در سیستم سقف سرد بالاتر از سیستم فن کویل است ، مدت زمان کارکرد چیلر در سقف سرد بسیار کمتر است و زمان خاموشی چیلر افزایش می یابد. همچنین می توان از ذخیره سازی انرژی بهره برد و از بار ذخیره شده، در ساعات پیک استفاده کرده و چیلر را در اوج مصرف خاموش کرد. علاوه بر این در سیستم سقف سیرد می توان از آب برگشتی از کویل هوا ساز ( که در دمایی حدود 13 تا 15 است ) برای آب تغذیه پانل ها استفاده کرد. در این صورت مقدار مصرف انرژی به مقدار زیادی کاهش خواهد یافت.

نتیجه گیری

سیستم سقف سرد با بهره گیری از مکانیزم تشعشعی، قادر است بالاترین شرایط آسایش را فراهم کند . همچنین استفاده از سیستم سقف سرد، کاهش مصرف انرژی را به دنبال خواهد داشت. دمای کارکرد بالا، کاهش حجم هوا، قابلیت ترکیب با سیستم های ذخیره سازی انرژی و سرمایش مجانی، این سیستم را قادر می کند که صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی داشته باشد. از مقایسه سیستم سقف سرد با فن کویل، برتری این سیستم بر سیستم قدیمی فن کویل آشکار شد. لازم است در آینده مقایسه ای کیفی و فنی – اقتصادی میان این سیستم با سایر سیستم ها انجام گیرد. با توجه به شرایط اقلیمی ایران، سیستم سقف سرد می تواند جایگزین مناسبی برای سیستم های سرمایشی معمول باشد.