بهینه سازی انرژی

انتقال گرما (یا گرما) انرژی در جریان ناشی از اختلاف دماست. هرگاه اختلاف دمایی در یک ماده یا بین دو ماده وجود داشته باشد، انتقال گرما رخ می­دهد. به ­دلیل وجود اختلاف درجه حرارت در فضای داخل ساختمان و محیط بیرون حرارت از طریق جداره­های ساختمان به بیرون و یا بالعکس در فصول گرم از بیرون به داخل ساختمان منتقل می­شود. بخش اعظم تلفات حرارت در ساختمان از طریق جداره­های ساختمان (دیوارها، سقف، کف و پنجره­ها) صورت می­گیرد.

گرما اصولا به 3 طریق هدایت( Conduction ), همرفت( Convection )و تشعشع ( Radiation ) انتقال می­یابد.

در انتقال حرارت هدایتی، حرارت از مولکول های گرم یک جسم به مولکول های سردتر منتقل می گردد، بدون آنکه ذرات ماده جابجایی قابل ملاحظه ای داشته باشند. فرآیند انتقال گرما را می­توان با استفاده از معادله های نرخ مناسب به صورت کمی درآورد. از این معادله ها می توان برای محاسبه مقدار انتقال انرژی استفاده نمود. برای یک دیوار تخت یک بعدی مطابق شکل (2-1-) با دماهای متفاوت در دوطرف دیوار ( T₂ و T₁ ) معادله انتقال گرما به صورت زیر نوشته می شود:

انتقال حرارت از دیوار، از سطح گرم به سطح سرد

Q= K/D *A(T₂-T₁)

A (m²)، مساحت سطح

T₁ (°C) ، دمای سطح سردتر

T₂ (°C) ، دمای سطح گرمتر

k (W/mK) ، (ضریب هدایت حرارتی (مربوط به جنس جداره

d (m) ، ضخامت جداره

q (W) ، میزان انتقال گرما

در این معادله ثابت تناسب k یک خاصیت انتقالی است که ضریب هدایت حرارتی نام داشته و مقدار آن به جنس ماده بستگی دارد همچنین پارامتر q بیان­کننده میزان گرمای منتقل­شده از طریق جدار، از سطح گرمتر به سطح سردتر است.

در اینجا به یکی از مفاهیم مهم در معادله انتقال گرما توجه کنید. در حقیقت بین بخش گرما و بار الکتریکی تشابهی وجود دارد. همان طوری که مقاومت الکتریکی با رسانایی الکتریکی ارتباط دارد، مقاومت گرمایی هم با رسانایی گرما رابطه دارد. اگر مقاومت را به عنوان نسبت پتانسیل رانش (اختلاف دما) به نرخ انتقال گرمای مربوطه تعریف کنیم، از معادله بالا مقاومت گرمایی معادل خواهد بود با:

R=d/k 

نرخ انتقال گرما را می­توان بر حسب اختلاف دمای کلی، و مقاومت گرمایی کلی R_t، به صورت زیر بیان کرد:

Q=ΔT.A/R_t  

از معادلات فوق و مفهوم مقاومت گرمایی می­توان برای سیستم های پیچیده­تری مانند دیوار مرکب نیز استفاده نمود. این دیوارها شامل مقاومت­های سری گرمایی هستند که در اثر لایه­های مختلف دیوار به­وجود می­آیند. به دیوار سری مرکب در شکل زیر توجه کنید. نرخ انتقال گرما برای این سیستم را می­توان به صورت زیر نوشت:

انتقال حرارت از دیوار مرکب

Q=(T₂ –T₁ ).A/R_T 

که در آن T₂-T₁ اختلاف دمای کلی است و نماد  جمع کلیه مقاومت های گرمایی را شامل می­شود.

برای سیستم های مرکب، اغلب آسانتر است که با ضریب انتقال گرمای کلی کار شود که با عبارت زیر تعریف می شود:

Q = UA(T₂-T₁)   

U ، ضریب انتقال حرارتی جدار است که عبارتست از مقدار گرمایی که از واحد سطح یک جداره منتقل می­شود درحالیکه اختلاف دمای طرفین آن یک درجه سانتی گراد است. واحد اندازه گیری این کمیت W/m²K می­باشد.

ضریب انتقال حرارتی U با مقاومت حرارتی ارتباط دارد و از معادلات فوق ملاحظه می­شود که:

U = 1/R_t 

این نوع از انتقال حرارت مربوط به انتقال با وجود یک سیال است. ما در این بخش انتقال گرمای جابه جایی بین یک سیال در حال حرکت و یک سطح جامد که در دماهای متفاوتی اند را بررسی می­کنیم. شکل مناسب معادله نرخ انتقال به صورت زیر است:

Q=Ha(T_S -T_∞)  

که در آن q میزان گرمای جابه جایی به اختلاف دما بین دمای سطح Ts ، و سیال T_∞ بستگی دارد. ثابت تناسب (h  (W/m²K ، ضریب انتقال گرمای جابه جایی نام دارد که مقدار آن به هندسه سطح و ماهیت جریان سیال و بعضی از خواص ترمودینامیکی و انتقال سیال وابسته است.

برای انتقال گرمای جابه جایی از یک سطح نیز می­توان یک مقاومت گرمایی تعریف کرد

     R_t,conv=1/h

در صورتیکه بین دو سطح اختلاف دما وجود داشته باشد گرما از سطح گرمتر به سطح خنک­تر می­تابد. میزان تابش به عواملی همچون ضریب ثابت تشعشع، مساحت و اختلاف دمای دو سطح بستگی دارد

       Q = C.A(T₁⁴-T₂⁴  )

هوا از طریق بازشوهای ساختمان، منافذ، درزها و شکاف­ها به ساختمان وارد و یا از آن خارج می‌شود. نفوذ هوا علاوه ­بر افزایش مصرف انرژی، سطح راحتی ساکنین را تحت تاثیر قرار می‌دهد. همچنین به دلیل رطوبتی که در هوا وجود دارد، ممکن است باعث زنگ زدن و پوسیدگی مواد تشکیل دهنده پوشش ساختمانی شود. به منظور اندازه­گیری نفوذ هوا در ساختمان می­توان از روش گاز ردیاب استفاده نمود. تکنیک‌ گاز ردیاب، معمولا برای اندازه‌گیری نرخ‌های تهویه در ساختمان‌ها بکار می‌رود. چرخش هوای ساختمان را می‌توان با مانیتورکردن تزریق و پراکندگی گاز ردیاب (که گازی است بی‌اثر، بی‌خطر و به آسانی با هوا ترکیب می‌شود) تخمین زد.

تزریق گاز ردیاب در مدت کوتاهی انجام شده و سپس قطع می‌شود. سپس در زمانهای بعدی، پراکندگی گاز ردیاب مانیتور می‌شود. میزان تهویه به وسیله نرخ تغییر هوا بر ساعت ( ACH ) داخل ساختمان اندازه‌گیری می‌شود و از تغییرات زمانی پراکندگی گاز ردیاب تعیین می‌شود.

C₀ ، مشخص کننده میزان پراکندگی اولیه گاز ردیاب است و V_bldg ، حجم ساختمان را نشان می­دهد.

یک روش دیگر برای اندازه­گیری نفوذ هوا در ساختمان استفاده از دستگاه blower door است. دستگاه blower door تغییرات نرخ جریان حجمی هوا را با اختلاف فشار بین داخل و خارج ساختمان مشخص می‌نماید. معمولا برای انجام اندازه‌گیری­ها چندین مقدار اختلاف فشار فرض می‌شود و یک رابطه بدست می‌آید:

V=C.ΔPⁿ

ELA= Vref.√P/2*ΔP

V، نرخ جریان حجمی هوا

D p ، اختلاف فشار

ELA ، مساحت موثر نشتی

C و n ضرایب همگرایی

ELA ، برآوردی از سطح معادل حفره‌های پوشش ساختمان که نشتی از طریق آن­ها ممکن است اتفاق افتد، ارایه می‌دهد. در این روش میزان دقیق نشتی مشخص نمی‌شود و معمولا برای ساختمان­های مسکونی و کوچک کارایی دارد.

نحوه انجام آزمایش blower door