جانمایی مناسب چیلر های هوا خنک و افزایش کارایی

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 این چیلرها 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 چیلرها اثر گذاشته و دمای هوای ورودی به کندانسور هواخنک 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. 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.

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. این می‌تواند به‌عنوان جهت ورودی هوای چیلر نسبت به جهت باد غالب هم فرض شود. 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 جهت‌گیری چیلر

وقتی‌که جهت باد، عمود بر ورودی‌های هوای چیلر ( طولی) است، افزایش در سرعت باد به افزایش در دمای هوای ورودی منجر می‌شود. در این حال ورودی جلویی چیلر اول 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.

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.

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.

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

بالعکس، وقتی‌که ورودی‌های هوا عمود بر جهت باد قرارگرفته‌اند؛ 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. 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. 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.

اثر فاصله از ساختمان

دمای هوای ورودی هرچه قدر که فاصله میان ساختمان و چیلرها کاهش پیدا کند، افزایش می‌یابد. 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.

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.

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. این بررسی مشخص می‌کند که اثر افزایش فاصله بر دمای هوای ورودی، بعد از فاصله 10 فوت یا 3 متر، اهمیت کمتری خواهد داشت.