تأثیر پوشش نهایی کف، بر میزان مصرف انرژی و نرخ انتقال حرارت در سیستمهای گرمایش از کف

• صفحه اصـــلی
• مرکز دانش
• مقالات و استانداردها
• تأثیر پوشش نهایی کف، بر میزان مصرف انرژی و نرخ انتقال حرارت در سیستمهای گرمایش از کف

1-  مقدمه

شاید بتوان گفت، حرکتهای مبتکرانه بسیاری که اجداد ما در زمینه چگونگی مصرف انرژی از خود به جای گذاشته اند، به دلیل نبود انرژی ارزان و قابل دسترس بوده است. همچنین آنها برای ادامه حیات، مجبور به بکارگیری تمام امکانات خود در جهت مصرف بهینه انرژی می شدند. وقوع بحران انرژی در دهه 70 میلادی و همچنین رشد  5/7درصدی مصرف انرژی در بخش خانگی، جامعه ی مدرن امروزی را بار دیگر مجبور کرد همانند نیاکانش مقوله ی صرفه جویی در مصرف انرژی را احیاء کند.

موارد عمده ی مصرف انرژی در ساختمانها شامل گرمایش، سرمایش، آب گرم مصرفی، روشنایی، پخت و پز و لوازم خانگی هستند. دراین میان سیستمهای گرمایشی، سرمایشی و تهیه آب گرم مصرفی در حدود60 درصد از مصارف انرژی خانگی و تجاری را به خود اختصاص می دهد. در این راستا نقش سیستمهای گرمایشی ساختمانهای مسکونی در کنترل و بهینه سازی مصرف انرژی مهم و قابل تأمل می باشد. یکی از سیستمهای گرمایشی که در سالهای اخیر در کشور های اروپایی، آمریکایی و حتی در ایران متداول شده است سیستم گرمایش از کف، یا به عبارت دیگر، گرمایش از پایین ترین سطح ممکن، جهت به وجود آوردن بالاترین سطح آسایش در مقایسه با سیستمهای دیگر می باشد.

قدمت گرمایش از کف به سالهای دور حدود 1200 سال قبل از میلاد بر می گردد. اقوام قدیمی مختلفی از این نوع گرمایش استفاده می کردند. ایرانیان، رومی ها و همچنین  کره ای ها (در کره روشی به نام Andol به معنای سنگ گرم مرسوم بوده است) هر کدام به نحوی از این نوع گرمایش استفاده می کرده اند{1}

به طور کلی سه نوع روش برای گرم کردن کف وجود دارد:

1- سیستم گرمایش از کف با هوای گرم

2- سیستم گرمایش از کف با جریان الکتریسیته

3- سیستم گرمایش از کف با آب گرم

سیستم گرمایش کفی با آب گرم از دو روش دیگر مقرون به صرفه تر است. در این نوع سیستم گرمایشی، معمولأ دمای آب گرم موجود در لوله های گرمایش از کف بین 45 الی 55 می باشد. اخیرأ از زوایای متفاوتی به مقوله ی گرمایش از کف پرداخته شده است. از جمله آنها می توان به مزایا، معایب، صرفه جویی در مصرف انرژی، صرفه اقتصادی و  بررسی سطح آسایش اشاره کرد. طی تحقیقات به عمل آمده و مقایسات صورت گرفته بین گرمایش کفی و سیستمهای گرمایشی سنتی با توجه به موارد ذیل می توان30 الی40 درصد در مصرف انـرژی صرفه جویی کرد. سطح وسیع حرارتی تابشی و کاهش  3 الی5 دمای طرح داخل نسبت به سیستمهای سنتی، کاهش دمای متوسط آب در گردش، کاهش زمان کار سیستمهای مولد حرارت، تغییر ساعت پیک بار ساختمان به ساعتهای کم مصرف، کاهش اتلافات حرارتی از طریق کف وکناره ها به دلیل عایق کاری، پایین آمدن اتلاف از سقف به دلیل عدم تجمع حرارت در زیر سقف، تقلیل تلفات حرارتی از طریق نفوذ و تجدید هوا به دلیل سهم 60 درصدی انرژی تابشی در این نوع سیستمها{2}. اما با توجه به وارداتی بودن این نوع سیستم به صورت امروزی در کشور ما، بهتر است با نگرشی کاربردی، مطابق با فرهنگ ساخت و ساز رایج، همچنین نوع معماری و دکوراسیون داخلی (سنتی و نوین) به این موضوع پرداخت. به طور مثال با بررسی انجام شده بر روی سیستم گرمایش از کف در شرایط اقلیمی شهر تهران، معلوم شد ساختمانهایی که مقاومت حرارتی دیوارهای خارجی آنها کمتر از  () 2 است، به نقطه آسایش نخواهند رسید{3}. دراین راستا یکی از مواردی که باید مورد مطالعه قرار بگیرد، مبحث پوشش نهایی کف در ساختمانها می باشد. در کشور ما هنوز بسیاری از خانواده ها فرش را به عنوان پوششی مطلوب انتخاب می کنند و تمایلی به استفاده از سرامیک یا مصالح مشابه که از راندمان حرارتی بیشتری هم برخوردار است ندارند. با توجه به اهمیت موضوع دراین مقاله به بررسی تأثیر پوشش نهایی کف بر نرخ شارهای حرارتی از جمله هدایت حرارتی، تشعشعی و جابجایی و تأثیر آن بر میزان مصرف انرژی پرداخته شده است. همچنین در ادامه تأثیر تغییرات دمای کف، بر نرخ انتقال حرارت تشعشعی و جابجایی بررسی شده است.

2-معادلات و شرایط طراحی

2-1- بررسی ساختار کلی و شرایط مؤثر در انتقال حرارت   

حرارت در سیستمهای گرمایش از کف ابتدا به صورت هدایت از لوله به کف و سپس توسط جابجایی و تشعشع به محیط (وسایل منزل، انسان، جداره ها و هوا) منتقل می شود. شکل(1)

2-2- عوامل مؤثر در انتقال حرارت هدایتـــی از لوله تا کف

فواصل بین لوله ها (m)T، ضخامت لایه های روی لوله (m)، ضریب هدایت حرارتی لایه ها (W/mK)، مقاومت حرارتی پوشش نهایی کف ()،  قطرخارجی لوله (m) و درصورت داشتن غلاف (m)، ضریب هدایت حرارتی لوله و غلاف () و همچنین اختلاف دمای متوسط آب در گردش K))، فاکتورهای مؤثر بر شدت انتقال حرارت در روش هدایت محسوب     می شوند.

 شکل (2) نمونه ای از یک نوع کف سازی معمول که در محاسبات زیر مورد استفاده قرار گرفته است را نشان می دهد{4}.  

شار حرارتی از لوله به کف از طریق معادله ی (1) محاسبه می گردد{4}:

که در آن:

همچنین

برای بدست آوردن باید از معادله (2) استفاده کرد:

که در این معادله ()دمای داخل اتاق، ()دمای آب رفت و ()دمای آب برگشت از سیستم می باشد. با توجه به شکل (2) و همچنین معادله (1) علاوه بر عواملی چون نوع و ضخامت لایه های روی لوله، فاکتوری مانند مقاومت حرارتی پوشش نهایی کف() نیز در میزان شار حرارتی مؤثر خواهد بود. در جدول (1) مقاومت حرارتی انواع متداول پوشش نهایی کف که در محاسبات نیز منظورگردیده اند، آورده شده است {5}.

2-3- عوامل مؤثر در انتقال حرارت تشعشعی ازکف به محیط

دمای مؤثر سطح کف ()، دمای میانگین وزنی سطوح سرد یا گرم نشده(AUST)، ضریب زاویه تابش ()، ضریب گسیلمندی پوشش نهایی کف، ضریب گسیلمندی جداره ها ()، عوامل اثربخش در نرخ انتقال حرارت تابشی از کف به محیط هستند.

جهت بدست آوردن نرخ شار تشعشعی از اجسام چندین معادله پیشنهاد شده است. با توجه به معادله (3) طبق استاندارد ASHRAE ،  نرخ شار تشعشعی برابر است با{6}:

که ()ضریب استیفان بولتزمن،ضریب شکل، ()دمای مؤثر سطح، () دمای سطوح سرد مجاور یا همان (AUST) است.  که خود به عواملی چون  مساحت سطوح جانبی،  ضریب تابش جداره ها و  دمای سطحی جداره ها بستگی دارد، از معادله (4) بدست می آید:

همچنین (ضریب شکل)  با توجه به معادله (5) تعیین می شود:

همانطور که گفته شد ضریب گسیلمندی پوشش نهایی کف می باشد، که به نوع و جنس پوشش کف بستگی دارد.

2-4-معادله انتقال حرارت جابجایی

 در گرمایش از کف انتقال حرارت جابجایی به صورت طبیعی صورت می گیرد. هوای گرم شده در تماس با سطح کف به دلیل اختلاف چگالی به وجود آمده به آرامی حرکت کرده و جای خود را به هوای سردتر می دهد. آرامی جریان هوا در انتقال حرارت به روش جابجایی طبیعی باعث رشد کیفیت نسبی 50 الی60 درصدی انتقال حرارت تشعشعی  می شود . به عبارتی شار تشعشعی در سیستمهای گرمایش از کف یا مشابه آن، به دلیل کم کاری  شار جابجایی، فرصتی مناسب جهت ابراز وجود به دست خواهد آورد. جهت محاسبه نرخ شار حرارتی جابجایی از سطوح، بسته به شرایط قرارگرفتن سطح گرم، فرمولهای تجربی بسیاری پیشنهاد شده است. با توجه به معادله (6) طبق استاندارد ASHRAE، جهت سطوح افقی (گرمایش از کف) شار انتقال حرارت جابجایی به دست خواهد آمد:

3- بررسی پارامترهای مؤثر بر انرژی حرارتی مورد نیاز گرمایش از کف

به منظور بررسی اثر عوامل مختلف بر میزان انرژی مصرفی در سیستم گرمایش از کف، یک ساختمان نمونه به مساحت زیربنای 150 در شهر شیراز در نظر گرفته شده است. ساختمان مذکور دارای کاربری مسکونی بوده و در 2 طبقه ساخته شده است. ضریب انتقال حرارت کلی دیوارها () 92/1، برای بام () 2 و برای کف () 98/1 می باشد. پنجره ها از نوع معمولی تک  لایه و با قاب فلزی در نظر گرفته شده اند. برای تأمین گرمایش مورد نیاز ساختمان از روش گرمایش از کف، فرض شده که از لوله های پنج لایه به قطر نامی  D=16mm، ضریب هدایت حرارتی و ضخامت جداره ی  استفاده شود. لوله ها به فاصله ی  از یکدیگر نصب می گردند و روی آنها  بتن ریخته می شود. ضریب هدایت حرارتی لایه های روی لوله ها ()= بوده و    در نظر گرفته شده است. بدین ترتیب مقدار B در رابطه (1)، در حدود () 7/6 بدست می آید. ابتدا تأثیر نوع پوشش کف ساختمان بر شار حرارتی کف بررسی گردید. بدین منظور از جدول (1) برای تعیین مقاومت حرارتی پوشش های مختلف کف استفاده شده و این مقادیر به مقاومت حرارتی کف اضافه شدند. سپس محاسبات شار حرارتی کف و میزان مصرف گاز در طول ماههای سرد سال انجام شد که نتایج آن در اشکال (3) و (4) نشان داده شده است.

همانطور که ملاحظه می گردد با افزایش مقاومت حرارتی پوشش کف نرخ شار هدایتی از لوله به کف تمام شده، کاهش خواهد یافت و در نتیجه  مصرف انرژی گاز به طور چشمگیری (تا 5/1 برابر) افزایش می یابد.

حرارت پس از عبور از لایه های روی لوله در نهایت از طریق هدایت به کف تمام شده می رسد و پس از آن به دو روش تابش و جابجایی به محیط و اشیاء انتقال می یابد. همانند آنچه که در بخش قبل گفته شد خصوصیات فیزیکی پوشش نهایی کف، در این حالت نیز تعیین کننده است. اما در اینجا خصوصیتی نظیر  (ضریب گسیلمندی جسم) از اهمیت بیشتری برخوردار است. مسئله ی کیفیت و کمیت تابش یکی  از اصلی ترین فاکتورها در سیستم گرمایش از کف به حساب می آید، و به شکلی باعث رشد و گسترش آن شده است.

در جدول (2) ضریب گسیلمندی چند نوع از مواد متداول آورده شده است{7}:

برای بررسی اثر ضریب گسیلمندی بر شار حرارتی کف، از معادلات (3)، (4)، (5) استفاده شده است. در این معادلات فرض شده که(ضریب شکل برای صفحه تخت)، و (دمای مؤثر سطح ). سپس مقادیر ضریب گسیلمندی سطوح مختلف از جدول (2) در معادلات مذکور جایگذاری شدند. نتیجه های این معادلات در شکل (5) نمایش داده شده اند. این شکل میزان تغییرات شار تشعشعی را به ازای تغییر نوع پوشش کف نمایش می دهد.

همانطور که ملاحظه می گردد با کاهش ضریب گسیلمندی جسم (مانند فرش)، نرخ شار تشعشعی نیز کاهش می یابد. دمای کف نیز یکی از فاکتورهای مهم در سیستمهای گرمایش از کف است که با تغییر آن نرخ شار تشعشعی و جابجایی نیز کاهش و یا افزایش می یابد. شکل (6) این تغییرات را نشان می دهد.

نسبت شار تشعشعی به جابجایی هرچقدر بیشتر باشد در نتیجه کیفیت انرژی نیز بالاتر خواهد رفت و این موضوع بسیار حائز اهمیت است. به طور معمول و تجربی گفته می شود که این نسبت حدود 60 درصد است. یعنی60 درصد انرژی کل که از کف به محیط داده می شود، از طریق تشعشع صورت می گیرد. یکی از عواملی که این درصد را افزایش و یا کاهش می دهد دمای کف می باشد. شکل (7) که با استفاده از معادلات (3) و(6) به دست آمده است، این تغییرات را نشان می دهد.

بدین ترتیب مشاهده می شود که اگر دمای کف افزایش یابد اثر انتقال حرارت تشعشعی در مقایسه با انتقال حرارت جابجایی کاهش یافته و لذا کیفیت انرژی نیز کاهش می یابد .

4- نتیجه‌گیری

طی بررسی انجام شده در این مقاله مشخص شد، در صورت استفاده از فرش به عنوان پوشش نهایی کف در ساختمانهایی که از سیستم گرمایش از کف استفاده می کنند، کاهش چشمگیری در حدود 5/1 برابر در نرخ انتقال حرارت هدایتی از کف و در مقابل افزایش 25 درصدی مصرف گاز را به دنبال خواهد داشت. از جهت دیگر به دلیل پایین بودن ضریب گسیلمندی فرش، شار تشعشعی از کف حدود 70 درصد کاهش می یابد. به دلیل کاهش تابش در نتیجه کیفیت انرژی نیز کاهش می یابد. همانگونه که ملاحظه شد، استفاده از فرش باعث بالا رفتن مصرف انرژی و کاهش شرایط آسایش در سیستم گرمایش از کف خواهد شد. بنابر این در این راستا جهت طرح و محاسبه ی این نوع سیستمها باید عاملی نظیر نوع پوشش کف نیز مورد توجه بیشتری قرار بگیرد. به دلیل اهمیت کیفیت انرژی در سیستمهای گرمایش از کف، هر چقدر نسبت شار تشعشعی از کف به شار جابجایی بیشتر باشد شرایط راحتی بیشتری به وجود می آید، با توجه به بررسی انجام شده در این مقاله مشخص شد که تغییرات دمای کف نیز می تواند باعث افزایش یا کاهش نسبت شار تشعشعی به جابجایی شود. باتغییر دمای کف از 24 تا 31 درجه سانتی گراد، نسبت  انرژی از 60 درصد به 53 درصد کاهش می یابد. پس با دمای کف پایین تر کیفیت انرژی بالاتری حاصل خواهد شد.

مراجع

{1} شریف، مهدی سیستمهای گرمایش کفی با استفاده از لوله های پلیمری و پلیمری فلزی و کاربرد آنها در پروژه های ساختمانی  

{2} ساروخانی، علی، تأثیر سیستمهای گرمایش کفی در میزان مصرف انرژی، اولین همایش بهینه سازی مصرف سوخت کشور.

{3} امیدوار، امیر و معرفت، مهدی، عایقکاری نامطلوب، محدودیتی در استفاده از سامانه های گرمایش از کف ساختمان، پنجمین همایش بهینه سازی مصرف سوخت در ساختمان، اردیبهشت ماه 1385

{4} British Standard iEN 1264-21997                                              

{5} طبا طبایی پور، سید علی، اطلاعات جامع نیوپایپ، 1384

{6} ASHRAE systems and equipment handbook 2000

{7} Watson,Richard and Chapman,Kirby,Radiant Heating and Coling HandBook

{8} RADIANTEC. Energy Efficient Radiant Heating System Company