مواد تغییر فاز دهنده

هدف نوشتار حاضر معرفی مواد تغییر فاز دهنده و کاربرد آن در ساختمان به منظور ذخیره سازی و مصرف بهینه انرژی می باشد. در دهه های اخیر، مواد مذکور و ویژگی های منحصر بفرد آن در کشورهای پیشرفته مورد توجه قرارگرفته و این در حالی است که در کشور ما وجوه تحقیق و کاربرد آن ناشناخته مانده است. شناخت و بکارگیری مناسب قابلیت ها و خواص فیزیکی این مواد می تواند به طور طبیعی چندین ساعت در انتقال حرارت به ساختمان در ساعات اوج مصرف انرژی تاخیر ایجاد نماید. این مواد بدون استفاده از تجهیزات مکانیکی، به صورت هوشمندانه، و تنها از طریق تمایل ذاتی به تغییر فاز، به طور طبیعی خود را به نوسانات دمایی محیط تطبیق داده و کاهش مصرف انرژی را به دنبال خواهد داشت.

در این پروژه دو نمونه سیستم ذخیره سازی انرژی سرمایشی برای مصارف تهویه مطبوع در یک ساختمان اداری بصورت مجزا از جنبه های اگزرژی، اقتصادی و زیست محیطی در دو فرایند شارژ و تخلیه مورد تحلیل، بهینه سازی و مقایسه فنی-اقتصادی قرار گرفته است. یک سیستم شامل یک مخزن ذخیره سازی یخ (ITES) و یک سیستم شامل مخزن ذخیره سازی انرژی حاوی مواد تغییر فاز دهنده (PCM) می باشد. بازده اگزرژی و نرخ هزینه کلی سیستم به عنوان توابع هدف در نظر گرفته شده اند. متغیرهای تصمیم گیری شامل دمای آب ورودی به هواساز (T3)،دمای آب بازگشتی از هواساز (T4)، دمای مخزن ذخیره سازی یخ (TST)، دمای اشباع مبرد در اواپراتور (T5)، دمای اشباع مبرد در کندانسور (T8) هستند. در ادامه، بهینه سازی چندهدفه با استفاده از الگوریتم ژنتیک چند هدفه با مرتب سازی نامغلوب (NSGA-II)روی کل سیستم صورت گرفت و مقادیر بهینه پارامترهای طراحی و توابع هدف به دست آمدند. در پایان عملکرد سیستم های مدل شده از نقطه نظر میزان برق مصرفی و همچنین میزان نشر گاز و نیز مدت زمان بازگشت سرمایه با یک سیستم سرمایشی معمول در یک مطالعه موردی مقایسه شد. نتایج حاکی از کاهش 4.59% و 7.58% مصرف برق و همچنین کاهش سالانه 17.8% و 27.2% تولید گاز بترتیب برای سیستم های ITES و PCM در مقایسه با سیستم معمول است.

خانه های بومی اقلیم گرم و خشک ایران، همواره شرایط آسایش حرارتی را برای ساکنین خود به همراه داشته اند. اما ساختمان های امروزی بی توجه به طراحی های اقلیمی، سهم بالایی از مصرف انرژی را برای ایجاد تهویه مناسب به خود اختصاص داده است. امروزه آلودگی های ناشی از تولید انرژی و صرفه جویی در مصرف آن، از مباحث جدی در رشته های مرتبط از قبیل معماری است. یافتن و استفاده از مواد و مصالحی که مصرف انرژی را به حداقل برساند از وظایف محققان و معماران می باشد. مواد تغییر فاز دهنده می تواند با جذب و ذخیره انرژی حرارتی خورشید در طول ساعات روز و آزاد کردن آن در ساعات سرد، به طور مستقیم در صرفه جویی مصرف انرژی سهیم باشند. این تحقیق از طریق مطالعه و بررسی منابع کتابخانه ای و تحلیل و توصیف آن ها، به بررسی ویژگی های مورد استفاده در ساختمان های بومی و سنتی، و با علم به اینکه تغییرفازدهنده ها در کاهش مصرف انرزی ساختمان موثر هستند، به بررسی روش های بکاربردن این مواد در بخش های مختلف ساختمان می پردازد. نتایج پژوهش نشان می دهد امکان بهره گیری از طراحی های اقلیمی به کار رفته در سقف های گنبدی و مسطح، دیوارهای قطور و ابعاد و تعداد پنجره خانه های سنتی اقلیم گرم و خشک در خانه های امروزی که بدون توجه به مسائل اقلیمی و با مصالح غیر بومی و نامناسب برای این اقلیم ساخته می شوند وجود ندارد و لازم است از روش هایی مانند تعبیه مواد دوفازی در همان بخش های ساختمان های بومی استفاده کرد.

اهداف: در معماری سده اخیر ایران استفاده از روش های آسایش حرارتی ایستا فراموش شده و جای خود را به روش های پویا داده اند که در کنار محدودیت ها و بحران های زیست محیطی، هزینه های گزاف و بعضاً کاهش دسترسی به انرژی الکتریکی را موجب شده است؛ در نتیجه لزوم استفاده از عناصر و روش های ایستا به ویژه در اقلیم های گرم که انرژی الکتریکی بیشتری مصرف می شود ضروری می نماید. یکی از مهم ترین عناصر معماری سنتی ایران بادگیر است که به سبب سادگی عملکردی و استفاده از انرژی باد همچنان دارای قابلیت کارکردی است. همچنین در سالیان اخیر به کارگیری فناوری های نوین در ساختمان، همچون مواد تغییر فاز دهنده، باعث احیای روش های ایستا و صرفه جویی قابل ملاحظه در مصرف انرژی شده اند. لذا پژوهش حاضر تلاش نموده است تا با کاربرد این مواد در ساختار بادگیر به بهبود عملکردی آن در ایجاد سرمایش ایستا کمک نماید. روش ها: پژوهش توسط مدل سازی جریان هوا در کانال بادگیر در نرم افزار فلوئنت و مقایسه دمای ورودی و خروجی آن انجام گرفته است. در این راستا سه مدل- فایبرگلاس و دو نوع مواد تغییر فاز دهنده با دمای پافشاری متفاوت به عنوان پوشش دیواره بادگیر- آزموده شد. یافته ها: آزمون مدل ها نشان داد که پوشش مواد تغییر فاز دهنده بسیار بیشتر از پوشش فایبرگلاس (حداقل بین °C ۴/۵ تا °C ۵/۵) در کاهش دمای خروجی بادگیر موثر بوده اند. نتیجه گیری: این میزان از سرمایش، حداقل سه ماه از فصل گرما و مدتی از شبانه روز در اقلیم گرم و مرطوب قشم را پوشش می دهد و نقش زیادی در کاهش مصرف برق ایفا خواهد نمود.

اهداف: در معماری سده اخیر ایران استفاده از روش های آسایش حرارتی ایستا فراموش شده و جای خود را به روش های پویا داده اند که در کنار محدودیت ها و بحران های زیست محیطی، هزینه های گزاف و بعضاً کاهش دسترسی به انرژی الکتریکی را موجب شده است؛ در نتیجه لزوم استفاده از عناصر و روش های ایستا به ویژه در اقلیم های گرم که انرژی الکتریکی بیشتری مصرف می شود ضروری می نماید. یکی از مهم ترین عناصر معماری سنتی ایران بادگیر است که به سبب سادگی عملکردی و استفاده از انرژی باد همچنان دارای قابلیت کارکردی است. همچنین در سالیان اخیر به کارگیری فناوری های نوین در ساختمان، همچون مواد تغییر فاز دهنده، باعث احیای روش های ایستا و صرفه جویی قابل ملاحظه در مصرف انرژی شده اند. لذا پژوهش حاضر تلاش نموده است تا با کاربرد این مواد در ساختار بادگیر به بهبود عملکردی آن در ایجاد سرمایش ایستا کمک نماید. روش ها: پژوهش توسط مدل سازی جریان هوا در کانال بادگیر در نرم افزار فلوئنت و مقایسه دمای ورودی و خروجی آن انجام گرفته است. در این راستا سه مدل- فایبرگلاس و دو نوع مواد تغییر فاز دهنده با دمای پافشاری متفاوت به عنوان پوشش دیواره بادگیر- آزموده شد. یافته ها: آزمون مدل ها نشان داد که پوشش مواد تغییر فاز دهنده بسیار بیشتر از پوشش فایبرگلاس (حداقل بین °C ۴/۵ تا °C ۵/۵) در کاهش دمای خروجی بادگیر موثر بوده اند. نتیجه گیری: این میزان از سرمایش، حداقل سه ماه از فصل گرما و مدتی از شبانه روز در اقلیم گرم و مرطوب قشم را پوشش می دهد و نقش زیادی در کاهش مصرف برق ایفا خواهد نمود.

ساختمان ها در سطح جهانی 40 درصد از مصرف انرژی را به خود اختصاص می دهند و بخش قابل توجهی از این انرژی سهم کنترل دمای ساختمان می شود. یکی از راه حل های جدید جهت کاهش مصرف انرژی در ساختمان و استفاده از منابع تجدید پذیر انرژی استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در مصالح و اجزای ساختمان می باشد. در این مطالعه، کارآیی حرارتی یک لایه PCM آلی در سقف و دیوارهای یک ساختمان در دو اقلیم گرم-مرطوب (بوشهر) و سرد-خشک (همدان) با هدف کاهش مصرف انرژی، بهبود شرایط آسایش داخلی، کاهش نوسان دمای داخلی ساختمان و یکنواخت کردن مصرف انرژی ساختمان در طول شبانه روز شبیه سازی شد. از این رو مدل یک بعدی انتقال حرارت با روش تفاضل محدود صریح و با استفاده از نرم افزار C++ حل و نتایج به دست آمده با نتایج تجربی سایر تحقیقات مشابه مقایسه شد. ماده ی تغییر فاز دهنده، پارافین C18 با دمای تغییر فاز 28 درجه ی سانتیگراد است. به منظور ارزیابی شرایط بهینه ی کاربرد PCM، ضخامت های یک، دو و سه سانتی متری ماده ی تغییر فاز دهنده، شرایط متفاوت آب و هوایی در دو شهر بوشهر و همدان در طول یک سال و جهت گیری های متفاوت دیوار مطالعه شد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که ضخامت سه سانتی متری بهترین عملکرد را دارا می باشد و استفاده از یک لایه ی سه سانتیمتری PCM با دمای تغییر فاز 28 درجه سانتیگراد، شار حرارتی ورودی به ساختمان از طریق سقف را تا 30 درصد در بوشهر و 47 درصد در همدان در فصل تابستان کاهش می دهد. همچنین حداکثر دمای داخل ساختمان در فصل بهار در هر دو اقلیم 2 درجه سانتیگراد و در فصل تابستان به ترتیب 4 و 2 درجه در همدان و بوشهر کاهش یافته است. بهترین عملکرد ماده ی تغییر فاز دهنده در دیوار، مربوط به دیوار جنوبی و در ماه هایی از سال است که میانگین دمایی نزدیک به دمای تغییر فاز دارند.