دودکش خورشیدی

افزایش روز افزون جمعیت و تقاضای انرژی و همچنین آلودگی های زیست محیطی ناشی از سوخت های فسیلی، بشر را بسوی استفاده از انرژی های تجدیدپذیر هدایت نمود. در این میان، نیروگاه دودکش خورشیدی یکی از انواع سامانه هایی است که برای استحصال انرژی بسیار پرکاربرد است. به دلیل پایین بودن بازده این سیستم، بهینه سازی جهت ارتقاء کارایی سیستم در این مقاله مورد توجه قرار گرفته است. در این راستا، بهینه سازی دودکش خورشیدی برای رسیدن به بالاترین توان در حالت تئوری انجام شده است. تابع هدف این مطالعه، توان خروجی سیستم در نظر گرفته شده است. متغیرهای طراحی، اجزای هندسی سیستم شامل؛ ارتفاع و شعاع دودکش، ارتفاع و شعاع کلکتور و فاصله توربین از زمین را در بر می گیرند. در پیاده کردن الگوریتم بهینه سازی، از روش گرادیان پایه برنامه ریزی متوالی درجه دو استفاده شده است و مقادیر بهینه ی متغیرها برای رسیدن به بیشینه توان خروجی حاصل شد

سرمایش یکی از تاثیرگذارترین فاکتورهادر تامین آسایش حرارتی است. سیستم های خنک کننده منفعل برای فضاهای مسکونی می توانند به مصرف منابع طبیعی غیر قابل تجدیدکمک کند. هدف این پژوهش بررسی عملکرد تلفیق بادگیرودودکش خورشیدی،صرفه جویی در میزان مصرف انرژی وکاهش مشکلات زیست محیطی می باشد.این مطالعه با بررسی انجام گرفته روی خانه رسولیان در شهر یزد به عنوان نمونه موردی و شبیه سازی، شیوه عملکرد بادگیر و تاثیر الحاق دودکش خورشیدی در بهبود عملکرد تهویه طبیعی، وتاثیرآن بر میزان آسایش حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است . نتایج نشان میدهد که الحاق دودکش خورشیدی و ایجاد مکش هوابه صورت طبیعی و بهره گیری ازآب در مسیر حرکت هوا، تاثیر بسزایی برروی دماورطوبت نسبی، بصورت طبیعی وبدون استفاده از هرگونه انرژی غیر طبیعی، به ایجادآسایش حرارتی در آن مکان داشته است .

امروزه انرژی یکی از مهم ترین شاخصه های اقتصادی است و تامین آن از ابزارهای سیاسی دولت ها به شمار می رود. با توجه به محدودیت منابع انرژی و روند روبه رشد بهای آن، اقدامات بسیاری در جهت کاهش مصرف آن انجام شده است. از آنجا که بیشترین میزان مصرف انرژی مربوط به بخش ساختمان است (حدود 40 درصد از کل مصرف انرژی) و بخش عمده آن صرف سرمایش، گرمایش و تهویه می شود؛ راهکارهای طراحی غیرفعال، کمک قابل توجهی به کاهش مصرف انرژی می کنند. یکی از روش های تهویه غیرفعال در ساختمان، استفاده از دودکش خورشیدی است که عملکردی آن شبیه عملکرد بادگیر در غیاب باد است. بدین ترتیب که دودکش خورشیدی با کمک انرژی تجدیدپذیر خورشید و با به کارگیری پدیده اثر دودکشی در یک کانال هوا، تهویه مورد نیاز فضاهای مجاور خود را فراهم می کند. با توجه به اقلیم های متنوعی که در ایران وجود دارد، به منظور مطالعه کارایی دودکش خورشیدی در اقلیم های مختلف ایران، مدل دودکش خورشیدی متصل به یک اتاق فرضی، در چهار شهر به عنوان نمونه انتخاب شده از چهار اقلیم ایران بررسی شدند. به دلیل عدم دسترسی به نمونه های اجرا شده، شبیه سازی کامپیوتری به عنوان روش جایگزین برای مطالعات میدانی انتخاب شده است. نتایج ارائه شده، برگرفته از شبیه سازی با کمک نرم افزار انرژی پلاس است. در این تحقیق پس از مشخص شدن مناسب ترین اقلیم برای استفاده از دودکش خورشیدی، عوامل دیگر موثر بر عملکرد دودکش خورشیدی در یک اقلیم خاص، بررسی می شوند.

افزایش روز افزون مصرف انرژی حاصل از سوخت های فسیلی از یک سو و آلودگی های تولید شده توسط آن از سوی دیگر همواره دغدغه ی جایگزینی انرژی های پاک و تجدید پذیر به جای سوخت های فسیلی را در ذهن بشر ایجاد کرده است. تولید الکتریسیته از طریق انرژی پاک می تواند راه حلی مناسب برای کاهش انتشار آلاینده ها و جلوگیری از گرمایش روز افزون زمین باشد. از در دسترس ترین انواع انرژی های تجدید پذیر می توان به انرژی خورشیدی اشاره کرد که می توان از آن در تولید الکتریسیته در نیروگاه های دودکش خورشیدی استفاده کرد. هدف از این پژوهش ، تلاش برای تشخیص روند تغییرات سرعت جریان در طول دودکش در اثر تغییرات ایجاد شده برروی هندسه ی دودکش به منظور یافتن هندسه ی بهینه بوده است. برای این منظور از نرم افزار انسیس فلوئنت بر پایه دینامیک سیالات محاسباتی جهت حل مدل های ارائه شده استفاده شده است. نتایج حاکی از آن است که تغییر هندسه تاثیر قابل توجهی بر سرعت جریان و در نتیجه توان نیروگاه خواهد داشت. همچنین با در نظر گرفتن رابطه ای متناسب میان هندسه و شرایط محیطی از جمله ارتفاع محل نیروگاه می توان به توان مطلوب تری دست یافت.

سهم عمده ای از مصرف انرژی با بهره گیری از تجهیزات مکانیکی تأمین می گردد. روش طراحی غیرفعال می تواند به حفظ شرایط حرارتی آسایش در ساختمان ها و کاهش مصرف انرژی کمک کند. به طور خاص، اجرای دودکش های خورشیدی در جهت تهویه هوای داخلی ساختمان باعث کاهش راندمان انرژی می شود. در این مقاله یک ارزیابی عملکرد آسایش حرارتی در یک ساختمان دولتی با و بدون ادغام دودکش خورشیدی توسط برنامه شبیه سازی دیزاین بیلدر مدل سازی شده و با استفاده از روش دینامیک سیالات (CFD) به بررسی توزیع دمایی و نحوه جریان هوا پرداخته شد که نتایج نشان داد که ادغام دودکش های خورشیدی می تواندPMV (میانگین رأی پیش بینی شده) را به میزان 55 درصد نسبت به ساختمان پایه کاهش دهد و مقادیر آن به بازه استاندارد اشری 55 و ایزو7730 نزدیک گردد. در ادامه تحقیق آزمایش-هایی بر ایجاد حفره تحتانی دودکش انجام گرفته شد که مکش هوای بیرون به داخل دودکش را به عهده دارد و نتایج آن به افزایش عملکرد دودکش های خورشیدی و نزدیک کردن به معیار آسایش حرارتی فنگر انجامید. بطوریکه معیار آسایش حرارتی PMV از 63/4 واحد به میزان 56/2 واحد و میانگین دمای هوای اتاق ها در گرم ترین ماه سال (جولای) از 21/36 درجه سانتی گراد به 61/33 درجه رسید که میانگین دما، مقدار 6/2 درجه سانتی گراد کاهش پیدا کرده است. به طورکلی، سیستم ترکیبی دودکش خورشیدی و با تزریق هوا از کف آن، میزان تهویه بالاتری را در محیط داخلی ایجاد می کند و پتانسیل بالاتر آن را به عنوان یک سیستم تهویه غیرفعال در اقلیم گرم خودنمایی می کند.

تهویه غیرفعال روشی کم مصرف از لحاظ انرژی است که می تواند هوای نامطلوب داخل را از ساختمان خارج کند. یکی از روش های تهویه غیر فعال استفاده از دودکش خورشیدی است که در یک کانال هوا، با استفاده از انرژی خورشید و با کمک پدیده اثر دود کشی تهویه فضاهای مجاور، تأمین می شود. در این پژوهش ابتدا عوامل مؤثر بر کارآیی دود کش خورشیدی از جمله مصالح، عرض دیوار جاذب، مساحت خروجی هوا از دود کش بررسی شد. سپس تأثیر تعداد طبقات بر نرخ تهویه مورد مطالعه قرار گرفت و در نهایت در یک جدول مساحت فضاهایی که در طبقات مختلف دود کش خورشیدی قادر به تأمین نیاز تهویه آن است، ارائه شد. همچنین عملکرد دود کش خورشیدی در فصول سرد سال بررسی شد. به دلیل رایج نبودن ساخت دود کش های خورشیدی، امکان دسترسی به نمونه های اجرا شده وجود ندارد، از این رو شبیه سازی کامپیوتری مدل ها، در نرم افزار انرژی پلاس به عنوان روش جایگزین برای مطالعات میدانی انتخاب شد. مدل های دود کش خورشیدی متصل به یک ساختمان اداری هفت طبقه در اقلیم گرم و خشک شهر اصفهان در روز 31 تیرماه به عنوان نماینده یک روز گرم و ماه های گرم به صورت میانگین مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش ارتفاع دود کش خورشیدی، قدرت تهویه آن را بالا می برد. همچنین مناسب ترین مصالح و ابعاد بهینه دیوار جاذب، ورودی و خروجی هوا نیز مشخص شد. 

باوجود بحران های زیست محیطی و کاهش ذخایر سوخت های فسیلی نیاز به راهکارهای توسعه پایدار و معماری پایدار به منظور مدیریت مصرف انرژی و کاهش زیان های خطرناک انسانی بیش ازپیش احساس می شود. در این راستا به منظور افزایش آگاهی دانشجویان و طراحان بایستی آموزش های تخصصی معماری پایدار در حوزه دروس دانشگاهی قرار گیرد. ازآنجایی که ساختمان های مسکونی بخش مهمی از مصرف انرژی را در کشور شامل می شوند، بایستی میزان اثربخشی این راهکار بر نحوه طراحی ساختمان های مسکونی در شهر تهران موردبررسی قرار گیرد. این پژوهش از منظر روش شناسی پیمایشی است و دارای دو بخش کیفی و کمی است که در بخش کیفی به بررسی مبانی نظری مربوطه و در بخش دوم پرسشنامه هایی در اختیار 20 نفر از اساتید و دانشجویان معماری به منظور بررسی میزان اثربخشی آموزش های معماری پایدار بر نحوه طراحی خانه های مسکونی شهر تهران گذاشته شده است و برای تعیین اعتباریابی پرسشنامه از نرم افزار Smart PLS2 استفاده شده و به جهت اولویت بندی داده ها از آزمون فریدمن در نرم افزار SPSS استفاده شده است و درنهایت نتایج حاصله بیانگر آن است آموزش های معماری پایدار در سطح اجتماعی (دانشجویان، بالا بردن آگاهی مردم و درنهایت کارفرمایان) بیشترین تأثیر را داشته و در بالا بردن کیفیت محیط داخلی ساختمان به نسبت اثربخشی کمتری داشته است.

از آنجا که40٪ از مصرف انرژی مربوط به بخش ساختمان است و بخش عمده آن صرف سرمایش و گرمایش می شود، راهکارهای طراحی غیرفعال، کمک قابل توجهی به کاهش مصرف انرژی می کند. یکی از روش های تهویه غیرفعال، استفاده از دودکش خورشیدی است که با کمک انرژی تجدیدپذیر خورشید و با به کارگیری پدیده اثر دودکشی در یک کانال هوا، تهویه مورد نیاز فضاهای مجاور خود را فراهم می کند. به دلیل عدم دسترسی به نمونه های مختلف اجرا شده، شبیه سازی کامپیوتری به عنوان روش جایگزین برای مطالعات میدانی انتخاب شده است. نتایج ارائه شده، برگرفته از شبیه سازی مدل های مختلف دودکش خورشیدی متصل به یک ساختمان اداری هفت طبقه با کمک نرم افزار انرژی پلاس است. مدل های مختلف با ابعاد متفاوت دودکش خورشیدی با هم مقایسه شدند. همچنین مدل ها در صورتی که همه طبقات به دودکش خورشیدی متصل باشند و در حالت هایی که هر طبقه به صورت منفرد به دودکش متصل باشد، شبیه سازی شده اند. در این تحقیق، تاثیر به کارگیری دودکش خورشیدی بر تهویه فضاهای متصل به آن در اقلیم گرم و خشک شهر اصفهان بررسی شده است. همچنین مساحت فضاهایی که دودکش خورشیدی با ابعاد بهینه، در هر طبقه قادر به تامین تعویض هوای مورد نیاز آن است، مورد توجه قرار گرفته است.

مباحث مربوط به معماری پایدار از مهمترین جریان های معماری معاصر به حساب می آیند. بخش قابل توجهی از مصرف انرژی کشور در ساختمان های مسکونی برای فراهم آوردن آسایش حرارتی مصرف می شود. از جمله مواردی که در تامین آسایش ساکنان نقش بسزایی ایفا می کند بحث تهویه و چگونگی جریان هوا می باشد. یکی از روش های تهویه غیرفعال، استفاده از دودکش خورشیدی است که با کمک انرژی تجدیدپذیر خورشید و با به کارگیری پدیده اثر دودکشی در یک کانال هوا، تهویه مورد نیاز فضاهای مجاور خود را فراهم می کند. لذا تحقیق حاضر با هدف ارائه راه کاری ساده و اجرایی، به صورت مداخله در وضع موجود معماری انجام گرفته است. روش انجام این تحقیق با توجه به ماهیت میان رشته ای آن، یک روش ترکیبی است. ابتدا از مطالعات کتابخانه ای برای مبانی پژوهش یاری گرفته شده است. با استفاده از یک راهبرد تجربی، متغیرهای مستقل تاثیر گذار و متغیر وابسته مشخص گردید و به دلیل عدم دسترسی به نمونه های مختلف اجرا شده، شبیه سازی کامپیوتری به عنوان روش جایگزین برای مطالعات میدانی انتخاب شده است. شبیه سازی در این پژوهش با روش دینامیک سیال محسباتی صورت پذیرفت. برای این امر ابتدا روایی و پایایی شبیه سازی ها از طریق تطبیق با شواهد تجربی و آزمایشگاهی در مقاله ای مشابه به اثبات رسید که نتایج این بخش با 4% خطا مورد پذیرش واقع شد. این موضوع حاکی از دقت مناسب روش استفاده شده و شبکه بندی بود. سپس اقدام به تجزیه و تحلیل داده ها و متعاقبا مداخله در معماری از طریق شبیه سازی شد. در این پژوهش با انتخاب 6 گونه ی مختلف اتاق به لحاظ ابعاد، تهویه طبیعی و تحلیل رفتار جریان هوا با در نظر گرفتن عملکرد همزمان دودکش خورشیدی و پنجره، و در دو ارتفاع مختلف(9/0 متر برای فرد نشسته و 5/1 متر برای فرد ایستاده) از طریق شبیه سازی و با استفاده از نرم افزار اتودسک سی اف دی 2018 مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج این پژوهش نشان داد که سرعت تهویه ارتباط مستقیمی با عمق اتاق دارد. بهینه ترین ابعاد اتاق در راستای تهویه اتاق 4در 3 و 5در 3 می باشد. همچنین در ارتفاع ایستاده حداقل سرعت تهویه در قسمت انتهایی فضاها دیده می شود و در ارتفاع نشسته به جز قسمت ابتدایی و انتهایی اتاق کمترین میزان سرعت در محدوده یک سوم انتهای اتاق می باشد.