بررسی جنبه های علمی سرمایش تبخیری

جنبه های آسایشی در تهویه مطبوع تبخیری

در این مقاله مطالب مفصلی راجع به وضعیت حرارتی بدن انسان و شرایطی که باعث ایجاد آسایش حرارتی توسط تهویه ی مطبوع به ویژه تهویه ی مطبوع تبخیری می گردد ارائه شده است. غالبا مهندسان بدون آشنایی با فیزیولوژی بدن و شرایطی که محیط داخل، معماری ساختمان یا بدن انسان باید برای ایجاد آسایش داشته باشند، سعی در طراحی سیستم آسایشی می نمایند.

برخی موارد تهویه مطبوع هدف های صنعتی یا تکنیکی دارند مثلا از تهویه مطبوع در کار خانه های نساجی، تنباکو، مبل سازی، غذایی، شیرینی و شکلات و صنایع شیمیایی یا به منظور خنک کردن ماشین آلات، اجزای برقی حیوانات یا سبزیجات استفاده می شود. اما غالبا برای آسایش بشر است که تهویه مطبوع معنا پیدا می کند که به معنای راحتی و کارآیی بشر است. این آسایش محصولی پیچیده از عوامل متغیر روانی، معماری ساختمان و فیزیولوژی بدن است. این موارد در ادامه به تفضیل شرح داده می شوند.

ترمودینامیک آلی آسایش

به دلیل اینکه افراد دارای توقعات متغیر هستند نمی توان تعریف کامل و ساده ای از آسایش به دست آورد. با این وجود، به نظر می آید این تعریف درست به نظر می رسد که اکثر افراد وقتی دمای عادی بدنشان در دمای 37 درجه ی سانتیگراد نگه داشته می شود بدون آن که بین بدنشان و محیط تبادل انرژی صورت گیرد، احساس آسایش می کنند.

بدن انسان ماشینی است که غذا را می سوزاند و آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می کند و این انرژی شیمیایی را از طریق جریان خون به سراسر بدن منتقل می کند. حدود 20 درصد آن به انرژی ماهیچه ای تبدیل می گردد که 60 تا 70 درصد آن به گرما تبدیل شده و تلف می گردد. حدود 80 درصد از ارزش غذا برای رشد، ترمیم سلولی و گرم کردن بدن به کار می رود. یک انسان معمولا نیاز به دریافت 2000 تا 3000 کالری در روز دارد. این نیاز با اندازه ی هر شخص، میزان کار فیزیکی انجام شده و شرایط محیطی تفاوت می کند.

فرآیند های بدنی معمولا انرژی غذا را به گرما تبدیل می کند حدود 90 درصد کالری های مصرف شده به طور ناگهانی به صورت گرما تبدیل می شود. این گرما از طریق پوست و زبان دفع می شود.

به ویژه این محصول فرعی یا گرمای متابولیک با درجه ی فعالیت و اندازه ی فرد و با نرخ های متابولیسم پایه همان طور که در شکل 1 داده شده است تفاوت می کند. مقادیر نشان داده شده گرمای آزاد در ساعت برای هر شخص در هوای 25.6 درجه ی سانتی گراد است. گرما به طور دائم و به غیر ناگهانی تولیده شده و باید به طور یکنواخت و پایدار به محیط دفع گردد.

شکل 1 - اثر اندازه و جرم ساختمان بر آسایش انسان در محیط داخلی

اگر گرما دفع نگردد، دمای بدن از دمای طبیعی اش (37 در جه ی سانتی گراد) بالا تر رفته و سبب ناراحتی می گردد. اما اگر سریع تر از آن که تولید گردد دفع شود، باعث می شود که دمای سطح بدن و نقاط انتهایی بدن و سر انگشتان افت کرده و محیط برای فرد بسیار سرد احساس گردد.

بنابر این شرایط ایده آل وقتی رخ می دهد که گرمای بدن دقیقا با گرمای متابولیک تولیدی در حالت موازانه بوده به طوری که دمای بدن نه افزایش می یابد و نه کاهش. آسایش وقتی به وجود می آید که که آن منطقه توازن با فعالیت، متابولیسم و پوشش افراد فرق می کند. اندر کنش درجات مجاور، جا به جایی هوا، دمای هوا، دمای تابشی میانگین و رطوبت نسبی نیز مهم هستند (به فصل 8 کتاب ASHRAE HNBK of Fundamentals رجوع  شود).

راه های دفع گرما توسط بدن

بدن راه های گوناگون برای دفع گرمای متابولیک خود دارد، همرفت، تابش، تبخیر و مقدار کمتری رسانایی.

خنک شدن با همرفت همان انتقال گرما از پوست و لباس به هوای محیط است. این انتقال، به طور وسیعی با سرعت دمای هوا و مقدار پوشش لباس تفاوت می کند. وقتی هوا ساکن باشد لایه های ساکن چسبیده به بدن ما را از هوای اتاق، قرنطینه (ایزوله) می کند و در نتیجه انتقال حرارت بسیار کم می شود. هر چه سرعت هوا بالاتر باشد. فیلم یا لایه ی گفته شده نزدیک تر شده و جریان هوا از طریق آن ها بیشتر می شود.

با فرض این که حرکت هوا کافی باشد و هوا خنک تر از پوست بدن باشد، انتقال گرما به روش همرفتی مستقیما با اختلاف دما بین هوا و پوست نیز تغییر می کند. از آن جا که دمای میانگین پوست در تابستان 30.6 در جه ی سانتی گراد تا حد اکثر 34.4 در جه ی سانتی گراد متغیر است، دفع گرما به روش همرفت با افزایش گرما کم شده و کاملا در 34.4 درجه ی سانتی گراد متوقف می گردد. دماهای هوای بالاتر باعث می شود که جریان همرفت گرما به بدن صورت بگیرد و نه از بدن به بیرون، بنابراین مقدار بیشتری از آن باید توسط روس های دیگر دفع گردد.

خنک شدن توسط تبخیر، دفع گرمای بدن به وسیله ی تبخیر عرق از پوست بدن و آب از زبان و مخاط بینی و گذرگاه های تنفسی است. در فرآیند خنک سازی تبخیری، هر پوند آب تبخیر شده حدود BTU 1050 (2.44 KJ/KG ) گرما دفع می کند. بنابراین تبخیر بزرگ ترین عامل حفاظت از بدن در مقابل گرماست. اثر آن با دمای هوا، سرعت هوا و رطوبت نسبی متغیر است.

زیر 23.9 درجه ی سانتی گراد تنها 25 درصد انتقال حرارت شخص نشسته یا ساکن تبخیر است و تعویق قابل توجه می گردد، مقدار آن زیر یک اونس (کمتر از 28.3 درجه ی سلنتی گراد)در ساعت است. اما برای مردان در دمای بین 26.7 سانتی گراد تا 32.2 سانتی گراد تعریق فعال کمتر از زنان است. در 34.4 درجه ی سانتی گراد هوا، وقتی انتقال حرارت همرفتی ناپدید می شود و خنک سازی تابشی صرف نظر کردنی و ناچیز است، تبخیر مسئولیت دفع تمام گرما را دارد.

بالای 34.4 درجه ی سانتی گراد، وقتی انتقال حرارت همرفتی و تابشی به سمت بدن و نه به خارج از بدن می شود تعریق ممکن است تا یک کوارت( حدود یک لیتر) در ساعت افزایش می یابد. برای شتاب بخشیدن به خنک سازی از زبان و مجاری تنفسی، شخص معمولا منقطع و بریده و به سرعت از راه دهان تنفس می کند و از نواحی تر و خیس خود استفاده می کند.

افزایش سرعت هوا به نحو چشمگیری انتقال حرارت ناشی از تبخیر را زیاد می کند. در هوای راکد پوست و لباس حالت چسبانک پیدا کرده و به وسیله ی لایه هایی از هوای راکد که با رطوبت اشباع شده است و توانایی پذیرش بیشتر از آن را ندارد احاطه می شود. بنابراین آهنگ یا نرخ تبخیر، پایین و در درجه ی عدم آسایش و ناراحتی بالاست. افزایش سرعت هوا باعث آوردن هوای تازه در مجاورت پوست و شتاب بخشیدن به تبخیر می گردد. این امر موجب افزایش انتقال حرارت همرفتی شده، بنا براین اثر آن افزایشی و اضافه بر قبل است. عوامل دیگر، دمای موثر میانگین هوا که تولید آسایش می کنند و مستقیما با سرعت هوا تغییر می یابند است. آسایش به وضوح با پنکه ها یا بادزن هایی که سرعت هوای اتاق را0.25 تا m/s 1.02 بالا می برند به وجود می آید. اثر خنک سازی رانندگی در خودرو های روباز با موتور سیکلت ها برای غالب افراد محسوس بوده است.

اما عامل کنترل کننده در خنک سازی تبخیری بدن، رطوبت نسبی هواست. این عامل نشانگر درجه اشباع موجود و نشان دهنده ی توانایی آن برای سرمایش با دریافت رطوبت است. بنابراین دفع تبخیری گرمای بدن به طور معکوس با رطوبت نسبی هوا رابطه دارد. وقتی رطوبت بالاست، دفع گرمای بدن توسط تبخیر ضعیف بوده و مقدار ناراحتی بالاست. تبخیر از سطوح زبان کم است و شخص معمولا احساس خفگی و دم کردگی می کند.

از 34.4 درجه ی سانتی گراد انتقال حرارت همرفتی و تابشی باعث شروع اضافه شدن گرما می کند. بالای این دما، خنک سازی بدن تقریبا کاملا بستگی به تبخیر دارد، مقدار آن را عمدتا رطوبت نسبی معین می کند. وقتی مقدار آن نامطلوب باشد افراد فعالیت بدنی را کم می کنند تا جایی که تولید گرمای متابولیک برابر با ترخ دفع آن باشد.

دلیل آن که بیشتر گرمای بدن به صورت تبخیری دفع می شود، دریافت مربوطه هوای مجاور مشاغل هم گرمای نهان است و هم محسوس.گرمای محسوس باعث افزایش دمای هوا شده در حالی که افزایش گرمای نهان، رطوبت را به صورت بخار تبخیر نموده و آن را با هوا همراه می کند.

مقادیر نسبی گرمای نهان و محسوس در جدول 1 آمده، چه گرمای دفعی به صورت گرمای نهان باشد یا محسوس برای بدن فرقی نمی کند.

جدول 1 : گرمای دفع شده به ازای افراد بر حسب Btuh به ازای هر نفر

خنک شدن توسط هدایت عبارت است از تماس پوست با جسم خنک تر. هدایت از بدن معمولا نامحسوس است زیرا مواد تماس یابنده ای که به نحو کاملی تماس با بدن داشته باشند بسیار محدود هستند، جریان گرما از پاها به کف زمین معمولا توسط کفش یا جوراب متوقف می گردد. پشتی نشیمن صندلی ها اگر از ماده ی هادی بهتر از چوب ساخته شده باشند می توانند در صورتی که لباس سبک بر تن باشد، گرما را از بدن دفع کنند. اما در زمستان صندلی ها سرد هستند. خنک شدن تماسی شاید راهی باشد که در آینده بتوان در کارخانه های فولاد سازی ، هواپیما های جت و سایر موارد خاص از آن استفاده نمود.

امروزه بیشتر، خنک سازی با دوش گرفتن انجام می گیرد. زیرا انتقال حرارت تماسی و همرفتی هر دو افزایش یافته و آب 30 مرتبه بیشتر از هوای راکد برابر قدرت خنک سازی دارد.

اما استفاده از دوش گرفتن برای خنک شدن به نظر می آید عملا محدود باشد و نتوان در همه ی مواقع از آن استفاده کرد.

پدیده ی مهم در خنک سازی هدایتی یا تماسی با نوشیدن مایعات خنک شده با یخ است. آب بلعیده شده گرمای را آن قدر جذب می کند تا دمایش به دمای بدن برسد. به ازای هر درجه ی فارنهایت که دمای اولیه اش پایین تر از دمای بدن باشد، حدود btu/Ib 1 گرما جذب میکند یا به عبارتی Kj/Kg 1 برای هر در جه ی سانتی گراد تا حد اکثر Btu  60 بر نیم لیتر.

الکل، غذاهای خنک و نوشیدنی های دارای همان اثر اما با مقدار کمتر هستند اما از طرفی به دلیل ارزش غذایی که دارند گرما نیز تولید می کنند. افرادی که کار سنگین انجام می دهند تعریق زیادی انجام می دهند و ممکن است 6 تا 7.5 لیتر آب در 24 ساعت بنوشند. کل آب در خنک سازی تماسی دخالت می کند اما مایعات نباید زیاد سرد باشند (مثلا نزدیک دمای یخ زدن )،در غیر این صورت نیز خونی جهت هاضمه افزایش یافته باعث افزایش کار قلب می گردد.

عوامل بدنی حاکم

به طور خلاصه وقتی هوا، محیط یا جسم در تماس زیر 34.4 درجه ی سانتی گراد باشد، بدن گرمای متابولیک خود را توسط همرفت و تابش و تنها  به صورت تماس واقعی دفع می کند. در دماهای بالاتر به جای آن که بدن گرما دفع می کند، به همان طریق گرما می گیرد و موجب افزایش ناراحتی می شود.

خوشبختانه، خنک سازی تبخیری که توسط پوست و مجاری تنفسی انجام می گیرد در تمام دماها موثر است و موجب تعریق می شود. اما نرخ و آهنگ تبخیر به طور عمده ای از رطوبت نسبی و سرعت هوا اثر می گیرد. سرعت هوا بر آهنگ همرفت اثر دارد و دارای اهمیت ویژه ای است:

بنابراین، اگر موضوع لباس، فاصله و تابش در نظر گرفته نشود، عوامل کلیدی بر دفع گرمای متابولیک بدن و در نتیجه آسایش حکم فرمایی کنند عبارتند از:

1. دمای هوا
2. دمای دیوار ها، سقف، یا سایر اجزای محیط (دمای تابشی میانگین MRT)
3. رطوبت نسبی هواشری
4. سرعت گردش هوا

عوامل بالا مشترکا با یکدیگر تعامل دارند. پدیده ی تعریق برای آسایش حداقل با 3 و ترجیحا با 4 عامل بالا درگیر است.

کنترل و محدودیت های دمای بدن

بدن با کنترل دما در اندام های تحتانی (دست ها و پاها) و پوست، دمای اندام های حیاتی را نزدیک به دمای عادی و نرمال نگه می دارد. وقتی این اندام های حیاتی بیش از حد گرم می شوند، قلب جریان خون را از آن ها به سمت پوست افزایش داده باعث می شود سرخ به نظر بیایند و دمای پوست بالا رود. این امر باعث می شود که دفع گرما به محیط افزایش یابد. دفع گرمای متابولیک در هوای مرطوب و داغ نیاز به حداکثر گردش خون دارد که باعث تحرک قلب و حتی ممکن است موجب صدمه به آن می گردد.

بدن نمی تواند در مدت طولانی سطح فعالیتی بالاتر از اهنگ یا نرخ دفع گرمای متناظر و مربوط به آن داشته باشد. وقتی فعالیت سبب تولید طولانی گرما بالاتر از ظرفیت جذب محیط گردد، دمای بدن افزایش می یابد. در نتیجه قلب به ضربان شدید می افتد،  پوست سرخ شده و تنفس سریع می گردد. اگر سطح فعالیت به آرامی کاهش نیابد، خستگی، سردرد، سرگیجه، تهوع، تاری چشم، گرفتگی عضلات، گیجی یا ضعف آن را به آرامی می کاهد. زیرا خون ناکافی به قلب می رسد. در افراد مسن تر یا آن هایی که دارای بیماری قلبی هستند ممکن است سبب مرگ گردد.

کار مدوام در شرایط بد می توند رمای بدن را تا 39.4 درجه ی سانتی گراد بالا ببرد و سبب تپش قلب گردد و در نتیجه دمای بدن ناگهان به 40.6 درجه ی سانتی گراد برسد. در این موقع ممکن است تعریق متوقف گردد و شخص به حالت اغما برود. اگر دمای بدن کاهش نیابد صدمات مغزی پیش آمده و مرگ شخص ممکن است رخ بدهد.

عوامل معماری یا روانی

فرآیند های فیزیولوژیکی آسایش و راحتیست که در بالا به آن اشاره شد از چند عامل قابل پیش بینی تاثیر می گیرند. مثلا تعیین کننده های آسایشی نظیر دمای حباب خشک داخل و دمای MRT (دمای کتوسط تابشی) که به سختی اندهزه گیری می شود به طور مستقل با : (1) منابع گرمای داخل، (2)امتداد سمت ساختمان نسبت به خورشید، (3) عایق بندی و عایق سازی (سایبان های بیرونی و باز تابش )، (4) ابعاد آن و (5) جرم آن متغیر است.

دو مورد آخر بیشتر در نظر گرفته می شوند زیرا هرچه یک ساختمان بزرگ تر باشند، فاصله ی ممکن بین افراد درون آن  و سقف و پنجره ها و دیوار های تابش کننده ی گرما بیشتر است؛ تقریبا فارغ از MRT به افراد تابش کمتری می رسد و سطح آسایش بالا می رود.

ساختمان های بزرگ و دارای جرم زیاد باعث محافظت افراد با جرم بیشتر، دیوار ها، سقف ها، کف ها و سایر عوامل نازک کاری ساختمان می شود. این ساختمان ها ظرفیت انبار سازی و نگهداری بیشتری داشته و موجب تاثیر بیشتر می گردد و باعث می شود که افراد در مقابل گرمای تابشی یا هوای گرم داخل حداقل ممکن را بگیرند.

گرمای بیرونی که به این جرم های سنگین داخل می شود تمایل دارد که به جای هدایت از آن ها به درونشان ذخیره گردد. بنابراین ورود گرما به اتاق ها به نحو قابل ملاحظه ای به تاخیر می افتد. در حالتی که ساختمان اداری است، گرمای روز تا غروب داخل نمی شود یعنی تا زمانی که کارمندان ساختمان را تخلیه می کنند.

کل گرمای ورودی به اتاق ها به نسبت مقداری که ذخیره می گردد کاهش می یابد. در حقیقت، در انتهای بعد از ظهر، با کاهش دمای هوای بیرون، وقتی که تابش آفتاب به دیوار های به خصوصی قطع می شود، مقداری از گرمای ذخیره شده به بیرون بر می گردد و مقدار جریان آن به درون کم تر می گردد.

عوامل معماری بالا، معمولا در محاسبات در نظر گرفته نمی شوند عواملی که کمتر می توان آن را محاسبه نمود، اثرات روانی نظیر رنگ های فضاهای درونی است. رنگ های سفید، آبی و سبز روشن احساس خنکی به وجود می آورند و نارنجی، قرمز و قهوه ای احساس گرمی که همگی به شرایط فیزیکی نامربوط هستند.

این موارد می توانند احساسات مربوط به تابش یا محیط و جو را افزایش داده یا تعامل با یکدیگر داشته باشند. در حقیقت، نقاشی داخل مناسب نارضایتی در اتاق های مشکل خنک شو یا مشکل گرم شو را کاهش می دهد.

به همین ترتیب این موضوع در مورد رضایت انسان با شرایط محیط داخل نیز وجود دارد. در اینجا به نظر می آید آسایش و راحتی بستگی دارد به موارد ناراحتی؛ هر چه شرایط مجیط بیرونی به نظر شخص بدتر آید، بهبود در شرایط وضعیت داخلی که به او ارائه می شود ارزش بیشتری دارد، به همین شکل هرچه شرایط کار صنعتی داغ تر باشد، جت هایی که برای سرمایش نقطه ای یا موضعی به کار می روند به نظر کارگران راحتی بیشتری تولید می کنند. در حالی که منطقه ی آسایش که در زیر تشریح می گردد این را نشان می دهد. یعنی وجود خنک سازی از نبود آن بهتر است. 

به دلیل آن که عوامل معماری و روانی قابل اندازه گیری نیستند، محاسبات رسمی آسایش معمولا آن هارا در نظر نمی گیرند و فقد با دما، رطوبت، سرعت گردش هوا و MRT هوای داخل سر و کار دارند. از آنجا که اندازه گیری MRT در محل به طور فزاینده ای مشکل است، معمولا فرض می شود که معمولا برابر با دمای حباب خشک هوای داخل است و در ساختمان های خوب عایق سازی و سایه سازی ضعیف هستند مقدار آن معمولا بالاتر از دمای حباب خشک داخل است و در ساختمان های خوب عایق سازی شده و سایه سازی شده معمولا کمتر است.

تحلیل آسایش نسبتا کاری است پر دردسر و تجربی، مهندسان نباید فراموش کنند که عوامل زیادی دخیل هستند که ممکن است در نظر گرفته نشوند.

مطالب و محصولات مرتبط 

سرمایش تبخیری، انواع آن، و امکان پذیری آن در اقلیم های ایران

مقایسه سیستم های سرمایش تبخیری و سیستم های تهویه مطبوع تراکمی

برچسب ها :