ذخیره حرارتی

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو
مزیب ذخیره حرارتی در ساختمان‌های دارای جدار‌ه‌های سنگین و ساختمان‌هایی که جداره‌های سبک دارند در این نمودار نشان داده‌شده است.

ذخیرهٔ حرارتی یا توده حرارتی (به انگلیسی: Thermal mass) به روش یا ایده‌ای گفته می‌شود که در طراحی ساختمان برای مقابله با نوسانات شدید دمای داخلی ساختمان به کار برده می‌شود.

در زمانی که دمای هوای بیرون ساختمان بالا هست جداره‌ها و سازهٔ سنگین و چگال ساختمان انرژی حرارتی را در خود ذخیره می‌کند و در شب که دمای محیط بیرونی سرد می‌گردد انرژی گرمایی را به صورت انتقال تابشی، همرفتی در درون ساختمان آزاد می سازد. کمک روش ذخیرهٔ حرارتی بدون نیاز به وسایل گرم کنند یا سرد کننده می توان دمای ساختمان را در اقیلم‌هایی که اختلاف دمای روز و شب زیاد است متعادل نگه داشت.

منابع[ویرایش]

  • ویکی‌پدیا انگلیسی

<

مزیب ذخیره حرارتی در ساختمان‌های دارای جدار‌ه‌های سنگین و ساختمان‌هایی که جداره‌های سبک دارند در این نمودار نشان داده‌شده است.

ذخیرهٔ حرارتی یا توده حرارتی (به انگلیسی: Thermal mass) به روش یا ایده‌ای گفته می‌شود که در طراحی ساختمان برای مقابله با نوسانات شدید دمای داخلی ساختمان به کار برده می‌شود. [۱]

در طراحی ساختمان، توده حرارتی خاصیتی از یک توده ساختمانی است که با تآمین اینرسی در برابر نوسانات درجه حرارت، آن را قادر به ذخیره حرارت می کند.گاهی اوقات به عنوان اثر چرخ لنگر حرارتی شناخته شده است. به عنوان مثال، هنگامی که درجه حرارت خارجی در طول روز نوسان دارد، یک جرم حرارتی بزرگ درون بخش عایق شده می تواند به "کمتر شدن "نوسانات روزانه درجه حرارت در یک خانه کمک کند، از آنجا که جرم حرارتی هنگامی که محیط اطراف درجه حرارتی بالاتر از توده دارد انرژی حرارتی جذب خواهد کرد ، و به هنگامی که محیط اطراف خنک تر است بدون رسیدن به تعادل حرارتی , انرژی حرارتی پس می دهد .این متمایز از ارزش عایق بودن یک ماده است که باعث کاهش رسانایی گرمایی ساختمان می گردد که اجازه می دهد آن را نسبتامجزا از خارج گرم و یا سرد کرد ، یا حتی فقط انرژی حرارتی ساکنان را بیشترحفظ کرد.

از نظر علمی، جرم حرارتی معادل ظرفیت حرارتی یا ظرفیت گرمایی، توانایی بدنه برای ذخیره الگو:انرژی حرارتی است. این به طور معمول با نماد Cth نشان داده می شود و در واحد J/°C یا J/K که اندازه گیری می شود. جرم حرارتی همچنین ممکن است برای توده ای از آب, ماشین آلات یا قطعات دستگاه، موجودات زنده، و یا هر ساختار یا توده ای درمهندسی و یا زیست شناسی ،مورد استفاده قرار گیرد. در این زمینه عبارت {ظرفیت گرمایی} به طور معمول استفاده می شود.

پیشینه[ویرایش]

معادله ای که انرژی حرارتی به جرم حرارتی مرتبط میسازد این است:

که در آن Q انرژی حرارتی منتقل شده می باشد، Cth جرم حرارتی بدنه است و ΔTتغییر در درجه حرارت است. به عنوان مثال، اگر 250 J انرژی گرمایی به یک دنده مسی با جرم حرارتی 38.46 ژول بر درجه سانتی گراد اضافه گردد، درجه حرارت آن 6.50 درجه سانتیگراد افزایش می یابد. اگر بدنه شامل یک ماده همگن با خواص فیزیکی شناخته شده باشد، جرم حرارتی به سادگی از ضرب جرم ماده حاضر در ظرفیت گرمایی ویژه آن ماده است. برای بدنه هایی ساخته شده از مواد بسیار، مجموع ظرفیت حرارتی برای اجزاء خالص آن ها می تواند در محاسبات مورد استفاده قرار گیرد. و یا در برخی موارد(به عنوان مثال، برای یک حیوان کامل) ممکن است به سادگی تعداد برای کل بدنه به طور مستقیم اندازه گیری گردد. به عنوان ویژگی اضافه، ظرفیت گرمایی مشخصه یک شی است،مشخصه ویژه مربوط به آن ظرفیت گرمایی ویژه، که از ضرب میزان ماده مانند جرم یا تعداد مول در واحدهای مشابه جهت دستیابی به ظرفیت گرمایی کل بدنه از مواد است.تعریف می شود. بنابراین ظرفیت گرمایی می تواند به طور معادل از حاصل ضرب جرم بدنه "m" و ظرفیت گرمایی ویژه "c" برای ماده يا حاصل ضرب تعداد مول n مولکول حاضر و ظرفیت گرمایی ویژه مولی " " محاسبه می شود. برای بحث در مورد چرایی متفاوت بودن توانایی ذخیره سازی انرژی حرارتی مواد خالص، لینک عواملی که بر ظرفیت گرمایی ویژه تاثیر می گذارند را مشاهده کنید. برای یک بدنه با ترکیب یکنواخت، مقدار " " را میتوان از رابطه زیر تخمین زد:

که در آن"m" جرم بدن و " "ظرفیت گرمایی ویژه ایزوبریک ماده است که میانگین روی محدوده دما مد نظر باشد.. برای بدنه هایی که از مواد مختلف متعددتشکیل شده اند، جرم های حرارتی برای اجزای مختلف فقط باید با هم جمع شوند.

جرم حرارتی در ساختمان[ویرایش]

جرم حرارتی در بهبود آسایش ساختمان در هر جا که این نوع ازنوسانات درجه حرارت روزانه را تجربه می کند، موثر است ، چه در زمستان و چه در تابستان. زمانی که از جرم حرارتی به درستی و همراه با طراحی غیر فعال خورشیدی استفاده شود , جرم حرارتی می تواند نقش مهمی در کاهش عمده استفاده ازانرژی در سیستم های گرمایش و خنک کننده فعال بازی کند. واژه های سنگین وزن و سبک وزن اغلب برای توصیف ساختمان ها بااستراتژی های مختلف جرم حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد و بر انتخاب عوامل عددی مورد استفاده در محاسبات بعدی و برای توصیف پاسخ حرارتی آنها به سرمایش و گرمایش تاثیر می گذارد. در خدمات مهندسی ساختمان،استفاده از نرم افزار محاسباتی مدل سازی شبیه سازی دینامیک برای محاسبه دقیق عملکرد زیست محیطی در داخل ساختمان با ساختارهای مختلف و برای مجموعه داده های مختلف سالانه آب و هوا مجازاست. این به معمار یا مهندس اجازه می دهد که به بررسی جزئیات رابطه بین سازه های سنگین وزن و سبک وزن و همچنین سطح عایق بندی در کاهش مصرف انرژی برای سیستم های گرمایش یا سرمایش مکانیکی یا حتی از بین بردن نیاز به چنین سیستم هایی بپردازد.

خواص مورد نیاز برای جرم حرارتی مطلوب[ویرایش]

مواد ایده آل برای جرم حرارتی آنهایی هستند که ویژگی های زیر را داشته باشند:

  • ظرفیت گرمایی ویژه بالا
  • دانسیته بالا

هرجامد، مایع یا گاز که جرم داشته باشد مقداری جرم حرارتی دارد.یک تصور غلط و رایج این است که تنها بتن یا خاک زمین دارای جرم حرارتی است در صورتی که حتی هوا دارای جرم حرارتی است اگر چه مقدار بسیار کمی. جدول ظرفیت حرارتی حجمی برای مصالح ساختمانی در اینجا در دسترس است، اما توجه داشته باشید که تعريف جرم حرارتی در آن ها کمی متفاوت است.

استفاده از جرم حرارتی در آب و هوای متفاوت[ویرایش]

استفاده صحیح از جرم حرارتی وابسته به آب و هوای غالب در یک منطقه است.

معتدل و سرد آب هوای معتدل[ویرایش]

جرم حرارتی در معرض تابش خورشیدی[ویرایش]

الگو:جرم حرارتی به طور ایده آل در داخل ساختمان قرار داده شده به گونه ای که هنوز بتواند در معرض نور خورشید که در زمستان با زاویه کم از طریق پنجره می تابد قرار گیرد اما در برابر از دست دادن حرارت عایق شده است. در تابستان همان جرم حرارتی ،برای جلوگیری از حرارت دادن بیش از حد به ساختمان در برابر نور خورشید تابستان پنهان باشد. جرم حرارتی به روش منفعلانه توسط خورشید یا سیستم های داخلی گرمایشی در طول روز گرم می شود و سپس انرژی حرارتی ذخیره شده در جرم در طول شب دوباره به فضای داخلی منتشر باز میگردد. ضروری است که آن را همراه بااصول استاندارد طراحی غیر فعال خورشیدی استفاده کرد. هر نوع جرم حرارتی را می توان استفاده کرد. دال بتنی پایه در معرض یا پوشیده شده با مواد رسانا نظیر کاشی ; یک راه حل آسان است. یکی دیگر از روشهای جدید این است که مکان نمای بنایی خانه های با قاب چوب در داخل قرار گیرد (('روکش آجری معکوس'). جرم حرارتی در این شرایط بهتراست که در یک سطح بزرگ استفاده شود تا اینکه در حجم زیادی یا ضخامت زیادی مورد استفاده قرار گیرد. ضخامت 7.5 – 10 سانتی متر (3-4") اغلب کافی است. از آنجا که مهم ترین منبع انرژی حرارتی از خورشید است، نسبت لعاب به جرم حرارتی یک عامل مهم برای در نظر گرفتن است. فرمول های مختلف برای تعیین این ابداع شده اند.[2] به عنوان یک قاعده کلی، جرم حرارتی اضافی در معرض انرژی خورشیدی به نسبت 6 تا 8 به یک برای تمام قسمت های رو به خورشید(شمالی در نیمکره جنوبی یاجنوبی در نیمکره شمالی) و لعاب بالای 7 درصد از مساحت کل طبقه.باید مورد استفاده قرار گیرد. برای مثال خانه 200 m2 با 20متر مربع جداره رو به خورشید 10% از لعاب کل طبقهرا دارد؛ 6 m2 از آن لعاب به جرم حرارتی اضافی نیاز خواهد داشت. بنابراین، با استفاده از نسبت 6-8:1 فوق، 36 – 48 m2 جرم حرارتی در معرض تابش خورشیدی مورد نیاز است. الزامات دقیقاز آب و هوا به آب و هوای دیگر متفاوت است.


یک کلاس درس مدرن با تهویه طبیعی با باز کردن پنجره ها و جرم حرارتی در معرض تابش از کف بتن صلب به کنترل درجه حرارت فصل تابستان کمک می کند.

توده های حرارتی برای محدود کردن بیش از حد و حرارت تابستانی[ویرایش]

جرم حرارتی به طور ایده آل در داخل ساختمان جایی که از آن دربرابرتابش مستقیم خورشیدی محافظت گردد اما در معرض ساکنان ساختمان باشد، قرار می گیرد.بنابراین اغلب همراه با اسلب کف بتنی صلب در ساختمان هایی با تهویه طبیعی یا با تهویه مکانیکی کم مصرف استفاده می شود که بتن های سقفی درمعرض فضای اشغال شده است. در طول روز گرما از خورشید از ساکنین ساختمان و هر برق و تجهیزات, درجه حرارت هوا در داخل فضا افزایش می دهند اما این حرارت توسط دال بتنی در معرض سقفی جذب میشود ، بنابراین افزایش درجه حرارت در داخل فضا در سطوح قابل قبول برای آسایش حرارتی انسانی محدود .می گردد. علاوه براین سطح پایین دمای دال بتنی گرمای تابشی از ساکنین را نیز جذب می کند تا از آسایش حرارتی خود بهره ببرند. در پایان روز دال به نوبه خود گرم است و حالا با کاهش درجه حرارت خارجی گرما می تواند منتشر شد و دال خنک گردد تا اماده برای شروع روز بعد باشد. با این حال این روند "بازسازی" تنهازمانی موثر است اگر سیستم تهویه ساختمان در شب گرمارا به طور کامل از دال خارج گردد. در ساختمان های با تهویه طبیعی، طبیعی است که پنجره خودکار فراهم گردد تا انجام این فرایند به طور خودکار تسهیل گردد.

آب و هوای گرم و خشک (به عنوان مثال کویر)[ویرایش]

دیوار خشتی در سانتافه، نیومکزیکو

این استفاده کلاسیک از جرم حرارتی است. مثالها عبارتند ازخانه های ادوبی و یا"رامد ارت" عملکرد آن به شدت وابسته به تغییرات درجه حرارت ونوع روزانه مشخص شده است. دیوار عمدتا به تأخیر انتقال حرارت ازخارج به داخل کشور در طول روز عمل می کند. ظرفیت حرارتی حجمیبالا و ضخامت مانع از انرژی حرارتی از رسیدن به سطح داخلی است.هنگامی که درجه حرارت در شب سقوط، دیواره های انرژی حرارتی را بهآسمان شب دوباره پرتو افکندن فردی. در این نرم افزار برای چنیندیوارهای عظیم در جلوگیری از انتقال حرارت به داخل شود مهم است.

آب و هوای گرم و مرطوب (به عنوان مثال استوایی و گرمسیری)[ویرایش]

چالش برانگیزترین کار استفاده از جرم حرارتی در این محیط است که در آن درجه حرارت شب بالا باقی می ماند. استفاده از آن در درجه اول به عنوان یک افت حرارت موقت است. با این حال، لازم است که برای جلوگیری از گرم شدن مضاعف به صورت راهبردی موقعیت آن مشخص گردد. باید در منطقه ای قرار داده شود که به طور مستقیم در معرض تابش خورشیدی قرارنگیرد و همچنین اجازه دهد تا تهویه کافی در شب انجام گیرد تا انرژی ذخیره شده بدون افزایش دمای داخلی به محیط بیرون منتقل گردد. در صورت استفاده باید در مقادیر زیاد و ضخامتهای نه چندان زیاد مورد بهره برداری قرار گیرد. آب آشامیدنی سرد ورودی می تواند به سمت رادیاتورها هدایت گردد، تا انرژی حرارتی تابستان را کاهش دهد. در بسیاری از نواحی، دمای اولیه آن 60 درجه فارنهایت یا 16 درجه سانتیگراد می باشد. از آنجا که لوله کشی موجود در عمق زمین قرار دارد به خوبی در برابر گرمای روز عایق شده است.

مواد معمول مورد استفاده برای جرم حرارتی[ویرایش]

  • آب: آب بالاترین ظرفیت حرارتی حجمی را در بین تمام مواد مرسوم داراست. به طور معمول در مخازن بزرگ نظیر لوله های اکرلیک و در جایی که مستقیماً تحت نور آفتاب باشد، قرار می دهند. همچنین ممکن است از آن به منظور اشباع کردن دیگر انواع مصالح، نظیر خاک جهت افزایش ظرفیت حرارتی استفاده شود.
  • بتن آجر و دیگر مصالح بنایی: هدایت گرمایی بتن به ترکیب آن و روش عمل آوری آن بستگی دارد. بتنهای با مصالح سنگی از بتنهای ساخته شده با خاکستر، پرلیت، فیبر و دیگر دانه های عایق از نظر حرارتی رسانایی بیشتری دارند.
  • پانلهای بتنی عایق بندی شده شامل یک لایه درونی از بتن به منظور تامین فاکتور جرم حرارتی می باشند. این پانلها از بیرون توسط یک فوم عایق مرسوم عایق شده اند، و سپس توسط یک لایه بیرونی از بتن پوشانده شده اند. نتیجه آن یک بسته عایق ساختمانی بسیار کارا می باشد.
  • اشکال مختلف عایق بتنی، معمولاً به منظور تآمین جرم حرارتی ساختمانها مورد استفاده قرار می گیرند. اشکال عایق بتنی ظرفیت ویؤه حرارتی و جرم بتن را تآمین می کنند. از آنجا که جرم در هر دو سمت عایق شده است، اینرسی حرارتی سازه بسیار بالاست.
  • آجر سفالی، گلی، خشت، یا دیگر مصالح تولید شده از خاک رس.
  • زمین گل و چمن: ظرفیت حرارتی خاک به دانسیته، درصد رطوبت، شکل ذرات، دما و ترکیب آن بستگی دارد. ادلین ساکنین نبراسکا به دلیل کمبود چوب، سنگ و دیگر مصالح ساختمانی خانه هایی با دیواره ضخیم از خشت و گل ساختند. ضخامت زیاد دیوارها مقداری عایق تآمین می کرد ولی اساساً به عنوان جرم حرارتی عمل می کرد و انرژی حرارتی را در طول روز جذب و در شب آزاد می کرد. امروزه مردم از زمین پوشش گرداگرد خانه هایشان به همین منظور استفاده می کنند. در زمین پوشش، جرم حرارتی نه فقط از دیوارهای ساختمان بلکه از زمین اطراف که در تماس فیزیکی با ساختمان است تآمین می گردد. این یک دمای معتدل نسبتاً ثابت را تآمین می کند که جریان دما از دیوار مجاور را کاهش می دهد.

مصالح زمین آماج جرم حرارتی بسیار عالی فراهم می کنند، به دلیل دانسیته بالا و ظرفیت ویژه حرارتی بالای خاک مورد استفاده در ساخت آنها.

  • صخره و سنگ طبیعی (مصالح بنایی سنگی)
  • الوار و چوب

مورد استفاده به عنوان یک مصالح ساختمانی جهت ساخت دیوارهای بیرونی و درونی خانه ها مورد استفاده قرار گرفته است. این خانه های ساخته شده از توده های سنگی اد دیگر مصالح ساختمانی لیست شده در بالا متفاوت هستند زیرا چوب صلب دارای مقدار متوسط R-VALUE (عایق بندی) و همچنین جرم حرارتی قابل توجه ای می باشد. بر خلاف آن آب، زمین، سنگها و بتن همگی مقادیر R-VALUE کمی دارند .

  • مواد تغییر فاز دهنده

ذخیره سازی فصلی انرژی[ویرایش]

اگر جرم کافی مورد استفاده قرار گیرد می تواند مزیتی فصلی ایجاد کند. یعنی می تواند در زمستان گرم کند و در تابستان سرد کند. این گاهی ذخیره سازی سالانه منفعل نامیده می شود (PAHS) سیستم ذخیره سازی سالانه منفعل در 7000 فوت با موفقیت در کلرادو و تعدادی از خانه های مونتانا استفاده شده است. کشتی زمینی نیو مکزیکو از گرمایش و سرمایش منفعل بهره برده است. همچنین از لاستیکهای بازیافت شده برای دیوارهای فونداسیون استفاده کرده است، که به حداکثر PAHS/STES منجر شده است ا نیز به طور موفقیت آمیز در انگلستان در پروژه خانه سازی هاکرتون Hockerton Housing Project مورد استفاده قرار گرفته است.

  1. Thermal mass