عوامل نفوذ هوا و نقش آن در تعیین ظرفیت تجهیزات تهویه مطبوع

نفوذ و نشت هوا، دو عامل مهمی هستند که نقش اساسی در طراحی ساختمان‌های امروزی دارند. در طراحی‌های گذشته این موارد به هیچ‌وجه رعایت نمی‌شد و همین امر باعث هدر رفت انرژی فراوان می‌شد. اما نفوذ و نشت هوا چیست؟ به جریان هوای ورودی کنترل نشده از خارج به داخل ساختمان یا برعکس که از طریق شکاف‌ها، منافذ و بازشوهای غیرعمد و استفاده عادی از درب‌های بیرونی در زمان ورود و خروج اتفاق می‌افتد، نفوذ هوا گفته می‌شود. اگر جریان هوا از خارج به داخل ساختمان باشد، به آن نفوذ هوا و اگر برعکس باشد یعنی از داخل ساختمان به خارج باشد به آن نشت هوا می‌گویند. در ادامه با تهویه آسمان همراه باشید تا به بررسی جوانب مختلف این موضوع و دلایل آن بپردازیم.

عوامل نفوذ هوا

عامل اصلی نفوذ هوا، اختلاف فشار بین داخل و خارج ساختمان است که این اختلاف فشار ناشی از سه عامل زیر است:

1. برخورد باد به ساختمان
2. اثر دودکش
3. تهویه مکانیکی

برخورد باد به ساختمان

زمانی که باد به سطح خارجی ساختمان برخورد می‌کند، توزیعی از فشار استاتیکی در سطح خارجی ساختمان ایجاد می‌شود که به جهت وزش باد، سرعت باد، چگالی هوا و جهت‌گیری سطح و شرایط محیطی بستگی دارد. براساس یک اصل، فشار ناشی از باد در جهت وزش، مثبت و برای سمت پشت به باد، منفی است. فشار استاتیکی ایجاد شده در سطح ساختمان، تقریباً متناسب با فشار دینامیکی جریان هوا در پایین دست جریان است.

با برخورد باد به سطح خارجی ساختمان در سطحی که باد مستقیم به آن وارد می‌شود، فشار بالا می‌رود. این یعنی فشار در آن سطح بیشتر از فشار داخل ساختمان می‌شود، در نتیجه از طریق درزهای موجود در این سطح، هوا به داخل ساختمان نفوذ می‌کند و در سطح پشت به باد ساختمان، فشار نسبت به داخل ساختمان منفی می‌شود. این یعنی فشار در آن سطح کمتر از فشار داخل ساختمان می‌شود. در نتیجه از طریق درزهای موجود در این سطح، هوا از داخل ساختمان به بیرون نشت می‌کند.

اثر دودکش

اثر دودکشی چیست؟ اگر تاکنون در سرما داخل اتاقک‌های شیشه‌ای که در فضای بیرونی رستوران‌ها قرار دارند و دارای سیستم گرمایش هستند، نشسته باشید، دیده‌اید که وقتی در حالت ایستاده قرار دارید، بیشتر گرما را احساس می‌کنید تا زمانی که نشسته‌اید. این موضوع ناشی از پدیده‌ای به نام اثر دودکش است. اثر دودکشی (stack effect/chimney effect) در نتیجه اختلاف چگالی بین هوای داخل و بیرون ساختمان به وجود می‌آید. این اختلاف چگالی از اختلاف دمای بین هوای داخل و خارج ساختمان ناشی شده که باعث اختلاف فشار استاک بین داخل و بیرون ساختمان و در نتیجه نفوذ هوا می‌شود. برای مثال در زمستان هوای درون ساختمان گرم‌تر است در نتیجه دارای چگالی کمتری نسبت به هوای بیرون است، پس بین هوای داخل و خارج ساختمان در هر ارتفاع، اختلاف فشاری به وجود می‌آید و هوای گرم درون ساختمان به دلیل سبکی به سمت بالا حرکت کرده و از طریق شکاف‌ها و منافذ موجود در سقف، از ساختمان خارج شده و در عوض هوای سرد از طریق منافذ کف، وارد ساختمان می‌شود. در ساختمان‌های کوتاه، اثر دودکش در برابر اثر برخورد باد ناچیز است.

تهویه مکانیکی

یکی دیگر از عواملی که باعث اختلاف فشار بین داخل و خارج ساختمان و در نتیجه نفوذ هوا می‌شود، عملکرد سیستم‌های مکانیکی است. در ساختمان‌های دارای تهویه مکانیکی، در صورتی که میزان هوای ورودی و خروجی برابر نباشد، اختلاف فشار به وجود می‌آید که این موضوع باعث نفوذ یا نشت هوا می‌شود. در ساختمان‌های مسکونی، فشار هوای داخل ساختمان باید نسبت به فضای آزاد خنثی باشد تا درب‌ها و هواکش‌ها به صورت عادی عمل نمایند. اما آیا لازم است که تعادل فشار هوای ساختمان را اندکی به سمت مثبت یا منفی منحرف نماییم؟ مثلاً اکثر محققان دانش ساختمان معتقدند که در فصل سرد لازم است فشار هوای دیوار و سقف ساختمان نسبت به بخش سرد و خشک به خوبی تنظیم شود تا از خروج هوای گرم و مرطوب داخل در زمستان جلوگیری به عمل آید. از سوی دیگر در مناطق خشک، هوای خشک طرف مثبت از طریق شکاف و روزنه‌های موجود در دیوار به سمت منفی رفته و در مسیر عبور، رطوبت را از مصالح جذب می‌نماید. در حالیکه اگر هوای گرم و مرطوب از منافذ و شکاف‌ها عبور نماید تا زیر نقطه شبنم خود سرد شده و موجب مرطوب شدن مصالح دیوار و امکان ایجاد خوردگی و کپک می‌شود.

در کل هوای بیرون به سه روش زیر به داخل ساختمان نفوذ می‌کند:

• نفوذ هوا از راه سطوح دیوارها و سایر جدارها
• نفوذ هوا از راه درز اطراف پنجره‌ها و درب‌ها
• نفوذ هوا از راه باز و بسته شدن درب‌ها و پنجره‌ها

محاسبه دقیق مقدار نفوذ هوا به داخل ساختمان کار بسیار پیچیده و زمان‌بری است و گاهی اوقات غیر ممکن است مگر اینکه از تست فشار (Blower Door) استفاده شود. زیرا هوا از راه‌های مختلفی به داخل ساختمان نفوذ می‌کند، از جمله درزهای اطراف درب و پنجره‌ها، سقف ساختمان، کانال‌های برق، لوله‌های آب عبوری از دیوارها، بخاری، شومینه و… . همچنین مقدار نفوذ هوا وابسته به پارامترهای مختلفی است از جمله سرعت باد و زاویه برخورد به ساختمان، محل قرارگیری درب و پنجره‌ها، اختلاف دمای داخل و بیرون ساختمان، ابعاد درزهای موجود در پوسته ساختمان و… . لذا شناسایی و محاسبه مقدار نفوذ هوا به‌طور دقیق ممکن نیست و برای در نظر گرفتن بار حرارتی ناشی از نفوذ هوا جهت تعیین ظرفیت سیستم‌های تهویه مطبوع، مقدار آن را تخمین می‌زنند.

تخمین مقدار نفوذ هوا

روش‌های تخمین مقدار نفوذ هوا از قسمت‌های مختلف عبارتند از:

• نفوذ هوا از دیوارها
• نفوذ هوا از درز اطراف درب و پنجره‌ها (روش درزی و روش حجمی)
• نفوذ هوا از راه باز کردن درب‌ها

نفوذ هوا از دیوارها

مقدار هوای نفوذی از سطح جدارها و در نتیجه مقدار حرارت اتلافی آن بسیار ناچیز است لذا می‌توان در محاسبات از آن صرف نظر کرد.

نفوذ هوا از درز اطراف درب و پنجره

مقدار نفوذ هوا از درب و پنجره‌ها متأثر از اندازه درزهای موجود در اطراف آن‌ها است. روش‌های مختلفی برای تعیین مقدار نفوذ هوا از درب‌ها و پنجره‌ها وجود دارد که عبارتند از:

• روش درزی
• روش حجمی

روش درزی

در روش درزی که دقت آن بیشتر است از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:

Q=q·L

در این رابطه Q مقدار كل نفوذ هوا بر حسب متر مکعب بر ساعت، q مقدار نفوذ هوا از یک متر طول درز و L کل طول درز اطراف درب یا پنجره است. هوایی که به داخل یک ساختمان نفوذ می‌کند با همان نرخی که وارد می‌شود از ساختمان خارج می‌شود اما در حالتی که ساختمان دارای دیوارهای جداکنندۀ زیادی باشد، هـوا ممکن است از طرفی که در معرض وزش باد است به میزانی وارد شود که فشار مثبت کمی به وجود آورد و در نتیجه از مقدار نفوذ هوا به داخل ساختمان بکاهد. به‌طور کلی می‌توان فرض کرد هوایی که از سمت رو به باد به داخل ساختمان نفوذ می‌کند از سمت پناه‌دار اتاق، یا از راه منافذ عمودی خارج می‌شود. بنابراین در محاسبات اتلاف ناشی از نفوذ هوا، نیمی از طول کل درز را در نظر می‌گیرند. در زمانی که یک اتاق به تنهایی مورد مطالعه باشد که تنها یک دیوار رو به خارج داشته باشد بایستی تمام درز را در نظر گرفت. اگر اتاق دارای ۲ و یا بیش از دو دیوار خارجی باشد، در این صورت درزی را که بیشترین طول را دارد در نظر می‌گیریم اما در هیچ حالتی نباید کمتر از نصف طول کل درز را بکار برد.

روش حجمی

تعیین نرخ نفوذ هوا با روش درزی، دشوار است به همین دلیل برای راحتی از روش حجمی جهت تخمین مقدار نفوذ هوا استفاده می‌شود. این روش ساده‌تر از روش درزی بوده ولی دقت کمتری نیز دارد. این روش برای ساختمان‌های کوچک مسکونی در شرایط عادی و بدون استفاده از وسایل تهویه مکانیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این روش فرض می‌شود که هوای داخل اتاق بسته به تعداد درب و پنجره‌هایی که در مجاورت با هوای خارج قرار می‌گیرد تعویض می‌شود و از رابطه زیر استفاده می‌شود:

Q=v x n

در این رابطه Q مقدار کل نفوذ هوا بر حسب متر مکعب بر ساعت، v حجم فضا بر حسب متر مکعب، و n دفعات تعویض هوا در ساعت (ACH) می‌باشد که مقدار آن برای حالت‌های مختلف در جدول زیر آورده شده است:

نفوذ هوا از راه باز کردن درب‌ها

از آنجا که بخش مهمی از میزان هوای نفوذی در ساختمان‌های اداری و تجاری در اثر باز و بسته شدن درب‌های ورودی ساختمان است، باید میزان نفوذ هوا در اثر باز و بسته شدن درب‌ها نیز در نظر گرفته شود. در ورودی این ساختمان‌ها معمولاً دو نوع درب نوسانی و گردان مورد استفاده قرار می‌گیرد. مقدار هوای عبوری در طول مدت عبور یک نفر از آن برحسب مترمکعب عبارت است از: