Bu araşdırma adətən yay aylarında sərinlik yaratmaq üçün istifadə olunan tavan ventilyatorlarının soyuq hava şəraitində istilik paylanmasını yaxşılaşdırmaq məqsədilə istifadə edilib-edilə bilməyəcəyini araşdırır. Araşdırmanın əsas ideyası olduqca praktikdir: qızdırıcılar çox vaxt isti havanı müəyyən bir bölgədə toplayır və otaq daxilində bərabər temperatur paylanması yaranmır. Xüsusilə isti havanın tavana yaxın hissədə toplanması döşəməyə və insanların yaşadığı səviyyəyə kifayət qədər istilik çatmaması deməkdir. Bu vəziyyət həm narahatlıq yaradır, həm də enerji itkisinə səbəb olur.

Nirupam Pal və Kameswararao Anupindi tərəfindən hazırlanmış araşdırma tavan ventilyatoru ilə qızdırıcının birlikdə istifadə edildiyi yeni ventilyator-qızdırıcı sistemini ədədi olaraq araşdırır. Tədqiqatda real ventilyator pərlərini ayrı-ayrılıqda həll etmək əvəzinə, ventilyatorun otaqdakı iri miqyaslı hava hərəkətini təmsil edən actuator disc yanaşmasından istifadə olunub. Bu üsul ventilyator pərlərinin detallı həndəsəsini modelləşdirmədən ventilyatorun havaya ötürdüyü impuls təsirini hesablamağa imkan verir. Simulyasiyalar OpenFOAM ilə aparılıb, axın və istilik ötürülməsi Reynolds-averaged Navier-Stokes, yəni RANS tənlikləri ilə həll edilib, turbulentlik üçün k-ω SST modelindən istifadə olunub.

Araşdırmada üç fərqli qızdırıcı yerləşimi müqayisə edilib: qızdırıcının ventilyatorun üstündə olması, ventilyatorun altında olması və ənənəvi şəkildə sağ divara yaxın yerləşdirilməsi. Bundan əlavə, üst divar temperaturu 283 K, 288 K və 293 K olaraq dəyişdirilərək müxtəlif xarici mühit/dam istilik yükləri təmsil olunub. Simulyasiyalarda otağın ölçüləri 5,6 m × 4,3 m × 2,7 m, ventilyator diametri 1,2 m, fırlanma sürəti 290 RPM və qızdırıcının gücü 5000 W götürülüb.

Nəticələr qızdırıcının birbaşa ventilyatorun altında yerləşdirildiyi konfiqurasiyanın ən uğurlu seçim olduğunu göstərir. Bu halda istilik ventilyatorun yüksək sürətli aşağı istiqamətli hava şırnağına birbaşa verildiyi üçün otaqda daha sürətlə daşınır, daha yaxşı qarışır və temperatur təbəqələşməsi azalır. 288 K üst divar temperaturunda z = 1,3 m müstəvisində temperatur təbəqələşməsi ventilyator altındakı qızdırıcıda 5,8 K olduğu halda, ventilyator üstü qızdırıcıda 6 K, sağ divara yaxın qızdırıcıda isə 8,8 K müəyyən edilib. Yəni ənənəvi divar yaxınlığında isitmə temperaturu lokal olaraq yüksəltsə də, onu otaq boyunca bərabər paylaya bilmir.

Araşdırmanın ən mühüm nəticəsi tavan ventilyatorlarının yalnız sərinlətmə vasitəsi kimi deyil, düzgün qızdırıcı yerləşimi ilə birlikdə az enerji sərf edən və daha homogen istilik paylama sistemi kimi də qiymətləndirilə bilməsidir. Lakin bu nəticələr eksperimental ventilyator-qızdırıcı prototipindən deyil, təsdiqlənmiş, lakin sadələşdirilmiş CFD modelindən əldə olunub. PDF-də araşdırmanın rəyçi qiymətləndirməsindən keçmədiyi açıq göstərildiyinə görə nəticələr perspektivli mühəndislik istiqaməti kimi oxunmalı, yekun məhsul performansı və ya dəqiq enerji qənaəti sübutu kimi təqdim edilməməlidir.

Araşdırmanın əsas problemi nədir?

Bu araşdırmanın çıxış nöqtəsi binalarda isitmə və soyutmaya sərf olunan enerjinin çox böyük olmasıdır. Məqalədə qlobal enerji tələbinin son on ildə %15 artdığı, isitmə, havalandırma və kondisionerləşdirmə, yəni HVAC sistemləri ilə digər bina ehtiyaclarının yaşayış və kommersiya binalarında qlobal enerji istehlakının təxminən %32-sini təşkil etdiyi bildirilir. Daha vacibi, soyuq iqlimlərdə məkan isitməsi ümumi bina enerji tələbinin yarısından çoxuna bərabər ola bilər.

Bu mənzərə bunu göstərir: otağı yalnız daha güclü qızdırıcılarla isitmək kifayət deyil. İstiliyin otaqda necə paylanması enerji səmərəliliyi və insan rahatlığı baxımından qızdırıcının gücü qədər vacibdir. İsti hava tavana yaxın yığılıb, insanın oturduğu və ya ayaqda olduğu zonada temperatur aşağı qalarsa, istifadəçi termostatı yüksəltməyə məcbur ola bilər. Bu da daha çox enerji istehlakı deməkdir.

Gündəlik həyatda bu vəziyyət çox tanışdır. Qışda otaqda soba, elektrik qızdırıcısı və ya kondisioner işlədikdə istilik mənbəyinin ətrafı çox isti, otağın digər küncləri isə soyuq qala bilər. Bəzi otaqlarda baş səviyyəsi və ya tavan isti olduğu halda ayaq səviyyəsində soyuqluq hiss olunur. Bunun səbəbi isti havanın yüngülləşərək yuxarı qalxması və daxili məkanda istilik təbəqələşməsinin yaranmasıdır. İstilik təbəqələşməsi temperaturun otaq daxilində hündürlüyə və ya mövqeyə görə nəzərəçarpacaq şəkildə dəyişməsi deməkdir.

Bu araşdırma məhz bu problemə fokuslanır: tavan ventilyatoru yalnız yayda sərinlik hissi yaratmaq üçün deyil, qışda qızdırıcıdan çıxan isti havanı daha bərabər paylamaq üçün istifadə edilə bilərmi?

Niyə tavan ventilyatoru?

Tavan ventilyatorları az enerji istehlakı ilə daxili məkanda hava hərəkəti yaradan geniş yayılmış qurğulardır. Yay aylarında mühit temperaturunu birbaşa aşağı salmırlar; lakin dəri üzərindən konveksiya və buxarlanma yolu ilə istilik itkisini artıraraq sərinlik hissi yaradırlar. Buna görə termostatın daha yüksək səviyyədə saxlanmasına kömək edə və soyutma enerjisini azalda bilərlər.

Məqalədəki yenilik bu qurğunun qış şəraitində fərqli funksiya üçün düşünülməsidir. Müəlliflər tavan ventilyatorunun hava hərəkəti yaratmaq qabiliyyətini istilik paylanmasına tətbiq edir. Ventilyator otaqda məcburi konveksiya, yəni forced convection yaradır. Qızdırıcıdan çıxan isti hava bu yüksək sürətli axın bölgəsinə verildikdə temperatur yalnız qızdırıcının ətrafında qalmır; ventilyator axını ilə bütün otağa daşınır.

Burada vacib fərq var. Ventilyator təkbaşına istilik istehsal etmir. Qızdırıcı təkbaşına istilik yaradır, lakin bu istiliyi həmişə yaxşı paylamır. Ventilyator-qızdırıcı sistemi isə istilik istehsalı ilə hava qarışmasını birlikdə nəzərdən keçirir. Araşdırmanın axtardığı ən yaxşı strategiya istilik mənbəyini ventilyatorun hava hərəkəti ilə ən təsirli şəkildə birləşdirməkdir.

Araşdırmanın tədqiqat boşluğu nədir?

Ədəbiyyatda tavan ventilyatorlarının soyutma, hava hərəkəti, aerozol paylanması, hissəcik daşınması və havalandırmaya təsirini araşdıran çoxsaylı işlər var. Bu tədqiqatlar ventilyatorların daxili məkandakı hava axınını güclü şəkildə dəyişdirdiyini və otaqdakı skalyar kəmiyyətləri, məsələn temperatur və ya hissəcik konsentrasiyası kimi daşınan kəmiyyətləri yenidən paylaya bildiyini göstərib.

Lakin məqaləyə görə tavan ventilyatorlarının soyuq iqlimlərdə istilik paylanması üçün istifadəsi kifayət qədər araşdırılmayıb. Xüsusilə kiçik və orta ölçülü otaqlarda tavan ventilyatoru ilə lokal qızdırıcıların birlikdə necə davrandığı və qızdırıcının mövqeyinin temperatur paylanmasını necə dəyişdirdiyi barədə məhdud məlumat var.

Buna görə araşdırma üç əsas suala cavab axtarır:

• Tavan ventilyatoru qızdırıcıdan çıxan isti havanı otaqda daha homogen paylaya bilərmi?
• Qızdırıcının ventilyatorun altında, üstündə və ya divara yaxın olması temperatur paylanmasını necə dəyişir?
• Müxtəlif üst divar temperaturlarında, yəni fərqli istilik yükü şəraitində bu yerləşimlərin performansı necə dəyişir?

Araşdırmada istifadə olunan otaq modeli necədir?

Simulyasiyalarda istifadə olunan otağın uzunluğu 5,6 m, eni 4,3 m, hündürlüyü isə 2,7 m-dir. Bu ölçülər əvvəlki tavan ventilyatoru tədqiqatı ilə uyğun seçilib. Ventilyator tavana yaxın modelləşdirilib. Ventilyator diametri 1,2 m, göbək diametri isə 0,19 m götürülüb. Ventilyator üçpərlidir və 290 RPM sürətlə işləyir.

Otaq divarları üçün no-slip sərhəd şərtindən istifadə olunub. Bu, divar səthində hava sürətinin sıfır qəbul edilməsi deməkdir. Daxili məkan axını analizlərində bu fiziki baxımdan məntiqlidir; çünki real maye bərk səthdə səthə yapışır və səthə görə nisbi sürəti sıfır olur.

Termal sərhəd şərtlərində sağ, sol, alt, ön və arxa divarlar 288 K səviyyəsində sabit saxlanılıb. Üst divar temperaturu isə üç fərqli dəyərlə araşdırılıb: 283 K, 288 K və 293 K. Bu dəyişiklik xarici mühit təsiri, damdan istilik itkisi və ya günəş qazancı kimi müxtəlif termal şəraiti təmsil etmək üçün istifadə olunub. Başlanğıcda otaq havası hərəkətsiz və 288 K temperaturda qəbul edilib.

Qızdırıcı 5000 W sabit istilik gücü verən enerji mənbəyi kimi modelləşdirilib. Real elektrik qızdırıcısının bütün həndəsi detalları həll edilməyib; əvəzində enerji tənliyinə mənbə termini kimi əlavə olunub. Bu yanaşma araşdırmanın əsas sualına uyğundur: qızdırıcının detallı daxili dizaynı deyil, mövqeyinin otaqdakı temperatur paylanmasına təsiri araşdırılır.

Actuator disc modeli nə deməkdir?

Bu araşdırmanın ən mühüm texniki tərəflərindən biri tavan ventilyatorunun actuator disc modeli ilə təmsil edilməsidir. Real tavan ventilyatorunu CFD mühitində birbaşa həll etmək çox bahalıdır. Çünki pərlərin real həndəsəsi, fırlanma hərəkəti, pər ucu burulğanları, zamana görə dəyişən axın və turbulentlik detalları çox incə şəbəkə və yüksək hesablama gücü tələb edir.

Actuator disc modeli bu xərci azaltmaq üçün istifadə olunur. Bu üsulda real fırlanan pərlər çəkilmir. Əvəzində ventilyatorun olduğu zonada nazik silindrik həcm müəyyən edilir və bu həcmə hava axınına impuls verən mənbə terminləri əlavə olunur. Beləliklə, ventilyatorun otaqda yaratdığı ümumi aşağı istiqamətli şırnaq və sirkulyasiya tutulur, lakin pərlərin bütün həndəsi detalları həll edilmir.

Bu yanaşmanın üstünlüyü hesablama xərcini azaltması və otaq miqyasındakı hava hərəkətini kifayət qədər dəqiqliklə təmsil edə bilməsidir. Çatışmazlığı isə ventilyator mərkəzindəki bəzi lokal axın detallarını və pər ucları yaxınlığındakı mürəkkəb burulğan strukturlarını tam tuta bilməməsidir. Məqalə də bu məhdudiyyəti açıq şəkildə göstərir.

Blade Element Theory burada necə istifadə olunub?

Actuator disc modelinə veriləcək impuls mənbələrini müəyyən etmək üçün araşdırmada sadələşdirilmiş Blade Element Theory yəni BET yanaşmasından istifadə olunub. Bu üsul ventilyator pərini kökdən uca doğru kiçik radial hissələrə bölür. Hər hissədə pərin lokal sürəti, xord uzunluğu, qaldırma və sürükləmə əmsalları əsasında aerodinamik qüvvələr hesablanır.

Araşdırmada lokal nisbi sürət təxminən belə götürülüb:

V_rel ≈ Ωr

Burada V_relpərlə hava arasındakı nisbi sürəti; Ωventilyatorun bucaq sürətini; r isə pər üzərindəki radial mövqeyi göstərir. Bu yanaşmada oxboyu giriş sürəti pərin fırlanma sürəti ilə müqayisədə kiçik qəbul edilərək nəzərə alınmayıb. Tavan ventilyatoru kimi daxili məkan tətbiqlərində bu sadələşdirmə müəyyən dərəcədə məntiqlidir; çünki pərin xarici hissələrində fırlanma sürəti üstün olur.

Pərin vahid açıqlıq üzrə qaldırma və sürükləmə yükləri belə verilib:

L′(r) = 1/2 × ρ × (Ωr)² × c(r) × C_l(r)

D′(r) = 1/2 × ρ × (Ωr)² × c(r) × C_d(r)

Burada L′(r) vahid açıqlıq üzrə qaldırma qüvvəsini, D′(r) vahid açıqlıq üzrə sürükləmə qüvvəsini, ρ hava sıxlığını, c(r) lokal pər xord uzunluğunu, C_l qaldırma əmsalını və C_d sürükləmə əmsalını ifadə edir. Düsturda sürətin kvadratı olduğu üçün pərin uc hissələri daha yüksək aerodinamik yük yaradır. Çünki r artdıqca Ωr böyüyür.

Məqalədəki Figure 1 bu sadələşdirilmiş pər elementi çərçivəsini göstərir. Vizualda ventilyator pərinin kök, orta və uc hissələrinə bölündüyü; hər hissədə lokal aerodinamik yüklərin hesablandığı və bu yüklərin daha sonra actuator disc impuls mənbəyinə çevrildiyi görünür. Bu vizual modelin real pər həndəsəsini birbaşa həll etmədiyini, lakin pərin radial yük paylanmasını nəzərə almağa çalışdığını izah edir.

Ventilyator üçün hesablanan impuls mənbələri hansılardır?

Araşdırmada ventilyator üçpərli, 1,2 m diametrli və 290 RPM sürətlə işləyəcək şəkildə modelləşdirilib. BET hesablaması nəticəsində actuator disc zonasına uyğun ümumi oxboyu qüvvə 3,24 N, tangensial qüvvə isə 0,40 N müəyyən edilib. Bu dəyərlər actuator disc həcminə paylanaraq impuls mənbə terminlərinə çevrilib.

Oxboyu istiqamətdə impuls mənbə termini 57,24 kg/m²s², tangensial istiqamətdə isə 7,06 kg/m²s² kimi verilib. Məqalə bu dəyərləri əvvəlki araşdırmada sınaq-yanılma yolu ilə seçilən 55,0 və 8,0 kg/m²s² dəyərləri ilə müqayisə edir. Burada mühüm məqam bu araşdırmanın mənbə terminlərini yalnız sazlama ilə deyil, pər aerodinamikasına əsaslanan BET çərçivəsi ilə hesablamasıdır.

İmpuls mənbəyi fiziki baxımdan bunu təmsil edir: ventilyator havaya aşağı istiqamətli və müəyyən fırlatma təsiri olan impuls ötürür. Bu impuls ötürülməsi otaqda şırnaq, sirkulyasiya, turbulentlik və qarışma yaradır. Qızdırıcıdan gələn istiliyin otaqda necə daşınacağını müəyyən edən əsas mexanizm də bu hava hərəkətidir.

Axın və istilik ötürülməsi hansı tənliklərlə həll edilib?

Araşdırma otaqdakı axın və istilik ötürülməsini zamandan asılı, sıxılmayan RANS tənlikləri ilə həll edib. Birinci əsas tənlik davamlılıq tənliyidir:

∂u_i / ∂x_i = 0

Bu tənlik sıxılmayan axında kütlənin qorunduğunu ifadə edir. Sadə desək, otaqda hava bir yerdə yox olmur və ya birdən yaranmır; axın sahəsi kütlənin qorunması şərtini ödəməlidir.

İmpuls tənliyi isə bu ümumi quruluşa malikdir:

∂u_i/∂t + ∂(u_iu_j)/∂x_j = −(1/ρ)∂p/∂x_i + ∂/∂x_j[(ν + ν_t)∂u_i/∂x_j] + S_i

Bu tənlik hava sürətinin zamana və mövqeyə görə necə dəyişdiyini izah edir. Sağ tərəfdəki təzyiq qradiyenti axını hərəkətə gətirir və ya yavaşıdır; özlü və turbulent diffuziya terminləri impulsun axın daxilində yayılmasını təmsil edir; S_i isə ventilyatorun actuator disc bölgəsində havaya verdiyi impuls mənbəyidir.

Enerji tənliyi temperaturun daşınmasını və yayılmasını göstərir:

∂T/∂t + ∂(u_jT)/∂x_j = ∂/∂x_j[(α + α_t)∂T/∂x_j] + S_T

Burada T temperaturu, α molekulyar istilik diffuziyasını, α_t turbulent istilik diffuziyasını, S_T isə qızdırıcıdan gələn istilik mənbəyini ifadə edir. Bu tənlik araşdırmanın əsas sualını ədədi şəkildə həll edir: qızdırıcıdan çıxan istilik ventilyatorun yaratdığı hava axını ilə otaqda necə yayılır?

Niyə k-ω SST turbulentlik modeli seçilib?

Otaqdakı ventilyator axını turbulentdir. Ventilyatorun altında yüksək sürətli şırnaq yaranır, bu şırnaq divarlara dəyir, geri dönür, sirkulyasiya zonaları yaradır və müxtəlif temperaturdakı havanı qarışdırır. Belə axını bütün turbulentlik miqyasları ilə birbaşa həll etmək çox bahalıdır. Buna görə RANS yanaşması daxilində turbulentlik modeli lazımdır.

Araşdırmada k-ω SST modelindən istifadə olunub. Bu model divara yaxın zonalarda k-ω modelinin üstünlüyünü, sərbəst axın zonalarında isə k-ε modelinin dayanıqlığını birləşdirməyə çalışır. Bundan əlavə, kəsilmə gərginliyi məhdudlaşdırıcısı olduğu üçün ayrılmalı və güclü kəsilməli axınlarda daha sabit proqnozlar verə bilər.

Bu seçim xüsusilə tavan ventilyatoru axını üçün məntiqlidir. Çünki həm divarlara yaxın sərhəd təbəqələri, həm də ventilyator şırnağının yaratdığı güclü kəsilmə və qarışma zonaları var. Məqalə əvvəlki araşdırmalara əsaslanaraq actuator disc əsaslı tavan ventilyatoru modelləşdirilməsində k-ω SST modelinin digər RANS modellərinə nisbətən daha yaxşı proqnoz verdiyini bildirir.

Reynolds sayı nəyi göstərir?

Araşdırmada ventilyatorun işi üçün Reynolds sayı bu düsturla verilib:

Re = UD / ν

Burada U ventilyator uc sürətini, D ventilyator diametrini, ν isə havanın kinematik özlülüyünü göstərir. Simulyasiya şəraiti üçün Reynolds sayı Re = 1,36 × 10⁶ kimi verilib.

Reynolds sayı axında ətalət qüvvələrinin özlü qüvvələrə nisbətini göstərir. Bu qədər yüksək dəyər ventilyator ətrafındakı axının turbulent xarakter daşıdığını bildirir. Buna görə turbulentlik modelləşdirməsi araşdırmanın zəruri hissəsidir.

Model necə təsdiqlənib?

Ədədi araşdırmaların etibarlı olması üçün yalnız gözəl vizuallar yaratması kifayət deyil; modelin real və ya daha etibarlı məlumatlarla müqayisə olunması lazımdır. Bu araşdırmada təsdiqləmə Babich və həmkarlarının eksperimental tavan ventilyatoru məlumatları ilə aparılıb. Simulyasiyadakı sürət modulu profilləri ventilyatorun altındakı müəyyən hündürlüklərdə eksperimental ölçmələrlə müqayisə olunub.

Figure 5 actuator disc modelindən alınan sürət profillərinin eksperimental məlumatlarla müqayisəsini göstərir. Müqayisə z = 0,7 m və z = 1,3 m hündürlüklərində aparılıb. Simulyasiyalar sürətin ventilyator mərkəzindən uzaqlaşdıqca azalma meylini ümumilikdə tutur. Ən böyük xətalar ventilyatorun birbaşa altındakı mərkəzi zonada görülüb. Bu, actuator disc modelinin məlum məhdudiyyətidir; çünki model real pər və göbək həndəsəsini həll etmədiyinə görə mərkəzi zonada hava keçidi və axın quruluşu tam təmsil olunmaya bilər.

Təsdiqləmə üçün istifadə olunan xəta göstəricisi NRMSD, yəni normallaşdırılmış orta kvadrat kök sapmasıdır:

σ_rms = √[(1/n)Σ(U_sim,i − U_exp,i)²] / (U_sim,max − U_sim,min)

Bu ifadə simulyasiya ilə eksperiment arasındakı fərqi simulyasiyadakı sürət intervalına bölərək miqyasdan asılı olmayan xəta göstəricisi yaradır. Araşdırmada NRMSD dəyəri z = 0,7 m üçün 0,1910; z = 1,3 m üçün 0,1596 müəyyən edilib. Müəlliflər lokal mərkəz xətalarına baxmayaraq modelin otaq üzrə sürət meyllərini və iri miqyaslı axın strukturlarını kifayət qədər təmsil etdiyini bildirirlər.

Şəbəkə müstəqilliyi niyə vacibdir?

CFD araşdırmalarında nəticələrin istifadə olunan şəbəkə həllinə həddindən artıq bağlı olmaması lazımdır. Daha incə şəbəkə istifadə ediləndə nəticələr ciddi dəyişirsə, əvvəlki nəticələrə etibar etmək çətindir. Buna görə məqalədə üç fərqli şəbəkə ilə grid independence, yəni şəbəkə müstəqilliyi araşdırması aparılıb.

İstifadə olunan şəbəkələr təxminən 0,68 milyon, 1,55 milyon və 2,97 milyon hüceyrədən ibarətdir. İzlənən kəmiyyət z = 1,3 m müstəvisində sahə üzrə orta sürət moduludur. Bu dəyərlər müvafiq olaraq 1,8922 m/s, 1,9152 m/s və 1,9232 m/s kimi verilib. Şəbəkə incəldikcə dəyişmənin azaldığı görünür. Orta şəbəkə üçün Grid Convergence Index dəyəri 0,67% müəyyən edilib və bu, mühəndislik simulyasiyaları üçün qəbul edilə bilən aşağı ədədi qeyri-müəyyənlik kimi qiymətləndirilib.

Buna görə sonrakı analizlərdə 1,55 milyon hüceyrəli orta şəbəkədən istifadə olunub. Bu seçim vacibdir; çünki həddindən artıq incə şəbəkə hesablama xərcini artırır, çox kobud şəbəkə isə nəticələrin etibarlılığını azaldır. Araşdırma burada dəqiqliklə hesablama səmərəliliyi arasında tarazlıq yaradıb.

Sürət sahəsi və turbulentlik paylanması nə göstərir?

Figure 6 ventilyatorun yaratdığı sürət modulu konturlarını müxtəlif müstəvilərdə göstərir. Ventilyator diskinin altında yüksək sürətli zona yarandığı, künclərdə və ventilyatordan uzaq ərazilərdə sürətin azaldığı görünür. Figure 7 isə üçölçülü otaq daxilində ani sürət vektorlarını göstərir. Bu vektorlar ventilyator altında güclü aşağı istiqamətli şırnaq yarandığını və otaqda geniş sirkulyasiya zonalarının inkişaf etdiyini göstərir. Məqaləyə görə sahədə maksimum sürət təxminən 2,5 m/s-dir və birbaşa actuator disc altında yaranır.

Figure 8 turbulent kinetik enerji, yəni k paylanmalarını göstərir. Ən yüksək turbulent kinetik enerji ventilyator diski zonası və şırnağın yaxın ətrafında cəmlənir. Bu gözlənilən nəticədir; çünki ventilyator havaya impuls verərkən sürət qradiyentləri və qarışma yaradır. Turbulent kinetik enerjinin yüksək olduğu zonalar qızdırıcıdan gələn isti havanın daha yaxşı qarışa biləcəyi sahələri də göstərir.

Figure 9-dakı streamline, yəni axın xətləri vizualları ventilyatorun yaratdığı əsas şırnağı və otaqdakı geri dönmə zonalarını göstərir. Axın ventilyatorun altından aşağı enir, otağın sərhədləri ilə qarşılıqlı təsir göstərir və müxtəlif recirculation, yəni dövriyyə zonaları yaradır. Bu dövriyyə zonaları istilik paylanmasında ikitərəfli rol oynayır: bir tərəfdən isti havanı otaq boyunca daşıya, digər tərəfdən bəzi zonalarda isti havanı tutaraq lokal temperatur artımı yarada bilər.

Üç qızdırıcı mövqeyi necə müqayisə edilib?

Araşdırmada üç əsas qızdırıcı konfiqurasiyası var:

• Qızdırıcı ventilyatorun altında: İstilik mənbəyi birbaşa ventilyatorun yüksək sürətli aşağı istiqamətli axın zonasına yerləşdirilib.
• Qızdırıcı ventilyatorun üstündə: İstilik mənbəyi tavana və ventilyatorun üst zonasına yaxın yerləşdirilib.
• Qızdırıcı sağ divara yaxın: Ənənəvi divar yaxınlığında isitmə mövqeyini təmsil edir.

Bu üç mövqenin fərqi yalnız həndəsi deyil. Hər mövqe qızdırıcıdan çıxan isti havanın hansı sürət zonasına verildiyini müəyyən edir. İstilik yüksək sürətli ventilyator şırnağına verilərsə, konveksiya güclü olur. Divara yaxın aşağı sürətli zonaya verilərsə, istilik əsasən lokal qalır və diffuziya ilə yavaş yayılır. Buna görə qızdırıcının yeri otaqdakı temperatur paylanmasını müəyyən edən əsas dizayn dəyişənidir.

288 K üst divar temperaturunda nəticələr nə göstərir?

Üst divar temperaturu 288 K olduqda ventilyatorun altına yerləşdirilən qızdırıcı ən homogen temperatur paylanmasını təmin edib. Məqaləyə görə z = 0,7 m hündürlüyündə temperatur təxminən 294 K ətrafında sabit səviyyəyə çatır və bu dəyər digər iki konfiqurasiyadan daha yaxşıdır. Ventilyatorun yüksək sürətli aşağı istiqamətli axını qızdırıcıdan gələn isti havanı birbaşa tutaraq otağa paylayır. Bu da istilik təbəqələşməsini azaldır.

Qızdırıcının ventilyatorun üstündə olduğu halda temperatur daha çox təbəqələşir. İsti hava tavan zonasında cəmlənir; ventilyator bu havanın bir hissəsini aşağı itələyir, lakin qızdırıcı birbaşa yüksək sürətli şırnağın içində olmadığı üçün qarışma ventilyator altındakı hal qədər təsirli deyil. Temperatur konturları ventilyator altında konusvari isti zona yarandığını, lakin ventilyatordan uzaqlaşdıqca temperatur dəyişməsinin daha kəskin olduğunu göstərir.

Sağ divara yaxın qızdırıcı mövqeyi isə ən zəif temperatur homogenliyini verib. Divar yaxınlığında no-slip şərtinə görə hava sürəti aşağıdır. Buna görə isti hava ventilyator axını ilə kifayət qədər güclü əlaqə yarada bilmir. Nəticədə qızdırıcının ətrafında lokal olaraq yüksək temperatur yaranır; məqalədə sağ divara yaxın zonada 303 K pik temperatur göstərilib. Lakin otağın qalan hissəsi daha aşağı temperaturda qalır. Bu, yüksək lokal temperaturun yüksək rahatlıq demək olmadığını göstərir.

283 K üst divar temperaturunda nə dəyişir?

Üst divar 283 K olduqda tavan daha soyuq termal sərhəd kimi davranır. Bu halda tavana çatan isti hava daha tez istilik itirə bilər. Ventilyator altındakı qızdırıcı yenə ən yaxşı konfiqurasiya olaraq qalır; çünki istilik birbaşa ventilyatorun yüksək impulslu şırnağına verilir və aşağı daşınaraq otaq boyunca qarışır. Soyuq tavanın təsirinə baxmayaraq, istilik tavana yaxın tutulmadan yaşayış zonasına daşına bilər.

Ventilyator üstü qızdırıcıda isə isti hava tavana daha yaxın verildiyi üçün soyuq üst divarla daha çox qarşılıqlı təsir edir. Bu, istiliyin bir hissəsinin üst sərhəddə itirilməsinə səbəb ola bilər. Yenə də ventilyatorun aşağı istiqamətli axını isti havanın bir hissəsini aşağı daşıyır. Lakin paylanma ventilyator altındakı qızdırıcı qədər effektiv deyil.

Divara yaxın qızdırıcıda yenə lokal isti zona yaranır. Soyuq üst divar tavana çatan istiliyi azaldır, qızdırıcının ətrafındakı aşağı sürətli zona səbəbindən otaq üzrə qarışma zəif qalır. Bu konfiqurasiyada istilik yayılması daha çox diffuziyadan asılıdır və bu, ventilyator mənşəli konveksiya ilə müqayisədə xeyli yavaş və təsirsizdir.

293 K üst divar temperaturunda nə dəyişir?

Üst divar 293 K olduqda tavan artıq daha isti və ya daha zəif istilik itkisi yaradan sərhəd kimi davranır. Bu halda otaqdakı temperatur səviyyələri ümumilikdə bir qədər yüksəlir. Lakin konfiqurasiyaların sıralaması dəyişmir. Qızdırıcının ventilyatorun altında olması yenə ən yaxşı temperatur homogenliyini təmin edir.

Ventilyator altındakı qızdırıcıda istilik birbaşa yüksək sürətli hava nüvəsinə verildiyi üçün paylanma sürətli və genişdir. Daha isti tavan yuxarı zonadakı istilik itkisini azaltdığından temperatur sahəsi bir qədər daha bərabərləşə bilər. Ventilyator üstü qızdırıcıda tavan daha isti olduğu üçün üst zonada istilik itkisi azalır; lakin isti hava yenə tavan ətrafında qalmağa meyllidir və yaşayış zonasına konveksiya ventilyator altındakı hal qədər güclü deyil.

Sağ divara yaxın qızdırıcı yenə lokal temperatur pikləri yaradır. Tavanın daha isti olması ümumi istilik itkisini azaltsa da, əsas problem dəyişmir: istilik mənbəyi ventilyator şırnağından uzaqda və zəif adveksiya zonasındadır. Buna görə otaq üzrə homogenləşmə baş vermir.

Kəmiyyət temperatur müqayisəsi nə deyir?

Məqalədəki Table 4, 288 K üst divar temperaturu üçün z = 1,3 m müstəvisində əsas temperatur göstəricilərini verir. Bu müstəvi insanların olduğu yaşayış zonasına yaxın səviyyə kimi qəbul edilə bilər.

Bu cədvəl çox mühüm məqamı izah edir. Sağ divara yaxın qızdırıcı ən yüksək maksimum temperaturu yaradıb, lakin bu yaxşı nəticə deyil. Çünki həmin temperatur lokal isti nöqtəni göstərir. Otaq üzrə minimum və maksimum temperatur fərqi 8,8 K-yə çatıb. Bu, yüksək temperatur fərqi və aşağı rahatlıq deməkdir.

Ventilyatorun altındakı qızdırıcıda maksimum temperatur bir qədər aşağı olsa da, temperatur fərqi ən kiçikdir. Bu, istiliyin daha bərabər paylandığını göstərir. Termal rahatlıq baxımından məqsəd çox vaxt bir nöqtəni həddindən artıq isitmək deyil, yaşayış zonasında daha balanslı temperatur yaratmaqdır.

Nusselt sayı nə deməkdir?

Araşdırma yalnız temperatur profillərinə baxmayıb, eyni zamanda divarlardakı lokal konvektiv istilik ötürülməsini qiymətləndirmək üçün Nusselt sayı analizi aparıb. Nusselt sayı konveksiya ilə istilik ötürülməsinin keçiriciliklə istilik ötürülməsinə nisbətən nə qədər dominant olduğunu göstərən ölçüsüz kəmiyyətdir.

Araşdırmada lokal Nusselt sayı belə müəyyən edilib:

Nu = [(dT/dn)_w × D] / [T_w − T_bl]

Burada (dT/dn)_w divar səthindəki temperatur qradiyentini, D xarakterik uzunluğu, yəni actuator disc diametrini, T_w divar temperaturunu, T_bl isə bulk hava temperaturunu ifadə edir. Daha yüksək Nusselt sayı lokal konveksiya təsirinin daha güclü olduğunu göstərir. Lakin bu dəyəri şərh edərkən ehtiyatlı olmaq lazımdır: divara yaxın lokal temperatur pikləri də yüksək qradiyent yarada bilər. Buna görə yüksək Nu həmişə otaq üzrə yaxşı qarışma demək deyil.

Məqalənin Nusselt analizi ventilyator altındakı qızdırıcı halında istiliyin otaq səthlərinə daha geniş və balanslı daşındığını göstərir. Ventilyatorun aşağı istiqamətli şırnağı istiliyi döşəməyə və yan dövriyyə zonalarına daşıyır. Buna görə divar səthlərində daha geniş sahəli və daha balanslı konveksiya yaranır.

Divara yaxın qızdırıcıda isə qızdırıcının ətrafında çox yüksək lokal Nu dəyərləri yarana bilər. Lakin bu güclü ümumi qarışma deyil, intensiv lokal temperatur qradiyenti deməkdir. Otağın digər səthlərində Nu dəyərləri aşağı qalır. Bu da araşdırmanın əsas nəticəsini dəstəkləyir: qızdırıcını aşağı sürətli divar zonasına qoymaq temperaturu lokal olaraq yüksəldir, amma onu bütün otağa yaxşı paylamır.

Şəkillər və qrafiklər nə göstərir?

Figure 1ventilyator pərinin sadələşdirilmiş blade-element yanaşması ilə necə hissələrə bölündüyünü göstərir. Bu vizual actuator disc modelinə daxil edilən impuls mənbələrinin tamamilə ixtiyari verilmədiyini; pərin kök, orta və uc hissələrindəki aerodinamik yüklərdən törədildiyini izah edir.

Figure 2araşdırmada istifadə olunan otaq həndəsəsini göstərir. Bu vizual tədqiqatın abstrakt qutu modelindən daha çox realistik ölçüləri olan otaq daxilində aparıldığını anlamaq üçün vacibdir.

Figure 3otağın yuxarıdan və öndən görünüşünü verir. Ventilyatorun mövqeyi, təsdiqləmə nöqtələri və üç fərqli qızdırıcı yerləşimi bu vizualdan başa düşülür. Bu şəkil araşdırmanın əsas eksperimental/ədədi müqayisə quruluşunu göstərir.

Figure 4istifadə olunan hesablama şəbəkəsini göstərir. Xüsusilə ventilyator, qızdırıcı və divarlara yaxın sahələrdə şəbəkənin daha incə olması sürət və temperatur qradiyentlərini tutmaq üçün lazımdır.

Figure 5actuator disc modelinin eksperimental məlumatlarla müqayisəsini göstərir. Simulyasiya ilə eksperiment arasında mərkəzi zonada fərqlər görülsə də, sürət profilinin ümumi meyli tutulub. Bu, modelin otaq miqyasında temperatur paylanması analizlərində istifadə edilə biləcəyini dəstəkləyir.

Figure 6ventilyatorun yaratdığı sürət konturlarını göstərir. Ventilyator altında güclü şırnaq, otağın uzaq sahələrində isə aşağı sürətli zonalar görünür. Bu vizual qızdırıcının yüksək sürətli şırnaq zonasına yerləşdirilməsinin niyə effektiv olduğunu anlamaq üçün əsasdır.

Figure 7üçölçülü sürət vektorlarını göstərir. Otaqda yalnız aşağı istiqamətli axın deyil, eyni zamanda dövriyyə zonalarının yarandığı görünür. Bu sirkulyasiyalar isti havanın otaqda daşınmasında müəyyənedici rol oynayır.

Figure 8turbulent kinetik enerji paylanmasını göstərir. Yüksək turbulentlik ventilyator diski və şırnaq ətrafında cəmləndiyi üçün bu zonalar qarışma baxımından effektivdir.

Figure 9axın xətləri ilə otaqdakı dövriyyə quruluşunu göstərir. Bu şəkil ventilyatorun yaratdığı şırnağın divarlarla qarşılıqlı təsir edərək geri dönmə zonaları yaratdığını və istilik daşınmasının yalnız xətti deyil, mürəkkəb dövriyyə quruluşu ilə baş verdiyini göstərir.

Figure 11, 14 və 17müvafiq olaraq 288 K, 283 K və 293 K üst divar temperaturlarında temperatur profillərini göstərir. Bu qrafiklər qızdırıcı mövqeyinin temperatur paylanmasına təsirini aydın göstərir. Ventilyator altındakı qızdırıcıda profillər daha balanslı, divara yaxın qızdırıcıda isə lokal piklər daha aydındır.

Figure 12, 13, 15, 16, 18 və 19temperatur konturlarını üç fərqli müstəvidə göstərir. Bu konturlar ventilyator altındakı qızdırıcıda istiliyin daha geniş sahəyə yayıldığını, divara yaxın qızdırıcıda isə istiliyin müəyyən zonada sıxışdığını göstərir.

Figure 20, 21 və 22müxtəlif üst divar temperaturları üçün Nusselt sayı konturlarını göstərir. Bu vizuallar istilik ötürülməsinin yalnız temperatur miqdarı ilə deyil, axının divarlara daşıdığı istilik intensivliyi və temperatur qradiyentləri ilə də əlaqəli olduğunu izah edir.

Gündəlik həyat baxımından bu araşdırma necə başa düşülməlidir?

Bu araşdırmanın gündəlik həyatda qarşılığı çox sadədir: qışda otağı isidərkən qızdırıcının harada yerləşdiyi və havanın necə dövr etdiyi çox vacibdir. Qızdırıcını küncə və ya divarın dibinə qoymaq həmin zonanı çox isti edə bilər, lakin bütün otağı rahat etməyə bilər. Bu halda istifadəçi daha yüksək gücdə isitmə tətbiq etməyə məcbur qala bilər.

Ventilyator dəstəkli yanaşma isə isti havanı hərəkət etdirməyi hədəfləyir. İsti hava ventilyatorun güclü axın zonasına verilərsə, otaqda daha bərabər yayıla bilər. Beləliklə, bir nöqtədə həddindən artıq temperatur yaranmadan yaşayış zonasında daha balanslı temperatur əldə edilə bilər. Bu ideya xüsusilə hündür tavanlı otaqlarda, istiliyin tavanda toplandığı məkanlarda və ya kiçik/orta ölçülü otaqlarda az enerjili dəstək strategiyası kimi düşünülə bilər.

Lakin burada diqqət edilməli məqam var: araşdırma birbaşa “hər evdə qızdırıcını ventilyatorun altına qoyun” kimi təhlükəsizlik və ya tətbiq tövsiyəsi deyil. Qızdırıcı və ventilyatorun elektrik təhlükəsizliyi, yanğın riski, qurğuların montajı, real otaq mebeli, insanların mövcudluğu, hava cərəyanı hissi və müxtəlif ventilyator sürətləri kimi mövzular bu PDF-də eksperimental olaraq sınaqdan keçirilməyib. Araşdırma daha çox mühəndislik prinsipini göstərir: istilik mənbəyini yüksək konveksiya zonasına yerləşdirmək temperatur paylanmasını yaxşılaşdıra bilər.

Keçmiş, bu gün və gələcək baxımından araşdırmanın əhəmiyyəti

Keçmiş baxımından tavan ventilyatorları əsasən isti iqlimlərdə soyutma rahatlığını artıran azenerjili qurğular kimi qiymətləndirilib. Ədəbiyyatda ventilyatorların hava sürətinə, aerozol paylanmasına və havalandırmaya necə təsir etdiyini araşdıran işlər var. Lakin bu araşdırma ventilyatoru qışda isitmə səmərəliliyini dəstəkləyə biləcək hava qarışdırma vasitəsi kimi yenidən nəzərdən keçirir.

Bu gün baxımından bina enerji istehlakı və karbonun azaldılması böyük mühəndislik və siyasət problemidir. Ənənəvi isitmə sistemləri rahatlığı təmin edərkən çox enerji sərf edə bilər. Əgər tavan ventilyatoru kimi sadə və geniş yayılmış qurğu düzgün qızdırıcı yerləşimi ilə istilik təbəqələşməsini azalda bilirsə, bu, aşağı xərcli təkmilləşdirmə yolu ola bilər. Xüsusilə mövcud binalarda böyük HVAC yeniləmələri bahalıdır; ventilyator dəstəkli istilik paylanması kimi hibrid həllər buna görə maraqlıdır.