تهویه مطبوع یکی از مهمترین اختراعات بشر مدرن است. انجام عملیات مختلف به روی هوا جهت تامین آسایش یا ایجاد شرایط طرح و مورد نظر از عوامل کلیدی زندگی مدرن به شمار می آید. بدون استفاده از سیستم تهویه مطبوع، بسیاری از ساختمانهای امروزی بی استفاده می گردید. تهیه مطبوع مطبوع کمک شایانی به زندگی در مناطق غیر قابل سکونت نموده است و به طور محسوس در پراکندگی جعرافیایی جمعیت کشورها تاثیر داشته است. جالب است بدانیم که تهویه مطبوع در بیمارستانها باعث نجات جان بسیاری از بیماران گردیده است و میزان مصرف آنتی بیوتیک بعد از عمل و در دوره ی بهبودی را به طرز چشمگیری کاهش داده است. تهویه مطبوع و اتاقهای تمیز در صنعت داروسازی با تاثیر مستقیم در تولید انواع دارو در راستای بهبود سلامت بشر گام نهاده است. به جرات می توان گفت که بدون استفاده از تهویه مطبوع دیتا سنتر ها و متعاقب آن اینترنت قابلیت عملکردی نداشت. در ادامه تاریخچه ای مختصر در خصوص اتفاقات تاریخی و اختراع تهیه مطبوع می نویسم:
مهمترین دانشمندی که شروع به نظریه پردازی در این خصوص نمود آقای سعدی کارنو بود که سیکل کارنو را در سال ۱۸۹۰ تئوریزه کرد اگرچه دانشمندان زیادی قبل از ایشان کمک شایانی به پیشرفت علم نمودند ولی نقش کارنوی فرانسوی غیر قابل انکار است.
در سال ۱۸۴۰ مخترع و فیزیکدان اهل فلوریدای آمریکا ایده ی خنک سازی شهرها و اماکن را جهت جلوگیری از مضرات درجه حرارت بالای محیط مطرح نمود. دکتر جان گوری معتقد بود که سرمایش کلید اصلی مقابله با بیماری مالاریاست و باعث می شود که بیماران راحت تر باشند. اما در آن برهه زمانی ایده ی ایشان مستلزم آوردن یخهای شمال آمریکا به فلوریدا بود که این امر امکان پذیر نبود.
علاوه بر این چالش لجستیکی پر هزینه، دکتر گوری شروع به تحقیقاتی پیرامون ایده ی سرمایش مصنوعی نمود. او یک ماشینی طراحی کرد که با کمپرسوری که توسط اسب، باد یا آب کار می کرد بتواند یخ تولید کند و پتنت ساخت آن را در سال ۱۸۵۱ ثبت نمود. اگرچه ایشان نتوانست ایده ی خود را تجاری سازی نماید و با مرگ پشتیبان اصلی مالی اش همه چیز متوقف گردید ولی اختراع و ایده ی اصلی ایشان پایه گذار تهویه مطبوع و تبرید مدرن گردید.
ایده ی سرمایش مصنوعی برای سالهای متمادی به پستو رفت تا اینکه مهندس جوانی به نام ویلیس کریر در سال ۱۹۰۲ در شرکت بوفالو فورج مشغول به کار شد. آقای کریر به روی حل مشکل رطوبت شرکت چاپخانه و لیتوگرافی ساکت ویلمز متمزکر بود چراکه رطوبت باعث می شد تا صفحات مجلات چین دار شوند.
پس از تحقیقات طولانی آقای کریر یک سیستمی را طراحی کرد که قادر بود با استفاده از کویل های سرمایشی رطوبت را کنترل کند. پتنت ساخت این دستگاه با نام دستگاهی برای عملیات به روی هوا که می تواند رطوبت گیری یا رطوبت دهی انجام دهد ثبت گردید. هماهنطور که ایشان به تست و بهینه سازی فن آوری خودش ادامه می داد، توانست پتنت ساخت سیستم کنترل اتوماتیک رطوبت و دمای هوا را در صنعت نساجی ثبت کند.
طولی نکشید تا آقای کریر متوجه شد که می تواند با کنترل رطوبت و تهویه مطبوع به روی تمامی صنایع تاثیر گذار باشد که در نتیجه از شرکت بوفالو فورج استعفا داد و به همراه ۶ مهندس دیگر شرکت مهندسی کریر را بنا نهاد.
در نمایشگاه جهانی سنت لوییس سال ۱۹۰۴، برگزار کنندگان نمایشگاه از تبرید مکانیکی برای سرمایش ساختمان ایالتی میسوری استفاده کردند. سیستم از ۳۵۰۰۰ سی اف ام هوا استفاده می کرد تا ۱۰۰۰ صندلی سالن اجتماعات، ساختمان گنبدی و دیگر فضاها را خنک سازد. این اولین باری بود که یک فضای عمومی در معرض تهویه مطبوع قرار می گرفت. پیشرفت بزرگ در صنعت تهویه مطبوع هنگامی در سال ۱۹۲۰ صورت گرفت همان زمان که مردمان آمریکا برای تماشای فیلم های ستاره های هالیوود به سالنهای سینما هجوم می آوردند جالب است بدانیم همزمانی پیشرفت صنعت سینما و تهویه مطبوع در کشور آمریکا هنگامی رخ داد که دیگر صنایع درگیر رکود بزرگ بعد از جنگ جهانی اول بودند. سیستم های اولیه تهویه مطبوع سالنهای سینما عاری از ایراد نبود چراکه اساسا از سیستم های گرمایشی که با مبرد تغییر یافته بود استفاده می کردند تا از طریق ونت ها هوای سرد را توزیع کنند که این سیستم باعث می شد هوای سطوح بالاتر گرم و کثیف باشد و هوای سطوح پایین تر تا حدی سرد می شد که در برخی مواقع شرکت کنندگان مجبور می شدند تا پاهای خود را روزنامه پیچ کنند تا گرم بماند. در سال ۱۹۲۲ شرکت مهندسی کریر اولین سیستم سرمایشی استاندارد را برای سالن نمایش متروپولیتن در شهر لس آنجلس پیاده سازی نمود که قادر بود هوای سرد را در تمام سطوح ساختمان به طور مناسب و همزمان با کنترل دما و رطوبت توزیع نماید.
در ماه مه ۱۹۲۲ شرکت کریر یک سیستم جدید مجهز به چیلر سانتریفیوژ را جهت سالن نمایش ریولی در شهر نیویورک ارائه نمود. با افزایش کاربرد سیستم های تهویه مطبوع هزینه اولیه تولید کاهش یافت و این سیستم ها در سرتاسر کشور آمریکا مورد استفاده قرار گرفت.
علی رغم پیشرفت در فن آوری های سرمایشی، این سیستمها برای خانه ها بسیار بزرگ و گران قیمت بودند. شرکت فریجیدر در سال ۱۹۲۹ یک دستگاه اسپلیت را جهت خنک سازی منازل مسکونی معرفی نمود. این دستگاه کوچک به اندازه ی یک رادیو کابینتی بود ولی سیستم وزن زیادی داشت، گران قیمت بود و یک کندانسور مجزا نیز نیاز داشت. شرکت جنرال الکتریک طراحی ها را توسعه داد و یک کولر یکپارچه ی پنجره ای درست کرد ( از سال ۱۹۳۰ تا ۱۹۳۱ سی و یک دستگاه نمونه مشابه تولید کردند).
در همان زمان مهندسین شرکت جنرال موتور مبرد کلروفلوئورو کربن را ساختند که به عنوان اولین مبرد غیر قابل اشتعال به طور مداوم باعث بهبود عملکرد و ایمنی دستگاههای تهویه مطبوع گردید. اگرچه این مواد شیمیایی در سالهای بعد بخاطر ضرری که برای لایه ازن داشتند به وسیله ی پروتوکل مونترال سال ۱۹۹۰ از رده ی تولید و استفاده خارج گردید. مبرد هیدرو فلوئورو کربن که با لایه ازن سازگار بود محبوب شد ولی امروزه نام این مبرد نیز با تغییرات آب و هوایی گره خورده است.
مهندسی به نام هنری گلسون دستگاه کولر پنجره ای را توسعه داد و توانست قیمت تمام شده ی آن را کاهش دهد تا در سال ۱۹۴۷ در حدود ۴۳۰۰۰ دستگاه کولر پنجره ای خانگی به فروش رسید و ساکنین منازل از تهویه مطبوع بدون پرداخت هزینه گزاف بهره مند گردیدند.
در تواخر دهه ۱۹۶۰ بیشتر خانه های پیشرفته در کشور آمریکا به سیستم های تهویه مطبوع مرکزی یا مستقل مجهز شده بودند و مردم توانستند در ایالتهایی که آب و هوای گرمی دارند از جمله آریزونا و فلوریدا سکونت داشته باشند.
با افزایش تقاضا در استفاده از سیستم های تهویه مطبوع و در دهه ۷۰ میلادی، بحران انرژی در جهان رخ داد. در پاسخ به این بحران، قانون گزارهای ایالت متحده آمریکا قوانینی را به تصویب رساندند که تولید کنندگان تهویه مطبوع را ملزم به رعایت استاندارد های بهینه سازی مصرف انرژی برنامه ی استانداردهای تجهیزات و اقلام گردیدند.
از سال ۱۹۹۲ دپارتمان انرژی ایالت متحده آمریکا استاندارد جامعی را برای تولید کنندگان دستگاههای تهویه مطبوع خانگی و هیت پمپها منتشر نمود. پیش بینی می شود که این استاندارد در بازه زمانی ۱۹۹۳ تا ۲۰۲۳ بتواند ۲۹ میلیارد دلار در قبوض انرژی صرفه جویی نماید. استانداردی که در سال ۲۰۰۶ تصویب گردید نیز می تواند ۷۰ میلیارد دلار را در بازه ی سالهای ۲۰۰۶ تا ۲۰۳۵ در قبوض ذخیره نماید و همچنین از انتشار ۳۶۹ تن دی اکسید کربن در سال که معادل ۷۲ میلیون ماشین می باشد جلوگیری می نماید.
نتایج این قوانین منجر به توسعه بهینه سازی مصرف انرژی گردید به طوری که می توان گفت تجهیزات امروزی نسبت به سال ۱۹۹۰ تا ۵۰ درصد کمتر انرژی مصرف می کنند.
یکی از مباحث بسیار مهم و پرکاربرد در صنعت و علم مکانیک، «سیستمهای گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع» هستند. این سیستمها را میتوان به صورت اختصاری با نام HVAC نمایش داد. نکته مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که تهویه مطبوع بخشی از علم HVAC است ولی در بسیاری از حالات و صنایع این دو واژه را یکسان در نظر میگیرند و با نام تهویه مطبوع و HVAC مورد مطالعه قرار میدهند.
سیستم گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع، بخش مهمی از یک ساختمان شهری، تجاری و صنعتی را در بر میگیرد. توجه کنید که یک سیستم مناسب تهویه مطبوع با هدف کنترل دما، رطوبت و کیفیت هوای ساختمان ایجاد میشود و هدف از کنترل این پارامترها ایجاد یک فضای راحت است که بتوان در آن به امور شخصی و کار پرداخت. علم تهویه مطبوع کاربرد بسیار زیادی در طراحی اتاق تمیز و همچنین کنترل آلایندهها در اتاق تمیز دارد.
این مطلب ابتدا به صورت دقیق مفاهیم کلی مورد استفاده در تهویه مطبوع و سیستمهای HVAC را مورد مطالعه قرار میدهد. در ادامه انواع بخشهای موجود در یک سیستم تهویه مطبوع و HVAC مانند سیستم گرمایش و سرمایش، مورد بررسی قرار میگیرد و پس از آن نحوه عملکرد سیستم تهویه مطبوع و HVAC بیان میشود و در انتهای مطلب نیز انواع مختلف سیستمهای تهویه مطبوع به همراه مزایا و کاربردهای آنها مورد مطالعه قرار میگیرد. همچنین محاسبه پارامترهای مختلف تهویه مطبوع در مطلب «نمودار سایکرومتریک» مورد مطالعه قرار گرفته است.
همانطور که اشاره شد، سیستم HVAC خلاصه شده عبارت گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع است. بنابراین همانطور که از نام آن پیداست، این سیستم از سه مجموعه گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع تشکیل میشود که در ادامه به صورت مختصر معرفی میشوند.
بخش اول در یک سیستم HVAC، گرمایش است. گرمایش بخشی است که در آن هوای درون ساختمان را با استفاده از رادیاتورها یا سیستمهای تولید هوا گرم میکنند.
در بسیاری از موارد، گرمایش و سرمایش، نیمه از انرژی را تشکیل میدهد که افراد مختلف در دوران زندگی خود مصرف میکنند. بنابراین انتخاب یک سیستم مناسب HVAC که بتواند راحتی و آسایش شما را تامین کند و انرژی زیاد و اضافی را مصرف نکند، اهمیت بسیار زیادی دارد. در ادامه برخی از شیوههای انتخاب یک سیستم تهویه مطبوع و HVAC به خوبی بیان شده است.
افرادی که محل سکونت آنها در آب و هوای سرد یا گرم قرار دارد باید از سیستمهای تک مرحله استفاده کنند. این سیستمها طوری طراحی شدهاند که بتوانند تنها سرما یا گرما تولید کنند. این سیستمها ارزان هستند و در سمت مقابل، بازدهی بسیار پایینی نیز دارند. نکته دیگر این است که این سیستمها در تمام حالات و حتی زمانی که به آنها احتیاجی نباشند نیز با تمام ظرفیت خود کار میکنند و این موضوع مصرف انرژی آنها را به شدت افزایش میدهد.
نوع پیشرفتهتری از سیستمهای تهویه مطبوع و HVAC نیز وجود دارد که در آنها برای کاهش مصرف انرژی، از فن با سرعتهای متفاوت استفاده میشود. اما همچنان این نوع از فنها در مقابل سیستمهای چند مرحله کارایی و بازده پایینتری دارند و برای استفاده در طول مدت زمان زیاد، سیستمهای گران محسوب میشوند.
مدل سوم از سیستمهای تهویه مطبوع و HVAC «سیستمهای ناحیهای» هستند. این سیستمها برای گرمایش و سرمایش بخش خاصی از خانه مورد استفاده قرار میگیرند. این کار را مهندسان مکانیک با طراحی و قرار دادن دمپرهایی درون دریچه یا داکت انجام میدهند. این دمپرها توانایی این را دارند که به صورت انتخابی جریان هوا را مسدود و یا آزاد کنند.
در واقع این مدل از سیستمهای تهویه مطبوع و HVAC از گرمایش و سرمایش بخشی از خانه که کسی در أن حضور ندارد، جلوگیری میکند و این یکی از ویژگیهای بسیار ارزشمند این سیستم محسوب میشود.
نوع نهایی از سیستمهای تهویه مطبوع و HVAC نیز سیستمهایی هستند که علاوه بر تعیین دما و ایجاد گرمایش و سرمایش در سیستم، رطوبت را نیز کنترل میکنند. در واقع در این سیستمها از ایجاد کننده رطوبت و از بین برنده آن نیز استفاده میشود.
استفاده از این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع برای افرادی که در محیطهای بسیار خشک یا مناطق گرمسیر زندگی میکنند بسیار ضروری است. برخی از این افراد ترجیح میدهند که چند عدد وسیله ایجاد کننده رطوبت یا از بین برنده رطوبت را نصب کنند. بنابراین با استفاده از این وسایل و بدون روشن کردن دستگاه تهویه مطبوع، میتوان رطوبت موجود در سیستم را کنترل کرد.
سیستمهای گرمایش انواع مختلفی را در بر میگیرند. برخی از این سیستمها شامل کورهها میشوند که در آنها مواد مختلف برای تولید حرارت و گرما سوخته میشوند. در این مدل سیستمها، حرارت تولید شده در کوره از طرق داکت به هوای درون اتاق منتقل میشود.
نوع دیگری از سیستمهای گرمایش بویلر یا دیگ بخار است. این بویلرها، به آب گرما میدهند و محصول نهایی را به سمت رادیاتورها یا رادیاتورهای کف هدایت میکنند. نکته مهم دیگری که باید به آن اشاره کرد این است که کوره به صورت عمومی با استفاده از گاز طبیعی یا پروپان فعالیت میکند. این در حالی است که یک بویلر از گاز یا نفت برای گرم کردن آب استفاده میکند.
نوع دیگری از سیستمهای گرمایش نیز موجود هستند، این سیستم گرمایش در کف اتاق حضور دارد و گرمایش در این نوع از سیستمها را گرمایش از کف مینامند. این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع از سیستمهای پایپینگ و لولهکشی در کف اتاق استفاده میکنند. جنس این لولهها از نوع لولههای انعطاف پذیر است که درون آنها سیالی به نام آب یا محلول گلیکول جریان دارد.
گرمایش از کف را در انواع کفها با جنسهای مختلف مانند بتن میتوان انجام داد و در برخی از حالات نیز این روش، روشی پر بازده برای تولید گرما در خانه به حساب میآید. این نوع از گرمایش را در کف پوشهای چوبی نیز میتوان اجرا کرد و در این حالت باید دقت زیادی انجام داد تا طراحی و نصب لولهها به خوبی و به صورت صحیح انجام شود.
تعداد زیادی از سیستمهای تهویه مطبوع طوری طراحی شدهاند که قابلیت نصب توسط مشتری را دارند و بهترین انتخاب از بین این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع اسپلیتهای کوچک هستند.
نوع دیگری از سیستمهای سرمایش نیز حضور دارند که برای آب و هوای خشک مناسب هستند. این نوع از سیستمها را «کولرهای آبی» مینامند. توجه کنید که این نوع از کولرها، هوا را از بیرون میمکند و آن را از روی پوشالها و مقاطع خیس عبور میدهند و در نهایت هوای مرطوب و خنک شده را به محیط اتاق منتقل میکنند.
در سیستمهای تهویه مطبوع و HVAC معمولا یک دستگاه تنظیم خودکار وجود دارد که تعیین میکند فضای اتاق باید گرم یا سرد شود. همچنین این دستگاه وظیفه تعیین درجه حرارتی که دمای اتاق باید به آن برسد را نیز به عهده دارد.
نکته مهمی که در عملکرد بالا مشاهده میشود این است که سیستم فوق طوری طراحی شده است که سیم پیچها یا کویلهای موجود در مجموعه، قابلیت گرم یا سرد شدن را داشته باشند. توجه کنید که مطابق شکل، سیم پیچها توسط بویلر، گرم و توسط چیلر، سرد میشوند.
هوا ابتدا از بیرون به داخل سیستم میآید و سپس از روی سیمپیچ یا کویلها عبور میکند و در نهایت پس از گرم یا سرد شدن، به درون اتاق منتقل میشود.توجه کنید که همزمان با ورود هوا از سیستم تهویه مطبوع و HVAC به درون اتاق، قسمتی از هوای اتاق از طریق یکی از خروجیها به سیستم تهویه مطبوع باز میگردد. در واقع با استفاده از این فرایند، هوای اتاق با هوای تازه جایگزین میشود.
نوع دیگری از سیستمهای تهویه مطبوع حضور دارند که این سیستمها، سیستمهای تهویه مطبوع کوچک هستند. نحوه عملکرد این سیستم به صورت کلی اینگونه است که، ابتدا گرما از درون یک اتاق جمع آوری میشود و سپس این گرما به بیرون از اتاق منتقل میشود و در نتیجه این فرایند، دمای هوای اتاق کاهش مییابد. این سیستم را میتوان در مکانهایی مانند خودروها مشاهده کرد. مکانیزم عملکرد این سیستم به صورت دقیق در شکل زیر به تصویر کشیده شده است.
سیستم تهویه مطبوع کوچک
مکانیزم بالا نشان میدهد که چگونه یک سیستم گرما را از یک اتاق دریافت میکند و سپس گرمای دریافتی را درون یک مجموعه ذخیره میکند و در نهایت این گرما را به هوای بیرون از اتاق انتقال میدهد.
شیر انبساط
این وسیله باعث ایجاد یک محدودیت و توقف در مسیر جریان سیال درون سیستم میشود. نکته دیگر این است که این وسیله افت فشار زیادی را نیز در سیستم ایجاد میکند.
اواپراتور یا تبخیر کننده
این وسیله حاوی مبردی است که با استفاده از تبخیر این مبرد، دستگاه قادر خواهد بود تا گرمای موجود در محیط را از بین ببرد. توجه کنید که تبخیر یک فرایند گرماگیر است. بنابراین مبرد درون اواپراتور، طی فرایند تبخیر، از محیط گرما میگیرد.
کمپرسور
کمپرسور را میتوان به صورت کلی به عنوان دستهای از توربوماشینها معرفی کرد. کمپرسور در سیستمی که در بالا معرفی شد، قلب تپنده سیستم را تشکیل میدهد. کمپرسور در این سیستم تهویه مطبوع، انرژی و نیروی پیشرانش یا تراست تولید میکند و در نتیجه این نیرو، مبرد درون سیستم به حرکت در میآید.
کندانسور
همانطور که اشاره شد گرمای اتاق توسط مبرد موجود در تبخیر کننده یا اواپراتور دریافت میشود. برای کامل شدن چرخه نشان داده شده، نیاز هست که مبرد تبخیر شده دوباره و طی فرایند میعان به حالت مایع بازگردد. این فرایند در کندانسور انجام میشود.نکته مهمی که باید به آن توجه کنید این است که فرایند میعان، یک فرایند گرماده یا گرمازا است. بنابراین کندانسور در این فرایند، به عنوان وسیلهای محسوب میشود که گرما را از مبرد به محیط بیرون منتقل میکند.
خشک کن
به منظور حفظ کیفیت هوای اتاق، محفظهای شامل فیلتر در اتاق قرار داده میشود که به وسیله آن میتوان رطوبت و آلایندههای موجود در اتاق را تنظیم کرد. توجه کنید که حضور این مدل فیلتر برای یک فضای کوچک و بسته، ضروری به نظر میرسد.
شش نوع اصلی از سیستمهای HVAC در این بخش مورد بررسی قرار خواهند گرفت. شیوه عملکرد کلی این شش سیستم تغییرات بسیار کمی نسبت به مباحث اشاره شده در بخشهای قبل دارد.
همانطور که میدانیم، گرما به صورت معمول تمایل دارد که از جسم گرم به جسم سرد یا از محیط با دمای بالا به محیط با دمای پایین منتقل شود. اما پمپ حرارتی مجموعهای است که مسیر حرکت حرارت را در خلاف حرکت معمول آن ایجاد میکند. در واقع پمپ حرارتی گرما را از جسم یا یک محیط با دمای پایین به جسم یا محیط با دمای بالاتر منتقل میکند.
پمپ حرارتی یک سیستم با کارایی و بازده بالا است و با استفاده از روندی که در ابتدای بخش توضیح داده شد، دمای اتاق را کنترل میکند. حالتی را در نظر بگیرید که هدف از به کارگیری پمپ حرارتی، گرم کردن یک محیط است. در این حالت، پمپ حرارتی از چرخه و سیکل تبرید مورد استفاده در تهویه مطبوع و یخچالها استفاده میکند ولی هوای گرم تولید شده را به سمت مخالف یعنی به درون اتاق منتقل میکند.
توجه کنید که با برعکس کردن جریان هوا در پمپ حرارتی، میتوان از این وسیله برای خنک کردن یک اتاق استفاده کرد. نکته مهم دیگری که باید به آن اشاره کرد این است که وقتی پمپ حرارتی برای سرمایش مورد استفاده قرار میگیرد، مکان کویلها در سیستم عوض میشود ولی چرخه عملکرد آن تغییر نمیکند.
در یک پمپ حرارتی، مایع موجود در تبخیر کننده و اواپراتور، به بخار تبدیل میشود و طی این فرایند از محیط گرما دریافت میکند. در مرحله بعد فشار این بخار توسط کمپرسور افزایش مییابد و پس از آن، گاز پر فشار به کندانسور وارد میشود و در این قسمت و طی فرایند میعان به مایع تبدیل میشود. توجه کنید که میعان یک فرایند گرماده یا گرمازا است و طی این فرایند، گاز موجود در سیستم گرما را به محیط انتقال میدهد.
«یونیت پشت بامی» یا پکیج پشت بامی کاربرد بسیار زیادی در علم تهویه مطبوع و صنایع مرتبط به آن دارد. توجه کنید که این مجموعه را تحت عنوان «دستگاه انتقال هوا» نیز معرفی میکنند.
این مجموعه، همانطور که از نام آن پیداست، از یک سیستم بزرگ تهویه مطبوع و HVAC تشکیل شده و در پشت بام قرار داده میشود. هدف از طراحی چنین سیستمی، معتدل کردن دمای یک محیط بزرگ است.
همانطور که اشاره شد، سیستم یونیت پشت بامی، از یک جعبه بزرگ در پشت بام ساختمان اداره یا سایر انواع ساختمانها تشکیل شده است. درون این جعبه اجزای مختلفی مانند، یک دمنده، المانهای گرمایش و سرمایش، فیلتر، محفظهها و دمپرها قرار دارند.
جعبه بزرگی که معرفی شد، به داکتهای سیستم تهویه ساختمان متصل است و از این طریق، هوای تولید شده در کل ساختمان توزیع میشود و در نهایت بر حسب مدلی که سیستم یونیت پشت بامی از آن استفاده میکند، هوا به داخل سیستم باز میگردد و چرخه کامل میشود. شکل زیر نمایی از یک سیستم یونیت پشت بامی یا دستگاه انتقال هوا را به تصویر کشیده است.
پمپ حرارتی با استفاده از مایعات گرم و یا به صورت عمومی، هر کدام از پمپهای حرارتی زمینگرمایی، ابزارهایی برای تامین گرمایش و سرمایش پایدار و قابل تحمل هستند. در واقع این سیستم با استفاده از دمای متعادل زمین در زمستان و تابستان، گرمایش و سرمایش را انجام میدهد.
توجه کنید که استفاده از پمپ حرارتی با استفاده از مایعات گرم، در زمان حاضر، روش رایجی نیست و دلیل این موضوع این است که این مجموعه باید در نزدیکی یک حجم انبوه آب قرار بگیرد. اما محبوبیت سیستمهای مختلف پمپ حرارتی زمین گرمایی به سرعت رو به افزایش است. در واقع این سیستم یکی از سیستمهای تولید انرژی پاک محسوب میشود و استفاده از آن کمک بسیار زیادی به محیط زیست میکند.
نکته مهمی که باید به آن توجه کرد این است که سیستمهای پمپ حرارتی با استفاده از مایعات گرم با بهره گرفتن از دمای متعادل زمین، بازده سیستم تهویه مطبوع و HVAC را بهبود میبخشند. توجه کنید که نکته فوق برای انواع مختلف پمپ حرارتی مانند فعالیت در آب یا زمین، کاربرد دارد. همچنین این نکته برای هر دو حالت گرمایش و سرمایش بیان شده است. شکل زیر نمایی از یک سیستم پمپ حرارتی با استفاده از مایعات گرم را بیان میکند.
قدم بعدی در این سیستم این است که یک حفره در نزدیکی سیستم تهویه مطبوع یا HVAC ایجاد شود. بنابراین آب سرد در زیر زمین میتواند توسط سیستم به بالا منتقل شود و آب شرب و همچنین آب مورد نیاز برای چرخه پمپ حرارتی را تامین کند. بنابراین ابتدا آب بالا آمده از زمین، فیلتر میشود و سپس در یک مبدل حرارتی قرار میگیرد. بنابراین گرما از آب گرفته میشود و از این گرما برای افزایش دمای سیستم آب خانه استفاده میشود.
همانطور که بیان شد به وسیله سیستم پمپ حرارتی با استفاده از مایعات گرم، میتوان گرمایش و سرمایش و همچنین آب گرم مصرفی را در ساختمانهای مسکونی، اداری و تجاری تامین کرد. در شکل زیر نمایی دیگر از یک سیستم زمین گرمایی را نشان میدهد که منبع تامین انرژی آن میتواند به صورت افقی یا عمودی در زمین باشد و یا این منبع میتواند یک رودخانه و مخزن آب در نزدیکی منطقه در نظر گرفته شود.
شیوه عملکرد منبع زمین گرمایی
شکل زیر هم به صورت مختصر شیوه استفاده از منبع زمین گرمایی در زمستان و تابستان را به تصویر کشیده است. با توجه به این شکل و همچنین توضیحات و شکلهایی که در بالا بیان شد، شیوه استفاده و کاربرد دقیق سیستم پمپ حرارتی با استفاده از مایعات گرم را در حالات مختلف میتوانید به راحتی مورد بررسی و ارزیابی قرار دهید.
سیستمهای پکیج تهویه مطبوع اندکی شبیه به سیستم یونیت پشت بامی هستند با این تفاوت که سیستمهای پکیج تهویه مطبوع برای مصارف خانگی طراحی شدهاند.
سیستمهای تهویه مطبوع مانند کولرهای پنجرهای و اسپلیتهای کوچک برای سرمایش اتاقهای کوچک مورد استفاده قرار میگیرند و جرمی در حدود پنج تن دارند. در مقابل سیستمهای تهویه مطبوع کوچک، سیستمهای تهویه مطبوع مرکزی نیز حضور دارند، این سیستمها برای مکانهای بزرگ و با وزنی حدود ۲۰ تن طراحی شدهاند.
سیستمهای پکیج تهویه مطبوع، نیز بین دو سیستم فوق قرار دارند. در واقع این سیستمها برای افرادی مناسب است که مقدار مصرف و حجم خانه آنها بین دو سیستم فوق قرار داشته باشد. توجه کنید که دو مدل مختلف از سیستمهای پکیج تهویه مطبوع طراحی شده است که در ادامه مطلب به معرفی آنها پرداخته میشود.
نوع اول این سیستمها (سیستمهای پکیج تهویه مطبوع)، سیستمهای پکیج تهویه مطبوع با «کندانسور خنک شونده توسط آب» هستند. همانطور که از نام این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع پیداست، این مدل از سیستمهای تهویه مطبوع، سیستمهایی هستند که خنک کننده و کندانسور آنها به وسیله آب کار میکند.
توجه کنید که برای فعالیت این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع، آب به صورت ثابت و به مقدار کافی باید تامین شود. این مدل از سیستمها معمولا در داخل ساختمان نصب میشوند. شکل زیر نمایی از عملکرد این نوع از سیستمها را به تصویر کشیده است.
نوع دیگری از سیستمهای پکیج تهویه مطبوع نیز حضور دارند که به نام سیستمهای پکیج تهویه مطبوع با «کندانسور خنک شونده توسط هوا» معروف هستند. این نوع از سیستمها، توسط هوای موجود در اتمسفر خنک میشوند و بنابراین یونیتهای خارجی هستند و در محیط بیرون از خانه قرار میگیرند.
این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع از یک فن تشکیل شدهاند که هوا را قبل از عبور از روی کویلهای کندانسور به داخل محفظه میمکد. این موضوع مشابه حالتی است که در یونیتهای پشت بامی مشاهده میشود.
این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع، نسبت به نوع قبلی (خنک شونده توسط آب) بسیار محبوبتر هستند. در واقع در این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع نیاز به طراحی دقیق و نگهداری منظم برای حضور جریان آب یکنواخت نیست. شکل زیر نمایی از این نوع از سیستمها را به تصویر کشیده است.
شیوه قرار گرفتن اجزای مختلف این مجموعه در یک ساختمان نیز در شکل زیر نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود این مجموعه در خارج از ساختمان قرار داده میشود و از جمله یونیتهای خارجی محسوب میشود. همچنین برای استفاده از این سیستم از کانالهای خاصی در خانه استفاده شده است. بنابراین این سیستم از جمله سیستمهای همراه با کانال به حساب میآید.
سیستم «اسپلیت» (Split) به صورت ساده به حالتی گفته میشود که اجزای کلیدی آن از یکدیگر جدا شدهاند و در مکانهای مختلفی قرار گرفتهاند. در واقع نام اسپلیت نیز در زبان انگلیسی به معنای جدا شده است. در واقع بخشی از این سیستم شامل کندانسور و کمپرسور در بیرون از اتاق و بخشی دیگر مانند دمنده و تبخیر کننده در داخل اتاق قرار گرفتهاند.
این نوع از سیستمها به دو دسته کلی تقسیم میشوند. دسته اول «اسپلیتهای کوچک» نام دارد که به «سیستم بدون داکت» نیز معروف هستند. دسته دوم، «سیستم مرکزی» نام دارد.
تهویه مطبوع با استفاده از سیستم مرکزی، دو مدل مختلف دارد. در شکل بالا (بخش قبل)، نمونهای از سیستمهای مرکزی از نوع پکیج را نشان داده است. در سیستمهای پکیج مرکزی، کمپرسور، کندانسور و اواپراتور در داخل یک پکیج قرار دارند و این پکیج در مکانی نزدیک خانه و یا در سقف خانه نصب میشود.
نوع دیگری از سیستمهای مرکزی وجود دارد که این سیستمها به سیستمهای مرکزی اسپلیت معروف هستند. در این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع، کندانسور و کمپرسور در بیرون از مجموعه و اواپراتور در داخل خانه قرار میگیرد و با استفاده از کانال، جریان هوا در خانه توزیع میشود. شکل زیر نمونه از سیستمهای مرکزی از نوع اسپلیت را به تصویر کشیده است.
سیستم مرکزی در واقع سیستمهای به همراه داکت محسوب میشوند و این سیستمها قادر به کنترل دما در محیطهای مختلف هستند. در واقع با قرار دادن بادگیرهای کنترل جریان هوا، میتوان دمای برخی از اتاقها را بیشتر و برخی دیگر را کمتر تنظیم کرد.
بنابراین زمانی که یک اتاق یا فضا به ندرت استفاده میشود، نیازی به سرمایش آن نیست و با استفاده از این سیستم مرکزی میتوان سرمایش آن اتاق را متوقف کرد و در نتیجه با این کار صرفه جویی بسیار زیادی در انرژی و هزینه میشود.
در یک سیستم تهویه مطبوع از نوع اسپلیت، مبدل حرارتی درون یک محفظه مرکزی قرار گرفته است و با استفاده از یک دمنده، هوا از روی تبخیر کننده یا اواپراتور عبور میکند و خنک میشود و در نهایت هوای خنک شده به درون اتاق منتقل میشود.
کوچکترین و پرفروشترین نوع از سیستمهای تهویه مطبوع و HVAC، سیستمهای بدون داکت هستند. به همین دلیل بخش جداگانهای را به این سیستمها اختصاص دادیم. سیستمهای بدون داکت یا اسپلیتهای کوچک، برای مکانهای با اندازه نسبتا کوچک، مانند یک اتاق بزرگ یا چند اتاق کوچک طراحی شدهاند.
این نوع از سیستم تهویه مطبوع، کمترین میزان فضا در اتاق را نیازمند است. همچنین کمپرسور و مبدل حرارتی آن میتواند در مکان دورتر از ساختمان اصلی قرار بگیرد. بنابراین انعطاف پذیری زیادی در شیوه استفاده از این نوع سیستمهای تهویه مطبوع وجود دارد.
سیستمهای بدون داکت، اصلیترین و بیشترین سهم در بازار را به خود اختصاص میدهند. در واقع با توجه به طراحی منعطف این سیستمها و قابلیت بهره گرفتن از آنها در خانههای مسکونی، استفاده از این نوع سیستمهای تهویه مطبوع کاربرد بسیار زیادی دارد. این سیستمها به راحتی نصب میشوند و زیبایی به خصوصی نیز دارند و در برخی از حالات، بخشی از تزئینات خانه به حساب میآیند.
ویژگی منفی سیستمهای بدون داکت نسبت به سیستمهای مرکزی این است که این سیستمها هزینه عملکرد بالاتری دارند. اما این سیستمها ویژگیهای مثبتی نیز دارند. یکی از ویژگیهای مثبت آنها این است که نیاز به نصب داکت در طول ساختمان ندارند. بنابراین در یک ساختمانی که ساختن آن تکمیل شده، سیستم بدون داکت بهترین گزینه به حساب میآید و نیاز به تغییرات اساسی برای نصب داکت و کانال ندارد.
توجه کنید که بعد از تکمیل ساخت یک ساختمان، ایجاد داکت کار بسیار سختی به حساب میآید و راحتترین کار استفاده از سیستمهای بدون داکت است. این نوع از سیستمهای تهویه مطبوع در شکل زیر هم به تصویر کشیده شده است.
بنابراین میتوان بیان کرد که یک سیستم گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع، یکی از مهمترین بخشهای یک ساختمان است که سلامت و راحتی برای زندگی در آن ساختمان را تامین میکند و تاثیر به سزایی در میزان مصرف انرژی دارد. بنابراین انتخاب یک سیستم تهویه مطبوع درست، کمک بسیار زیادی به صرفه جویی در مصرف انرژی، کاهش هزینه و افزایش راحتی و سلامت دارد. نکته دیگری که به صورت دقیق به بررسی آن پرداخته شد این است که انواع مختلفی از سیستمهای تهویه مطبوع و HVAC با توجه به مکان و اندازه ساختمان وجود دارد که شش مورد مختلف آن به صورت دقیق و کامل مورد بررسی قرار گرفت.
یکی از نکات اساسی در بحث تهویه مطبوع ساختمانها این است که یک سیستم مناسب تهویه مطبوع با هدف کنترل دما، رطوبت و کیفیت هوای ساختمان ایجاد میشود. نکته دیگر این است که مباحث مطرح شده در علم تهویه مطبوع کاربرد بسیار زیادی در طراحی یک اتاق تمیز و همچنین کنترل آلایندهها در اتاق تمیز دارد. توجه کنید که طراحی درست یک سیستم تهویه مطبوع، نیاز به انجام شبیهسازی دقیق و انجام محاسبات مختلف در علم دینامیک سیالات محاسباتی دارد.
