آشنایی با انواع سیستم های تهویه مطبوع و تجهیزات آن ها

بشر از ابتدا تا کنون برای احساس راحتی، تمایل به زندگی در محیطی داشته است که نه چندان سرد و نه چندان گرم و نه آن‌چنان خشک و نه آنچنان مرطوب باشد. اما از آنجا ‌که هوای محیط همیشه در تضاد با این حس آسودگی بوده و تغییر آن از توانایی انسان خارج بوده است، آدمی به جای تغییر هوای بیرون تصمیم به ایجاد تغییر در هوای محل سکونت خود گرفت. درگذشته این تغییر به ‌وسیله آتش و سایر سیستم های طبیعی صورت می‌گرفت در حالی‌که امروزه، سیستم‌های تهویه‌مطبوع مختلف شرایط ایده‌آل و متناسب با آسایش انسان را با سرمایش، گرمایش، رطوبت‌زنی، رطوبت‌زدایی و پاک‌سازی هوا فراهم می‌کنند. به طور کلی تهویه مطبوع احساس راحتی انسان در محیط‌های بسته اعم از خانه، دفاتر اداری و وسایل نقلیه را فراهم می‌آورد.

در این مقاله سعی شده است تا پس از ذکر مفاهیم اولیه و اساسی در ارتباط با علم تهویه مطبوع، به بیان تجهیزات مورد نیاز در یک سیستم تهویه مطبوع بپردازیم. قبل از هر چیز، لازم به ذکر است که عبارت رایج HVAC (Heating, Ventilation, Air Conditioning) با معادل فارسی”گرمایش، سرمایش، تهویه‌مطبوع”، غالباً در کشور ما تنها با نام تهویه‌مطبوع شناخته‌می‌شود اما هر سه وظیفه گرمایش، هواسازی و سرمایش به آن اطلاق می‌شود.

 

در همین رابطه بخوانید: آموزش تاسیسات مکانیکی ساختمان (طراحی و محاسبات)

 

 

 

مفاهیم اولیه تهویه مطبوع:

 

 

انتقال حرارت:

هر جسمی مقداری انرژی حرارتی دارد و هر‌چه این انرژی کم‌تر باشد، آن جسم را سردتر می‌نامیم. سرمایش و یا گرمایش هر مکانی نتیجه دفع انرژی حرارتی از محیط ( سرمایش ) و یا منتقل شدن انرژی به محیط موردنظر (گرمایش) می‌باشد که این انتقال حرارت به ‌واسطه وجود اختلاف دما (و یا انتقال جرم که در قسمت بعد توضیح داده می‌شود).

بین دو محیط و از طرف محیط گرم‌تر به محیط سردتر صورت می‌پذیرد، بنابراین به منظور سرمایش یک محیط، نیازمند یک جسم (عموماً سیال) دیگر با دمای کمتر هستیم تا گرمای مورد نیاز را از محیط دریافت کند، طبیعی است برای گرمایش نیاز به حالت بر عکس آن داریم.

 

 

گرمای محسوس ( Sensible Heat) و گرمای نهان (Latent Heat):

 

 

گرمای محسوس یکی از اشکال انرژی حرارتی و البته ملموس‌ترین آن‌هاست چرا که این حرارت را می‌توان مستقیماً با استفاده از دماسنج اندازه‌گیری کرد. در حقیقت مبادله شدن این نوع از انرژی حرارتی به‎‌ واسطه‌ی اختلاف دمای اجسام صورت می‌گیرد. از طرفی دیگر گرمای نهان قابل اندازه‌گیری با دماسنج نمی‌باشد. می‌توان گفت این همان حرارتی است که آب ضمن تبخیر جذب می‌کند و یا بخار ضمن تقطیر از دست می‌دهد.

در واقع افزایش یا کاهش رطوبت هوا (اختلاف غلظت بخار موجود در هوا) باعث تغییر این شکل از انرژی حرارتی می‌شود. به طور خلاصه می‌توان گفت اختلاف دما سبب انتقال گرمای محسوس و انتقال جرم و تغییر فاز سبب انتقال گرمای نهان می‌شود.

 

 

رطوبت:

 

 

میزان رطوبتی که هوا می‌تواند در خود نگه‌دارد مستقیماً با دمای هوا در ارتباط است. هوای گرم‌تر رطوبت بیشتری را در خود نگه ‌می‌دارد. رطوبت نسبی برابر است با نسبت رطوبت موجود در هوا به ماکسیمم رطوبتی که هوا در آن دما می‌تواند داشته باشد (حالت هوای اشباع). عرق روی بدن در هوای با رطوبت پایین زودتر تبخیر و باعث خنک شدن سریع‌تر بدن می‌شود، در حالی‌که هوای مرطوب‌تر اجازه تبخیر عرق را نمی‌دهد. لازم به ذکر است که رطوبت شکلی از گرمای نهان نیز به‌حساب می‌آید به عبارتی هوای مرطوب گرمای نهان بیشتری دارد.

 

محصول مرتبط: آموزش نقشه کشی تاسیسات مکانیک ساختمان

 

 

 

بار گرمایشی و سرمایشی:

 

 

میزان نرخ گرمایی است که تمام عوامل خارجی و داخلی (مانند خورشید، هوای بیرون، افراد درون ساختمان و لامپ‌ها) تولید می‌کنند و درنتیجه یک سیستم تهویه مطبوع وظیفه دارد این مقدار نرخ حرارت را از ساختمان بگیرد تا شرایط مطلوب برای سکونت انسان فراهم شود. برای مثال اگر در فصل تابستان 20 کیلو‌وات گرما به ساختمان داده شود، سیستم تهویه مطبوع باید همین مقدار نرخ حرارت از ساختمان بگیرد تا شرایط مطلوب انسان برآورده شود.

 

 

تجهیزات مورد استفاده در تهویه مطبوع:

 

 

همانطور که اشاره شد، یک سیستم تهویه‌مطبوع باید یکی یا حتی ترکیبی از عملیات سرمایش، گرمایش و هواسازی (هوای خنک) را متناسب با شرایط آب و هوا انجام دهد، حال به بیان نحوه انجام این عملیات و  تجهیزات موردنیاز در هر عملیات می‌پردازیم:

 

 

گرمایش:

 

 

مبدل حرارتی:

 

هوای محیط مورد نظر جهت گرمایش، نیازمند دریافت گرما از یک سیال دیگر (سیال ناقل گرما) است که این تبادل گرما  با ورود هوا به تجهیزی به نام مبدل حرارتی صورت می‌پذیرد. از مبدل‌های حرارتی رایج مورد استفاده می‌توان به رادیاتور ها که از پر‌کاربرد‌ترین مبدل های حرارتی در منازل مسکونی هستند و همچنین فن کویل ها نام برد.

 

بویلر (دیگ‌بخار):

 

به‌منظور گرم کردن سیال ناقل گرما، از بویلر یا دیگ بخار استفاده‌ می‎‌شود، یک بویلر خود عموماً شامل منبع سوخت و مشعل برای تولید گرما و مبدل حرارتی برای انتقال این گرما به سیال ناقل حرارت است. در منازل مسکونی بدون موتورخانه اساساً پکیج ها را می‌توان به عنوان بویلر سیستم گرمایشی به حساب آورد.

 

سیستم لوله‌کشی:

 

سیستم لوله‌کشی به منظور ارسال بدون سر و صدا و مقرون به صرفه‌ی سیال گرم کننده هوا از قسمت حرارت مرکزی به محل موردنیاز برای گرمایش و هم‌چنین بازگشت آن پس از انتقال گرمای خود به محیط موردنظر، برای دریافت مجدد حرارت و درنتیجه کامل‌کردن سیکل گرمایش استفاده می‌شود. اقدامات فراوانی برای بهینه سازی سیستم لوله‌کشی به منظور دستیابی به طول عمر بیشتر لوله‌ها، عایق بودن در طول مسیر و البته هزینه کمتر متریال در دهه‌های اخیر انجام گرفته است.

 

واضح است که سیستم لوله‌کشی یک المان ضروری برای هر سیستم تهویه‌مطبوع فارغ از نوع عملیات آن (گرمایش، سرمایش و یا هوا‌سازی) می‌باشد.

 

 

پمپ:

 

استفاده از پمپ در یک سیستم تهویه‌مطبوع جهت دادن انرژی موردنیاز به سیال ناقل حرارت برای غلبه بر افت فشار های طول مسیر و رسیدن به محل، خصوصاً در صورت دور بودن محل حرارت مرکزی از محیط مد‌نظر برای گرمایش، اجتناب ناپذیر است.

 

منبع انبساط:

 

همانطور که می‌دانیم با افزایش دمای سیال، به غیر از موارد استثنا، فشار سیال نیز در یک محیط بسته( لوله) افزایش می‎‌یابد، در نتیجه این افزایش فشار می‌تواند سبب آسیب رساندن به لوله ها شود. جهت جلوگیری از این اتفاق، از یک منبع برای جذب اضافه فشار استفاده ‌می‌شود. به عبارت دیگر فشار اضافی ناشی از افزایش دما به جای جذب شدن توسط لوله‌ها در منبع انبساط جذب می‌شود. منابع انبساط به طور کلی به دو نوع باز( در ارتباط بودن سیال با هوای آزاد ) و بسته دسته‌بندی می‌شوند.

 

سیستم‌کنترل دما و رطوبت:

 

سیستم‎‌های کنترل دما در ساده‌ترین حالت، امکان تنظیم دما در محل مورد‌نظر را به افراد می‌دهند. انواع ترموستات ها این وظیفه را در سیستم تهویه‌مطبوع بر عهده دارند. در حالات پیشرفته‌تر، افراد می‌توانند با دادن یک برنامه برای روزها و ساعات مختلف تنها یک بار دمای موردنیاز را برای تمام طول سال تنظیم کنند. در کاربرد‌ های دقیق‌تر از وسایل تنظیم و کنترل رطوبت نیز استفاده ‌می‌شود.

 

سرمایش:

 

   می‌توان گفت تنوع در سیستم‌های سرمایشی کمی بیشتر از سیستم های گرمایشی است. کولر‌های آبی، گازی، اسپلیت و فن کویل‌ها از جمله مواردی هستند که بسته به نوع کاربری ساختمان و اندازه آن، عملیات سرمایش محل را انجام می‌دهند. تفاوت عمده سرمایش با گرمایش را می‌توان در سرد کردن بدون واسطه‌ی هوا در بسیاری از موارد عنوان کرد.

 

کولر آبی:

 

اساس سرمایش در کولرهای آبی سرمایش تبخیری است، بدین معنی که هوا با محاصره شدن میان پوشال‌های مرطوب، با جذب رطوبت سرد‌تر شده و با استفاده از فن کولر وکانال‌ها، این هوای سرد به محیط های بسته موردنظر فرستاده می‌شود. استفاده از کولر آبی در مناطق مرطوب به دلیل عدم جذب رطوبت کافی برای سرمایش به هیچ عنوان کارآمد نیست. کولرهای آبی اصولا به‌دلیل سادگی و نداشتن سیستم کنترل دما تنها در منازل مسکونی استفاده می‌شود.

 

کولر گازی:

 

همانطور که گفته شد استفاده از کولر آبی در مناطق مرطوب کارایی لازم را ندارد، در منازل مسکونی مناطق مرطوب استفاده از کولرهای گازی رایج‌ترین وسیله برای سرمایش است. اساس سرمایش در کولر‌های گازی سیکل تبرید تراکمی است، در این سیکل اواپراتور (نوعی مبدل حرارتی) گرمای هوای محل را به مبرد داخل سیکل داده و سرد می‌شود، برای تکمیل سیکل، مبرد جهت گرفتن انرژی وارد کمپرسور شده و پس از آن جهت کاهش دما و هم‌چنین کاهش فشار به ترتیب وارد کندانسور و شیر فشارشکن می‌شود.

 

کولر اسپلیت:

 

مکانیزم سرمایش در کولر اسپلیت، مشابه کولر گازی، سیکل تبرید تراکمی است. اما قابلیت تنظیم دما و در نتیجه مصرف انرژی کم‌تر به‌علاوه‌ی سر و صدای کم‌تر به دلیل دور از محل بودن کمپرسور، سبب استفاده از این دستگاه در مجتمع‌های اداری و تجاری شده است.

 

فن‌کویل:

 

فن کویل‌ها قابل استفاده در طیف وسیعی از ساختمان‌ها اعم از مسکونی، اداری و صنعتی هستند. همانطور که از اسم آن پیداست در این وسیله از یک فن به منظور دمیدن هوای سرد به محیط مدنظر و یک کویل (مبدل حرارتی) برای سرد کردن هوا استفاده می شود. بنابراین در این وسیله هوا سرما را از یک سیال دیگر دریافت می‌کند، لذا مشابه گرمایش نیازمند تجهیزی برای سرد کردن سیال ناقل سرما به نام چیلر هستیم.

 

 قبل از آشنایی با چیلر ذکر این نکته ضروری است که استفاده از سیستم لوله‌کشی، پمپ و سیستم کنترلی برای انتقال سیال ناقل سرما، دادن انرژی کافی و کنترل مقادیر دما و رطوبت مشابه سیستم گرمایش اجتناب‌ناپذیر است.

 

 چیلر:

 

چیلر‌ها، همانطور که اشاره شد، وظیفه سرمایش سیال ناقل سرما را برعهده دارند. چیلرها بر اساس روش سرمایش، به دو دسته‌ی کلی تراکمی و جذبی تقسیم می‌شوند. اساس کار چیلر‌های تراکمی استفاده از سیکل تبرید تراکمی است، در حالی‌که در چیلرهای جذبی سرمایش در سیکلی بدون استفاده از کمپرسور انجام می‌شود.

 

تهویه هوا:

 

   نقش تهویه، جابجایی و جایگزینی هوای درون محیط بسته‌ی مورد نظر با هوای بیرون به منظور از بین بردن بوی بد، دود، گرد وخاک و آلودگی ها که بسته به نوع فعالیت محیط، میزان آن‌ها متفاوت خواهد بود، می‌باشد. در حقیقت، سیستم تهویه، وظیفه مطلوب نگه داشتن کیفیت هوا فارغ از میزان دمای آن را بر عهده دارد.

 

تهویه در اتاق های منازل مسکونی و فضاهایی که فعالیت انسان در آن چندان بالا نیست می‌تواند به روش طبیعی و به‌وسیله‌ی پنجره‌ها و نور‌گیر‌ها و به دلیل وجود اختلاف افشار یا دما انجام شود. اما برای فضاهایی مانند آشپز‌خانه و سرویس بهداشتی و هم‌چنین سالن‌های ورزشی و کاربری‌های صنعتی به علت سطح بالاتر فعالیت و آلودگی در فضا‌ها، به‌کار بردن روش مکانیکی الزامی است. منظور از روش مکانیکی استفاده از فن ها، فیلترها و کانال کشی‌های مخصوص و در بعضی موارد حساس تجهیزات کنترلی برای تنظیم دقیق آلودگی و حتی ترکیبات موجود در هوا مانند کربن دی اکسید می‌باشد.

 

آن‌چه گفته شد، توضیح اجمالی المان‌های یک سیستم تهویه مطبوع و ذکر برخی مفاهیم پایه‌ای و ضروری برای درک بهتر روش‌های سرمایش و گرمایش و تهویه بود. باید به این نکته اشاره کرد که در هرکدام از تجهیزات، پیشرفت های بی نظیری در جهت کاهش هزینه یا افرایش بازده به‌دست آمده که مطالب بعدی به مرور آورده خواهند شد.

 

همچنین ببینید: آموزش رویت مپ

 

انواع سیستم‌های تهویه مطبوع

 

 

در اکثر روش‌های سرمایش (گرمایش) نیاز به یک سیال ناقل حرارت (برودت) داریم تا به‌وسیله‌ی آن هوای محل موردنظر را گرم یا سرد کنیم. بر این اساس سیستم‌های تهویه ‌مطبوع را به سیستم‌های تمام‌هوا، تمام‌آب، هوا – آب و هیت‌پمپ می‌توان طبقه‌بندی کرد. در این مطلب، به بررسی هر یک، موارد مورد استفاده و مقایسه آن‌ها می‌پردازیم، اما قبل از آن باید به این نکته اشاره کرد که سیال ناقل گرما (سرما) عموماً در محل‌های دارای گرمایش _ سرمایش مرکزی (در مقابل آن گرمایش _ سرمایش محلی قرار دارد) به‌کار برده‌ می‌شوند. لذا، دسته بندی مذکور غالبا برای این نوع گرمایش _ سرمایش استفاده می‌شود.

 

 

1- سیستم تمام‌هوا (All Air System)

 

 

 

 

در این سیستم، هوای مطلوب (با دما و رطوبت مطلوب) در جایی دور از محل مدنظر و به‌وسیله‌ی فن کویل‌ها و در صورت نیاز رطوبت زن یا رطوبت گیر که در تهویه‌مطبوع مرکزی قرار دارند، به‌دست می‌آید سپس این هوای مطلوب توسط سیستم توزیع هوا و کانال ها در محل های مدنظر توزیع می‌شود.

 

 

مزایا:

 

 

به‌دلیل آماده‌سازی هوا دور از محل، تعمیرات و نگهداری تجهیزات بدون ایجاد مزاحمت برای افراد می‌تواند انجام شود. هم‌چنین هیچ سیم قدرت یا تجهیزات دواری مانند کمپرسور در محل حضور افراد قرار ندارد لذا خطر کمتری افراد را تهدید می‌کند. قابلیت گرمایش و سرمایش محل‌های مختلف در آن واحد از مزایا دیگر این سیستم است.

 

 

معایب:

 

کانال‌کشی بخشی از فضای محل را اشغال می‌کند که باعث کاهش فضای قابل کاربری می‌شود. به‌علاوه توسعه مجدد و به روز‌آوری ساختمان نیز در بسیاری از موارد غیر ممکن است.

 

کاربرد:

 

 مناسب برای ساختمان‌هایی که هر اتاق به یک کنترل دمایی مخصوص نیاز داشته‌باشد از جمله: مجتمع‌های اداری، بیمارستان‌ها، آزمایشگاه‌ها و … .

 

 

2- سیستم تهویه مطبوع تمام‌آب (All Water System)

 

 

 

 

 در این سیستم رایج، آب به عنوان سیال ناقل حرارت( برودت) در تهویه‌مطبوع مرکزی بسته به شرایط به‌وسیله تجهیزاتی مانند هیتر، بویلر و چیلر، گرم یا سرد شده و به مبدل حرارتی های موجود در محل مانند رادیاتور‌ها یا فن کویل‌ها ارسال می‌گردد، سپس هوا این حرارت یا برودت را از آّب گرفته و دمای هوا به دمای مطلوب می‌رسد.

 

 

مزایا:

 

روش انتقال حرارت از طریق آب، به نسبت به هوا از لحاظ انرژی و فضا بهینه‌تر است. هم‌چنین به‌دلیل عدم ضرورت ری‌سیرکوله شدن هوا، احتمال پخش بوی بد و آلودگی از یک محل به محل دیگر به حداقل می‌رسد. از مزایای دیگر این سیستم، هزینه اولیه کمتر آن نسبت به سایر سیستم هاست.

 

معایب:

 

برخی از تعمیرکاری ها باید در محل حضور افراد انجام شود. احتمال نشت آب در محل و به‌خصوص در صورت راکد شدن آن می‌تواند مشکل‌آفرین باشد.

 

کاربرد:

 

در ساختمان‌هایی که از فن کویل برای سرمایش و گرمایش استفاده می‌شود کاربرد دارند مانند آپارتمان‌ها، دانشگاه‌ها و هتل‌ها.

 

 

3-سیستم هوا – آب (Air-Water System)

 

 

در این سیستم همانطور که از اسم آن پیداست، از هر دو سیال هوا و آب در محل تهویه مطبوع مرکزی، بسته به نیاز، گرم یا سرد می‌شوند و توسط سیستم توزیع به محل فرستاده می‌شوند. در این سیستم عموما تامین بار حرارتی بیشتر بر عهده آب است و هوا تنها بخش کوچکی از بار را تامین می‌کند و نقش اصلی آن فراهم آوردن هوای تازه می‌باشد.

 

مزایا:

 

به‌دلیل استفاده کمتر از هوا، فضای موردنیاز در این سیستم نسبت به سیستم تمام هوا کمتر خواهد بود. هم‌چنین در ساعات غیر‌کاری( ساعاتی که افراد در محل حضور ندارند) می‌توان با قطع سیستم هوا، تنها از سیستم آب برای تامین بار حرارتی طراحی شده برای این ساعات استفاده کرد که موجب بهینه سازی انرژی می‌شود. از این سیستم‌ها نیز می‌توان برای مواردی که نیاز به گرمایش و سرمایش مناطق با بارهای‌حرارتی متفاوت داریم استفاده کنیم. به طورکلی می‌توان از مزیت‌های هر کدام از سیستم‌های تمام هوا و تمام آب بهره برد.

 

معایب:

 

بحث کنترل دما و رطوبت در این سیستم پیچیده‌تر از سیستم‌های قبلی است به‌گونه‌ای که نمی‌توان میزان رطوبت را به طور کاملا دقیق کنترل کرد، هم‌چنین تعمیر تجهیزاتی مانند فن کویل ها می‌بایست در محل حضور افراد انجام شود.

 

کاربرد:

 

 

همانطور که گفته‌شد در مواردی که نیاز به کنترل دقیق داشته باشیم نمی‌توان از این سیستم استفاده کرد، اما در مدراس بزرگ، هتل‌ها و مجتمع‌های اداری استفاده از آن کاملاً رایج است.

 

 

4-سیستم پمپ‌حرارتی( Heat Pump )

 

 

 

 

طریقه گرمایش و سرمایش در پمپ‌های حرارتی کمی متفاوت از سایر سیستم‌هاست. در این روش از یک سیال سومی علاوه بر هوا و سیال ناقل حرارت برای منتقل کردن انرژی گرمایی از یکی به دیگری استفاده می‌شود. در واقع در فصل زمستان گرما در یک مبدل حرارتی از سیال ناقل حرارت به سیال سوم داده‌شده و در مبدل حرارتی دیگر این گرما به هوا داده می‌شود و در فصل تابستان جهت انتقال گرما برعکس می‌شود.

 

 

پمپ‌های حرارتی بر اساس منبع گرمای سیال ناقل حرارت به گروه‌های متفاوتی تقسیم می‌شوند که در مطالب بعدی به طور مفصل به آن‌ها خواهیم پرداخت.