طراحی سیستم های تهویه مطبوع

یکی از مباحث بسیار جذاب و صد البته کاربردی در صنعت ساختمان سازی پرداختن به موضوع طراحی سیستم های تهویه مطبوع بوده است.

آشنایی با سیستم های تهویه مطبوع از این نظر دارای اهمیت می‌باشد که ما باید بتوانیم در پروژه های مختلف با بررسی شرایط موجود در آن پروژه بهترین سیستم تهویه مطبوع را به کارفرما پروژه پیشنهاد بدهیم و در آن پروژه پیاده سازی نماییم برای اینکه بتوانیم این کار را انجام بدهیم باید با سیستم های مختلف به خوبی آشنا باشیم و هم از نظر فنی و هم از نظر اقتصادی بتونیم سیستم های مورد نظر را داخل پروژه بررسی کنیم تا بتوانیم بهترین سیستم تهویه مطبوعی که مناسب آن پروژه است را طراحی کنیم.

مجموعه ویدئوهای آموزش طراحی و نظارت سیستم های هوارسانی

در بسیاری از موارد دیده شده است بدلیل اینکه اکثر مهندسین با انواع سیستم های تهویه مطبوع آشنایی ندارند در تمامی پروژه های خود فقط از یک مدل سیستم تهویه مطبوع استفاده نموده اند و به کارفرما پیشنهاد

می‌دهند در حالی که می‌توانند از سیستم های به مراتب بهتری استفاده نمایند که ازنظر اقتصادی و فنی به نفع کارفرما باشد اما بدلیل نداشتن اطلاعات کافی دچار این مشکل می‌شوند که مناسب ترین و بهینه ترین مدل

برای ساختمان انتخاب نمی‌شود.

در طراحی سیستم های تهویه مطبوع عوامل زیادی جهت خلق مناسب ترین سیستم موثر هستند و دانستن جزئی ترین موارد از سیستم تهویه مطبوع جهت بوجود آوردن یک سیستم مناسب الزامی ‌می‌باشد،به همین خاطر سعی نموده ایم در این مقاله از ابتدایی مفاهیم مربوط به طراحی سیستم های تهویه مطبوع شروع به نگارش نماییم و تمامی فرمول های مربوط به بخش طراحی را در اختیار شما قرار دهیم.

در ابتدای این مقاله قصد داریم به معرفی تعاریف و اصطلاحاتی بپردازیم که در ادامه مقاله به دفعات با آن ها مواجه خواهیم شد .

تعاریف و مفاهیم پایه

Air conditioning  یا تهویه مطبوع چیست؟

• به سری عملیات و تغییراتی که بر روی هوای محیط مانند تغییر رطوبت ، درجه حرارت ،فیلتراسیون و نظایر آن انجام خواهد شد، تهویه مطبوع می‌گویند.
• در واقع بر خلاف باور عموم تهویه مطبوع فقط به معنای گرم و یا سرد کرد هوای محیط نیست.
• اصطلاح بعدی که با آن سرکار خواهیم داشت هوای تازه و یا fresh air  است.
• مقدار هوای تازه که از هوای خارج تامیین شده تا جایگزین  مقدار هوای اگزوست گردد. ( هوای خارج شده )

Return air یا هوای برگشت:

هوایی که از محیط تهویه پس از تبادل مجددا به تجهیزات تهویه مطبوع برای تهویه مجدد برگشت داده می‌شود .

حال یک سری از اصطلاحات در مورد خود هوا است.

هوایی که در اطراف ما در جریان است صرفا یک هوای خشک نیست و ترکیبی از از یک سری گاز های مختلف  ماننده نیتروژن ، اکسیژن و .. که در کنار این ها مقداری بخار آب هم در ترکیبات هوا وجود دارد. برای مثال اسفنجی را در نظر بگیرید که در لا به لای آن فضای خالی وجود دارد و قطرات آب میتوانند  در آن ها جای‌ بگیرند.

دقیقا همین گونه مولکول های آب میتوانند در لابه لای مولکول های هوا و در فضاهای خالی آن ها جایی بگیرند.

نکته مهمی که می‌شود به آن اشاره کرد این است که در بحث تهویه مطبوع هر موقع از هوا صحبت میکنیم منظورمان ترکیبات موجود در اتمسفر به علاوه بخار آب است.

اصطلاح هوای اشباع:

به هوایی اطلاق میگردد که دارای رطوبت صد در صد باشد .

بدین معنی که تمام فضاهای خالی ما بین مولکول های هوا با مولکول های آب پر شده و جای خالی وجود نداشته باشد .

پکیج جامع طراحی و نظارت سیستم های هوارسانی

هوای استاندارد:

هوایی در درجه حرارت 70 فارنهایت و فشار اتمسفر  29.92 اینچ جیوه و با وزن مخصوص 0.075 tb / ft3  می‌باشد.

تعویض هوا یا Air change:

این اصطلاح که بسیار پرکاربرد است به تعداد دفعاتی که حجم هوای اتاق توسط هوای تهویه جابجا می‌شود اشاره دارد . بدین منظور که چند بار در ساعت هوای فضای مورد نظر به صورت کامل تعویض میشود.

محدوده آسایش یا Comfort zone:

منطقه ای در جدول سایکرومتریک که در آن درجه حرارت و رطوبت هوا به نحوی است که بیش از نیمی از افراد احساس راحتی و آسایش دارند .

کندانس condensate:

آب و هر مایعی که تحت شرایطی بصورت قطره نشست کند ( مثل سرد شدن بخار و ایجاد ذرات آب)

کندانسور condenser:

دستگاهی که گاز مبرد را به صورت مایع در می آورد.

چیلر chiller:

سیستم برودتی که برای خنک کردن هوا استفاده می‌شود.

برج خنک کن یا cooling tower:

آبی که در کندانسور، مبرد را خنک میکند خود به خود گرم میشود (چرا که با گرفتن دمای مایع مبرد سیستم را خنک میکند) و این آب نیاز  دارد که مجدد خنک شود که این کار توسط برج خنک کن انجام میشود .

دمپر:

دریچه ای پرده ای که در سیستم های تهویه به کار گرفته میشود.

دیفراست کردن یا Defrosting:

به فرایند حذف برفک اطلاق می‌شود.

متوسط درجه حرارت روزانه یا Daily range:

به میانگین درجه حرارت در یک بیست و چهار ساعت روز متوسط درجه حرارت روزانه گفته می‌شود .

رطوبت گیری Dehumidification:

به رطوبت گیری از هوا توسط سیستم های تهویه مطبوع (کویل برودتی یا اسپری آب سرد) رطوبت گیری گفته می‌شود.

در این میان دو اصطلاح ترمودینامیکی وجود دارد به نام های آنتالپی enthalpy و آنتروپی entropy که در ادامه به توضیح هر یک از آن ها خواهیم پرداخت.

آنتالپی:

به مقدار انرژی حرارتی ناشی از حرارت کل ( حرارت محسوس + حرارت نهان ) که باعث انجام کار می شود را آنتالپی گویند .

به زبان ساده تر میزان حرارتی (انرژی) که یک جسم در حین یک کار دریافت می‌کند و یا از دست می‌دهد را آنتالپی گویند.

مثلا اگر شما به یک ظرف آب با دمای بیست درجه سانتیگراد حرارت بدین و دمای آن را به شصت پنج درجه برسانید در واقع آنتالپی این ظرف را شما با دادن حرارت افزایش داده اید .

آنتروپی:

نسبت مقدار حرارتی که به جسم یا ماده داده می شود به درجه حرارت مطلق همان حرارت.

اواپراتور evaporator

به کویل برودتی که در سیستم تبرید که ماده مبرد در آن تبخیر شده و حرارت محیط اطراف را جذب میکند گفته میشود.

ارتفاع آب دهی پمپ head _ فشار ستون آب

حرارت نهان latent heat:

حرارتی که باعث تغییر جسم یا ماده ( فاز مایع به بخار مثل آب به بخار یا فاز جامد به مایع مثل یخ به آب ) می شود.

حرارت محسوس sensible heat:

حرارتی که باعث تغییر دمای جسم یا ماده میشود.

حرارت مخصوص  specific heat:

نسبت ظرفیت حرارتی هر جسم یا ماده به ظرفیت حرارتی آب.

حرارت کل total heat:

مجموع حرارت های محسوس و نهان را حرارت کل گویند.

ظرفیت حرارتی heat capacity:

مقدار انرژی حرارتی که باعث افزایش درجه حرارت به میزان یک درجه می‌شود.

ضریب انتقال  heat transmission coefficient:

مقدار حرارتی که از یک جسم در واحد زمان که بر حسب ساعت است از  واحد سطح (1ft2)  عبور کرده و باعث افزایش درجه حرارت جسم به میزان یک درجه فارنهایت می‌شود .

گرمایش heating:

عمل کردن محیط توسط تجهیزات حرارتی

رطوبت humidity:

ذرات آب ( بخار آب ) مخلوط با هوای خشک

رطوبت مطلق Absolute humidity:

نسبت مقدار آب موجود در هوا به واحد حجم همان هوا ( هوای مخلوط با آب) tb/ft3 grains / ft3

رطوبت نسبی relative hummidity:

• نسبت فشار جزئی بخار آب در هوا با درجه حرارت معین به فشار جزئی بخار آب در هوا اشباع شده در همان درجه حرارت معین.

نسبت رطوبت ( رطوبت مخصوص ) specific humidity) humidity ratio):

• نسبت مقدار وزنی رطوبت موجود در هوا ( بر حسب grains یا  lb  ) به وزن هوای خشک موجود در همان هوای مرطوب
• ( مخلوط بخار آب و هوا )  در درجه حرارت معین ( بر حسب lb )

رطوبت سنج hygrometer:

وسیله اندازه گیری رطوبت در هوا ( نوع مکانیکی )

جاذب رطوبت hygroscopic:

هر ماده ای که رطوبت هوا را جذب کند و در خود نگه دارد.

رطوبت سنج hygrometer:

وسیله است برای اندازه گیری رطوبت هوا

جاذب رطوبت hygroscopic:

هر ماده ای که رطوبت هوا را جذب کند و در خود نگاه دارد .

هایگرویستات hygrostat:

وسیله ای که نسبت به تغییرات رطوبت حساس بوده و این تغییرات را بصورت فرمان بر حسب میزانی که روی آن تنظیم شده به فرمان گیرنده هایی مثل سرو موتور servomotor  دمپرموتور و نظایر آن منتقل میکند .

نفوذ هوا به داخل اتاق infiliteration:

هوایی که ناخواسته از طریق درز و پنجره ها و درب ها و .. به داخل اتاق نفوذ میکند و بار حرارتی را بالا میبرد .

پره louvre:

دریچه با پره های فلزی که معمولا در ابتدای مسیر ورودی هوا تازه نصب میشود تا از ورود باران ، برف و پرنده و هر شی دیگری به داخل کانال هوای تازه جلو گیری کند .

فشار مطلق Absolute pressure:

هر فشاری که نسبت به فضای خلا داریم که معمولا توسطه فشار سنج خوانده میشود. ( بدون تاثیر فشار اتمسفر)

فشار جو  Atmospheric pressure

فشار لایه جو نسبت به سطح دریا  ( آبهای آزاد) که معادل 760mm  یا psi14.696 است.

سایکرومتر psychrometer

جدولی که شرایط مخلوط بخار آب  را نشان میدهد و اعداد مربوط به مشخصات آنهارا نیز نشان داده است .

تبادل تابشی radiation

تبادل انرژی بصورت تابش موج از یک جسم داغ به یک جسم سرد بدون هیچگونه تماسی بین آن دو جسم را تبادل تابشی گویند. مانند انرژی که ما از خورشید دریافت میکنیم .

ماده مبرد refrigerant

ماده ای که در یک درجه حرارتی معین آنقدر حرارت میتواند جذب کند تا به جوش آید و تبخیر شود. ( در سیستم تبریدی بکار می رود.)

مقاومت حرارتی thermal resistance

میزان عایق بودن جسم یا ماده در مقابله حرارت.

درجه حرارت مطلق Absolute temp

درجه حرارت منفی 273.16 سانتیگراد یا منفی 459.69 درجه فارنهایت را درجه حرارت مطلق گویند. در اصطلاح به این درجه از حرارت صفر مطلق هم گویند بدین معنا که از این بیشتر ماده قابلیت سرد شدن را ندارد.

درجه حرارت طرح design temp

درجه حرارتی که برای محل در نظر گرفته شده و بر اساس آن سیستم تهویه طراحی گردیده و باید روی ترموستات تنظیم شود.

نقطه شبنم dewpoint temp

درجه حرارتی که بخار آب موجود در هوا مرطوب شروع به کندانس شدن میکند و هرچه درجه حرارت از این نقطه پایین تر رود بخار آب به کندانس شدن ادامه میدهد. در این درجه حرارت هوا به حالت اشباع میرسد. یعنی رطوبت صد در صدی که در این حالت db  و wb  با هم برابر می شوند.

درجه حرارت خشک  db temp

درجه حرارتی است که توسط حرارت سنج نشان داده میشود. در این درجه حرارت برای تعیین حرارت محسوس در محاسبات تهویه بکار می‌رود.

درجه حرارت مرطوب wb temp

درجه حرارتی است که توسط حرارت سنج با حباب محبوس در پارچه خیس نشان داده می‌شود. این درجه حرارت همیشه کمتر از db  است مگر وقتی که هوا به حالت اشباع می رسد که wb=db   میشود . هرچه رطوبت هوا کمتر باشد آب بیشتری از پارچه در حباب تبخیر میشود و لذا حباب خنک تر میشود و در حالت اشباع تبخیری صورت نمی‌گیرد.

تن برودت ton refrigeration

هر تن برودت btu 12000 بر ساعت یا  btu  200 بر دقیقه حرارت جذب میکند.

بخار vapor : به حالت گازی هر مایع مثل آب و غییره بخار گویند.

فشار سرعتی velocity pressure  : فشاری که در اثر عبور جریان هوا ایجاد می شود .

تازه سازی هوا ventilation  : تامین هوای تازه بدون توجه به بو ، گرد و خاک و آلودگی جوی در سیستم تهویه را تازه سازی هوا گویند.

حجم مخصوص specific volume  : حجم هوا در واحد وزن هوا ft3/Ib  که در هر نقطه ای بدلیل تراکم گوناگون هوا (دانسیته) density  تفاوت می‌کند.

طراحی سیستم های تهویه مطبوع

انتقال حرارت در ساختمان :

با یک مثال ساده شروع میکنیم . فرض کنید برای گرم کردن اتاقی از وسیله گرمایشی ماننده شومینه استفاده کرده و اتاق را تا دمای معینی گرم میکنیم. حال منبع انرژی ما که همان شومینه است را خاموش میکنیم . چه اتفاقی می افتد؟

جواب ساده است . از زمانی که شومینه خاموش می‌‎شود دمای اتاق شروع به کاهش میکند تا آنجا که دوباره به دمای اولیه یعنی به دمای قبل از روشن کردن  شومینه برسد.

چرا این اتفاق می افتد؟؟

به این فرآیند که در مثال ذکر کردیم و در ادامه سعی دارین آن را برسی کنیم انتقال حرارت گفته میشود.

به یاد داشته باشیم که این فرآیند در خنک کردن یک مکان هم دقیقا تکرار میشود. همانطور که بعد از خاموش کردن کولر بلافاصله فرآیند افزایش دمای اتاق شروع میشود.

هدف اول پیدا کردن مکانیزم های دخیل در این انتقال انرژی است. به زبان ساده چه چیز هایی باعث ورود گرما به اتاق و یا خروج گرما از آن میشود .

مرحله دوم تعیین میزان انتقال انرژی در یک مکان مانند اتاق در یک بازه زمانی مشخص است.

یعنی چه مدت طول میکشد که یک اتاق بلافاصله بعد از خاموش شدن سیستم سرمایش از بیست درجه سانتی گراد مثلا سی و هشت درجه سانتی گراد برسد.

برای طراحی سیستم تهویه مطبوع (گرمایش و سرمایشی) یک ساختمان دانستن نرخ انتقال حرارت در یک بازه زمانی مشخص حیاتی است چرا که بر حسب این داده ها باید توان سیستم مورد نیاز برای یک ساختمان تعیین و محاسبه شود.

یعنی اگر به عنوان مثال در یک ساختمانی ماbtu  1000  بر میزان انتقال انرژی ما هست باید سیستم گرمایش و سرمایشی با ظرفیت  btu  1000 بر ساعت برای ساختمان طراحی و تعبیه کنیم . این موضوع موجب برقراری بالانس بین میزان انتقال حرارتی که انجام میشود و میزان سرمایش یا گرمایشی که ما با سیستم تهویه مطبوع ایجاد کردیم. وقتی این بالانس برقرار شد شرایطی که مد نظر ما است از منظر دما به وجود خواهد آمد. پس تا به اینجا به اهمیت محاسبه انتقال حرارتی ساختمان پی بردیم.

و اما چگونگی انتقال حرارت

تعریف: هرگاه اختلاف دمایی بین دو جسم در کنار هم  وجود داشته باشد ، حرارت از جسم گرم به جسم سردتر به یکی از روش های زیر یا ترکیبی از آنها منتقل میگردد.

هدایت:

در آن حرارت از مولکول های گرم یک جسم به مولکول های سردتر انتقال میابد، بدون آنکه ذرات جابجایی قابل ملاحظه ای داشته باشند.

جابجایی:

انتقال حرارت بوسیله جریان سیال را گویند که بر دو نوع میباشد:

• جابجایی طبیعی که در آن حرکت سیال به دلیل اختلاف وزن مخصوص سیال گرم و سرد و بدون کمک عامل خارجی نظیر پمپ صورت میگیرد ، مثال انتقال حرارت از رادیاتور های معمولی به فضای داخلی اتاق که از طریق جریان انجام میشود.