سیستمهای تهویه مطبوع چگونه کار میکنند؟

اولین سیستم تهویه مطبوع هوای مدرن در سال ۱۹۰۲ توسط مهندسی جوان به نام ویلیس هاویلند کریر (Willis Haviland Carrier) ساخته شد. این دستگاه برای حل مشکل رطوبت در شرکت نشر و لیتوگرافی ساکِت ویلهلم بروکلین نیویورک (Sackett-Wilhelms Lithographing) طراحی شده بود. الیاف گیاهی معمولا رطوبت موجود درهوای گرم تابستان را جذب میکنند که این عمل تزریق لایه‌ای جوهر را سخت‌تر میکرد. کریر هوای درون ساختمان را میان لوله‌های سرد دمید، هوای رد شده سرد شد و از آنجایی که هوای سرد به اندازه هوای گرم رطوبت جذب نمیکند، این فرایند رطوبت کاغذ را به تعادل می‌رساند. کاهش رطوبت همچنین باعث کاهش دمای هوا می‌شود. پس تکنولوژی جدیدی به عرصه ظهور رسید.

تکامل تدریجی دستگاه‌های تهویه مطبوع

کِریر تشخیص داد که میتواند چیزی کارآمدتر بسازد و این اتفاق فاصله چندانی با حضور دستگاه‌های تهویه مطبوع در تئاترها، فروشگاهها و راحت‌تر کردن تابستان‌های طولانی و گرم نداشت. درواقع فرایندی که سیستم های تهویه مطبوع برای کاهش دمای محیط از آن استفاده میکنند بر یک اصل ساده علمی استوار است و باقی چیزها با چند ترفند هوشمندانه مکانیکی قابل دستیابی است. تهویه ها از غلاف بیرونی‌ای که یخچالها از ان برای عایق‌بندی قسمت سرد خود استفاده میکنند بهره‌مند نیستند، به جای آن دیوارهای خانه هوای سرد را داخل و هوای گرم را خارج نگه‌ میدارند.

Willis Haviland Carrier

Willis Haviland Carrier

بگذارید ببینیم حین استفاده از دستگاه‌های تهویه مطبوع چه اتفاقی برای هوای داغ میافتد.

اصول مقدماتی تهویه مطبوع

تهویه ها به لطف یک قانون فیزیکی از فرایند تبرید برای سرد کردن هوای درون اتاق استفاده میکند؛ وقتی یک مایع به گاز تبدیل میشود (دریک فرایند که تغییر فاز نام دارد) گرما راجذب میکند. کولرها با استفاده از این قانون، با تبخیر برخی مواد و ترکیبهای شیمیایی و دفعات متوالی چگال‌سازی آنها در یک سیستم بسته (کویل ها) هوای گرم را خنک می‌کنند.

ترکیب‌های دخیل مبرّدها هستند. این مواد ویژگی‌هایی دارند که آنها را قادر به تغییر در دماهای نسبتا پایین می‌کند. کولر‌ها همچنین از یک پنکه برای حرکت دادن هوای گرم روی هوای سرد و کویل‌های پرشده از مبردها استفاده میکنند. درحقیقت دستگاه های تهویه مطبوع مرکزی یک سیستم بزرگ شامل مجموعه‌ای از داکت ها (برای باریک کردن و انتقال هوای خنک) و کویل ها هسنند.

وقتی هوای گرم روی این کویل های خنک و تبخیرکننده کم‌فشار جریان میابد، مبرد داخلی گرما را درحالیکه از موقعیت مایع به گازی وارد میشود جذب میکند. برای بهینه نگه داشتن فرآیند سرد کردن، کولر باید گاز مبرد را دوباره به مایع تبدیل کند. برای این کار یک کمپرسور، گاز را تحت فشار زیاد قرار میدهد. فرآیندی که گرمای ناخواسته زیادی تولید میکند. همه گرمای ناخواسته تولید شده در فرایند فشرده‌سازی به کمک یک مجموعه ثانویه از سیم پیچ چگالنده و پنکه بیرون از سیستم تخلیه می‌شوند و هنگامیکه گاز سرد می‌شود دوباره به مایع تبدیل میگردد. به آن مثل یک چرخه ظریف بی‌پایان نگاه کنید مایع مبرد، فاز تبدیل به گاز، جذب گرما، فشرده سازی، فاز بازگشت دوباره به مایع.

خیلی واضح است که دواتفاق مجزا در یک کولر درجریان است. مبرد هوای داخل را سرد میکند و گاز حاصل بطور مداوم فشرده میشود و برای تبدیل دوباره به مایع سرد می‌شود. در صفحه بعد به این خواهیم پرداخت که هربخش کولر چگونه کار میکند تاهمه این اتفاقات ممکن شود.

محیط زیست

ترکیبات شیمیایی مبرد‌های مدرن در طول چند دهه گذشته، در اثر نگرانی‌های محیطی و قراردادهای جهانی مثل عهدنامه مونترال تغییرکرده است. فرمول سرد کننده‌های قدیمی حاوی اتم‌های کلرین که احتمال آسیب زدن به لایه اوزون را داشتند بود که کم کم با جایگزینی آنها با مواد طبیعت دوست جدید جایگزین و از استفاده خارج شد.

تهویه مطبوع

تهویه مطبوع

بخش‌های یک سیستم تهویه مطبوع

مهمترین کاری که یک سیستم تهویه مطبوع باید انجام دهد سرد کردن اتاق است؛ با این حال همه آنچه انجام می‌دهد این نیست. کولرها با استفاده از یک ترموستات بر دمای اتاق نظارت دارند و آنرا تعدیل میکنند. همچنین فیلترهایی برآنها سوارشده تا غبار و ذرات معلف د رهوا را تصفیه کنند. کولرها نقش کاهنده رطوبت را نیز بعهده دارند چرا که دما عنصر اصلی مرتبط با رطوبت است. کاهش دمای یک حجم از هوای مرطوب باعث ازدست دادن بخشی از نم آن می‌گردد. به همین دلیل همیشه تعدادی آبگذر (رایزر) با دستمال نم‌گیر نزدیک یا چسبیده به کولر قرار دارد و در هوای مرطوب از آن آب خارج میشود.

بخش‌های اصلی یک سیستم تهویه مطبوع در دو سمت داخل و خارج خانه طراحی شده‌‌اند:

  • تبخیرکننده (Evaporator): مبرد سرد را تحویل میگیرد
  • چگالنده (Condenser): تسهیل انتقال حرارت
  • دریچه انبساط (Expansion valve): تعدیل جریان مبرد به داخل تبخیر کننده
  • کمپرسور (Compressor): پمپی برای تحت فشار قرار دادن مبرد

بخش سرد کولر شامل تبخیرکننده و یک پنکه برای دمیدن به قسمت سرد کویل و انتقال آن به داخل اتاق است. بخش داغ شامل یک کمپرسور، چگالنده و یک پنکه دیگر برای تخلیه هوای گرمی است که از مبرد فشرده شده می‌آید، به سمت خارج است. میان این دو مجموعه سیم پیچ (کویل) یک دریچه انبساط (Expansion valve) وجود دارد. این دریچه میزان مایع مبرد تحت فشار  که به سمت تبخیر کننده می‌رود، را تنظیم میکند. کمپرسور در واقع یک پمپ بزرگ الکتریکی‌ست که گاز مبرد را به عنوان یک مرحله از فرایند مایع شدن آن تحت فشار قرار می‌دهد. حسگرهای دیگری هم مثل تایمر و دریچه ها وجوددارند اما تبخیرکننده و کمپرسور و چگالنده و دریچه انبساط عناصر اصلی یک کولر هستند. اگر چه همه اینها یک بخش‌های اصلی یک کولر است انواعی از کولرها وجود دارند که بهتر است درباره‌شان بدانید.

اجزاء سیستم تهویه مطبوع

اجزاء سیستم تهویه مطبوع

کولر‌های پنجره ای همه این عناصر را سوار بر جعبه‌ای کوچک و فلزی که بر روی پنجره خانه نصب شده است، دارند. هوای گرم از پشت سیستم در حالیکه کویل، کمپرسور و پنکه هوا را خنک میکند و دوباره به جریان می‌اندازد خارج می‌شود. کولرهای بزرگتر کمی متفاوت رفتار می‌کنند، کولر مرکزی یک ترموستات کنترل کننده، کمپرسر و چگالنده را با سیستم گرمایشی مرکزی خانه تقسیم میکنند و بخش گرمتر دیگر درون خانه قرار ندارد و در بخشی جدا در یک پوشش مقاوم در برابر آب و هوا خارج از خانه است. در ساختمانهای خیلی بزرگ مثل هتلها و بیمارستانها این بخش خارجی عموما درجایی مثل سقف قرار گرفته است.

پنجره و سیستم اسپلیت (Split-system):

کولر پنجره ای نماینده یک واحد کولر عادی در فضایی کوچک است. واحدها آنقدر کوچک ساخته شده‌‌اند تا درون یک قاب پنجره قرار گیرند. پنجره را ( تاجاییکه کولر قراردارد) پایین میکشید و برق را وصل میکنید و انرا روشن میکنید تا هوای سرد به جریان بیافتد. اگر پوشش یک کولر را بردارید آنچه می‌بینید شامل موارد زیر است :

  • کمپرسور
  • دریچه انبساط
  • سیم‌پیچ (کویل) داغ
  • سیم‌پیچ (کویل) سردشده
  • دوپنکه
  • واحد کنترل

پنکه ها هوای بالای کویل ها را خنک نگه می‌دارند تا قابلیت آنها در تهویه هوای گرم به سمت خارج و وارد کردن هوای سرد به داخل اتاق را افزایش دهند. وقتی صحبت از سیستم‌های بزرگ‌تر می‌شود، باید نگاهی به سیستم‌های اسپلیت بندازیم. همانطور که در شکل زیر میبینم سیستم اسپلیت بخش گرم و سرد سیستم را جدا میکند.

 

بخش سرد اسپلیت شامل کویلی اسپیرال و بلند مثل یک سیلندر است که یک پنکه داخل کویل قرار دارد تا هوای جاری درون کویل را همراه یک کمپرسور مقاوم در برابر آب و هوا و  تعدادی کنترل‌گر منطقی خنک کند. این راهکار به دلیل ارزان بودن و ایجاد صدای مزاحم کمتر (درون خانه) در طول سالها پیشرفت کرده و کامل شده است.
مضاف بر این حقیقت که بخش‌های سرد و گرم از هم جدا شده‌اند و ظرفیت افزایش یافته (کویل و کمپرسور بزرگتر) تفاوتی میان یک سیستم اسپلیت و یک سیستم روی پنجره نیست.

درانبارها، ساختمان‌های شرکت‌های بزرگ، مراکز خرید، فروشگاههای بزرگ و سایر ساختمانهای بزرگ بخش کمپرسور عموما روی سقف قرار دارد و میتواند بسیار بزرگ باشد. به عنوان جایگزین ممکن است از تعداد زیادی واحد کوچک که هر کدام ازداخل به یک تنظیم کننده کوچک هوا متصل است و بخش مشخصی را سرد میکند استفاده شود.

پنجره و سیستم اسپلیت (Split-system):

پنجره و سیستم اسپلیت (Split-system)

درساختمانهای بزگتر و بطور مشخص ساختمانهای چند طبقه، سیستم اسپلیت دچار اشکال میشود؛ لوله حامل ما بین دو قسمت بیرونی و درونی از محدوده فاصله پافراتر میگذارد (آنهایی که بلندترند کمپرسور را دچار اشکال روانکاری میکنند) یا تعداد داکت‌ها و طول آنها غیرقابل مدیریت میشود. در چنین مواقعی از چیلرهای آب سرد استفاده می‌کنیم.

چیلرهای آبی و برج های خنک کننده تهویه مطبوع

با اینکه کولرهای استاندارد محبوب‌ترند می‌توانند مقدار زیادی انرژی مصرف کنند و گرمای زیادی تولید کنند. برای نصب در مقیاس بزرگ مثل ساختمان ادارت سیستم‌های تهویه مطبوع کمی متفاوت مدیریت میشوند. بعضی سیستم ها به عنوان بخشی از مرحله سرمایش از آب استفاده می‌کنند. دو تا از معروف‌ترین‌های این روشها آب سرد و برج ‌های خنک کننده هستند.

سیستم آب سرد (Chilled-water):

در یک سیستم آب سرد همه کولر روی سقف یا پشت ساختمان نصب میشود و دمای آب را بین ۴۰ تا ۴۵ درجه فارنهایت یا ۴.۴ تا ۷.۲ درجه سلسیوس خنک میکند. آب سرد سپس در طول ساختمان در لوله‌ها جاری میشود و به فن‌کوئل ها میرسد. در این سیستم لوله‌های آب خنک مثل کویل های Evaporator درکولرهای استاندارد عمل میکنند. اگر لوله‌ها خوب عایق‌بندی شده باشند عملا دیگر محدودیتی در طول لوله آب سرد وجود ندارد.

تکنولوژی برج خنک کننده (Cooling tower):

در تمام سیستم های خنک کننده‌ای که تاکنون توصیف کردیم برای خارج کردن گرما از کویل کمپرسور، از هوا استفاده شد. در بعضی سیستم‌های بزرگ به جای هوا، از یک برج خنک کننده استفاده می‌گردد. برج حاوی یک رشته آب سرد است که درون مبادله کننده گرما قرار دارد و باعث خنک شدن کویل کمپرسور میشود. برج، هوا را به یک رشته آب می‌دمد و باعث تبخیر آن میشود و این تبخیر آب را خنک میسازد. از مضرات این روش نیاز به افزودن مداوم آب برای جبران مایع از دست رفته است. میزان سرمایی که یک سیستم تهویه از برج خنک کننده دریافت میکند بستگی به میزان رطوبت هوا و فشار بارومتریک (barometric) دارد.

چیلرهای آبی و برج های خنک کننده

چیلرهای آبی و برج های خنک کننده

به دلیل مخارج الکتریکی و نگرانی‌های مربوط به محیط زیست راه‌های سرمایشی دیگر نیز مورد بررسی قرار گرفته‌اند. روش off-peak یا سرمایش با یخ یکی از آن راههاست. درسیستم سرمایش آف-پیک از یخ زدن برای سرد کردن هوای داخلی د رطول گرمترین ساعات روز استفاده میکند. بااینکه این سیستم نیز از انرژی استفاده میکند اما بیشترین اتلاف انرژی تنها زمانی اتفاق میفتد که نیاز مجموعه کمترین مقدار است. در زمانهای غیراز اوج مصرف، انرژی ارزانتر است و کاهش مصرف در طول ساعات اوج، تقاضا را در شبکه برق کاهش می‌دهد.

انتخاب دیگر گرمای زمین-گرما (geo-thermal) است. عموما تا ۱.۸ متر زیر زمین میتواند دمایی بین ۷.۲ تا ۲۳.۸ درجه داشته باشد. ایده اولیه در این روش استفاده از زمین به عنوان منبع سرما و گرما به جای  استفاده از برق است. متداول‌ترین نوع استفاده از زمین گرما در خانه‌ها به شکل حلقه‌های بسته است. لوله‌های پلی اتیلن با یک مخلوط مایع درون زمین دفن می‌شوند. درطول زمستان مایع گرما را از زمین جذب میکند و باعبور از سیستم وارد ساختمان میکند. درطول تابستان سیستم کار خود را با کشیدن گرما به سمت پایین برای ذخیره آن در زیرزمین معکوس میسازد.

کولرهای خورشیدی نیز در بهینه‌سازی انرژی نقش دارند. البته هنوز مشکلاتی برای بکارگیری‌شان وجود دارد ولی حدود پنج درصد از کل برق مصرفی امریکا به وسیله یکی از انواع سردکننده‌ها مصرف میشود؛ بنابراین بازار مصرف بزرگی برای کولرهای دوستدار محیط زیست وجود دارد.

BTU و EER

ظرفیت اکثر کولرها در واحد گرمایی بریتانیا رده‌بندی شده‌اند. یک BTU میزان گرمای لازم برای افزایش دمای یک پاند (۰.۴۵ کیلوگرم) از آب به دمای یک درجه فارنهایت است (۰.۵۶ درجه سلسیوس) است . یک بی تی یو معادل ۱.۰۵۵ ژول است. در عبارات گرمایشی و سرمایشی یک تن معادل ۱۲۰۰۰ بی تی یو است. بی تی یو یک کولر پنجره‌ای عادی ممکن است ۱۰۰۰۰ اندازه‌گیری شود. برای مقایسه اگر یک خانه ۲۰۰۰ فوت مربع (۱۸۵  مترمربع) باشد ممکن است از یک سیستم پنج تنی (۶۰،۰۰۰ بی تی یو) استفاده کند؛ این نشان میدهد شما حدود ۳۰ بی تی یو برای هر فوت مربع نیاز دارید.

نرخ بهینه سازی انرژی (EER)ِ یک کولر حاصل نسبت BTU به توان مصرفی آن است. برای مثال اگر یک کولر با بی تی یو ۱۰۰۰۰ و ۱۲۰۰ وات داشته باشیم ای ای آر آن ۸.۳ خواهد بود. مشخصاْ شما می‌خواهید EER تاحد امکان بالا باشد اما بطور عادی هرچه قدر EER بالا برود هزینه هم بیشتر می‌شود.

فرض کنید شما انتخابی بین دو واحد کولر با بی تی یو ۱۰۰۰۰ دارید که یکی از انها ای ای آر ۸.۳ و توان ۱۲۰۰ وات و دیگری ای ای آر ۱۰ و توان ۱۰۰۰ وات دارد. هزینه این دو دستگاه صد دلار تفاوت دارد.

با فرض اینکه شما قصد دارید از این کولر شش ساعت در روز بمدت ۴ماه در سال استفاده کنید و هزینه برق هم ۰.۱ دلار برای هر کیلو وات ساعت باشد، تفاوت مصرف انرژی بین دو واحد ۲۰۰ وات خواهد بود. این بدین معناست که هر پنج ساعت کولر ارزانتر، یک کیلو وات ساعت برق بیشتری نسبت به کولر گرانتر مصرف خواهد داشت. هزینه برق کولر ارزانتر در هر سال ۱۴.۴ دلار بیشتر خواهد بود. اگر کولر گرانتر برای خرید ۱۰۰ دلار هزینه بیشتری داشت باشد، ۷ سال طول میکشد تا این اختلاف جبران شود.

گرما و رطوبت

انسانها از طریق تعریق خنک‌ می‌شوند. رطوبت ۴۵ درصد مقدار کاملا مناسبی برای تعریق است. در شرایطی که هوا بسیار مرطوب هوا است، چون هوا کاملا از رطوبت اشباع می‌ماند، آن عرق لذت بخش و خنک توان تبخیر نخواهد داشت چرا که جایی برای رفتن ندارد.

سیستم های تهویه مطبوع و بهینه‌سازی انرژی

بخاطر افزایش قیمت برق و گرایش به «جنبش سبز»، اکثر مردم به راههای سرمایشی جدید برای صرفه‌جویی در مخارج و حفظ محیط زیست روی‌ آورده‌اند.

سرمایش با یخ یکی از راههاییست که بوسیله آن کسب و کارها درطول تابستان باهزینه بالای برق مقابله می‌کنند. سرمایش با یخ به همان سادگیست که به نظر میرسد. شبها وقتی نیاز به انرژی کمتر است مخازن بزرگ آب، یخ تولید می‌کنند. روز بعد سیستمی شبیه‌ به تهویه های قدیمی هوای سرد را‌ از روی یخ به سمت ساختمان پمپاژ می‌کند.

این روش در هزینه برق صرفه جویی قابل توجهی دارد و آلودگی کمتری نیز تولید می کند؛ تقاضای برق را کاهش می‌دهد و می‌تواند کنار سیستم‌های خنک کننده‌ی قدیمی مصرف شود. اشکال این سیستم این است که فضای زیادی را برای نصب اشغال می‌کند و نصب ان پر هزینه است.

روش سرمایش با یخ برای کاهش هزینه‌ها و مصرف انرژی روش بسیار مناسبی است. اما هزینه‌ی نصب و فضای لازم درساختمان‌های بزرگ آن را دچار محدودیت کرده است. روش دیگری که می‌توان از طریق آن هزینه انرژی را کاهش داد نصب سیستم گرمایش و سرمایش زمین-گرما (geo-thermal) است که همچنین به نامِ پمپاژ گرمای منبع زمین (GSHP) شناخته می شود. آژانس های محیط زیست اخیرا واحدهای زمین-گرما را جزء بهنیه‌ترین روشهای سرمایش و گرمایش قرار داده‌اند.

geo-thermal

شش فوت زیر زمین دما بین چهل و پنج تا هفتاد و پنج درجه ی فارنهایت است. اصل اولیه‌ سرمایش ازطریق گرما-زمین این است که در این روش از یک منبع گرمای ثابت به جای تولید گرما از طریق برق استفاده شود. متدوال‌ترین نوع واحدهای گرما-زمین برای خانه‌ها سیستمِ حلقه-بسته (closed-loop) است. لوله‌های پُلی اتیلن یا به صورت عمودی یا افقی در سه تا شش حفره زیرِ زمین دفن می‌شوند. آنها را همچنین می‌توان در استخر و حوض نیز دفن کرد. آب یا مخلوط مایع ضدیخ از طریق لوله‌ها پمپاژ می‌شود. در طول زمستان این مایع گرما را از زمین جذب می‌کند و از طریق سیستم وارد ساختمان می‌کند.

در طول تابستان سیستم  کار خود را برعکس می‌کند تا ساختمان را با کشیدن گرما خنک کند و گرما را از طریق سیستم حمل کرده و به زیر زمین منتقل کند. خانه‌داران می‌توانند با استفاده از سیستم‌های تهویه مطبوع قدیمی با پمپاژ گرما از منبع زمین بین سی تا پنجاه درصد از قبض سردکننده هایشان صرفه‌جویی کنند. البته مخارج اولیه می‌توانند تا سی درصد افزایش پیدا کند که این هزینه می‌تواند در طول سه تا پنج سال دورباره باز‌ گردد. مزیت دیگرِ این سیستم این است که عمر طولانی‌تری از واحدهای قدیمی باقی می‌ماند، چرا که در مقابل دزدی و عناصر دیگر حفاظت می‌شود.

منبع: ‌https://home.howstuffworks.com

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *