سیستم هوا رسان

مهمترین هدف ساختمانها همواره فراهم کردن سر پناهی در برابر آفتاب, باد, سرما و باران است. طرحهای قدیمی نسبتا ساده بودند و با ملاحظه شرایط محیطی درنظرگرفته می شدند. باتوجه به فضای داخلی، سرمای ساختمان ازطریق تهویه طبیعی فراهم می شد و گرمایش اضافی نیز امکان پذیر بود. سازنده و ساکن اغلب یک نفر بودند و این بدان معنی است که آرامش فرد از اهمیت بسزایی برخوردار بود.

در اواخر قرن نوزدهم تکنولوژی ساخت ساختمانهای جدید معرفی شد. این تکنولوژی جدید و مصالحی نظیر فولاد، طراحی ساختمانهای مستحکم تری را امکان پذیر ساخت. نوررسانی و هوارسانی مصنوعی فضای داخلی ساختمان را به مقدار زیادی مستقل از شرایط جوی ساخت. افزایش پیچیدگیهای تکنولوژیکی و ابعاد ساختمانهای جدید منجر به تخصصی شدن صنعت ساختمان گشت. نتیجه ای که حاصل شد این بود که ساختمانها صرفا بر اساس نیاز ساکنان ساخته نشده، بلکه اهداف وسیع تری برای آنها در نظر گرفته می شود.

اکثر افراد بیشتر وقت خود را در فضای داخلی ساختمان و اغلب در فضاهای مشترک می گذرانند. با پیدایش سیستمهای کنترل محیطی مکانیکی و افزایش کنترل بر روی هوای فضای داخلی ساختمان انتظار ساکنان برای آسایش حرارتی هوای داخل ساختمان بیشتر شده است. با در نظر گرفتن این واقعیت که شرایط آسایش حرارتی در محوطه یک ساختمان برای هر فرد خاص به دامنه ناچیزی محدود می شود و این دامنه برای هر فرد متفاوت است، برآوردن این انتظارات کمی سختتر به نظر می رسد.

علیرغم وجود سیستمهای کنترل محیطی گسترده در ساختمانها، نارضایتی درخصوص جریان هوای فضای داخل ساختمان هنوز مرسوم است. علاوه بر آسایش حرارتی، کیفیت هوای داخلی ساختمان نیز مورد بحث می باشد. این مساله از بحران انرژی در اوایل دهه 1970 نشات می گیرد. از هنگامی که صرفه جویی در مصرف انرژی به تمامی نیازهای دیگر برتری یافت، درست از آن زمان به بعد بود که نماهای ساختمان بهتر عایق بندی گشت و از نشت هوا جلوگیری به عمل آمد. تهویه مرکزی جایگزین تهویه مکانیکی محلی یا طبیعی شد. میزان جریان هوا نیز کاهش یافت. سیستم تهویه مرکزی کنترل شده با میزان هوارسانی کم، نگهداری شرایط قابل قبول را برای ساکنین دشوارتر می سازد. هوای تازه نمی تواند مستقیما برای ساکنان فراهم شود. علاوه بر این، اصلاح شرایط از طریق تهویه طبیعی (برای مثال بازکردن پنجره ) به علت هوابندی نمای ساختمان بیش از این امکان پذیر نیست.

نتیجه هوا بندی مناسب و کاهش هوای تازه در ساختمان موجب بالا بردن گازهای خروجی از مصالح جدید (نظیر عایقهای پشم سنگ به کار رفته در دیواره های ساختمانهای جدید)، مبلمان و محصولات پاک کننده شده بود و پی آمد آن بروز مشکلاتی در خصوص سلامت ساکنان بود. علیرغم تلاشهای انجام شده در سالهای اخیر جهت بهبود کیفیت فضای داخلی ساختمان، مطالعه بر روی کیفیت هوای داخل ساختمان در سال 1998در اروپا که در 56 ساختمان اداری در 9 کشور انجام شده نشان دادکه 20 درصد از ساکنان از محیط داخلی ساختمان ناراضی هستند.

اهمیت نگهداری فضای مساعد ساختمان وقتی آشکار می شود که در نظر بگیریم در هر اقتصاد مدرن بخش عمده ای از تولید ناخالص ملی (GNP) توسط افرادی بدست می آید که در ساختمان های اداری مشغول به کار هستند. از نظر اهمیت آسایش حرارتی و کیفییت هوای داخلی ساختمان، دستیابی به شرایط محیطی قابل قبول در فضای یکنواخت ساختمانها بر آسایش حرارتی افراد ترجیح دارد. به منظور تمرکز بیشتر بر روی ساکنان به جای اتاق و یا ساختمان، به دانش کافی در خصوص الگوی جریان هوای داخلی ساختمان نیاز است. دفعات تعویض هوا و توصیف شرایط ورودی و خروجی اطلاعات کافی را در خصوص آسایش حرارتی و کیفیت هوا برای ساکنان فراهم نمی کند. اتاق و یا ساختمان نمی تواند بیش از این به عنوان یک منطقه مجزا در نظر گرفته شود.W.H.Carrier یکی از بنیان گذاران سیستمهای تهویه مطبوع این مساله را چنین عنوان می کنند : در هیچ سیستم تهویه مطبوعی مهمتر از شکل توزیع هوای آن وجود ندارد. با توجه به آگاهی از اهمیت الگوی هوای داخل ساختمان، ابزارها باید ویژگیهای جریان را در مرحله اولیه طراحی تعیین و پیش بینی کنند. این مهم در ادامه توضیح داده شده است.

شیوه های هوارسانی
تعداد ترکیب بندیهای جریان هوای داخلی ساختمان بسیار زیاد است. انتخاب استراتژی مناسب برای تهویه اتاق به فاکتورهای متعددی از جمله کارکرد ساختمان بستگی دارد. این تحقیق بر روی تهویه مکانیکی در یک اتاق خالی تمرکز دارد.

دواصل اساسی برای تهویه مکانیکی یک اتاق عبارت از:

– جریان اختلاطی ( Mixing Flow )
– جریان جابه جایی ( Displacement Flow )

جریان اختلاطی به این معنی است که هوای تازه داخل اتاق با سرعت نسبتا بالایی تغذیه می شود. جت هوای تغذیه در داخل اتاق موجب اختلاط شدید هوای اتاق می شود. در نتیجه درجه حرارت و غلظت آلاینده از ثبات لازم برخوردار خواهند شد. از زمان پیدایش تهویه مکانیکی جریان اختلاطی مهمترین اصل تهویه بوده است.
در جریان جابه جایی هوای نسبتا تمیز و خنک در سطح زمین با سرعت کم تغذیه میشود. هوا از پایین ترین بخش اتاق در اثر جریان همرفتی ایجاد شده توسط منابع گرمایی داخل اتاق به طرف سقف منتقل شده و سپس دوباره به پایین جریان پیدا می کند. سرعت هوا در اتاق بسیار پایین است. ویژگی بارز جریان جابه جایی، لایه بندی جریان و تقسیم اتاق به دو ناحیه است. گرادیان دما و غلظت آلاینده بین لایه زیرین هوای نسبتا تازه و تمیز و لایه فوقانی هوای نسبتا گرم و آلوده وجود دارد. این نوع تهویه تنها در فضاهای خنک قابل اجرا است. این پدیده در اوایل دهه80 برای محیطهای اداری به پیشنهاد شد.

در مجموع، یک سیستم تهویه مطبوع به مقدار مشخصی هوای تغذیه نیاز دارد تا ترکیب درستی از رطوبت و دما را داخل یک منطقه تامین نماید. به طور کلی عملکرد یک سیستم به دو عامل زیر بستگی دارد :

1- مقدار هوای تغذیه
2- دمای هوای تغذیه

برای تامین گرمایش و سرمایش یک فضا، ترکیب این دو عامل به صورتهای مختلفی امکان پذیر است :

1- سیستمهای دما متغییر( CAV )
2- سیستمهای حجم هوای متغییر( VAV )
3- سیستمهای دما متغییر – حجم متغییر ( VAV-CAV )

سیستم تک منطقه ای (Single Zone )
اولین سیستم های مورد استفاده، سیستم های تک منطقه ای بودند. در این سیستم ها، ساختمانها به صورت یک منطقه یکپارچه در نظر گرفته می شدند و سیستمهای تهویه، هوا را از یک واحد هوارسان مرکزی با حجم ثابت و دمای متغیر دریافت نموده و هوای تغذیه اولیه را مطبوع و به فضاها ارسال می نمود.
سیستمهای تک منطقه ای، هنوز در ساختمان های تجاری کوچک و مسکونی، استفاده می شود. سیستم تک منطقه ای در یک ساختمان کوچک، موثر است زیرا تلفات حرارت و دریافت حرارت برای مناطق مختلف آن، تفاوت زیادی ندارند.

سیستم چند منطقه ای(Multi Zone )
سیستمهای چند منطقه ای اولین سیستمهایی بودند که برای تامین نیازهای متغیر مناطق مختلف طراحی شده بود. این سیستم همچنین دارای کانال هوای تغذیه مجزا برای هر منطقه از یک ساختمان است. در هر سیستم هوارسانی مرکزی، یک کویل سرمایش و یک کویل گرمایش در نظر گرفته شده است. هر دو کویل در یک زمان و به صورت یکسان، عمل می کنند. دمپرهایی که بعد از کویل ها تعبیه شده اند، هوای ورودی سرد و گرم را با هم مخلوط می کنند تا دمای مورد نیاز را برای هر منطقه تامین کنند.
از آنجا که سیستمهای چند منطقه ای، انرژی بسیار زیادی – برای سرمایش و گرمایش همزمان هوا- به هدر می دهند مدت زیادی مورد استفاده قرار نگرفتند.

سیستمهای دو کاناله
این سیستمها، دو کانال تغذیه مجزا از سیستم تهویه مرکزی به پایانه های خروجی هر فضا دارد.یکی از کانالها هوای سرد و کانال دیگر، هوای گرم را فراهم می کند. در این سیستم نیز کویل های سرمایش و گرمایش، مانند سیستم چند منطقه ای، به صورت همزمان عمل می کنند. هوای گرم و هوای سرد به وسیله دمپرهای هر کانال در هر منطقه ترکیب می شوند تا دمای هوای مورد نیاز درآن منطقه حاصل شود. این سیستم نیز انرژی بسیار زیادی مصرف می کند( به دلیل مقابله هوای سرد وگرم ). به همین علت سیستم دو کاناله که هوای سرد وگرم را با یکدیگر مخلوط می کند،در حال حاضر ممنوع شده است. از طرفی کانال سرد معمولا به هوای تغذیه بیشتری نیاز دارد. این موضوع به جریان کمتر در کانال گرم در همان زمان و در نتیجه فشار استاتیک بالاتر در کانال گرم منجر میشود. زمانی که یک منطقه نیاز به گرمایشداشته باشد، فشار استاتیک بالا در کانال گرم، منجر به ایجاد دبی بالا می شود که کوران هوا و سطح صدای بالا را در مناطق به وجود می آورد.

سیستمهای حجم هوای متغییر ( VAV )
یک سیستم حجم هوای متغییر نوعی از سیستم توزیع هواست که حجم هوای ورودی را متناسب با بار حرارتی فضا، برای حفظ یک پارامتر تعیین شده ( معمولا دما ) در یک محدوده مشخص تغییر می دهد. در نتیجه این تغییر حجم دور فن نیز تغییر می کند. در مقابل یک سیستم حجم هوای ثابت( CAV )، دمای هوای ورودی را برای حفظ دمای هوای فضای مورد تهویه در یک نقطه مشخص تغییر می دهد. این سیستمها برای افزایش کارایی انرژی ایجاد شده اند تا بتوانند نیازهای گرمایش وسرمایش مناطق مختلف یک ساختمان را برطرف کنند. یک منطقه می تواند یک اتاق یا مجموعه ای از اتاق ها باشدکه ویژگی تلفات حرارتی و دریافت حرارتی یکسانی دارند. سیستم های VAV در مقایسه با سایر سیستمها می توانند بیش از 30% هزینه های انرژی را کاهش دهند. در نتیجه عملکرد آن ها اقتصادی است. کانال اصلی، برای یک سیستم VAV فقط سرمایش را فراهم می کند. این هوا، هوای اولیه نامیده می شود. ترموستات های اتاق، مقدار هوای اولیه ای را که از میان دمپرهای هر منطقه، به مناطق مختلف ارسال می شود، کنترل می کنند. این دمپرها، حجم هوای هر منطقه را بر حسب نیازهای سرمایش تغییر می دهند.
مزایای سیستم های VAV در مقایسه با سیستم های CAV
کاهش مصرف انرژی فن وقتی هوای ورودی کاهش می یابد.
کنترل بهتر بر روی هر ناحیه.
کاهش هزینه های ساخت.
قابلیت خود بالانسی نواحی توزیع هوا.
تسهیل در جابجایی ترمینالهای خروجی هوا و فضای دستگاههای توزیع کننده در توسعه فضا در آینده و یا تغییر کاربری.

معایب سیستم های VAV در مقایسه با سیستم های CAV
تهویه ناکافی هوای آزاد بیرون وقتی جریان هوای ورودی کاهش می یابد.
ساختار پیچیده تر سیستم و کنترل آن، طراحی، نصب، عملکرد و نگهداری مشکلتر.

سیستم های VAV در سیستمهای تهویه ای که بار حرارتی فضا به طور قابل ملاحظه ای در حال تغییر هستند کاربرد فراوانی دارند، به نحوی که در انرژی مصرفی فن صرفه جویی نماید. این سیستمها بعد از بحران انرژی در سال1973شهرت یافتند و امروزه به نحو بسیار زیادی در ساختمانهای تجاری برزگ در دنیا استفاده می شود.

انواع سیستمهای VAV
اغلب ساختمانهای متوسط و بزرگ نیاز به سیستم های چند ناحیه ای ( Multi zone ) دارند اما هنوز هم بسیاری از استادیوم ها، کارخانه ها، ساختمانهای مسکونی و فروشگاهها از سیستم های تک ناحیه ای ( Single zone ) استفاده می کنند. سیستم های VAV متداول مورد استفاده می توانند به انواع زیر دسته بندی می شوند:

1.سیستم VAVتک تاحیه ای( Single zone )
2.سیستم سرمایش VAV
3.سیستم بازگرمایش VAV
4.سیستم VAV دو کاناله
5.سیستم VAV فن دار

اخیرا یک نوع از سیستم های VAV به نام سیستم Variable diffuser توسعه پیدا کرده اند. در این سیستمها شکاف خروجی هر دیفیوزر می تواند تغییر کند. وقتی حجم هوا تغییر می کند سرعت تخلیه ثابت می ماند و طول پرتاب از دیفیوزر بالاتر از مقدار بحرانی نگه داشته می شود.
برای یک انتخاب مناسب، ارزیابی داده ها و آزمایشات بیشتری مورد نیاز است.

وضعیت فضاها در ساختمانها عمدتا به دو دسته تقسیم می شوند:
1- نواحی احاطه کننده( Perimeter zone ). جایی که دیوارهای خارجی، پشت بامها، سقف ها و پنجره ها وجود دارند و بار حرارتی فضا متغییر و وابسته به گرمای خورشیدی، اختلاف دمای خارج و داخل و بارهای خارجی می باشد.
2- نواحی داخلی( Interior zone ). جایی که بارهای حرارتی فضا عمدتا بارهای داخلی هستند. در ناحیه داخلی سیستم تهویه هوا در تابستان و زمستان به استثنای گرمایش صبحگاهی اغلب به منظور سرمایش مورد استفاده قرار می گیرد.

ترمینال هایVAV 
برای کنترل بهتر هوای ثانویه ای که به هر منطقه وارد می شود، ترمینالهایVAVساخته شدند. یک ترمینال خروجی، جعبه فلزی کوچکی است که وضعیت آن در کانال هوای تغذیه، درست قبل از خروجی هر منطقه می باشد. ترمینال خروجی، جعبه VAVو یا جعبه خروجی نیز نامیده می شود. هرجعبه خروجی، هوای اولیه را واحد هوارسان مرکزی در همان دما دریافت می کند. هر جعبه خروجی شامل یک دمپر هوای اولیه است که وضعیت آن طبق سیگنال های سیستم کنترل خودکار، تنظیم تدریجی می شود (یک دمپر تدریجی ،فقط باز یا فقط بسته نیست، بلکه در هر وضعیتی نیز می تواند باشد). دمپر هوای اولیه، حجم هوای اولیه ای را که به ترمینال خروجی ارسال شود، مطابق نیاز فضاها ، تنظیم تدریجی می کند. این، همان حجم هوای ثانویه نیز هست که به آن فضاها ارسال می شود.

در ساده ترین شکل، پایانهVAV فقط سرمایش را فراهم می کند. معمولا فضاهای واقع در هسته مرکزی، نیاز به گرمایش ندارند و اتاق های بیرونی نیز با استفاده از وسایل دیگر گرم می شوند. پایانه های دیگر ممکن است شامل یک وسیله گرمایش نیز باشند.مهمترین مزیت سیستم های VAVدارای پایانه این است که قادر است نیازهای آسایش مناطق مختلف را در یک ساختمان بدون گرمایش وسرمایش همزمان، برآورده کنند.
سیستم های VAV دارای دو نوع وابسته به فشار و مستقل از فشار هستند. اولین ترمینالهای VAV وابسته به فشار بودندکه هیچ گونه وسیله ای برای محدود کردن مقدار هوای تغذیه نداشتند.
درسیستم های وابسته به فشار، حجم هوای وارد شده به وسیله ترمینال خروجی دریک منطقه، بسته به فشار استاتیک در کانال هوای اولیه تغییر می کند. دمپر هوای اولیه در ترمینال خروجی به وسیله یک ترموستات در فضا کنترل می شود. با وجود این، جریان هوا از میان دمپرها مطابق با فشار استاتیک در کانال اصلی تغییر می کند. ترمینالهای خروجی که نزدیک فن تغذیه هستند، هوای اولیه خیلی زیادی تغذیه می کنند. ترمینالهای خروجی که خیلی از فن تغذیه، دورتر هستند، هوای اولیه را به اندازه کافی تامین نمی کند.
ترمینالهای خروجی مستقل از فشار، وسیله های حساس به جریانی دارند که دبی هوا را از میان جعبه محدود می کنند. همچنین آن ها می توانند بیشترین و کمترین جریان هوا را که ممکن است تغذیه شود کنترل کنند. بنابراین، مستقل از فشار استاتیک در کانال هوای اولیه می باشند. تقریبا همه دستگاه های تهویه مطبوعی که در حال حاضر نصب و یا نوسازی می شوند، ترمینال خروجی مستقل از فشاردارند. سیستم های مستقل از فشار می توانند متعادل شوند و دبی جریان تصحیح شده هوا را از هر یک از ترمینالهای خروجی خارج سازند.

فن دور متغییر
با توجه به این که هر ترمینال خروجی، به صورت مستقل حجم هوای اولیه را تنظیم می کند، حجم هوای اولیه ارسال شده به وسیله سیستم تهویه مرکزی، مطابق با نیاز ترمینال خروجی در سیستم، تغییر می کند. این بدان معناست که باید خروجی فن تغذیه در واحد هوارسان مرکزی تغییر کند تا نیازهای همه ترمینالهای خروجی تامین شود. اگر دمپرهای هوای اولیه بیشتر ترمینالهای خروجی، به طور کامل باز باشند، دبی موردنیاز برای برای همه سیستم ها، بالا خواهد رفت. اگر بیشتر دمپرهای ترمینالهای خروجی، بسته باشد دبی مورد نیاز برای سیستم خیلی پایین تر می شود. در بسیاری از سیستم های جدید دور فن تغذیه مرکزی بوسیله سیستم کنترل تنظیم می شود تا تقاضاهای متغییر سیستم را پاسخ دهد. حسگر فشار در کانال هوای اولیه یک سیگنال به واحد کنترل کننده می فرستد که سرعت فن را برای ثابت نگه داشتن فشار استاتیک در کانال هوای اولیه،تنظیم کند.

سیستم های کنترلی VAV
سیستم های کنترل دیجیتالی، عملکردسیستمVAV رابسیاربهبود می دهند. کنترل های دیجیتالی، دقیق تر هستند و همچنین می توانند کارکردهای یپیچیده تری را مدیریت نمایند. به علاوه،کنترل کننده های دیجیتالی، اطلاعات را به یک واحد پردازش مرکزی وارد می کنند. واحد پردازش مرکزی یک رایانه است که گزارشاتی را برای تحلیل عملکرد سیستم، ارایه می نماید. واحد پردازش مرکزی همچنین می تواند برای تغییر پارامتر های سیستم به وسیله کنترل از راه دور به کار رود.

به طور کلی سیستم های VAVبه وسیله سیستم های کنترل دیجیتالی و یا نیوماتیک می توانندکنترل شوند.
سیستم های دیجیتالی، سیستم های کنترل شونده با رایانه هستند که از سیگنال های دیجیتالی استفاده می کنند ولی سیستم های نیوماتیکی از سیگنال های فشار هوای متغییر استفاده می کنند. در حال حاضر،بیشتر سیستم هایVAV به وسیله سیستم های دیجیتنالی،کنترل می شوند. از مزایای سیسیتم های دیجیتالی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

– عدم نیاز به کالیبراسیون دایم.
– توانایی انجام عملکردهای پیچیده.
– دستور گرفتن از یک رایانه اصلی.
– توانایی انتقال اطلاعاتی مثل وضعیت دمپرها، دمای اتاق، مقدار هوای تغذیه و دمای هوای تغذیه به رایانه اصلی.