تهویه مطبوع چیست؟
تهویه مطبوع به طور دقیق عبارت است از فن آوری رساندن شرایط طرح داخل به شرایط استاندارد یا آسایش مطلوب. شرایط می تواند شامل کیفیت هوا، دما، رطوبت و فشار باشد. طراحی سیستم تهویه مطبوع را مهندس مکانیک با استفاده از اصول ترمودینامیک، مکانیک سیالات و اصول انتقال حرارت انجام می دهد. در برخی از مواقع لغت تبرید نیز به دنبال تهویه مطبوع می آید.
استاندارد مرجع تهویه مطبوع در کشور آمریکا استاندارد اشری ASHRAE است و به عنوان مرجع طراحی در کنار مباحث چهاردهم و شانزدهم نظام مهندسی مورد استفاده قرار می گیرد. نرم افزار محبوب محاسبه ی بارهای حرارتی و برودتی در بین مهندسین ایران، نرم افزار آنالیز ساعتی کریر Carrier HAP است
انواع سیستم های تهویه مطبوع
با رویکرد های مختلفی می توان سیستم های تهویه مطبوع را طبقه بندی نمود. از نظر کاربر این سیستم ها می توانند مرکزی، مجزا یا ترکیبی باشند.
- از سیستم های تهویه مطبوع مرکزی می توان به چیلر و فن کویل اشاره کرد.
- در سیستم مجزا می توان از کولر آبی یا اسپلیت دیواری به همراه پکیج دیواری مستقل و رادیاتور استفاده کرد.
- سیستم ترکیبی نیز شامل موتورخانه ی گرمایشی مرکزی به همراه رادیاتورها / کویل های آب گرم برای گرمایش، و سیستم اسپلیت دیواری یا داکت اسپلیت یا کولر آبی جهت سرمایش است.
از دیدگاه انرژی مصرفی می توان سیستم های تهویه مطبوع را در زمینه ی سرمایش به دو دسته ی زیر تقسیم بندی کرد:
- تمام برقی مانند چیلر های تراکمی، اسپلیت کانالی، وی آر اف VRF
- ترکیبی گاز و برق همانند چیلرهای جذبی و جی اچ پی GHP یا پمپ حرارتی گازی
از دیدگاه طرز خنک سازی کندانسور می توان سیستم های تهویه مطبوع را به دو سیستم تقسیم کرد:
- آب خنک همانند چیلرهای جذبی یا تراکمی آب خنک که نیاز به برج خنک کننده دارند
- سیستم هواخنک مانند چیلر تراکمی هوا خنک، اسپلیت، اسپلیت کانالی، وی آر اف VRF و جی اچ پی GHP یا پمپ حرارتی گازی
از نظر سیال انتقال حرارت می توان دو دسته ی زیر را در نظر گرفت:
- سیستم های آبی که در آن سیال انتقال حرارت آب است و توسط چیلر یا بویلر و دیگ تولید می شود و با استفاده از پمپ ها به واحد های توزیع هدایت می شود
- سیستم های با مایع مبرد که در قسمت اواپراتور هوا را سرد می کنند و با استفاده از سیال هوا دما، رطوبت، کیفیت و فشار طرح داخل را تنظیم می کنند. مثال بارز این نمونه سیستم های وی آر اف، اسپلیت کانالی و اسپلیت دیواری هستند. توجه داشته باشید که در اغلب مواقع از سیستم های ترکیبی استفاده می شود.
از نظر نوع انتقال سیال انتقال حرارت می توان
- با استفاده از لوله های گالوانیزه یا چند لایه آب را و یا با استفاده از لوله های مسی مبرد را انتقال داد.
- به وسیله ی کانال های هوا و با استفاده از ایرواشر، هوارسان یا کولر آبی هوا را انتقال داد.
تجهیزات تهویه مطبوع
چیلر
مولد سرما است و می تواند دارای کمپرسوری یا ژنراتور باشد.
چیلر جذبی
چیلر جذبی با استفاده از جاذب لیتیوم بروماید و مبرد آب اقدام به سرد کردن آب می کند که در قسمت ژنراتور می توان با کمک مشعل و به صورت شعله مستقیم یا به کمک لوله های بخار یا آب به رطوبت گیری لیتیوم بروماید اقدام کرد. این چیلر ها آب خنک بوده و با استفاده از برج خنک کننده کندانسوري آنها خنک می شود.
چیلر تراکمی
چیلر کمپرسوری می تواند با کمپرسور اسکرو یا اسکرال سیکل تبرید را تکمیل کند. چیلر تراکمی سانتریفیوژ نیز در این دسته بندی قرار می گیرند و شامل انواع سانتریفیوژ با پروانه ی تک مرحله ای، سانتریفیوژ با پروانه ی دو مرحله ای و توربوکر هستند. کندانسور این این چیلر ها می تواند آب خنک یا هوا خنک باشد.
بویلر یا دیگ فولادی
مولد گرما است و با استفاده از گاز طبیعی و مشعل آب گرم مورد نیاز را تولید می کند. پکیج های گرمایشی از انواع مستقل و کوچک سازی شده ی بویلر هستند و دیگ های چدنی برای ساختمانهای اداری مسکونی با متراژ متوسط کارایی دارند.
فن کویل
فن کویل واحد توزیع برودت و حرارت است که با استفاده از لوله های آب متصل به کویل و فن های چند سرعته کار می کند.
هوارسان
هواساز یک جعبه ی بزرگ دارای قسمت های مختلفی است که وظیفه ی انجام عملیات متنوع از جمله حفظ کیفیت هوا با فیلتراسیون، سرمایش، گرمایش، رطوبت زنی و رطوبت گیری، بازیافت انرژی و تغییرات فشار را بر عهده دارد. هوارسان می تواند به چیلر، بویلر یا کندانسینگ یونیت متصل گردد.
اسپلیت دیواری
کولر گازی از دو بخش یونیت خارجی شامل کمپرسور، کندانسور به همراه فن و لوله مویین یا شیر انبساط و یونیت داخلی شامل اواپراتور و فن اواپراتور و بدنه تشکیل شده است که با استفاده از لوله های مسی رفت و برگشت اتصال بین دو یونیت برقرار می شود. می توان از اسپلیت دیواری که به سیستم دی ایکس DX نیز معروف است و با استفاده از انرژی برق به تولید برودت و حرارت پرداخت.
اسپلیت کانالی
همان اسپلیت دیواری است با این تفاوت که یونیت داخلی به شکل فن کویل سقفی توکار تعبیه شده است و هوا پس از سرد شدن از طریق کانال و دریچه به فضاهای مختلف می رسد. می توان در جلوی اسپلیت کانالی کویل گرمایی نصب و آنرا به سیستم گرمایش گازسوز مرکزی/ مستقل متصل کرد تا بتوان در زمستان با انرژی گاز طبیعی گرمایش واحد را تامین کرد.
وی آر اف (VRF)
VRF ترکیبی از یونیت های داخلی دیواری، کاستی یا کانالی به همراه یونیت های خارجی مرکزی است که برای پروژه متراژ متوسط کاربرد دارد. بدین سان که هر یونیت داخلی به یک یونیت خارجی متصل نمی شود و چند یونیت داخلی به یک یونیت خارجی متصل می گردند.
تاریخچه تهویه مطبوع
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 1890 تئوریزه کرد اگرچه دانشمندان زیادی قبل از ایشان کمک شایانی به پیشرفت علم نمودند ولی نقش کارنوی فرانسوی غیر قابل انکار است.
از نظر تاریخی و بر اساس اشری می توان تاریخ های مهم را به شرح زیر بر شمرد:
| G.Richmann مقالات مربوط به تجربه سرما را در آکادمی علوم سنپترزبورگ منتشر کرد | 1748 |
| Thomas Moore از مریلند حق ثبت اختراع دستگاه تبرید را دریافت کرد، اولین حق ثبت اختراع تبرید در امریکا | 1803 |
| Oliver Evans سیستم سیکل بسته تبرید کمپرسور بخار را در Young Steam Engineer’s Guideمطرح کرد | 1805 |
| لاستیک طبیعی، تقطیر لاستیک طبیعی، به عنوان یک مبرد توسط John Hague در اولین مدل از دستگاه تبرید کمپرسور بخار استفاده شد | 1834 |
| DR. John Gorrie دستگاه مبرد سیکل هوا برای ساخت یخ را پیشنهاد کرد | 1844 |
| John Harrison با فشرده سازی بخار برای ساخت یخ در ویکتوریا استرالیا شروع به کار کرد | 1854 |
| اولین ایده تولید یخ با استفاده از تبرید کمپرسور بخار در کلیولند، اوهایو توسط Alexander Twining مطرح شد | 1855 |
| Ferdinand Carre ، حق امتیاز انحصاری تبرید جذبی آمونیاکی را ثبت کرد | 1860 |
| Peter Van der Weyde کنترل ترموستاتیکی سیستم تبرید را اختراع کرد | 1868 |
| Carl Linde مقاله ای را با استفاده از یک روش ترمودینامیکی دقیق برای تبرید: “استخراج گرما در دمای پایین با استفاده از ابزار مکانیکی” منتشر کرد | 1870 |
| کارخانه ذخیره سازی سرما با استفاده از یخچال مکانیکی توسط Thomas Mort از استرالیا | 1875 |
| Charles Tellier از کشتی یخچالی Le Frigorifique برای حمل گوشت از فرانسه به آمریکای جنوبی استفاده کرد | 1879 |
| مجله Ice and Refrigeration شروع به انتشار کرد | 1891 |
| اولین خانه مجهز به سیستم تهویه مطبوع در امریکا در سنلرنز توسط M. Dillenberg از سانفرانسیسکو | 1892 |
| کمیسیون برای “استاندارد تن تبرید” توسط انجمن مهندسان مکانیک آمریکایی ایجاد شد | 1893 |
| سیستم تبرید Hermetically sealed توسط Marcel Audiffren در فرانسه اختراع شد | 1894 |
| سیستم تهویه مطبوع 300 تنی در بورس نیویورک نصب شد | 1901 |
| در Armor Building، کانزاس سیتی، سیستم تهویه مطبوع دو کاناله نصب شد؛ هر اتاق به صورت مجزا با یک ترموستات کنترل می شد | 1902 |
| اولین تهویه مطبوع در ساختمان دولتی میسوری، نمایشگاه Louis World’s | 1904 |
| انجمن Refrigerating Engineers آمریکا تاسیس شد | 1904 |
| اصطلاح “تهویه مطبوع” توسط Stuart Cramer ابداع شد | 1906 |
| اولین بیمارستان مجهز به تهویه مطبوع: بیمارستان Floating بوستون | 1906 |
| Willis Carrier سیستم يDew Point Control را برای کنترل دقیق رطوبت در یک اتاق را به ثبت رساند | 1906 |
| اولین کنگره بین المللی تبرید. پاریس | 1908 |
| انبساط ثابت مبرد سوپرهیت شده در یک سیستم تبرید اواپراتور چندگانه جهت سیکل تبرید توسط Albert Marshall اختراع شد | 1911 |
| برگزاری اولین کنگره بین المللی نمایشگاه تبرید در شیکاگو برگزار شد | 1913 |
| M. T. Zarotschenzeff آزمایشات را در زمینه انجماد سریع شروع کرد | 1913 |
| یک واحد یخچال خانگی خنک کننده خودکار الکتریکی، DOMELRE توسط Fred Wolf Jr به بازار عرضه شد | 1914 |
| Clarence Birdseye شروع به آزمایشات انجماد سریع کرد | 1916 |
| الکترولوکس سوئد اولین چیلر جذبی گازسوز را اختراع کرد. | 1925 |
| Tile Aerologist. اولین مجله بازرگانی تهویه مطبوع توسط E Vemon Hill منتشر شد | 1925 |
| کنترل لوله مويین توسط Thomas Carpenterاختراع شد | 1926 |
| مبرد های کلروفلوئوروکربن توسط تیم توماس میدگلی در آزمایشگاه تحقیقاتی جنرال موتورز تولید شد. | 1928 |
| در خانه ای در توسان، اولین هیت پمپ توسط AZ نصب شد | 1930 |
| Frigidaire سیستم تهویه مطبوع مرکزی سالانه “Hot-Kold” را برای خانه ها وارد بازار کرد | 1931 |
| Chesapeake & Ohio Railroad شروع به راه اندازی اولین قطار شبانه مجهز به سیستم تهویه مطبوع “جورج واشنگتن” بین نیویورک و واشنگتن کردند | 1932 |
| خطوط هوایی امریکا از سیستم تهویه مطبوع در هواپیماهای مسافری “Three mile a minute” استفاده می کند | 1936 |
| Albert Henne. مخترع کلر فلوئوروکربن ها، مبرد R134a را اختراع کرد. | 1936 |
| سیستم تهویه مطبوع پنجراه ای توسط Philco York وارد بازار شد | 1938 |
| Packard اولین سیستم تهویه مطبوع اتوماتیک را وارد بازار کرد | 1939 |
| خشککردن انجمادی پنی سیلین. آزمایشات اولیه در بریتانیا. آماده سازی صنعتی در سال 1943. | 1939 |
| دستگاه تبرید جذبی با استفاده از لیتیوم بروماید: آب. مطالعات توسط سرول و کریر.
اولین Carrier Machine بزرگ در سال 1945 ساخته شد. |
1940 |
| لوله گرما ( هیت پایپ) توسط R.S. Gaugler اختراع شد، (ثبت اختراع ایالات متحده در سال 1944) | 1942 |
| دستگاه سرد کن سیکلی هوا برای خنک کردن هواپیما مورد استفاده قرار گرفت | 1944 |
| – Peltier یخچال فریزر خانگی ترموالکتریکی | 1949 |
| شروع توسعه تجاری پمپ های حرارتی ( هیت پمپ ها) که 2000 دستگاه در سال 1954 و 76،000 دستگاه در سال 1963 و 300،000 دستگاه در سال 1976 | 1950 |
| دو انجمن سازندگان تجهیزات تبرید ( ( REMA انجمن تجهیزات سردخانه ای و تهویه مطبوع (ACRMA)، برای ایجاد موسسه تبرید و تهویه مطبوع (ARI ) در 23 آوریل متحد شدند. | 1953 |
| در ماه دسامبر، اعضای ASRE و ASHAE برای رایزنی با انجمن صنایع گرمایی، یخچال و تهویه مطبوع (ASHRAE) رای گیری کردند | 1958 |
| اولين مدرسه آموزشي تهویه مطبوع بدون پنجره (نيويورک) | 1966 |
| R-22 مبرد استانداردی برای واحد تهویه مطبوع و پمپ های حرارتی شد | 1968-72 |
| 54٪ از ماشین های جدید مجهز به سیستم تهویه مطبوع شدند | 1969 |
| استاندارد اشری ASHRAE Standards 90-75 جهت بهینه سازی مصرف انرژی در طراحی ساختمان های جدید نقش اساسی در کد های ساختمان آمریکا ایفا کرد. | 1975 |
| سناتور های آمریکایی پروتکل مونترال را جهت حفاظت از لایه ازن تصویب کردند. | 1988 |
| استفاده از مبرد R134a در کولر ماشین | 1994 |
مضرات درجه حرارت بالای محیط
در سال 1840 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 1851 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.
صفحات چین دار، ایده انقلابی
ایده ی سرمایش مصنوعی برای سالهای متمادی به پستو رفت تا اینکه مهندس جوانی به نام ویلیس کریر در سال 1902 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.
سرمایش ساختمان های عمومی
در نمایشگاه جهانی سنت لويیس سال 1904، برگزار کنندگان نمایشگاه از تبرید مکانیکی برای سرمایش ساختمان ایالتی میسوری استفاده کردند. سیستم از 35000 سی اف ام هوا استفاده می کرد تا 1000 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 1920 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 1922 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 1922 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.
استفاده از تهویه مطبوع در ساختمانهای مسکونی
علی رغم پیشرفت در فن آوری های سرمایشی، این سیستمها برای خانه ها بسیار بزرگ و گران قیمت بودند. شرکت فریجیدر در سال 1929 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 1930 تا 1931 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 1990 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 1947 در حدود 43000 دستگاه کولر پنجره ای خانگی به فروش رسید و ساکنین منازل از تهویه مطبوع بدون پرداخت هزینه گزاف بهره مند گردیدند.
در تواخر دهه 1960 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 70 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 1992 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 1993 تا 2023 بتواند 29 میلیارد دلار در قبوض انرژی صرفه جویی نماید. استانداردی که در سال 2006 تصویب گردید نیز می تواند 70 میلیارد دلار را در بازه ی سالهای 2006 تا 2035 در قبوض ذخیره نماید و همچنین از انتشار 369 تن دی اکسید کربن در سال که معادل 72 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 1990 تا 50 درصد کمتر انرژی مصرف می کنند.