برای تامین هر چه بهتر شرایط آسایش حرارتی در داخل ساختمان می توان متناسب با نوع کاربری و الزامات مربوطه، سیستم هایی با قابلیت کنترل مستقل در فضا های مختلف ساختمان طراحی نمود. هر فضا یا مجموعه ای از فضاهایی که کنترل شرایط دمایی در آن ها به صورت مستقل انجام می گیرد را یک «منطقه» یا «زون» می نامیم. در این مقاله با چگونگی منطقه بندی یا زون بندی ساختمان، عوامل موثر بر انتخاب منطقه و ملاحظاتی که باید برای تعیین محل قرار گیری ترموستات در منطقه رعایت شود آشنا می شویم.
منطقه یا زون (Zone) چیست؟
فضا لزوما نباید از باقی اتاق ها با تیغه یا دیوار جدا شده باشد. فضا حتی می تواند بخشی از یک اتاق یا فضای داخل کابین یک هواپیما باشد.
یک زون به قسمتی گفته می شود که سیستم تهویه مطبوع آن با یک حسگر که معمولا ترموستات است کنترل می شود. ترموستات به طور مستقیم یا غیر مستقیم دمای منطقه ای که در آن نصب شده است را کنترل می کند. یک منطقه می تواند شامل چند فضا باشد، مثلا یک راهرو و چند اتاق که با یک ترموستات در یک اتاق قرار دارد و آن ها را کنترل می کند یک منطقه محسوب می شود. یک منطقه ممکن است قسمتی از یک فضا باشد، مثلا فضای نزدیک به یک پنجره بزرگ در یک اداره بزرگ. برای تامین شرایط مطلوب در یک منطقه می توان از یک سیستم مجزای محلی یا یک سیستم مرکزی که قابلیت کنترل مجزای هر منطقه را دارد استفاده نمود. مثال هایی از منطقه و فضا در جدول 1 آمده است.
بعد از مفهوم منطقه، حال به بررسی نیاز زون بندی منطقه بندی در یک ساختمان می پردازیم.
| فضا | مناطق | دلایل منطقه بندی یا زون بندی |
| سالن اجرای تئاتر زنده | 1. محل نشستن تماشاگران 2. سن (سکوی نمایش) | تماشاگران نیاز به گرمایش و سرمایش دارند. در قسمت سن و سکوی نمایش به دلیل روشن شدن لامپ ها نیاز به سرمایش بسیار زیاد است. |
| فضای داخل سالن اسکیت روی یخ | 1. محل حضور تماشاگران 2. سطح یخی سالن 3. فضای بالای سالن | تماشاگران نیاز به گرمایش و تهویه دارند. برای جلوگیری از آب شدن یخ، نیاز به دمای پایین و جریان هوای کم است. برای جلوگیری از تشکیل مه و کاهش دید تماشاگران، کنترل رطوبت ضروری است. |
| ساختمان اداری بزرگ | 1. فضای نزدیک پنجره 2. مناطق داخلی ساختمان | افراد کنار پنجره های ساختمان، در تابستان و زمستان تحت تاثیر شرایط هوای بیرون قرار می گیرند. مناطق داخلی ساختمان از افراد، تاسیسات روشنایی و وسایل حرارتی بیشتر تاثیر می گیرند. |
| مساجد یا کلیساهای بزرگ | 1. ارتفاع کمتر از m1,8 2. ارتفاع بالاتر از m1,8 | از ناحیه کف تا ارتفاع m1,8 که محل حضور افراد است، سرمایش و گرمایش مورد نیاز است. در ارتفاع بالاتر از m8/1 نیاز به تامین هوای مطبوع و سرمایش و گرمایش نیست. |
| فرودگاه | 1. سالن اصلی فرودگاه 2. بخش بازرسی 3. فروشگاه های داخل سالن 4. سالن انتظار مسافران | سالن فرودگاه نمونه ای از یک کاربری با محیط بسیار بزرگ و پر جمعیت است که هر یک از آن ها کاربری خاص خود و نیاز سرمایشی و گرمایشی متفاوتی دارد. بنابراین طراحی سیستم هر یک از این فضا ها باید متناسب با شرایط موجود انجام شود. |
جدول 1 مثال هایی از فضا و مناطق و دلایل منطقه بندی یا زون بندی آن ها
روش منطقه بندی یا زون بندی فضاهای ساختمان
منطقه ها انواع مختلف و نیاز های مختلفی دارند. دسته بندی هر یک از مناطق ساختمان به شاخص هایی که باید در آن ها کنترل شود و تغییراتی که در آن ها رخ می دهد بستگی دارد. مواردی که در یک منطقه باید کنترل شوند عبارتند از: دما، رطوبت، تامین هوای تازه، زمان بندی کارکرد سیستم، محافظت در برابر یخ زدگی، تامین فشار هوا و نیاز های خاص منطقه. بیشترین دلیل زون بندی یا منطقه بندی در یک ساختمان تامین نیاز های حرارتی و برودتی است. فرض کنید ساختمان ویژگی های زیر را دارد:
- عایق کاری خوب
- یک سازه چند طبقه با نقشه های تیپ در هر منطقه
- پنجره های بزرگ در نمای خارجی ساختمان
- بار کم با وجود افراد و وسایل داخل خانه
- اقلیمی که ساختمان قرار گرفته در نیم کره شمالی است.
در این مثال، با توجه به تغییر بار های حرارتی و برودتی، ابتدا نیاز فضای پیرامونی ساختمان در طبقات میانی را در نظر می گیریم. این نیاز ها در طول یک روز تابستانی می تواند تغییر کند. این تغییرات در بارهای دمایی به علت جذب گرمای ناشی از تابش خورشید است که به آن «بهره گرمایی» گفته می شود.
هدف از طراحی سیستم های تهویه مطبوع دست یابی به دمای نقطه تنظیم است. منظور از دمای نقطه تنظیم دمایی است که ترموستات برای دست یابی و سپس ثابت نگه داشتن آن تنظیم شده است. در هنگام صبح، خورشید به نمای شرقی ساختمان می تابد. علاوه بر نمای شرقی، نمای شمال شرق و جنوب شرق نیز از این تابش خورشید تاثیر می پذیرد. بنابراین در یک روز تابستانی، این نماها نیاز سرمایشی بیشتر در مقایسه با سایر نماهای ساختمان دارند.
به همین ترتیب با نزدیک شدن به هنگام ظهر، خورشید به سمت جنوب رفته و نماهای جنوب، جنوب شرق و جنوب غرب را گرم می کند. در حالی که منطقه شمال شرق به تدریج گرمای کمتری را از طریق تابش خورشید دریافت می کند.
به همین ترتیب با رسیدن به ظهر و پس از آن، گرمای ناشی از تابش خورشید بیشترین تاثیر را در نماهای غرب، جنوب غرب و شمال غرب خواهد داشت.
ملاحظات مربوط به زون بندی یا منطقه بندی
در نیم کره شمالی، تمامی مناطق ساختمان غیر از مناطق شمالی در معرض تابش خورشید و بهره گرمایی ناشی از آن هستند. بنابراین دو منطقه شمالی ساختمان وابسته به عوامل دیگری مانند دمای هوای خارج و بار های داخلی ناشی از کارکرد تاسیسات روشنایی و حضور افراد هستند.
دو عامل هوای خارج و بار های داخلی در تمامی فضا های این ساختمان یکسان هستند. بنابراین در دو منطقه شمالی می توان از یک ترموستات استفاده کرد. یعنی این دو فضا مانند یک منطقه عمل می کنند. دو منطقه جنوبی نیز مانند هم هستند و در میان روز بهره گرمایی بالایی دارند. بنابراین این دو فضا هم یک منطقه بوده و می توان آن ها را با یک ترموستات کنترل کرد. بقیه فضاهای این ساختمان هر یک تغییرات حرارتی مخصوص به خود را دارند و هرکدام به صورت یک منطقه جداگانه رفتار می کنند. به عبارت دیگر هرکدام از این فضا ها ترموستات خود را دارند. در نتیجه با تقسیم بندی این نقشه به شیوه فوق به شش منطقه نیاز داریم.
اما از آن جایی که در عمل در نظر گرفتن شش منطقه مختلف در چنین ساختمانی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست، ممکن است طراح دو نمای شمالی و شمالی شرق را نیز با هم یکی در نظر بگیرد. چرا که در اول صبح با کمی گرمایش بیشتر می توان این دو نما را به طور کامل پوشش داد. در این حالت از آن جا که اکثریت اهمیت بیشتری دارند، بهتر است ترموستات در فضای شمالی قرار گیرد. البته اگر فضای شمال شرق دارای کاربرد بیشتری باشد ترموستات در آن جا قرار می گیرد. به همین صورت دو فضای جنوب و جنوب شرق می توانند با یکدیگر ترکیب شوند زیرا هر سه فضا در نیم روز در معرض یک میزان بهره گرمایی خورشید هستند. در انتها نیز به دلیل آن که دو فضای جنوب غرب و شمال غرب در زمان عصر و هنگام غروب بهره گرمایی مشابهی دارند می توان این دو نمای را نیز در یک منطقه قرار داد. در این مثال می توان شش منطقه را به سه منطقه کاهش داد که هم از نظر کنترل حرارتی و هم عایق کاری صرفه اقتصادی بیشتری دارد. ایجاد تعادل بین هزینه و عملکرد یک چالش همیشگی برای طراح سیستم های تهویه مطبوع به شمار می رود که باید به درستی مدیریت شود. اگر تعداد مناطق یک ساختمان کم در نظر گرفته شود، قابلیت های عملکردی سیستم کاهش می یابد و افزایش تعداد مناطق ساختمان نیز موجب افزایش هزینه های اولیه و نگه داری می شود.
سقف و مناطق داخلی
تا به این قسمت در رابطه با سقف و مناطق داخلی ساختمان صحبتی به میان نیامد. مناطق داخلی ساختمان در طبقات میانی قرار دارند و با فضاهای تهویه شده احاطه گردیده اند در نتیجه به گرمایش نیاز ندارد. البته در اقلیم هایی با شرایط آب و هوایی سرد، مناطق بیرونی ساختمان نیاز به گرمایش دارند ولی باید خاطر نشان کرد که مناطق میانی به دلیل حضور افراد باز هم نیاز به سرمایش دارند. این تفاوت می تواند طراح را به سمتی سوق دهد که به جداسازی سیستم تهویه مطبوع در فضاهای داخلی ساختمان فکر کند.
منطقه هایی که در بالاترین طبقه ساختمان قرار دارند، به دلیل وجود بام در بالای خود علاوه بر شرایط دیگر طبقات، در زمستان با اتلاف گرما و در تابستان با بهره گرمایی خورشید رو به رو هستند. این مسئله موجب می شود تا نیاز حرارتی این بخش از ساختمان بیشتر از سایر مناطق باشد. طراحی نمای رومی می تواند از اتلاف حرارت تا حدی جلوگیری کند.
انتخاب شیوه منطقه بندی یا زون بندی یک مصالحه دائمی میان سود و هزینه است. در حالت ایده آل هر شخص می تواند به خودی خود کنترل حرارتی ساختمان را بر عهده بگیرد. ولی در واقع این کار در عمل اجرایی نیست. بنابراین طراح می تواند با ترکیب مناطق مختلف ساختمان، مانند روندی که قسمت قبل مرور کردیم، هزینه های اولیه را کاهش دهد. در این مثال، فقط به بهره گرمایی توجه کردیم ولی منطقه بندی به عوامل بسیار بیشتری مانند عواملی که در زیر با هم به بررسی آن ها می پردازیم بستگی دارد.
تغییرات دمایی
تغییرات دمایی خود با عوامل زیر در ارتباط است:
بهره گرمایی ناشی از تابش خورشید
همان گونه که در مثال مطرح شده در این فصل دیدیم بهره گرمایی ناشی از تابش خورشید در ساعت های مختلف روز می تواند متناسب با عواملی مانند چگونگی قرار گیری پنجره ها در ساختمان، نیاز حرارتی مناطق مختلف ساختمان را دستخوش تغییر کند.
بهره ها یا تلفات گرمایی از دیوار ها و بام
مناطق زیر بام، در تابستان و زمستان در مقایسه با سایر مناطق ساختمان نیاز بیشتری از نظر سرمایش و گرمایش دارند.
وضعیت حضور افراد در ساختمان
کاربری فضا و اهمیت آن از دیدگاه کنترل دما در زون بندی منطقه بندی بسیار اهمیت دارد.
تجهیزات الکتریکی و بار ناشی از آن ها
محل استقرار تجهیزات الکتریکی که در وضعیت کار گرمای زیادی تولید می کنند، گاهی باید به عنوان یک منطقه مجزا در نظر گرفته شود. مثلا اگر در یک منطقه هوای مطلوبی داشته باشیم با اضافه کردن وسایلی نظیر کامپیوتر شخصی یا سرور ها به این بخش، دمای آن منطقه افزایش می یابد و نیاز به سرمایش بالا می رود. بنابراین با جدا کردن این بخش ها می توان کنترل نیاز حرارتی را بهبود بخشید.
جلوگیری از انجماد در هوای سرد
در اقلیم های سردسیر، سطح بام و دیوار های خارجی انتقال گرما را به خارج ساختمان زیاد می کنند. از این رو با جداسازی محیط داخلی و خارجی ساختمان می توان مقدار تلفات حرارتی از پوسته خارجی ساختمان را کاهش داد.
تهویه با هوای خارج
اشغال فضا توسط افراد: در یک ساختمان اداری معمولی مقدار بار حرارتی و تغییرات آن در مقایسه با یک سالن کنفرانس کمتر است. سالن های کنفرانس از لحاظ زمان استفاده و بار حرارتی و برودتی مورد نیاز، باید به عنوان یک منطقه جداگانه در نظر گرفته شوند.
هوای خروجی از رختشوی خانه: همان طور که در گذشته نیز اشاره شد، رختشوی خانه یکی از فضاهایی است که باید به صورت جداگانه و با یک خروجی تهویه شود. هوای خروجی از این قسمت می تواند از فضاهای اطراف ساختمان نیز تامین شود.
تخلیه هوا از طریق هود ها و هواکش ها: گاهی اوقات تجهیزات یک ساختمان به صورت تمام وقت کار می کنند، نه فقط در ساعات اداری. بنابراین در چنین کاربردهایی برای کاهش هزینه می توان آن ها را به صورت منطقه های جداگانه در نظر گرفت یا حتی برای آن ها سیستم های مجزایی را طراحی کرد.
زمان کارکرد
طبق برنامه زمانی: در اکثر ساختمان ها زمان های کاری متناسب با نیاز های کاربری متفاوت است. مثلا در یک ساختمان اداری با طبقات زیاد، سرویس دهی کامل در ساعات اداری و در روز های کاری ضرورت دارد. در حالی که در ساختمان مربوط به سازمانی مانند سازمان هوا شناسی نیاز به زمان بندی بیست و چهار ساعته در تمام ایام هفته است. در این شرایط زون بندی یا منطقه بندی برای کار های زمان بندی شده می تواند مفید باشد.
کنترل یا آغاز به کار به صورت دستی: در بسیاری از ساختمان ها مکان هایی وجود دارند که صرفاً برحسب موقعیت به کار گرفته می شوند. چنین فضاهایی اغلب برحسب نیاز به کار گرفته می شوند نه بر اساس یک برنامه زمانی مشخص. در چنین کاربردهایی زون بندی منطقه بندی ساختمان با هدف برای کنترل دستی عملکرد سیستم بسیار موثرتر است. به این ترتیب آغاز به کار سیستم می تواند با یک حسگر حساس حضور افراد یا با یک کلید دستی باشد. برای مثال می توان به یک سالن اجتماعات در یک ساختمان آموزشی مربوط به یک دانشگاه اشاره کرد که خیلی کم استفاده می شود. برای چنین کاربردی استفاده از یک کلید دستی گزینه بهتری است و به این ترتیب می توان متناسب با نیاز سیستم تهویه مطبوع را روشن نمود.
رطوبت
جلوگیری از قارچ و کپک در آب و هوای گرم و مرطوب: در آب و هوای گرم و مرطوب رطوبت هوا می تواند از درز های موجود در دیوار، پنجره و در به داخل ساختمان نفوذ کند. این رطوبت بدون حضور دستگاه رطوبت گیر می تواند به اجزای داخلی ساختمان آسیب برساند و علاوه بر افزایش احتمال رشد قارچ و کپک، عمر سازه را کوتاه کند.
در هر منطقه از ساختمان برای اندازه گیری رطوبت نسبی هوا و کنترل رطوبت می توان از حسگرهای رطوبت استفاده کرد. با افزایش رطوبت و تجاوز کردن آن از حد مجاز، حسگر های رطوبت می توانند سیستم رطوبت گیر را به کار بیاندازند. در چنین کاربردهایی حتی می توان طراحی سیستم را به گونه ای انجام داد که در مواقعی که افراد در داخل ساختمان حضور ندارند، رطوبت گیری بدون تهویه انجام شود.
کنترل رطوبت در موزه ها و گالری آثار هنری: در چنین کاربردهایی کنترل رطوبت در محل نگه داری و نمایش آثار بسیار اهمیت دارد. کنترل دقیق رطوبت هوا در کاربرد هایی مانند ساختمان های اداری، رستوران ها یا انبار ها مورد نیاز نیست. اما در کاربردهایی مانند موزه ها و گالری آثار هنری کنترل رطوبت اهمیت دارد و به این منظور باید یک سیستم رطوبت گیری در نظر گرفته شود.
فشار
به عنوان یک قاعده کلی، جریان هوا همواره از بخش پر فشار به قسمت کم فشار ایجاد می شود. از این نکته می توان برای درک چگونگی حرکت ذرات آلاینده در هوا استفاده کرد. مثلا در یک بیمارستان برای جلوگیری از شیوع بیماری سل اگر در بخشی که بیماران مبتلا به این بیماری حضور دارند فشار منفی در هوا ایجاد کنیم، عوامل بیماری زا نمی توانند از طریق هوا به فضاهای اطراف ساختمان منتقل شوند. برای فضایی مانند آشپزخانه، اتاق استعمال دخانیات یا توالت هم می توان با همین شیوه و ایجاد فشار منفی از خروج هوای آلوده و بو های نامطبوع به داخل فضا های دیگر ساختمان جلوگیری کرد. در کاربردهایی مانند اتاق ظهور عکس برای جلوگیری از ورود گرد و خاک به داخل اتاق و کاهش کیفیت عکس، می توان فشار هوای داخل را نسبت به فضاهای مجاور بیشتر کرد تا جریان هوا همواره از داخل این اتاق به فضاهای جانبی باشد.
مشکلات منطقه بندی یا زون بندی
یکی از مشکلات رایج برای زون بندی یا منطقه بندی فضاهای مختلف یک ساختمان، تغییر کاربری ساختمان بعد از طراحی و اجرای اولیه سیستم است. به عبارت دیگر، تغییر در نقشه یا کاربری ساختمان از جمله متداول ترین مشکلات مرتبط با منطقه بندی یا زون بندی است. در این حالت طراح باید بتواند طراحی خود را به گونه ای انجام دهد که در درجه اول قابل اجرا و موثر و علاوه بر آن از لحاظ اقتصادی توجیه پذیر باشد. پس از بررسی دلایل منطقه بندی زون بندی در ساختمان، در ادامه این بخش به روش های کنترل هر یک از مناطق خواهیم پرداخت.
روش کنترل منطقه های ساختمان
رایج ترین وسیله برای کنترل وضعیت دمایی هر یک از مناطق ساختمان ترموستات است. ترموستات باید در محلی نصب شود که نماینده خوبی از تمامی نقاط آن منطقه باشد. ترموستات معمولا روی دیوار نصب می شود و وظیفه آن ثابت نگه داشتن دمای اتاق است. نکته دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد آن است که ترموستات تنها یک حسگر است و عملکردی هوشمند ندارد. به عبارت دیگر ترموستات نمی تواند بر اتفاقاتی که در داخل منطقه رخ می دهد تسلط داشته باشد. در ادامه این بخش به نکاتی که باید برای انتخاب مکان ترموستات مورد توجه قرار گیرد اشاره می کنیم:
- اگر ترموستات در معرض تابش مستقیم خورشید باشد، گرمای ناشی از تابش خورشید باعث می شود که ترموستات دمای بالاتری را نشان دهد. این مسئله باعث می شود که سیستم شروع به خنک کردن بیش از حد فضا کرده و افراد احساس سرما کنند. علاوه بر آن، هزینه سرمایشی سیستم نیز به دلیل افزایش ساعات کارکرد و اندازه گیری ناصحیح دما بی دلیل افزایش می یابد.
- در بسیاری از هتل ها، ترموستات بالای در اتاق انتظار نصب می شود. این کار باعث می شود که باز و بسته شدن در بر عملکرد ترموستات و دمایی که حس می کند تاثیر بگذارد.
- در برخی از اتاق های کنفرانس، ترموستات در قسمت بالای دیمر لامپ نصب می شود که در این حالت ترموستات گرمای ناشی از کارکرد آن را دریافت می کند و دمای اتاق بیش از آن چیزی که هست اندازه گیری می شود. در چنین مواردی اگر تاسیسات روشنایی دائما روشن باشند، با تغییر دمای تنظیم ترموستات می توان این مشکل را حل کرد. اما مشکل آنجاست که متاسفانه در چنین کاربردهایی لامپ ها دائما خاموش و روشن می شوند که در این صورت دمای اندازه گیری شده توسط ترموستات نیز دائم تغییر می کند.
- نصب ترموستات روی دیوار خارجی اتاق می تواند مشکل زا باشد. زیرا تابش مستقیم خورشید به دیوار های خارجی موجب می شود که دمای ترموستات بیش از دمای واقعی اتاق اندازه گیری شود که نتیجه آن عملکرد نا مناسب دستگاه نسبت به دمای واقعی اتاق است. در چنین حالتی ترموستات به طور مصنوعی دمای بالاتری را اندازه گیری می کند ولی دمای اتاق برای ساکنان سرد تر از دمای مطبوع است که نتیجه آن ایجاد احساس نا خوشایند و عدم تامین دمای مطبوع برای افراد حاضر در ساختمان است. درست عکس همین حالت نیز در زمستان رخ می دهد و دمای اتاق گرم تر از حالت مطبوع می شود.
- اگر ترموستات در نزدیکی وسایل گرم کننده نصب شود ترموستات به واسطه کارکرد تجهیزات گرمایشی دمای بالاتری را اندازه گیری می کند و در نتیجه آن دمای اتاق سرد تر از وضعیت مورد قبول خواهد بود. برای مثال اگر ترموستات در نزدیکی یک دستگاه چاپ گر نصب شود با خاموش و روشن شدن آن، ثابت نگه داشتن دمای اتاق در دمای تنظیم شده بسیار سخت می شود.
- اگر ترموستات در مقابل وسایل گرمایشی یا سرمایشی نصب شود نمی تواند دمای مطبوع در اتاق ایجاد کند. فرض کنید سیستم تهویه مطبوع مستقیما به ترموستات باد می زند. در هوای سرد که سیستم باد گرم می زند ترموستات درک گرم تری از دمای اتاق دارد و سریعا شروع به خنک کردن اتاق می کند و در هوای گرم هم که سیستم باد سرد تولید می کند، ترموستات سرد شده و دما را برای رساندن به نقطه تنظیم بالا می برد.
- اگر سیستم برای فصول گرم تنظیم شده باشد هنگامی که سیستم برای فصل سرد کار می کند دما گرم تر از دمای مطبوع خواهد بود و نیاز به تنظیم دوباره خواهد داشت. این مشکل همیشه در هنگام تغییر فصل رخ خواهد داد که مشکلی رایج در بسیاری از سیستم های تهویه مطبوع است.
- ترموستات های دیواری معمولا یک کابل دارد که آن را به سایر سیستم های کنترل وصل می کند. بنابراین سوراخ، معبر یا کانالی که برای عبوری این کابل تا سیستم کنترل در نظر گرفته می شود می تواند باعث وزش هوا به ترموستات شده و در کار آن خطا ایجاد کند.
- نصب کردن ترموستات در نزدیکی پنجره می تواند منجر به آن شود که دمای حس شده توسط ترموستات به واسطه وزش باد دستخوش تغییر شود.
رطوبت
در رابطه با رطوبت هم تمام موارد مانند دماست با این تفاوت که برای کنترل رطوبت از هیومیدیستات استفاده می شود. نصب هیومیدیستات در مکان نامناسب منجر به کنترل ضعیف رطوبت می شود. با افزایش دما، رطوبت نسبی هوا کاهش یافته و با کاهش دما رطوبت نسبی زیاد می شود.
تحریریه تیم فنی مهندسی به فیکس
