گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع که به اختصار آن را HVAC مینامند، گستره وسیعی دارد. اگر با مفهوم کلی این حوزه آشنا نیستید، پیشنهاد میکنیم ابتدا مقاله تهویه مطبوع چیست را مطالعه کنید. سیستمهای تهویه مطبوع شامل دامنه بزرگی از سادهترین بخاریهای خانگی که برای گرمایش فضای خانه استفاده میشوند تا پیچیدهترین سیستمهای تهویه مطبوع مورد استفاده در زیردریاییها یا فضاپیماها هستند. تجهیزات سرمایشی میتوانند شامل وسایل سردکننده کوچک خانگی تا سردکنندههای بسیار بزرگ در فرآیندهای صنعتی مختلف، از جمله سیستمهای تعمیر تخصصی چیلر تراکمی، باشند.
با توجه به پیچیدگی تجهیزات یادشده، طراحان تهویه مطبوع باید علاوه بر تنظیم دمای مناسب، موارد دیگری را هم مد نظر داشته باشند. در این مقاله با مفاهیم پایهای مؤثر در طراحی، راهبری سیستم و نگهداری از آن آشنا میشویم.
تاریخچهای از تهویه مطبوع
در سالهای دور، بشر برای ایجاد گرما از آتش استفاده میکرد. به این ترتیب، هوایی که به واسطه آتش گرم میشد، شرایط مناسب برای ساکنان را فراهم میکرد. پس از چندی، همگام با ساخت کورههای مرکزی با لوله بخار یا آب گرم، نیاز به تهویه جداگانه ملموستر شد. در اواخر دهه ۱۸۸۰ طراحیهای ساده و اولیهای از سیستمهای تهویه مطبوع پدیدار شد و در مناطق بسیاری مورد استفاده قرار گرفت.
در سال ۱۸۵۱، دکتر جان گری امتیاز انحصاری (پتنت) شماره ۸۰۸۰ آمریکا را برای ابداع یک دستگاه برودتی به خود اختصاص داد. در دهه ۱۸۸۰، این ماشین نقش خود را در امور صنعتی آغاز کرد. در ابتدا از این دستگاه بیشتر به دو منظور استفاده میشد: تهیه یخ و منجمد کردن گوشت برای جابهجایی آن. اما در دهه آغازین قرن بیستم، روش جدیدی برای خنک کردن ساختمانها ابداع شد. سیستم سرمایش بهکاررفته در بازار بورس نیویورک در سال ۱۹۰۲ یکی از اولین تجهیزات سرمایشی برای ساختمانها بود که به آن «ایرکاندیشن» یا همان سیستم تهویه مطبوع میگفتند.
امروز تهویه مطبوع معانی گستردهتری نسبت به آن زمان دارد و شامل کنترل عوامل زیر میشود:
- دما
- رطوبت
- تأمین هوای تازه
- پاکسازی آلایندههای هوا
- ایجاد جریان در یک محیط بسته
مرور تاریخچه تهویه مطبوع در حقیقت مروری بر سیر تکامل فنی و علمی در زمینههای مرتبط است. پیشگامانی چون رابرت بویل، سعدی کارنو، جان دالتون، جیمز وات، بنجامین فرانکلین، جان گری، لرد کلوین، فردیناند کری، ویلیس کریر و توماس میدلی به همراه بسیاری دیگر از نامآوران این عرصه، ما را به دانش امروز رساندهاند. فناوری تهویه مطبوع از سال ۱۹۰۰ با ایجاد ارتباطی عمیق بین مباحث علمی و مهندسی رشد پیدا کرد. پیشرفتهای حاصلشده در علوم مختلفی مانند ترمودینامیک، مکانیک سیالات، الکتریسیته، الکترونیک، سازه، مهندسی مواد، داروسازی و تجهیزات کنترلی، سنگ بنای تهویه مطبوع هستند.
تهویه مطبوع در سیر تکاملی خود، با نیمنگاهی به تمامی موارد زیر گسترش یافته است:
- توسعه فنی و کاربردی، مانند یخچالهایی که برای نگهداری غذا کاربرد دارند.
- ملاحظات اقتصادی، که بعد از بحران انرژی سال ۱۹۷۳ پررنگتر شد.
- توسعه فناوریهای رایانهای و علوم مرتبط با شبکه، که برای کنترل سیستمهای بزرگ و پیچیده استفاده میشد.
- یافتههای پزشکی، مانند اثراتی که استعمال دخانیات و دود آنها حتی بر افرادی که خود از این مواد استفاده نمیکنند، بر جای میگذارد.
گستره تهویه مطبوع در دنیای امروز
تقریباً میتوان گفت استفاده از سیستم تهویه مطبوع تبدیل به یک ضرورت شده است. با وجود رشد بسیار زیاد در زمینههای مختلف تهویه مطبوع، هنوز هم زمینههای کاری و تحقیقاتی در آن به وفور دیده میشود؛ برای آشنایی بیشتر با کاربرد این سیستمها میتوانید مقاله کاربرد تهویه مطبوع و تبرید را مطالعه کنید.
کیفیت هوای داخل در مکانهایی که ما در آنها فعالیت داریم، تأثیر مستقیمی بر احساس آسایش و سلامت ما دارد. در اغلب کشورها، کیفیت پایین هوای داخل در ساختمانها و مکانهای محبوس مانند هواپیماها باعث نارضایتی یا رشد ناراحتیهای تنفسی میشود. از این رو، تأمین کیفیت مطلوب هوای داخل یکی از زمینههای علمی و مهندسی مهم در این حوزه است.
در سالهای اخیر مسائلی مانند انتشار بیرویه گازهای گلخانهای و تخریب لایه ازن نگرانیهای مختلفی برای پژوهشگران ایجاد کرده است. در همین راستا، قوانین و دستورالعملهای جدیدی تدوین و ابلاغ شدهاند که به موجب آن، گزینههای پیشنهادی و تشویقی مانند بازیافت انرژی، استفاده از انرژیهای نو، کاهش تلفات انرژی و استفاده از مواد با سطح آلایندگی کمتر در دستور کار قرار گرفته است. همه این مسائل تأثیر قابلتوجهی در طراحی ساختمان، از جمله سیستمهای تهویه مطبوع و آییننامههای مرتبط با طراحی آنها دارند.
صرفهجویی در مصرف انرژی و حفظ منابع آن یکی از چالشهای دنیای امروز است؛ پیدا کردن راهکارهای جدید برای کاهش مصرف در ساختمانهای تازهساز و موجود، بدون آنکه لطمهای به کیفیت هوای داخل وارد شود، از جمله موارد مهم به شمار میرود. البته صرفهجویی در مصرف انرژی، نیازمند تعامل همهجانبه بین افراد و سازمانهای مختلف است.
به عنوان مثال، تأسیسات روشنایی علاوه بر نور، گرما نیز تولید میکنند. بنابراین هنگامی که یک سیستم سرمایشی در حال خنک کردن هوای داخل ساختمان است، گرمای ناشی از تأسیسات روشنایی به عنوان یک بار حرارتی اضافی به دستگاه تحمیل میشود. برعکس، هنگامی که سیستم گرمایشی در حال کار است، حرارت تولیدشده ناشی از کارکرد تأسیسات روشنایی، بار سیستم را کاهش میدهد. این تعامل بین روشنایی و تهویه مطبوع دلیل آن شد که انجمن مهندسان گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE) و انجمن مهندسی روشنایی آمریکای شمالی (IESNA) استاندارد ۹۰ASHRAE-2004-1 تحت عنوان «استانداردهای انرژی برای ساختمانها بهجز ساختمانهای مسکونی کوتاهمرتبه» را تدوین کنند.
مقدمهای بر فرآیندهای تهویه مطبوع
همانطور که پیش از این اشاره شد، اصطلاح «تهویه مطبوع» به معنای گستره وسیعی شامل کنترل دما، کنترل رطوبت، تأمین هوای تازه، پالایش ذرات موجود در هوا و جریان هوا در یک فضای بسته است. برای بررسی دقیقتر این عملکردها میتوانید مقاله عملکرد سیستمهای تهویه مطبوع را مطالعه کنید. هفت فرآیند اصلی مورد نیاز برای دستیابی به بالاترین بهرهوری در فرآیندهای تهویه مطبوع در ادامه این بخش توضیح داده شده است.
فرآیندهای یادشده عبارتاند از:
- گرمایش: فرآیند افزودن انرژی حرارتی یا افزایش گرما به فضای مورد نظر، به هدف بالا بردن یا حفظ دما
- سرمایش: فرآیند کاهش انرژی حرارتی یا کاهش گرما از فضای مورد نظر، به هدف پایین آوردن یا حفظ دما
- رطوبتزنی: فرآیند افزودن بخار آب به هوا به منظور افزایش یا حفظ رطوبت هوا
- رطوبتگیری: فرآیند کاهش بخار آب هوا به منظور کاهش یا حفظ رطوبت هوا
- پاکسازی هوا: فرآیند از بین بردن ذرات معلق و آلایندههای بیولوژیکی از هوا با هدف بهبود یا حفظ کیفیت هوا
- تهویه: تبادل هوای خارج و فضای مطبوع به منظور رقیق کردن آلایندههای گازی در هوا و بهبود یا حفظ کیفیت، ترکیب و تأمین طراوت هوا؛ تهویه میتواند هم بهصورت تهویه طبیعی یا تهویه مکانیکی انجام شود. تهویه طبیعی مانند هنگامی است که برای استفاده از هوای تازه، پنجرهای را باز میکنیم. در تهویه مکانیکی میتوان با استفاده از فن، هوا را از خارج به داخل یا از فضای داخل به خارج هدایت کرد.
- حرکت هوا: فرآیند گردش و مخلوط کردن هوا در فضاهای ساختمان به منظور دستیابی به تهویه مناسب و تسهیل انتقال انرژی حرارتی است.
لازم به ذکر است که الزامات و اهمیت هریک از هفت فرآیند یادشده با یکدیگر متفاوت است.
در مناطقی که هوا در تمام سال گرم است، ممکن است گرمایش هرگز نیاز نباشد. برعکس، در آبوهوای سرد ممکن است دوره گرما در فصل تابستان آنقدر کم باشد که ضرورتی برای سرمایش نباشد. برای کنترل رطوبت در آبوهوای گرم و خشک، رطوبتگیری کاهش مییابد؛ ولی در آبوهوای گرم و مرطوب ممکن است سیستم تهویه مطبوع اصلیترین نقش را در تأمین شرایط آسایش افراد داخل ساختمان داشته باشد.
استفاده از تهویه مطبوع
منظور از تهویه مطبوع در کاربردهای مختلف متفاوت است؛ از این رو بهتر است برای درک صحیح مفهوم آن، به کاربرد مورد نظر نیز توجه داشته باشیم. برای مثال یک واحد تهویه مطبوع پنجرهای را در نظر بگیرید. این دستگاه اغلب برای تأمین سرمایش مورد نیاز به کار گرفته میشود. در برخی موارد نیز میتواند به عنوان دستگاهی برای تهویه یا کاهش رطوبت استفاده شود، ولی نمیتواند گرما یا رطوبت تولید کند.
در اقلیمهایی که آبوهوای سردتری دارند، گرمای مورد نیاز اغلب از یک سیستم جداگانه تأمین میشود. فرآیندهای دیگری مانند سرمایش، رطوبتزنی، رطوبتگیری، پاکسازی هوا، تهویه و جریان هوا نیز میتواند توسط سیستم تهویه مطبوع تأمین شود. یادآور میشود که هر دو سیستم گرمایش و سیستم تهویه یادشده با هم «سیستم تهویه مطبوع» را تشکیل میدهند.
هدف از بهکارگیری سیستم تهویه مطبوع
قبل از شروع طراحی یک سیستم، بسیار مهم است بدانیم هدف از طراحی سیستم چیست. اغلب، هدف ایجاد یک محیط راحت برای ساکنان است؛ البته بسیاری از اهداف دیگر نیز میتواند وجود داشته باشد. برای مثال میتوان به کاربردهایی مانند ایجاد محیط مناسب برای نگهداری از حیوانات، تأمین شرایط مناسب در اتاق عمل بیمارستان، حفظ دما برای ذخیرهسازی مواد غذایی منجمد یا حفظ دما و رطوبت برای نگهداری از لوازم چوبی و آثار هنری و باارزش اشاره کرد. شرایط هرچه باشد، مهم این است که معیارهای عینی برای کارکرد مطلوب سیستم به وضوح در آغاز پروژه شناسایی شده باشد؛ زیرا نیازهای متفاوت به معنای ملاحظات مختلف و در نهایت تغییر در طرح اولیه و نهایی است. در ادامه این بخش، به اختصار نگاهی به شرایط طراحی در چند کاربرد مختلف برای سیستمهای تهویه مطبوع میاندازیم.
مثال ۱- تأمین شرایط محیطی مناسب برای حیوانات اهلی: ملاحظاتی که باید در این مورد در نظر گرفته شود شامل مواردی مانند هزینه، بهداشت دام و کارگران و رعایت آییننامهها و قوانین مرتبط است. فضایی که برای نگهداری از حیوانات اهلی به کار گرفته میشود همواره نیازمند تهویه است. متناسب با نوع آبوهوا، وضعیت دمایی نیز ممکن است توسط یک ترموستات ساده کنترل شود. ضمن آنکه وضعیت جریان هوا و سرعت تهویه نیز میتواند به دلایل زیر متفاوت باشد:
- حفظ کیفیت هوای داخل از طریق حذف گازهای آلاینده و بوهای نامطبوع
- نگهداری فضای داخل در دمای طراحی با تأمین هوای سرد یا گرم
- حذف رطوبت از طریق وارد کردن هوای خشک و تخلیه هوای مرطوب
- تغییر سرعت هوا بر روی حیوانات (هوا با سرعت بالاتر احساس خنکی بیشتر را به همراه دارد)
برای تأمین ملاحظات مربوطه در این پروژه، بهکارگیری سیستم تهویه پیچیدهتر از نظر اقتصادی مقرونبهصرفه نخواهد بود. در این مورد، کنترل رطوبت و پاکسازی هوا اهمیت کمتری دارد.
مثال ۲- اتاق عمل بیمارستان: اتاق عمل بیمارستان از جمله کاربریهای بسیار مهم است و اغلب یک سیستم تهویه مطبوع بیمارستان جداگانه به آن اختصاص مییابد. نکاتی که باید در این کاربرد مورد توجه قرار گیرند عبارتاند از:
- گرمایش برای جلوگیری از ایجاد احساس سرما در اتاق عمل
- سرمایش برای جلوگیری از گرم شدن محیط برای اعضای تیم جراحی
- کنترل دما بین ۱۸ تا ۲۷ درجه سانتیگراد
- رطوبتزنی برای جلوگیری از کاهش بیشازحد رطوبت و احتمال ایجاد جرقه به دلیل الکتریسیته ساکن
- رطوبتگیری برای به حداقل رساندن احتمال رشد کپک و قارچ و افزایش راحتی تیم جراحی
- تمیز کردن هوای ورودی با فیلتر راندمان بالا برای حذف تمامی ذرات معلق موجود در هوا
- تهویه برای حذف آلایندههای هوا و حفظ تازگی هوای داخل
- ایجاد جریان مداوم هوا از دریچههای موجود در بالای سر بیمار تا نزدیک کف، برای به حداقل رساندن آلودگی در اتاق عمل
تأمین شرایط یادشده نیازمند یک سیستم تهویه مطبوع کامل است.
مثال ۳- ذخیرهسازی مواد غذایی منجمد: دمای ایدهآل برای ذخیرهسازی طولانیمدت مواد غذایی با یکدیگر متفاوت است. برای مثال، بستنی به دمای پایینتر از ۲۵- و گوشت به دمای پایینتر از ۲۰- نیاز دارد. در اینجا هدف از طراحی، دقت در تأمین و حفظ دمای مورد نظر است.
مثال ۴- حفظ آثار هنری ساختهشده از چوب و الیاف: در این محیط، هدف به حداقل رساندن احتمال رشد کپکها از یک سو و جلوگیری از خشک شدن بیشازحد هوا از سوی دیگر است که نیازمند کنترل دقیق رطوبت است. علاوه بر این، به حداقل رساندن انبساط و انقباض در نمونهها که میتواند در پی تغییرات رطوبت رخ دهد، اهمیت بسیاری دارد. یک چالش طراحی، حفظ رطوبت ثابت با دقت بالا، دمای ثابت قابل قبول و به حداقل رساندن تهویه مورد نیاز در سیستمی است که بهطور مداوم کار میکند. بنابراین در این کاربرد، کنترل رطوبت به عنوان اصلیترین شاخصه و کنترل دما به عنوان شاخصه بعدی مطرح است. دستیابی به وضعیت یادشده معمولاً نیازمند ارضای هر هفت فرآیند تهویه مطبوع است که اصطلاحاً به آن «تهویه مطبوع کامل» گفته میشود.
در ادامه به بررسی موارد پیچیدهتر در تهویه مطبوع برای راحتی افراد اشاره خواهیم کرد.
آسودگی بشر و محیط زیست
تا زمانی که عوامل مختلف مؤثر بر راحتی یک فرد مورد توجه قرار نگیرد، فراهم آوردن یک محیط راحت برای ساکنان به ظاهر هدف سادهای به نظر میآید. شکل ۱ سه گروه اصلی از عوامل مؤثر در آسایش حرارتی افراد را نشان میدهد. این عوامل عبارتاند از:
- ویژگیهای فضا
- ویژگیهای فردی
- پوشاک و فعالیتهای فردی
ویژگیهای فضا برای تأمین شرایط آسایش
همانطور که میبینیم، شش ویژگی فضا که بر آسایش مؤثرند شامل حرارت، کیفیت هوا، آکوستیک، روشنایی، شرایط فیزیکی و شرایط روانی هستند. از عوامل یادشده، تنها شرایط حرارتی و کیفیت هوا را میتوان مستقیماً توسط سیستم تهویه مطبوع کنترل کرد؛ برای مثال، انتخاب درست انتخاب هواساز نقش مهمی در کیفیت هوای فضاهای بزرگ دارد. وضعیت آکوستیکی (سروصدا) نیز ممکن است تا حدی تحت تأثیر عملکرد سیستم تهویه مطبوع قرار گیرد. مواردی مانند وضعیت روشنایی و معماری از دیگر عوامل دخیل به شمار میروند. عوامل روحی و روانی نیز مانند واکنش اجتماعی مردم نسبت به شرایط مختلف، بیشتر وابسته به رفتار ساکنان است تا طراحی فضا. در ادامه این بخش، شش جنبه یادشده از فضا و میزان تأثیرگذاری هر یک در دستیابی به شرایط آسایش را بهطور خلاصه بررسی میکنیم.
- شرایط حرارتی فقط شامل دما نیست. اگر سرعت هوا بسیار زیاد باشد، فضا سردتر به نظر میرسد. در صورت عدم حرکت هوا، فضای اتاق برای ساکنان حالت بسته و راکد دارد. سرعت هوا در فضایی که مجهز به سیستم مکانیکی است، تا حد زیادی در هنگام طراحی سیستم در نظر گرفته میشود. از سوی دیگر، فرض کنید شخصی کنار یک پنجره بزرگ بدون سایبان نشسته است. اگر دمای هوا ثابت بماند، هنگامی که خورشید به ساختمان میتابد احساس گرما و هنگامی که ابر خورشید را پنهان میکند احساس سرما ایجاد میشود. بنابراین ملاحظه میکنید که طراحی معماری بر آسایش حرارتی فضا تأثیر میگذارد و این تأثیر مستقل از دمای فضاست.
شکل ۱: مدل محیطی فردی
- بخشی از کیفیت هوای داخل متأثر از آلودگیهایی است که به واسطه حضور ساکنان در هوا ایجاد میشود. این آلودگی با ارسال هوای تازه به فضای داخل تا حدی کاهش مییابد و موجب رقیق شدن مقدار آلایندهها میشود. بهطور معمول در کاربریهایی مانند تئاتر یا سینما که تراکم افراد زیاد است، یا کاربریهایی مثل پختوپز که متناسب با نوع فعالیت سطح آلایندگی بیشتری دارند، نسبت به مکانهای اداری یا مسکونی به مقدار بسیار بیشتری هوای تازه نیاز است.
- محیط آکوستیک ممکن است به واسطه عواملی مانند سروصدای ناشی از عبور و مرور وسایل نقلیه، ساکنان دیگر، کارکرد تجهیزات و سیستم تهویه مطبوع تحت تأثیر قرار گیرد. در اینجا، طراحی سیستم تهویه مطبوع کاملاً وابسته به شرایط است. برای طراحی یک استودیوی ضبط صدا، طراح باید بسیار مراقب باشد که محیط را کاملاً ساکت طراحی کند؛ ولی برای طراحی یک محیط ریختهگری پرسروصدا هیچ اقدام خاصی در این زمینه لازم نیست.
- تأسیسات روشنایی نیز جزئیات طراحی سیستم تهویه مطبوع را تحت تأثیر قرار میدهد، چراکه گرما تولید میکنند. علاوه بر آن، وضعیت روشنایی در فضای داخل بر درک ساکنان از شرایط آسایش و راحتی محیط نیز مؤثر است. اگر تأسیسات روشنایی بیشازحد نورانی باشند، ساکنان ممکن است احساس ناراحتی کنند.
- جنبههای فیزیکی فضا که بر احساس راحتی ساکنان تأثیر میگذارد، شامل هر دو جنبه طراحی معماری و طراحی داخلی است. مواردی مانند راحتی صندلی، ارتفاع صفحهکلید کامپیوتر یا انعکاس صفحهنمایش کامپیوتر ربطی به چگونگی طراحی سیستم تهویه مطبوع ندارد، با این حال ممکن است بر درک کلی از راحتی فضا تأثیر داشته باشد.
- وضعیت روانی و تعامل بین افراد در فضا مربوط به مسائل طراحی نیست، اما میتواند تأثیر شگرفی بر احساس راحتی در فضای مورد مطالعه ایجاد کند.
ویژگیهای فردی که در آسایش تأثیر دارد
حال ویژگیهای فردی اشخاصی را که در یک فضا هستند در نظر میگیریم. هر فرد با خود سلامتی، آسیبپذیری و انتظاراتی را به همراه دارد. ممکن است سلامتی بالای آنها باعث شود که توجهی به سیستم تهویه مطبوع نداشته باشند. از طرف دیگر، بیمارانی که در اتاق انتظار یک دکتر هستند، میتوانند تأثیرپذیری بالایی از وضعیت هوای داخل اتاق انتظار داشته باشند.
سطح آسیبپذیری افراد هم میتواند متفاوت باشد. برای مثال، کف سرد نمیتواند یک فرد بالغ را که کفش به پا دارد تحت تأثیر قرار دهد، ولی کودکی که هنوز چهاردستوپا راه میرود بهراحتی میتواند تحت تأثیر قرار گیرد.
نتیجه آنکه، تأمین شرایط آسایش هر فرد با تأمین انتظارات خاص خود همراه است. انتظار ما از یک هتل مجلل، آسایش و راحتی بیشتر است. یا هنگامی که در تابستان وارد یک ساختمان مجهز به سیستم تهویه مطبوع میشویم، هوایی مطبوع را پیش روی خود انتظار داریم. انتظارات ممکن است بر اساس تجربه قبلی از فضا یا بر اساس درک بصری از آن باشد. برای مثال، هنگامی که وارد رختکن ورزشگاه میشویم، انتظار بوی ناخوشایندی داریم و این پیشداوری ما را در مواجهه با شرایط فضای داخل بردبارتر میکند.
پوشاک و فعالیت به عنوان یک عامل فردی در راحتی
گروه سوم از عوامل مؤثر بر راحتی افراد، حجم لباس و سطح فعالیت آنهاست. لباس سبک نیازمند محیط گرمتر نسبت به لباس سنگین است. به همین ترتیب، زمانی که ما درگیر فعالیتهای شدیدتری هستیم، بدن ما حرارت قابلتوجهی تولید میکند و به همین دلیل در دمای پایینتر هم احساس خوبی داریم.
در فصل تابستان، در بسیاری از ساختمانهای تجاری، مدیران پیراهن و کت میپوشند در حالی که کارمندان ممکن است با لباسی سبکتر حضور داشته باشند. به این ترتیب، همان فضا از نظر حرارتی برای یک گروه راحت و برای گروهی دیگر ناراحتکننده است؛ چنین تفاوتهایی نشان میدهد که در طراحی نهایی سیستم، عملکرد دقیق تجهیزاتی مانند فن کویل و رعایت اصول نصب و راهاندازی فن کویل و همچنین هواساز برای تأمین آسایش گروههای مختلف در یک فضای مشترک اهمیت زیادی دارد؛ نمونه این تعامل را میتوانید در مقاله بررسی تهویه هوای ساختمان نیز مطالعه کنید.
