گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع که به اختصار آن را HVAC می نامند، گستره وسیعی دارد. سیستم های تهویه مطبوع شامل دامنه بزرگی از ساده ترین بخاری های خانگی که برای گرمایش فضای خانه استفاده می شوند تا پیچیده ترین سیستم های تهویه مطبوع مورد استفاده در زیردریایی ها یا فضاپیما ها می باشد. تجهیزات سرمایشی می توانند شامل وسایل سرد کننده کوچک خانگی تا سرد کننده های بسیار بزرگ در فرآیند های صنعتی مختلف باشند.
با توجه به پیچیدگی تجهیزات یاد شده، طراحان تهویه مطبوع باید علاوه بر تنظیم دمای مناسب موارد دیگری را هم مد نظر داشته باشند. در این مقاله با مفاهیم پایه ای مؤثر در طراحی، راهبری سیستم و نگه داری از آن آشنا می شویم.
تاریخچه ای از تهویه مطبوع
در سال های دور، بشر برای ایجاد گرما از آتش استفاده می کرد. به این ترتیب، هوایی که به واسطه آتش گرم می شد، شرایط مناسب برای ساکنان را حاصل می نمود. پس از چندی، همگام با ساخت کوره های مرکزی با لوله بخار یا آب گرم، نیاز به تهویه جداگانه ملموس تر شد. در اواخر دهه 1880 طراحی های ساده و اولیه از سیستم های تهویه مطبوع پدیدار شد و در مناطق بسیاری مورد استفاده قرار گرفت.
در سال 1851 دکتر جان گری حق انحصاری 8080 آمریکا را برای ابداع یک دستگاه برودتی به خود اختصاص داد. در دهه 1880، این ماشین نقش خود را در امور صنعتی آغاز کرد. در ابتدا از این دستگاه بیشتر به دو منظور استفاده می شد: تهیه یخ و منجمد کردن گوشت برای جا به جایی آن. اما در دهه آغازین قرن بیستم، روش جدیدی برای خنک کردن ساختمان ها ابداع شد. سیستم سرمایش به کار رفته در بازار بورس نیویورک در سال 1902 یکی از اولین تجهیزات سرمایشی برای ساختمان ها به شمار می رفت که به آن «ایرکاندیشن» یا همان سیستم تهویه مطبوع می گفتند.
امروزه تهویه مطبوع معانی گسترده تری را نسبت به آن زمان در بر می گیرد و شامل کنترل عوامل زیر می شود:
- دما
- رطوبت
- تأمین هوای تازه
- پاک سازی آلاینده های هوا
- ایجاد جریان در یک محیط بسته
مرور تاریخچه تهویه مطبوع در حقیقت مروری بر سیر تکامل فنی و علمی در زمینه های 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 نام آوران این عرصه، ما را به دانش امروز رسانده اند. فناوری تهویه مطبوع از سال 1900 با ایجاد ارتباطی عمیق بین مباحث علمی و مباحث مهندسی رشد پیدا کرد. پیشرفت های حاصل شده در علوم مختلفی مانند ترمودینامیک، مکانیک سیالات، الکتریسیته، الکترونیک، سازه، مهندسی مواد، دارو سازی و تجهیزات کنترلی در واقع سنگ بنای تهویه مطبوع هستند.
تهویه مطبوع در سیر تکاملی خود، با نیم نگاهی به تمامی موارد زیر گسترش یافته است:
- توسعه فنی و کاربردی، مانند یخچال هایی که برای نگه داری غذا کاربرد دارند.
- ملاحظات اقتصادی، که بعد از بحران انرژی سال 1973 پر رنگ تر شد.
- توسعه فناوری های رایانه ای و علوم مرتبط با شبکه، که برای کنترل سیستم های بزرگ و پیچیده استفاده می شد.
- یافته های پزشکی، مانند اثراتی که استعمال دخانیات و دود آن ها حتی بر افرادی که خود از این مواد استفاده نمی کنند بر جای می گذارد.
گستره تهویه مطبوع در دنیای امروز
تقریبا می توان گفت که استفاده از سیستم تهویه مطبوع در دنیای امروز تبدیل به یک ضرورت شده است. با وجود رشد بسیار زیاد در زمینه های مختلف تهویه مطبوع، هنوز هم زمینه های کاری و تحقیقاتی در آن به وفور دیده می شود.
کیفیت هوای داخل در مکان هایی که ما در آن ها فعالیت داریم تأثیر مستقیمی بر احساس آسایش و سلامت ما دارد. در اغلب کشور ها، کیفیت پایین هوای داخل در ساختمان ها و مکان های محبوس مانند هواپیما ها باعث ایجاد نارضایتی یا رشد ناراحتی های تنفسی می شود. از این رو، تأمین کیفیت مطلوب هوای داخل به عنوان یکی از زمینه های علمی و مهندسی مهم در این زمینه مطرح است.
در سال های اخیر مسائلی مانند انتشار بی رویه گازهای گلخانه ای و تخریب لایه ازن که در واقع تخریب لایه محافظ کره زمین است، نگرانی های مختلفی را برای پژوهشگران ایجاد نموده است. در همین راستا، قوانین و دستورالعمل های جدیدی تدوین و ابلاغ شده اند که به موجب آن گزینه های پیشنهادی و تشویقی مانند بازیافت انرژی، استفاده از انرژی های نو، کاهش تلفات انرژی و استفاده از مواد با سطح آلایندگی کمتر در دستور کار قرار گرفته است. همه این مسائل تأثیر قابل توجهی در طراحی ساختمان، از جمله سیستم های تهویه مطبوع و آیین نامه های مرتبط با طراحی سیستم های تهویه مطبوع دارند.
صرفه جویی در مصرف انرژی و حفظ منابع آن یکی از چالش های دنیای امروز است و مواردی مانند پیدا کردن راه کار های جدید برای کاهش مصرف در ساختمان های تازه ساز و ساختمان های موجود، بی آن که لطمه ای به کیفیت هوای داخل وارد شود از جمله موارد مهم به شمار می رود. البته صرفه جویی در مصرف انرژی، نیازمند تعامل همه جانبه بین افراد و سازمان های مختلف است.
به عنوان مثال، تأسیسات روشنایی علاوه بر نور، گرما نیز تولید می کنند. 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 می شود. بر عکس، هنگامی که سیستم گرمایشی در حال کار باشد، حرارت تولید شده ناشی از کارکرد تأسیسات روشنایی، بار سیستم را کاهش می دهد. 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 2004-1، 90ASHRAE تحت عنوان «استاندارد های انرژِی برای ساختمان ها به غیر از ساختمان های مسکونی کوتاه مرتبه» را تدوین نمایند.
مقدمه ای بر فرآیندهای تهویه مطبوع
همان طور که پیش از این اشاره شد، در حال حاضر اصطلاح «تهویه مطبوع» به معنی گستره وسیعی شامل کنترل دما، کنترل رطوبت، تأمین هوای تازه، پالایش ذرات موجود در هوا و جریان هوا در یک فضای بسته است. هفت فرآیند اصلی مورد نیاز برای دست یابی به بالاترین بهره وری در فرآیندهای تهویه مطبوع در ادامه این بخش توضیح داده شده است.
فرآیندهای یاد شده عبارتند از:
- گرمایش: فرآیند افزودن انرژی حرارتی یا افزایش گرما به فضای مورد نظر، به هدف بالا بردن یا حفظ دما
- سرمایش: فرآیند کاهش انرژِی حرارتی یا کاهش گرما از فضای مورد نظر، به هدف پایین آوردن یا حفظ دما
- رطوبت زنی: فرآیند افزودن بخار آب به هوا به منظور افزایش یا حفظ رطوبت هوا
- رطوبت گیری: فرآیند کاهش بخار آب هوا به منظور کاهش یا حفظ رطوبت هوا
- پاک سازی هوا: فرآِیند از بین بردن ذرات معلق و آلاینده های بیولوژِیکی از هوا با هدف بهبود یا حفظ کیفیت هوا
- تهویه: تبادل هوای خارج و فضای مطبوع به منظور رقیق کردن آلاینده های گازی در هوا و بهبود یا حفظ کیفیت، ترکیب و تأمین طراوت هوا؛ تهویه می تواند هم به صورت تهویه طبیعی یا تهویه مکانیکی انجام شود. تهویه طبیعی مانند هنگامی است که برای استفاده از هوای تازه، پنجره ای را باز می کنیم. در تهویه مکانیکی می توان 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 فضا های ساختمان به منظور دست یابی به تهویه مناسب و تسهیل انتقال انرژِی حرارتی است.
لازم به ذکر است که الزامات و اهمیت هریک از هفت فرآیند یاد شده با یکدیگر متفاوت است.
در مناطقی که هوا در تمام سال گرم است، ممکن است گرمایش هرگز نیاز نباشد. بر عکس، در آب و هوای سرد ممکن است دوره گرما در فصل تابستان آن قدر کم باشد که ضرورتی برای سرمایش نباشد. جهت کنترل رطوبت در آب و هوای گرم و خشک، رطوبت گیری کاهش می یابد ولی در آب و هوای گرم و مرطوب ممکن است سیستم تهویه مطبوع اصلی ترین نقش را در تأمین شرایط آسایش افراد در داخل ساختمان داشته باشد.
استفاده از تهویه مطبوع
منظور از تهویه مطبوع در کاربردهای مختلف متفاوت است، از این رو بهتر است که برای درک صحیح مفهوم آن به کاربرد مورد نظر نیز توجه داشته باشیم. برای مثال یک واحد تهویه مطبوع پنجره ای را در نظر بگیرید. این دستگاه اغلب به منظور تأمین سرمایش مورد نیاز به کار گرفته می شود. در برخی موارد نیز می تواند به عنوان دستگاهی برای تهویه یا کاهش رطوبت استفاده گردد ولی نمی تواند ایجاد گرما یا تولید رطوبت کند.
در اقلیم هایی که آب و هوای سرد تری دارند، گرمای مورد نیاز اغلب از یک سیستم جداگانه تأمین می شود. فرآِیند های دیگری مانند سرمایش، رطوبت زنی، رطوبت گیری، پاک سازی هوا، تهویه و جریان هوا نیز می تواند توسط سیستم تهویه مطبوع تأمین شود. یادآور می شود که هر دو سیستم گرمایش و سیستم تهویه یاد شده با هم «سیستم تهویه مطبوع» را تشکیل می دهند.
هدف از به کارگیری سیستم تهویه مطبوع
قبل از شروع به طراحی یک سیستم، بسیار مهم است که بدانیم هدف از طراحی سیستم چیست؟ اغلب، هدف ایجاد یک محیط راحت برای ساکنان است. البته بسیاری از اهداف دیگر هم در این خصوص می تواند وجود داشته باشد. برای مثال می توان به کاربردهایی مانند ایجاد یک محیط مناسب برای نگه داری از حیوانات، تأمین شرایط مناسب در اتاق عمل یک بیمارستان، حفظ دما برای ذخیره سازی مواد غذایی منجمد یا حفظ دما و رطوبت برای نگه داری از لوازم چوبی و آثار هنری و با ارزش اشاره کرد. شرایط هرچه که باشد، مهم این است که معیار های عینی برای کارکرد مطلوب سیستم به وضوح در آغاز پروژه شناسایی شده باشد، زیرا نیاز های متفاوت به منزله ملاحضات مختلف و در نهایت تغییر در طرح اولیه و نهایی است. در ادامه این بخش به اختصار نگاهی به بررسی شرایط طراحی در چند کاربرد مختلف برای سیستم های تهویه مطبوع می اندازیم.
مثال 1- 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 آیین نامه ها و قوانین مرتبط است. فضایی که برای نگه داری از حیوانات اهلی به کار گرفته می شود همواره نیازمند تهویه است. متناسب با نوع آب و هوا، وضعیت دمایی نیز ممکن است توسط یک ترموستات ساده کنترل شود. ضمن آن که وضعیت جریان هوا و سرعت تهویه نیز می تواند به دلایل زیر متفاوت باشد:
- حفظ کیفیت هوای داخل از طریق حذف گاز های آلاینده و بوهای نامطبوع
- نگه داری 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، به کارگیری سیستم تهویه پیچیده تر از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نخواهد بود. در این مورد، کنترل رطوبت و پاک سازی هوا درجه اهمیت کمتری دارد.
مثال 2- اتاق عمل بیمارستان: اتاق عمل بیمارستان از جمله کاربری های بسیار مهم است و اغلب یک سیستم تهویه مطبوع بیمارستان جداگانه به آن اختصاص داده می شود. نکاتی که باید در این کاربرد مورد توجه قرار گیرند عبارتند 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 18 تا 27
- رطوبت زنی برای جلوگیری از کاهش بیش از حد رطوبت و احتمال ایجاد جرقه به دلیل الکتریسیته ساکن
- رطوبت گیری 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 آلاینده های هوا و حفظ تازگی هوای داخل
- ایجاد جریان مداوم هوا از دریچه های موجود در بالای سر بیمار به نزدیک کف برای به حداقل رساندن آلودگی در اتاق عمل
تأمین شرایط یاد شده نیازمند یک سیستم تهویه مطبوع کامل است.
مثال 3- ذخیره سازی مواد غذایی منجمد: دمای ایده آل برای ذخیره سازی طولانی مواد غذایی با یکدیگر متفاوت است. برای مثال بستنی به دمای پایین تر از 25- و گوشت به دمای پایین تر از 20- نیاز دارد. در این جا هدف از طراحی، دقت در تأمین و حفظ دمای مورد نظر است.
مثال 4- حفظ آثار هنری ساخته شده از چوب و الیاف: در این محیط هدف به حداقل رساندن احتمال رشد کپک ها از یک سو و جلوگیری از خشک شدن بیش از حد هوا از سوی دیگر است که نیازمند کنترل دقیق رطوبت می باشد. علاوه بر این، به حداقل رساندن انبساط و انقباض در نمونه ها که می تواند 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 یک سیستم است که به طور مداوم کار می کند. بنابراین در این کاربرد، کنترل رطوبت به عنوان اصلی ترین شاخصه و کنترل دما به عنوان شاخصه بعدی مطرح است. دست یابی به وضعیت یاد شده معمولاً نیازمند ارضای هر هفت فرآیند تهویه مطبوع است که اصطلاحاً به آن «تهویه مطبوع کامل» گفته می شود.
در ادامه به بررسی موارد پیچیده تر در تهویه مطبوع برای راحتی افراد اشاره خواهیم کرد.
آسودگی بشر و محیط زیست
تا زمانی که در نظر گرفتن عوامل مختلف که راحتی یک فرد را تحت تأثیر قرار می دهد مورد توجه قرار نگیرد، فراهم آوردن یک محیط راحت برای ساکنان به ظاهر هدف ساده ای به نظر می آید. شکل 1 سه گروه اصلی از عوامل مؤثر در آسایش حرارتی افراد را نشان می دهد. این عوامل عبارتند از:
- ویژگی های فضا
- ویژگی های فردی
- پوشاک و فعالیت های فردی
ویژگی های فضا برای تأمین شرایط آسایش
همان طور که می بینیم، شش ویژگی فضا که بر آسایش مؤثرند شامل حرارت، کیفیت هوا، آکوستیک، روشنایی، شرایط فیزیکی و شرایط روانی هستند. از عوامل یاد شده، تنها شرایط حرارتی و کیفیت هوا را می توان به طور مستقیم توسط سیستم تهویه مطبوع کنترل کرد. البته وضعیت آکوستیکی (سر و صدا) 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 می روند. عوامل روحی و روانی نیز مانند عکس العمل اجتماعی مردم نسبت به شرایط مختلف، بیشتر وابسته به رفتار ساکنان است تا طراحی فضا. در ادامه این بخش، شش جنبه یاد شده از فضا و میزان تأثیر گذاری هر یک از آن ها در دست یابی به شرایط آسایش را به طور خلاصه بررسی می کنیم.
- شرایط حرارتی فقط شامل دما نیست. اگر سرعت هوا بسیار زیاد باشد، فضا سرد تر به نظر می رسد. 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 می شود. از سوی دیگر، فرض کنید که شخصی کنار یک پنجره بزرگ بدون سایبان نشسته است. اگر دمای هوا ثابت باقی بماند، هنگامی که خورشید به ساختمان می تابد احساس گرما و هنگامی که ابر خورشید را پنهان می کند احساس سرما ایجاد می شود. بنابراین ملاحظه می کنید که طراحی معماری بر آسایش حرارتی فضا تأثیر می گذارد و البته این تأثیر مستقل از دمای فضا است.
شکل 1 : مدل محیطی فردی
- بخشی از کیفیت هوای داخل متأثر از آلودگی هایی است که به واسطه حضور ساکنان در هوا ایجاد می شود. این آلودگی، با ارسال هوای تازه بیرون به فضای داخل تا حدی کاهش یافته و موجب رقیق شدن مقدار آلاینده ها می شود. به طور معمول در کاربری هایی مانند تئاتر یا سینما که تراکم افراد زیاد است یا کاربری هایی مثل پخت و پز که متناسب با نوع فعالیت، سطح آلایندگی بیشتری دارند، نسبت به مکان های اداری یا مسکونی به مقدار بسیار بیشتری هوای تازه نیاز است.
- محیط آکوستیک ممکن است به واسطه عواملی مانند سر و صدای ناشی از عبور و مرور وسایل نقلیه، ساکنان دیگر، کارکرد تجهیزات و سیستم تهویه مطبوع تحت تأثیر قرار گیرد. در این جا، طراحی سیستم تهویه مطبوع کاملا وابسته به شرایط است. برای طراحی یک استودیوی ضبط صدا، طراح باید بسیار مراقب باشد که محیط را کاملا ساکت طراحی کند ولی برای طراحی یک محیط ریخته گری پر سر و صدا هیچ اقدامات خاصی در این زمینه نیاز نیست.
- تأسیسات روشنایی نیز جزئیات طراحی سیستم تهویه مطبوع را تحت تأثیر قرار می دهد، چرا که تاسیسات روشنایی گرما ایجاد می کنند. علاوه بر آن، وضعیت روشنایی در فضای داخل، بر درک ساکنان از شرایط آسایش و راحتی محیط نیز مؤثر است. اگر تاسیسات روشنایی بیش از حد نورانی باشند، ساکنان ممکن است احساس ناراحتی کنند.
- جنبه های فیزیکی فضا که بر احساس راحتی ساکنان تاثیر می گذارد، شامل هر دو جنبه طراحی معماری و طراحی داخلی است. مواردی مانند راحتی صندلی، ارتفاع صفحه کلید کامپیوتر یا انعکاس صفحه نمایش کامپیوتر ربطی به چگونگی طراحی سیستم تهویه مطبوع ندارد، با این حال ممکن است بر درک کلی از راحتی فضا تاثیر داشته باشد.
- وضعیت روانی و تعامل بین افراد در فضا مربوط به مسائل طراحی نیست اما می تواند تاثیر شگرفی بر احساس راحتی در فضای مورد مطالعه ایجاد کند.
ویژگی های فردی که در آسایش تاثیر دارد
حال ویژگی های فردی اشخاصی را که در یک فضا هستند در نظر می گیریم. هر فرد با خود سلامتی، آسیب پذیری و انتظاراتی را به همراه دارد. ممکن است سلامتی بالای آن ها باعث شود که توجهی به سیستم تهویه مطبوع نداشته باشند. از طرف دیگر، بیمارانی که در اتاق انتظار یک دکتر هستند، می توانند تاثیرپذیری بالایی از وضعیت هوای داخل اتاق انتظار داشته باشند.
سطح آسیب پذیری افراد هم می تواند متفاوت باشد. به عنوان مثال، کف سرد نمی تواند یک فرد بالغ را که کفش به پا دارد تحت تاثیر قرار دهد ولی کودکی که هنوز چهار دست و پا راه می رود به راحتی می تواند تحت تاثیر قرار گیرد.
نتیجه آن که، تامین شرایط آسایش هر فرد با تامین 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 می شویم، 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. به عنوان مثال، هنگامی که وارد رختکن ورزشگاه می شویم، انتظار بوی ناخوشایندی داریم و این پیش داوری ما را در مواجهه با شرایط فضای داخل بردبارتر می کند.
پوشاک و فعالیت به عنوان یک عامل فردی در راحتی
گروه سوم از عوامل موثر بر راحتی افراد، حجم لباس و سطح فعالیت آن هاست. لباس سبک نیازمند محیط گرم تر نسبت به لباس سنگین است. به همین ترتیب، زمانی که ما درگیر فعالیت های شدیدتری هستیم، بدن ما حرارت قابل توجهی را تولید می کند و به همین دلیل در دمای پایین تر هم احساس خوبی داریم.
در فصل تابستان، در بسیاری از ساختمان های تجاری، مدیران پیراهن و کت می پوشند در حالی که کارمندان ممکن است با لباسی سبک تر حضور داشته باشند. به این ترتیب است که همان فضا از نظر حرارتی برای یک گروه راحت و گروهی دیگر ناراحت کننده است.
تحریریه تیم خدمات فنی مهندسی به فیکس