انتخاب بویلر ساختمان مسکونی

انتخاب بویلر ساختمان مسکونی یکی از مهم‌ترین بخش‌های محاسبه و طراحی موتورخانه گرمایشی ساختمان‌های مسکونی است. در این مقاله پارامترهای تاثیرگذار در تعیین سایز انواع بویلر و همچنین جداول لازم برای این محاسبات به‌طور دقیق بررسی می‌شود. اصول کلی این محاسبه با انتخاب بویلر در پروژه‌های دیگر، از جمله انتخاب بویلر برای چیلر جذبی یا انتخاب بویلر برای هتل، تفاوت چندانی ندارد و فقط بارهای حرارتی و ضرایب مصرف متفاوت خواهد بود.

گرمایش ساختمان

برای انتخاب تجهیزات گرمایشی، سرمایشی و تهویه مطبوع یک ساختمان، باید ابتدا بارهای حرارتی مجموعه محاسبه شود.

موقعیت جغرافیایی، معماری بنا و رفتار ساکنین تاثیر زیادی روی میزان بار حرارتی دارند؛ برای مثال دمای آسایش افراد یا باز و بسته نگه‌داشتن پنجره‌ها می‌تواند مصرف انرژی ساختمان را چندین برابر تغییر دهد.

نرم‌افزارهای زیادی برای این محاسبات وجود دارد، اما نتایج آن‌ها گاهی با میزان واقعی مصرف ساختمان تفاوت دارد.

در ادامه، روش محاسبه بار گرمایشی موردنیاز یک ساختمان بررسی می‌شود و در پایان، با تحلیل نتایج، به انتخاب بویلر ساختمان مسکونی مناسب می‌پردازیم.

شرایط طرح

سازه

برای بررسی اتلافات حرارتی، ابتدا باید جنس و ضخامت لایه‌های دیواره سازه مشخص شود. جهت تابش نور خورشید و بار نفوذ از پنجره‌ها نیز در این محاسبه تاثیرگذارند؛ هرچه سطح پنجره‌های ساختمان بیشتر باشد، به دلیل بالا بودن ضریب انتقال حرارت شیشه، تلفات هم بیشتر می‌شود. به همین دلیل، نقشه معماری و سازه باید از ابتدا در دسترس باشد.

انتقال حرارت هدایتی از جدار ساده

جداره‌های ساختمان بسته به اختلاف دمای داخل و خارج، همواره مقداری حرارت منتقل می‌کنند. مقدار این انتقال برای یک جدار ساده از رابطه زیر به دست می‌آید.

انتقال حرارت از جدار مرکب

جداره‌های ساختمان معمولاً از لایه‌های آجر، سنگ، گچ و بلوک ساخته می‌شوند. در یک دیوار مرکب، مقاومت حرارتی کل از جمع مقاومت تک‌تک لایه‌ها به دست می‌آید.

در هر ساختمان، به ازای هر دیواری که با محیط بیرون در تبادل گرمایی است، تلفات باید محاسبه شود؛ مقدار کل تلفات، مجموع تلفات دیوارهای شمالی، جنوبی، شرقی و غربی است.

ضریب انتقال حرارت (U) برای جنس دیوار بیشتر ساختمان‌ها در دسترس است؛ برای ساختمان‌های غیرمعمول نیز از طریق ضریب هدایت گرمایی (K) و ضخامت هر لایه دیوار قابل محاسبه است. در عمل نیازی به این محاسبه نیست و می‌توان مستقیماً از جدول ۳ استفاده کرد.

شرایط محیطی

شرایط محیطی در انتخاب بویلر ساختمان مسکونی تاثیر زیادی دارد و تمام پارامترهای محیطی باید در محاسبه سایز دیگ لحاظ شوند.

دما

اختلاف دمای داخل و خارج ساختمان، علت اصلی اتلاف حرارت در ماه‌های سرد سال است؛ هرچه این اختلاف بیشتر باشد، تلفات هم بالاتر می‌رود. دمای داخل بیشتر ساختمان‌ها ثابت است، چون توسط ساکنین کنترل می‌شود؛ بنابراین اتلاف حرارت زمانی رخ می‌دهد که هوای بیرون سردتر باشد.

دمای طرح خارج

به میانگین حداقل دمای هوای خارج در زمستان یا حداکثر دمای هوای خارج در تابستان، که سازمان هواشناسی طی چند سال ثبت کرده است، دمای طرح خارج گفته می‌شود.

دمای طرح داخل

شرایط طرح داخل از نظر دما و رطوبت نسبی، در ساختمان‌های تجاری و مسکونی بر پایه شرایط آسایش انسان و در کارخانجات بر اساس شرایط کاری تنظیم می‌شود. این دماها در جدول ۱ آمده است.

جدول 1 شرایط طرح هوای داخل

باد

باد دلیل دوم اتلاف حرارت در طول فصول سرد است. بادهای تندی که در شب­های سرد می­وزد سبب تشدید تلفات می­شود. در واقع، سالانه یک سوم از انرژی گرمایی برای جبران سرمای ناشی از نفوذ هوا صرف می­شود. حال اگر پنجره­ ها نیز در جهات نامناسب طراحی شود خود عامل اصلی افت حرارت در فصل پاییز و زمستان است.

میزان رطوبت

رطوبت نسبی در چگونگی کیفیت هوا و احساس راحتی افراد نقش به سزایی دارد. برای آسایش انسان باید بین دما و رطوبت ارتباط مناسبی برقرار شود به­ طوری که با افزایش دمای خشک، رطوبت باید کاهش یابد و بالعکس. سطح رطوبت بسیار پایین (رطویت نسبی کمتر از 20%) باعث سوزش گلو و خشک شدن بینی در بسیاری از افراد می ­شود.

سطح رطوبت بسیار بالا (رطوبت نسبی بیش از 60%) نیز ناراحت­ کننده می ­باشد، زیرا تعریق بدن محدود می شود.

جدول 2 شرایط طرح داخل زمستانی بر اساس دما و رطوبت مناسب

تاثیر عایقکاری در پیشگیری از اتلاف حرارتی

عایقکاری نقش بسیار مهمی در حفظ انرژی داخلی یک ساختمان دارد. به کمک عایقکاری می­توان یک خانه را در زمستان پنج درجه گرمتر و در تابستان 10 درجه سانتی گراد خنک­ تر نگه داشت. به این ترتیب علاوه بر کم شدن مصرف انرژی، از آلودگی محیط زیست نیز کاسته می­شود و منابع انرژی برای استفاده آیندگان حفظ می شود.

فاکتور مهم در انتخاب عایق ­ها، میزان مقاومت حرارتی آن­ها است. هر قدر این مقاومت بالاتر باشد، عایق حرارت را کمتر از خود عبور می­دهد و صرفه­ جویی ­ای که به همراه دارد افزایش می ­یابد. پس به جای ضخامت عایق­ها، باید مقاومت حرارتی آن­ها با هم مقایسه شود. عایق­ های گوناگون با مقاومت­ های حرارتی برابر، از نظر میزان صرفه­ جویی در انرژی همانند هم هستند و تنها اختلاف آن­ها در قیمت و محل کاربرد است.

به تازگی استفاده از مصالحی که نقش عایق را ایفا می­ کنند، در کشور ما نیز آغاز شده است. این مصالح از تشعشع حرارتی و صدا جلوگیری می­کند.

محاسبات

بررسی بارهای حرارتی در ساختمان برای تعیین تجهیزات موتورخانه، لوله­ کشی­ ها و … از مهم­ترین بخش­های طراحی در فاز صفر پروژه می­باشد. اگر ساختمانی درست طراحی گردد تا حد زیادی می­تواند در انتخاب بویلر ساختمان مسکونی تجهیزات و مصرف انرژی و هزینه ­ها صرفه ­جویی شود.

آب و هوا، رطوبت و درجه حرارت محلی و جهت و ارتفاع ساختمان نیز در محاسبات باید در نظر گرفته شود تا بتوان نوع تجهیزات را انتخاب کرد.

اتلاف سطحی Q1

• تلفات حرارتی سطحی از دیواره ­ها
• تلفات حرارتی سطحی از کف و سقف
• تلفات حرارتی سطحی از پنجره­ ها و درب

تلفات بار نفوذی Q2

بار حرارتی ناشی از آب گرم مصرفی Q3

به طور معمول، بار گرمایشی با توجه به میزان حرارت مورد نیاز در شب­های زمستان محاسبه می­ گردد. بنابراین در تعیین بار گرمایشی، از منابع تولید حرارت داخلی مانند چراغ­ها، لوازم خانگی، ماشین­ آلات و ساکنان چشم­ پوشی می­ شود (حرارت اضافی به عنوان ضریب اطمینان در نظر گرفته می ­شود).

گام اول: محاسبه اتلافات سطحی (Q1)

فرمول اصلی تلفات از جداره در زیر آورده شده:

جدول 3 ضریب انتقال حرارت انواع دیوار

اتلاف حرارتی از سقف

جریان حرارت از جدار یک سقف مانند دیوار بوده، با استفاده از جدول 5 مقدار ضریب انتقال حرارت میزان تلفات سقف را به دست آورده و افت آن محاسبه می­شود. توجه کنید در ساختمان­ های چند طبقه بین طبقات اتلافات صفر است و صرفا طبقه نهایی در محاسبات وارد می­شود.

جدول 5 ضریب انتقال حرارت از سقف­ ها

اتلاف حرارتی از کف و دیوارهای متصل به زمین

در ساختمان­ها معمولا حرارتی که از کف تلف می­شود نسبت به سایر ضلع­های ساختمان کمتر است چرا که زمین به عنوان یک جسم بینهایت دارای دمایی بیشتر از هوای اطرافش است. به همین خاطر در جداول دمایی را برای طراحی زمین در مناطق سردسیر، معتدل و گرمسیر آورده ­اند که می­توان در محاسبات برای کف از آن­ها استفاده کرد.

جدول 4 ضریب انتقال حرارت برای انواع در و پنجره

گام دوم: محاسبه تلفات نفوذی (Q2)

هدف از تهویه هوا جایگزینی آن با هوای تازه می­ باشد. چنین هوایی ممکن است به روش طبیعی از طریق باز و بسته شدن درب­ها و یا وسایل مکانیکی مانند فن­ها به بیرون صورت پذیرد.

در اثر نفوذ هوای سرد از در و پنجره­ ها مقداری گرما تلف می­شود که برای محاسبه آن در سیستم SI از رابطه زیر استفاده می­شود.

جدول 6: ضریب انتفال حرارت از کف

جدول 7 دفعات تعویض هوا در ساعت

لازم به ذکر است در انتخاب بویلر ساختمان مسکونی محاسبات مربوط به تلفات سطحی شرایط برای همه­ ی جداره ­ها صرف نظر از موقعیت آن­ها نسبت به جهت جغرافیایی یکسان در نظر گرفته شده است. در حالی که در واقعیت چنین نیست. به عنوان مثال جداره جنوبی ساختمان­ها به دلیل اینکه در معرض تابش آفتاب قرار دارند گرمتر از جداره ­های شمالی، شرقی و غربی می­ باشند و تلفات حرارتی کمتری خواهند داشت. همچنین طبقات بالاتر به دلیل افزایش سرعت هوا در ان طبقات، دارای تلفات بیشتری نسبت به اتاق­ های پایین­تر می باشند. برای لحاظ کردن این شرایط، ضرایب اضافی برای جهت و ارتفاع در محاسبات وارد می­شوند (طراحی محافظه­ کارانه) که در جدول زیر این ضرایب آورده شده است:

جدول 8 ضریب جهت

جدول 9 ضریب ارتفاع

گام سوم: محاسبه بار حرارتی آب گرم مصرفی (Q3)

در انتخاب بویلر ساختمان مسکونی برای محاسبه بار حرارتی که به منظور تامین آبگرم مصرفی ساختمان به بویلر تحمیل می­شود. لازم است ابتدا درجه حرارت و دبی آبگرم مصرفی تعیین شود.

دمای آب گرم بر حسب مورد مصرف آن متفاوت است. برای مثال دمای آب گرم برای مصارفی همچون توالت، دستشویی و ظرفشویی در ساختمان­های مسکونی بین 48-54 درجه سانتی گراد در نظر گرفته می­شود. این دما برای ماشین­ هایی که کار بخصوصی انجام می­دهند بر حسب نوع کار متفاوت است، دستگاه­ هایی مانند ماشین ظرفشویی یا رخت­شویی با آبگرمی که دمای بیشتری دارد کار می­کند. در بعضی صنایع لازم است بالاترین دمای ممکن در فشار اتمسفر، برای آبگرم مصرفی در نظر گرفت. البته با بالا رفتن دمای آبگرم، میزان تلفات حرارتی از لوله­ های حامل آن بیشتر می­شود که این خود می­تواند عامل محدودکننده­ای در بالا بردن دمای آبگرم باشد. به این دلیل اصولا دمای بیش از 70 درجه سانتی گراد برای آب گرم مصرفی به کار نمی­رود مگر در موارد خاص. در محاسبات بار آب گرم مصرفی در ساختمان­های معمولی اغلب دمای آب ورودی را برابر دمای آب شهر و آب گرم مصرفی را بین 50-60 درجه سانتی گراد در نظر می­گیرند.

دبی آبگرم مصرفی

در انتخاب بویلر ساختمان مسکونی برای تعیین دبی آب مصرفی در ساختمان­های مختلف جداولی توسط انجمن­های مهندسین تاسیسات ارائه شده که استاندارد ایران برای مصرف داخلی کشور آن را بهینه سازی کرده است. جدول 10 و 11 میزان مصرف را بر حسب نوع ساختمان و مقدار لازم برای هر یک از ساکنین یا وسایل بهداشتی ارائه می­دهد.

ضریب تقاضا

میزان آب گرمی که در جداول برای مصارف مختلف پیشنهاد می­شود بر پایه حداکثر مقدار مصرف مستمر در تمام ساعات روز است. ولی بدیهی است که این میزان تقاضا در ساعات مختلف یکسان نیست. یعنی در ساعاتی به بیشترین مقدار و در ساعاتی حتی به صفر می­رسد. از طرف دیگر تمام لوازم بهداشتی همزمان استفاده نمی­شود؛ لذا محاسبات حجم منبع و قطر لوله ­ها با فرض مصرف حداکثر معقول به نظر نمی­رسد. از این رو در هر ردیف جدول 10 ضریبی به نام ضریب تقاضا آورده شده که با ضرب آن ها در میزان مصرف، مقدار منطقی مصرف آب گرم به دست می ­آید.

جدول 10 حداکثر مصرف آبگرم (gph)

جدول 11 آب گرم مصرفی برای هر نفر بر حسب نوع ساختمان

بار آب گرم مصرفی از دو روش زیر محاسبه می­شود:

از روش اول (از جدول 10) بر حسب مقدار مصرف تجهیزات داریم:

ضریب تقاضا x حداکثر مصرف آب گرم در ساعت به ازای هر واحد مصرف آپارتمان = q7

از روش دوم (از جدول 11) بر حسب تعداد نفرات و نوع ساختمان داریم:

ضریب تقاضا x حداکثر مصرف آب گرم در ساعت به ازای هر نفر x تعداد افراد = q7

پس از تعیین دبی آب گرم مصرفی، بار حرارتی آن از رابطه زیر به دست می­ آید:

گام چهارم: محاسبه ظرفیت بویلر

پس از انجام تمام محاسبات، بارهای حرارتی به‌دست‌آمده با هم جمع می‌شوند و با توجه به راندمان بویلر و ضریب اطمینان آن (برای جبران تلفات لوله‌کشی و عایق‌کاری)، ظرفیت نهایی دیگ مشخص می‌شود. بر اساس این ظرفیت می‌توان مدل مناسب را از کاتالوگ سازنده انتخاب کرد؛ اگر ظرفیت دقیق موردنیاز در کاتالوگ نبود، باید اولین ظرفیت بزرگ‌تر از آن انتخاب شود.

بهتر است به‌جای یک بویلر بزرگ، از چند بویلر هم‌ظرفیت (با یک واحد رزرو) استفاده شود تا در زمان تعمیر موتورخانه، نگهداری موتورخانه یا تغییر فصل موتورخانه، خروج یکی از آن‌ها از سرویس، تامین حرارت ساختمان را مختل نکند. جزئیات طرز کار موتورخانه و نقش مشعل گازی موتورخانه در این تامین حرارت، در مقالات مرتبط توضیح داده شده است.

باید توجه داشت که هیچ دیگ فولادی سه‌پاسی توان ایجاد راندمانی بالاتر از ۸۷٪ را ندارد؛ در صورت ادعای فروشنده مبنی بر راندمان بالاتر (حتی با ارائه مدرک)، این ادعا صرفاً بازی با فرمول‌های راندمان است و صحت علمی ندارد. برای موتورخانه‌های کوچک با ظرفیت محدود، همین اصل انتخاب و همین ضریب اطمینان صدق می‌کند.

تحریریه تیم خدمات فنی مهندسی به فیکس