تهویه مطبوع چیست

 تهویه مطبوع شاخه ای از علم مهندسی مکانیک است و وظیفه آن ایجاد شرایطی است که در آن افراد در فعالیت و محیط زندگی خود احساس راحتی کنند.

و تغییرات دمایی مشکلی بر روند فعالیت صنعت گران در کارخانه ها و ساختمان های اداری ایجاد نکند. (به گونه ای که این فعالیت ها بدون توجه به شرایط آب و هوایی انجام شود)

تهویه مطبوع به اختصار HVAC می باشد که مخفف سه کلمه  Heating،Ventilation و Air Conditioning است که خود مخفف عبارت “heating, ventilation and air conditioning” است.

اهمیت تهویه مطبوع

امروزه با توجه به طولانی شدن عمر ماشین ها و افزایش آلاینده‌ها و ویروس های متعدد، سلامت محیط‌ زیست تاثیر زیادی بر زندگی انسان گذاشته و از اهمیت بالایی برخوردار است.

 بنابراین استفاده از تهویه مطبوع در ساختمان ها، محل های کار، مجتمع ها و .... می تواند تاثیر زیادی در بهبود سبک زندگی و سلامت افراد داشته باشد.

هدف از تهویه مطبوع

تهویه مطبوع این شرایط را به طرق مختلف برای افراد در محیط های مسکونی، صنعتی، تجاری، پزشکی و اداری بدون توجه به شرایط آب و هوایی فراهم می کند، از جمله:

• ایجاد هوای پاک و سالم
• کنترل سرعت باد و تصفیه هوا.
• کنترل رطوبت با مرطوب و خشک کردن
• کنترل دمای اتاق برای سرما و گرما
• ضدعفونی و ایزوله سازی هوا در محیط های پزشکی و بیمارستان ها

علاوه بر این، تهویه مطبوع نقش مهمی در ساختمان های مرتفع و محیط های دریایی مانند آکواریوم‌ها دارد، جایی که ایمنی و سلامت محیط اطراف به تغییرات دما و رطوبت بستگی دارد.

اصولاً طراحی سیستم HVAC زیرگروه اصلی مهندسی مکانیک است و بر اساس اصول ترمودینامیک، مکانیک سیالات و انتقال حرارت صورت میگیرد.

اجزای یک سیستم تهویه مطبوع

• پمپ ها: وظیفه حرکت سیال ها را دارند.
• مخازن انبساط: این مورد تنها در تمام سیستم های تهویه مطبوع آبی یافت می شود.
• فن ها و دمنده ها: فن ها و دمنده ها قلب تپنده این سیستم ها هستند که هوای سرد یا گرم را از طریق کویل ها حرکت می دهند.
• کویل ها: وظیفه تبادل حرارت در سیستم های سرمایش و گرمایش برعهده دارند
• مرطوب کننده ها: این دستگاه با خنک کردن هوا دمای آن را به زیر نقطه شبنم می رساند و رطوبت موجود در هوا به صورت قطرات کوچک از هوا خارج می شود

 havcچیست؟

همانطور که گفته شد، سیستم HVAC مختص گرمایش و سرمایش (تهویه مطبوع) است. بنابراین همانطور که از نام آن پیداست این سیستم از سه گروه گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع تشکیل شده است که در زیر به اختصار شرح می دهیم.

اولین بخش یک سیستم HVAC گرمایش است

 گرمایش فرآیندی است که هوای داخل ساختمان با استفاده از رادیاتور یا سیستم های تولید هوا گرم می شود.

همانطور که گفته شد قسمت دوم سیستم  HVAC، تهویه نام دارد.

 تهویه نیز فرآیندی است که طی آن هوای پاک در مجتمع باقی می ماند و هوای آلوده به بیرون منتقل می شود.

 لطفاً توجه داشته باشید که فرآیند تهویه معمولاً توسط سیستم های مکانیکی انجام می شود که شامل چندین فن هستند.

فن یک ماشین مکانیکی دوار است که در آن انرژی به دلیل حرکت دینامیکی بین ماشین و سیال منتقل می شود و در علم مکانیک و آیرودینامیک کاربرد زیادی دارد.

بخش سوم سیستم HVAC واحد تهویه مطبوع است. این سیستم دمای محیط را کاهش می دهد و وظیفه کنترل سطح رطوبت هوای اتاق را بر عهده دارد.

وظیفه اصلی سیستم تهویه مطبوع  تامین دمای حدود 75 درجه فارنهایت و رطوبت نسبی بین 40 تا 60 درصد است.

همچنین بر اساس استاندارد  ASHRAE62.0، دی اکسید کربن باید کمتر از 1000 PPM باشد.

بنابراین همانطور که گفته شد سیستم های تهویه مطبوع می توانند شامل طیف وسیعی از سیستم های تبرید خانگی تا سیستم های صنعتی بسیار بزرگ و پیچیده باشند.

طراحی یک سیستم تهویه مطبوع مناسب مستلزم استفاده از اصول ترمودینامیک، مکانیک سیالات و انتقال حرارت است.

همانطور که گفته شد، سیستم تهویه مطبوع زیرمجموعه یک سیستم HVAC است.

جعبه های بزرگی که در بالای ساختمان ها یا ادارات دیده می شوند نمونه هایی از سیستم های HVAC هستند. در واقع این قطعات قسمت های قابل مشاهده سیستم تهویه مطبوع هستند.

همانطور که گفته شد، سیستم های گرمایش و سرمایش موجود در منازل مسکونی نیز زیر مجموعه سیستم های HVAC هستند.

 این سیستم‌ها ممکن است با سیستم‌های HVAC بزرگ متفاوت باشند، اما از بسیاری جهات، مانند اصول طراحی، عملکرد و کارایی، دقیقاً مانند سیستم‌های HVAC تجاری بزرگ عمل می‌کنند.

انواع سیستم های تهویه مطبوع و  HVAC

انتخاب یک سیستم تهویه مطبوع مناسب که بتواند آرامش و راحتی را فراهم کند و انرژی اضافی زیادی مصرف نکند، بسیار مهم است.

در اینجا چند روش کامل برای انتخاب سیستم تهویه مطبوع و HVAC آورده شده است:

افرادی که در آب و هوای گرم یا سرد زندگی می کنند باید از سیستم های تک مرحله ای استفاده کنند. این سیستم ها فقط برای تولید سرما یا گرما طراحی شده اند.

این سیستم ها ارزان هستند و در تمام شرایط و حتی در مواقعی که نیازی به آنها نیست با تمام ظرفیت کار می کنند و این امر مصرف انرژی را به میزان بسیار زیادی افزایش می دهد.

همچنین نوع پیشرفته تری از سیستم های تهویه مطبوع وجود دارد که در آن از فن هایی با سرعت های مختلف برای کاهش مصرف انرژی استفاده می شود.

اما این نوع فن ها نسبت به سیستم های چند مرحله ای عملکرد و کارایی کمتری دارند و برای استفاده طولانی مدت سیستم ها، گران قیمت به حساب می آیند.

مدل سوم سیستم های تهویه مطبوع «سیستم های منطقه ای» هستند. از این سیستم ها برای گرم کردن و خنک کردن قسمت خاصی از خانه استفاده می شود.

مهندسان مکانیک این کار را با طراحی و قرار دادن دمپر ها در داخل شیر یا کانال انجام می دهند. این دمپرها این قابلیت را دارند که به صورت انتخابی جریان هوا را مسدود یا آزاد کنند.

این مدل از سیستم های تهویه مطبوع در واقع از گرمایش و سرمایش بخشی از خانه که هیچ کس نیست جلوگیری می کند و این یکی از با ارزش ترین ویژگی های این سیستم است.

نوع نهایی سیستم های تهویه مطبوع و HVAC سیستم هایی هستند که علاوه بر تعیین دما و ایجاد گرمایش و سرمایش در سیستم، رطوبت را نیز کنترل می کنند. در واقع این سیستم ها از مولدهای رطوبت و حذف کننده های دود نیز استفاده می کنند.

نحوه عملکرد سیستم های تهویه مطبوع و  HVAC

شکل زیر به طور اساسی و دقیق نحوه عملکرد یک سیستم HVAC را نشان می دهد. به خاطر داشته باشید که در سیستم های تهویه مطبوع معمولاً یک دستگاه تنظیم خودکار وجود دارد که تعیین می کند اتاق باید گرم یا سرد شود. به همین ترتیب این دستگاه وظیفه تعیین دمایی را که باید به دمای اتاق برسد بر عهده دارد.

 

نکته مهمی که در شکل بالا مشاهده می شود این است که سیستم فوق به گونه ای طراحی شده است که کویل های موجود در مجموعه قابلیت گرم یا سرد شدن را داشته باشند. توجه داشته باشید که طبق شکل کویل ها توسط بویلر گرم شده و توسط چیلر خنک می شوند.

اگر به شکل بالا دقت کنید متوجه می شوید که ابتدا هوا از بیرون وارد سیستم می شود و سپس از روی کویل(ها) عبور می کند و در نهایت پس از گرم یا سرد شدن به اتاق منتقل می شود.

به خاطر داشته باشید که وقتی هوا توسط سیستم HVAC و سیستم تهویه مطبوع به داخل اتاق کشیده می شود، مقداری از هوای اتاق از طریق یکی از خروجی ها به سیستم تهویه مطبوع بازگردانده می شود. در واقع با استفاده از این فرآیند، هوای اتاق با هوای تازه جایگزین می شود.

نوع دیگری از سیستم های تهویه مطبوع وجود دارد که سیستم های تهویه مطبوع کوچک هستند. نحوه عملکرد این سیستم به طور کلی بدین صورت است که ابتدا گرما از داخل یک اتاق جمع آوری می شود و سپس این گرما به خارج از اتاق منتقل می شود و در نتیجه این فرآیند دمای هوا در اتاق کاهش می یابد. این سیستم را می توان در مکان هایی مانند اتومبیل مشاهده کرد. مکانیسم کار این سیستم در شکل زیر به تفصیل نشان داده شده است.

 

مکانیسم بالا نشان می دهد که چگونه یک سیستم گرما را از یک اتاق دریافت می کند و سپس گرمای دریافتی را در یک مجموعه ذخیره می کند و در نهایت این گرما را به هوای خارج از اتاق منتقل می کند.

سیستم نشان داده شده در بالا از پنج قسمت مهم تشکیل شده است و برای اینکه این کل به درستی کار کند، باید تمام این پنج قسمت به درستی و با هماهنگی کار کنند.

شیر انبساط

این دستگاه در مسیر جریان سیال در سیستم محدودیت و توقف ایجاد می کند. نکته دیگر اینکه این دستگاه افت فشار زیادی را نیز در سیستم ایجاد می کند.

اواپراتور

این دستگاه حاوی مبردی است که با بهره برداری از تبخیر این مبرد، دستگاه قادر خواهد بود گرمای محیط را از بین ببرد. توجه داشته باشید که تبخیر یک فرآیند گرماگیر است. بنابراین، مبرد داخل اواپراتور در طول فرآیند تبخیر، گرما را از محیط می گیرد.

کمپرسور

کمپرسور در شکل ارائه شده بالا، قلب تپنده سیستم را تشکیل می دهد. کمپرسور در سیستم تهویه مطبوع نیرو و رانش تولید می کند و در نتیجه توسط این نیرو، مبرد در سیستم حرکت می کند.

کندانسور

همانطور که گفته شد گرمای اتاق توسط مبرد موجود در اواپراتور دریافت می شود. برای تکمیل چرخه نشان داده شده، مبرد تبخیر شده باید دوباره از طریق فرآیند تراکم به حالت مایع برگردد. این فرآیند در کندانسور انجام می شود.

نکته مهمی که باید در نظر داشت این است که فرآیند تراکم یک فرآیند گرمازا است. بنابراین در این فرآیند کندانسور به عنوان وسیله ای در نظر گرفته می شود که گرما را از مبرد به محیط خارجی منتقل می کند.

خشک کن

برای حفظ کیفیت هوای اتاق، محفظه ای حاوی فیلتر در اتاق قرار می گیرد که با آن می توان رطوبت اتاق را تنظیم کرد. توجه داشته باشید که وجود این مدل فیلتر برای فضای کوچک و بسته ضروری به نظر می رسد.

پمپ حرارتی

همانطور که می دانیم گرما معمولاً از یک جسم گرم به یک جسم سرد یا از یک محیط با دمای بالا به یک محیط با دمای پایین منتقل می شود. اما پمپ حرارتی دستگاهی است که مسیر حرکت گرما را ایجاد می کند

یونیت پشت بامی

"یونیت پشت بامی" یا پکیج سقفی کاربرد زیادی در علم تهویه مطبوع و صنایع وابسته دارد. توجه داشته باشید که این مجموعه به "انتقال هوا" نیز معروف است.

این مجموعه همانطور که از نامش پیداست از یک سیستم تهویه مطبوع بزرگ تشکیل شده و در پشت بام قرار گرفته است. هدف از طراحی چنین سیستمی تعدیل دمای یک اتاق بزرگ است.

همانطور که گفته شد، یونیت پشت بامی شامل یک جعبه بزرگ است که بر روی پشت بام یک اداره یا نوع دیگری از ساختمان قرار می گیرد. در داخل این جعبه قطعات مختلفی مانند فن، عناصر گرمایشی و سرمایشی، فیلترها، محفظه ها و دمپرها قرار دارد.

جعبه ارائه شده در بالا به کانال های سیستم تهویه ساختمان متصل می شود و به این ترتیب هوای تولید شده در کل ساختمان پخش می شود و در نهایت بسته به مدلی که از سیستم یونیت سقف استفاده می کند، هوا به سیستم باز می گردد و چرخه کامل می شود.

 شکل زیر نمای یک پکیج یونیت سقفی یا سیستم انتقال هوا را نشان می دهد.

پمپ حرارتی برای استفاده از مایعات داغ

پمپ های حرارتی که از مایعات داغ یا به طور کلی هر یک از پمپ های حرارتی زمین گرمایی استفاده می کنند، ابزاری برای تامین گرمایش و سرمایش پایدار هستند.

لطفاً توجه داشته باشید که امروزه استفاده از پمپ حرارتی که از مایعات داغ استفاده می‌کند رایج نیست و دلیل آن این است که این دستگاه باید در نزدیکی حجم بزرگی از آب قرار گیرد.

اما محبوبیت انواع سیستم های پمپ حرارتی منبع زمینی به سرعت در حال افزایش است. در واقع این سیستم یکی از سیستم های تولید انرژی پاک محسوب می شود و استفاده از آن کمک زیادی به محیط زیست می کند.

نکته مهمی که باید در نظر داشت این است که سیستم های پمپ حرارتی با استفاده از سیالات داغ با بهره گیری از دمای متعادل زمین، کارایی سیستم تهویه مطبوع و HVAC را بهبود می بخشد.

شکل زیر نمایی از یک سیستم پمپ حرارتی با استفاده از مایعات داغ را نشان می دهد.

مرحله بعدی در این سیستم ایجاد یک حفره در کنار سیستم HVAC است. بنابراین می توان آب های زیرزمینی سرد را منتقل کرد و علاوه بر آب مورد نیاز برای چرخه پمپ حرارتی، آب آشامیدنی را نیز تامین کرد.

بنابراین، آبی که از زمین بلند می شود، ابتدا فیلتر شده و سپس به مبدل حرارتی داده می شود. سپس این گرما از آب استخراج می شود و از این گرما برای بالا بردن دمای سیستم آب خانه استفاده می شود.

همانطور که گفته شد گرمایش و سرمایش و همچنین آب گرم مصرفی در ساختمان های مسکونی، اداری و تجاری با استفاده از سیستم پمپ حرارتی سیال گرم قابل تامین است.

شکل زیر نمای دیگری از یک سیستم زمین گرمایی را نشان می دهد که منبع تغذیه آن می تواند به صورت افقی یا عمودی در زمین باشد و یا این منبع را می توان رودخانه و مخزن آب نزدیک منطقه در نظر گرفت.

سیستم های تهویه مطبوع و پکیج های  HVAC

سیستم های تهویه مطبوع پکیجی اندکی شبیه به سیستم های یونیت پشت بام هستند، با این تفاوت که سیستم های تهویه مطبوع پکیجی برای مصارف خانگی طراحی شده اند.

سیستم های تهویه مطبوع مانند کولرهای پنجره‌ای و اسپلیت های کوچک برای خنک کردن اتاق‌های کوچک استفاده می‌شوند و جرمی در حدود پنج تن دارند.

 بر خلاف سیستم های تهویه مطبوع کوچک، سیستم های تهویه مطبوع مرکزی نیز وجود دارد، این سیستم ها برای اتاق های بزرگ طراحی شده اند و وزنی در حدود 20 تن دارند.

دو مدل مختلف از سیستم های تهویه مطبوع پکیجی

اولین نوع سیستم های تهویه مطبوع پکیجی «کندانسور آب خنک» هستند. همانطور که از نام این نوع سیستم تهویه مطبوع پیداست، این مدل، سیستمی است که تبرید و کندانسور آن با آب تامین می شود.

لطفا توجه داشته باشید که برای کارکرد این نوع سیستم تهویه مطبوع، آب باید به مقدار ثابت و کافی تامین شود.

نوع دیگری از سیستم تهویه مطبوع پکیجی وجود دارد که به عنوان سیستم تهویه مطبوع پکیجی کندانسوری هوا خنک شناخته می شود.

این نوع سیستم ها با هوای اتمسفر خنک می شوند، بنابراین جزء واحدهای بیرونی هستند و در محیط بیرون نصب می شوند.

این نوع سیستم های تهویه مطبوع از یک فن تشکیل شده اند که هوا را قبل از عبور از روی کویل های کندانسور به داخل اتاق می کشد.

این نوع سیستم تهویه مطبوع بسیار محبوبتر از نوع قبلی (آب خنک) است. در واقع در این نوع سیستم تهویه مطبوع به دلیل وجود جریان آب یکنواخت نیازی به برنامه ریزی دقیق و نگهداری دوره ای نیست. شکل زیر نمای این نوع سیستم را نشان می دهد.

نحوه قرارگیری اجزای مختلف این مجموعه در یک ساختمان نیز در شکل زیر نشان داده شده است.

همانطور که مشاهده می کنید این مجموعه در خارج از ساختمان قرار گرفته و جزو یونیت های بیرونی محسوب می شود. برای استفاده از این سیستم از کانال های خاصی استفاده شده است.

بنابراین این سامانه جزو سامانه های دارای کانال محسوب می شود.

تهویه مطبوع اسپلیت و سیستم HVAC 

سیستم "اسپلیت" حالتی است که در آن اجزای اصلی از یکدیگر جدا شده و در مکان های مختلف قرار دارند. در واقع نام اسپلیت در انگلیسی به معنای جدا نیز می باشد. بخشی از این سیستم شامل کندانسور و کمپرسور در خارج از اتاق، و قسمتی مانند فن و اواپراتور در داخل اتاق قرار می گیرد.

این نوع سیستم ها به دو دسته کلی تقسیم می شوند. دسته اول «مینی اسپلیت» نام دارد که به «سیستم بدون داکت» نیز معروف است. دسته دوم «سیستم مرکزی» نام دارد.

تهویه مطبوع از طریق سیستم مرکزی دارای دو مدل مختلف است. نمونه ای از یک سیستم دسته بسته بندی شده در شکل بالا (بخش قبلی) نشان داده شده است.

در سیستم های پکیج مرکزی، کمپرسور، کندانسور و اواپراتور در داخل یک پکیج قرار می گیرند و این پکیج در نزدیکی خانه یا روی پشت بام خانه نصب می شود.

نوع دیگری از سیستم های اسپلیت وجود دارد که در این نوع سیستم تهویه مطبوع، کندانسور و کمپرسور در خارج از مجتمع و اواپراتور در داخل خانه قرار می گیرند و جریان هوا از طریق کانال در خانه توزیع می شود.

 شکل زیر نمونه ای از آن را نشان می دهد.

سیستم مرکزی در واقع سیستم های دارای داکت هستند و این سیستم ها قادر به کنترل دما در محیط های مختلف اند. در واقع با قرار دادن دریچه های کنترل جریان هوا می توان دمای برخی اتاق ها را بالاتر و در برخی دیگر پایین تر تنظیم کرد.

بنابراین زمانی که یک اتاق یا فضا کم استفاده می شود، و نیازی به خنک شدن ندارد، با استفاده از این سیستم مرکزی می توانید خنک شدن آن اتاق را متوقف کنید و در نتیجه در مصرف انرژی و هزینه صرفه جویی کنید.

در سیستم تهویه مطبوع از نوع اسپلیت، مبدل حرارتی در یک محفظه مرکزی قرار می گیرد و با کمک فن، هوا از روی اواپراتور عبور کرده و خنک می شود، و در نهایت هوای خنک شده به اتاق منتقل می شود.

شکل زیر نمونه ای از سیستم اسپلیت کانالی یا مینی اسپلیت را نشان می دهد. با نگاه دقیق به این اشکال، می توانید به اجزای مختلف یک سیستم اسپلیت نگاه خوبی داشته باشید.

این شکل ها قسمتی که در داخل اتاق قرار دارد و قسمتی از سیستم اسپلیت که در خارج از اتاق قرار دارد را به طور جداگانه نشان می دهد.

محل این نوع سیستم نیز در شکل بالا به خوبی نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می کنید اجزای مختلف این سیستم جدا از یکدیگر قرار گرفته اند.

بخشی از این سیستم در بیرون قرار دارد و قسمت دیگر شامل اواپراتور و دمنده هوا در داخل اتاق قرار می گیرد. در واقع قسمت سرد این سیستم داخل اتاق و قسمت گرم آن بیرون اتاق است.

سیستم های بدون داکت

کوچکترین و پرفروش ترین نوع سیستم تهویه مطبوع، سیستم بدون داکت است. به همین دلیل است که ما بخش جداگانه ای را به این سیستم ها اختصاص می دهیم.

سیستم های اسپلیت بدون داکت برای فضاهای نسبتا کوچک مانند یک اتاق یا چند اتاق کوچک طراحی شده اند.

این نوع سیستم تهویه مطبوع به کمترین فضای ممکن در اتاق نیاز دارد.

علاوه بر این، کمپرسور و مبدل حرارتی آن می توانند بیرون از ساختمان اصلی قرار گیرند. بنابراین، انعطاف پذیری زیادی در نحوه استفاده از این نوع سیستم های تهویه مطبوع وجود دارد.

سیستم های بدون داکت بیشترین میزان فروش بازار را به خود اختصاص داده اند. زیرا این سیستم برای تهویه مطبوع خانگی بسیار مناسب بوده و طرفداران زیادی دارد.

البته از ویژگی های منفی آن میتوان به مصرف انرژی بالای آنها پرداخت که البته در کنار دیگر مزایای این سیستم میتوان گفت که معایب آن بسیار ناچیز است.