مقیاس سیستم تهویه مطبوع در تاسیسات ساختمان

با شروع از این دیدگاه که طبقه بندی می تواند به درک سیستم پیچیده کمک کند، طبقه بندی سیستم های تهویه مطبوع ارائه شده است. سیستم های تهویه مطبوع معمولا برحسب مقیاس به شرح زیر طبقه بندی می شوند.

سیستم تهویه مطبوع محلی : یک سیستم محلی معمولا برای استفاده در یک منطقه در نظر گرفته می شود  (منطقه معمولا شامل یک یا حداکثر چند اتاق است). این یک سیستم خودکفاست (اجزای منبع، توزیع، تحویل و کنترل به طور کلی در یک بسته جای می گیرند). این سیستم معمولا در فضای مورد نظر قرار می گیرد (با پیامدهای ضمنی برای زیبایی شناسی و انعطاف پذیری). سیستم معمولا ظرفیت و اندازه کوچکی دارد (با اثراتی بر راندمان). سیستم معمولا از یک مکان مرکزی کنترل نمی شود (این جنبه می تواند مثبت و یا منفی در نظر گرفته شود). یک واحد تهویه هوای پنجره ای نمونه ای از سیستم HVAC محلی است.

سیستم تهویه مطبوع مرکزی: یک سیستم مرکزی برای مناطق متعدد یک محل بکار می رود (و یا یک منطقه از مکان دور دست). یک سیستم توزیع برای انتقال تاثیر گرمایش و سرمایش از مبدا آن (مانند یک اتاق تاسیسات ) به مناطق سیستم ضروری است. محدوده سیستم تا حد زیادی از یک محل اقامت تک خانوار به هزاران فوت مربع (متر مربع) از دفتر و یا آزمایشگاه متغیر است. یک ساختمان ممکن است با یک سیستم مرکزی یا چند سیستم مرکزی بکار رود. سیستم حجم هوای متغیر (VAV) نمونه ای از یک سیستم مرکزی است.

سیستم تهویه مطبوع ناحیه ای: یک سیستم ناحیه ای در چندین ساختمان بکار می رود. معمولا سیستم ناحیه ای اثر گرمایش و سرمایش را برای محیط و یا نواحی تاسیسات ویژه فراهم می سازد. ساختمان مورد نظر معمولا سیستم تهویه مطبوع مرکزی خود را دارد. اقتصاد مقیاس ممکن با تجهیزات بزرگ شاخص یک سیستم ناحیه ای ممکن است (این می تواند شامل خرید فله سوخت یا برق، توالی کنترل عملیاتی سفارشی، کیفیت نگهداری برجسته و اپراتورهای آموزش دیده باشد). سیستم پمپاژ حرارتی منبع زمین دانشگاه ایالتی بال (دانشگاه ایالتی بال، 2013) مثال خلاقانه یک سیستم ناحیه ای است.

 توزیع بخار راه دور بیش از یک قرن بکار رفت؛ توسعه  توزیع آب دمای بالا (HTW) و توزیع آب سرد در میان ساختمان پیشرفت تازه ای است. سیستم آب گرم و سرد با فشار و دمای بالا کاربرد گسترده ای در پایگاه نیروی هوایی ایالات متحده، فرودگاه ها  و گروهی از ساختمان ها مانند مجتمع بیمارستانی و دانشگاه ها دارد. تلاش بسیاری برای نصب شبکه های جدید گرمایش / سرمایش در نیروگاه های تولید برق با سوخت فسیلی صورت گرفت. در این نیروگاه بیش از نیمی از ورودی سوخت فسیلی ضایع می شود و سیستم گرمایش سرمایش بسیاری از ضایعات سوختی را بکار می گیرد.

 اگر آب به اندازه کافی در فشار بالا نگه داشته شود، وارد بخار نمی شود. سپس آب از طریق خطوط رفت و برگشت برق و از طریق شاخه هایی به مبدل های حرارتی پمپاژ شده، که سیستم های آب گرم کم فشار معمولی را به جریان انداخته و بخار تولید می کند، و چندین کارکرد حرارتی دارد. فشار از مرتبه 400 پوند بر اینچ مربع، سنجه؛ [2800 کیلو پاسکال) و دما حدود 300 ° F (150 ° C) است. در طول این چرخه، گاهی اوقات آب تا 150F درجه (83C °) و 60 پوند بر اینچ مربع (414 کیلو پاسکال) فشار افت می کند. مقطع شکل 12.60 این آرایش مشترک را نشان می دهد.

آب دمای بالا تعدادی مزایای نسبت به بخار برای تاسیسات خاص دارد. در این حالت از یک سیستم توزیع دو لوله ای استفاده می شود و افت دما در خط رفت اغلب به 10F  (5.5 درجه سانتیگراد) است. با سرعت بالای آب اندازه لوله اصلی را می توان تقریبا به نصف اندازه مورد نیاز برای توزیع بخار بدون نیاز به تله بخار و دریچه تقلیل فشار کاهش داد. برای تعدیل کندانسیون لازم نیست که لوله ها تا پایین درجه پیچ شوند، نظیر حالت بخار، اما از خطوط تراز زمین عبور می کنند. اگر چه هزینه نصب و راه اندازی آن بیشتر است، هزینه عملیاتی برای بخار کمتر است. تصفیه آب ورودی قابل اغماض و خوردگی حداقل است. مساله انبساط و عایق مشابه سایر سیستم های زیرزمینی است. حلقه رفت و برگشت بزرگ با انبساط بین نقاط ثابت سازگاری دارد و لوله کشی زیرزمینی در لایه عایق موثر به لحاظ حرارت تعبیه می شود. سیستم های آب سرد نیز مزایایی دارد. چیلرهای مرکزی بزرگ به احتمال زیاد از گرمای تلف شده در یک سیکل تبرید جذبی غیر CFC استفاده می کنند. منابع طبیعی سرد ممکن هستند؛ شرکت گرمایش ناحیه ای تورنتو (کانادا)  از آب دریاچه انتاریو، برگرفته از لوله 1.6 مایلی (2.6 کیلومتر) در عمق 200 فوت (61 متر) با درجه حرارت در طول سال 40 ° F (4.5 ° C) استفاده می کند. آب دریاچه از طریق یک مبدل حرارتی (با آب سرد) و سپس تصفیه آن به منبع آب شهر می رسد.

 با گرمایش / سرمایش ناحیه ای، تمام اجزای منبع با هم در یک واحد دوردست قرار می گیرند. این مساله ساختمان های دیگر را از فضای لازم و اثرات قابل مشاهده ستون صافی، دیگهای بخار، ذخیره سازی سوخت، چیلرهای آب و برج های خنک کننده رها می سازد. گرما، رطوبت، هوای آلوده و سر و صدا در واحد دوردست وجود دارد. هنگامی که چنین سیستمی در خدمت مشتریان تجاری است، آب گرم یا سرد اندازه گیری می شود. هنگامی که متعلق به خود فرد است (مانند محوطه دانشگاه)، معمولا اندازه گیری نمی شود. این می تواند تبدیل به یک مشکل شود زمانی که تلاش برای شناسایی

اتلاف انرژی ساختمان و صرفه جویی متعاقب انجام گیرد.

محیط توزیع

توزیع اثر گرمایش / سرمایش (به غیر از بخار) با استفاده از آب یا هوا یا آب و هوا انجام می شود. در نتیجه سه طبقه بندی متمایز از سیستم های تهویه مطبوع مرکزی وجود دارد:

سیستم تمام هوا: در یک سیستم تمام هوا، اثر گرمایش-سرمایش از منبع به فضاها از طریق هوای گرم و یا سرد حمل شده در کانال توزیع می شود؛ آب برای انتقال حرارت به  مناطق تهویه شده استفاده نمی شود. مزیت اصلی یک سیستم تمام هوا این است که هوا برای تغییر وضعیت هوا بکار می رود (دایره است، اما این رویکرد مستقیم و منطقی است)؛ موضوع اصلی در برخی از پروژه های ساختمانی حجم فضایی است که باید به کانال اختصاص داده شود. تهویه مطبوع از طریق دیفیوزر / دریچه ها به فضاهای مختلف ارسال می شود. یک سیستم تهویه مطبوع تمام هوا (با پیکربندی) باید قادر به پاسخگویی نیازهای پروژه مالک برای تامین آسایش حرارتی، IAQ، و راندمان انرژی باشد.

سیستم هوا آب: در یک سیستم آب و هوا، بخش عمده ای از تاثیر گرما-سرما از منبع (ها) به فضاها از طریق آب گرم و یا سرد در لوله ها توزیع می شود. همچنین هوا از یک واحد متمرکز به فضاها وارد می شود-معمولا هوای کافی برای اطمینان از کیفیت مطلوب هوای داخل ساختمان؛

 

شکل 12.60 آرایش معمولی یک سیستم آب دمای بالا

این اغلب حدود 10 درصد جریان هوای یک سیستم تمام هوا است. این هوا نیز می تواند مقداری گرما یا سرما انتقال دهد. مزیت اصلی سیستم آب هوا نیاز کمتر به حجم توزیع است (لوله کشی کوچکتر از کانال کشی برای انتقال حرارت برابر است). دغدغه مهم در پروژه های ساختمانی قرار دادن مبدل های حرارتی هوا آب (دستگاه تحویل) در فضاهای اشغال شده است. یک سیستم تهویه مطبوع هوا آب (با پیکربندی) باید قادر باشد به آسانی نیازهای پروژه مالک را به لحاظ راحتی عایق، IAQ و راندمان انرژی برآورده سازد.

سیستم تمام آب: اثر گرما-سرما از منبع به فضاها از طریق آب گرم و یا سرد انتقالی از طریق لوله کشی توزیع می شود و به این فضاها از طریق دستگاه تحویل تبادل حرارت

وارد می شود. هوا در انتقال حرارت به / از مناطق مطبوع بکار نمی رود و توسط سیستم تهویه مطبوع به این فضاها وارد نمی شود (هوا به صورت مستقل وارد می شود، برای مثال با استفاده از شیوه های پاسیو). مزیت اصلی این  سیستم این است که حجم مکانی مورد نیاز برای توزیع حداقل مقدار ممکن است ( اصلا از کانال استفاده نمی شود). یک مسئله مهم در مورد سیستم HVAC تمام آب پاسخگویی به نیازهای پروژه مالک به لحاظ IAQ است.

 آناتومی سیستم تهویه مطبوع

مقیاس ساختمان

ساختمان بزرگتر به طور کلی پیچیده تر از ساختمان کوچکتر است. این نکته در مورد  سیستم های تهویه مطبوع نیز صادق است. بحث آناتومی سیستم با ساختمان مقیاس کوچکتر آغاز می شود (ساختمانی با مثلا یک به پنج منطقه حرارتی). بحث ساختمان مقیاس بزرگتر به دنبال آن مطرح خواهد شد.

 ساختمان های کوچک تر معمولا بار پوسته (یا پوششی) دارند؛ آب و هوا (به جای بارهای داخلی) نشان می دهد که آیا گرمایش یا سرمایش نگرانی عمده طراحی است. در برخی اقلیم ها، تنها حرارت مورد نیاز است؛ یک ساختمان می تواند خود را در آب و هوای گرم و بدون سیستم مکانیکی خنک نگه دارد. در اقلیم دیگر، تنها سرمایش مورد نیاز است. در آب و هوای دیگر، هم گرمایش و هم سرمایش مورد نیاز است. لازم به ذکر است که مورد نیاز از نظر مشتری و همچنین در سوابق اقلیمی انتظارات سیستم به منظور هدایت تصمیم گیری و تجزیه و تحلیل طراحی است.

 ساختمان بار پوسته ای ممکن است متفاوت باشد اما همزمان مستلزم این است که راه حل اتاق به اتاق برای گرمایش، تهویه و سرمایش مطلوب است. چنین وضعیتی پذیرش رویکرد سیستم های تهویه مطبوع محلی را پیشنهاد می دهد. ساختمانی را با فضاهای رو به شمال و جنوب در یک روز زمستانی خنک و آفتابی در نظر بگیرید؛ یک طرف  حرارت کافی خورشیدی جذب می کند، در حالی که طرف دیگر به حرارت اضافی نیاز دارد. یکی از مزایای سیستم های محلی قابلیت پاسخ سریع به اتاق انفرادی (ناحیه) است. سیستم تهویه مطبوع مرکزی همچنین دارای مزایای زیر است: تجهیزات در داخل فضای خاص خود جای می گیرد به جای اشغال فضا در هر اتاق و تعمیر و نگهداری را می توان بدون اخلال در فعالیت در اتاق اشغال شده انجام داد.

بخش 12.4 (F) شرایط فضای تجهیزات را برای ساختمان های بزرگ بحث می کند. تعیین اندازه تقریبی تجهیزات تهویه مطبوع ساختمان کوچک در طول طراحی شماتیک نیز مفید است. هنگامی که بار طراحی گرمایش و / یا سرمایش معلوم باشد، به کاتالوگ تولید کنندگان در مورد ابعاد تجهیزات گرمایش و سرمایش مناسب مراجعه کنید. یک تصمیم مهم در اندازه یابی تجهیزات  HVAC دمای طراحی است: دماهای مناسب فضای داخل و خارج کدامند که بر انتخاب سیستم و در نظر گرفتن تغییرات اقلیم تاثیر دارند؟

تعیین اولیه ظرفیت سرمایش چندان ساده نیست. با این حال، یک برآورد اولیه بسیار تقریبی می توان از مقادیر بهره ساعتی ذکر شده در جدول G.3 به دست آورد. این نوع  برآورد به احتمال زیاد کمتر از مقدار حاصل با استفاده از ساعت بهره حرارتی حداکثر است، که برای آن تجهیزات سرمایش اندازه گیری می شود. تن یک واحد مرسوم ظرفیت سرمایش است. یک تن معادل اثر مفید خنک کنندگی یک تن یخ است؛ این مقدار 12000 Btu / h (3516 W)است. ساختمان های بزرگتر معمولا بار داخلی غالبی دارند، نور، مردم و تجهیزات - لوازم ترکیبی کلی بین گرمایش و سرمایش مورد نیاز را نشان می دهند. نواحی داخلی یک ساختمان اغلب ارتباط حرارتی به محیط بیرون ندارند، همه بارها داخلی هستند. ساختمان ها نواحی پیرامونی دارند که از طریق پوشش ساختمان با محیط بیرونی فصل مشترک دارند. یک چالش طراحی اطمینان از این امر است که سیستم تهویه مطبوع به چنین پاسخهای متغیر در سراسر فضا و زمان پاسخگو باشد. بحث زیر عمدتا به ساختمان بزرگتر اشاره دارد.

 

جدول 12.4 قطعات اصلی هر سیستمHVAC    و کاربرد آنها

جدول 12.4 قطعات اصلی هر سیستمHVAC  را توصیف می کند و بر مفاهیم منبع، توزیع، تحویل (و کنترل)

 تاکید دارد. سه کار عادی (گرمایش، سرمایش و تهویه) انجام می شود. دریچه ورودی و خروجی در هر مورد وجود دارد. اگر چه انتخاب نهایی سیستم HVAC باید از آنالیز دقیق الزامات پروژه مالک تبعیت کند، برخی از مفاهیم اساسی (که قبلا معرفی شد و در اینجا بسط یافت) مبنای انتخاب سیستم خواهد بود.

سیستم های مرکزی به یک یا چند فضای مکانیکی بزرگ (اغلب در زیرزمین و / یا بر روی پشت بام)، درختان توزیع بزرگ و سیستم کنترل پیچیده نیاز دارند. سر و صدا، گرما و سایر شرایط محیطی اتاق مکانیکی را می توان نسبتا به راحتی کنترل کرد، چرا که شرایط در چند مکان بدون اشغال منظم متمرکز اند،. تعمیر و نگهداری بدون وقفه در فعالیت های عادی آسان است، هر چند نقص تجهیزات مرکزی می تواند کل ساختمان را متوقف کند. کیفیت هوا را می توان با قرار دادن دریچه هوا بالای آلودگی سطح خیابان و تعمیر و نگهداری منظم فیلتر هوای متمرکز افزایش داد. عمر طولانی تر تجهیزات را می توان با تعمیر و نگهداری منظم انتظار داشت. بازیافت حرارت اتلافی برای راندمان انرژی مفید واقع می شود. راه های بسیاری برای تامین نیازهای حرارتی متفاوت بسیاری از مناطق توسط یک سیستم مرکزی وجود دارد. یک اشکال مهم سیستم مرکزی اندازه و طول ممکن درخت توزیع مورد نیاز برای انتقال خدمات متمرکز به بسیاری از فضاهای توزیع شده است. اشکال بالقوه دیگر برنامه ریزی

عملیات ناشی از تفاوت در استفاده از ناحیه است. زمانی که یک سیستم تهویه مطبوع باید برای سرویس دهی یک ناحیه (مانند فضای سرور کامپیوتر) فعال شود در حالی که نواحی دیگر غیر فعال باشد، انرژی ممکن است به هدر برود.

سیستم های محلی ممکن است حتی برای ساختمان های بزرگ جذاب باشد چون تفاوت برنامه ریزی بین مناطق چند برابر می شود. همچنین، تفاوت آشکار در عوامل دیگر به عنوان مثال، کارکرد (با انتظارات راحتی) و یا استقرار در یک ساختمان می تواند به انتخاب یک سیستم محلی منجر شود (معمولا، سیستم های محلی متعدد).  فضای زیاد تجهیزات متمرکز در سیستم های محلی مورد نیاز نیست، بلکه تجهیزات منبع در سراسر یک ساختمان توزیع می شود (یا روی سقف و  و یا زمین اطراف). پراکندگی تجهیزات اندازه درختان توزیع را به حداقل می رساند (و یا آنها را حذف می کند) و تا حد زیادی سیستم های کنترل را ساده می سازد. علاوه بر این، شکست سیستم تنها بخش کوچکی از یک ساختمان را تحت تاثیر قرار می دهد. سر و صدا و اثرات دیگر تجهیزات محلی سبب ناراحتی در فضاهای اشغال شده می شود و تعمیر و نگهداری کیفی را به چالش می کشد (به این دلیل که دسترسی به بسیاری از مکان های جداگانه ممکن است مختل یا محدود گردد). کیفیت هوای خوب بستگی به تمیز کردن منظم فیلترهای هوا دارد، که زمانی که در اطراف یک ساختمان پراکنده باشند و در فضاهای اشغال شده قرار گیرند، سخت تر خواهد بود. پتانسیل حفاظت از انرژی در سیستم های محلی نوید بخش است، عمدتا به این دلیل که عملیات و کنترل سیستم محلی و شخصی هستند، اما فرصت کمی برای گرفتن گرمای تلف شده به عنوان یک منبع وجود دارد. رویکرد سیستم مرکزی به این معنا نیست که تمام فضاها باید از یک مکان واحد استفاده شود. چندین سیستم یا موقعیت مرکزی ممکن است در یک ساختمان بکار رود. این مطلب در شکل12.61b نشان داده شد، که در آن فضای مرکزی بویلر- چیلر از راه دور واقع شده و محفظه فن در روی هر طبقه قرار دارد. این حالت تا حد زیادی درخت بزرگ توزیع هوا را کاهش می دهد؛ اگر چه درخت توزیع برای آب گرم و سرد گسترده است، قطر لوله ها بسیار کوچکتر است و نسبتا به راحتی جایگزین و هماهنگ شده است. استفاده از یک اتاق تجهیزات مرکزی سیستم بازیابی انرژی را بیشتر امکان پذیر می سازد.