یکی از مهمترین اهداف ساختمان سازی و ایجاد سرپناه برقراری امنیت در برابر شرایط اقلیمی مانند باد و باران، سرما و گرما و سایر عوامل حاکم بر محیط یا محدوده سکونت انسان می باشد. سیستم هوارسانی یا Air conditioning از گذشته تا به حال یکی از ضروریات زندگی انسان بوده و با پیشرفت تکنولوژی بر امکانات و کاربری های آن افزوده شده است. طرحهای قدیمی در سیستم هوارسانی نسبتا ساده بودند و با ملاحظه شرایط محیطی درنظرگرفته می شدند. باتوجه به فضای داخلی، سرمای ساختمان ازطریق تهویه طبیعی فراهم می شد و گرمایش اضافی نیز امکان پذیر بود. سازنده و ساکن اغلب یک نفر بودند و این بدان معنی است که آرامش فرد از اهمیت بسزایی برخوردار بود.
تهویه مطبوع یا سیستم هوارسانی یا هوایش دلپذیر شاخه ای از علم مهندسی مکانیک می باشد که وظیفه آن ایجاد شرایط رفاه و در واقع محدوده آسایش انسان می باشد که برای اجرا و به کارگیری آن شرایط و تجهیزات خاصی موردنیاز می باشد. برای دارا بودن یک سیستم هوارسانی مطلوب نیازمند دستگاهی با ظرفیت مناسب می باشد که در اثر گذر زمان کارآیی خود را از دست ندهد. در واقع سیستم هوارسانی شامل : سرمایش، گرمایش، رطوبت زنی و رطوبت زدایی و تصفیه هوا می باشد. لازم به ذکر است که شرکت های متعددی در حال حاضر در کشور در زمینه سیستم هوارسانی مشغول به فعالیت می باشند که برای دریافت لیست قیمت و نحوه فروش آنها می بایست با نمایندگی فروش این واحدها ارتباط برقرار کرد.
سیستم هوارسانی با گذشت زمان در اواخر قرن نوزدهم که تکنولوژی های جدید در حیطه ساختمان سازی مانند فولاد معرفی شدند پیشرفت چشم گیری کرد که از جمله آن می توان نوررسانی و هوارسانی مصنوعی فضای داخلی ساختمان که به مقدار زیادی مستقل از شرایط جوی بود را نام برد. در نهایت افزایش پیچیدگیهای تکنولوژیکی و ابعاد ساختمانهای جدید منجر به تخصصی شدن صنعت ساختمان گشت و نتیجه ای که حاصل شد این بود که ساختمانها صرفا بر اساس نیاز ساکنان ساخته نشده، بلکه اهداف وسیع تری برای آنها در نظر گرفته می شود که سیستم هوارسانی نیز از جمله آن ها می باشد.
عوامل مؤثر در شیوه های هوارسانی
به دلیل تعدد ترکیبات مختلف جریانات هوای داخلی در یک ساختمان، انتخاب استراتژی مناسب برای تهویه فضای سکونت انسان و نوع سیستم هوارسانی به عوامل مختلفی از جمله کاربری بنا بستگی دارد. وضعیت فضاها در ساختمان ها اغلب به دودسته تقسیم می شوند :
- نواحی احاطه کننده (Perimeter zone) فضایی که دیوارهای خارجی، پشت بام ها، سقف ها و پنجره ها وجود دارند و بار حرارتی فضا متغییر و وابسته به گرمای خورشیدی، اختلاف دمای خارج و داخل و بارهای خارجی می باشد.
- نواحی داخلی (Interior zone) فضایی که بارهای حرارتی فضا عمدتاً بارهای داخلی هستند و در ناحیه داخلی سیستم تهویه هوا یا سیستم هوارسانی در تابستان و زمستان به استثنای گرمایش صبحگاهی اغلب به منظور سرمایش مورد استفاده قرار می گیرد.
علاوه بر موارد اشاره شده می بایست دو نکته بسیار مهم را در تهویه مکانیکی از طریق سیستم هوارسانی یک اتاق یا فضای مورد نظر مورد توجه قرار داد :
جریان اختلاطی (Mixing Flow)
جریان اختلاطی به این معنی است که هوای تازه داخل اتاق با سرعت نسبتا بالایی از طریق سیستم هوارسانی تغذیه می شود و جت هوای تغذیه در داخل اتاق موجب اختلاط شدید هوای اتاق می شود. در نتیجه درجه حرارت و غلظت آلاینده از ثبات لازم برخوردار خواهند شد که در واقع از زمان پیدایش تهویه مکانیکی یا سیتم هوارسانی جریان اختلاطی مهمترین اصل تهویه بوده است.
جریان جابه جایی (Displacement Flow)
در جریان جابه جایی هوای نسبتا تمیز و خنک در سطح زمین با سرعت کم از طریق سیستم هوارسانی تغذیه می شود و هوا از پایین ترین بخش اتاق در اثر جریان همرفتی ایجاد شده توسط منابع گرمایی سیستم هوارسانی در داخل اتاق به طرف سقف منتقل شده و سپس دوباره به پایین جریان پیدا می کند و ضمناً سرعت هوا در اتاق بسیار پایین است. ویژگی بارز جریان جابه جایی در سیستم هوارسانی، لایه بندی جریان و تقسیم اتاق به دو ناحیه است. گرادیان دما و غلظت آلاینده بین لایه زیرین هوای نسبتا تازه و تمیز و لایه فوقانی هوای نسبتا گرم و آلوده وجود دارد و لذا این نوع تهویه در سیستم هوارسانی تنها در فضاهای خنک قابل اجرا است. لازم به ذکر است که این پدیده در اوایل دهه 80 میلادی برای محیطهای اداری پیشنهاد شد. در نتیجه یک سیستم هوارسانی یا تهویه مطبوع به مقدار مشخصی هوای تغذیه نیاز دارد تا ترکیب درستی از رطوبت و دما را در داخل یک منطقه تأمین نماید. پس به طور کلی عملکرد یک سیستم به دو عامل زیر بستگی دارد :
- مقدار هوای تغذیه
- دمای هوای تغذیه
انواع سیستم هوارسانی
پس بنابراین و با توجه به آنچه که پیشتر گفته شد می توان دسته بندی های مختلفی را برای سیستم هوارسانی در نظرگرفت . اولین دسته بندی با درنظرگرفتن روش یه کار رفته در ایجاد هوای تولیدی در سیستم هوارسانی برای تأمین گرمایش و سرمایش یک فضا بر اساس ترکیب دو عامل ذکر شده در حالت های مختلفی صورت می پذیرد :
- سیستم هوارسانی دما متغییر (CAV)
- سیستم هوارسانی حجم هوای متغییر (VAV)
- سیستم هوارسانی دما متغییر – حجم متغییر (VAV- CAV)
دومین دسته بندی سیستم هوارسانی بر اساس نوع سیال به کار رفته در این امر می باشد که بر این اساس می توان دسته بندی زیر را برای آن در نظر گرفت :
- سیستم هوارسانی از نوع تمام هوا
- سیستم هوارسانی از نوع تمام آب
- سیستم هوارسانی از نوع آب و هوا
دسته بندی های انجام شده از جمله برترین سیستم هوارسانی موجود می باشد که در ادامه به شرح مشخصات فنی و ویژگی های چند مورد از آنها خواهیم پرداخت.
سیستم هوارسانی حجم هوای متغییر ( VAV )
یک سیستم حجم هوای متغییر نوعی از سیستم هوارسانی است که حجم هوای ورودی را متناسب با بار حرارتی فضا، برای حفظ یک پارامتر تعیین شده ( معمولا دما ) در یک محدوده مشخص تغییر می دهد و در نتیجه این تغییر حجم دور فن نیز تغییر می کند. در مقابل یک سیستم هوارسانی با حجم هوای ثابت( CAV )، دمای هوای ورودی را برای حفظ دمای هوای فضای مورد تهویه در یک نقطه مشخص تغییر می دهد. این سیستم برای افزایش کارایی انرژی ایجاد شده اند تا بتوانند نیازهای گرمایش وسرمایش مناطق مختلف یک ساختمان را برطرف کنند. یک منطقه می تواند یک اتاق یا مجموعه ای از اتاق ها باشد که ویژگی تلفات حرارتی و دریافت حرارتی یکسانی دارند.
سیستم هوارسانی VAV در مقایسه با دیگر سیستم هوارسانی موجود می تواند بیش از 30% هزینه های انرژی را کاهش دهند و در نتیجه عملکرد آن ها اقتصادی است. سیستم هوارسانی VAV در انواع سیستم هوارسانی که بار حرارتی فضا به طور قابل ملاحظه ای در حال تغییر هستند کاربرد فراوانی دارند، به نحوی که در انرژی مصرفی فن صرفه جویی نماید. این سیستم بعد از بحران انرژی در سال1973شهرت یافتند و امروزه به نحو بسیار زیادی در ساختمانهای تجاری بزرگ در دنیا استفاده می شود. اکثر ساختمانهای متوسط و بزرگ نیاز به سیستم هوارسانی چند ناحیه ای ( Multi zone ) دارند اما هنوز هم بسیاری از استادیوم ها، کارخانه ها، ساختمانهای مسکونی و فروشگاهها از سیستم هوارسانی تک ناحیه ای ( Single zone ) استفاده می کنند.
سیستم هوارسانی از نوع تمام هوا
این نوع سیستم هوارسانی تنها سیستم هوارسانی است که می‌تواند یک سیستم تهویه مطبوع یا هوارسانی را کامل فراهم کند. مهمترین ایراد این سیستم حجم زیاد تجهیزات و کانالهای انتقال هوا می‌باشد. در این سیستم نیز در موتور خانه دستگاه‌های تهیه آبسرد (چیلر) و آبگرم (دیگ آبگرم) با تجهیزات مربوطه فعالیت می‌کنند و برای تهیه و ارسال هوای گرم یا سرد از دستگاه‌هایی به نام هواساز مرکزی (a.h.u) استفاده می‌شود. در این سیستم هوارسانی دستگاه هواساز دور از موتورخانه و در محلی نزدیکتر به فضای تهویه شونده در اتاقکی نصب می‌شود. سیال ناقل حرارت و برودت به داخل کویل دستگاه هواساز پمپ می‌شود و هوایی که توسط فن با سرعت از روی این کویل عبور می‌کند سرد یا گرم شده و بوسیله کانالهای هوای سقفی بداخل فضاهای تهویه شونده توزیع می‌شود. توضیح اینکه هوای عبوری از روی کویل تصفیه فیزیکی شده و رطوبت زنی یا رطوبت گیری می‌شود و بعد به داخل فضاها ارسال می‌شود.
سیستم هوارسانی تمام آب
این سیستم نمی‌تواند میزان رطوبت هوا را تغییر دهد اما به لحاظ حجم کم تأسیسات و همچنین هزینه کم راه‌اندازی و نگهداری بر دیگر انواع سیستم هوارسانی مزیت دارد. در این سیستم هوارسانی سیال ناقل حرارت و برودت آب می‌باشد. آب در موتور خانه در دستگاه‌های حرارتی مانند دیگ بخار یا دیگ آبگرم، گرم می‌شوند و برای گرمایش ساختمان در فصول سرد مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای فصول گرم مثل تابستان در موتورخانه این نوع سیستم هوارسانی از چیلر یا آبسرد کن برای تهیه آب سرد استفاده می‌شود و برای سرمایش ساختمان از این آب سرد استفاده می‌گردد. آبگرم و آبسرد تهیه شده در این سیستم هوارسانی به داخل کویل‌های مبدل حرارتی اتاق‌ها (مثل فن کویل) ارسال می‌شود. بادبزن یا فن متعلق به این سیستم هوارسانی، هوا را از روی کویل عبور داده و باعث گرمایش یا سرمایش اتاق‌های داخلی ساختمان می‌گردد.
سیستم هوارسانی هوا – آب
این سیستم هوارسانی مزایا و معایب هر دو سیستم قبل را خواهد داشت و معمولاً در این سیستم هوارسانی گرمایش به وسیله آب و سرمایش به وسیله هوا صورت می‌گیرد. لازم است ذکر شود که گرمایش با آب معمولاً به دو صورت امکان‌پذیر است. گرمایش با آب گرم که با دمای ۷۰ تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کند و گرمایش با آب داغ که در این سیستم با تحت فشار قرار دادن کل سیستم هوارسانی، دمای آب را تا حدود ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد یا بالاتر افزایش می‌دهند. گرمایش با آب داغ معمولاً در ساختمانهای عظیم یا اماکنی که در اثر افزایش مسیر لوله کشی در آب افت حرارت ایجاد می‌شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
اجزاء سیستم هوارسانی
منابع حرارت
منابع حرارت در سیستم هوارسانی مربوطه معمولاً با مصرف سوخت یا الکتریسیته حرارت تولید می‌کنند که بر اساس نوع سیالی که گرم می‌شود با نام‌های دیگ (منابع حرارتی که سیال مایع را گرم می‌کنند) و کوره (منابع حرارتی که سیال گاز را گرم می‌کنند) نیز شناخته می‌شوند.
منابع برودت
در همه انواع سیستم‌های مکانیکی و سیستم هوارسانی موجود، ایجاد سرمایش تنها از طریق برودت تبخیری امکان پذیر است و هرچه سرعت تبخیر یک ماده بیشتر باشد میزان سرمایش ایجاد شده توسط آن نیز بیشتر خواهد بود. منابع برودت در سیستم هوارسانی که به منظور گرمایش و سرمایش به کار برده می شوند به نام چیلر شناخته می‌شوند و به دو نوع ضربه‌ای یا معمولی و چیلر جذبی تقسیم می‌شوند. در هر دو نوع سرمایش ایجاد شده در سیستم هوارسانی، سرمایش در اثر بخار شدن ماده‌ای به نام ماده مبرد که معمولاً گازی شکل است ایجاد می‌گردد.
مخزن انبساط
این قسمت فقط در سیستم هوارسانی تمام آب وجود دارند. در سیستم‌هوارسانی تمام آب چون مدار حرکت سیال بسته می‌باشد با تغییر دمای سیال موجود در سیستم و تغییر حجم آن به اتصالات سیستم و کل مدار، فشار وارد شده و ممکن است باعث ایجاد اشکال در سیستم شود. منبع انبساط قطعه‌ای است که وظیفه کنترل تغییر حجم سیال را در سیستم هوارسانی به عهده دارد. فقط یک نمونه از منبع انبساط مدل دیاگرامی در دنیا موجود است.
پمپ
این دستگاه در سیستم هوارسانی وظیفه به حرکت درآوردن سیال را به عهده دارند. پمپ‌هایی که سیال مایع را به حرکت درمی‌آورند معمولاً از نوع پمپ‌های حلزونی هستند و پمپ‌هایی که سیال گاز را به حرکت درمی‌آورند، فن یا بادزن نامیده می‌شوند و در دو نوع جریان محوری و جریان عمودی بکار می‌روند. دستگاه‌های رطوبت زن در سیستم هوارسانی دستگاه‌هایی هستند که برای افزایش رطوبت محیط از آنها استفاده می‌شود.
دستگاه رطوبت گیر
این دستگاه در سیستم هوارسانی به صورت معمول با استفاده از پدیده فیزیکی تعرق، رطوبت هوا را از بین می‌برد. این بدین معنی است که با سرد کردن هوا دمای آن به پایین‌تر از نقطه شبنم می‌رسد و رطوبت هوا به صورت قطرات ریز آب از هوا خارج می‌شوند. این دستگاه در سیستم هوارسانی در حالت عادی بوسیله یک منبع برودت یک کویل را سرد کرده (کویل سرمایش ایجاد می‌کند) و با عبور هوا از روی کویل رطوبت آن گرفته می‌شود.
کویل
کویل در سیستم هوارسانی در واقع محل های تبادل حرارت در سیستم‌های سرمایش گرمایش هستند. کویل‌ها را بر اساس عملکرد می‌توان به دو نوع سرمایشی گرمایشی تقسیم کرد.
فن و هواکش
هواکش در سیستم هوارسانی نیز به عنوان یکی از اجزاء دستگاه تهویه مطبوع نقش مهمی را داشته و به نوعی قلب تپنده این دستگاه به شمار می‌روند. اصولاً وظیفه جابجایی هوای گرم یا سرد عبوری از کویل‌های یا هوای تمیز شده توسط فیلترها در دستگاه تهویه مطبوع یا سیتم هوارسانی به عهده هواکش‌ها است. هواکش‌های بکار رفته در سیستم هوارسانی از دو نوع هواکش‌های گریز از مرکز یا هواکش‌های جریان محوری است.
