تهویه مطبوع و HVAC چیست

HVAC چیست؟
HVAC مخفف چیست؟

HVAC که مخفف Heating, Ventilation, and Air Conditioning به معنی گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع است، یک اصطلاح جامع است که وقتی درباره سیستم گرمایشی و سرمایشی خانه ، محل کار، کارخانه، دیتا سنتر و تمامی اماکن به‌طور کامل صحبت می‌کنیم، به کار می‌رود.
اگرچه دنیای HVAC ممکن است پیچیده به نظر برسد، بیایید اصول اولیه آن را بررسی کنیم.

تهویه مطبوع چیست

دانش سرمایش و گرمایش و کنترل رطوبت و دما ، برای آشنایی با اصول اولیه مبانی  و دانش تهویه مطبوع لازم است با مفاهیم و فرآیندهای اصلی در سیستم تهویه مطبوع آشنا شوید این مطلب به شما کمک می کند بیشتز با تهویه مطبوع آشنا شوید

فرآیندهای اصلی در سیستم تهویه مطبوع

در یک سیستم تهویه مطبوع، هوا باید تحت یک یا چند مورد از فرآیندهای زیر قرار گیرد:

علم سایکومتریک (Psychrometrics) برای پیش‌بینی تغییرات شرایط محیطی در زمانی که میزان حرارت و یا رطوبت موجود در هوا تغییر می‌کند، مورد استفاده قرار می‌گیرد.
همچنین، استفاده از تحلیل سایکومتریک در تعیین دبی حجمی جریان هوا که باید وارد سیستم کانال‌کشی شود و در انتخاب و سایزبندی اجزای اصلی سیستم اهمیت دارد.

روش‌های کنترل دما

کنترل دما در یک سیستم تهویه مطبوع از طریق عبور هوا از کویل سرمایشی یا گرمایشی انجام می‌شود. این کویل می‌تواند از روش‌های زیر برای کنترل دما استفاده کند:

1. روش حجم ثابت – دمای متغیر (CAV with variable temperature):
   در این روش، دمای هوای تأمین‌شده به فضا تغییر می‌کند، در حالی که نرخ جریان هوا ثابت نگه داشته می‌شود.
2. روش حجم متغیر – دمای ثابت (VAV with constant temperature):
   در این روش، نرخ جریان هوا تغییر می‌کند، اما دمای هوای تأمین‌شده به فضا ثابت باقی می‌ماند.
3. روش حجم متغیر – دمای متغیر (VAV with variable temperature):
   در این حالت، هم نرخ جریان هوا و هم دمای هوای تأمین‌شده به فضا تغییر می‌کند.
4. روش حجم متغیر با بازگرمایش (VAV with reheat):
   در این روش، ابتدا نرخ جریان هوا تا مقدار حداقل کاهش می‌یابد. سپس میزان انرژی ورودی به کویل بازگرمایش (Reheat Coil) کنترل می‌شود تا دمای هوای تأمین‌شده به فضا تغییر داده شود.

روش‌های کنترل رطوبت

کنترل رطوبت در یک فضای تهویه‌شده از طریق کنترل میزان بخار آب موجود در هوا انجام می‌گیرد.

• زمانی که رطوبت نسبی در دمای تنظیم‌شده مورد نظر بیش از حد بالا باشد، نیاز به رطوبت‌گیری (Dehumidification) وجود دارد تا میزان بخار آب در هوا کاهش یابد.
• به‌طور مشابه، زمانی که رطوبت نسبی در دمای تنظیم‌شده مورد نظر پایین‌تر از حد استاندارد باشد، نیاز به افزایش رطوبت (Humidification) خواهد بود.

هنگامی که نقطه تنظیم دما (Set Point) بیش از حد پایین باشد، برای کنترل رطوبت نیاز به افزایش رطوبت (Humidification) وجود دارد تا میزان بخار آب موجود در هوا افزایش یابد.

روش‌های رایج رطوبت‌گیری (Dehumidification):

1. رطوبت‌گیری سطحی بر روی کویل سرمایشی همراه با سرمایش محسوس (Sensible Cooling).
2. رطوبت‌گیری مستقیم با استفاده از رطوبت‌گیرهای دسیکانت (Desiccant-based Dehumidifiers).

روش‌های رایج رطوبت‌زنی (Humidification):

افزایش رطوبت در همه سیستم‌های HVAC ضروری نیست، اما در صورت نیاز، این فرآیند توسط دستگاه مرطوب‌کننده (Humidifier) انجام می‌شود. روش‌های متداول آن عبارتند از:

1. مرطوب‌کننده پاششی (Water Spray Humidifier).
2. مرطوب‌کننده بخار (Steam Pan Humidifier).

طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع (Air Conditioning System Design)

در طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع، اولین چالش، درک اجزایی است که بر بار حرارتی (Heat Gain/Loss) ساختمان تأثیر می‌گذارند. این فرآیند را برآورد بار سرمایشی یا گرمایشی (Heating/Cooling Load Estimation) می‌نامند.

چالش بعدی، طراحی فرآیندهای کنترلی برای حفظ شرایط مطلوب (State Point) در فضای اشغال‌شده است. این فرآیندها معمولاً به‌عنوان فرآیندهای سیستم (System Processes) شناخته می‌شوند که با استفاده از تحلیل سایکومتریک طراحی می‌گردند.

برآورد بار سرمایشی و گرمایشی (Estimating Cooling & Heating Load)

برآورد بار شامل جمع کل انتقال حرارت به داخل فضاها (بار حرارتی مثبت/Heat Gain) یا به خارج از فضاها (بار حرارتی منفی/Heat Loss) در یک ساختمان است.

هر مسیر انتقال حرارت به‌عنوان یک جزء بار (Load Component) شناخته می‌شود. این اجزاء معمولاً در سه گروه اصلی دسته‌بندی می‌شوند:

1. بارهای خارجی فضا (External Space Loads).
2. بارهای داخلی فضا (Internal Space Loads).
3. بارهای ناشی از سیستم (System Loads).

داده‌های موردنیاز برای محاسبه بار حرارتی

برای درک صحیح عملکرد اجزای بار خارجی، داخلی و سیستمی، اطلاعات زیر باید از نقشه‌ها، بازدیدهای میدانی یا مصاحبه با کاربران ساختمان جمع‌آوری شود:

• مساحت و حجم ساختمان
• جهت‌گیری ساختمان و تأثیر تابش خورشید بر سطوح
• اطلاعات اقلیمی سالیانه (شرایط طراحی، انتقال حرارت)
• نوع کاربری فضاها (اداری، سالن کنفرانس، آزمایشگاه، دیتاسنتر و …)

اطلاعات مورد نیاز برای محاسبه بار حرارتی

برای برآورد دقیق بار سرمایشی و گرمایشی، باید مجموعه‌ای از داده‌ها از نقشه‌ها، بازدید میدانی یا مصاحبه با کاربران ساختمان جمع‌آوری شود. این اطلاعات شامل موارد زیر است:

• ساعات بهره‌برداری (فضای اشغال‌شده و اشغال‌نشده)
• نقاط تنظیم ترموستات (Set Points) به‌عنوان اصلی‌ترین پارامتر آسایش حرارتی
• ابعاد دیوارها، سقف‌ها، پنجره‌ها و درها
• مصالح ساختمانی (شامل چگالی مواد، رنگ خارجی و ضریب انتقال حرارت U یا توضیح لایه به لایه مصالح به همراه مقاومت حرارتی R)
• راه‌پله‌ها و آسانسورها (به‌عنوان بازشوهای بین طبقات)
• تعداد افراد، میزان فعالیت و زمان حضور آنها در فضا
• شدت روشنایی و ساعات روشن بودن چراغ‌ها
• توان الکتریکی موتورها و تجهیزات برقی (بر حسب kW) و زمان استفاده آنها
• نیازهای تهویه (کیفیت هوای داخل IAQ و هوای جبرانی برای اگزاست)

تعیین بار سرمایشی کل

بار سرمایشی کل با جمع جبری تمامی گرماهای ورودی (Heat Gains) محاسبه شده و معمولاً بر حسب کیلووات (kW) یا تن تبرید (Ton of Refrigeration) بیان می‌شود.

• ۱ تن تبرید معادل نرخ استخراج حرارت برابر با ۱۲,۰۰۰ Btu/hr است.
• ۱ کیلووات معادل ۳,۴۱۴ Btu/hr می‌باشد.

این محاسبات به همراه تحلیل سایکومتریک، پایه و اساس طراحی و بهره‌برداری سیستم‌های HVAC را تشکیل می‌دهند.

تعیین دبی هوای تأمین طراحی (Design Supply Airflow Rate)

مهندسان HVAC از سایکومتریک برای تبدیل بارهای سرمایشی یا گرمایشی (بر حسب kW یا Ton) به دبی حجمی جریان هوا (Volume Flow Rate) استفاده می‌کنند. این دبی حجمی می‌تواند بر حسب متر مکعب بر ثانیه (m³/s) یا CFM (Cubic Feet per Minute) بیان شود.

اهمیت تعیین دبی جریان هوا:

• تعیین ابعاد و ظرفیت فن‌ها
• انتخاب دریچه‌ها، خروجی‌ها و واحدهای هواساز (AHU) یا پکیج یونیت‌ها
• اثرگذاری بر ابعاد فیزیکی (Footprint) تجهیزات تهویه
• عامل اصلی در تعیین نیازهای فضایی برای اتاق‌های مکانیکی و شبکه کانال‌کشی

نقش اصلی تحلیل سایکومتریک در تهویه مطبوع

اصلی‌ترین کارکرد تحلیل سایکومتریک در سیستم تهویه مطبوع، تعیین دبی حجمی هوای لازم برای ورود به سیستم کانال‌کشی و سایزبندی اجزای اصلی سیستم است.

پیش از ورود به بررسی دقیق‌تر، لازم است برخی مفاهیم پایه‌ای سایکومتریک مرور شوند.

سایکومتریک (Psychrometrics)

سایکومتریک علم مطالعه خواص ترمودینامیکی هوای مرطوب است.
مقدار بخار آب موجود در هوا در شرایط مختلف به‌طور قابل‌توجهی تغییر می‌کند:

• در هوای گرم، ظرفیت نگهداری رطوبت بالا بوده و هوا می‌تواند تا حدود ۵٪ حجمی بخار آب در خود داشته باشد.
• در هوای سرد، ظرفیت نگهداری بخار آب کاهش می‌یابد.
• هنگامی که دمای هوای گرم شروع به کاهش می‌کند، بخار موجود در آن نیز سرد شده و در صورت ادامه روند سرمایش، بخار به قطرات ریز آب (Condensation) تبدیل می‌شود.
• این پدیده در جوّ زمین باعث تشکیل ابرها و بارش باران می‌گردد.

تعاریف هوا (Definitions of Air)

سه تعریف اصلی برای بیان شرایط مختلف هوا به‌کار می‌رود:

1. هوای اتمسفری (Atmospheric Air):
   شامل نیتروژن، اکسیژن، دی‌اکسید کربن، بخار آب، سایر گازها و ناخالصی‌هایی مانند گردوغبار، گرده گیاهان و دود است. این همان هوایی است که تنفس می‌کنیم و برای تهویه استفاده می‌شود.
2. هوای خشک (Dry Air):
   حالتی است که تمام ناخالصی‌ها و بخار آب از هوای اتمسفری حذف شده باشند. به‌طور حجمی، هوای خشک شامل حدود ۷۸٪ نیتروژن، ۲۱٪ اکسیژن و ۱٪ سایر گازها است. در تحلیل‌های سایکومتریک، هوای خشک مبنای مرجع قرار می‌گیرد.
3. هوای مرطوب (Moist Air):
   مخلوطی از هوای خشک و بخار آب است.

در کاربردهای عملی، هوای مرطوب و هوای اتمسفری در شرایط معمولی تقریباً معادل فرض می‌شوند.

سوالات متداول درباره HVAC و تهویه مطبوع

۱. HVAC چیست؟
پاسخ: HVAC مخفف Heating, Ventilation, and Air Conditioning به معنی گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع است. این سیستم‌ها برای کنترل دما، رطوبت و کیفیت هوای داخل ساختمان‌ها استفاده می‌شوند.

۲. تفاوت تهویه مطبوع و HVAC چیست؟
پاسخ: تهویه مطبوع به فرآیند کنترل دما و رطوبت در فضا اشاره دارد، در حالی که HVAC شامل گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع به‌صورت جامع است و مدیریت کامل محیط داخلی را بر عهده دارد.

۳. کنترل دما در سیستم‌های HVAC چگونه انجام می‌شود؟
پاسخ: از طریق کویل‌های سرمایشی یا گرمایشی و روش‌هایی مانند:

• حجم ثابت و دمای متغیر (CAV)

• حجم متغیر و دمای ثابت (VAV)

• حجم و دمای متغیر (VAV-VT)

• حجم متغیر با بازگرمایش (VAV-Reheat)

۴. رطوبت هوا چگونه کنترل می‌شود؟
پاسخ: با استفاده از فرآیندهای رطوبت‌گیری (Dehumidification) و رطوبت‌زنی (Humidification) مطابق با نیاز فضای مورد نظر.

۵. سایکومتریک چیست و چرا مهم است؟
پاسخ: سایکومتریک علم مطالعه خواص هوای مرطوب است. این علم برای محاسبه دبی هوای مورد نیاز، طراحی کویل‌ها و تجهیزات HVAC و پیش‌بینی تغییرات دما و رطوبت استفاده می‌شود.

۶. بار سرمایشی و گرمایشی چیست؟
پاسخ: بار سرمایشی یا گرمایشی مجموع انرژی مورد نیاز برای حفظ دمای مطلوب داخل فضا است. این بارها شامل بارهای داخلی، خارجی و ناشی از سیستم می‌شوند.

۷. چگونه دبی هوای طراحی تعیین می‌شود؟
پاسخ: با استفاده از تحلیل سایکومتریک و محاسبه بار سرمایشی یا گرمایشی، حجم هوای لازم برای تأمین دما و رطوبت مطلوب تعیین می‌شود.

۸. واحد اندازه‌گیری ظرفیت سرمایش چیست؟
پاسخ: معمولاً بر حسب کیلووات (kW) یا تن تبرید (Ton of Refrigeration) بیان می‌شود.

• ۱ تن تبرید ≈ ۱۲,۰۰۰ Btu/hr

• ۱ کیلووات ≈ ۳,۴۱۴ Btu/hr

۹. هوای خشک و هوای مرطوب چه تفاوتی دارند؟
پاسخ:

• هوای خشک: بدون بخار آب و ناخالصی‌ها

• هوای مرطوب: مخلوط هوا و بخار آب

۱۰. چرا طراحی صحیح HVAC اهمیت دارد؟
پاسخ: طراحی درست باعث تأمین آسایش حرارتی، کاهش مصرف انرژی، عمر طولانی تجهیزات و بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان می‌شود.