بخش اول :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش بعدی را مطالعه کنید.
مقدمه
در دنیای مدرن امروزی، سیستم‌های تهویه مطبوع به‌عنوان قلب تپنده ساختمان‌های مسکونی، تجاری و صنعتی شناخته می‌شوند و نقش آن‌ها فراتر از صرفاً تأمین دماست. دستگاه‌های هواساز یا Air Handling Units (AHU) یکی از مهم‌ترین اجزاء این سیستم‌ها هستند که نه‌تنها مسئول تنظیم دما و رطوبت نسبی هوا در محیط‌های داخلی هستند، بلکه کیفیت هوای تنفسی و آسایش حرارتی ساکنان را نیز تضمین می‌کنند. با توجه به اهمیت حفظ شرایط بهینه محیطی برای سلامت، بهره‌وری و رفاه انسان‌ها، درک عملکرد هواسازها و روش‌های کنترل آن‌ها به‌عنوان یک الزام فنی و مهندسی ضروری به شمار می‌آید. هواسازها با ترکیب هوای تازه و هوای برگشتی، عبور جریان هوا از فیلترها، کویل‌های گرمایی و سرمایی و همچنین سیستم‌های رطوبت‌زنی، امکان تأمین شرایط مطلوب در ساختمان‌ها را فراهم می‌آورند. عملکرد صحیح این تجهیزات وابسته به طراحی دقیق، انتخاب اجزا و تنظیمات کنترلی است که باید بر اساس دبی هوا، بار حرارتی و فشار استاتیک سیستم بهینه‌سازی شود. علاوه بر این، کنترل دما و رطوبت می‌تواند به دو شکل مرکزی و محلی انجام گیرد که هر کدام مزایا و محدودیت‌های خاص خود را دارند. در سیستم‌های مرکزی، کنترل جامع بر هوای برگشتی و تازه، جریان آب کویل‌ها و دمپرها اعمال می‌شود تا تمامی فضاها از شرایط آسایش مشابه برخوردار باشند، در حالی که در کنترل اتاقی، هر فضا می‌تواند به‌طور مستقل دمای مطلوب خود را داشته باشد. با توجه به پیچیدگی‌های فنی و نیاز به هماهنگی میان اجزای مختلف هواساز، مفاهیمی مانند نمودار سایکرومتریک، فرآیند سرمایش محسوس و نهان، رطوبت‌گیری و ضریب کنار گذر (Bypass Factor) اهمیت پیدا می‌کنند. این پارامترها، میزان دقت کنترل دما و رطوبت نسبی و همچنین توانایی هواساز در پاسخ به تغییرات بار حرارتی و برودتی ساختمان را تعیین می‌کنند. بنابراین، مطالعه جامع عملکرد، طراحی، انتخاب و کنترل هواسازها، نه تنها برای مهندسان و طراحان HVAC بلکه برای مدیران ساختمان‌ها و کارشناسان نگهداری ضروری است تا محیطی سالم، مطبوع و کارآمد برای ساکنان ایجاد شود.
دستگاه‌های هواساز (Air Handling Units – AHU)
دستگاه‌های هواساز برای تأمین بار حرارتی و برودتی و همچنین تأمین هوای تازه به منظور تهویه، کنترل دما و رطوبت نسبی در ساختمان به کار می‌روند. نصب و سرویس‌دهی این دستگاه‌ها معمولاً در فضاهای باز یا بر روی پشت‌بام انجام می‌شود. اجزای اصلی و سیستم‌های کنترلی هواساز شامل بخش‌های فیلتر، کویل‌های حرارتی و برودتی، سیستم رطوبت‌زنی و کانال‌های ورودی و خروجی هوا است. هواساز هوای سرد و گرم مورد نیاز ساختمان را تولید کرده و از طریق سیستم کانال‌کشی به فضاهای مختلف منتقل می‌کند. برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی، کل هوای مورد نیاز از بیرون تأمین نمی‌شود. تنها مقدار لازم برای تهویه از هوای تازه تأمین شده و بقیه هوای مورد نیاز از هوای برگشتی داخل ساختمان که به دمای مطلوب رسیده است، تامین می‌شود. در Mixing Box، هوای تازه و هوای برگشتی با یکدیگر مخلوط شده و پس از عبور از فیلترهای تصفیه هوا، در صورت نیاز رطوبت‌زنی می‌شود تا رطوبت نسبی مورد نظر برای آسایش ساکنان تأمین شود. سپس هوا از روی کویل‌های سرد یا گرم عبور می‌کند. در فصل زمستان، هوا از روی کویل‌های گرمایی عبور کرده و به دمای مورد نیاز می‌رسد. سپس با کمک هواده‌ها، که وظیفه ایجاد جریان و غلبه بر افت فشار مسیر کانال را دارند، هوا به سیستم کانال‌کشی منتقل و از طریق دریچه‌ها در فضاهای داخلی توزیع می‌شود.
دمای هوای داخل ساختمان از طریق کنترل جریان آب گرم کویل گرمایی تنظیم می‌شود. یک حسگر دمای هوای داخل میزان دما را اندازه‌گیری کرده و فرمان لازم را به شیر سه‌راهه که در مسیر تغذیه کویل قرار دارد می‌دهد. بدین ترتیب، جریان آب گرم عبوری از کویل تنظیم شده و دمای هوای خروجی از هواساز مطابق با شرایط آسایش حفظ می‌شود.
انتخاب هواسازها
برای انتخاب مناسب هواساز، چند عامل کلیدی باید مورد بررسی قرار گیرد :
1. دبی کل هوای مورد نیاز (CFM)
میزان هوایی که هواساز باید جابجا کند تا بار حرارتی ساختمان (گرمایی و برودتی) تأمین شود.
2. بار حرارتی کل ساختمان (BTU/hr)
مقدار انرژی لازم برای تأمین گرمایش و سرمایش فضاها که بر اساس ویژگی‌های معماری، مصالح و شرایط اقلیمی محاسبه می‌شود.
3. فشار استاتیک بادزن هواساز (in.wg)
فشار استاتیک لازم برای غلبه بر افت فشار مسیر کانال‌ها و فیلترها تا جریان هوا به صورت یکنواخت و مناسب به تمامی فضاها برسد.
کنترل در سیستم‌های تهویه مطبوع
1. کنترل دما در سیستم‌های تهویه مطبوع انفرادی
در ساختمان‌هایی که از سیستم‌های فن‌کوئل یا واحدهای مستقل استفاده می‌کنند، کنترل دما معمولاً توسط یک ترموستات نصب‌شده در اتاق انجام می‌شود. این ترموستات می‌تواند :
o با رسیدن دما به مقدار تنظیم‌شده، به فن کویل فرمان قطع یا وصل بدهد، یا
o با فرمان به شیر موتوری کویل، دبی آب گرم یا آب سرد ورودی را تنظیم (افزایش یا کاهش) کند.
2. کنترل دما در سیستم‌های تهویه مطبوع مرکزی
در ساختمان‌هایی که از سیستم مرکزی بهره می‌برند، کنترل دما می‌تواند به دو روش انجام شود:
الف. کنترل مرکزی :
دما و شرایط محیطی کل ساختمان از یک مرکز کنترل واحد مدیریت می‌شود.
ب. کنترل اتاقی :
هر فضا یا اتاق می‌تواند به صورت مستقل از طریق کنترل محلی یا ترموستات اتاقی دما و جریان هوا را تنظیم کند.
الف) کنترل مرکزی در سیستم‌های تهویه مطبوع
در کنترل مرکزی، تغییرات دمای هوای برگشتی ساختمان به هواساز باعث تنظیم دبی هوای خروجی از هواساز و یا دبی آب گرم یا سرد ورودی به کویل‌ها می‌شود. مکانیزم این کنترل به شکل زیر عمل می‌کند:
1. در کانال هوای برگشتی، یک ترموستات (T1) نصب می‌شود.
o با تغییر دمای هوای برگشتی (که نمایانگر دمای داخل ساختمان است)، این ترموستات فرمان خود را همزمان به دمپر موتور و شیر موتوری کویل می‌دهد.
o دمپر موتور پره‌ها را باز یا بسته می‌کند تا دبی هوای عبوری تنظیم شود.
2. در نوع دیگری از کنترل مرکزی، هوای تازه و برگشتی توسط ترموستات‌ها مدیریت می‌شود :
o اگر دمای هوای خارج بیشتر یا کمتر از مقدار تنظیم شده باشد، ترموستات‌ها مقدار هوای تازه ورودی به هواساز را از طریق دمپر موتور (M) تنظیم می‌کنند تا به حداقل مجاز تعیین‌شده توسط کنترل‌کننده دبی هوا (S) برسد.
3. کنترل کویل‌های گرمایی :
o ترموستات TR در کانال برگشتی، جریان آب گرم یا بخار را از طریق شیر موتوری VH تنظیم می‌کند.
o همچنین ترموستات TD و TC به شیر VH فرمان می‌دهند تا دمای رفت آب گرم در محدوده دلخواه حفظ شود.
4. کنترل سیستم سرمایش و رطوبت :
o ترموستات TC و هیومیدیستات H در کانال برگشت تعبیه شده و فرمان تغییر دبی آب سرد به شیر موتوری VC می‌دهند.
o هیومیدیستات H همچنین می‌تواند فرمان رطوبت‌زنی را نیز به شیر موتوری مرتبط صادر کند.
o دمپرهای بای‌پس نیز توسط ترکیب فرمان‌های TC و H تنظیم می‌شوند.
عملکرد سیستم :
• اگر دمای هوای برگشتی کمتر از حداقل شود، ترموستات TC جریان آب سرد کویل را قطع می‌کند.
• اگر رطوبت نسبی بالا باشد، هیومیدیستات H جریان آب سرد را باز نگه می‌دارد تا کویل بتواند رطوبت‌گیری ادامه دهد.
• اگر کویل سرد هوا را بیش از حد خنک کند، کویل گرم (تحت کنترل ترموستات TD) هوا را تا دمای مطلوب گرم می‌کند.
شکل 2 این فرآیند را برای سیستم تهویه مطبوع تابستانی و زمستانی به‌طور کامل نشان می‌دهد و نحوه تعامل کنترل دما و رطوبت در هواساز را تشریح می‌کند.
ب) کنترل اتاقی در سیستم تهویه مطبوع مرکزی
در سیستم‌های تهویه مطبوع مرکزی، کنترل جداگانه دمای هر اتاق تنها از طریق کنترل محلی دریچه‌های هوای اتاق امکان‌پذیر است.
• هر دریچه ورودی هوا به یک دمپر موتور مجهز می‌شود.
• این دمپر موتور تحت فرمان ترموستات اتاقی عمل می‌کند.
• با تغییر دمای تنظیم شده روی ترموستات، دمپر موتور تیغه‌های دریچه را حرکت می‌دهد تا دبی هوای ورودی متناسب با بار حرارتی مورد نیاز اتاق افزایش یا کاهش یابد.
به این ترتیب، هر فضا به طور مستقل می‌تواند دمای دلخواه خود را داشته باشد، حتی اگر سیستم تهویه مرکزی، هوای کل ساختمان را تأمین کند.
فرایند گرمایش و سرمایش هوا در دستگاه هواساز (نمودار سایکرومتریک)
در فصل تابستان، برای تأمین بار سرمایش هوا، جریان هوا از کویل سرمایی هواساز عبور می‌کند.
• اگر بار برودتی نهان صفر باشد و تمام بار از نوع محسوس (Sensible) باشد، فرآیند سرمایش صرفاً محسوس خواهد بود.
• در این حالت، فرآیند بر روی نمودار سایکرومتریک به صورت کاهش دمای خشک هوا با حفظ رطوبت نسبی یا تغییرات اندک رطوبت انجام می‌گیرد. به عبارت دیگر، هوای داخل پس از عبور از کویل سرمایی، دمای خود را کاهش می‌دهد و رطوبت آن تقریباً ثابت باقی می‌ماند، که این همان سردسازی محسوس (Sensible Cooling) است.
فرآیند سرمایش و رطوبت‌گیری در هواساز
اگر بار برودتی نهان صفر نباشد، به این معناست که رطوبت اضافی وارد هوا شده است. برای حفظ رطوبت نسبی مناسب و شرایط آسایش در فضای داخل، بایستی رطوبت اضافی از هوا گرفته شود.
• در این حالت، کویل سرمایی هواساز علاوه بر کاهش دمای هوا، عمل رطوبت‌گیری نیز انجام می‌دهد.
• برای این منظور، دمای سطح کویل باید به نقطه شبنم (Dew Point) هوا برسد تا رطوبت هوا تقریباً به صورت کندانس شده روی کویل جمع‌آوری شود و از جریان هوا جدا گردد.
در نتیجه، فرایند روی نمودار سایکرومتریک به صورت ترکیبی از کاهش دمای خشک هوا و کاهش رطوبت مطلق نمایش داده می‌شود و هوا پس از عبور از کویل، هم خنک‌تر و هم خشک‌تر خواهد شد.
کنترل دما با کویل‌های هواساز و ضریب کنار گذر (Bypass Factor)
دمای هوای داخل ساختمان توسط کنترل میزان آب سرد عبوری از کویل برودتی هواساز تنظیم می‌شود.
• کویل گرمایی یا سرمایی که با آب گرم یا آب سرد کار می‌کند، نوعی مبدل حرارتی است که انتقال حرارت بین آب و هوا در آن انجام می‌گیرد.
• این کویل‌ها از ردیف لوله‌های موازی تشکیل شده و برای افزایش سطح انتقال حرارت، روی لوله‌ها پره‌هایی (فین) نصب شده است.
نکته مهم :
• تمام هوای عبوری از کویل به طور کامل با سطح کویل تماس ندارد و بخش کمی از هوا بدون انتقال حرارت از کویل عبور می‌کند.
• مقدار هوای عبوری بدون انتقال حرارت به تعداد و فاصله لوله‌ها، نوع و تعداد فین‌ها و سرعت هوا بستگی دارد.
• نسبت هوای عبوری بدون انتقال حرارت به کل هوای عبوری از کویل را ضریب کنار گذر (Bypass Factor) می‌نامند.
در خروجی کویل، هوای عبوری از کویل و هوای ByPass شده با هم مخلوط می‌شوند و دمای نهایی هوا را تشکیل می‌دهند.
• این ترکیب در نمودار سایکرومتریک به صورت یک مسیر انتقال حرارت نشان داده می‌شود که شامل کاهش دما و در صورت نیاز رطوبت‌گیری نیز می‌شود.
اثر ضریب کنار گذر (Bypass Factor) و محدودیت هواسازهای ساده
هوای عبوری از کویل هواساز به دو دسته تقسیم می‌شود :
1. هوای در تماس با کویل که انتقال حرارت با آن انجام شده و شرایط آن نقطه D روی نمودار سایکرومتریک است.
2. هوای ByPass شده که بدون انتقال حرارت از کویل عبور کرده و شرایط آن نقطه C است.
• هوای خروجی از کویل در نهایت مخلوطی از این دو جریان است و شرایط آن روی نمودار در نقطه E قرار دارد.
• با افزایش مقدار ضریب کنار گذر (B.P.F)، فاصله بین نقاط E و D بیشتر می‌شود و در نتیجه هوای خروجی کمتر به شرایط ایده‌آل کویل نزدیک می‌شود.
انتخاب مقدار مناسب B.P.F بستگی به نوع کاربری ساختمان و نیاز به کنترل دما و رطوبت دارد.
محدودیت هواسازهای ساده :
• این نوع هواسازها قادر به کنترل دقیق دما و رطوبت نسبی هوای خروجی نیستند.
• همچنین توانایی کنترل جداگانه دما و رطوبت فضاهای مختلف ساختمان را ندارند.
به همین دلیل، برای ساختمان‌هایی با نیازهای متفاوت در هر فضا، از انواع هواساز پیشرفته‌تر استفاده می‌شود که توانایی کنترل دقیق دما و رطوبت نسبی در فضاهای مختلف را دارند.
نتیجه‌گیری
دستگاه‌های هواساز به‌عنوان ستون فقرات سیستم‌های تهویه مطبوع، نقش حیاتی در تأمین آسایش حرارتی، کیفیت هوا و بهبود بهره‌وری محیط‌های داخلی ایفا می‌کنند. مطالعه و درک عمیق عملکرد این تجهیزات، از جمله چگونگی ترکیب هوای تازه و برگشتی، عبور جریان هوا از کویل‌های حرارتی و برودتی، فیلتراسیون، رطوبت‌زنی و توزیع هوا، به مهندسان و مدیران ساختمان این امکان را می‌دهد که طراحی و بهره‌برداری سیستم‌های تهویه را بهینه کرده و شرایطی پایدار و مطلوب برای ساکنان فراهم کنند. کنترل دما و رطوبت در هواسازها، چه به صورت مرکزی و چه به شکل کنترل اتاقی، ابزاری کلیدی برای مدیریت تغییرات بار حرارتی و رطوبتی ساختمان است. مفاهیمی مانند ضریب کنار گذر، نمودار سایکرومتریک، فرآیند سرمایش محسوس و نهان و رطوبت‌گیری، معیارهای فنی و علمی هستند که عملکرد واقعی هواسازها را تعیین می‌کنند و به مهندسان کمک می‌کنند تا سیستم را مطابق با نیازهای خاص هر فضا تنظیم نمایند. علاوه بر این، انتخاب هواساز مناسب با توجه به دبی هوا، فشار استاتیک و بار حرارتی ساختمان، تاثیر مستقیم بر مصرف انرژی، کارایی سیستم و آسایش کاربران دارد. در نهایت، مدیریت هوشمند و طراحی دقیق هواسازها باعث می‌شود که نه تنها دمای هوای داخل ساختمان در محدوده آسایش حفظ شود، بلکه کیفیت هوای تنفسی، رطوبت نسبی و شرایط کلی محیطی نیز بهینه شوند. بهره‌گیری از فناوری‌های پیشرفته در کنترل، فیلتراسیون و رطوبت‌گیری، امکان پاسخگویی به نیازهای متنوع فضاها و کاهش محدودیت‌های هواسازهای ساده را فراهم می‌آورد. بنابراین، هواسازها نه‌تنها وسیله‌ای برای تأمین دما بلکه ابزاری جامع برای ارتقای کیفیت زندگی، سلامت و رفاه ساکنان در ساختمان‌های مدرن محسوب می‌شوند.