بخش چهارم :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش بعدی و قبلی را مطالعه کنید.
مقدمه
در دنیای امروز که بهره‌وری انرژی به یکی از ارکان اصلی طراحی و بهره‌برداری از ساختمان‌ها تبدیل شده است، استفاده از منابع انرژی بازیافتی جایگاه ویژه‌ای یافته است. یکی از این منابع، گرمای بازیافتی تولید شده توسط چیلرها و تجهیزات سرمایشی است که با برنامه‌ریزی صحیح می‌تواند در قالب آب گرم، پاسخ‌گوی طیف گسترده‌ای از نیازهای عملیاتی در انواع ساختمان‌ها باشد. چه در بیمارستان‌ها و هتل‌ها که نیاز مداوم به آب گرم دارند، چه در دانشگاه‌ها، مجموعه‌های ورزشی و یا برج‌های مسکونی که مصرف دوره‌ای و قابل پیش‌بینی دارند، آب گرم تولیدشده از سیستم‌های بازیابی گرما می‌تواند به عنوان یک راه‌حل پایدار، اقتصادی و کارآمد مورد استفاده قرار گیرد. اما آنچه این فرآیند را مؤثر و موفق می‌سازد، تنها داشتن فناوری نیست، بلکه شناخت دقیق از نوع ساختمان، الگوی مصرف انرژی و همزمانی نیاز به گرمایش و سرمایش است. در واقع، برای دستیابی به بالاترین سطح کارایی، لازم است طراحان از همان مراحل اولیه درک عمیقی از نیازهای گرمایی هر فضا داشته باشند تا بتوانند با بهره‌گیری از تکنولوژی‌های موجود، طرح‌هایی خلق کنند که ضمن کاهش مصرف سوخت‌های فسیلی، به الزامات زیست‌محیطی نیز پاسخ مثبت دهند.
کاربردهای متنوع آب گرم در انواع ساختمان‌ها
برای دستیابی به بیشترین بهره‌وری از سیستم‌های بازیابی گرما، درک دقیق از نوع ساختمان، الگوی مصرف انرژی و نحوه بهره‌برداری از گرمای بازیافت‌شده، امری کلیدی به شمار می‌رود. آب گرم حاصل از چیلرهای گرما بازیافتی می‌تواند در طیف وسیعی از کاربردهای عملیاتی مانند گرمایش فضا، کویل‌های پیش‌گرمایش و بازگرمایش، تأمین دمای مطلوب استخرها، پیش‌گرمایش آب مصرفی و حتی فرآیندهای صنعتی استفاده شود.
با این حال، موفقیت در استفاده از این سامانه وابسته به وجود همزمان نیاز به سرمایش و گرمایش در ساختمان است. این همزمانی باید در مرحله طراحی به دقت بررسی و مدل‌سازی شود تا بتوان از قابلیت تولید توأمان آب سرد و آب گرم به‌درستی بهره‌برداری کرد. در ادامه به برخی از رایج‌ترین سناریوهای استفاده از آب گرم در کاربری‌های مختلف اشاره می‌شود :
مراکز اقامتی و گردشگری
در فضاهایی نظیر هتل‌ها، متل‌ها و مجموعه‌های تفریحی، آب گرم نقشی حیاتی ایفا می‌کند. این سیال حرارتی نه تنها در مصرف روزمره برای دوش، شست‌وشو، و آشپزخانه به کار می‌رود، بلکه برای مصارفی نظیر گرم‌کردن استخرهای شنا و تأمین نیاز خشکشوییها نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
مراکز آموزشی و ورزشی
دانشگاه‌ها، مدارس و باشگاه‌های ورزشی از دیگر فضاهایی هستند که نیاز بالایی به آب گرم دارند. در این مجموعه‌ها، مصرف آب گرم در رختکن‌ها، سرویس‌های بهداشتی، و استخرها یکی از بخش‌های پرمصرف انرژی به شمار می‌رود. بازیابی گرمای هدررفته می‌تواند به میزان چشمگیری هزینه‌ها را کاهش دهد.
خوابگاه‌ها و اقامتگاه‌های دانشجویی
سالن‌های اقامت جمعی، مانند خوابگاه‌های دانشگاهی، معمولاً دارای چرخه‌های متناوب مصرف آب گرم هستند که شامل دوش، رخت‌شویی، شست‌وشو و خدمات آشپزخانه می‌شود. وجود چنین الگوهای منظمی، این فضاها را به گزینه‌ای مناسب برای بهره‌برداری از گرمای بازیافتی تبدیل می‌کند.
بیمارستان‌ها و مراکز درمانی
در محیط‌های درمانی، تأمین پیوسته و مطمئن آب گرم برای اتاق‌های بیماران، سیستم‌های شست‌وشو و آشپزخانه‌ها ضروری است. بازیابی انرژی در این محیط‌ها علاوه بر صرفه‌جویی اقتصادی، به کاهش بار سیستم گرمایشی مرکزی نیز کمک شایانی می‌کند.
واحدهای مسکونی بزرگ و برج‌های آپارتمانی
در پروژه‌های مسکونی چندواحدی، آب گرم به‌طور گسترده برای استفاده در حمام، ماشین لباس‌شویی، آشپزخانه و فضاهای خدماتی کاربرد دارد. بهره‌گیری از آب گرم بازیافتی در این ساختمان‌ها، نه‌تنها باعث کاهش هزینه‌های انرژی می‌شود، بلکه نیاز به استفاده از دیگ‌های بخار سنتی را نیز به حداقل می‌رساند.
کاربردهای ویژه در سیستم‌های بازیابی حرارت: تمرکز بر کویل‌های بازگرمایش
یکی از مهم‌ترین موارد استفاده از گرمای بازیافتی، تأمین انرژی مورد نیاز برای کویل‌های بازگرمایش است. بر اساس استاندارد ASHRAE 90.1-2007، استفاده همزمان از سیستم‌های گرمایش و سرمایش به طور کلی ممنوع اعلام شده، مگر در شرایط خاص. یکی از استثناهای مهم این قانون، زمانی است که دست‌کم ۷۵٪ از انرژی مورد نیاز برای بازگرمایش هوا از منابع بازیافتی مانند گرمای دفع‌شده از کندانسور چیلر یا انرژی خورشیدی محل پروژه تأمین شود.
از این رو، طراحی یک سامانه بازگرمایش با بازیابی حرارت به نحوی که بتواند این مقدار از انرژی را تأمین کند، نه‌تنها قابل اجراست بلکه مطابق با الزامات آیین‌نامه‌ای نیز خواهد بود. دمای آب داغ حاصل از بازیابی حرارت، که معمولاً در بازه‌ای بین 105 تا 131 درجه فارنهایت قرار دارد، به‌خوبی با نیازهای عملیاتی کویل‌های بازگرمایش مطابقت دارد.
سازگاری با سیستم‌های حجم هوای متغیر (VAV)
در بسیاری از سیستم‌های VAV که از کویل‌های بازگرمایش استفاده می‌کنند، دمای آب گرم مورد نیاز در همین بازه دمایی بازیافتی قرار دارد. برای افزایش بازدهی در این نوع سیستم‌ها، به جای استفاده از کویل‌های تک‌ردیفه، می‌توان از کویل‌های دو ردیفه بهره برد. این جایگزینی ساده اما مؤثر، امکان استفاده مطلوب از آب گرم با دمای کمتر را فراهم می‌آورد و مصرف انرژی سیستم را کاهش می‌دهد.
افزودن گرمایش کمکی برای شرایط خاص
در برخی موارد خاص که دمای آب گرم بالاتر از حد تأمین‌شده توسط بازیابی گرما مورد نیاز باشد، می‌توان از یک منبع گرمایش کمکی مانند دیگ آب‌گرم در کنار سیستم استفاده کرد. این دیگ کمکی در حلقه آب گرم بازیافتی قرار می‌گیرد و تنها زمانی وارد عمل می‌شود که دمای خروجی از چیلر بازیافتی به سطح مورد نظر نرسد.
آب گرم جبرانی برای مصارف خانگی :
یکی از کاربردهای مهم گرمای بازیافتی، استفاده از آن برای پیش‌گرم کردن آب گرم خانگی (آب آشامیدنی) است. این فرآیند به‌ویژه در ساختمان‌های مسکونی و تجاری می‌تواند به صرفه‌جویی در مصرف انرژی کمک کند. اما با این حال، بسیاری از مقررات ساختمانی نیازمند محافظت از منابع آب آشامیدنی در برابر آلودگی ناشی از سیالات انتقال حرارت سمی هستند.
برای نمونه، در ایالت نیویورک آمریکا، قانون لوله‌کشی به‌وضوح بیان می‌کند که "در مبدل‌های حرارتی که از سیالات سمی برای انتقال حرارت استفاده می‌کنند، باید آب آشامیدنی با یک ساختار دو جداره از سیال انتقال حرارت جدا شود، و یک شکاف هوای باز باید بین دو جداره قرار گیرد." این قانون به‌طور خاص برای جلوگیری از آلودگی آب آشامیدنی در سیستم‌های گرمایشی طراحی شده است.
در عین حال، روش‌های جایگزین برای جداسازی سیالات انتقال حرارت از منبع آب آشامیدنی وجود دارد. یکی از این روش‌ها استفاده از یک مبدل حرارتی میانی است که به‌طور مؤثر بین منبع آب آشامیدنی و آب گرم بازیافتی قرار می‌گیرد. این مبدل به گونه‌ای طراحی شده که از تماس مستقیم سیالات سمی با آب آشامیدنی جلوگیری کرده و در عین حال امکان انتقال گرما از آب گرم بازیافتی به آب آشامیدنی را فراهم می‌آورد. چنین روشی به‌ویژه برای سیستم‌های گرمایشی که نیازمند استانداردهای بهداشتی بالا هستند، کاربردی است.
گرمایش استخر و اسپا :
دمای آب در استخرهای شنا و اسپا باید در محدوده‌های خاصی نگه‌داشته شود تا شرایط مطلوب و ایمن برای کاربران فراهم گردد. طبق بسیاری از استانداردها، دمای آب اسپا معمولاً باید به 104 درجه فارنهایت محدود شود، در حالی که دمای مورد نظر برای استخرهای شنا معمولاً حدود 80 درجه فارنهایت است. خوشبختانه، این دماها در محدوده عملیاتی بسیاری از سیستم‌های بازیابی گرما قرار دارند، که استفاده از گرمای بازیافتی برای این مقاصد را ممکن و بهینه می‌کند.
یکی از چالش‌های خاص طراحی در این زمینه، حفاظت از کندانسور بازیابی حرارت در برابر اثرات خورنده آب استخر یا آب گرم اسپا است. به‌ویژه، غلظت بالای مواد ضدعفونی‌کننده مانند کلر، برم و کلرید سدیم که به‌طور معمول در آب استخرها و اسپاها یافت می‌شوند، می‌تواند باعث آسیب به اجزای فلزی کندانسور بازیابی حرارت شود و کارایی آن را کاهش دهد.
برای مقابله با این مشکل، استفاده از یک مبدل حرارتی میانی با ساختار مقاوم در برابر خوردگی می‌تواند به‌طور مؤثر این چالش را حل کند. مبدل‌های حرارتی مقاوم در برابر خوردگی نه‌تنها به افزایش عمر مفید تجهیزات کمک می‌کنند، بلکه امکان استفاده بهینه از گرمای بازیافتی را در محیط‌های خورنده فراهم می‌آورند. طراحی این مبدل‌ها باید با توجه به شرایط خاص آب استخر و اسپا، از جمله ترکیب شیمیایی آب و دمای مطلوب، صورت گیرد.
گرمایش آب در خشکشوییها :
خشک‌شویی‌های تجاری به طور معمول از مقادیر زیادی آب برای فرآیند شستشو استفاده می‌کنند. این اماکن شامل انواع مختلفی از تأسیسات مانند متل‌ها، هتل‌ها، خانه‌های سالمندان، زندان‌ها، دانشگاه‌ها و بیمارستان‌ها می‌شوند. از آنجایی که مصرف آب در این مکان‌ها بسیار بالاست، می‌توان با پیش‌گرم کردن مقادیر زیادی آب جبرانی مورد استفاده در این تأسیسات، به‌طور چشمگیری در مصرف انرژی صرفه‌جویی کرد.
توجه : بسیاری از سیستم‌های پکیج لباس‌شویی خود دارای سیستم بازیابی گرما هستند. در این سیستم‌ها، آب فاضلاب تخلیه‌شده معمولاً به اندازه کافی گرم است تا بتواند آب جبرانی را پیش‌گرم کند، که این امر به‌طور مستقیم در کاهش مصرف انرژی تأثیرگذار است.
کندانسور بازیابی گرما نه تنها گرمای مفید زیادی را تأمین می‌کند، بلکه نقش حیاتی در فرآیند تبرید ایفا می‌کند. دمای آب ورودی به کندانسور بر کنترل فشار حداکثر در سیکل تبرید چیلر تأثیرگذار است. اگر دمای آب ورودی به کندانسور بسیار سرد باشد، فشار حداکثر حاصل در سیکل تبرید می‌تواند بر عملکرد صحیح چیلر تأثیر منفی بگذارد.
اگر دمای آب ورودی به کندانسور در بازه 59 تا 104 درجه فارنهایت قرار گیرد، چیلر باید جریان آب کندانسور را به‌طور دقیق تنظیم کند تا فشار حداکثر مناسب حفظ شود. در این حالت، وجود یک شیر کنترل سه‌طرفه تنظیم‌کننده ضروری است.
هنگامی که دمای آب ورودی به کندانسور در این بازه باشد، سیستم کنترل فشار حداکثر در سیکل تبرید چیلر سیگنال آنالوگ را برای تنظیم موقعیت شیر سه‌طرفه ارسال می‌کند. این شیر باید به‌طور خودکار مسیر عبور جریان را بین 20 تا 100 درصد تنظیم کند تا سرعت جریان آب کندانسور به‌گونه‌ای کنترل شود که فشار حداکثر مناسب در چیلر حفظ شود. همچنین، شیر نباید اجازه دهد که جریان آب کندانسور کمتر از 20 درصد جریان کامل عبور کند.
ذوب برف :
در مناطق با آب و هوای سرد ملایم که نرخ بارش برف کم تا متوسط است، ساختمان‌هایی که به آب سرد برای خنک‌سازی در طول سال نیاز دارند، می‌توانند از آب گرم تولید شده توسط سیستم بازیابی گرما در چیلرها استفاده کنند. این آب گرم می‌تواند به طور همزمان برای ذوب برف استفاده شود، که به عنوان یک کاربرد مفید و چندمنظوره برای سیستم بازیابی حرارت محسوب می‌شود.
چالش اصلی در این کاربرد، حفظ دمای آب ورودی به کندانسور بازیابی گرما در بالای 59 درجه فارنهایت است. در شرایط خاص، زمانی که سیستم ذوب برف برای اولین بار فعال می‌شود، ممکن است دمای سیال به زیر این حد برسد. دمای پایین‌تر از 59 درجه فارنهایت می‌تواند عملکرد چیلر را مختل کند. بنابراین، کنترل دمای سیال به منظور اطمینان از اینکه آب ورودی به کندانسور در محدوده دمایی مناسب باقی می‌ماند، ضروری است. این کنترل معمولاً از طریق شیر سه‌طرفه تنظیم‌کننده که به کنترل فشار حداکثر در سیکل تبرید چیلر می‌پردازد، انجام می‌شود.
در مناطقی با آب و هوای بسیار سرد که دمای سیال می‌تواند به طور قابل توجهی کمتر از 59 درجه فارنهایت برسد، این دما خارج از محدوده‌های عملیاتی چیلرهای بازیابی حرارت است. در این شرایط، برای اطمینان از عملکرد صحیح چیلر، نیاز به دستگاه گرمایش کمکی مانند دیگ بخار احساس می‌شود. این دستگاه باید در مکان مناسب نصب شود تا اطمینان حاصل شود که دمای آب ورودی به چیلر بازیابی حرارت به اندازه کافی گرم شده و به چیلر اجازه می‌دهد که به درستی عمل کند.
شکل زیر مکان مناسب نصب دستگاه گرمایش کمکی را نشان می‌دهد تا دمای آب ورودی به محدوده عملیاتی چیلر برسد و از کارکرد صحیح سیستم اطمینان حاصل شود.
گرمایش فرایندی :
درک کامل نیازهای دمایی و چرخه فرایندهایی که قرار است توسط سیستم بازیابی گرمای چیلر پشتیبانی شوند، از اهمیت بالایی برخوردار است. معمولاً گرمایش فرایند با استفاده از آب‌هایی که برای مصارف غیر شرب به کار می‌روند، انجام می‌شود. با این حال، اگر آب مورد استفاده در فرآیند برای مصارف شرب باشد، باید اقدامات احتیاطی و مناسب به منظور جلوگیری از آلودگی آب آشامیدنی صورت گیرد. یکی از راهکارهای این جداسازی، استفاده از یک مبدل حرارتی میانی بین کندانسور بازیابی حرارت و منبع آب آشامیدنی است، که پیش‌تر به آن اشاره شد.
یکی از چالش‌های مهم در استفاده از سیستم بازیابی گرما برای گرمایش فرایند، طبیعت چرخه‌ای بار گرمایش فرایند است. این نوسانات بار می‌تواند بر عملکرد پایدار چیلر تأثیر منفی بگذارد اگر به درستی مدیریت نشود. به عبارت دیگر، تغییرات و نوسانات در نیازهای گرمایشی می‌توانند باعث عدم تطابق با ظرفیت سیستم بازیابی گرما شوند.
برای مقابله با این نوسانات و حفظ کارکرد بهینه سیستم، رعایت حداقل حجم حلقه سازنده توصیه می‌شود. این کار به کنترل تغییرات و حفظ پایداری دما در سیستم کمک می‌کند. علاوه بر این، مخزن ذخیره می‌تواند حجم مؤثری به سیستم اضافه کرده و به تثبیت دمای آب خروجی کمک کند، به ویژه در مواقعی که بار گرمایشی به طور موقت افزایش می‌یابد.
در نتیجه، توجه به این نکات می‌تواند از نوسانات دما جلوگیری کرده و عملکرد مطلوب سیستم بازیابی گرما را در فرآیندهای مختلف تضمین کند.
آشپزخانه :
در آشپزخانه‌های تجاری، استفاده از آب آشامیدنی گرم یکی از ضروریات است که نیاز به جداسازی دقیق بین کندانسور بازیابی حرارت و منبع آب آشامیدنی دارد. این جداسازی برای جلوگیری از هرگونه آلودگی آب آشامیدنی ضروری است و معمولاً با استفاده از مبدل حرارتی میانی انجام می‌شود.
یکی از کاربردهای ویژه در آشپزخانه‌های تجاری، شستشوی ظروف است. برای شستن ظروف در مقیاس تجاری، به دمای آب بالای 150 درجه فارنهایت نیاز است تا با قوانین لوله‌کشی و استانداردهای بهداشت محلی همخوانی داشته باشد. در این موارد، چیلر بازیابی گرما می‌تواند به عنوان یک سیستم پیش‌گرم‌کننده آب جبرانی عمل کند، همانطور که در شکل ۷ نشان داده شده است. این سیستم نه تنها به کاهش مصرف انرژی کمک می‌کند بلکه از گرمای بازیافتی برای تأمین آب داغ مورد نیاز استفاده می‌کند.
بنابراین، برای بهره‌برداری از گرمای بازیافتی در آشپزخانه‌های تجاری، طراحی و اجرای یک سیستم مناسب برای جداسازی آب آشامیدنی از سیالات انتقال حرارت ضروری است تا هم به عملکرد مطلوب سیستم و هم به رعایت استانداردهای بهداشتی و ایمنی اطمینان حاصل شود.
نتیجه‌گیری
کاربرد آب گرم حاصل از بازیابی گرما در ساختمان‌ها، فراتر از یک راهکار صرفاً فنی یا مهندسی است؛ این یک رویکرد همه‌جانبه به سمت پایداری انرژی، صرفه‌جویی اقتصادی و انطباق با مقررات زیست‌محیطی و بهداشتی است. از مراکز درمانی و آموزشی گرفته تا مجموعه‌های مسکونی و ورزشی، هر نوع ساختمان با توجه به نیازهای خاص خود می‌تواند از ظرفیت گرمایی بازیافت‌شده بهره‌مند شود، به شرط آن‌که طراحی سیستم با دقت و شناخت کامل از الگوهای مصرف انجام شود. با وجود چالش‌هایی مانند تطبیق دمای آب با فرآیندهای خاص، پیشگیری از آلودگی آب آشامیدنی، یا حفاظت از تجهیزات در برابر خوردگی، راهکارهای مهندسی متعددی مانند استفاده از مبدل‌های حرارتی میانی، کنترل‌کننده‌های هوشمند، و منابع گرمایش کمکی می‌توانند این موانع را برطرف کنند. به‌طور خلاصه، چنانچه این فناوری‌ها به‌درستی انتخاب و پیاده‌سازی شوند، می‌توان از آب گرم بازیافتی نه‌تنها برای تأمین نیازهای گرمایی روزمره، بلکه برای بهینه‌سازی عملکرد کلی سیستم‌های انرژی ساختمان استفاده کرد و گامی مؤثر در جهت توسعه پایدار و کاهش وابستگی به منابع انرژی اولیه برداشت.