بخش هشتم :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش‌های قبلی را مطالعه کنید.
مقدمه
هواسازهای هایژنیک فول فرش (Full Fresh) که تمامی هوای مورد نیاز خود را از هوای تازه تأمین می‌کنند، به علت نیاز به تنظیم دما و رطوبت هوای ورودی، مصرف انرژی زیادی دارند. این امر به‌ویژه در شرایط اقلیمی با تابستان‌های گرم و زمستان‌های سرد، به چالشی بزرگ تبدیل می‌شود. برای مقابله با این چالش، استفاده از سیستم‌های بازیافت حرارت به‌عنوان راه‌حلی مؤثر و کارآمد مطرح می‌شود. این سیستم‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که بدون اختلاط هوای تازه با هوای برگشتی، انرژی گرمایی هوای خروجی را بازیابی کرده و آن را به هوای ورودی منتقل می‌کنند.
سیستم‌های بازیافت حرارت (Heat Recovery Systems) در هواسازهای فول فرش (Full Fresh)
در هواسازهای هایژنیک فول فرش (Full Fresh)، تمامی هوای مورد نیاز برای تهویه و تنظیم شرایط محیطی از هوای تازه تأمین می‌شود. این امر می‌تواند مصرف انرژی را برای تغییر دمای هوای ورودی به هواساز به‌طور قابل توجهی افزایش دهد، خصوصاً در شرایط اقلیمی با تابستان‌های گرم و زمستان‌های سرد. برای مقابله با این چالش، استفاده از سیستم‌های بازیافت حرارت به‌عنوان راه‌حلی مؤثر در این هواسازها مطرح می‌شود.
مشکلات ناشی از تأمین هوای تازه
در هواسازهای معمولی، امکان استفاده از هوای خروجی (exhaust air) ساختمان وجود دارد. در این سیستم‌ها، هوای تازه و هوای برگشتی (return air) با هم ترکیب می‌شوند. این امر موجب کاهش مصرف انرژی برای تهویه می‌شود، چرا که انرژی حرارتی هوای خروجی می‌تواند برای پیش‌گرم کردن یا پیش‌سرد کردن هوای تازه مورد استفاده قرار گیرد. اما در هواسازهای هایژنیک فول فرش، به دلیل لزوم حفظ شرایط بهداشتی و جلوگیری از اختلاط هوای تازه با هوای برگشتی، این امکان وجود ندارد.
سیستم بازیافت حرارت
برای حل این مشکل، سیستم‌های بازیافت حرارت (Heat Recovery Systems) به‌کار می‌روند. این سیستم‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که بدون اختلاط هوای تازه و هوای برگشتی، می‌توان از انرژی حرارتی موجود در هوای خروجی استفاده کرد. در این سیستم‌ها، گرما، انرژی و رطوبت هوای خروجی از ساختمان بازیابی شده و به هوای تازه وارد شده به هواساز منتقل می‌شود. این فرآیند کمک می‌کند تا نیاز به تغییر دمای هوای تازه کاهش یابد و مصرف انرژی به‌طور قابل توجهی کاهش یابد.
انواع سیستم‌های بازیافت حرارت در هواسازهای هایژنیک
بسته به نوع سیستم بازیافت حرارت، می‌توان چندین نوع مختلف از این سیستم‌ها را در هواسازهای هایژنیک به‌کار برد :
1. مبدل‌های حرارتی (Heat Exchangers) : مبدل‌های حرارتی با استفاده از لوله‌ها و صفحات حرارتی، گرما را از هوای خروجی به هوای ورودی منتقل می‌کنند بدون اینکه دو جریان هوا با هم مخلوط شوند. این سیستم‌ها معمولاً از مواد مقاوم به خوردگی و آلودگی ساخته می‌شوند تا در محیط‌های حساس بهداشتی عملکرد بهینه داشته باشند.
2. سازگاری با رطوبت (Energy Recovery Wheels) : این نوع سیستم‌ها قادر به بازیافت گرما و رطوبت به‌طور همزمان هستند. به‌ویژه در فضاهایی که نیاز به کنترل دقیق رطوبت دارند، این سیستم‌ها می‌توانند به حفظ تعادل رطوبت و دما کمک کنند.
3. مبدل‌های حرارتی دو فازی (Thermal Wheel or Desiccant Wheels) : این سیستم‌ها قادرند همزمان گرما و رطوبت را بازیابی کنند و به‌ویژه در فضاهای دارای نیاز به تهویه دقیق هوای تازه با شرایط مشخص (مثل اتاق‌های تمیز) بسیار مؤثر هستند.
مزایای سیستم‌های بازیافت حرارت
• کاهش مصرف انرژی : با استفاده از انرژی موجود در هوای خروجی برای پیش‌گرم کردن یا پیش‌سرد کردن هوای تازه، نیاز به انرژی برای تغییر دمای هوای ورودی به حداقل می‌رسد.
• حفظ کیفیت هوای تازه : بدون اختلاط هوای تازه با هوای برگشتی، از آلودگی هوا جلوگیری می‌شود و کیفیت هوای ورودی به فضای حساس حفظ می‌شود.
• کاهش هزینه‌های عملیاتی : کاهش نیاز به تأمین انرژی برای گرمایش و سرمایش هوای تازه، به‌طور مستقیم به کاهش هزینه‌های عملیاتی هواسازهای هایژنیک می‌انجامد.
به طور کلی، استفاده از سیستم‌های بازیافت حرارت در هواسازهای هایژنیک نه تنها به بهبود راندمان انرژی کمک می‌کند، بلکه به حفظ شرایط بهداشتی و ایمنی فضاهای حساس نیز می‌پردازد.
انواع سیستم‌های بازیافت حرارت
سیستم‌های بازیابی حرارت در هواسازهای هایژنیک به‌طور کلی در جهت کاهش مصرف انرژی و افزایش کارایی سیستم طراحی شده‌اند. این سیستم‌ها به‌طور ویژه در هواسازهای فول فرش که تمامی هوای ورودی خود را از هوای تازه تأمین می‌کنند، مورد استفاده قرار می‌گیرند تا انرژی موجود در هوای خروجی بازیابی شده و برای تنظیم دمای هوای ورودی استفاده شود. یکی از انواع مهم سیستم‌های بازیافت حرارت، چرخ حرارتی است که در ادامه توضیح داده می‌شود :
1. چرخ حرارتی (Thermal Wheel)
چرخ حرارتی یک سیستم بازیافت حرارت کارآمد است که می‌تواند بسته به شرایط محیطی و نیاز به تنظیم دما و رطوبت، انرژی زیادی را بازیابی کند. این سیستم به‌ویژه در فضاهایی با نیاز به تهویه مداوم و انرژی کم مصرف بسیار مؤثر است.
• عملکرد چرخ حرارتی :
در این سیستم، روتور چرخ حرارتی که از مواد آلومینیومی ساخته شده، در دو جریان هوای متفاوت قرار می‌گیرد :
o نیمه بالای روتور در مسیر هوای اِگزاست قرار دارد که انرژی گرمایی هوای خروجی را جذب می‌کند.
o نیمه پایینی روتور در مسیر هوای تازه ورودی قرار می‌گیرد. پس از چرخش روتور، انرژی جذب شده از هوای خروجی به هوای تازه منتقل می‌شود و هوای تازه وارد شده به هواساز با استفاده از انرژی بازیابی‌شده از هوای خروجی، به دمای مطلوب می‌رسد.
• ساختار چرخ حرارتی : قاب چرخ حرارتی معمولاً از فولاد گالوانیزه ساخته شده و تیغه‌های روتور از آلومینیوم هستند. این مواد برای حفظ وزن کم و در عین حال مقاومت بالا در برابر خوردگی و شرایط محیطی مختلف انتخاب می‌شوند.
• کاربرد و مزایا :
o بازیابی انرژی بالا : این سیستم‌ها می‌توانند تا 90٪ انرژی هوای خروجی را بازیابی کنند و آن را برای گرم یا سرد کردن هوای ورودی استفاده نمایند.
o عملکرد بهینه در شرایط محیطی مختلف: بسته به نوع استفاده و شرایط محیطی، سرعت روتور می‌تواند ثابت یا متغیر باشد. در این صورت، کارایی سیستم متناسب با نیازها و شرایط تغییر می‌کند.
o افت فشار : طراحی چرخ حرارتی باید به‌گونه‌ای باشد که افت فشار هوای رفت و برگشت (exhaust & supply) به حداقل برسد تا کارایی سیستم به حداکثر برسد.
• نگهداری و تمیزکاری :
o سیستم‌های چرخ حرارتی معمولاً دارای درب‌های سرویس هستند که می‌توانند برای نگهداری و تمیزکاری آسان در دسترس قرار گیرند. این ویژگی به‌ویژه در محیط‌های با هوای آلوده یا پر از ذرات معلق از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
o در شرایط محیطی خورنده، پوشش‌های اپوکسی می‌توانند برای مقاوم‌سازی سیستم در برابر خوردگی استفاده شوند.
چرخ حرارتی یکی از موثرترین و کارآمدترین سیستم‌ها برای بازیابی انرژی در هواسازهای هایژنیک به شمار می‌رود و می‌تواند به طور قابل توجهی در کاهش مصرف انرژی و بهبود کارایی سیستم تهویه کمک کند.
مبدل حرارتی صفحه‌ای (Plate Heat Exchanger)
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای یکی از انواع سیستم‌های بازیافت حرارت هستند که برای تبادل حرارت بین هوای تازه و هوای خروجی از ساختمان (اگزاست) در هواسازهای هایژنیک استفاده می‌شوند. این مبدل‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که انرژی موجود در هوای خروجی را به هوای ورودی منتقل کنند بدون اینکه تماس مستقیم بین دو جریان هوا رخ دهد. این طراحی باعث بهبود کارایی و کاهش مصرف انرژی در هواسازهای فول فرش می‌شود.
ساختار و عملکرد :
• فریم و پره‌ها :
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای از یک فریم و تعدادی پره ساخته شده‌اند که به‌طور موازی یا متقاطع در کنار هم قرار می‌گیرند. این صفحات معمولا از آلومینیوم، سلولز یا مواد پلاستیکی متخلخل ساخته می‌شوند و طراحی آنها به گونه‌ای است که چندین کانال مختلف برای جریان هوا ایجاد می‌شود تا تبادل حرارت بین هوای تازه و هوای خروجی صورت گیرد.
• جریان هوا :
در این سیستم، هوای تازه و هوای خروجی به گونه‌ای از هم جدا می‌شوند که انرژی گرمایی از هوای خروجی به هوای تازه منتقل می‌شود بدون آنکه تماس مستقیم میان دو جریان هوا رخ دهد. این امر مانع از اختلاط دو جریان هوا می‌شود و راندمان سیستم را بهبود می‌بخشد.
• راندمان :
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای معمولاً راندمانی در حدود 85٪ دارند، که به این معنی است که تا 85 درصد از انرژی گرمایی موجود در هوای خروجی می‌تواند به هوای تازه منتقل شود. این کار باعث کاهش نیاز به انرژی برای گرم یا سرد کردن هوای ورودی به هواساز می‌شود.
مزایای مبدل حرارتی صفحه‌ای :
• افزایش راندمان انرژی :
این مبدل‌ها می‌توانند به‌طور مؤثری انرژی گرمایی موجود در هوای خروجی را بازیابی کرده و به هوای تازه منتقل کنند. این امر موجب کاهش مصرف انرژی برای سرمایش یا گرمایش هوای ورودی به هواساز می‌شود.
• پیشگیری از اختلاط هوا :
طراحی مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای به‌گونه‌ای است که اختلاط بین هوای تازه و هوای خروجی را به حداقل می‌رساند و این به بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان کمک می‌کند.
• امکان نصب فیلتر :
می‌توان فیلترهایی را روی مبدل نصب کرد تا علاوه بر فیلتراسیون هوا، به یکنواختی جریان هوا نیز کمک کنند. این ویژگی می‌تواند باعث بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان و کاهش آلاینده‌ها شود.
• مناسب برای محیط‌های خورنده :
اگر پروژه در محیط‌های خورنده اجرا شود، می‌توان از پوشش‌های اپوکسی برای محافظت از مبدل در برابر خوردگی استفاده کرد.
مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای به عنوان یک گزینه بسیار کارآمد برای بازیابی حرارت و انرژی در هواسازهای هایژنیک شناخته می‌شوند و می‌توانند تأثیر زیادی در کاهش مصرف انرژی و بهبود کیفیت هوای داخل ساختمان داشته باشند.
سیستم‌های بازیابی حرارت ترکیبی (Combined Cycle)
سیستم‌های بازیابی حرارت ترکیبی که گاهی اوقات به آنها بازیاب آبی گفته می‌شود، یکی از گزینه‌های کارآمد برای انتقال انرژی گرمایی از هوای خروجی (اگزاست) به هوای ورودی (تازه) در هواسازهای هایژنیک هستند. این سیستم‌ها معمولاً از ترکیب دو کویل Fin & Tube تشکیل می‌شوند و به‌ویژه در مناطقی که نیاز به حفظ کیفیت هوای داخل ساختمان و جلوگیری از اختلاط هوای تازه و هوای خروجی وجود دارد، بسیار مناسب هستند.
ساختار و عملکرد :
• کویل اول (در مسیر هوای اگزاست) :
در این بخش، هوای خروجی از ساختمان که معمولاً دارای انرژی گرمایی بالایی است، از روی کویل اول عبور می‌کند. این کویل به‌عنوان جاذب انرژی عمل کرده و گرما را از هوای اگزاست دریافت می‌کند.
• کویل دوم (در مسیر هوای تازه) :
پس از جذب گرما در کویل اول، سیال حامل انرژی (آب) به کویل دوم که در مسیر هوای تازه قرار دارد، منتقل می‌شود. در کویل دوم، آب گرمای جذب شده را به هوای تازه منتقل می‌کند، به‌گونه‌ای که هوای ورودی به هواساز پیش از ورود به سیستم، تا حد زیادی از انرژی گرمایی بهره‌مند می‌شود.
مزایای سیستم بازیابی حرارت ترکیبی :
• عدم اختلاط هوای تازه و اگزاست :
این سیستم به دلیل استفاده از دو کویل مجزا و انتقال انرژی از طریق سیال حامل (آب)، از اختلاط هوای تازه و هوای خروجی جلوگیری می‌کند که یکی از الزامات اصلی در هواسازهای هایژنیک است.
• بازیابی انرژی :
سیستم ترکیبی به‌طور مؤثر انرژی موجود در هوای خروجی را به هوای تازه منتقل می‌کند، که به کاهش نیاز به سیستم‌های سرمایشی و گرمایشی برای هوای ورودی کمک می‌کند و در نتیجه مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.
• عملکرد بهینه در فصل‌های مختلف :
این سیستم برای استفاده در مناطق با دمای متغیر و حتی در اقلیم‌های سردسیر که احتمال کندانس شدن و یخ زدگی وجود دارد، طراحی شده است. در چنین شرایطی، سینی‌های درین باید به‌طور استاندارد پیش‌بینی شوند تا از تجمع رطوبت و یخ زدگی جلوگیری شود.
نکات طراحی و انتخاب :
• سرعت بهینه هوا روی کویل :
برای عملکرد بهتر این سیستم‌ها، باید سرعت جریان هوا در کنار کویل‌ها بهینه باشد تا تبادل حرارت به‌طور مؤثر انجام گیرد.
• افت فشار سمت هوا :
کاهش افت فشار هوا در مسیر عبور از کویل‌ها از جمله مواردی است که در طراحی این سیستم‌ها باید مدنظر قرار گیرد.
• خطر یخ زدگی :
در مناطق سردسیر، برای جلوگیری از یخ زدگی آب در کویل اول، طراحی مناسب سینی درین و سیستم‌های ضد یخ‌زدگی ضروری است.
• رژیم آب در گردش :
برای تنظیم دمای سیستم، رژیم آب در گردش معمولاً بر اساس اختلاف دمای بین هوای داخلی و هوای بیرون تعیین می‌شود.
کاربردها :
این نوع سیستم بازیابی حرارت به‌ویژه برای هواسازهای هایژنیک مناسب است زیرا توانایی انتقال حرارت را بدون اختلاط هوای تازه و هوای خروجی فراهم می‌آورد. این ویژگی موجب حفظ کیفیت هوا و افزایش کارایی سیستم می‌شود. این سیستم‌ها معمولاً در شرایطی که نیاز به حفظ بهداشت بالا وجود دارد، مانند بیمارستان‌ها، اتاق‌های تمیز (Cleanrooms) و محیط‌های آزمایشگاهی، استفاده می‌شوند.
سیستم‌های بازیابی حرارت با لوله گرمایی (Heat Pipe)
سیستم‌های بازیابی حرارت لوله گرمایی یک روش بسیار کارآمد و ساده برای انتقال انرژی حرارتی از هوای خروجی (اگزاست) به هوای ورودی (تازه) است. این سیستم‌ها به‌ویژه در هواسازهای هایژنیک برای حفظ کیفیت هوای داخل و بهینه‌سازی مصرف انرژی استفاده می‌شوند.
ساختار و عملکرد :
سیستم لوله‌های گرمایی معمولاً از یک سیستم بسته شامل دو کویل مسی تشکیل شده‌اند که با مبرد شارژ شده‌اند. عملکرد این سیستم به شرح زیر است :
• کویل اول (در مسیر هوای اگزاست) :
هوای خروجی از ساختمان که معمولاً دارای انرژی گرمایی بالاست، از روی کویل اول عبور می‌کند. در این فرآیند، گرما از هوای خروجی به مبرد موجود در کویل منتقل می‌شود.
• کویل دوم (در مسیر هوای تازه) :
پس از انتقال انرژی گرمایی به مبرد در کویل اول، مبرد به سمت کویل دوم حرکت کرده و در آنجا گرمای جذب‌شده را به هوای تازه منتقل می‌کند.
ویژگی‌ها و مزایا :
• انتقال حرارت بدون اختلاط :
این سیستم به‌طور مؤثر و بدون اختلاط هوای تازه و هوای اگزاست انرژی گرمایی را منتقل می‌کند. این ویژگی برای هواسازهای هایژنیک ضروری است، زیرا اختلاط هوای تازه و هوای اگزاست ممکن است باعث آلوده شدن هوای ورودی شود.
• تغییر فاز مبرد :
در این فرآیند، مبرد موجود در کویل‌ها تغییر فاز می‌دهد (از مایع به گاز و بالعکس)، که باعث انتقال حرارت از هوای گرم به هوای سرد می‌شود. این ویژگی باعث می‌شود که سیستم‌های لوله گرمایی به‌طور مؤثر و سریع انرژی گرمایی را منتقل کنند.
• راندمان بالا :
بسته به شرایط کاری و طراحی، راندمان این سیستم‌ها می‌تواند تا 70٪ برسد. این راندمان به شدت به شرایط آب و هوایی و نوع سیستم بستگی دارد.
• نوع سیستم‌ها :
لوله‌های گرمایی می‌توانند به صورت‌های مختلف طراحی شوند :
o کفش اسب (Horse-Shoe) :
این نوع طراحی به‌ویژه در فضاهایی با نیاز به عملکرد خاص و محدودیت‌های فضایی کاربرد دارد.
o نوع عمودی و افقی:
این نوع طراحی‌ها بسته به فضای موجود و نیازهای کاربردی مختلف، قابل انتخاب هستند.
نکات طراحی :
• عدم بای‌پس (Bypass) :
در سیستم لوله‌های گرمایی، هیچ‌گونه بای‌پسی برای عبور هوای اگزاست بدون تبادل حرارت وجود ندارد، که به این معناست که تمامی هوای عبوری از روی کویل‌ها باید حتماً در فرآیند تبادل حرارت شرکت کند.
• بازیابی حرارت یک طرفه :
این سیستم‌ها به‌طور عمده برای شرایطی استفاده می‌شوند که یکی از فصول (تابستان یا زمستان) از اهمیت بیشتری برخوردار است. به‌طور مثال، در مناطق سردسیر که نیاز به گرمایش هوا در فصل زمستان مهم‌تر است، استفاده از این سیستم‌ها می‌تواند بهترین نتیجه را بدهد.
کاربردها :
این نوع سیستم بازیابی حرارت برای پروژه‌هایی که نیاز به حفظ کیفیت هوا و انرژی بهینه دارند، مناسب است. به‌ویژه در هواسازهای هایژنیک، که نیاز به جلوگیری از اختلاط هوای تازه و هوای برگشت و همچنین بازیابی انرژی به‌طور مؤثر وجود دارد، سیستم‌های لوله گرمایی می‌توانند گزینه‌ای عالی باشند.
نتیجه‌گیری
در نهایت، سیستم‌های بازیافت حرارت در هواسازهای هایژنیک فول فرش نه تنها مصرف انرژی را کاهش می‌دهند بلکه به حفظ کیفیت هوای داخل ساختمان و جلوگیری از آلودگی‌های احتمالی کمک می‌کنند. انواع مختلف سیستم‌های بازیافت حرارت، از جمله چرخ حرارتی، مبدل‌های حرارتی صفحه‌ای، سیستم‌های بازیابی حرارت ترکیبی و لوله‌های گرمایی، هرکدام با ویژگی‌ها و مزایای خاص خود، به بهبود کارایی و کاهش هزینه‌های انرژی کمک می‌کنند. با بهره‌گیری از این سیستم‌ها، می‌توان به‌طور مؤثری عملکرد هواسازهای هایژنیک را بهینه کرده و در عین حال از تأثیرات منفی تغییرات دمایی بر روی کیفیت محیط جلوگیری نمود.