بخش دوم :
جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش قبلی و بعدی را مطالعه کنید.
مقدمه
طراحی تأسیسات مرکزی سرمایش و گرمایش به‌عنوان یکی از مؤلفه‌های کلیدی در ایجاد آسایش حرارتی و بهینه‌سازی مصرف انرژی، نقشی حیاتی در بهره‌وری ساختمان‌ها دارد. این سیستم‌ها، نه‌تنها وظیفه تأمین دمای مطلوب را بر عهده دارند، بلکه با مدیریت مصرف سوخت و انرژی، می‌توانند اثرات زیست‌محیطی را به حداقل برسانند. در این متن، اصول طراحی، انواع تجهیزات و روش‌های بهینه‌سازی این سیستم‌ها بررسی می‌شود تا راهنمایی کاربردی برای مهندسان و طراحان ارائه گردد.
رایج‌ترین سیستم‌های تأسیسات مرکزی سرمایش و گرمایش
گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها نیازمند استفاده از سیستم‌های تأسیساتی مناسب است که می‌توانند به طور مؤثر دما را در محیط تنظیم کنند. یکی از روش‌های رایج برای گرمایش استفاده از بویلرهاست. بویلرها با استفاده از سوخت‌هایی مانند گاز، گازوئیل یا برق، آب گرم یا بخار تولید کرده و این آب یا بخار به دستگاه‌های فن‌کویل و هواساز ساختمان منتقل می‌شود. برای سرمایش نیز از چیلرها استفاده می‌شود. چیلرها وظیفه خنک‌کردن آب را بر عهده دارند و آب سرد تولید شده از چیلرها به سیستم‌های داخلی مانند فن‌کویل و هواساز ارسال می‌شود.
در انتخاب چیلر برای سیستم سرمایش، دو نوع چیلر تراکمی و جذبی وجود دارد. چیلر تراکمی به دلیل بازدهی بالاتر، هزینه‌های نگهداری کمتر و سازگاری با انواع مختلف شرایط محیطی، پرکاربردتر است. در مقابل، چیلر جذبی به‌ویژه در مکان‌هایی که انرژی حرارتی ارزان یا مازاد دارند، مانند برخی صنایع خاص، گزینه مناسبی به شمار می‌آید.
برای انتقال حرارت و برودت در ساختمان، از فن‌کویل‌ها و هواسازها استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها با استفاده از آب سرد یا گرم، دمای هوا را در محیط تنظیم می‌کنند. فن داخلی این دستگاه‌ها هوا را از روی کویل‌ها عبور داده و با تنظیم دما، آن را به گردش در می‌آورد. آب سرد یا گرم از طریق لوله‌کشی مرکزی و با کمک پمپ‌ها به تمام نقاط ساختمان منتقل می‌شود.
علاوه بر بویلرها و چیلرها، تجهیزات دیگری نیز برای تأسیسات مرکزی ساختمان‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. سیستم‌های VRF (Variable Refrigerant Flow) به دلیل کنترل دقیق‌تر و امکان تنظیم مستقل دما برای هر واحد، بسیار محبوب هستند. همچنین، وی آر اف از نوع (GHP) به عنوان گزینه‌ای با مصرف انرژی بهینه شناخته می‌شود. در محیط‌های صنعتی یا مناطق خشک، سیستم‌هایی مانند ایرواشر و زنت نیز به‌کار گرفته می‌شوند.
اصول طراحی سیستم‌های تأسیساتی باید بر اساس نیاز ساختمان، منابع موجود و مسائل زیست‌محیطی باشد. انتخاب تجهیزات باید با در نظر گرفتن راندمان بالا صورت گیرد، مانند استفاده از چیلر تراکمی و بویلرهای پیشرفته. همچنین، انعطاف‌پذیری در طراحی سیستم‌ها، امکان ادغام تجهیزات مختلف برای پاسخ به نیازهای متنوع ساختمان‌ها را فراهم می‌کند. برای توزیع یکنواخت حرارت و برودت، طراحی دقیق لوله‌کشی و کانال‌کشی بسیار ضروری است تا از نوسانات دمایی جلوگیری شود. با توجه به نوع پروژه و شرایط خاص ساختمان، می‌توان سیستمی کارآمد، اقتصادی و سازگار با نیازهای آن ایجاد کرد.
ملاحظات نکات در تأسیسات مرکزی
1. پمپ‌های مرکزی توزیع آب سرد
پمپ‌های مرکزی توزیع آب سرد، وظیفه توزیع آب سرد تولید شده در چیلر را به تجهیزات مختلفی مانند هواساز و فن‌کویل‌ها بر عهده دارند. طراحی این سیستم با چالش‌هایی روبه‌رو است که در زمینه تعادل جریان و کارایی بهینه باید مورد توجه قرار گیرد. یکی از مشکلات اصلی در این سیستم‌ها، توازن جریان در مدارهای متصل به سیستم مرکزی است. در مواردی که چندین مدار مستقل به یک سیستم مرکزی متصل شوند، جریان آب ممکن است به درستی در میان مدارها توزیع نشود، به ویژه اگر تجهیزات فاقد شیرهای کنترل جریان مناسب یا شیر سه‌راهی باشند. برای رفع این مشکل، می‌توان از سیستم‌های توزیع اولیه با حجم ثابت استفاده کرد که امکان تعادل جریان بین مدارهای مختلف را فراهم می‌کند.
همچنین، توزیع آب سرد به صورت اولیه و ثانویه در این سیستم‌ها مورد توجه است. در سیستم مدار ثانویه، اگر پمپ‌های جداگانه‌ای برای هر مدار داخلی ساختمان به کار گرفته شود، جریان آب به‌طور بهتری متوازن می‌شود. در این سیستم، اگر دمای آب در مدار ثانویه بیشتر از مدار اولیه باشد، دبی آب در مدار اولیه کاهش خواهد یافت، که این امر منجر به صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود، زیرا جریان کلی مورد نیاز در سیستم کمتر از مجموع جریان‌های مدارهای ثانویه خواهد بود.
در طراحی پمپ‌های مرکزی توزیع آب سرد، نصب چیلرها به صورت موازی یا سری می‌تواند تأثیر زیادی بر کارایی سیستم بگذارد. نصب موازی چیلرها، به‌ویژه در بارهای ناقص، موجب کاهش دمای آب ورودی می‌شود و باعث می‌شود چندین چیلر به طور همزمان با بار ناقص کار کنند. این روش به مصرف انرژی بیشتر و کاهش کارایی منجر می‌شود. در مقابل، نصب سری چیلرها کارآمدتر است، زیرا جریان عبوری از چیلرها ثابت می‌ماند و تنها چیلرهای مورد نیاز فعال هستند، که این امر به بهبود کارایی و کاهش مصرف انرژی کمک می‌کند.
در سیستم‌های با حجم ثابت، برای بهینه‌سازی مصرف انرژی باید به نکات خاصی توجه شود. پمپ‌های آب کندانسور که بخشی عمده از انرژی مصرفی سیستم را به خود اختصاص می‌دهند، باید به درستی مدیریت شوند. همچنین، عملکرد بهینه فن‌های کولینگ تاور (برج خنک‌کننده) می‌تواند به کاهش مصرف انرژی کمک کند. پمپ‌های گردش آب نیز در صورتی که به‌درستی طراحی نشوند، ممکن است مصرف انرژی بالایی داشته باشند. استفاده از پیکربندی مناسب مانند نصب سری چیلرها و طراحی دقیق مدارهای اولیه و ثانویه می‌تواند به بهبود کارایی سیستم و کاهش مصرف انرژی کمک کند. مدیریت صحیح تجهیزات مانند پمپ‌ها، فن‌ها و کندانسورها نقش مهمی در بهینه‌سازی مصرف انرژی در تأسیسات مرکزی دارد
2. سیستم گردش جریان مجزا
سیستم‌های تهویه مطبوع با گردش جریان مجزا از پمپ‌های جداگانه برای مدارهای اولیه و ثانویه استفاده می‌کنند که این طراحی به بهبود عملکرد و تعادل فشار در سیستم کمک می‌کند. یکی از نکات کلیدی در این سیستم، عملکرد شیرهای کنترلی دو راهه است که باید تنها تحت تأثیر اختلاف فشار پمپ مدار ثانویه عمل کنند. این طراحی به جلوگیری از نوسانات جریان و فشار در سیستم کمک می‌کند. در صورتی که طراحی نادرست باشد، فشار برگشتی مدار اولیه ممکن است از فشار رفت مدار ثانویه بیشتر شود که موجب اختلال در الگوی جریان خواهد شد. همچنین، برای جلوگیری از بروز مشکلات در سیستم، اتصالات سری بین مدارهای اولیه و ثانویه باید حذف شوند. اگر پمپ‌های مدار اولیه و ثانویه به صورت سری متصل شوند، فشار مسیر برگشتی مدار اولیه به دلیل اختلاف فشار اضافی افزایش خواهد یافت. به همین دلیل، لازم است تمام ارتباطات سری حذف شوند. همچنین، استفاده صحیح از شیرهای سه‌راهه مخلوط‌کننده برای تنظیم جریان بین مدارهای اولیه و ثانویه از اهمیت بالایی برخوردار است. اگر این شیرها به درستی نصب نشوند، سیستم به صورت سری عمل کرده و کارایی کاهش می‌یابد. نصب دقیق این شیرها باعث می‌شود که مدارها به‌طور مستقل و بهینه عمل کنند. برای عملکرد صحیح این سیستم، باید شیرهای کنترلی دو راهه صرفاً تحت تأثیر اختلاف فشار مدار ثانویه عمل کنند و تمامی اتصالات سری بین مدارها حذف شوند. با رعایت این موارد، طراحی و اجرای صحیح سیستم گردش جریان مجزا می‌تواند به کاهش اختلالات فشار، بهینه‌سازی توزیع جریان و افزایش کارایی سیستم تهویه مطبوع کمک کند.
3. بالاترین نقطه سیستم
یکی از نکات کلیدی در طراحی و عملکرد سیستم‌های توزیع آب سرد و گرم، حفظ فشار مثبت در بالاترین نقطه سیستم است که برای جلوگیری از ایجاد خلا و اختلال در عملکرد سیستم ضروری می‌باشد. فشار مثبت در بالاترین نقطه از ورود هوا به سیستم و ایجاد کاویتاسیون در پمپ‌ها جلوگیری می‌کند و ارتفاع این نقطه فشار استاتیکی مورد نیاز منبع انبساط را تعیین می‌کند. در ساختمان‌های بسیار مرتفع، این فشار ممکن است از حد مجاز بیشتر شود. برای کاهش این فشار و بهبود عملکرد سیستم، استفاده از مبدل حرارتی در ساختمان‌های بلند پیشنهاد می‌شود. مبدل حرارتی به جداسازی مدارهای اولیه (منبع توزیع) و ثانویه (مصرف‌کننده) کمک کرده و فشار کار سیستم توزیع آب سرد را کاهش می‌دهد. همچنین، برای حفظ اختلاف دمای مناسب بین خطوط رفت و برگشت، جریان آب ورودی به مبدل باید به دقت کنترل شود. در ساختمان‌های مرتفع، تجهیزات مانند لوله‌ها، کویل‌ها و شیرآلات باید فشار استاتیکی بالایی را تحمل کنند، که این می‌تواند به تجهیزات آسیب بزند یا هزینه‌ها را افزایش دهد. برای کاهش فشار استاتیک و بهینه‌سازی عملکرد سیستم، استفاده از مبدل حرارتی و نصب شیرهای فشار در مسیر برگشت و شیرهای یک‌طرفه در مسیر رفت ضروری است. به طور کلی، برای مدیریت فشار در بالاترین نقطه سیستم و جلوگیری از مشکلات فشار استاتیکی، باید اطمینان حاصل شود که فشار مثبت در بالاترین نقطه حفظ شده، از مبدل حرارتی برای جداسازی مدارها استفاده شود و تجهیزات مناسب مانند شیرهای فشار و یک‌طرفه نصب گردند. این ملاحظات باعث افزایش دوام تجهیزات و بهبود کارایی سیستم تهویه مطبوع در ساختمان‌های مرتفع می‌شود.
4. تحلیل اقتصادی بین هزینه‌های لوله‌کشی و پمپاژ
یکی از جنبه‌های مهم در اجرای تاسیسات مرکزی، تحلیل اقتصادی است که به منظور یافتن تعادل بین هزینه‌های لوله‌کشی و پمپاژ انجام می‌شود. این تحلیل باید با توجه به توان دستگاه‌های چیلر و نیازهای سیستم صورت گیرد تا بهترین بازدهی و صرفه‌جویی اقتصادی حاصل شود. یکی از عوامل مؤثر در این تحلیل، تعیین دمای بهینه آب رفت است. دمای مناسب آب رفت تأثیر مستقیمی بر عملکرد سیستم و هزینه‌های آن دارد. افزایش دمای آب رفت می‌تواند هزینه‌های پمپاژ را کاهش دهد، اما ممکن است نیاز به لوله‌کشی بیشتر یا تجهیزات اضافی باشد. همچنین، برای افزایش بازده چیلرها در زمان کاهش بار سیستم، بهتر است درجه حرارت آب رفت قابل تنظیم باشد. این قابلیت انعطاف می‌تواند هزینه‌های عملیاتی را کاهش داده و بازده سیستم را در شرایط مختلف بهینه کند.
افزایش دمای آب رفت نیز تأثیرات خاصی بر عملکرد سیستم دارد. یکی از اثرات آن تغییر جریان سیستم توزیع آب سرد است که باید به‌گونه‌ای مدیریت شود تا تعادل جریان و عملکرد تجهیزات حفظ گردد. همچنین، دمای بالاتر آب سرد ممکن است ظرفیت کنترل دما و رطوبت دستگاه‌های تهویه مطبوع، مانند هواساز و فن‌کویل، را کاهش دهد. بنابراین، این اثرات باید از پیش بررسی و محاسبه شوند.
تحلیل هزینه‌های لوله‌کشی و پمپاژ نیز بخش مهمی از این فرآیند است. هزینه‌های لوله‌کشی با افزایش قطر لوله‌ها برای کاهش افت فشار ممکن است افزایش یابد، در حالی که استفاده از پمپ‌های با توان بالا هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد، اما ممکن است هزینه لوله‌کشی را کاهش دهد. بنابراین، باید با انجام تحلیل هزینه‌ها و شبیه‌سازی عملکرد سیستم، به نقطه‌ای رسید که تعادل بین هزینه‌های لوله‌کشی و پمپاژ ایجاد شود.
در نهایت، تحلیل اقتصادی هزینه‌های لوله‌کشی و پمپاژ، همراه با تنظیم دمای بهینه آب رفت، می‌تواند منجر به طراحی یک سیستم کارآمد و مقرون‌به‌صرفه شود. در این فرآیند، بازده چیلر و قابلیت تنظیم دمای آب رفت باید بررسی شود، تأثیر دمای بالاتر آب سرد بر دستگاه‌های تهویه مطبوع و جریان سیستم ارزیابی گردد و تعادل بین هزینه‌های اولیه (لوله‌کشی) و هزینه‌های عملیاتی (پمپاژ) به‌دقت محاسبه شود. این رویکرد به عملکرد بهینه و هزینه‌های کمتر در طول عمر سیستم کمک خواهد کرد.
5. آرایش تجهیزات در تاسیسات مرکزی
در طراحی و اجرای تاسیسات مرکزی سرمایش و گرمایش، آرایش و جانمایی صحیح تجهیزات از اهمیت بالایی برخوردار است. این آرایش باید به گونه‌ای باشد که علاوه بر کارایی بهینه سیستم، بهره‌برداری آسان و امکان تعمیر و نگهداری را نیز فراهم کند. یکی از مهم‌ترین اصول در این زمینه، فراهم آوردن دسترسی مناسب به تجهیزات است. تمامی تجهیزات باید به گونه‌ای چیدمان شوند که دسترسی به آن‌ها برای تعمیرات، نگهداری و تعویض قطعات ساده باشد. علاوه بر این، مسیرهای عبور برای اپراتورها و تعمیرکاران باید به اندازه کافی باز و بدون مانع طراحی شود. همچنین، فضای کافی در اطراف تجهیزات مانند چیلرها، بویلرها، پمپ‌ها و مبدل‌های حرارتی باید در نظر گرفته شود تا امکان سرویس‌دهی بدون نیاز به جابه‌جایی تجهیزات دیگر فراهم باشد.
از دیگر نکات مهم در طراحی تاسیسات مرکزی، طراحی اصولی زیرساخت‌هاست. تمامی تجهیزات باید روی بستر مناسب و مقاومی نصب شوند که این بستر قادر به جذب ارتعاشات ناشی از عملکرد دستگاه‌ها (مانند پمپ‌ها و چیلرها) باشد و مانع از انتقال آن‌ها به ساختمان گردد. همچنین، باید پریزهای برق کافی در اطراف تجهیزات برای ابزارها و تجهیزات جانبی در نظر گرفته شود. این پریزها باید از استانداردهای صنعتی برخوردار باشند تا توان مصرفی بالا را تحمل کنند. در نهایت، برای جلوگیری از مشکلات ناشی از نشتی‌ها یا شست‌وشوی دوره‌ای تجهیزات، باید کفشورهایی در نقاط مناسب و به تعداد کافی تعبیه شوند.
آرایش مناسب تجهیزات نیز بخش حیاتی دیگری از طراحی است. فاصله استاندارد بین دستگاه‌ها باید رعایت شود تا خطرات ناشی از دمای بالا، ارتعاشات، یا جابه‌جایی اجزا کاهش یابد. تجهیزات با عملکرد مشابه یا مرتبط، مانند پمپ‌ها و مبدل‌ها، باید در یک ناحیه خاص متمرکز شوند تا مدیریت سیستم راحت‌تر باشد. همچنین، دستگاه‌هایی که نیاز به خنک‌سازی یا تهویه مستقیم دارند، مانند چیلرها و برج‌های خنک‌کننده، باید در نزدیکی منابع هوای تازه یا فضای باز قرار گیرند.
در نهایت، آرایش تجهیزات در تاسیسات مرکزی باید به شکلی باشد که علاوه بر کارایی فنی، ایمنی و دسترسی آسان را نیز تضمین کند. با در نظر گرفتن فضاهای سرویس، بستر مناسب برای تجهیزات، و تعداد کافی پریزهای برق و کفشورها، می‌توان شرایط بهینه برای عملکرد پایدار و نگهداری آسان سیستم را فراهم کرد.
نتیجه‌گیری
سیستم‌های مرکزی سرمایش و گرمایش، با طراحی اصولی و استفاده از تجهیزات بهینه، می‌توانند ضمن کاهش هزینه‌های عملیاتی، عملکردی پایدار و کارآمد ارائه دهند. رعایت اصول توزیع حرارت و برودت، تحلیل اقتصادی مناسب، و جانمایی صحیح تجهیزات از جمله عوامل مؤثر در موفقیت این سیستم‌ها است. با اجرای دقیق این راهکارها، می‌توان نه‌تنها نیازهای فعلی ساختمان‌ها را برآورده کرد، بلکه زمینه ارتقای بهره‌وری انرژی و کاهش اثرات زیست‌محیطی را نیز فراهم آورد.