گردش آب در چیلرها و تعیین دمای چیلد واتر: طراحی سیستم‌های سرمایش مرکزی

بخش سوم : 

جهت کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه، بخش قبلی را مطالعه کنید.

مقدمه

در دنیای مدرن امروز، چیلرها به‌عنوان قلب تپنده‌ی سیستم‌های تهویه مطبوع و فرآیندهای صنعتی شناخته می‌شوند و نقش حیاتی در ایجاد شرایط آسایش حرارتی و عملکرد بهینه تجهیزات ایفا می‌کنند. با توجه به اینکه کیفیت سرمایش و کنترل دقیق دما و رطوبت در محیط‌های داخلی و صنعتی، مستقیماً بر سلامت افراد، راندمان کاری و طول عمر تجهیزات تأثیرگذار است، فهم عمیق چرخه‌های حرارتی و مکانیزم گردش آب در چیلرها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. هر چیلر، فارغ از نوع تراکمی یا جذبی، متکی بر سه چرخه اصلی است: توزیع هوای داخلی، گردش آب سرد یا چیلد واتر، و دفع حرارت در کندانسور. این چرخه‌ها با یکدیگر تعامل دارند و هرگونه عدم تعادل در آن‌ها می‌تواند منجر به کاهش راندمان، افزایش مصرف انرژی و اختلال در شرایط آسایش حرارتی شود. در طراحی و عملکرد سیستم‌های سرمایشی، تعیین دقیق دمای آب چیلد و اختلاف دمای مسیر رفت و برگشت (ΔT) اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا این پارامترها نه تنها میزان سرمایش محسوس و نهان را کنترل می‌کنند، بلکه بر دبی جریان آب، مصرف انرژی پمپ‌ها و ابعاد شبکه لوله‌کشی نیز تأثیر مستقیم دارند. علاوه بر این، شاخص‌هایی مانند Sensible Heat Ratio (SHR) و نقطه شبنم دستگاه (ADP) نقش کلیدی در تنظیم دمای هوای خروجی از کویل و تأمین شرایط آسایش حرارتی و رطوبتی مطلوب ایفا می‌کنند. درک کامل این فرآیندها، علاوه بر کمک به طراحان HVAC، برای بهره‌برداران سیستم نیز امکان بهینه‌سازی مصرف انرژی و افزایش عمر مفید تجهیزات را فراهم می‌آورد. در این مقاله، با بررسی گردش آب در چیلرها، چرخه‌های سرمایش، تعیین دمای آب چیلد و عوامل مؤثر بر ΔT، تلاش شده است تا خواننده به تصویر جامع و کاربردی از عملکرد سیستم‌های سرمایشی دست یابد و بتواند ارتباط میان پارامترهای طراحی، راندمان سیستم و کیفیت سرمایش را درک نماید.

گردش آب در چیلرها

عملکرد چیلرها بر پایه‌ی چند چرخه‌ی پیوسته‌ی تبادل حرارت است که هر یک نقش خاصی در فرآیند سرمایش ایفا می‌کنند. این چرخه‌ها شامل چرخه هوای داخلی ساختمان، چرخه آب سرد (چیلد واتر) و چرخه دفع حرارت در کندانسور هستند. در ادامه، روند هر یک از این سیکل‌ها به صورت مرحله‌به‌مرحله توضیح داده می‌شود :

۱. چرخه توزیع هوا در ساختمان

در مرحله نخست، هوای خنک تولیدشده توسط چیلر از طریق هواسازها (Air Handling Units) به فضای داخلی ساختمان منتقل می‌شود. این هوای سرد با عبور از فضاهای مختلف، گرمای محسوس محیط را جذب می‌کند؛ این گرما شامل حرارت ناشی از اختلاف دمای داخل و خارج، تابش خورشید، تجهیزات الکتریکی و همچنین گرمای بدن افراد حاضر در ساختمان است. علاوه بر این، هوای سرد رطوبت و گرمای نامحسوس حاصل از نفوذ هوا یا فرآیندهای داخلی را نیز به خود جذب کرده و به‌تدریج دمای آن افزایش می‌یابد. در نتیجه، تعادل میان گرمای محسوس، گرمای نامحسوس و میزان جریان هوای سرد تعیین‌کننده‌ی دما و رطوبت نهایی محیط است. هرگونه عدم توازن در این پارامترها می‌تواند منجر به افت کارایی سیستم تهویه یا ناپایداری شرایط آسایش حرارتی گردد.

۲. چرخه آب سرد (چیلد واتر)

هوای گرم‌شده پس از گردش در فضا، مجدداً از طریق کانال‌های برگشت به سمت هواساز هدایت می‌شود. در این بخش، بخشی از هوای برگشتی با درصد مشخصی از هوای تازه ترکیب می‌شود تا کیفیت هوای داخل حفظ گردد. سپس این مخلوط از روی کویل سرمایی عبور می‌کند. در داخل کویل سرمایی، آب سردی در جریان است که از اواپراتور چیلر تأمین می‌شود. این آب، گرما و بخشی از رطوبت هوای عبوری را جذب کرده و موجب کاهش دمای آن می‌گردد. در همین فرآیند، آب چیلد هنگام خروج از کویل معمولاً بین ۸ تا ۱۶ درجه فارنهایت گرم‌تر از حالت ورود است. این آب پس از عبور از کویل و جذب حرارت، مجدداً به سمت چیلر بازمی‌گردد تا در اواپراتور خنک شود. در اواپراتور، تبادل حرارت بین آب و مبرد انجام می‌گیرد و آب چیلد دوباره دمای پایین خود را به دست می‌آورد تا سیکل سرمایش تکرار شود.

۳. چرخه دفع حرارت در کندانسور

در این مرحله، گرمای حاصل از کار کمپرسور که ناشی از فشرده‌سازی مبرد است به مبرد منتقل می‌شود. این حرارت اضافی باید از سیستم خارج شود تا عملکرد چیلر پایدار بماند. به همین منظور، گرما از طریق کندانسور به محیط بیرون دفع می‌گردد. کندانسور می‌تواند از نوع آبی یا هوایی باشد. در نوع آبی، گرما از مبرد به آب خنک‌کننده (Cooling Water) منتقل می‌شود و سپس این آب در برج خنک‌کن (Cooling Tower) حرارت خود را به هوای محیط پس می‌دهد. در نوع هوایی نیز، گرما مستقیماً از طریق عبور جریان هوا از روی کویل‌های کندانسور به بیرون منتقل می‌شود. بازده نهایی این چرخه ارتباط مستقیم با راندمان کمپرسور و ظرفیت انتقال حرارت کندانسور دارد. هرچه دفع حرارت مؤثرتر انجام گیرد، کارایی کلی سیستم بالاتر خواهد بود.

تعیین دمای آب چیلد در سیستم‌های سرمایشی

نخستین گام در طراحی و ارزیابی عملکرد سیستم‌های سرمایش مرکزی، تعیین دقیق دمای آب چیلد است. دمای مناسب آب سرد تأثیر مستقیم بر توانایی سیستم در کنترل همزمان دما و رطوبت محیط دارد. برای آنکه سیستم بتواند بار گرمایی محسوس و نامحسوس محیط را به‌درستی جذب کند، باید دمای آب چیلد رفت به اندازه‌ای پایین تنظیم شود که هوای عبوری از کویل‌های سرمایی، هم خنک شود و هم رطوبت اضافی خود را از دست بدهد.
در این مرحله لازم است دو مفهوم کلیدی را بشناسیم :

۱. سرمایش محسوس (Sensible Cooling)

سرمایش محسوس به فرایندی گفته می‌شود که در آن دمای هوا کاهش می‌یابد بدون آنکه میزان رطوبت موجود در آن تغییر کند. این نوع سرمایش معمولاً در شرایطی اتفاق می‌افتد که هدف، صرفاً پایین آوردن دمای محیط است؛ مانند خنک کردن هوای خشک در یک فضای بسته بدون نیاز به رطوبت‌زدایی.

۲. سرمایش نهان یا نامحسوس (Latent Cooling)

در مقابل، زمانی که سیستم سرمایش علاوه بر کاهش دما، بخشی از رطوبت موجود در هوا را نیز حذف کند، فرایند سرمایش نهان رخ می‌دهد. این اتفاق هنگامی ممکن است که دمای سطح کویل سرمایی پایین‌تر از نقطه شبنم (Dew Point) هوای ورودی باشد. در این حالت، بخار آب موجود در هوا بر روی سطح سرد کویل تقطیر می‌شود و از محیط حذف می‌گردد. به‌عنوان مثال، در یک اتاق بسته، حضور افراد، نفوذ هوای گرم و مرطوب از بیرون، یا عملکرد تجهیزات حرارتی می‌تواند مقدار رطوبت نسبی فضا را افزایش دهد. برای حفظ شرایط آسایش، هوای ورودی از طریق هواساز یا فن‌کویل باید تا دمایی سرد شود که نقطه شبنم آن کمتر از نقطه شبنم هوای اتاق باشد تا بتواند این رطوبت اضافی را جذب و دفع کند.

۳. تعیین بار سرمایی کل

میزان سرمایش مورد نیاز برای خنک‌سازی دما را بار سرمایش محسوس و مقدار سرمایش لازم برای حذف رطوبت را بار سرمایش نهان می‌نامند. مجموع این دو مقدار، بار سرمایی کل فضا را تشکیل می‌دهد که باید توسط آب چیلد در گردش در کویل‌ها جذب گردد. در نهایت، انتخاب دمای مناسب آب چیلد (معمولاً در محدوده‌ی ۶ تا ۸ درجه سانتی‌گراد در مسیر رفت) به گونه‌ای انجام می‌شود که بتواند هر دو مؤلفه‌ی سرمایش محسوس و نهان را تأمین کرده و شرایط آسایش حرارتی و رطوبتی مطلوب را برای ساکنین فراهم آورد.

عوامل مؤثر بر تعیین دمای هوای ورودی به محیط

دمای هوای ورودی به فضای تهویه‌شده به دو عامل اساسی وابسته است :
1.    شرایط مطلوب دما و رطوبت در فضای مورد نظر؛ یعنی همان نقطه‌ی طرح داخل که هدف سیستم تهویه برای ایجاد آسایش حرارتی در آن تنظیم می‌شود.
2.    نسبت گرمای محسوس (Sensible Heat Ratio - SHR)، که از تقسیم بار سرمایی محسوس بر بار سرمایی کل (مجموع بار محسوس و بار نهان) به دست می‌آید.

مفهوم SHR و ارتباط آن با شرایط هوای کویل

اگر بر روی نمودار سایکومتریک نقطه‌ی شرایط طرح داخل (دمای خشک و رطوبت نسبی مطلوب محیط) مشخص شود و از آن نقطه خطی به سمت شرایط هوای خروجی از کویل سرمایی رسم کنیم، شیب این خط نشان‌دهنده‌ی مقدار SHR خواهد بود.
•    زمانی که SHR برابر با ۱ است، یعنی کل بار سرمایی از نوع محسوس است و بار نهان (رطوبت‌زدایی) وجود ندارد.
•    در شرایط واقعی، SHR معمولاً بین ۰٫۸ تا ۰٫۹ انتخاب می‌شود؛ این محدوده برای فضاهای مختلف مانند ادارات، سالن‌های اجتماعات و اماکن مذهبی مناسب است، زیرا در این محیط‌ها هم خنک‌سازی و هم کنترل رطوبت اهمیت دارد. نقطه‌ای که خط SHR رسم‌شده با منحنی اشباع (Saturation Curve) تلاقی پیدا می‌کند، به‌عنوان نقطه شبنم دستگاه (Apparatus Dew Point - ADP) شناخته می‌شود. این نقطه نشان‌دهنده‌ی دمایی است که در آن بخار آب موجود در هوا شروع به تقطیر روی سطح کویل می‌کند، و از همین ویژگی برای تعیین خصوصیات هوای خروجی از کویل استفاده می‌شود.

بازده کویل سرمایی و شرایط واقعی عملکرد

در حالت ایده‌آل، فرض می‌شود که هوای خروجی از کویل کاملاً به نقطه ADP می‌رسد و به‌طور کامل اشباع است، اما در عمل کویل سرمایی هیچ‌گاه بازده ۱۰۰٪ ندارد. به‌طور معمول، دمای هوای خروجی از کویل حدود ۱ تا ۲ درجه بالاتر از دمای شبنم دستگاه (ADP) است. بازده حرارتی کویل (Bypass Factor Efficiency) در سیستم‌های معمول تهویه مطبوع بین ۹۵٪ تا ۹۸٪ متغیر است، اما از نظر اقتصادی معمولاً بازدهی حدود ۹۵٪ در نظر گرفته می‌شود؛ زیرا افزایش بازده بالاتر از این مقدار نیازمند هزینه‌ی بالای انرژی و سطح تبادل حرارتی است.

ارتباط بین دمای هوا و آب چیلد

در شرایط واقعی، دمای مرطوب هوای خروجی از کویل معمولاً حدود ۱°F کمتر از دمای خشک آن است.
همچنین اختلاف دمای بین آب چیلد ورودی به کویل و هوای خروجی از کویل سرمایی به‌طور معمول بین ۳ تا ۱۰°F متغیر است.
در طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع، این اختلاف حرارتی (ΔT) به‌صورت میانگین ۷°F در نظر گرفته می‌شود.
بنابراین، برای تعیین دمای آب چیلد ورودی به کویل، کافی است مقدار حدود ۷°F از دمای خشک هوای خروجی از کویل کم کنیم. این رابطه به طراح کمک می‌کند تا دمای مناسب آب چیلد را برای دستیابی به شرایط دمایی و رطوبتی مورد نظر در فضا محاسبه کند.

تعیین میزان افزایش دمای آب چیلد (ΔT)

پس از مشخص شدن دمای آب چیلد در مسیر رفت، گام بعدی تعیین میزان افزایش دمای آب چیلد در مسیر برگشت است. این اختلاف دما، که معمولاً با نماد ΔT شناخته می‌شود، بیانگر مقدار گرمایی است که آب در حین عبور از کویل‌ها و جذب حرارت از هوای محیط به خود می‌گیرد.

رابطه بین دبی جریان و اختلاف دما

دبی جریان آب چیلد به‌صورت مستقیم تابعی از بار سرمایی کل سیستم و اختلاف دمای بین آب ورودی و خروجی است.
فرمول کلی ارتباط بین این سه عامل به صورت زیر بیان می‌شود :

افزایش ΔT باعث می‌شود که برای یک بار سرمایی مشخص، دبی جریان آب (GPM) کاهش یابد. این امر به معنای کاهش مصرف انرژی پمپاژ و کوچک‌تر شدن قطر لوله‌ها در طراحی سیستم است، اما در مقابل ممکن است تبادل حرارتی در کویل‌ها و مبدل‌ها کاهش یابد و در برخی موارد جذب بار نهان دچار افت شود.

مقدار تجربی افزایش دما

در بیشتر سیستم‌های تهویه مطبوع متوسط و معمولی، مقدار افزایش دمای آب چیلد حدود ۱۰°F در نظر گرفته می‌شود، که مطابق با دبی تجربی ۲.۴ GPM به ازای هر تن تبرید است.
در پروژه‌های بزرگ‌تر یا سیستم‌هایی که طول و قطر لوله‌کشی‌ها زیاد است، می‌توان برای کاهش هزینه‌های مربوط به پمپ‌ها و شبکه لوله‌کشی، اختلاف دما را کمی افزایش داد. به‌عنوان مثال:
•    اگر ΔT برابر با ۱۲°F در نظر گرفته شود، دبی جریان آب حدود ۲.۰ GPM خواهد بود.
•    در صورت افزایش ΔT به ۱۴°F، دبی به حدود ۱.۷ GPM کاهش می‌یابد.
•    در سیستم‌های بسیار بزرگ، می‌توان اختلاف دما را تا ۱۶°F (۱.۵ GPM) و در برخی شرایط خاص حتی تا ۲۰°F (۱.۲ GPM) نیز افزایش داد.

ملاحظات طراحی

هرچند افزایش اختلاف دمای آب چیلد می‌تواند باعث کاهش مصرف انرژی پمپاژ و هزینه‌های اجرایی شود، اما این تغییر باید با ظرفیت حرارتی کویل‌ها، نیاز به کنترل دقیق رطوبت، و شرایط آسایش حرارتی فضا هماهنگ باشد. به طور معمول، طراحان سیستم HVAC با بررسی همزمان پارامترهای دما، دبی، فشار و راندمان حرارتی، مقدار بهینه‌ی ΔT را به گونه‌ای تعیین می‌کنند که ضمن صرفه‌جویی در انرژی، عملکرد سرمایشی سیستم نیز در بهترین حالت باقی بماند.

نتیجه‌گیری

گردش آب در چیلرها، به‌عنوان عامل اصلی انتقال انرژی در سیستم‌های سرمایش مرکزی، یکی از پیچیده‌ترین و در عین حال حیاتی‌ترین مؤلفه‌های عملکرد این سیستم‌ها به شمار می‌آید. از مرحله توزیع هوای سرد در ساختمان، که وظیفه کاهش دمای محیط و جذب رطوبت نامحسوس را برعهده دارد، تا سیکل چیلد واتر که گرمای محیط را به آب منتقل می‌کند و نهایتاً دفع حرارت از طریق کندانسور، هر بخش از این چرخه‌ها تأثیر مستقیم بر راندمان، کیفیت سرمایش و مصرف انرژی دارد. تعیین دمای مناسب آب چیلد و اختلاف دمای ΔT، نه تنها به جذب کامل بار سرمایی محسوس و نهان کمک می‌کند، بلکه امکان کاهش دبی جریان، صرفه‌جویی در انرژی پمپاژ و کاهش هزینه‌های اجرایی شبکه لوله‌کشی را نیز فراهم می‌آورد. شاخص‌هایی مانند SHR و نقطه ADP، ابزارهای کلیدی برای طراحان HVAC هستند تا شرایط ایده‌آل هوای خروجی و کنترل رطوبت را بهینه کنند. در نهایت، درک دقیق چرخه‌های گردش آب، نحوه تبادل حرارت در کویل‌ها و تأثیر ΔT بر عملکرد سیستم، پایه‌ای است برای طراحی، بهره‌برداری و نگهداری بهینه چیلرها. با بهره‌گیری از این دانش، می‌توان سیستم‌های سرمایشی کارآمد، اقتصادی و پایدار ایجاد کرد که علاوه بر حفظ آسایش حرارتی کاربران، طول عمر تجهیزات را افزایش داده و مصرف انرژی را به حداقل برساند.