يمكن أن تكون أنظمة الهواء HVAC مركزية أو لا مركزية. تتلقى أنظمة الهواء المركزية طاقة التبريد والتدفئة من محطة مركزية بعيدة. تحتوي أنظمة الهواء HVAC اللامركزية على معدات محطة التدفئة والتبريد المركزية داخل نظام الهواء نفسه. يمكن أن تكون أنظمة الهواء HVAC أيضًا ذات حجم هواء ثابت (CAV) أو حجم هواء متغير (VAV). توفر أنظمة CAV تدفقًا ثابتًا للهواء عند درجة حرارة متغيرة. توفر أنظمة VAV تدفق هواء متغيرًا عند درجة حرارة ثابتة. يمكن تقسيم أنظمة الهواء CAV وVAV أيضًا إلى أنظمة تعمل على تكييف منطقة درجة حرارة واحدة وأنظمة تعمل على تكييف مناطق درجات حرارة متعددة.
سواء كانت أنظمة الهواء HVAC مركزية أو لا مركزية، أو CAV أو VAV، تخدم منطقة واحدة أو مناطق متعددة، فإن خيارات ملفات التدفئة والتبريد داخل الوحدات هي نفسها. بشكل عام، سيكون ملف التسخين في أنظمة الهواء المركزية HVAC عبارة عن ماء ساخن، أو بخار، أو كهربائي، وسيكون ملف التبريد عبارة عن ماء مبرد. سيكون ملف التسخين في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) اللامركزية كهربائيًا أو يعمل بالغاز بشكل مباشر أو غير مباشر أو (دورة عكسية) مبرد توسع مباشر (DX) (للمضخات الحرارية فقط)؛ سيكون ملف التبريد عبارة عن مبرد DX.
منطقة واحدة
يتكون نظام CAV أحادي المنطقة من وحدة معالجة الهواء التي توفر تدفق هواء ثابتًا (الشكل 1). يتم تعديل قدرة التدفئة و/أو التبريد للوحدة عن طريق تغيير درجة حرارة تدفق الهواء لتلبية احتياجات منظم الحرارة الفردي المثبت في إحدى المساحات التي تخدمها الوحدة.
قد تخدم أنظمة CAV ذات المنطقة الواحدة مساحات متعددة؛ لذلك، من المهم التأكد من أن جميع المساحات التي يخدمها نظام CAV أحادي المنطقة لها خصائص حمل HVAC مماثلة.
التدفئة والتهوية
تُستخدم أنظمة التدفئة والتهوية (H&V) لخدمة المساحات التي تتطلب التدفئة فقط وتتطلب أيضًا تهوية خارجية لتهوية الركاب أو تكوين هواء العادم. غالبًا ما يتم تكوين وحدات H&V لتوصيل الهواء الخارجي بنسبة 100%. ومع ذلك، قد يكون لديهم قدرات عودة الهواء إذا كان تدفق الهواء الخارجي أقل من تدفق هواء الإمداد المطلوب لتوفير تدفئة فعالة للأماكن المخدومة خلال فصل الشتاء. إذا قامت الوحدات بتسخين المساحات التي تخدمها خلال فترات عدم الإشغال عندما تكون أنظمة العادم متوقفة عن العمل ومخمدات الهواء الخارجية مغلقة، فقد يتم تجهيز وحدات H&V أيضًا بقدرات الهواء الراجع. تقوم وحدات H&V عادةً بإعادة تدوير الهواء بنسبة 100% أثناء وضع التشغيل غير المشغول.
خلال فصل الصيف، من الشائع أن تقوم وحدات H&:V بوضع مخمدات الهواء الخارجية والعودة لتوصيل الهواء الخارجي بنسبة 100٪ إلى المساحات المخدومة من أجل الحفاظ على درجة حرارة المكان عند 5 إلى 10 درجات فهرنهايت أعلى من درجة الحرارة الخارجية. إذا كانت وحدات H&V تتمتع بقدرات عودة الهواء، فيجب اتخاذ الترتيبات داخل المساحات المخدومة إما لتخفيف أو استنفاد الهواء الخارجي الزائد الذي يتم إدخاله أثناء وضع التشغيل في فصل الصيف.
التحكم في درجة الحرارة لأنظمة H&V هو نفسه كما هو الحال في نظام CAV أحادي المنطقة الموصوف سابقًا، باستثناء أن منظم الحرارة الفضائي سيتحكم في قدرة التسخين لوحدة H&V فقط. بعض الأمثلة الشائعة للمساحات التي تتطلب أنظمة H&V هي صالات الألعاب الرياضية وغرف تبديل الملابس والمطابخ:
متعدد المناطق
أنظمة CAV ليست مناسبة تمامًا لتوفير مناطق متعددة للتحكم في درجة الحرارة لأن خدمة مناطق متعددة بأنظمة CAV تؤدي إلى تكلفة طاقة أعلى، وفي بعض الحالات، تكلفة أولية أعلى من خيارات VAV المتوفرة عادةً. ومع ذلك، من خلال استخدام تكوينات إعادة التسخين، والقناة المزدوجة، ومتعددة المناطق، يمكن لأنظمة CAV أن تخدم مناطق درجات حرارة متعددة لتطبيقات معينة، وخاصة تجديد الأنظمة الحالية.
إعادة تسخين
يتكون نظام إعادة تسخين CAV من وحدة CAV التي تتفرع مجاري الهواء الخاصة بها لخدمة مناطق متعددة داخل المنطقة التي تخدمها الوحدة (الشكل 2). يتم تركيب ملف إعادة التسخين داخل القناة الفرعية لكل منطقة. عادةً، يتم الحفاظ على درجة حرارة هواء التفريغ من وحدة CAV عند حوالي 55 درجة فهرنهايت حتى تتمكن من تلبية احتياجات التبريد لمناطق درجات الحرارة، إذا لزم الأمر. يتحكم منظم الحرارة للتدفئة فقط الموجود في كل منطقة في مخرجات التسخين لملف إعادة تسخين المنطقة المرتبطة به. يقوم هذا الملف بإعادة تسخين هواء الإمداد من وحدة CAV كما هو مطلوب للحفاظ على نقطة ضبط منظم حرارة المنطقة. إذا لم تكن هناك حاجة للتدفئة في المنطقة، فسيتم إيقاف تشغيل ملف التسخين. يجب أن يكون حجم ملف إعادة تسخين المنطقة ليس فقط لتلبية فقدان حرارة غلاف المبنى للمنطقة ولكن أيضًا لرفع تدفق هواء الإمداد من درجة حرارة هواء التفريغ (عادةً 55 درجة فهرنهايت) إلى نقطة ضبط تبريد المنطقة (عادةً 75 درجة فهرنهايت).
أنظمة إعادة التسخين CAV ليست فعالة في استخدام الطاقة نظرًا لحدوث التبريد المتزامن (في وحدة CAV) والتدفئة (في ملف إعادة التسخين) لتدفق هواء الإمداد. يجب توخي الحذر عند تصميم أنظمة إعادة تسخين CAV لأن القانون الدولي للحفاظ على الطاقة لعام 2018، القسم 503.4.5، يتطلب تقليل تدفق هواء الإمداد إلى 30% على الأقل من الحد الأقصى لتدفق هواء الإمداد إلى كل منطقة قبل إمكانية إعادة التسخين. الاستثناء الوحيد لهذه القاعدة هو المناطق التي لديها متطلبات خاصة للتحكم في الرطوبة.
قناة مزدوجة
يشتمل نظام CAV مزدوج القناة على قناتي هواء منفصلتين للإمداد، وقناة واحدة ساخنة وقناة باردة واحدة، متصلتين بوحدة مناولة الهواء CAV التي تم تكوينها خصيصًا (الشكل 3). يتم تقسيم تدفق هواء الإمداد داخل الوحدة الموجودة أسفل مروحة الإمداد إلى ما يسمى السطح الساخن والسطح البارد. يتم تركيب ملف تسخين داخل الوحدة في السطح الساخن ويتم تركيب ملف تبريد داخل الوحدة في السطح البارد. يتم نفخ جزء من تدفق هواء الإمداد عبر السطح الساخن ويتم تفريغه من خلال القناة الساخنة الرئيسية المتصلة بالوحدة. يتم نفخ تدفق الهواء المتبقي من خلال السطح البارد. ويتم تفريغها من خلال قناة التبريد الرئيسية المتصلة بالوحدة. يتم توجيه كل من قنوات الإمداد الساخنة والباردة بالتوازي مع بعضها البعض عبر المبنى وتتفرع لخدمة مناطق متعددة داخل المنطقة التي تخدمها الوحدة.
تم تجهيز كل منطقة بصندوق خلط مزدوج القناة، والذي يحتوي على وصلات مدخل للقنوات الساخنة والباردة، وكل منها مجهز بمخمد يعمل بمحرك وجهاز استشعار لتدفق الهواء الداخل. يحتوي صندوق الخلط ثنائي القناة على مخرج قناة واحدة يتم من خلاله إمداد المنطقة بالهواء. يتم التحكم في درجة حرارة الهواء المزود للمنطقة عن طريق تعديل تدفقات الهواء الساخنة والباردة في صندوق الخلط ثنائي القناة كما هو مطلوب للحفاظ على نقطة ضبط منظم حرارة المنطقة. بالنسبة لصناديق الخلط ذات القناة المزدوجة CAV، يظل إجمالي تدفق هواء الإمداد إلى المنطقة ثابتًا.
عادةً، يتم الحفاظ على درجة حرارة هواء السطح البارد من وحدة معالجة الهواء CAV عند حوالي 85 درجة فهرنهايت بحيث يكون التبريد متاحًا إذا تطلبت مناطق درجات الحرارة ذلك. يتم الحفاظ على درجة حرارة السطح الساخن من وحدة CAV عند حوالي 55 درجة فهرنهايت بحيث تتوفر التدفئة إذا طلبت مناطق درجات الحرارة ذلك. يمكن أن يكون ملف التسخين في وحدة معالجة الهواء مزدوجة القناة عبارة عن ماء ساخن أو بخار أو كهربائي. عادةً ما يكون ملف التبريد عبارة عن ماء مبرد. نادرًا ما تستخدم وحدات معالجة الهواء ذات القناة المزدوجة ملف تبريد DX.
لا تحتوي أنظمة CAV ذات القنوات المزدوجة عمومًا على تطبيق للمباني التجارية بسبب التكلفة الأولى المرتفعة. وبالتالي، لن نناقش أنظمة القنوات المزدوجة بمزيد من التفصيل. لقد تم تصميم أنظمة CAV ذات القنوات المزدوجة منذ سنوات مضت بشكل أساسي لخدمة مناطق المختبرات داخل المباني. لذلك، من الضروري أن يفهم مصمم نظام التيار المتردد عالي الجهد هذا النوع من النظام إذا كان المشروع يتضمن تجديد مبنى باستخدام نظام CAV مزدوج القناة. ومع ذلك، يوجد اليوم المزيد من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) الحديثة المتاحة لخدمة مناطق المختبرات التي تتميز بتكلفة أولية أقل وتكلفة تشغيل أقل من أنظمة CAV ثنائية القناة. ولذلك، فمن غير المرجح أن يتطلب المبنى الجديد نظام CAV مزدوج القناة.
منطقة متعددة
تشبه أنظمة CAV متعددة المناطق أنظمة CAV مزدوجة القناة حيث يوجد سطح ساخن وسطح بارد داخل وحدة معالجة الهواء (الشكل 4). والفرق هو أن تيارات الهواء الساخنة والباردة لكل منطقة يتم خلطها في وحدة معالجة الهواء. يوجد مخمد يعمل بمحرك الهواء الساخن والبارد مثبت على تفريغ وحدة معالجة الهواء لكل منطقة؛ أي أنه إذا كانت الوحدة عبارة عن وحدة ذات خمس مناطق، فسيكون هناك خمسة مخمدات تعمل بمحرك السطح الساخن وخمس مخمدات تعمل بمحرك السطح البارد مثبتة على تفريغ الوحدة. يوجد وصلة قناة واحدة على المخرج المشترك لكل مخمد ساخن وبارد يخدم كل منطقة يتم من خلالها توفير الهواء للمنطقة. يتم التحكم في درجة حرارة الهواء المزود لكل منطقة عن طريق تعديل تدفقات الهواء الساخن والبارد في وحدة معالجة الهواء كما هو مطلوب للحفاظ على نقطة ضبط منظم حرارة المنطقة. بالنسبة لأنظمة CAV متعددة المناطق، يظل إجمالي تدفق هواء الإمداد إلى كل منطقة ثابتًا. تتشابه درجات حرارة السطح الساخنة والباردة لأنظمة CAV متعددة المناطق مع درجات حرارة السطح لأنظمة CAV مزدوجة القناة.
Multizone CAV systems are not commonly used in commercial buildings because the VAV options that are available typically have a lower first cost and lower operating cost. Also, the number of zones that can be accommodated by a multizone unit is limited by the physical space available to install the hot and cold motor-operated dampers for each zone on the discharge of the air handling unit. Therefore, multizone units can serve no more than about eight zones. The number of zones that can be served by a VAV system is not limited by the equipment but is determined by the needs of the areas served.
كتاب تصميم HVAC - دبليو لارسن أنجل ، PE ، LEED AP، هو مدير رئيسي في شركة الاستشارات الهندسية MEP Green Building Energy Engineers. لقد عمل في مجال الاستشارات الهندسية MEP لأكثر من 30 عامًا. ساهم السيد أنجل في تطوير معايير التصميم ويواصل البحث عن طرق جديدة لتبسيط عملية تصميم نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).
