یکی از مهمترین امکاناتی که در زمینه طراحی و ساخت انواع بناها مورد استفاده از سیستم HVAC است.

ایجاد گرمایش و تهویه مناسب در محیط های مسکونی، اداری و صنعتی با رعایت اصول زیست محیطی از جمله مسائل مهمی است
که توجه مخترعان و شرکت های زیادی را در این حوزه به خود جلب کرده است.

در این پست به سادگی یاد میگیریم HVAC چیست و از چه بخش هایی تشکیل شده است.
سپس به بررسی انواع HVAC و تجهیزات آن میپردازیم.

در ویدیوی آموزشی زیر به طور خلاصه با مفهوم فناوری HVAC و کاربردهای آن آشنا میشویم.

1- HVAC چیست؟

HVAC (اِچ وَک) مخفف Heating ،Ventilation و Air Conditioning است.
که به مجموعه فرآیندها و فناوری های مرتبط با گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع اشاره دارد.

گرمایش و تهویه و تهویه مطبوع

HVAC در سیستم های مختلفی از جمله ماشین آلات و فن آوری های مورد استفاده
در مکان هایی مثل خانه ها، دفاتر، راهروها و سیستم های حمل و نقل که
باید بر اساس مقررات زیست محیطی طراحی شده باشند،
به کار رفته تا کیفیت گرمایش و هوا را بهبود دهد.

سیستم HVAC تعبیه شده بر پشت بام

اگر چه سه عملکرد اصلی HVAC جدا از هم به نظر میرسند، ولی در واقع هر سه عملکرد
برای رسیدن به  کیفیت گرمایش و هوای مناسب به طور مرتبط و با هم فعالیت میکنند.

سیستم گرمایش و تهویه مطبوع

یک سیستم HVAC مناسب، کیفیت تهویه و عبور هوا را افزایش داده
و فشار هوای بین قسمت های مختلف را تنظیم میکند.
در این سیستم، مفهوم انتقال هوا و حذف آن از یک فضا، به معنی  توزیع هوا در آن محیط است.

نحوه گرمایش و سرمایش در سیستم HVAC

فهمیدیم HVAC چیست و چه کاربردهایی دارد. حال با قسمت های مختلف یک سیستم HVAC و کارکردهایشان آشنا میشویم.

1-1 سیستم گرمایش (Heating)

سیستم گرمایش همان سیستم تولید حرارت در ساختمان هاست.

امروزه رایجترین شکل سیستم های گرمایشی، سیستم گرمایش مرکزی است
که در آن از دیگ بخار، کوره و یا پمپ گرما برای گرم کردن بخار آب و یا هوا استفاده شده
و در یک مکان مرکزی مثل زیرزمین ساختمان یا موتورخانه قرار دارد.

حرارت تولید شده در این سیستم،
به روش های مختلفی مثل همرفت گرمایی، هدایت یا تابش در ساختمان انتقال می یابد.

سیستم گرمایشی طراحی شده در موتورخانه

2-1 سیستم تهویه (Ventilation)

تهویه هوا به معنی تغییر یا جایجایی هوا در هر فضایی است.

سیستم تهویه برای کنترل دما یا حذف عناصری مثل
رطوبت، بو، دود، گرما، گرد و غبار، باکتری های هوا یا مونوکسید کربن مورد استفاده قرار میگیرد.
اکسیژن سازی در یک محدوده مشخص از دیگر کاربردهای سیستم های تهویه است.

این سیستم ها هوای داخل و خارج ساختمان را با هم جابجا کرده
و با ایجاد گردش هوا در داخل ساختمان کیفیت هوای محیط را حفظ میکنند.

تهویه های مکانیکی و طبیعی دو نوع اصلی سیستم های  تهویه هوا هستند.

سیستم تهویه

3-1 سیستم تهویه مطبوع (Air Conditioning)

تهویه مطبوع، هوای خنک و رطوبت محیط را برای تمامی قسمتهای یک ساختمان فراهم میکند.

در ساختمان های بهینه شده برای سیستم تهویه مطبوع  پنجره ها باید به طور کامل بسته
و بدون درز و عبور هوا باشند.
باز بودن  پنجره ها باعث ایجاد اختلال درعملکرد سیستم تهویه میشود.

تهویه مطبوع از طریق یک دریچه متصل به یک مبدل حرارتی داخلی، هوای تازه را
به داخل سیستم کشیده و باعث ایجاد فشار مثبت هوا میشود.

سیستم تهویه مطبوع در سیستم HVAC

حذف گرما به روش های تابش، همرفت یا هدایت، منجر به تهویه مطبوع و خنک شدن هوا میشود.

خنک کننده ها با استفاده از هوا، یخ و مواد شیمیایی مختلف کار میکنند.

این خنک کننده ها یا در سیستم پمپ گرمایشی (Heat Pump) به کار رفته
که از یک کمپرسور برای هدایت چرخه ی ترمودینامیکی خنک کننده استفاده می کنند
و یا از یک سیستم خنک کننده
که با استفاده از پمپ، هوای خنک را به گردش درمی آورد استفاده می کنند.

استفاده از خنک کننده ها در سیستم پمپ گرمایشی

پس از فهمیدن اینکه HVAC چیست و از چه بخش هایی تشکیل شده،
به طور خلاصه با انواع این سیستم ها آشنا میشویم.

2- انواع سیستم HVAC

امروزه این سیستم ها در چهار نوع مختلف در سایزهای متفاوت و متناسب با مکان های مسکونی و کاری، در دسترس هستند.

1-2 اسپلیت های گرم کننده و خنک کننده (Heating and Cooling Split Systems)

  • اسپلیت های مرکزی رایج ترین نوع سیستم های HVAC هستند.
  • سیستم به دو بخش اصلی تقسیم میشود: یک بخش برای گرمایش و یک بخش برای خنک کننده.
  • شامل دستگاه هایی است که در داخل و خارج از ساختمان نصب میشوند.
  • سیستم خنک کننده خارج از ساختمان قرار دارد و شامل مبرد (refrigerant)،
    کمپرسورها(compressors) و کویل ها (coils) است.
  • خنک کننده با استفاده از کانالها (Supply ducts) هوای تازه را به محیط منتقل میکند.
  • یک فن هوای گرم را از طریق کانالهای برگشت (return ducts) به بیرون از ساختمان هدایت میکند.
  • گرم کننده در این سیستم ها معمولا در زیرزمین ساختمان قرار دارد و برای گرم کردن خانه از گاز استفاده میکند.

سیستم اسپلیت مرکزی در سیستم HVAC

2-2 اسپلیت های هیبریدی (Hybrid Split System)

  • عملکرد آن مشابه سیستم قبلی ولی با تفاوت در نوع سیستم گرمایش است.
  • در آن از سیستم گرمایش الکتریکی هیبریدی (electric hybrid heating system) استفاده شده است.
  • در هر زمانی می توان انتخاب کرد که گرمایش با استفاده از انرژی ناشی از سوخت گازی تامین شود یا با استفاده از نیروی برق.
  • میتوان با استفاده از سلول های خورشیدی آب را به طور مستقیم گرم و یا برق مورد نیاز در سیستم گرمایش را تولید کرد.
  • مصرف انرژی و هزینه ها به دلیل امکان انتخاب نحوه گرمایش کاهش می یابد.

استفاده از سلول خورشیدی و تولید برق سیستم گرمایش

3-2 اسپلیت های کوچک بدون کانال (Ductless Mini-Split)

  • اسپلیت های کوچک یا بدون کانال، را می توان به طور مستقل در هر واحد یا محیطی نصب و کنترل کرد.
  • دستگاه ها یا پانل ها بر روی دیوار در داخل ساختمان نصب شده و معمولا به یک کمپرسور در فضای باز متصل میشوند.
  • در این نوع سیستم ها نیازی به استفاده از تاسیسات حرارتی و کانال ها نیست.
  • استفاده از این نوع به خصوص در شرایطی که یک بخش یا اتاق جدید به ساختمان اضافه شده باشد، رایج است.
  • نصب آن آسان و امکان کنترل گرمی یا سردی هوای یک اتاق به طور مستقل از دیگر مکانها وجود دارد.
  • روشن و کنترل کردن سیستم مربوط به هر اتاق یا محیط مورد استفاده،
    و خاموش بودن دستگاه های موجود در سایر اتاق ها منجر به کاهش مصرف انرژی و هزینه ها میشود.
  • از آنجا که تعمیرات اساسی و جایگزینی دستگاه ها هزینه زیادی دارد،
    سرویس و تمیز کردن منظم و دائمی این سیستم ها بسیار مهم است.

مینی اسپلیت

4-2 سیستم پکیج (Packaged Heating & Air Conditioning System)

  • این سیستم شامل کمپرسور و کندانسور در یک دستگاه است.
  • معمولا در اتاق زیر شیروانی یا بالکن نصب شده و برای خنک کردن و گرمایش خانه استفاده میشود.
  • اندازه جمع و جور آنها را برای فضاهای کوچک یا خانه ها کاربردی است.
  • دستگاه اضافه ای برای نصب در بیرون از ساختمان وجود ندارد.
  • نصب، راه اندازی و نگهداری آسانی دارند و گرمایش در آنها با استفاده از انرژی گاز و یا نیروی برق فراهم میشود.

سیستم پکیج مناسب محیط های کوچک در سیستم HVAC

یاد گرفتیم HVAC چیست و با انواع مختلف آن آشنا شدیم.
در انتها این نکته را به یاد داشته باشید که:
HVAC باید متناسب با نیاز، کارایی و محیطی که میخواهید در آن استفاده کنید، انتخاب شود.
استفاده از اسپلیت های مرکزی در ساختمان های بزرگ و اداری بسیار رایج است،
ولی بهره وری انرژی در اسپلیت های هیبریدی بیشتر است.
مینی اسپلیت ها، شیک و زیبا هستند و برای استفاده در واحدهای مسکونی مناسب اند.
و استفاده از پکیج ها برای مکان های کوچک و در مناطق با هوای گرم که نیازی به سیستم های تامین حرارت بالا ندارند، کارآمد است.

در ادامه به بررسی 3 جز اصلی سیستم HVAC میپردازیم.

3- کنترلرها در سیستم HVAC

کنترلرهای HVAC عملکرد سیستم های گرمایش و تهویه مطبوع را در یک ساختمان، کارخانه و یا اتاق تنظیم میکنند.
در ویدیوی فارسی زیر با کنترلرها در سیستم HVAC آشنا میشویم.

نکات مهم در نحوه عملکرد این کنترلرها:

1. سیستم های کنترل HVAC با استفاده از سنسورهایی مثل ترموستات، رطوبت سنج و
کنترل کننده های فرآیند (process controllers) شرایط واقعی محیط را
با شرایط از پیش تعیین شده در سیستم مقایسه میکنند.

 انواع کنترلرها در سیستم HVAC

2. سپس، با روشن و خاموش کردن فن ها یا سیستم های گرمایش و تهویه مطبوع، حرارت و رطوبت محیط را در شرایطی که از قبل در سیستم تنظیم شده، حفظ میکنند.

 فن ها در سیستم HVAC

3. کنترلرهای HVAC از ترکیبی از ورودی ها و خروجی های آنالوگ و دیجیتال برای انجام انواع کارها استفاده می کنند.

از انواع ورودی و خروجی در کنترلرهای HVAC میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

  • اندازه گیری
  • روشن و خاموش کردن تجهیزات
  • باز و بسته کردن ولوها (valves) و دمپرها (dampers)

باز و بسته شدن دمپرها در سیستم HVAC

4- سنسورها در سیستم HVAC

از سنسورهای HVAC  برای اندازه گیری شرایط در هر فضای بسته ای مثل یک اتاق یا ساختمان استفاده میشود.

انواع سنسورهای HVAC شامل: ترموستات، رطوبت سنج، سنسورهای دی اکسید کربن و سنسورهای فشار هستند.
این سنسورها به سایر تجهیزات متصل شده و کیفیت هوا را تنظیم می کنند.
می توان  گفت حسگرهای HVAC مسئول بهره وری در کل سیستم و حفظ کیفیت هوا هستند.

در این ویدیوی کوتاه فارسی، 3 حسگر مهم در سیستم HVAC ، توضیح داده میشود.

1-4 سنسور دما یا ترموستات (Thermostat)

امروزه سنسورهای دما یا ترموستات ها غالبا دیجیتالی هستند و در آنها از قطعات نیمه هادی استفاده میشود.
این قطعات نیمه هادی، دمای محیط را بر اساس مقاومت اندازه گیری می کنند و
از جمله آنها میتوان به دو مورد زیر اشاره کرد:

  • ترمیستورها یا thermistors :
    معمولا از یک سرامیک یا پلیمر ساخته میشوند.
    ترمیستور یک مقاومت گرمایی حساس به دما است که با تغییرات دما، مقاومتش تغییر میکند.
  • آشکارسازهای مقاومت دمایی یا (resistance temperature detectors (RTDs :
    از فلز خالص ساخته میشوند و معمولاً از جنس پلاتین، مس، نیکل هستند.
    اساس کار این سنسور، تغییر مستقیم مقاومت فلزات، متناسب با دما و به صورت خطی است.
این را هم ببینید
RTD یا ترمیستور

روش کار یک ترموستات به این صورت است:

  • اندازه گیری دمای محیط
  • مقایسه دمای محیط اندازه گیری شده با دمای تنظیم شده در سیستم
  • خاموش و روشن کردن سیستم هیتر یا تهویه مطبوع متناسب با نیاز

و با تکرار این فرآیند دمای محیط را بر روی نقطه ای که قبلا در سیستم HVAC تنظیم شده حفظ میکند.

انواع ترموستات

2-4 رطوبت سنج (Humidistat)

رطوبت سنج میزان رطوبت محیط را اندازه گیری کرده و
همراه با سیستم های ترموستات و هیتر از تجهیزات در برابر میعان گازها و خوردگی محافظت میکند.
وجود این دستگاه به خصوص در مناطق مرطوب،
که کپک ها و قارچ ها در محیط داخلی ساختمان ها قابلیت رشد بالایی دارند، بسیار مهم است.
رطوبت سنج میتواند رطوبت محیط را مستقل از درجه حرارت کنترل کند.
به این معنی که:

  • اگر درجه حرارت بالا ولی رطوبت کم باشد:
    رطوبت سنج به سیستم تهویه مطبوع (air conditioner) اجازه کار نمیدهد و
    به این ترتیب مانع از خشک شدن بیش از حد هوای محیط میشود.
  • اگر رطوبت محیط تا اندازه ای زیاد شود که شرایط برای رشد قارچ ها فراهم باشد:
    این سنسور با روشن کردن سیستم تهویه مطبوع،
    باعث کاهش میزان رطوبت محیط تا سطح مجاز میشود.

این سیستم همچنین میتواند در شرایط لازم:
رطوبت را از طریق واشرهای هوا (air washers) به محیط اضافه کند و یا
با کاهش دمای هوا تا زیر نقطه شبنم (dew point temperature) و
از طریق خشک کننده ها (drier)، رطوبت هوا را حذف کند.

رطوبت سنج ها با ولتاژهای پایین هم کار میکنند و
از یک نوار نایلونی (nylon ribbon) حساس به رطوبت در آنها استفاده شده است.

تنظیم رطوبت سنج در سیستم HVAC

3-4 سنسور دی اکسید کربن (Carbon dioxide sensor)

اندازه گیری دی اکسید کربن و نظارت بر کیفیت هوا در هر محیط بسته ای بسیار مهم است.
در یک ساختمان یا محیط، وقتی سیستم HVAC روشن و در حال کار است،
درها و پنجره ها باید کاملا بسته و بدون درز و عبور هوا باشند تا سیستم به درستی کار کند.
از طرفی حضور انسان ها و فرآیند تنفس آنها، باعث ایجاد گاز کربن دی اکسید و
و سمی شدن هوای محیط میشود.
این مسئله منجر به خواب آلودگی و کاهش توان و بهره وری افراد خواهد شد.

سنسورهای دی اکسید کربن در سیستم HVAC، کیفیت هوای محیط را بررسی میکند.
سپس میزان هوای تازه موجود در محیط را با تنظیمات سیستم تهویه مطابقت داده و
میزان هوای تازه مورد نیاز را تعیین میکنند.
اندازه گیری سطح CO2، به طور غیر مستقیم تعداد افراد حاضر در یک اتاق را مشخص میکند و
نحوه کارکرد سیستم تهویه بر همین اساس  قابل تنظیم است.

سنسور دی اکسید کربن در سیستم HVAC

از رایج ترین انواع سنسورهای تشخیص سطح CO2 میتوان به دو مورد زیر اشاره کرد:

  • سنسورهای مادون قرمز غیر پاشنده یا (nondispersive infrared sensor (NDIR :
    دارای یک منبع اینفرارد (مادون قرمز)، تیوب نور، فیلتر نوری و آشکارساز امواج که
    با استفاده از روش اسپکتروسکوپی (طیف سنجی) میزان تراکم گاز CO2 را اندازه گیری می کنند.
  • سنسورهای شیمیایی گازی یا Chemical gas sensors :
    دارای لایه های حساس مبتنی بر پلیمر هستند.
    مصرف انرژی کم و قابلیت انطباق و کوچک کردن سایز سنسور برای استفاده در سیستم های میکرو الکترونیک،
    دو مزیت اصلی این نوع سنسورها است.
    در حالیکه در مقایسه با سنسور مادون قرمز، عمر مفید کوتاه تری دارند.

4-4 سنسور فشار (Pressure sensor)

بررسی و تنظیم جریان هوای محیط توسط سنسورهای فشار انجام میشود.
این سنسورها در قسمت های زیادی از سیستم HVAC مورد استفاده قرار می گیرند:

  • کمپرسورها (compressors)
  • دیگ های بخار (boilers)
  • خنک کننده ها (coolers)
  • سیستم های بازیابی گرما (heat recovery systems)
  • کنترل بخار (burner control)
  • سیستم های کنترل حجم هوا (variable air volume systems)

سنسور فشار

سنسورهای فشار با بررسی وضعیت اتاق ها و فیلترها، میزان افت فشار را اندازه گیری میکنند.
از فواید این کار میتوان به این موارد اشاره کرد:

  • بهینه سازی جریان هوا، گرمایش و خنک سازی
  • تشخیص و تعیین نیاز سیستم به تعمیر و سرویس

5-4 سنسور تشخیص دود (Duct smoke detector)

آشکارسازهای دود برای جلوگیری از انتشار دود در یک ساختمان استفاده می شوند و
پس از تشخیص موقعیت، دود را با استفاده از کانالها از ساختمان خارج میکنند.
این کانال ها میتوانند برای انتقال و خارج کردن گازهای سمی، دود سیگار و
حتی شعله های آتش از یک منطقه مورد استفاده قرار گیرند.

خروج دود از کانال در سیستم HVAC

6-4 آشکارساز حرکت (Occupancy sensor)

این سنسورها حضور فرد در یک اتاق را تشخیص میدهند.
و به این ترتیب به سیستم HVAC کمک میکنند تا با تنظیم روشن و خاموش کردن سایر بخش ها،
کارایی انرژی مجموعه را افزایش دهد.
دو نوع اصلی سنسورهای تشخیص حرکت، سنسورهای PIR و اولتراسونیک هستند.

سنسور تشخیص حرکت در سیستم HVAC

5- ولوها در سیستم HVAC

شیر یا ولو (Valve)  نوعی اتصال یا فیتینگ (fitting) است که با باز کردن، بستن یا نیمه باز کردن مسیر عبور،
جریان سیال (گازها، مایعات و …) را تنظیم میکند.

ولوها در سیستم HVAC نقشی حیاتی دارند و
همراه با عملگرهای مکانیکی یا محرکها (actuators)، جریان آب گرم و سرد را در این سیستم ها تنظیم میکنند.

ویدیوی فارسی زیر را ببینید تا با ولوها و نحوه کارشان در سیستم HVAC آشنا شوید.

1-5 شیرهای توپی (Ball valves)

شیرهای توپی رایجترین نوع مورد استفاده در سیستم های HVAC هستند که
میتوانند جریان را در چند جهت مختلف و تنها با یک اتصال (fitting)، تنظیم کنند.
قطعه مسدودکننده جریان در این نوع ولو، یک گوی یا کره سوراخ دار است که
حول محوری عمودی نسبت به جهت جریان سیال دوران میکند.
نحوه کار شیر توپی به این صورت است:

  • وقتی دسته شیر در راستای مسیر باشد یعنی شیر باز است که در این حالت سوراخ گوی در راستای جریان آب قرار دارد.
  • وقتی دسته عمود بر مسیر جریان باشد یعنی شیر بسته است و در این حالت سوراخ گوی عمود بر مسیر جریان است.

شیرهای توپی در سیستم HVAC

کارایی، دوام و عمر مفید این شیرها بسیار بالاست و همین مسئله باعث میشود که
از آنها در مصارف صنعتی، به طور گسترده ای استفاده شود.

2-5 ولوهای کنترلی مدرن (modern control valves)

ولوهای کنترلی بر روی سیستم های پیچیده اتوماسیون که
بر اساس ورودی های اکسترنال طراحی شده اند، عمل می کنند.

از ولوهای کنترلی برای تنظیم جریان بر اساس نقاط تنظیم یا متغیرهای از پیش تعیین شده استفاده میشود.
این نوع ولوها به یک عملگر مکانیکی (actuator) نیاز دارند تا
موقعیت ولو را با توجه به ورودی و تنظیمات آن با دقت تعیین کند.

ولو کنترلی مدرن در سیستم HVAC

این عملگرهای مکانیکی براساس کاربرد و
جایی که از آنها استفاده میشود، میتوانند یکی از انواع زیر باشند:

  • الکتریکی (Electric actuator)
  • هیدرولیکی (Hydraulic actuator)
  • نیوماتیک (Pneumatic actuators)

انواع عملگرهای مکانیکی

نتیجه گیری و توضیح یک مثال ساده از سیستم HVAC :

فرض کنید دمای مطلوب شما برای اتاقتان در یک روز گرم تابستانی، 25 درجه سانتی گراد است.

  • سیستم HVAC را روشن کرده روی حالت cool یا خنک کننده قرار داده و دمای 25 درجه را در آن تنظیم میکنید.
  • سیستم کنترل با استفاده از سنسور تشخیص دما (ترموستات) دمای هوای اتاق را اندازه گیری میکند (مثلا 30 درجه).
  • سپس فرمان روشن شدن سیستم خنک کننده ارسال شده و فرآیند خنک کردن اتاق آغاز میشود.
  • در این مدت سیستم کنترل همچنان دمای اتاق را بررسی میکند.
  • زمانی که دمای اتاق به 25 درجه رسید، فرمانی به سیستم ارسال شده تا تهویه مطبوع (خنک کننده) خاموش شود.
  • سیستم کنترل دمای اتاق را در هر لحظه بررسی میکند.
  • به محض اینکه دمای اتاق بیشتر از 25 درجه شد، فرمان روشن شدن مجدد سیستم خنک کننده ارسال میشود.
  • این چرخه همچنان ادامه دارد.

تنظیم شرایط دلخواه در سیستم HVAC

ثبت اطلاعات برای دریافت آموزش رایگان

مقاله بالا بخشی از بسته جامع اتوماسیون صنعتی
(بسته جامع +30) است.

برای مشاهده کامل این بسته کلیک کنید.

مشاهده بسته اتوماسیون صنعتی
بسته جامع اتوماسیون صنعتی

در نماتک نظر دهید