مأخذ: نشریه تهویه و تبرید – خرداد 1383
مقاله‌ای که پیش رو دارید تاریخچه‌ای است از فرآیند سردسازی با استفاده از یخ که Bernard Nagengast آن را به رشته تحریر درآورده است.
برنارد ناجنگسات مهندس مشاور در سیدنی، اوهایو است که در تاریخچه R&HVAC به مدت 26 سال تحقیق کرده است. او رئیس قبلی و مشاور فعلی کمیته تاریخ ASHRAE است و در نوشتن کتاب تاریخی ASHRAE به نام گرما و سرما، اندازه‌گیری فضاهای داخلی بزرگ سهیم بوده است.
انسان انگیزه‌ای غریزی برای راحت زیستن دارد. زمانی یک شعر بر روی تابلو روی دیوار اتاق خود در کالج داشتم که شاعری ناشناس آن را چنین سروده بود:
انسان موجود مضحکی است
وقتی هوا گرم است او آن را سرد می‌خواهد
وقتی هوا سرد است او آن را گرم می‌خواهد
همیشه آن چیزی که نیست را می‌خواهد
انسان موجود مضحکی است
آسایش
مضحک یا نه تلاش برای راحتی شاید هم سن نژاد انسان باشد. می‌دانیم که آتش برای گرما حداقل از 100000 سال پیش یا شاید هم بیشتر به کار می‌رفته و وجود آتشکده‌های دود زده باستانی این امر را اثبات می‌کند؛ اما درباره خنک کردن چه؟ یخ ذوب‌شده یا برف اثر باستانی از خود به‌جا نمی‌گذارد؛ بنابراین زمان شروع خنک کردن به‌منظور راحتی در ابهام دفن شده است. ما مجبوریم به نوشته‌های موجود درباره تاریخچه آن متکی باشیم. چون تا پیش از قرن 19 سردسازی مکانیکی وجود نداشته است، هر تلاشی برای خنک کردن هوا باید با استفاده از یخ، برف یا آب خنک یا به روش تبخیری بوده باشد. این مقاله نگاهی دارد به تاریخچه سردسازی با یخ در ایالات‌متحده آمریکا:
پیشینه:
یکی از قدیمی‌ترین نوشته‌ها یعنی انجیل این‌طور یاد می‌کند:
“سرمای برف در گرمای فصل برداشت.” اطلاعات پراکنده دیگری درباره استفاده از برف یا یخ توسط مردم باستانی برای سردسازی وجود دارد. برای مثال امپراتور روم واریوس آویتوس دستور داد که برف کوهستان به باغ او منتقل و انباشته شود تا نسیم‌های طبیعی خنک شود.
سایر موارد اکثراً ثبت نشده و در طول قرن‌ها گم شده‌اند. به‌هرحال تا سال 1800 کار زیادی در این زمینه انجام‌نشده است.
پیدایش سیستم‌های یخ محور
مثال‌های فوق برای استفاده از یخ برای سردسازی آن چیزی نیست که مهندسین HVAC در نظر دارند. پزشکان سرما فراهم می‌کردند ولی این کار با استفاده مستقیم از یخ بر روی بدن انجام می‌شد. مهندسین به سیستم‌های کامل فکر می‌کنند، اما تنها در اواسط قرن 18 بود که سیستم‌های تهویه که با یخ خنک می‌شدند به وجود آمدند. با نزدیک شدن قرن 20 این‌گونه سیستم‌ها بیشتر دیده می‌شوند.
قدیمی‌ترین پیشنهاد برای سردسازی با استفاده از یخ در آمریکا احتمالاً توسط جورج نایت از سینسیناتی بود که در سال 1864 در مجله ساینتیفیک آمریکن یک سیستم خنک‌کننده یخی بیمارستانی را مطرح نمود. این سیستم شامل یک سیستم تهویه با هواشوی بود که هوا را تمیز و خنک می‌کرد. آب هواشوی از درون یک کویل خنک‌کننده که در یخ در حال ذوب قرار داشت عبور داده می‌شد و هوای بیرون توسط یک بادبزن از میان پاشش آب یخ عبور داده می‌شد چنین می‌گوید: این وسیله برای استفاده انتخابی به‌ویژه در گرمای تابستان طراحی‌شده است.
ناتانیل شیلر از نیوپورت (در آن‌سوی رودخانه اوهایو در نزدیکی سینسیناتی) سیستم دیگری را پیشنهاد کرد. وی در سال 1865 حق ثبت شماره 47991 را برای وسیله خنک‌کننده اصلاح شده دریافت کرد. این الگو یک تغییردهنده گرما را شرح می‌دهد که از “نگهدارنده‌های یخ ” در یک “مسیر پیچاپیچ ” استفاده می‌کند که هوای اتاق برای خنک شدن در آن دمیده می‌شود. شیلر همچنین می‌گوید می‌توان یک خشک‌کن نیز در مسیر هوا قرار داد تا آن را خشک‌کند. (شکل 1)
پس از سال 1870، سردسازی و گرمایش ساختمان‌های بزرگ و سیستم‌های تهویه مطبوع به‌صورت تجاری آغاز شد. برای اولین بار سازمان‌هایی با هدف مهندسی، ساخت و فروش سیستم‌های زیرساختی ساختمان‌ها به وجود آمد.
تقاضای رو به رشدی برای سیستم‌های مرکزی که بتواند سرما برای نوشابه‌ها، یخ‌سازی و نگهداری سرد فراهم کند به وجود آمده بود. گرمایش مرکزی و کارخانه‌های تهویه مطبوع برای ساختمان‌های مختلف در حال ساخت مورد نیاز بود. با این حال تقاضای کمی برای خنک‌سازی رفاهی وجود داشت. در آن زمان سردسازی مکانیکی بیش از آن گران بود که بتواند رایج گردد.
ا.جوگلت در مقاله 1873 خود درباره “سیستم‌های مختلف خنک کردن هوا ” استفاده از یخ برای سردسازی رفاهی را مطرح می‌کند ولی این‌طور نتیجه می‌گیرد: در واقع، این روش خنک‌سازی را باید غیرعملی دانست، زیرا یخ خیلی ارزان نیست و سرما را نمی‌توان به ارزانی گرما تولید کرد.
به نظر می‌رسد که تلاش‌های معدود سردسازی در آن زمان توسط افراد کنجکاو یا ماجراجویان انجام شده باشد. یک نمونه آن فروشنده بستنی بود که گفته می‌شد در سال 1880 اتاق غذاخوری هتل استاتن ایلند نیویورک را خنک کرده بود. او سیستمی به کار برد که در آن هوا از طریق لوله‌هایی که در مخلوط یخ و نمک قرار داشتند عبور داده می‌شد. این یک مثال از دوره ایست که سردسازی تنها در مرحله نظریه قرار داشت.
سیستم‌های مهندسی زائد است
نشریه مهندسی بهداشت در سال 1880 گزارش داد که تئاتر مدیسون اسکوایر نیویورک از تقریباً 4 تن یخ (13630 کیلوگرم) برای خنک کردن تماشاچیان در نمایش‌های شبانگاهی در تابستان استفاده می‌کرده است. هوای تازه توسط یک فیلتر 40 فوتی (12 متری) از جنس پارچه تصفیه و از طبقات چوبی شیب‌دار حاوی 2 تن (1815 کیلوگرم) یخ عبور و به‌وسیله یک بادزن گریز از مرکز وارد فضا می‌شد. هوای خروجی فن از روی دو تن دیگر یخ عبور کرده و وارد کانال‌هایی با دهانه‌های مختلف می‌شد که هوای خنک را به داخل فضا می‌راند تا دمای هوا را کاهش داده و هوای تازه لازم را فراهم نماید.
تاسیسات تئاتر مدیسون اکوایر نوع جدیدی از سیستم‌های خنک‌سازی رفاهی بود. این یک سیستم مهندسی بود که توسط شرکت مهندسی زود به تأمین‌کننده اصلی سیستم‌های تهویه و گرمایش در آمریکا بدل شد. طی دهه‌های بعدی سیستم‌های مهندسی ساختمان در آمریکا مرتباً دیده می‌شود. شرکت‌هایی مثل استورتونت که تجهیزات گرمایش و تهویه ، طراحی و نصب می‌کردند پس از سال 1880 تشکیل شد. کارکنان فنی این شرکت‌ها در حرفه جدیدی کار می‌کردند ؛ مهندسی گرمایش و تهویه. تعداد فزاینده آن‌ها نشان‌دهنده نیاز برای یک جامعه مهندسی متخصص بود که نتیجه آن سازماندهی جامعه آمریکایی مهندسین گرمایش و تهویه در سال 1894 بود.
این دوره جدید، شاهد سیستم‌های ساختمانی بود که به‌منظور تحقق نتایج مشخصی طراحی‌شده بود. در ابتدا این نتایج به‌طور وسیعی تعریف می‌شد. این مسئله به‌ویژه درباره چند سیستم خنک‌کننده رفاهی که بین سال‌های 1880 و اوایل 1890 طراحی شد درست است و این چند سیستم معدود، از نوع یخی بودند. احتمالاً مشهورترین آن‌ها همان بود که از یخ برای تسکین ناراحتی رئیس‌جمهور جیمز گارفیلد استفاده می‌کرد که در اثر سوءقصد ناشی از گلوله در سال 1881 در بستر مرگ بسر می‌برد. این سیستم در جزوه “گزارش‌های افسران نیروی دریایی درباره سیستم تهویه و خنک‌سازی کاخ ریاست در زمان بیماری پرزیدنت گارفیلد ” که در سال 1882 منتشر شد شرح داده‌شده است. به نظر می‌رسد که مهندسین نیروی دریایی او را از میان چندین پرده نازک کتانی که مخلوط یخ – نمک از یک منبع در بالا روی آن‌ها چکانده می‌شد می‌گذراندند. هوای خنک از طریق کانال به اتاق رئیس‌جمهور منتقل می‌شد که در نتیجه دمای هوای عبوری 20 درجه فارنهایت (11 درجه سانتی‌گراد) پایین می‌آمد. نتیجه مطلوب یعنی خنک کردن اتاق رئیس‌جمهور یک نتیجه تعریف‌شده وسیع بود ؛ هرگونه کاهش دما قابل‌قبول بود.
سیستم خنک‌کننده دیگری در سال 1889 برای سالن موسیقی کارنگی توسط مهندس مشاور آلفرد وولف طراحی شد. وولف احتمالاً نخستین مهندس موفق گرمایش و تهویه بوده و برخی از مهم‌ترین سیستم‌های خنک‌کننده در پایان قرن نوزدهم را طراحی کرده است. در نخستین تلاش، وی از یخ استفاده کرد. اسناد ساختمانی سیستم وی را چنین شرح می‌دهد:
هوای تازه در هر دمای دلخواه به مقدار زیاد ولی با سرعت کم‌عرضه می‌شود و هوای استفاده شده تخلیه می‌گردد. به‌طورکلی، هوای تازه (گرم یا سرد شده) از طریق سوراخ‌هایی در سقف یا نزدیکی آن وارد می‌گردد و تخلیه از طریق دهانه‌ها یا رایزرهایی در نزدیکی کف صورت می‌گیرد و با عبور از یک سیستم پیچیده کانال‌ها که از درون ساختمان ایجاد شده در بالای سقف خارج می‌گردد.
هوا از طریق سطح گرم‌کننده یا از میان طبقات یخ توسط چهار دمنده قدرتمند هر یک به ارتفاع 12 فوت (3.7 متر) و از درون سیستم کانال‌های هوای تازه به بخش‌های مختلف ساختمان منتقل می‌شود.
سطح گرم‌کننده و دیگر وسایل طوری تقسیم شده‌اند که تغییرات جوی را می‌توان بلافاصله جبران کرد و دمای هوا را برای گرمای تابستان یا سرمای زمستان تنظیم نمود.
بخش خنک‌کننده این سیستم برای حفظ یک دما و رطوبت مشخص طراحی نشده بود. وولف از این نتیجه که دمای اتاق پایین بیاید راضی بود. کارآمدی سیستم سالن کارنگی نامعلوم است و تأییدی بر استفاده آن در دسترس نیست.
بیشتر سیستم‌های خنک‌کننده یخی در دهه بعدی به دست آمدند. تئاتر برادوی در نیویورک از ابتدای سال‌های 1890 یک سیستم تهویه یخی به مدت 10 سال استفاده می‌کرد.
در این سیستم، هوای بیرون را از روی قالب‌های یخ که بر روی تشت‌های چوبی قرار داشت عبور داده و از طریق دریچه‌ها وارد سالن می‌کرد. تئاتر کیت در فیلادلفیا در سال 1903 برای هر اجرای نمایش از یک تن یخ استفاده می‌کرد. این سیستم با القای طبیعی و خروج هوای گرم از پنجره‌هایی در بالای تالار در نظر گرفته شده بود. یک مهندس بنام سی.م.استوکز در این مورد این‌گونه توضیح داده است: من در هوای گرم در تالار بوده‌ام. در واقع در روزهای گرم به آنجا می‌روم تا خنک شوم. می‌توانید به دریچه روی کف نگاه کنید تا یخ را ببینید.
این سیستم‌ها در یک نشست فنی در ژانویه 1903 جامعه آمریکایی مهندسین گرمایش و تهویه مطرح شده است. این اولین باری است که موضوع خنک‌سازی رفاهی با استفاده از یخ به این جامعه ارائه می‌شد. موضوع ظاهراً توجه مهندسین گرمایش و تهویه را جلب نمود زیرا بحث‌های پس از ارائه مقاله سه برابر خود مقاله در صورت‌جلسه منتشرشده ASHVE جا گرفته است.
سیستمی که چنین توجهی را جلب کرد یک سیستم خنک‌کننده یخی است که در دبیرستان محلی در اسکرانتن به کار رفته بود. از سال 1901 تا حداقل سه سال بعد از آن تالار در زمان برگزاری مراسم فارغ‌التحصیلی در ماه ژوئن به این طریق خنک می‌شده است. آسایش 1400 نفر با گردش 3 میلیون فوت مکعب (85 میلیون لیتر) هوا در ساعت فراهم می‌شد که از روی قالب‌های یخ می‌گذشت. (شکل 2) هوا در بالای دیوارها تخلیه می‌شد و از دریچه‌های روی کف در میان ردیف‌های صندلی پخش می‌گردید. در حدود 6.5 تن (5900 کیلو) یخ برای خنک کردن در یک شب معمولی برای حفظ اختلاف دمای حدود 15 درجه فارنهایت بین بیرون و داخل مصرف می‌شد. لگن‌های کلرید کلسیم برای کاهش رطوبت در صورت لزوم در مسیر هوا قرار داده می‌شد. مقدار کلرید کلسیم برای کاهش رطوبت در صورت لزوم در مسیر هوا قرار داده می‌شد. مقدار کلرید کلسیم به کار رفته با تصمیم‌گیری درباره سطح رطوبت تعیین می‌شد سپس افزودن تشک‌های خشک‌کن و کنترل هوا توسط رطوبت‌سنج نتیجه مطلوب به دست آید.
