اندازه یابی کانال هوا برای ساختمان های مسکونی

تاریخ انتشار: 6 آبان 1405
بدون دیدگاه

از: مهندس کامران آرین نژآد

کلیات طراحی کانال هوا

اقتصادی بودن یک سیستم انتقال هوا در برقراری تعادل بین هزینه های اولیه و هزینه های عملکردی سیستمی با دبی هوای معین بدست می آید. هزینه اولیه همان هزینه سیستم کانال است که بستگی به اندازه های کانال دارد. هزینه های عملکردی را نیز مصرف توان بادزن تعیین می کند که بستگی به افت فشار در دستگاه هوارسان و سیستم کانال دارد. افت فشار را می توان با افزایش اندازه کانال ها کاهش داد اما این کار باعث افزایش هزینه های اولیه می گردد. پس باید تعادل مناسبی برقرار کرد.

برخی قواعد کلی زیر در طراحی کانال باید رعایت کرد:

برای آنکه حداکثر صرفه جویی در مصرف توان، مصالح و فضا امکان پذیر گردد، هوا باید تا حد امکان بصورت مستقیم هدایت شود.
از تغییرات ناگهانی مسیرها باید پرهیز نمود. هنگامی که نیاز به زانو باشد، برای کاستن از افت فشار باید از تیغه های راهنما استفاده نمود.(متأسفانه این کار مدت هاست که فراموش شده است.)
سرعت های داخل کانال باید در محدوده های مجاز سروصدا باشد.
مقاطع کاهنده باید به صورت تدریجی ساخته شوند و زاویه کاهش بیش از ۲۰ نباشد.
کانال های با مقطع مستطیل شکل را تا حد امکان باید به شکل مربع نزدیک کرد این امر باعث می شود که سطح کانال کمتر و در نتیجه ارزان تر شود.
نسبت عرض به ارتفاع باید ۴ به ۱ یا کمتر باشد.(البته به دلیل کوتاهی ارتفاع سقف ها در آپارتمان های ایران معمولاً کانال ها دارای ارتفاع کم و عرض زیاد می شوند.)
کانال ها باید از مصالح صاف و صیقلی نظیر ورق آهن گالوانیزه یا ورق آلومینیوم ساخته شوند.
تا حد امکان سعی شود مانعی بر مسیر کانال‌کشی قرار نگیرد.

طراحی کانال های مسکونی

کانال‌های ساختمان‌های مسکونی را معمولاً از جدول‌های طراحی کانال اندازه‌یابی می‌کنند که بر اساس ضریب اصطکاک in.Wg ۰/۱۰ یا سایر روش‌هایی است که در آن ضریب اصطکاک in.Wg ۰/۱۰ برای هر ۱۰۰ فوت کانال در نظر گرفته می‌شود. در این روش‌ها ضریب اصطکاک کانال برگشت، in.Wg ۰/۰۸ در هر ۱۰۰ فوت در نظر گرفته می‌شود. هر دو ضریب بر اساس فشار استاتیک خارجی متداول تولیدی توسط دستگاه‌های خانگی است که معمولاً in.Wg ۰/۲ یا ۰/۱۵ برای کانال رفت و in.Wg ۰/۰۵ برای کانال برگشت می‌باشد.

جدول ۱ اندازه‌های کانال‌های هوا برای ساختمان‌های مسکونی معمولی را به دست می‌دهد. اگر قدری به اتصالات و طول‌های بلندترین شاخه توجه شود، چنین جدول‌هایی روش کاملاً مناسب و بسیار سریعی برای اندازه‌یابی کانال پیش رو می‌گذارند. هدف از طراحی و نصب یک پلنوم برای سیستم کانال یک ساختمان مسکونی
آن است که با انحراف هوا به طرف شاخه‌ها، فشار سرعت به فشار استاتیک تبدیل گردد و به این ترتیب در ابتدای هر شاخه فرعی کانال، فشار استاتیک یکسانی برقرار گردد. این امر باعث می‌شود کل افت فشار استاتیک کاهش یابد زیرا بازیافت فشار استاتیک غالباً بیشتر از افت اصطکاکی در پلنوم است. اما برای طول‌های کوتاه کانال، ممکن است مسئله زیادی فشار استاتیک رخ دهد و برای تنظیم جریان هوا روی مقدار مورد نظر نیاز به دمپر باشد. افت‌های فشار استاتیک بیان شده بر حسب فوت معادل کانال برای اتصالات متداول در کانال‌کشی مسکونی در شکل ۱ نشان داده شده است. افت‌های چنین اتصالاتی ما را در برآورد سریع طول معادل کل (TEL) طول‌های کانال یاری می‌کنند و برای برآورد افت طول کل کانال در سیستم‌های مسکونی به قدر کافی دقیق هستند.

بادزن ها در سیستم های تهویه مطبوع ساختمان های مسکونی

از طراحی سیستم توزیع هوا و برآورد دقیق کل فشار استاتیک (فشار استاتیک سمت رفت منهای فشار استاتیک منفی سمت برگشت) سیستم توزیع هوا، باید بادزن یا بخش بادزن را انتخاب نمود.

عملکرد همه بادزن‌ها بستگی به مقدار دبی هوای مورد نیاز و فشار استاتیکی که بادزن باید تولید کند دارد. در دستگاه‌های تهویه‌مطبوع یا تهیه‌کننده هوای گرم و سرد خانگی پکیج (از جمله سیستم‌های تبخیری)، اندازه بادزن ثابت است اما غالباً لازم است سرعت بادزن برای جواب گویی به نیازها تنظیم و مشخص گردد. در دستگاه‌های بزرگ‌تر، مثل دستگاه‌های مرکزی، برای یک دستگاه واحد، چند اندازه بادزن وجود دارد که مهندس باید برای هر کاربرد بخصوص، اندازه، سرعت و قدرت موتور صحیح را مشخص کند.

دو نوع بادزن معمولاً در سیستم‌های گرمایش و تهویه‌مطبوع کاربرد بسیار دارند – بادزن‌های ملخی (جریان محوری) و بادزن‌های گریز از مرکزی (سانتریفیوژ).
بادزن‌های ملخی می‌توانند مقادیر زیادی هوا را در صورتی که فشار استاتیک یا مقاومت کم باشد حرکت دهند. عملکرد چنین بادزن‌هایی در شکل ۲ نشان داده
شده و در آن حداقل اسب بخار یا توان بادزن که برای کمترین افت استاتیک مورد نیاز است نیز نمایش داده شده است. این مشخصه‌ها، بادزن‌های محوری را برای کندانسورهای هوا- خنک که نیاز به مقادیر زیادی هوا دارند بسیار ایده آل ساخته زیرا در این نوع کندانسورهای لوله-پره دار، مقاومت ناچیز است اما هنگامی که کویل کندانسور کثیف می گردد، مقاومت در برابر جریان هوا افزایش یافته و باعث اضافه بار شدن موتور بادزن می گردد زیرا نیاز به توان بیشتری برای موتور می باشد. بادزن های نوع ملخی سروصدای بیشتری تولید می کنند و همین مسئله عامل محدود کننده در طراحی است. البته به تازگی با متغیر کردن زوایای ملخ ها و نصب وسایلی در جلوی بادزن ها اقدام به کاهش سروصدا کرده اند. از بادزن های گریز از مرکزی (که گاهی به آنها دمنده نیز می گویند) در بیشتر دستگاه های هواسران استفاده می گردد که می توانند در برابر مقاومت زیاد، مقادیر زیادی هوا جابجا کنند و در عین حال سروصدای کمی نیز دارند. همان طور که از نامش پیداست این نوع بادزن از اصل نیروی گریز از مرکز برای شتاب دادن به هوا استفاده می کند تا آن را به سرعت بالایی برساند. همین که هوا، پروانه را ترک می کند مقداری از فشار سرعت به فشار استاتیک تبدیل می گردد. عملکرد یک بادزن گریز از مرکزی بستگی به نوع تیغه های پروانه یا چرخ بادزن دارد. چهار نوع تیغه مورد استفاده قرار می گیرد: خم به جلو، خم به عقب، شعاعی و ایرفویل. در بادزن هایی که قطر پروانه تا اندازه های ۳۰ اینچ را دارند معمولاً از پروانه‌های خم به جلو استفاده می‌گردند. عملکرد بادزن خم به جلو در شکل ۲ نشان داده شده است.

در مقایسه با بادزن‌های ملخی، بادزن‌های گریز از مرکزی در فشارهای استاتیک بالاتر نیاز به توان (اسب بخار) کمتری دارند و دارای منحنی فشار استاتیک با شیب کمتری هستند. چرخ پروانه یک بادزن خم به جلو دارای تیغه‌های کوچک بسیاری است که در راستای دوران خمیده شده‌اند، شکل ۳.
عملکرد بادزن‌های گریز از مرکزی تحت قانون‌هایی است که متغیرهایی نظیر سرعت، مقدار دبی، فشار استاتیک، اسب بخار و چگالی هوا در آن دخیل هستند. دو قانون بسیار متداول برای بادزن‌ها عبارتند از:
قانون اول بادزن‌ها: برای اندازه معینی از بادزن‌های سانتریفوژ، مقدار جریان، اسب بخار، فشار استاتیک و سرعت بادزن به شیوه‌ی زیر با همدیگر ارتباط پیدا میکنند:

قانون دوم بادزن ها

برای اندازه معینس از بادزن در سرعت ثابت و حجم جریانی ثابت هوا اثر تغییر در چگالی بر اسب بخار و فشار استاتیک عبارت است از:

مثال نمونه: در نظر است به یک سیستم گرمایش اجباری هوا که از ابتدا برای ۲/۰ in.Wg، سرعت بادزن rpm ۸۲۰، دبی هوای ۱۱۵۰ cfm و موتور ۴/۱ hp طراحی شده بود، سیستم سرمایش نیز افزوده شود. اگر سیستم سرمایش نیاز به دبی هوای ۶۵۰ cfm داشته باشد، سرعت، فشار استاتیک و اسب بخار بادزن چقدر باید باشد؟

(اسب بخار اندازه گیری شده موتور در cfm ۱۱۵۰، ۱۸/۰ hp بود)
حل: از قانون اول بادزن ها داریم:

کل فشار استاتیک جدید باید آنقدر باشد که به مقاومت افزوده شده ناشی از نصب کویل سرمایش فایق آید. حداقل یک موتور 1/2 اسب برای این تبدیل مورد نیاز است. قسمت دمنده یک دستگاه تهویه مطبوع باید با سیستم توزیع هوا، در دبی و فشار استاتیک مورد نظر متعادل و متوازن شده باشد و اسب بخار مناسبی را برای بادزن تأمین کند.

برای دستگاه‌های مرکزی، فشار استاتیک بادزن عبارت است از مجموع مقاومت کانال، کویل‌ها، فیلترها، دمپرها، دریچه‌های رفت، دریچه‌های برگشت و پخش کننده‌های سقفی هوا. برای سیستم‌های سرهم (پکیج) یا واحدگونه، فشار استاتیک معمولاً فشار استاتیک الزام شده توسط کانال، پخش کننده‌ها، دریچه‌های رفت و غیره است زیرا کویل‌ها و فیلترها به عنوان جزئی از مقاومت داخلی دستگاه محاسبو شده‌اند. در هر مورد (از قانون اول بادزن‌ها) کل مقاومت سیستم با مربع دبی هوا تغییر می کند و مقاومت سیستم را می توان مستقیماً با استفاده از داده‌های طراحی در دبی‌های مختلف برآورد نمود.

با استفاده از فشار استاتیک و دبی طرح به عنوان مبنا، فشار استاتیک یا مقاومت را می توان برای دبی‌های دیگر با فرض دبی‌های دیگر و محاسبه فشار استاتیک، محاسبه نمود. مثلاً اگر کل مقاومت سیستم ۰.۴ in.Wg در cfm ۴۰۰۰ باشد، فشار استاتیک یا مقاومت در cfm ۶۰۰۰ عبارت خواهد بود از:

با رسم چنین نقاطی روی منحنی بادزن در یک منحنی سیستم کانال (شکل ۴) و قطع دادن این منحنی با منحنی فشار استاتیک بادزن، نقطه موازنه سیستم کانال – بادزن پیدا می‌شود.

چنین دیاگرام‌های موازنه‌ای بسیار راهگشا هستند زیرا آنها براحتی اثرات خطا در برآورد مقاومت سیستم یا اثرات تغییر در کار سیستم را نشان می‌دهند. شکل ۴ دیاگرام موازنه را برای مثال گفته شده بالا نشان می‌دهد. از جمله، بروز تغییریاتی که اثر خطا بودن فشار استاتیک تا ۲۵٪ اتفاق می‌افتد را نیز نشان می‌دهد. نقطه موازنه جدید در cfm ۷۶۰۰ خواهد بود و لازم است در اسب بخار کارکردی ۲۴ درصد افزایش انجام گیرد. شکل ۵، منحنی عملکرد یک بادزن گریز از مرکزی خم به جلو را در دو سرعت متفاوت نشان می‌دهد. نقاط موازنه در دو سرعت، نتایج قانون اول بادزن‌ها را روی عملکرد کل سیستم نشان می‌دهد. چنین اصول عملکردی و اثرات چنین تغییریاتی در آزمون سیستم‌ها برای ارزیابی عملکرد واقعی شان و مقایسه آنها با مشخصه‌های طرح مهم هستند.