جنبه های آسایشی در تهویه مطبوع تبخیری

از: مهندس مزدک صدری افشار

 

مقدمه

در این شماره مطالب مفصلی راجع به وضعیت حرارتی بدن انسان و شرایطی که باعث ایجاد آسایش حرارتی توسط تهویه‌مطبوع بویژه تهویه‌مطبوع تبخیری می گردد ارائه شده است. غالباً مهندسان بدون آشنایی با فیزیولوژی بدن و شرایطی که محیط داخل، معماری ساختمان یا بدن انسان باید برای ایجاد آسایش داشته باشند، سعی در طراحی سیستم آسایشی می‌نمایند.
البته باید در نظر داشت بیشتر شرایط گفته شده مربوط به تحقیقات آمریکایی ها بر روی افراد آمریکایی بوده که برای نتیجه‌گیری بهتر باید آزمایش‌هایی روی اقوام مختلف ایرانی صورت گیرد. دانشمندان کشور نیجریه اخیراً چنین آزمایشاتی را بر روی نژاد خود انجام داده‌اند که در شماره آخر این سلسله مقالات نشانی آن برای رجوع داده خواهد شد.

برخی موارد تهویه مطبوع هدف‌های صنعتی یا تکنیکی دارند مثلاً از تهویه مطبوع در کارخانه‌های نساجی، تنباکو، مبل‌سازی، غذایی، شیرینی و شکلات و صنایع شیمیایی یا به منظور خنک کردن ماشین‌آلات، اجزای برقی، حیوانات یا سبزیجات استفاده می‌شود. اما غالباً «آسایش» بشر است که تهویه مطبوع معنا پیدا می کند که به معنای راحتی و کارآیی بشر است. این آسایش، محصولی پیچیده از عوامل متغیر روانی، معماری ساختمان و فیزیولوژی بدن است. این موارد در ادامه به تفصیل شرح داده می شوند.

ترمودینامیک آلی آسایش

به دلیل آنکه افراد دارای توقعات متغیر هستند نمی‌توان تعریف کامل و ساده‌ای از آسایش به دست داد. با این وجود، به نظر می‌آید این تعریف درست به نظر می‌رسد که اکثر افراد وقتی که دمای عادی بدنشان در دمای ۳۷ درجه سانتیگراد نگه داشته می شود بدون آنکه انرژی‌ای برای تعامل یا واکنشی برای دفع یا گرفتن گرما از یا به بدن نمایند احساس آسایش می کنند.
بدن انسان ماشینی است که غذا را می‌سوزاند و آن را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند و این انرژی شیمیایی را از طریق جریان خون به سراسر بدن منتقل می‌کند. حدود ۲۰ درصد آن به انرژی ماهیچه‌ای تبدیل می‌گردد که ۶۰ تا ۷۰ درصد آن به گرما تبدیل شده و تلف می‌گردد. حدود ۸۰ درصد از ارزش غذا برای رشد، ترمیم سلولی، و گرم کردن بدن به کار می‌رود. یک انسان معمولاً نیاز به دریافت ۲۰۰۰ تا ۳۰۰۰ کالری در هر روز دارد. این نیاز با اندازه ی هر شخص،میزان کار فیزیکی انجام شده و شرایط محیطی تفاوت می کند.

فرآیندهای بدنی معمولاً انرژی غذا را به گرما تبدیل می کنند. حدود ۹۰ درصد کالری های مصرف شده به طور ناگهانی به صورت گرما تبدیل می شود. این گرما از طریق پوست و زبان دفع می شود.

به ویژه این محصول فرعی یا گرمای متابولیک با درجه ی فعالیت و اندازه ی فرد و با نرخ های متابولیسم پایه تفاوت می کند. مقادیر نشان داده شده گرمای آزاد شده در ساعت برای هر شخص در هوای ۷۸ درجه فارنهایت (۲۵/۶ درجه سانتی گراد) است. گرما به طور دائم و غیرناگهانی تولید شده و باید به طور یکنواخت و پایدار به محیط دفع گردد.
اگر گرما دفع نگردد، دمای بدن از دمای طبیعی اش ۹۸/۶ درجه فارنهایت (۳۷ درجه سانتی گراد) بالاتر رفته و سبب ناراحتی می گردد. اما اگر گرما سریع تر از آنکه تولید گردد دفع شود، باعث می شود که دمای سطح بدن و نقاط انتهایی بدن و سر انگشتان افت کرده و محیط برای فرد «بسیار سرد» احساس گردد.
بنابراین شرایط ایده آل وقتی رخ می دهد که گرمای بدن دقیقاً با گرمای متابولیک تولیدی در حالت موازنه بوده به طوری که دمای بدن نه کاهش می یابد و نه افزایش. «آسایش» وقتی به وجود می آید که آن منطقه ی توازن با فعالیت، متابولیسم و پوشش افراد فرق می کند. اندرکنش درجات مجاور، جابجایی هوا، دمای هوا، دمای تابشی میانگین و رطوبت نسبی نیز مهم هستند.

راه های دفع گرما توسط بدن

بدن راه های گوناگونی برای دفع گرمای متابولیک خود دارد؛ همرفت، تابش، تبخیر و مقدار کمتری رسانایی.
خنک شدن با همرفت، همان انتقال گرما از پوست و لباس به هوای محیط است. این انتقال، به طور وسیعی با سرعت، دمای هوا و مقدار پوشش لباس تفاوت می‌کند. وقتی هوا ساکن باشد لایه‌ای هوای ساکن چسبیده به بدن ما از هوای اتاق، قرنطینه (ایزوله) می‌کند در نتیجه انتقال حرارت بسیار کم می‌شود. هرچه سرعت هوا بالاتر باشد، فیلم یا لایه‌ای گفته شده نزدیکتر شده و جریان گرما از طریق آنها بیشتر می‌شود.

با فرض اینکه حرکت هوا کافی باشد و هوا خنک‌تر از پوست بدن باشد، انتقال گرما به روش همرفتی مستقیماً با اختلاف دما بین هوا و پوست نیز تغییر می‌کند. از آنجا که دمای میانگین پوست در تابستان از ۸۷ (۳۰/۶) تا حداکثر ۹۴ (۳۴/۴) متغیر است، دفع گرما به روش همرفت با افزایش گرما کم شده و کاملاً در ۹۴ (۳۴/۴) متوقف می‌گردد. دماهای هوای بالاتر، باعث می‌شود که جریان همرفت گرما به بدن صورت گیرد و نه از بدن به بیرون. بنابراین مقدار بیشتری از آن باید توسط روشهای دیگر دفع گردد.
خنک شدن توسط تبخیر، دفع گرمای بدن به وسیله‌ی تبخیر عرق از پوست بدن و آب از زبان و مخاط بینی و گذرگاه‌های تنفسی است. در فرآیند خنک‌سازی تبخیری، هر پوند آب تبخیر شده حدود ۱۰۵۰ BTU (۲/۴۴ kJ/kg) گرما دفع کند. بنابراین تبخیر بزرگترین عامل حفاظت از بدن در مقابل گرماست. اثر آن با دمای هوا، سرعت هوا و رطوبت نسبی متغیر است.

زیر ۷۵ (۲۳/۹)، تنها ۲۵ درصد انتقال حرارت شخص نشسته یا ساکن توسط تبخیر است و تعریق قابل توجه می‌گردد، مقدار آن زیر یک اونس (کمتر از ۲۸/۳ گرم) در ساعت است. اما برای مردان در دمای بین ۸۰ و ۸۵ ۹۰ (۲۶/۷ تا ۳۲/۲) تعریق فعال (۲ درجه فارنهایت یا ۱/۱) کمتر از آن است. در ۹۰ (۳۲/۱)، تبخیر نیمی از گرمای کل را دفع می‌کند.
در دمای ۹۴ (۳۴/۴) هوا، وقتی انتقال حرارت همرفتی ناپدید می‌شود و خنک‌سازی تابشی صرفنظر کردنی و ناچیز است، تبخیر مسئولیت دفع تمام گرما را دارد.

بالای ۹۴ (۳۴/۴)، وقتی انتقال حرارت همرفتی و تابشی به سمت بدن و نه به خارج از بدن می‌شود، تعریق ممکن است تا یک کوارت (حدود یک لیتر) در ساعت افزایش می‌یابد. برای شتاب بخشیدن به خنک‌سازی از زبان و مجاری تنفسی، شخص معمولاً منقطع و بریده و بسرعت از راه دهان تنفس می‌کند و از نواحی تر و خیس خود استفاده می‌کند.

افزایش سرعت هوا به نحو چشمگیری انتقال حرارت ناشی از تبخیر را زیاد می‌کند. در هوای راکد، پوست و لباس حالت چسبناک پیدا کرده و به وسیله‌ی لایه‌هایی از هوای راکد که با رطوبت اشباع است و توانایی پذیرش بیشتر از آن را ندارد احاطه می‌شود. بنابراین، آهنگ یا نرخ تبخیر، پایین و درجه‌ی عدم آسایش و ناراحتی بالاست. افزایش سرعت هوا باعث آوردن هوای تازه در مجاورت پوست و شتاب بخشیدن به تبخیر می‌گردد. این امر موجب افزایش انتقال حرارت همرفتی شده بنابراین اثر آن افزایشی و اضافه بر قبل است. عوامل دیگر، دمای مؤثر میانگین هوا که تولید آسایش می‌کند و مستقیماً با سرعت هوا تغییر می‌یابد است. آسایش بوضوح با بادکه‌ها یا بادبزن‌هایی که سرعت هوای اتاق را ft/min ۲۵۰ تا ۴۰۰ (۱/۲ تا ۲ m/s) بالا می‌برند به وجود می‌آید. اثر خنک‌سازی رانندگی در خودروهای روباز یا موتورسیکلت‌ها برای غالب افراد محسوس بوده است.

اما عامل کنترل کننده در خنک‌سازی تبخیری بدن، رطوبت نسبی هواست. این عامل نشانگر درجه‌ی اشباع موجود و نشان‌دهنده‌ی توانایی آن برای سرمایش با دریافت رطوبت است. بنابراین، دفع تبخیری گرمای بدن به طور معکوس با رطوبت نسبی هوا رابطه دارد. وقتی رطوبت بالاست، دفع گرمای بدن توسط تبخیر ضعیف بوده و مقدار ناراحتی بالاست. تبخیر از سطوح زبان کم است و شخص معمولاً احساس خفگی ودم کردگی می‌کند.
از ۹۴ (۳۴/۴) انتقال حرارت همرفتی و تابشی باعث شروع اضافه شدن گرما می‌کند. بالای این دما، خنک‌سازی بدن تقریباً کاملاً بستگی به تبخیر دارد. مقدار آن را عمدتاً رطوبت نسبی معین می‌کند. وقتی مقدار آن نامطلوب باشد افراد فعالیت بدنی را کم می‌کنند تا جایی که تولید گرمای متابولیک برابر با نرخ دفع آن باشد.
به دلیل آن که بیشتر گرمای بدن به صورت تبخیری دفع می‌شود، دریافت مربوطه هوای مجاور مشاغل هم گرمای نهان است و هم محسوس. گرمای محسوس باعث افزایش دمای هوا شده در حالی که افزایش گرمای نهان، رطوبت را به صورت بخار تبخیر نموده و آن را با هوا همراه می‌کند.
مقادیر نسبی گرمای نهان و محسوس در جدول(۱) آمده، چه گرمای دفعی به صورت گرمای نهان باشد یا محسوس برای بدن فرقی نمی‌کند.
خنک شدن توسط هدایت عبارت است از تماس پوست با جسم خنک‌تر.
هدایت از بدن معمولاً نامحسوس است زیرا مواد تماس یابنده‌ای که به نحو کاملی تماس با بدن داشته باشند بسیار محدود هستند، جریان گرما از پاها به کف زمین معمولاً توسط کفش یا جوراب متوقف می‌گردد. نشیمن نشستن صندلی‌ها اگر از ماده‌ی هادی بهتر از چوب ساخته شده باشند می‌توانند در صورتی که لباس سبک بر تن باشد، گرما را از بدن دفع کنند. اما در زمستان صندلی‌ها سرد هستند.
خنک شدن تماسی شاید راهی باشد که در آینده بتوان در کارخانه ها، فولادسازی ها هواپیما های جت و سایر موارد خاص از آن استفاده نمود.

امروزه بیشتر، خنک‌سازی با دوش گرفتن انجام می‌گیرد. زیرا انتقال حرارت تماسی و همرفتی هر دو افزایش یافته و آب ۳۰ مرتبه بیشتر از هوای راکد برابر قدرت خنک‌سازی دارد.
اما استفاده از دوش گرفتن برای خنک شدن به نظر می‌آید عملاً محدود باشد و نتوان در همه مواقع از آن استفاده کرد. پدیده‌ی مهم در خنک‌سازی هدایتی یا تماسی با نوشیدن مایعات خنک شده یا یخ است. آب بلعیده شده گرما را آنقدر جذب می‌کند تا دمایش به دمای بدن برسد. به ازای هر درجه فارنهایت که دمای اولیه آب پایین تر از دمای بدن باشد، حدود Btu/lb ۱ گرما جذب میکند یا به عبارتی kJ/kg ۱ برای هر درجه سانتیگراد تا حداکثر Btu ۶۰ بر نیم لیتر (نیم لیتر/kJ ۸/۴).
الکل، غذاهای خنک و نوشیدنی های خنک دارای همان اثر اما با مقدار کمتر هستند اما از طرفی به دلیل ارزش غذایی که دارند گرما نیز تولید میکنند.
افرادی که کار سنگین انجام میدهند تعریق زیادی انجام میدهند و ممکن است ۶ تا ۲/۵ لیتر آب در ۲۴ ساعت بنوشند. کل آب در خنک سازی تنفسی دخالت میکند. اما مایعات نباید زیاد سرد باشند (مثلاً نزدیک دمای یخ زدن)، در غیر این صورت نیاز خونی جهاز هاضمه افزایش یافته باعث افزایش کار قلب می گردد.

عوامل بدنی حاکم

به طور خلاصه، وقتی هوا، محیط یا جسم در تماس زیر ۳۴°C (۹۳°F) باشد، بدن گرمای متابولیک خود را توسط همرفت و تابش و تنها به صورت تماس واقعی دفع میکند. در دماهای بالاتر به جای آنکه بدن گرما دفع کند، به همان طریق گرما میگیرد و موجب افزایش ناراحتی میشود.
خوشبختانه، خنک سازی تبخیری که توسط پوست و مجاری تنفسی انجام میگیرد در تمام دماها مؤثر است و موجب تعریق میشود. اما نرخ و آهنگ تبخیر به طور عمده ای از رطوبت نسبی و سرعت هوا اثر میگیرد. سرعت هوا بر آهنگ همرفت اثر دارد و دارای اهمیت ویژه ای است.
بنابراین، اگر موضوع لباس، فاصله و تابش در نظر گرفته نشود، عوامل کلیدی که بر دفع گرمای متابولیک بدن و در نتیجه آسایش حکم فرمانی کنند عبارتند از:

• دمای هوا
• دمای دیوارها، سقف، با سایر اجزای محیط (دمای تابشی میانگینMRT)
• رطوبت نسبی هوا
• سرعت گردش هوا

عوامل بالا مشترکاً با یکدیگر تعامل دارند. پدیده ی تعریق برای آسایش حداقل با ۳ و ترجیحاً با هر ۴ عامل بالا درگیر است.

کنترل ها و محدودیت های دما و بدن

بدن با کنترل دما در اندام های تحتانی (دستها و پاها) و پوست، دمای اندام های حیاتی را نزدیک به دمای عادی و نرمال نگه میدارد. وقتی این اندام های حیاتی بیش از حد گرم میشوند قلب جریان خون را از آنها به سمت پوست افزایش داده باعث میشود سطح به نظر بیاید و دمای پوست بالا رود. این امر باعث میشود که دفع گرما به محیط افزایش یابد. دفع گرمای متابولیک در هوای مرطوب و داغ نیاز به حداکثر گردش خون دارد که باعث تحرک قلب و حتی ممکن است موجب صدمه به آن گردد.
بدن نمیتواند به مدت طولانی سطح فعالیتی بالاتر از اهنگ یا نرخ دفع گرمای متناظر و مربوط به آن داشته باشد وقتی فعالیت سبب تولید طولانی گرما بالاتر از ظرفیت جذب محیط گردد، دمای بدن افزایش مییابد. در نتیجه قلب به ضربان شدید می افتد، پوست سرخ شده و تنفس سریع میگردد. اگر سطح فعالیت به آرامی کاهش نیابد، خستگی، سردرد، سرگیجه، تهوع، تاری چشم، گرفتگی عضلات، گیجی یا ضعف آن را به آرامی می کاهد. زیرا خون ناکافی به قلب میرسد، در افراد مسن تر یا آنهایی که دارای بیماری قلبی هستند ممکن است سبب مرگ گردد.
کار مداوم در شرایط بد میتواند دمای بدن را تا ۱۰۳°F (۳۹/۴°C) بالا ببرد و سبب تپش قلب گردد و در نتیجه دمای بدن ناگهان به ۱۰۵°F (۴۰/۶°C) برسد. در این موقع ممکن است تعریق متوقف گردد و شخص به حالت اغما برود اگر دمای بدن کاهش نیابد صدمات مغزی پیش آمده و مرگ شخص ممکن است رخ دهد.

عوامل معماری یا روانی

فرآیندهای فیزیولوژیکی آسایش و راحتیست که در بالا به آن اشاره شد از چند عامل قابل پیش‌بینی تأثیر می‌گیرند. مثلاً تعیین‌کننده‌های آسایشی نظیر دمای حباب خشک داخل و دمای MRT (دمای متوسط تابشی) که به سختی اندازه‌گیری می‌شود به طور مستقل با:

1. منابع گرمای داخل
2. امتداد سمت ساختمان نسبت به خورشید
3. عایق‌بندی و عایق‌سازی (سایبان‌های بیرونی و بازتابش)
4. ابعاد آن و جرم آن متغیر است.

دو مورد آخر بیشتر در نظر گرفته می‌شوند زیرا هرچه یک ساختمان بزرگ‌تر باشد، فاصله ی ممکن بین افراد درون آن و سقف‌ها و پنجره‌ها و دیوارهای تابش‌کننده‌ی گرما بیشتر است؛ تقریباً فارغ از MRT، به افراد تابش کمتری می‌رسد و سطح آسایش بالا می‌رود.
ساختمان‌های بزرگ و دارای جرم زیاد باعث محافظت افراد با جرم بیشتر دیوارها، سقف‌ها، کف‌ها و سایر عوامل نازک‌کاری ساختمان می‌شوند. این ساختمان‌ها ظرفیت انبارسازی و نگهداری بیشتری داشته و موجب تأخیر بیشتر می‌گردد و باعث می‌شود که افراد در مقابل گرمای تابشی یا هوای گرم داخل حداقل ممکن قرار بگیرند.

گرمای بیرونی که به این جرم‌های سنگین داخل می‌شود تمایل دارد که به جای هدایت از آنها به درونشان ذخیره گردد. بنابراین ورود گرما به اتاق‌ها به نحو قابل ملاحظه‌ای به تأخیر می‌افتد. در حالتی که ساختمان اداری است، گرمای روز تا غروب داخل نمی‌شود یعنی تا زمانی که کارمندان ساختمان را تخلیه می‌کنند کل گرمای ورودی به اتاق‌ها به نسبت مقداری که ذخیره می‌گردد کاهش می‌یابد. در حقیقت، در انتهای بعدازظهر، با کاهش دمای هوای بیرون، وقتی که تابش آفتاب به دیوارهای بخصوصی قطع می‌شود، مقداری از گرمای ذخیره شده به بیرون برمی‌گردد و مقدار جریان آن به درون کمتر می‌گردد.

عوامل معماری بالا، معمولاً در محاسبات در نظر گرفته نمی‌شوند. عواملی که کمتر می‌توان آن را محاسبه نمود، اثرات روانی نظیر رنگ‌های فضاهای درونی است. رنگ‌های سفید، آبی و سبز روشن احساس خنکی به وجود می‌آورند و نارنجی، قرمز و قهوه‌ای احساس گرمی که همگی به شرایط فیزیکی نامربوط اند این موارد می‌توانند احساسات مربوط به تابش یا محیط و جو را افزایش داده یا تعامل با یکدیگر دانسته باشند. در حقیقت، نقاشی داخلی مناسب نارضایتی در اتاق‌های مشکل خشک‌شو یا مشکل گرم‌شو را کاهش می‌دهد.

به همین ترتیب این موضوع در مورد رضایت انسان با شرایط محیط داخل نیز وجود دارد. در اینجا به نظر می‌آید آسایش و راحتی بستگی دارد به موارد ناراحتی؛ هرچه شرایط محیط بیرونی به نظر شخص بدتر آید، بهبود در شرایط وضعیت داخلی که به ارائه می‌شود ارزش بیشتری دارد، به همین شکل، هرچه شرایط کار صنعتی داغ‌تر باشد، جت‌هایی که برای سرمایش نقطه‌ای یا موضعی به کار می‌روند به نظر کارگران راحتی بیشتری تولید می‌کنند. در حالی که «منطقه آسایش» که در زیر تشریح می‌گردد این را نشان می‌دهد. یعنی هرچود خنک‌سازی از نبود آن بهتر است. رضایت با خنک‌سازی موجود حتی ممکن است بستگی به هزینه‌های خنک‌سازی بهتر داشته باشد.
به دلیل آنکه عوامل معماری و روانی قابل اندازه‌گیری نیستند، محاسبات رسمی آسایش معمولاً آنها را در نظر نمی گیرند و فقط با دما، رطوبت، سرعت گردش هوا و MRT داخل سروکار دارند. از آنجا که اندازه گیری MRT در محل به طور فزاینده ای مشکل است، معمولاً فرض می شود که برابر با دمای حباب خشک هوای داخل است و بنابراین خنثی است. در ساختمان هایی که دارای عایق سازی و سایه سازی ضعیف هستند مقدار آن معمولاً بالاتر از دمای حباب خشک داخل است و در ساختمان های خوب عایق سازی و سایه سازی شده معمولاً کمتر است.
تحلیل آسایش نسبتاً کاری است پر دردسر و تجربی. مهندسان نباید فراموش کنند که عوامل زیادی دخیل هستند که ممکن است در نظر گرفته نشوند.

دما های موثر و منطقه آسایش

به دلیل اینکه دما، رطوبت، حرکت و MRT هوا بیشتر با یکدیگر تعامل دارند تا اینکه مستقل از یکدیگر باشند، باید آنها را با یکدیگر در نظر گرفت. دمای مؤثر ترکیبی از دما، رطوبت نسبی، سرعت هوا یا MRT است که باید خنثی در نظر گرفته شود. آزمونهای صورت گرفته در آزمایشگاه تحقیقاتی ASHRAE و دیگران نشان داده که دمای مؤثر تلاشی است برای اندازه گیری دمایی که افراد آن را حس می کنند. این دما اندازه گیری بهتری از آسایش را نسبت به dbt نشان می دهد زیرا شامل اثرات رطوبت و حرکت هوا روی پوست است.
تعامل حقیقی و مکانیکی آنها با یکدیگر بر اساس آزمونهای آزمایشگاهی است که لزوماً تبعیت از مشخصه های ساختمان های واقعی در آب و هوای واقعی، و جنبه های ذهنی یا روانی بشر که به آن اشاره شده نمی کنند. تا وقتی که چنین موضوعاتی را بتوان مورد آزمون قرار داد، محدودیت های نمودارهای آسایش را باید به یاد داشت با این وجود استفاده از آنها ضروری است.

نمودار های آسایش

برای تجسم بهتر، منطقه‌های آسایش را غالباً روی نمودارهای سایکرومتری استاندارد چاپ می‌کنند اما نمودارها مستقیماً نه گرمای تایشی را نشان می‌دهند نه سرعت هوا را. یک نمودار اصل و رسمی آسایش که توسط ASHRAE تهیه شده است در شکل ۲ نشان داده شده است. این نمودار برای کارمندان نشسته در حال کار در یک اداره، خانه، مدرسه و محیط‌های معمولی مثل آن و دارای لباس سبک هستند تهیه شده است و دمای تایشی متوسط (MRT) فرض شده است که برابر با دمای جاب خشک داخل باشد. همچنین ارتفاع جغرافیایی محل از سطح دریای ۷۰۰۰ ft (۲۱۳۳ m) از سطح دریاست و سرعت گردش هوا در اتاق کمتر از ۳۰ fpm (۰/۱۵ m/s) نیست.

منطقه آسایش، منطقه‌ای نقطه‌ای چین تقریباً مستطیل شکل وسط است. ترکیب جاب خشک و تر اتاق که درون آن است نشانگر آسایش برای اکثر افراد تحت آزمون بوده است و نزدیک خط وسط عمودی آن ۷۵ °F (۲۳/۹ °C) دمای مؤثر تقریباً برای همه باعث آسایش بوده. درصدی از افراد قدری در سمت چپ آن (خنک‌تر) و درصدی در سمت راست آن (گرم‌تر) و تعدادی فراتر از منطقه احساس آسایش می‌کنند.

این نمودار نشانگر خطوطو و مقیاس دمای مؤثر است که تازگی استخراج شده‌اند. این خطوط نشانگر احساس آسایش ثابت که برخورد یا خطوط عمودی جاب خشک با زاویه‌ای کوچک نزدیک سمت چپ منطقه دارند می‌باشد. این خطوط از خطوط سمت راست بزرگترند. دمای جاب خشک در خط‌های ET با محتوی رطوبت نسبی ۵۰ درصد برخورد دارد و مقیاس دمای مؤثر را می‌سازد. خطوط دارای علامت‌های فارنهایت یا سلسیوس هستند در جایی که دمای جاب خشک برخورد دارند اما بر اساس درجه‌های ET علامت‌گذاری شده‌اند. علامت ستاره آنها را از خطوط دمای مؤثر سابق را به جای آن آمده‌اند می‌سازد.

محدودیت های گفته شده

این منطقه آسایش مبنا برای سرمایش تبخیری محدودیت کاربرد دارد. اول اینکه مشخصه‌های سرعت هوای اتاق را برای سرمایش تبخیری فرض می‌کند یعنی تنها ۲۰ تا ۴۰ درصد حداقل‌های معمول در سرمایش تبخیری مستقیم.

دوم اینکه، این منطقه دارای نقطه‌ای شیب ثابت افقی و خطوط نسبت رطوبت بالا و پایین به منظور به حداقل رساندن مشکلات تنفسی، رشد قارچ و غیره است. محدوده‌های رطوبت نسبی در اینجا مؤثر به نظر می‌آیند و نیوب آن در تحلیل آسایش مشکل‌آفرین است.

نسبت‌های رطوبت در تحلیل سرمایش تبخیدی کارآمدتر هستند تا سرمایش تبخیدی.

سوم اینکه، خطوط بالا و پایین، تمام تعاریف خطوط دمای مؤثر را به عنوان خطوط آسایش ثابت از بالا تا پایین درهم می‌ریزد. تمام آزمون‌ها نشان می‌دهد برای اینکه آسایش بشر پایدار و دائم باشد، نباید بین خطوط نقطه شبنم نشان داده شده محدود گردد.

البته خطوط نقطه شبنم، محدودیت‌های سرایی را برای آسایش اقتصادی تبخیدی به دست می‌دهد. بالاتر از خط بالایی، هزینه‌های هواستانی ممکن است خیلی گران تمام شود و زیر خط پایین نیاز به توان بالایی برای کمپرسور خواهد بود. اما این ارتباطی با احساس آسایش یا سرماییش تیزی ندارد. محدودیت‌های آسایش مورد نظر بالاتر و پایین‌تر از منطقه‌ی مشخص شده گسترده‌شده‌اند تا چهار ضلعی بلندتر را بسازند که از راست و چپ محدود به همان خطوط دمای مؤثر باشد.

اقتباس نمودار آسایش برای شرایط دیگر

جنا از محدودیت‌های ثابت نقطه‌ی شبنم، منطقه‌ی آسایش ASHRAE برای سرعت‌های هوایی بیشتر داخل و سازگاری بشر با اقلیم‌های دیگر یا شرایط دیگر تنظیم و تعدیل شده است.

اول اینکه، منطقه و سمت یافته و میزان روانداری بالاتری برای دمای حباب خشک دارد یعنی مرز سمت راست آن بیشتر به سمت راست رفته تا حدی که نرخ گردش هوا تا ۲۵۰ fpm (۱/۸ m/s) افزایش یافته است. با فرض منطقه‌ی بلندتر که در قبل به آن اشاره شد، این امر به برخی کاربردهای متداول سرمایش تیزی‌تری مستقیم اجازه می‌دهد که به شرایط رسمی آسایش برسند.

مرز منطقه در سرعت‌های پایه، خط ۵۷–۵۸ °F (۱۴/۳ تا ۲۵/۶ °C) را می‌سازد. بسته به فعالیت‌های انسان، هوایی با سرعت ۲۵۰ fpm (۱/۸ m/s) آن را به سمت راست می‌راند. برای کارمندان نشسته، ET (دمای مؤثر) را حدود ۴ °F (۲/۲ °C) می‌دهد، برای فعالیت متوسط، ET (۳/۱ °C) ۵/۵ °F و برای افراد با فعالیت شدید بدنی، ET (۲/۴ °C) ۸ °F. برای انحصاصی که لباس گرم پوشیده‌اند، دریافت‌ها کمتر است.

تنظیمات منطقه‌ی آسایش بالا برای سرعت‌های هوایی اتاقی به نظر می‌آید که برای استانداردهای سرمایش تیزی‌ری مطلوبا کافی باشند. واضح است که آنها نمی‌توانند کاربردهای سرمایش نقطه‌ی صنعتی را جوابگو باشند. زیرا از آنجا کارگران در معرض ۴۰۰ تا ۴۰۰۰ fpm (۲/۰–۲/۰ m/s) جت هوا هستند. داده‌های قدیمی برای افراد با فعالیت‌های زیاد جور درمی‌آیند. این درجه‌های سرمایش مرزهای منطقه را به سمت راست می‌راند و دمایهای حباب خشک را که در آن توان به آسایش رسید افزایش می‌دهد.

منطقه آسایش برای سرمایش تبخیری

نمودار آسایش ASHRAE که در سال ۱۹۶۱ به چاپ رسید برای هوای ساکن بود. پس از آن این انجمن در کتاب Guide and Data Book ASHRAE سرعت‌های هوا را در محدوده‌ی ۱۵ تا ۲۵ fpm (۰/۶ تا ۱/۳ m/s) که مربوط به سرمایش مکانیکی بود را گنجاند. منطقه‌ی آسایش آن از سمت راست و چپ محدود به خطوط دمای مؤثر (آن زمان) بود و از لحاظ نظری از rh ۱۰٪ از پایین و تا rh ۱۰۰٪ منحنی اشباع در بالا گسترش یافته بود در عمل، این منطقه آسایش تقریباً بین منحنی‌های ۲۰٪ و ۸۰٪ rh را
می‌پوشاند. هوای خشک‌تر از ۲۰٪ rh ثابت شده است که باعث تولید مشکلات پوستی و تنفسی شده و در مبلمان و سایر مصنوعات چوبی باعث ترک می‌گردد در ضمن، زنگ زدن و تعریق مواد آسیب دیدنی اغلب حدود ۷۰٪ rh در فضاهایی که تهویه‌ی بدی دارند شروع شده ولی برای مواد معمولی و تهویه‌ی کافی، rh ۸۰٪ ایمن است.

این محدوده‌های کاری برای سرمایش تبخیری در فصل ۳۹ «سرمایش تبخیری هوا» کتاب ASHRAE SYSTEMS HNBK سال ۱۹۸۰ در نمودار آسایشی که نشان‌دهنده‌ی تغییرات منطقه آسایش با افزایش سرعت هوا و برای افراد نشسته مورد پذیرش قرار گرفته است. اما اگر شکی وجود داشته باشد، مؤلف ۷۰٪ رطوبت نسبی را برای محدوده‌ی بالا توصیه می‌کند.
این محور مرکزی منطقه، آسایش برای اکثر افراد خط دمای مؤثر ۷۵°F (۲۳/۹°C) نشان داده است. در سرعت‌های پایین هوای داخل غیرخاص، مرز سمت راست به خط ۷۸°F (۲۲/۶°C) نزدیک می‌شود. در سرعت‌های fpm ۳۰۰ (۱/۵ m/s) به ۴°F (۲/۲°C) می‌رسد و در fpm ۶۰۰ (۵ m/s) (۸°F (۴/۴°C) می‌رسد.
خطای این خطوط (که دیگر به کار برده نمی‌شوند) در مقایسه با آنچه که MRT فرض می‌شود با دمای حباب خشک داخل در اکثر بناهای امروزی برابر است و اثرات اندازه‌ی ساختمان و عوامل روانی در نظر گرفته نمی‌شود کوچک است.
با بسط منطقه به سمت راست، مرزهای بالایی و پایینی به ترتیب از منحنی‌های rh ۸۰٪ و rh ۲۰٪ تبعیت می‌کنند؛ زیرا آنها واگرا هستند، منطقه در ارتفاع به سرعت رشد می‌کند. بنابراین هرچه سرعت هوای داخل بیشتر باشد، مطمئنا، منطقه‌ی آسایش راحت‌تر قابل دستیابی است.

شرایط قابل توصیه برای داخل در تابستان

سلایق آسایشی بستگی به جنس، سن، موقعیت جغرافیایی و مدت زمان قرار گرفتن در محیط دارد. بنابراین، زنان دماهایی حدود ۱°F (۰/۶°C) گرم‌تر را نسبت به مردان ترجیح می‌دهند.
ساکنان مناطق کویری، گرمسیری، و مناطق زیر استوایی دماهای نسبتاً گرم‌تری را ترجیح می‌دهند و کوشنینان خنک‌تر. افرادی که مداوماً در یک محیط قرار دارند، ۴ (۱۶°C) خنک‌تر را نسبت به آنانی که ۳۰ دقیقه یا کمتر در جایی ساکن می‌شوند ترجیح می‌دهند در نتیجه می‌بینیم که کارمندان فروشگاه‌ها بیشتر از خریداران هوای خنک‌تری را می‌طلبند.
از آنجا که فراهم کردن شرایط بهینه در آب و هوایی که اطلاعات نزدیک به آن منطقه ثبت شده‌اند بسیار گران تمام می‌شود، اکثر مهندسان و تهیه کنندگان دستگاه سطح آسایش را که «رضایت تجاری» از آن بتوان داشت در نظر می‌گیرند که قدری گرم‌تر از ایده‌آل در آن شرایط آب و هوایی است با این دانسته که در تمام روزهای دیگر دستگاه نصب شده رضایت را فراهم می‌کند.

تعدیلات برای گرمای تابشی

داده‌های آسایش باید برای شرایط گرمای تابشی نیز تعدیل و تنظیم گردد. زیرا اندازه‌گیری آن مشکل است، شدت گرمای تابشی معمولاً برحسب دمای تابشی متوسط (MRT) اندازه‌گیری می‌شود که میانگین دمای سطح دیوارهای سقف، کف، شیشه‌ها، بازتابش‌ها و … محیط است برحسب درجه F° یا C°.
امروز اندازه‌گیری نیاز به دستگاه و تخصص ویژه دارد. دراین همچنین اثرات آن محل به محل متغیر است. زیرا با مربع آن (توان ۲) فاصله از دیوارها، پنجره‌ها، تجهیزات و سقف‌های گرم و حتی بین افراد به ویژه در کلاس‌های درس، تئاتر، سالن اجتماعات و فروشگاه‌های شلوغ فرق می‌کند.
اگر دستگاه‌های ارزان قیمت‌تر قابل حمل رادیومتر در دسترس باشند می‌توان چیز بیشتری به دست آورد و فهمید.
در ET ۷۵ افزایش F° ۱ یا C° ۱ در MRT تقریباً قدری بیشتر از F° ۱ یا C° ۱ افزایش در درجه ET جناب خشک خواست، در عمل برای هر درجه که MRT از دمای حباب خشک اتاق تفاوت کند، متخصصان توصیه می‌کنند که دمای هوا به همان نسبت برابر تغییر می‌کند. اما اگر هوای اتاق به سرعت عوض شود، مثلاً در سرمایش تبخیری مستقیم، این تنظیمات و تعدیلات ساده‌تر است زیرا گردش و اغتشاش هوا به هوا بیش از یک درجه قدرت سرمایش برای هر درجه که خشک‌تر از هوای اتاق با MRT است می‌دهد. اگر فاصله تابش در نظر گرفته نشود، یک درجه در اینجا ممکن است چند درجه MRT را جبران کند.

رطوبت های نسبی مجاز

نظریه‌های اولیه بر این عقیده‌اند که برای آسایش نیاز به ۳۰ تا ۷۰ درصد رطوبت است. اما تجربه‌های میدانی نشان داده‌اند که این محدوده وسیع‌تر است.
اکثر متخصصان امروزه اعتقاد دارند که رطوبت‌های نسبی تا ۱۰۰ درصد نیز در جایی که دمای هوا و سرعت با حرکت هوا با خطوط دمای مؤثر همراهی دارند مجاز است. بنابراین عموماً غالب مقادیر رطوبت که همراه با دما و سرعت‌های مربوطه هوا باشند می‌توانند برای اکثر افراد آسایش به همراه آورد.
همان طور که اشاره شد، رطوبت‌های ساکن در فضای بسته بالاتر از rh ۷۰٪ باعث به وجود آمدن کپک و زنگ در فولاد حفاظت نشده می‌گردد. به همین شکل هوای زیاد خشک باعث خشکی مجاری تنفسی، ترک خوردن پوست و ترک خوردن و گچ شدن مبلمان چوبی و غیره می‌شود و تولید الکتریسیته ساکن را افزایش می‌دهد. بنابراین دامنه ی ۲۰-۷۰ درصدی در عمل استفاده می‌شود اگر آسایش زیاد در نظر نباشد.

حرکت و سرعت مجاز هوا در سرمایش تبخیری

برای به دست آوردن آسایش، هوایی که خنک شده است تا با سرعت کافی وارد اتاق شده و قبل از اینکه با پوست تماس پیدا کند با هوای اتاق کاملاً مخلوط شود و با گردش کافی به همه جا فرستاده شود تا سرمایش همرفتی و تبخیری پوست براحتی صورت گیرد.
وقتی کوران اتفاق می‌افتد که جریانات هوایی که سردتر از دمای اتاق هستند به پوست لخت رسیده و سرعت آن طوری باشد که اثر خنک‌سازی هوا را تشدید کند. برای جلوگیری از تولید کوران، باید عمل اختلاط در فضاهای بدون ساکن انجام شود. مثلاً در طول دیوارهای بیرونی بالاتر. بنابراین سرعت‌های هوای ورودی باید نوع و محل دریچه، اندازه و شکل اتاق، مسافت جریان‌یابی هوا و حجم هوای ارسالی متغیر است. برای اینکه «پرتاب» کافی جریانات هوا در اتاق‌های عریض یا کنج‌هایی که دارای دریچه‌های در بالا و روبروی هم هستند داشته باشیم نیاز داریم که سرعت‌های خروجی بیش از fpm ۱۰۰۰ (m/s ۵/۱) باشند.
از آنجا که هوای ورودی در سیستم تبریدی غالباً ۲۰ (C° ۶۸) (۱۱/۱) زیر دمای اتاق است عموماً برای اینکه از کوران جلوگیری شود نیاز داریم تا سرعت‌های میانگین اتاق پایین باشد. معمولاً، سرعت‌های ۲۵ تا fpm ۳۵ (m/s ۰/۱۳ تا ۰/۱۸) در اقلیم‌هایی که مردم در آن عادت ندارند از پنکه‌های برقی برای جریان بیشتر هوا استفاده کنند توصیه می‌شود. اما وقتی ET اتاق برای ساکنان بالاتر از این هم است معمولاً بالای fpm ۴۰ (m/s ۰/۲) توصیه می‌شود. متخصصی توصیه می‌کند که اگر در مواقع خنک هوای برخوردی با اشخاص بیش از ۴ F (۰/۵۵ C°) سردتر از میانگین هوای اتاق نباشد یا در تابستان بیش از ۲ F تا ۳ F (۱/۱ C° تا ۱/۷ C°) خنک‌تر نباشد می‌توان تا fpm ۷۵ (m/s ۰/۳۸) سرعت را بالا برد.

هرچه دمای هوای ورودی بیشتر به شرایط اتاق نزدیک باشد، از سرعت‌های هوای ورودی بالاتری می‌توان استفاده کرد. اگر اختلاف دما قابل صرف‌نظر کردن باشد، یعنی وقتی که از بادزن تنها استفاده می‌شود یا وقتی که شخص در بیرون است، سرعت‌های تا fpm ۸۸۰ (نسیم ۱۰ مایل در ساعت یا کیلومتر در ساعت که در بسیاری مناطق، معتدل است) پذیرفتنی است. بنابراین در جایی که سرمایش تبخیری معمولاً هوایی تنها ۲ F تا ۶ F (۱/۱ C° تا ۳/۳ C°) پایین‌تر را تولید کند، سرعت‌های اتاق که بیشتر از سیستم تبریدی باشد مجاز است. متخصصی توصیه می‌کند که مقدار آن ۱۱۰ تا fpm ۲۰۰ (۰/۵۱ تا m/s ۱/۰۲) باشد. در حقیقت، سرعت fpm ۳۰۰ (m/s ۱/۵) چیز غیرعادی نیست. شخص دیگری از پژوهش درباره‌ی دامنه‌ی از سرعت‌های اتاق از ۹۰ تا fpm ۲۲۰ (۰/۴۶ تا m/s ۱/۱۲) این نکته را دریافته که هرچه بالاتر باشد آسایش بیشتر است و ساکنان نیز شکایتی ندارند.
هوایی که به طور تبخیری خنک شده باشد مشکلات کوران کمتری تولید می‌کند. اگر ۳ تا ۶ F (۱/۷ C° تا ۳/۳ C°) خنک‌تر از هوای اتاق داخل شود، رطوبت آن، رطوبت هوای اتاق را بالا برده و به صورت تبخیری پوست را خنک می کند که اگر سیستم تبریدی بود و همان سرعت را داشت به نسبت بیشتر بود بنابراین جریانات هوای آن احساس چاییدن و خنکی کمتری تولید می کند و سرعت های بالاتر مجاز می شوند اما سرعت های بالای در چه ممکن است باعث شود که هوا مستقیماً به افراد برخورد کند و باعث شود کاغذ و چیزهای دیگر در یک محیط دفتری یا اداری را تکان داده و پرتاب کند بنابراین سرعت های زیر 200 fpm (1/02 m/s) برای کارمندان نشسته توصیه می گردد و اگر لازم باشد برای کارمندان که دستی یا فیزیکی کار می کنند سرعت های بالاتر سرعت های مجاز اتاق همچنین بستگی به عادت و فعالیت افراد دارد.

افرادی که در اقلیم‌های سرد زندگی می‌کنند به سرمایش زمستانی که خوب تنظیم و تعدیل شده باشد عادت دارند و در سرمایش تابستانی شان حرکت و جریان کمتری از هوا را ترجیح می‌دهند تا افرادی که در مناطق گرم‌تر از پنکه، پنجره و درهای باز استفاده می‌کنند. به همین شکل، سرعت‌های بالاتر در کارخانه‌ها، کارگاه‌ها، ساختمان‌های عمومی، فروشگاه‌ها نسبت به خانه‌ها، آپارتمان‌ها و محیط‌های اداری بیشتر مجاز می‌باشند.

الزامات هوا تازه

انسان برای تهیه‌ی اکسیژن، رقیق کردن دی‌اکسید کربن بازدم، و دفع هر نوع بو و دود و دمه نیاز به هوای تازه دارد. با آنکه مشاهده شده اتاق‌های کوچک‌تر به دلیل اثر فضا نیاز به هوای تازه‌ی بیشتری به ازای هر شخص دارند تا اتاق‌های بزرگ‌تر، اما اغلب استانداردهای تهویه بر اساس تعداد نفرات در اتاق هستند نه ابعاد اتاق. برخی ساختمان‌های صنعتی دارای ساکنان کم یا چنان مشکلات دود و دمه‌ای می‌باشند که تهویه براساس تعداد نفرات ساکن مشکل‌ساز خواهد بود مثل کارخانه‌های ذوب فلزات و ریخته‌گری، کارگاه‌های جوشکاری، پرسکاری گرم، اتاق‌های رنگ‌آمیزی با اسپری، اتاق‌های چاپ، مناطق فرآوری شیمیایی، یا آشپزخانه‌های تجاری و غیره خوشبختانه، تقریباً همه‌ی سیستم‌های سرمایش تبخیری علاوه بر آنکه افراد را خنک می‌کنند، جریان تهویه‌ی خوبی نیز ایجاد می‌کنند. تقریباً در همه ی کاربردهای مسکونی، اداری، صنعتی، اگر سرمایش تبخیری مستقیم، سطح دمای قابل کارگران ایجاد مقدار هوای تهویه ی کافی نیز تهیه می کند.

پاکسازی هوا

سیستم های سرمایش که هوای عاری از گرده، غبار و پرز را ارسال می کنند به نحو چشمگیری آسایش را فراهم می کنند. بنابراین غالب آنها دارای فیلتر هوا هستند که هم بادزن ها را محافظت می کنند و هم سطوح خنک کننده را عمل فیلتر و غبارگیری موفقیت آینده الزام می کند که ذرات معلق در هوا را از ۱ میکرون (۲۵/۴۰۰ میکرون برابر یک اینچ) تا حدود ۲۰۰ میکرون را بگیرد. غالب آنها برای آسایش مضر هستند مثلاً گرده ی گیاهان که بین ۱۰ تا ۲۵ میکرون قطر دارند و غبار معدنی بسیار ریز را با مواد فیلتری چسبناک بهتر می توان گرفت.

غالب کولرهای تبخیری به طور فعال هوایی را که باید خنک شوند پاکیزه می کنند. کولرهای نوع چکه‌ای (آبی معمولی) هوا را از لابلای الیاف چوبی خیس عبور میدهند که مقدار چشمگیری از غبار و گرده‌ها را می‌گیرند گرچه بازده فیلتراسیون واقعی آن معلوم نیست. ایرواشرها هوای تقریباً با حداکثر خلوص را تهیه می کنند و چنانچه نیاز باشد می توان فیلترهای هوای جداگانه‌ای نیز اضافه کردند.

علاوه بر آن، کولرهای تبخیری مستقیم، به دلیل داخل کردن هوا (و تولید فشار مثبت) به فضاهای داخلی و اغتشاش در آن اجازه نمی‌دهند که گرد و غباری بتواند بنشیند و دوباره توسط هوای خروجی خارج می شوند و به دلیل درز و ترک پنجره‌ها و درها و همان فشار مثبت، غبار و دوده و غیره نیز کمتر داخل می شوند. جریان رو به بیرون هوا نیز از ورود حشرات از طریق درها و پنجره‌های باز جلوگیری می کند.

 

منبع: مجله تهویه مطبوع شماره 3

 

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.