زون‌بندی آسایشی برای طراحی HVAC
زون‌بندی آسایشی برای طراحی HVAC-بخش سوم
اغلب تازه‌کارها تعجب می‌کنند که انتخاب انواع سیستم HVAC و زون‌های آسایشی باید قبل از انجام محاسبات دقیق بار یا انرژی صورت گیرد. مهندسان برق قبل از تصمیم‌گیری در مورد تجهیزات، بار مصرفی را تعیین می‌کنند و مهندسان سازه قبل از انتخاب اجزای سازه بارهای زنده و مرده خود را پیدا می‌کنند. با این وجود، برای طراحی HVAC و نیز مدل‌سازی مصرف انرژی، عملکرد یک ساختمان به سیستم‌های HVAC و چگونگی تأثیر فضاها بر همدیگر بستگی دارد؛ بنابراین، نرم‌افزار محاسبه بار و انرژی به این مشخصات به‌عنوان ورودی نیاز دارد.
نفوذ هوا به داخل
در روندهای معمول طراحی در ایالات‌متحده، طراحان ساختمان‌های تجاری را تحت فشار کمی مثبت قرار می‌دهند، مگر اینکه مدیریت فشار هوای طبیعی فعال به کار گرفته شود. این کار برای حذف یا حداقل ساختن نفوذ هوای تهویه نشده به فضاهای پیرامونی انجام می‌شود. فضاهای خاص مانند گاراژهای تهویه شده با درهای بالاسری بزرگ یا نواحی ورودی با درهای خارجی که زیاد استفاده می‌شود، می‌توانند به‌سادگی این فشار را از دست بدهند و در نتیجه نیازهای تهویه‌ای بیشتری نسبت به یک فضای مجاور محصورتر دارند. همان‌طور که معمولاً مشاهده می‌شود، حتی داشتن پنجره‌های بازشو می‌توانند سبب بروز مشکلات آسایشی در زمان استفاده نادرست ساکنین شود. برعکس، اگر یک اتاق کناری تعداد زیادی بازشو داشته باشد و اتاق دیگر بدون بازشو باشد یا تعداد کمی بازشو داشته باشد، بررسی کنید آیا ساکنین ساختمان می‌توانند از آن بازشوهای بزرگ درست استفاده کنند یا نه؛ اگر پاسخ منفی است زون بندی هر فضا را جداگانه در نظر بگیرید. در خانه‌های آمریکای شمالی، ساختمان‌ها معمولاً تحت فشار نیستند و گه گاه با عملکرد اگزاست فن فشار آن کم می‌شود و درنتیجه نفوذ هوا به فضاهای بیرونی افزایش می‌یابد. برای خانه‌های چندطبقه، اثر دودکشی می‌تواند منجر به ناراحتی حرارتی قابل‌توجه مخصوصاً در طبقات بالاتر شود. زون بندی خانه‌ها حداقل طبقه به طبقه اغلب سبب بهبود آسایش شده و می‌تواند راندمان انرژی را نیز بهبود ببخشد.
تماس با زمین
به‌جز برای یک طبقه خاص بالای همکف مانند یک زیرزمین، فضاهای زیر همکف هیچ تماس مستقیمی با هوای بیرون ندارند. آن‌ها از طریق دیوارها، پایین‌ترین دال کف و پی‌های خود، گرما و رطوبت را به خاک منتقل می‌کنند. همین‌طور، نیازهای تهویه‌ای فضاهای آن‌ها به جهات اصلی وابستگی زیادی ندارد و اگر دیوارهای بیرونی آن‌ها به‌خوبی عایق شده باشند، اغلب هم فضاهای داخلی و هم پیرامونی می‌تواند در یک زون زیر همکف خاص ترکیب شوند. در اقلیم‌های سرد، این زون‌ها می‌توانند در زمانی که استفاده نمی‌شوند کاملاً خنک باشند، پس برای آن‌ها گرمایش و احتمالاً ظرفیت رطوبت زنی در نظر بگیرید. در فصل‌های سرمایش، زون‌های زیر همکف حتی وقتی به‌طور طبیعی در دماهای قابل قبول هستند ممکن است نیاز به رطوبت زدایی داشته باشند.
اهداف آسایشی
بسته به اقلیم و نظرات یک مشتری خاص، بیشتر فضاهایی که معمولاً اشغال می‌شوند نیاز به سیستم‌هایی با قابلیت‌های گرمایش، رطوبت‌گیری، سرمایش، رطوبت زنی و تصفیه هوای قابل‌توجه دارند. برای مثال، فضاهای مجاور مانند انبارها، اتاق‌های ذخیره‌سازی، بعضی سرویس‌های بهداشتی، آشپزخانه‌ها یا رختشوی‌خانه‌ها ممکن است تنها به ظرفیت گرمایش و نفوذ هوای جزئی نیاز داشته باشند. گذاشتن این فضاهای دیگر در زون‌های مختلف با سیستم‌های ساده اغلب مناسب است. در صورت استفاده از یک سیستم هوای تازه اختصاصی (DOAS) یا «هوای اولیه-هوای ثانویه» که ترمینال یونیت‌ها کل گرمایش یا سرمایش را در سطح زون تأمین می‌کنند، تنها کویل‌های مناسب برای هر زون تعبیه می‌شود.
نقاط تنظیم و عقب‌نشینی‌ها
تصمیمات زون بندی می‌تواند تحت تأثیر نقاط تنظیم مطلوب باشد، برای مثال ممکن است لازم باشد یک فضا در یک دیتاسنتر بسیار خنک‌تر از فضاهای دیگر آن باشد. همین‌طور، در بسیاری ساختمان‌ها، اتاق‌های کوچک فناوری اطلاعات (IT) با سرورها و روترها ممکن است در تمام طول سال نیاز به سرمایش داشته باشند و فضاهای مجاور همیشه گرمایش لازم داشته باشند. به علاوه، برای مثال در یک واحد تولیدی کوچک با یک دفتر اداری در جلو، فضای تولید دارای تهویه مطبوع ممکن است روزهای خاصی بلااستفاده باشد و در نتیجه بتوان از عقب‌نشینی‌های دمای قابل‌توجهی استفاده کرد، در حالی که فضای اداری هنوز در حال استفاده است یا برعکس.
چند واحدی‌ها
قانون سیاست‌گذاری عمومی خدمات شهری ایالات‌متحده (PURPA,16 U.S.C. §2625(d)) در سال 1989، کنتور برق مجزا در ساختمان‌های جدید چندواحدی را اجباری کرد و در نتیجه این ساختمان‌ها می‌بایست سیستم‌های HVAC متفاوت جداگانه داشته باشند. نیازهای تهویه‌ای متفاوت است و به دلایل ایمنی حریق و نیز کنترل بو و سلامت، باید از جریان‌های هوای HVAC بین واحدها جلوگیری کرد. همچنین برای مناطق کاملاً عمومی یا مشترک ساختمان‌های چندواحدی زون‌ها و سیستم‌های مجزا تعبیه کنید و کنتور این سیستم‌ها را برای مالک ساختمان بگذارید؛ هزینه این کار با نرخ اجاره ساکنین تأمین می‌شود.
هزینه و موارد استثنا
آخرین عامل، منابع مالی کارفرماست. پروژه‌های ساختمانی معمولاً طبق اهداف اولیه طراحی HVAC به‌صورت هزینه ساخت اولیه ارزان قیمت، هزینه متوسط یا گران‌قیمت طبقه‌بندی می‌شوند. در انتهای بالا، سیستم‌های با کنترل‌پذیری بالا با روش‌های زون‌بندی آزاد مناسب هستند، اما اغلب پروژه‌های تجاری حداقل در آمریکا به سمت هزینه پایین‌تر گرایش دارند. بسیاری اوقات هزینه اولیه بیشتر اگر درست انجام شوند، می‌توانند جبران شوند یا اینکه رضایت بیشتر ساکنین را به همراه داشته باشند، پس باید تلاش کنید کارفرماها را برای کار بیشتر متقاعد کنید. با این وجود، وقتی کارفرما درخواست هزینه اولیه پایین دارد، روش‌های زون بندی نیمه مناسب مانند گروه‌بندی باهم تعداد دفاتر بیشتر رایج است. کارفرماها باید مطلع شوند که این زون بندی مقرون‌به‌صرفه منجر به تعداد ساعات ناراحتی بیشتر در سال در اتاق‌های بدون ترموستات می‌شود.
اصول طراحی
راهنمای طراحی HVAC زیر فرض می‌کند همه فضاهای در دست ساخت در جهت رسیدن به اهداف تهویه و آسایش حرارتی مشابه تهویه می‌شوند. ساختمان‌ها، کاربری‌ها و کدها مختلف‌اند و در نتیجه این راهنماها ممکن است نیاز به تنظیماتی داشته باشند:
1. زون‌ها از فضاهایی تشکیل می‌شوند که در یک ساختمان تجاری به‌صورت افقی چیده می‌شوند نه عمودی. چون طبقات بین فضاها موانع آتش و دود هستند و در نتیجه بازکردن‌ها یا حرکت کنترل نشده هوا بین طبقات مانع از اجرای صحیح اصول طبقه‌بندی فضاها برای حفاظت در برابر حریق می‌شود. همچنین همان‌طور که در شکل 1 نشان داده می‌شود، بارها در هر طبقه متفاوت است و ممکن است ساکنان مختلفی در هر طبقه حضور داشته باشند. در منازل مسکونی ایالات‌متحده نیز زون‌های حرارتی اغلب در دو یا چند سطح هستند که معمولاً به آسایش ضعیف در طبقات بدون ترموستات یا تهویه زیاد در طبقات دارای آن‌ها می‌انجامند.
2. زون‌ها از فضاهای مجاور جمع می‌شوند. درحالی‌که دو فضای دور از هم ممکن است پروفایل بار مشابهی داشته باشند، اما ممکن است به‌قدری از هم فاصله داشته باشند که اتصال آن‌ها با لوله‌کشی یا کانال سطح زون امکان‌پذیر نباشد. در عوض، این فواصل دور به بقیه فضاهای نزدیک وصل یا به‌عنوان زون‌های مجزا تعریف می‌شوند.
3. فضاهای داخلی با سایر فضاهای داخلی در ارتباط هستند. در صورت داشتن ارتباط حرارتی جزئی با بیرون یا عدم ارتباط، معمولاً بهتر و ساده‌تر است که فضاهای داخلی را با هم گروه‌بندی کنیم. مشکل وقتی پیش می‌آید که نورگیرهای سقفی وجود داشته باشند یا فضاها کاربری‌های، نقاط تنظیم یا نیازهای تهویه‌ای بسیار متفاوت داشته باشند. با این وجود، در ساختمان‌های تجاری کوچک‌تر کم‌هزینه یا گاهی هزینه متوسط، همه فضاهای مرکزی اغلب به‌صورت یک زون حرارتی گروه‌بندی می‌شوند، حتی اگر اتاق‌های ذخیره‌سازی و سایر فضاهای دارای کاربری کم زیاد تهویه شوند.
4. فضاهای بیرونی با برخی فضاهای بیرونی دیگر که در معرض یکسان نور خورشید هستند، در ارتباط هستند؛ و فضای پیرامونی هیچ‌وقت با فضاهای داخلی اشغال شده ارتباط نمی‌گیرند. طراحان اغلب بیشتر از سه اتاق پیرامونی یک نفره را در یک زون نمی‌گذارند، اما وقتی بودجه بسیار اندک باشد، بالاجبار این عدد را تا 5 یا احتمالاً تعداد بیشتر افزایش می‌دهند.
5. اگر بودجه ساخت و ساز و بهره‌برداری اجازه بدهد، برای آسایش بهتر فضاهایی که گاهی دارای سکنه هستند، آن‌ها را به‌عنوان زون‌های حرارتی مجزا طراحی می‌کنند. برای مثال، معمولاً در ساختمان‌های پرهزینه، راهروها، توالت‌ها و انبارها را می‌توان زون‌های مجزا کرد تا آسایش عالی برای آن‌ها تأمین شود. اتاق‌های یخ‌سازی یا دستگاه‌های فروش در هتل‌ها برای مهمانان با بهره‌های حرارتی زیاد تجهیزاتشان، نمونه‌ای از نیاز به تهویه و زون بندی مجزا هستند. با این وجود، در بیشتر ساختمان‌ها، بعضی از فضاها یا همه آن‌ها معمولاً به فضاهای مجاوری وصل می‌شوند که سکونت با اولویت بالاتر و منظم دارند و در آن فضاهای پشتیبانی، ناراحتی و عدم آسایش در بعضی از ساعات پیش‌بینی می‌شود. در گذشته دور، بسیاری از فضاهای داخلی مانند راهروها و انبارها هیچ تهویه‌ای نداشتند یا تهویه آن‌ها کم بود چون این‌طور تشخیص داده می‌شد که این فضاها به‌ندرت استفاده می‌شوند و تهویه آن‌ها با انتقال هوا کافی است.
6. زون‌های حرارتی معمولاً در نقشه‌های نهایی مستقیم نشان داده نمی‌شوند. خوانندگان نقشه‌های اعلامی، ساخت یا ازبیلت باید با ردیابی خطوط سیستم‌های کانال یا لوله‌کشی از هر ترمینال یونیت، پمپ یا وسیله‌های کنترلی زون‌های حرارتی را پیدا کنند. نقشه‌های HVAC ممکن است خیلی شلوغ باشند و در نتیجه خواندن آن‌ها سخت است، پس در پروژه‌های پیچیده نشان دادن نمودارهای زون بندی حرارتی مجزا حتی اگر در مقیاس بسیار کوچک‌تر نشان داده شود، برای دیگران مفید است.
زون بندی خودکار
در سال 2001، مؤلف یک مطالعه منتشرنشده دراین‌باره انجام داد که آیا نرم‌افزار مدل‌سازی می‌تواند برای زون بندی خودکار فضاهای یک ساختمان استفاده شود یا نه. یک ساختمان اداری یک طبقه کوچک با عایق‌کاری کم استفاده و همه اتاق‌های آن در DOE 2.1E11 به‌عنوان زون‌های حرارتی مجزا وارد شد. شکل 2 بارهای سرمایش محسوس ساعتی حاصل را در 21 ژوئن برای سه دفتر نشان می‌دهد؛ با این وجود، کل ساختمان و سال مدل‌سازی شد. دفاتر 1 و 2 فضاهای مجزا هستند اما مساحت متفاوتی دارند. دفتر 3 یک فضای پیرامونی با مساحت متفاوت است. علیرغم داشتن بارهای داخلی مشابه به ازای هر واحد سطح، هیچ‌یک از بارهای محسوس برای این روز برابر نیستند. با این وجود، برای تصمیمات زون بندی، اندازه بارها مهم نیست، اما در عوض پروفایل‌های بار باید مشابه باشد تا دبی آب یا هوای نسبت ثابتی از کل زون، هر فضا را در شرایط مختلف آسوده نگه دارد.
برای یک روزی که در شکل 2 نشان داده‌شده، پروفایل‌های بار سرمایش برای فضاهای داخلی 1 و 2 بسیار مشابه هستند و پیشنهاد می‌کند که حداقل بر اساس این روز طراحی عادی باید باهم گروه‌بندی شوند. با این وجود، دفتر 3 که از طریق یک دیوار بنایی با عدد R پایین و جرم بالا در معرض بیرون قرار دارد، یک پروفایل بار گرمای محسوس بسیار متفاوت برای آن روز دارد. این یعنی دفتر 3 نباید با 1 یا 2 زون بندی شود. بعداً، مطالعات منتشرشده الگوریتم‌های زون بندی خودکاری ایجاد کرده‌اند که با یک جرم، سازه، جهت و پیرامون در برابر نسخه هسته محور در الگوریتم‌های دارای حداقل یک محصول تجاری به‌عنوان یک گزینه وارد می‌شود. تا اینجا، هدف این زون بندهای خودکار برای زون‌های ساده‌تری است که برای مدل‌سازی انرژی استفاده می‌شوند نه لزوماً برای طراحی HVAC.
زون‌بندی آسایشی برای طراحی HVAC
