زون‌بندی آسایشی برای طراحی HVAC

زون‌بندی آسایشی برای طراحی HVAC -بخش اول

مترجم: مهندس نیره شمشیری
منبع: ماهنامه اشری ماه دسامبر 2018

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، بارW 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.
اتخاذ تصمیمات خوب برای زون‌بندی و سیستم‌ها سبب مقبولیت پروژه‌ها می‌شود و تصمیمات ضعیف، ناراحتی در فضاهایی که ترموستات ندارند یا کاهش احتمالی کیفیت هوای داخل را به همراه دارد. با تصمیمات نامناسبی که خیلی زود و در مراحل اولیه فرایند طراحی گرفته می‌شود، مصرف انرژی می‌تواند بیشتر یا کمتر شود. این مقاله در مورد زون‌بندی آسایشی برای طراحی سیستم HVAC و عوامل مؤثر بر تصمیمات زون‌بندی بحث می‌کند.
فضاهای داخل ساختمان‌ها بارهای آسایشی مختلفی دارند. به‌منظور حفظ دما و رطوبت داخلی مطلوب زیر بهره‌ها و تلفات گرمای نهان و محسوس گذرا، این فضاها نیاز به تجهیزات HVAC با ظرفیت‌های مختلف و حلقه‌های کنترل مجزا دارند. برای مثال، در بسیاری اقلیم‌های معتدل، معمولاً در فصول پاییز و بهار یک ‌طرف ساختمان نیاز به گرمایش و طرف دیگر احتیاج به سرمایش دارد. یا دو دفتر مجاور مشابه ممکن است نیاز به مقدار گرمایش یا سرمایش مختلفی داشته باشند، چون یک دفتر شلوغ و دیگری خالی است.
ایده‌آل این است که هر فضا در یک ساختمان یک سیستم HVAC مجزا داشته باشد. این روش اغلب مقرون ‌به‌ صرفه نیست و روش‌های بهتری باید در نظر گرفته شود.
فضاهای مرکزی، داخل ساختمان‌ها هستند و به جز از طریق تهویه راهی به بیرون ندارند. فضاهای مرکزی طبقه بالای یک ساختمان از طریق بام و نورگیرهای سقفی بهره و تلفات گرما دارند و پایین‌ترین فضاهای مرکزی گرما و رطوبت را با خاک و اگر زیر آن باز باشد، با هوای زیر خود مبادله می‌کنند.
فضاهای پیرامونی از فضاهای بیرونی تأثیر زیادی می‌گیرند و به‌واسطه نفوذ انرژی خورشیدی معمولاً به فضاهایی اطلاق می‌شوند که در فاصله 15 فوتی (4.6 متر) یک پنجره هستند. توجه داشته باشید اگر اتاق عرض کمتری داشته باشد این فاصله کمتر می‌شود. عمق 15 فوت، ارتفاع حدود 9 تا 10 فوت (2.7 تا 3 متر) را برای سقف یک فضای اداری فرض می‌کند و برای فضاهایی با پنجره‌های بلندتر باید عمیق‌تر باشد. وقتی فضاهای مرکزی و پیرامونی تعریف می‌شوند، در مرحله بعد باید مشخص شود که آیا برای اهداف HVAC این فضاها را می‌توان با هم ‌گروه‌بندی کرد.
زون بندی آسایشی چیست؟
صفحه فرهنگ واژگان آنلاین ASHARE، یک زون را این‌طور تعریف می‌کند: 1) فضایی که جداگانه و به‌صورت کنترل شده گرم و سرد می‌شود. 2) یک فضای اشغال شده یا چندین فضای اشغال شده که در آن‌ها گروه سکونت، تراکم حضور، اثربخشی توزیع هوای زون و جریان هوای اولیه زون به ازای هر واحد سطح مشابه است. 3) فضا یا گروهی از فضاهای درون یک ساختمان که الزامات گرمایش، سرمایش یا روشنایی برای آن‌ها به حدی مشابه است که شرایط مطلوب می‌تواند با یک وسیله کنترلی ثابت نگه‌داشته شود.
آخرین نسخه چاپی فرهنگ واژگان که در 1991 منتشر شده، زون بندی آسایشی را این‌گونه تعریف می‌کند: 1) تقسیم یک ساختمان یا گروه ساختمان‌ها با فضاهای (زون‌ها) کنترل شده مجزا که بتوان در آن‌ها هم‌زمان شرایط مختلف را حفظ کرد. 2) روند تقسیم یک ساختمان به بخش‌های کوچک‌تر برای کنترل گرمایش و سرمایش. هر بخش به‌گونه‌ای انتخاب می‌شود که یک ترموستات بتواند برای تعیین الزامات آن استفاده شود.
جای تعجب است که 5 «دستورالعمل محاسبه بار» (LCM) اشری در مورد زون بندی آسایشی تقریباً ساکت است؛ تعریف زون‌ها در اولین LCM با عنوان «کتاب bumblebee» نوشته‌ی رودی و کوبا مشابه تعریف دوم از کتاب فرهنگ واژگان 1991 است.
برای این هدف مقاله حاضر در حوزه طراحی HVAC، زون‌بندی آسایشی با عبارت «طراحی- فرایند گروه‌بندی فضاهایی است که نیازهای HVAC مشابه دارند» تعریف می‌شود. در مقایسه با داشتن یک فضای مجزا برای هر فضا، هدف زون بندی کاهش تعداد سیستم‌ها یا سیستم‌های فرعی HVAC برای کاهش هزینه اولیه و درعین‌حال حفظ آسایش است. همچنین می‌توان ظرفیت کل تجهیزات را کاهش داد. برای یک پروژه خاص، تعریف زون‌های آسایشی بیشتر به‌منزله پیچیدگی و هزینه ساخت بالاتر است اما این کار با هدف بهبود شرایط داخل در زمان‌های شلوغ‌تر انجام می‌شود. در عوض تعیین زون‌های کمتر هزینه اولیه کمتری دارد، اما به معنای تعداد ساعات شرایط نامناسب بیشتر در فضاهای بیشتر است. برای اهداف مدل‌سازی انرژی، زون بندی، به دو صورت تعریف می‌شود: 1) تقسیم یک ساختمان به بخش‌هایی که نسبتاً مشابه واکنش می‌دهند که از آنجایی که ساختمان مورد نظر هنوز کاملاً طراحی نشده زون‌های آن‌ها ممکن است زون‌های واقعی HVAC باشند یا نه.
2) ساده کردن یک ساختمان قدیمی برای به دست آوردن سریع‌تر نتایج مدل‌سازی. فصل «روش‌های برآورد و مدل‌سازی» هندبوک اشری اطلاعات بیشتری در مورد زون بندی برای این هدف می‌دهد. این فصل همچنین شامل بررسی مختصر مقالات برای خودکار ساختن تصمیمات زون بندی می‌شود اما می‌گوید «یک روش واقعاً خودکار و جامع باید ابداع شود».
با این اوصاف فرایند زون بندی آسایشی در حال حاضر هنر است یا علم؟ اولین تعریف دیکشنری ماریام-وبستر از هنر این است: «مهارت کسب‌شده با تجربه، مطالعه یا مشاهده؛ مثل هنر دوست‌یابی».
برای دانش، تعریف چهارم آن این‌گونه است: «سیستم یا روشی که اهداف عملی را با قوانین علمی محقق می‌سازد؛ مثلاً آشپزی هم علم است هم هنر». اگر زون بندی علم است، هدف نهایی آن می‌تواند اتوماتیک ساختن همه تقسیمات زون بندی طراحی HVAC از طریق نرم‌افزار باشد؛ درحالی‌که اگر هنر باشد حذف حضور انسان در بسیاری موارد احتمالاً نتایج نامعلومی به همراه خواهد داشت.»
تصمیمات ضعیف زون‌بندی مشکلاتی در زمینه آسایش داخل ساختمان‌ها ایجاد می‌کند. با این وجود، وقتی یک ساختمان کامل می‌شود، اغلب انجام تغییرات برای زون بندی سخت است چون تجهیزات نصب شده انعطاف‌پذیری زیادی ندارند. سیستم‌های بازچرخانی حجم هوای ثابت (CAV) با زون بندی کمی نامعلوم، به دلیل اختلاط هماهنگ از طریق بازچرخانی، شکایت کمی به دنبال دارند، اما هزینه مصرف انرژی فن آن بالاست. سیستم‌های حجم هوای متغیر (VAV)، به دلیل نرخ جریان هوای کمتر، در بیشتر ساعات به تصمیمات زون بندی حساس‌تر هستند؛ سیستم‌های توزیع هوای سرد با دبی‌های پایین‌تر خود و اختلاط بین زونی به گزینه‌های زون‌بندی ضعیف حتی آسیب‌پذیرتر هستند. با VAV سقفی و بسیاری از سیستم‌های توزیع هوای زیر کف، اصلاح یک مشکل زون بندی یا سازگاری برای تغییر کاربری اغلب می‌تواند با تقسیم شاخه‌های کانال‌ها، اضافه کردن یک ترمینال یونیت و نصب کنترلر محلی دیگر برای ایجاد یک زون اضافی همراه باشد. دسترسی به شاخه‌های کانال‌ها از طریق سقف‌های معلق یا کف‌های کاذب انجام این تغییرات را ساده‌تر می‌کند.

برای دریافت فایل PDF مقاله روی زون‌بندی آسایشی برای طراحی HVAC کلیک نمایید.