فشار در ساختمان ها

منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 55

از: Dennis Stanke

ماخذ: خبرنامه های شرکت TRANE

تأمين شرايط آسایش حرارتی با راندمان و کارایی بالای مصرف انرژی بدون این که اثری منفی بر کیفیت هوای ساختمان گذاشته و یا با مقررات محلی در تضاد باشد نیازمند تلاش بسیار در مرحله طراحی و مقابله با چالش های فراوانی است. در این مقاله اهمیت کنترل فشار در داخل ساختمان و اثرات فشار هوای داخل-خارج بر عملکرد ساختمان بررسی می گردد و سپس دو شیوه متداول کنترل فشار ساختمان ها مورد ارزیابی قرار میگیرد.

اهمیت فشار در ساختمان های اداری و تجاری

اگر فشار درون یک ساختمان کمتر از فشار بیرون آن باشد هوای تهویه نشده از منافذ و درزها به داخل نفوذ میکند. راهکارهای موجود کنترل جملگی سعی دارند که میزان نفوذ را محدود و یا حذف کنند تا بدین وسیله بارهای سیستم HVAC و هزینه های عملکردی مربوطه را به حداقل برسانند. البته نفوذ هوا همیشه عاملی منفی نیست. به عنوان مثال در فصل گرمایش، مقادیر کم هوای خشک خارج که به جدار ساختمان نفوذ می کند باعث می شود تا رطوبت چگالیده نگردد. اما در هر حال فشارهای منفی شدید مشکل آفرین هستند. کورانهای نامطبوع و لایه لایه شدن هوا در کار کنترل دما ایجاد اخلال کرده و گاه موجب می گردند تا بوهای ناخوشایند در ساختمان منتشر شوند. در چنین حالتی باز کردن درهایی که رو به بیرون باز میشوند دشوار بوده درهایی که رو به داخل باز می شوند به خوبی بسته نشده و ایمنی ساختمان به خطر می افتد. هر مقدار نفوذ هوا در حین فصل سرمایش میتواند به بالا رفتن نقطه شبنم در جدار ساختمان بیانجامد که این باعث افزایش احتمال رشد میکروبها و متلاشی شدن بطنی سازه می گردد. نفوذ هوای گرم و مرطوب با بالا بردن بارهای نهان بر فضاهای دارای ساکن نیز تأثیر می گذارد.

اگر فشار درون ساختمان بیش از فشار هوای بیرون باشد، هوای تهویه شده و مطبوع از درزها و منافذ ساختمان به بیرون نشت می کند. خروج هوای خنک و فاقد رطوبت در فصل تابستان دارای منافعی است و جدار ساختمان را خشک نگه می دارد. اما فشارهای شدیداً مثبت باز و بسته کردن درها را مشکل ساخته و موجب می گردد تا جریان هوا با سرعت و صدای زیاد از کنار پنجره و درها حرکت کنند. ضمناً کنترل دما با اشکالات فراوانی صورت میگیرد چون جریان هوای رفت در مسیر خود به سمت فضاهای مسکونی با مانع برخورد می کند. در فصل زمستان حتی فشارهای مثبت ضعیف هم هوای مرطوب داخل را به نقاط داخلی جدار ساختمان هدایت میکنند. این رطوبت در سطوح سرد دیوارهای داخلی چگالیده شده و سرعت متلاشی شدن سازه را افزایش می دهد. شرایط ایده آل زمانی روی می دهد که فشار داخل ساختمان برابر فشار خارج بوده و یا در فصل سرد به مقدار ناچیزی از آن کمتر (به حداقل رساندن بیرون رفتن هوا و در فصل گرم به مقدار ناچیزی از آن بیشتر (به حداقل رساندن نفوذ باشد. اختلاف قابل توجه میان فشار داخل و خارج ساختمان، چه مثبت و چه منفی در همه حال مشکل آفرین خواهد بود.

شکل1: اثر دودکش و فشار در ساختمان

نیروهای مؤثر بر فشار

ممانعت از بروز اختلاف فشارهای شدید در ساختمان در عمل دشوار است. اختلاف فشار داخل و خارج در اکثر ساختمان ها به عواملی چون آب و هوا، باد و عملکرد سیستم تهویه مکانیکی بستگی دارد.

آب و هوا: وزن یک ستون هوا به مانند ستونی از آب در لوله سبب تولید هد و یا فشاری می گردد که از بالا به پایین ستون افزایش می یابد. این فشار را که در اصطلاح فشار هیدرواستاتیک و یا مکش دودکش نیز می نامند، عملاً متناسب با وزن ستون هوای موجود بوده و تحت تأثیر عواملی چون فشار بارومتریک، دما و نسبت رطوبت می باشد. اختلاف های موجود در چگالی هوای خارج و داخل ساختمان که به دلیل تفاوت دما ایجاد می شوند باعث اختلاف در فشار شده و بر نفوذ و یا پس دادن هوا (Exfiltration) و جهت حرکت هوا در شفت ها و پلکان ها تأثیر میگذاره شکل (۱) زمانی که هوای داخل ساختمان گرم تر از هوای خارج است ستون کمتر متراکم هوا در داخل ساختمان زمینه ساز تشکیل فشار منفی خالص در بخش پایین سطح فشار خنثی” یا “NPL” و ایجاد فشار مثبت خالص متناظر در قسمت بالای آن خواهد شد. از آنجا که وجود درزها و بازشدگی ها در کلیه ساختمان ها امری عادی و غیر قابل اجتناب است اختلاف فشار مذکور هوای خارج را از طبقات پایین تر به داخل ساختمان راه داده و هوای درون ساختمان را از طبقات فوقانی بیرون می راند. در این حالت در پلکان ها و شفت ها جریانی از هوا رو به بالا ایجاد می شود اثر دودکش طبیعی). اما اگر هوای داخل ساختمان خنک تر از هوای خارج باشد، ستون هوای داخل چگال تر است. در نتیجه فشار منفی خالص در بالای ساختمان برقرار شده و فشار مثبت خالص متناظر با آن در پایین ساختمان شکل می گیرد. اگر فشار ساختمان کنترل نگردد هوای خارج از طبقات فوقانی به داخل نفوذ کرده و هوای داخل از طبقات پایینی بیرون خواهد رفت اختلاف فشار موجود جریانی از هوا ایجاد میکند که در شفت ها و راه پله ها رو به سوی پایین حرکت می نماید اثر دودکش معکوس کتاب 2001 ASHRAE Handbook Fundamentals معادله ای برای تعیین مقدار اختلاف فشار ناشی از اثر دودکش ارائه نموده است ساختمانی چهار طبقه و دارای تهویه مطبوع به ارتفاع ۵۰ فوت و دمای هوای داخل ۷۵ درجه فارنهایت و یا ۵۳۵ درجه رانکین را در نظر بگیرید. با فرض این که ترک و درزهای ساختمانها به طور یکنواخت در تمام جدار آن پراکنده اند، سطح فشار خنثی در ارتفاع میانی ساختمانی یعنی ۲۵ فوتی خواهد بود.

در یک روز گرم اختلاف میان چگالی هوای خارج و داخل، اختلاف فشاری معادل ۰/۰13in.wg+ در طبقه همکف ایجاد خواهد کرد و در نبود سیستم های کنترل فشار هوای تهویه شده و مطبوع طبقات پایینی (H=0ft) به بیرون قرار خواهد کرد و آن بخش از جدار ساختمان را خشک نگه خواهد داشت.

در یک روز سرد چگالی ستون هوای داخل فشاری معادل ۰/۰۵۸inwg- در طبقه همکف و ۰/۰۵۸inwg+ در طبقه فوقانی ایجاد میکند. در چنین شرایطی و در صورت نبود سیستم کنترل فشار هوای گرم و مرطوب داخل ساختمان از طبقه فوقانی بیرون رفته و هوای سرد خارج از طبقه پایین وارد میشود. اختلاف فشار قابل توجهی که به دلیل اثر دودکش زمستانی ایجاد میگردد باز کردن درهایی که به سمت بیرون باز میشوند را دشوار می سازد.

کنترل شرایط آب و هوایی از عهده انسان خارج است لذا بهترین راه حل برای تقابل با فشارهای ناشی از اثر دودکش، بخش بندی کردن قائم(Vertical Compartmentalization) ساختمان است تا ارتفاع ستون هوای داخل کاهش یابد ورودی های دالان مانند و درهای چرخان که میتوانند در هر اندازه اختلاف فشاری به خوبی کار کنند جریان های هوا ناشی از اثر دودکش در ورودی ها، آسانسورها و راه پله ها را به حداقل می رسانند. به منظور کاستن از جریان های هوا در جدار ساختمان میتوان از موانع هوا (Air Barrier) که به دقت طراحی و ساخته شده اند استفاده نمود. توجه داشته باشید که یک ساختمان مجموعه ای از محفظه های به هم پیوسته درونی با فشارهای متفاوت است. اما بسیاری از سیستم های کنترل فشار برای طرح های اجرایی خود و تنظیم جریان هوا در جدار ساختمان و فراهم آوردن شرایط کارکرد درست درها ساختمان را یک محفظه بزرگ با فشار یکسان در نظر میگیرند (به جز مواردی که مقتضیات سخت گیرانه بوده و توجه بیشتری جهت کنترل آلاینده ها لازم باشد مانند بیمارستان ها و یا اتاق های تمیز).

شکل2: باد و فشار ساختمان

باد: فشار باد هوای خارج را به سمت موافق باد ساختمان “هل داده و هوای داخل را از سمت پشت به باد ساختمان بیرون میکشد شکل (۲).

فشار باد نیز مانند اثر دودکش با چگالی هوا و ارتفاع ساختمان تغییر کرده و قابل توجه آنکه فشار باد از فرم مامان و پناهی که ساختمان در اطراف خود دارد نیز تأثیر می گیرد به عنوان مثال درختان و ساختمان های مجاور در سرعت باد مؤثرند.

یک روش قابل دفاع طراحی برای جبران تأثیرات باد این است که فشار داخل ساختمان را در زمستان بسیار منفی بازداری از پس دادن هوا از سمت پشت به باد و در تابستان بسیار مثبت بازداری از نفوذ هوا از سمت موافق باد حفظ کنیم معهذا اجرا و پیاده سازی موفقیت آمیز چنین شیوه ای باعث نمی شود تا از ورودی های دالان مانند صرف نظر کنیم و برعکس، استفاده از آنها قویا توصیه میشود تا عملکرد بدون مشکل درها تضمین شده و مانعی مؤثر در برابر هوا در جدار ساختمان ایجاد گردد تا اختلاف فشارهای شدید بیرونی – درونی منجر به خلق جریان های نامطلوب هوا نشود.

سیستم های تهویه مکانیکی: بعضی از بادزن ها هوا را به داخل ساختمان وارد کرده و بعضی نیز هوا را از آن خارج میکنند معادله جبری میان جریان هوای و (intake) نازه جریان هوای اخراجی (relief) مثبت و یا منفی بودن فشار ساختمان را مشخص خواهد کرد. بالا بودن جریان هوای تازه باعث پرفشار شدن ساختمان و مثبت شدن آن شده و زیاد بودن جریان هوای اخراجی از سوی دیگر به کم فشار شدن ساختمان و منفی شدن آن خواهد انجامید.

جریان های هوای تازه و اخراجی بسته به نوع سیستم، راهکار کنترلی و برنامه زمانی کارکرد در طول دوره های عملکرد عادی سیستم متفاوت خواهند بود. به عنوان مثال شاید جریان هوای تازه با عملکرد اکونومایزرست هوا مطابق بوده و بر حسب آن مدوله گردد و بادزن اخراج هوا (relief fan) تنها با فرمان کنترلی و به صورت متناوب به کارافتد.

کنترل فشار در ساختمان

فشار “مطلوب” در یک ساختمان بسته به فصل و ارتفاع سازه ممکن است مثبت و یا منفی باشد. اما فشار واقعی ساختمان با توجه به تأثیر جمعی باد، آب و هوا و عملکرد سیستم تهویه مکانیکی مثبت و یا منفی خواهد بود.

شکل3: اثر عملکرد بادزدن بر فشار ساختمان

 تأمین و تثبیت فشار مطلوب در ساختمان ها که دائماً در شرایط متغیر قرار دارند، مستلزم استفاده از سیستم های کنترل خودکار است. در کاربردهای VAV یا حجم متغیر هوا با اکونومایزرهای سمت هوا طراحان معمولاً جریان هوای اخراجی را برای تنظیم مستقیم و یا غیر مستقیم فشار ساختمان در محدوده قابل قبول به کار میبرند. توجه داشته باشید که جریان هوای تازه معمولاً برای کنترل تهویه و سرمایش با اکونومایزر تعدیل می گردد. برای این که کنترل ها بتوانند با مدوله کردن هوای اخراجی فشار مثبت یا منفی ساختمان را حفظ نمایند، حداقل جریان هوای تازه باید بیشتر از حداکثر جریان هوای تخلیه باشد. در این صورت می توان از جریان هوای اخراجی برای متعادل ساختن اختلاف میان جریان هوای وارد شونده و خارج شونده از ساختمان استفاده کرد. مقدار حداقل جریان هوای اخراجی منجر به فشار مثبت در ساختمان شده درحالی که حداکثر جریان هوای اخراجی باعث فشار منفی در ساختمان می شود.
حداقل جریان هوای اخراجی در سیستم هایی که دارای اکونومایزر سمت هوا هستند صفر میباشد.

در حالی که حداکثر جریان هوای اخراجی ممکن است به حداکثر جریان هوای تازه نزدیک شود.

فشار ساختمان را میتوان با روش های فعال و یا غیر فعال کنترل نمود. معمول ترین شیوه کنترل غیر فعال فشار ساختمان استفاده از دمپرهای عمل کننده با قوه ثقل در فضاهای دارای ساکن میباشد. فشار مثبت ایجاد شده در داخل فضا زمانی که اکونومایزر عمل می کند هوا را از دمپر بیرون رانده و مانع اضافه شدن بیش از حد فشار می شود. نصب دمپرهای رها کننده (relief damper) هزینه زیادی در بر نخواهد داشت اما تأثیر پذیری آنها از اثر دودکش و باد باعث می گردد تا استفاده از آنها به سیستم های کوچک تهویه مطبوع و ساختمان های یک طبقه محدود شود.

تمهیداتی که برای کنترل فعال فشار ساختمان اندیشیده میشود با توجه به آرایش سیستم توزیع هوا شامل یک بادزن برگشت و یا بادزن اخراج هوا (جهت کاهش فشار) خواهد بود.

بادزن برگشت با کنترل مستقیم: یک سیستم نمونه که دارای بادزن برگشت و کنترل مستقيم فشار ساختمان است در شکل ۴ نشان داده شده است. شیوه کار بدین ترتیب میباشد:

۱- یک سنسور یا احساسگر جریان (در این حالت خاص یک دمپر سنجشگر جریان) جریان هوای تازه را مورد ارزیابی قرار میدهد تا از حجم مناسب هوای بیرون برای تهویه استفاده گردد. فشار محفظه هوای مخلوط (mixed air plenum) همزمان با تصحیحاتی که اکچویتور بر دمپر ورودی هوای تازه (intake damper) و دمپر بازچرخش هوا اعمال میکند تغییر (recirculating damper) می نماید توجه داشته باشید که سنسور جریان هوای تازه میتواند تهویه را بسیار دقیق تر از شیوه ردیابی جریان هوای رفت/برگشت کنترل نماید.

پایش و ارزیابی جریان هوای تازه هزینه کمتری داشته و معمولاً قابل اطمینان تر از استفاده از بادزنهای تزریق سنسور فشار و یا محرک های فرکانس متغیر میباشد.

۲- یک سنسور فشار فشار استاتیک کانال رفت را مورد ارزیابی قرار داده و ظرفیت بادزن رفت را متناسباً تنظیم می کند. استاندارد 90.1 ASHRAE برای سیستم های DDC/VAV ما را ملزم می سازد تا بسته به موقعیت ترمینال VAV از تمهیدات ریست فشار استاتیک کانال برای به حداقل رساندن فشار استاتیک کانال رفت و در نتیجه اسب بخار بادزن رفت استفاده کنیم.

شکل۴: سیستم VAV با بادزن برگشت مرکزی

3- ترموستاتی که در هر یک از فضاهای مسکونی قرار داده شده است دمای حباب خشک را تشخیص داده و جریان هوای رفت را بر اساس آن تعدیل و تصحیح می نماید.

4- باد زن های تخلیه محلی (مثلاً در سرویس های بهداشتی) مقداری از هوای فضاهای مسکونی را خارج میکنند. هوای باقیمانده در صورتی که فضاها پرفشار باشند از درزها بیرون رفته و یا همراه با هوای نفوذ کرده به درون ساختمان از طریق کانال برگشت یا محفظه سقفی به هواساز باز میگردد.

5- یک سنسور فشار در محفظه هوای برگشت ظرفیت بادزن برگشت را تنظیم می کند. بادزن برگشت که عملکرد آن همزمان با بادزن رفت صورت میگیرد هوای برگشت را از فضاهای مسکونی بیرون کشیده و محفظه هوای برگشت هواساز را پرفشار می سازد. هوا از این محفظه یا از طریق دمپر باز چرخش هوا به محفظه هوای مخلوط وارد شده و یا از طریق دمپر رها کننده از ساختمان خارج می گردد. کنترل بهینه دمپر که شیوه ای برای
افزایش راندمان کنترل محفظه هوای برگشت می باشد، یکی از دمپرها را کاملاً باز نگه می دارد تا بار وارده بر بادزن برگشت را کاهش دهد. این راهکار باعث تعدیل نقطه تنظیم فشار محفظه و در نتیجه سرعت بادزن برگشت بر اساس موقعیت دمپر رها کننده و دمپر بازچرخش هوا خواهد شد.

6- یک سنسور فشار تفاضلی، اختلاف فشار خارج – داخل را مورد ارزیابی قرار می دهد. سیگنال های صادره از این سنسور تعیین کننده موقعیت دمپر رها کننده میباشند که کنترل مستقیمی بر فشار ساختمان خواهد داشت. دمپر ورودی هوای تازه و دمپر بازچرخش هوا میتوانند از یک اکچویتور مشترک استفاده کنند. اما دمپر رها کننده باید جداگانه کنترل شود تا از عهده نقاط تنظیم متغیر فشار در ساختمان برآید.

بادزن اخراج هوا با کنترل مستقیم

شکل ۵ یک سیستم نمونه ۷۸۷ را نشان می دهد که در آن یک بادزن اخراج هوا نقش کنترل مستقیم فشار ساختمان را عهده دار است:

۱- سنسور جریان مانند مثال قبل یک دمپر سنجشگر جریان برای تأمین تهویه مناسب جریان هوای تازه را مورد پایش قرار می دهد.

2- ظرفیت بادزن رفت بر اساس سیگنال سنسور فشار که فشار کانال رفت را ارزیابی می کند تعیین می گردد.

3- جریان هوای هر یک از ترمینال های VAV بر اساس دمای حباب خشک سنجش شده توسط ترموستات واقع در فضاهای مسکونی تعدیل و تصحیح میگردد.

4- بادزن تخلیه محلی و پس دادن درصدی از هوا را از exfiltration) هوا فضاهای مسکونی بیرون می برند. بقیه هوا شامل هوای نفوذ کرده معمولاً از طریق محفظه سقفی برگشت به هواساز بر می گردد.

شکل5: سیستم VAV با بادزن مرکزی اخراج هوا

5- بادزن اخراج هوا تنها زمانی به کار می افتد که عملکرد آن برای کاستن از فشار اضافی ساختمان لازم باشد. در صورتی که جریان هوای تازه به حداقل رسانده شود معمولاً نیازی به استفاده از جریان هوای اخراجی در حین عملکرد سیستم های گرمایش و سرمایش مکانیکی نمی باشد. توجه داشته باشید که در نبود بادزن برگشت پایش و کنترل فشار استاتیک در محفظه هوای برگشت نیز ضروری نخواهد بود. اگرچه بادزن اخراج هوا در حال کار بار وارده بر باد زن رفت را کاهش میدهد اما اندازه بادزن رفت در هر حال باید به گونه ای انتخاب گرده که از عهده افت فشار کل سیستم در شرایط جریان هوای طراحی بر آید. به همین دلیل آرایش بادزن اخراج هوا معمولاً به گونه ای تعیین می گردد که به سیستمهای برگشت سقفی سرویس بدهد.

6- به مانند مثال بادزن برگشت یک سنسور فشار تفاضلی فشار ساختمان را مورد پایش و ارزیابی قرار داده و آن را با تنظیم ظرفیت بادزن اخراج هوا کنترل می نماید. کنترل ظرفیت با حرکت کردن روی منحنی کاری بادزن و یا تجهیز بادزن به سیستم کنترل سرعت میسر خواهد بود.

هوا از محفظه هوای برگشت یا از طریق دمپر بازچرخش هوا به محفظه هوای مخلوط راه می یابد و یا از طریق دمپر رها کننده ساختمان را ترک میکند.

چرا باید یکی از شیوه های تعدیل را در تقابل با دیگری انتخاب کنیم؟

انتخاب یک سیستم تعدیل بر اساس مقتضیات ویژه هر کاربرد سبب خواهد شد تا هزینه های نصب و عملکرد بهینه گردند. به طور کلی می توان گفت که آرایش بادزن اخراج هوا برای سیستم های VAV با محفظه سقفی برگشت بهتر عمل خواهد کرد. این باد زنها قادرند فشار ساختمان را به نحو مؤثری کنترل کنند و ضمناً نصب و عملکرد آنها ساده تر و کم هزینه تر از آرایش بادزن های برگشت می باشد. در صورتی که برگشت از کانا ها لازم باشد، هر دو شیوه بادزن اخراج هوا و یادزن برگشت را ارزیابی کنید. اگر بادزن رفت قادر باشد افت فشار از دهانه رفت تا دهانه برگشت هواساز را تأمین نماید استفاده از بادزن اخراج هوا توصيه می گردد. اگر برگشت کانال دار به قدری افت فشار ایجاد کند که از تحمل بادزن های رفت با اندازه منطقی خارج باشد، بهتر است که از یک بادزن برگشت نیز در سیستم استفاده شود.
جدول ۱ که در مقاله بعدی هست مقایسه بین دو شیوه بادزن برگشت و بادزن اخراج هوا را نشان می دهد.

تأملات پایانی

کنترل فشار در ساختمان ها به دو دلیل حائز اهمیت است:

• نقشی اساسی در برآورده ساختن اهداف طراحی از نظر نفوذ و پس دادن هوا دارد.
• با جلوگیری از ایجاد فشارهای منفی و یا مثبت شدید، عملکرد صحیح درها را تضمین می نماید.

هر دو عامل یاد شده بر کیفیت عملکرد و طول عمر مفید ساختمان و سیستم های آن مؤثرند. کنترل مستقیم فشار ساختمان، چه با بادزن های برگشت و چه با بادزن های اخراج هوا، تأثیرات ترکیبی آب و هوا، باد و تهویه

مکانیکی را مدیریت خواهد نمود. سیستم کنترل با بادزن برگشت امتحان خود را به خوبی در عمل پس داده است. اگرچه این سیستم نیازمند حداقل یک سنسور فشار اضافی که شاید جا دادن و استقرار آن کمی دشوار باشد و کارکرد دائمی بادزن برگشت است اما در عوض اندازه بادزن رفت را کوچک می نماید. اگر سیستم توزیع هوا دارای کانال های برگشت باشد بهتر است که از این شیوه تعدیل استفاده کنید.
سیستم کنترل بادزن اخراج هوا نیز به خوبی کار میکند و هزینه های نصب و عملکرد آن غالباً از سیستم های بادزن برگشت مرکزی کمتر است. اسب بخار بادزن برای غلبه بر افت فشار دمپر رها کننده و مسیر برگشت تقریباً برابر با سیستم تعدیل با بادزن برگشت میباشد؛ اما برخلاف بادزن برگشت بادزن اخراج هوا تنها زمانی به کار گرفته میشود که مورد نیاز باشد (معمولاً در حالت اکونومایزر). سیستم کنترل با بادزن اخراج هوا را زمانی به کار ببرید که بادزن رفت از عهده غلبه بر افت فشار مضاعف مسیرهای رفت و برگشت برآید (معمولاً این حالت در سیستم هایی با محفظه سقفی برگشت و یا کانال های برگشت بسیار کوتاه وجود دارد) و یا هنگامی که احساس شود سیستم از وجود فاصله میان بادزن اخراج هوا و هواساز سود می برد.

ادامه دارد…

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.