کاربرد لوله های گرمایی در هواساز

از: Richard S. Combes

مأخذ: HPAC Engineering, March 2012

ترجمه: دکتر سید علی اکبر طباطبایی

 

به منظور تطابق با استانداردها و مقررات مکانیکی که بیش از پیش  سخت گیرانه شده اند، سیستم‌های تهویه  امروزی باید پیشرفته تر شوند. بارهای  سرمایی محسوس رو به کاهش هستند، چرا که مقررات احداث ساختمان‌های  کیپ تر و انرژی کارآمدتر، تجهیزات  HVAC راندمان بالاتر و تهویه دقیق تر را الزامی کرده اند، در نتیجه بارهای نهان در محاسبات بار کلی HVAC از اهمیت  بیشتری برخوردار شده اند و در بسیاری موارد نسبت گرمای محسوس بار طرح (SHR) کمتر از ۰٫۶ است.

این مقاله استفاده از لوله های گرمایی  در طرح‌های مطبوع سازی هوای خارج را  برای ساختمان‌های جدید و بهسازی های  ساختمان‌ها، مطابق با استاندارد  ASHRAE62.1-2010 /ANSI  تحت عنوان ” تهویه برای کیفیت قابل قبول هوای  داخل ” و استاندارد ANSIV/ASHRAE  90.1-2010 با عنوان ” استاندارد انرژی برای ساختمان‌ها به استثنای ساختمان‌های مسکونی کوتاه “، به عنوان وسیله ای جهت بهبود کارایی HVAC، کیفیت هوای  داخل (IAQ) و راندمان انرژی مورد  بحث قرار می‌دهد.

طرح HVAC برای ساختمان‌های  تجاری باید تهویه مؤثر با هوای تازه  را همانطور که استاندارد 62.1 مقرر  می کند، مورد توجه قرار دهد چرا که از  سویی جدیدترین نسخه این استاندارد در مقررات منظور شده است و از  سوی دیگر کسب تأییدیه LEED در  آمریکا خواهان بسیاری پیدا کرده است.

استاندارد 2010-90.1   ASHRAE عموماً  سرمایش و بازگرمایش یک جریان هوا را  مجاز نمی داند، اما بازگرمایش با استفاده  از انرژی بازیابی شده را مجاز می شمرد.

سیستم‌های با ۱۰۰ درصد هوای خارج  سال‌هاست که در ساختمان‌های تخصصی  از قبیل آزمایشگاه‌ها و کلینیک‌ها مورد استفاده قرار گرفته اند. طراحان اینک از این سیستم‌های اختصاصی هوای خارج (DOAS)  برای ساختمان‌هایی  همچون مدارس و ادارات نیز استفاده  می‌کنند چرا که یک روش مقرون به صرفه  و انرژی کارآمد برای تأمین مقتضیات  استاندارد 2010-62.1 می باشد.

پس زمینه 

ایده انتقال گرما از طریق حرکت موئین یک سیال کاری در سال ۱۹۴۲ ارائه شد.

نخستین بار در برنامه فضایی ایالات  متحده، ناسا از لوله های گرمایی به عنوان  وسیله مقابله با گرم شدن سمت در معرض خورشید یک فضاپیمای غیر چرخشی که خرابی اجزای الکترونیک حساس به  گرما را تهدید می کرد، استفاده نمود.

سایر کاربردهای لوله گرمایی عبارتند از : از بین بردن گرما در نفت منتقله در  خط لوله عبوری از آلاسکا به منظور  جلوگیری از ذوب شدن فونداسیون  یخی نگهدارنده خط لوله، خنک کردن  واحدهای پردازش مرکزی کامپیوتر و  کلکتورهای خورشیدی لوله خلاء.

لوله گرمایی اصولاً یک سیستم تبرید  انفعالی است که انرژی حرارتی را از یک  انتهای لوله به انتهای مقابل منتقل می‌کند ( شکل ۲). شکل ۱ نشان می دهد که  چگونه یک لوله گرمایی به دور یک  کویل سرمایشی تهویه مطبوع پیچانده  می‌شود.

هوا ابتدا از بخش لوله گرمایی  بالادست کویل سرمایشی ( بخش پیش سرمایش ) عبور می کند، سپس از  کویل سرمایشی و نهایتاً از بخش لوله گرمایی پایین دست ( بخش بازگرمایش ) می‌گذرد. دمای هوای ورودی توسط بخش پیش سرمایش ۵ تا ۲۰ درجه فارنهایت کاهش  پیدا می‌کند و این اجازه می دهد که کویل اواپراتور، بخار آب بیشتری  را بخاطر دمای مرطوب پایین تر هوای  ورودی چگالیده کند. بخش بازگرمایش  لوله گرمایی سپس دمای هوای خروجی  از کویل سرمایشی را حداقل همان ۵ تا  ۲۰ درجه فارنهایت بالا می‌برد. درجات پیش سرمایش و  بازگرمایش به شرایط هوای ورودی، دمای  کویل سرمایشی، عمق کویل، مساحت  سطح کویل و تعداده پره ها در هر اینچ  بستگی دارد. یک لوله گرمایی دورپیچ  وقتی به یک سیستم سرمایش سنتی  انبساط مستقیم یا آب سرد اضافه شود، می تواند بطور چشمگیری رطوبت گیری را افزایش دهد البته مصرف انرژی بادزن  به منظور راندن هوا از بخش‌های پیش سرمایش و بازگرمایش افزایش پیدا  می کند.

سیستم‌های اختصاصی هوای خارج 

مقتضیات هوای خارج اینک اثر بخشی  تهویه در سطح ساکنین و همچنین جریان  هوا در سطح سیستم را تعیین می‌کنند.

سیستم‌های سنتی هوای مخلوط با حجم  متغیر هوا گاهی اوقات تکافوی کنترل  رطوبت را نمی کنند، هر چند که تهویه  را به طور مؤثر با مقادیر قابل قبول هوای خارج انجام می دهند. یک روش طراحی  فوق العاده موفق مطبوع سازی و توزیع  هوای تازه خارج با تجهیزات و کانال  مجز است که به آن سیستم اختصاصی  هوای خارج با DOAS اطلاق می شود.

یک DOAS طوری طراحی می شود که  مقتضیات تهویه با ۱۰۰ درصد هوای  خارج را با استفاده از یک سیستم مجزای  سرمایش/ گرمایش فیلتراسیون / توزیع  تأمین می کند. هوای ارسالی از یک  DOAS را می‌توان مستقیماً به فضای  تحت تهویه مطبوع وارد کرد تا با هوای  ارسالی از سیستم HVAC بازچرخشی  مخلوط شود و یا اینکه می توان آن را  طوری کانال کشی کرد که ابتدا با  هوای باز چرخشی مخلوط شده و سپس  هوای مخلوط به داخل فضا تخلیه شود.

استفاده از DOAS می تواند طراحی یک سیستم HVAC بازچرخشی کوچکتر و  ساده تر را میسر سازد.

طرح‌های DOAS می توانند مشخصه های عملیاتی زیر را فراهم کنند :

• ظرفیت برای تغییر نقطه شبنم هوای خارج مطبوع شده به طوری که کل بــــار نهان ساختمان ( بار نهان هوای تازه  به علاوه بارهای نهان داخلی ) توسط  DOAS تأمین شوند. سیستم HVAC  باز چرخشی تنها بار سرمایی محسوس  باقیمانده ساختمان را در دست می‌گیرد.
• هوای تخلیه DOAS می تواند در دمای نقطه  تنظیم فضا یا پایین تر  از آن باشد. طی بخش عمده فصل سرمایش، نقطه شبنم هوای تخلیه  DOAS پایین تر از نقطه شبنم هوای ارسالی از سیستم HVAC  مخصوص بار محسوس خواهد بود.

هوای تخلیه DOAS که در دمایی  پایین تر از دمای نقطه تنظیم فضا باشد  ممکن است گرمایش را ایجاب کند تا از  سرد شدن بیش از حد فضا و مشکلات  چگالش دیفیوزرها اجتناب گردد. طراحان  برای مقابله با این وضعیت مفهوم “هوای  خنثی ” را به کار می گیرند؛ به این معنی  که دمای هوای رفت DOAS همان دمای  فضا می باشد، در حالی که نقطه شبنم تخلیه DOAS به اندازه کافی پایین است  تا رطوبت نسبی را هنگامی که هوای  تهویه وارد فضا شده و مخلوط می شود  کنترل کند.

شکل ۳ نمونه ای از یک DOAS با  لوله های گرمایی است که هوای نزدیک  به خنثی را به فضایی ارسال می‌کند  که باید در دمای ۷۵ درجه فارنهایت و رطوبت نسبی  ۵۰%  نگه داشته شود. نقاط حالت هوای  طرح بر روی نمودار سایکرومتریک با  شماتیک DOAS و واحدهای تهویه  مطبوع باز چرخشی متناظر  می باشند. مقادیر طرح برای هوای تحت تهویه  مطبوع عبارتند از :

• هوای خارج : دمای خشک ۸۵ درجه فارنهایت، دمای مرطوب ۷۲ درجه فارنهایت
• DOAS هوای خارج را مطبوع ساخته و آن را در دمای خشک ۶۹ درجه فارنهایت ، نقطه شبنم ۵۰ درجه فارنهایت ارسال می کند.
• واحدهای باز چرخشی هوا را از فضا در دمای خشک ۷۵ درجه فارنهایت، نقطه شبنم ۵۵ درجه فارنهایت ( دمای مرطوب ۶۲٫۷ درجه فارنهایت ) می گیرند و آن را  در دمای خشک ۶۹ درجه فارنهایت، دمای مرطوب ۶۰ درجه فارنهایت (  نقطه شبنم ۵۵ درجه فارنهایت ) ارسال می کنند.

دمای نقطه شبنم طرح هوای رفت  DOAS بیشتر کاهش پیدا می کند تا  بارهای رطوبتی داخل ناشی از ساکنین  فعالیت‌ها و فرآیندها را در صورت لزوم  تأمین کند. دمای هوای رفت سیستم  باز چرخشی پایین یا بالا خواهد رفت  تا بر حسب نیاز بار گرمایی یا سرمایی  محسوس را تأمین نماید.

رطوبت گیری 

در بسیاری از مناطق آب و هوایی، نیازهای سالانه رطوبت گیری هوای  خارج دو تا ۱۰ برابر بارهای محسوس  سالانه هستند. مطبوع سازی هوای تهویه  نمی تواند به طور مؤثر توسط سیستم‌های  سنتی HVAC که در SHR برابر ۰٫۶۵ تا  ۰٫۸ کار می‌کنند، انجام گیرد؛ چرا که ۶۵ تا ۸۰ درصد ظرفیت آن‌ها کاهش دما را فراهم  می کند و تنها ۲۰ تا ۳۵ درصد باقیمانده به رطوبت گیری اختصاص می یابد. اندازه  کویل‌های سرمایی را می توان افزایش داد  تا تقطیر کافی بخار آب به منظور تأمین  بارهای نهان را انجام دهند، اما در این  صورت دماهای تخلیه حاصله برای ورود به فضای تحت تهویه مطبوع بسیار پایین خواهند بود و بازگرمایش انرژی‌بر را  ایجاب خواهند کرد ( شکل ۴)

در نمونه نشان داده شده در شکل ۵، یک  مجموعه لوله گرمایی به کویل سرمایشی  افزوده شده و یک بخش پیش سرمایش  را فراهم می‌کند که هوای خارج را ۱۷ درجه فارنهایت به‌طور محسوس خنک می سازد و از دو  کویل استفاده می کند تا آب بیشتری را  نسبت به یک کویل سرمایشی دفع نماید.  در سمت خروجی کویل سرمایشی  بخش بازگرمایش دما را به اندازه ۱۷ درجه فارنهایت بالا  می برد. همراه با ۲ درجه فارنهایت بازگرمایش حاصل از  کار کرد موتور بادزن رفت، این DOAS به  هوای خنثی در دمای ۷۵۴ دست  می یابد.

مقایسه هزینه دوره عمر 

به منظور انجام تحلیل هزینه دوره عمر  برای فناوری‌هایی که قابلیت رطوبت گیری  مورد نیاز در DOAS را فراهم می کنند، موارد زیر در طول عمر تجهیزات ارزیابی می‌شوند :

• هزینه سرمایه ای برای کاربردهای نصب در کارخانه و نصب در سایت
• هزینه های اضافی انرژی بادزن
• هزینه های سرمایش حاصل از سیستم آب سرد یا کمپرسور انبساط مستقیم
• هزینه های انرژی بازگرمایش
• هزینه های نگهداری و تعویض در طول عمر مورد انتظار

مثال زیر لوله های گرمایی دورپیچ را  با یک سیستم پمپ – مبدل حرارتی که  از گلایکول/آب به عنوان سیال کاری  استفاده می‌کند، مورد مقایسه قرار می‌دهد.

هر دوی آن‌ها دارای مبدل‌های حرارتی  پیش سرمایش و بازگرمایش هستند که به ترتیب قبل و بعد از کویل سرمایشی  نصب می شوند.

نمونه طراحی DOAS 

یک کاربرد DOAS برای یک ساختمان  جدید را در نظر بگیرید که مطابق  استانداردهای اداره خدمات عمومی  ایالات متحده (GSA) طراحی شده  است. هنگام استفاده از GSA, DOAS  مقرر می‌کند که سیستم، هوای فضای  تحت تهویه مطبوع را در نقطه شبنم  ۵۵ درجه فارنهایت یا کمتر حفظ کرده و هوای رفت  را در دمایی که کمتر از نقطه شبنم ۵۰ درجه فارنهایت  و دمای خشک ۵۲ درجه فارنهایت نباشد ارسال کند.

جزئیات طراحی زیر در تحلیل مقایسه ای  مورد استفاده قرار می گیرند. نقاط حالت  سایکرومتریک برای لوله های گرمایی و  سیستم پمپ دورگرد (سیستمی که در  آن انتقال سیال بین مبدل‌های حرارتی  توسط پمپ صورت می گیرد. مترجم)  یکسانند.

1. DOAS مقدار cfm ۵۰۰۰ هوای خارج مطبوع شده تا حالت هوای خنثی یعنی دمای خشک ۷۵ درجه فارنهایت، رطوبت نسبی    ۵۰%، نقطه شبنم ۵۵ درجه فارنهایت، دمای مرطوب ۶۲٫۵ درجه فارنهایت، ۶۵ گرین بر پوند تأمین می کند.
2. شرایط طرح هوای خارج عبارتند از:  دمای خشک ۹۵ درجه فارنهایت، دمای مرطوب ۷۸ درجه فارنهایت،  رطوبت نسبی %۴۷، نقطه شبنم ۷۱٫۸ درجه فارنهایت، ۱۱۷ گرین بر پوند.
3. هوای تخلیه از کویل بازگرمایش در دمای خشک ۷۳٫۲ درجه فارنهایت و دمای مرطوب  ۶۱٫۹ درجه فارنهایت است که با ۱٫۸ درجه فارنهایت بازگرمایش  حاصل از موتور بادزن، هوای رفت در  شرایط اتاق تأمین می شود: دمای خشک  ۷۵ درجه فارنهایت، دمای مرطوب ۶۲٫۵ درجه فارنهایت، رطوبت  نسبی %۵۰ ، نقطه شبنم ۵۵ درجه فارنهایت، ۶۴٫۹ گرین  بر پوند.
4. پیکربندی سیستم پمپ دور گرد  شامل ۶ ردیف لوله با ۱۱ پره در اینچ  است. پیکربندی لوله های گرمایی نیزشامل چهار ردیف لوله با ۱۰ پره در اینچ  میباشد. مبدل‌های حرارتی لوله گرمایی  به خاطر انتقال حرارت بهتر از مبدل‌های حرارتی گلایکول آب کوچکترند.

• هزینه های انرژی

با توجه به استفاده از بادزن رفت یکسان  برای هر دو کاربرد، انرژی اضافی بادزن  که برای راندن هوا از کویل‌های افزوده  شده مورد نیاز است از افت فشار کویل  محاسبه میشود : 0.44 in.w.c.  برای سیستم پمپ دورگرد؛ و 0.28 in.w.c.  برای سیستم لوله گرمایی.

علاوه بر این، افت اصطکاکی پمپاژ برای  بازچرخش گلایکول آب در داخل کویل‌ها  در سیستم پمپ دورگرد به 10.3 ft.w.c. بالغ می شود. لوله های گرمایی انفعالی  بوده و نیازی به انرژی برای چرخش  سیال کاری مبرد ندارند. مقتضیات  توان برای این دو سیستم عبارتند از  سیستم پمپ دورگرد : bhp ۱٫۲۸ (بادزن  و پمپ ) و سیستم لوله گرمایی : bhp  0.73 ( فقط بادزن).

هر دو سیستم ۳۰۰۰ ساعت در سال کار  می‌کنند؛ فرض می‌شود راندمان ترکیب  بادزن موتور ۵۴ درصد و راندمان ترکیب  پمپ موتور ۷۲ درصد است ( موتورها  دارای راندمان ۹۰ درصد هستند ). نرخ  برق ۰٫۰۹۵ دلار بر کیلووات ساعت  بوده و شارژ ماهانه دیماند نیز ۷٫۴۵ دلار  بر کیلووات است که نتیجتاً هزینه های  سالانه انرژی برای سیستم پمپ دورگرد  ۳۹۷ دلار و برای سیستم لوله گرمایی  ۲۲۸ دلار خواهد شد (جدول۲).

• هزینه های دوره عمر

فرض می‌شود هزینه سرمایه ای نصب  برای سیستم پمپ دورگرد گلایکول/ آب  ۵۷۰۰ دلار و برای سیستم لوله گرمایی  ۷۰۰۰ دلار است. تنها هزینه اضافی برای  مقایسه دو سیستم هزینه نگهداری سالانه  است و هر دو سیستم دارای عمر اسمی  ۱۵ ساله هستند.

سیستم پمپ دورگرد به نگهداری پمپ‌ها و شیرها، همچنین نیروی کار  برای تمیزکاری کویل‌ها، ترمیم نشتی ها  و پایش محلول گلایکول آب نیاز دارد.  هزینه نگهداری سالانه این سیستم ۳۱۰  دلار فرض می شود. هزینه نگهداری  سیستم لوله گرمایی نیز ۱۰۰ دلار فرض  می‌شود که برای تمیز کاری سالانه کویل  و تعویض قطعات شیر سولنوئید صرف  می شود.

برای ارزیابی هزینه های دوره عمر هر  دو سیستم از نرم افزار ” مدلسازی هزینه  دوره عمر ساختمان ” دپارتمان انرژی  ایالات متحده با نام BLCC5 استفاده  شد. فرض شد که پروژه در جورجیا  واقع شده و عمر هر دو سیستم ۱۵ سال  می باشد. با استفاده از فرضیات ذکر شده  در جدول ۲ هزینه دوره عمر برای سیستم  پمپ دور گرد ۱۴۷۶۳ دلار و برای سیستم  لوله گرمایی ۱۱۰۷۵ دلار است.

این تحلیل نشان می دهد که هزینه دوره عمر سیستم لوله گرمایی ۲۴  درصد کمتر از سیستم پمپ دور گرد  گلایکول/ آب است. دوره استهلاک هزینه  حاصل از صرفه جویی های انرژی  به تنهایی ۷٫۷ سال بوده و هنگامی که  صرفه جویی های نگهداری نیز منظور  شوند به ۳٫۴ سال می رسد.

نتیجه گیری 

مدول‌های لوله گرمایی پیرامون کویل‌های  سرمایشی یک سیستم مطمئن انرژی  کارآمد و با نگهداری پایین را برای  تأمین بارهای نهان ساختمان و کیفیت  مطلوب هوای داخل در اختیار طراحان قرار میدهند. حتی در کاربردهای  نسبتاً کوچک DOAS، لوله های گرمایی  مقرون به صرفه تر از سیستم پمپ دور گرد  گلایکول/ آب می باشند.

 

به نقل از مجله صنعت تاسیسات، شماره صد و شصتم