گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) حوزه بسیار گسترده ای است و سیستم های آن از بخاری های ساده تا سیستم های تهویه مطبوع پیچیده در زیردریایی ها و سفینه های فضایی را در بر می گیرد. تجهیزات سرمایش نیز از دستگاه های کوچک خانگی تا ماشین های تبرید صنعتی متنوع هستند.

 

بسته به پیچیدگی الزامات مورد نیاز، طراح تاسیسات باید نسبت به حفظ دمای آسایش، موارد زیادتری را مد نظر داشته باشد.

تاریخچه مختصری از HVAC

طی قرن ها، افراد از آتش برای گرم کردن استفاده می کردند. در ابتدا هوا برای حفظ آتش و تهویه کافی برای ساکنین لازم بود. با این وجود، از آن‌جایی که موتورخانه های مرکزی با لوله کشی آب گرم یا بخار برای گرمایش ابداع شدند، نیاز به تهویه مجزا برجسته تر شد. تا اواخر 1880، قوانین ساده برای طراحی تهویه ارائه و در بسیاری از کشورها استفاده شد.

در 1851، به دکتر جان کوریه گواهی ثبت اختراع 8080 برای یک ماشین تبرید داده شد. تا 1880، تبرید برای اهداف صنعتی نیز موجود شد. در ابتدا، دو کاربرد اصلی منجمد کردن گوشت برای حمل و نقل و یخ سازی بود. با این حال، در اوایل 1900، یک نوآوری جدید برای خنک کردن ساختمان ها به منظور آسایش بیشتر افراد ابداع شد. خنک کردن سازمان بورس اوراق بهادار نیویورک در 1902، یکی از اولین سیستم های خنک کننده آسایشی به شمار می آمد. خنک کردن آسایشی بعد از آن با عنوان «تهویه مطبوع» شناخته شد.

اصطلاح «تهویه مطبوع» به تدریج از معنای خنک کردن صِرف تا کنترل موارد زیر تغییر کرد:

• دما
• رطوبت هوا
• تامین هوای تازه برای تهویه
• تصفیه ذرات هوا
• جابه جایی هوا در فضاهای دارای سکنه

دانشمندان پیشگام و برجسته ای چون روبرت بویل، سادی کارنوت، جان دالتون، جیمز وات، بنجامین فرانکلین، جان گوریه، لورد کلوین، فردیناند کاره، ویلیس کریر و توماس میدلی همراه با بسیاری دیگر ما را به وضعیت کنونی رساندند. فناوری تهویه مطبوع از 1900 با همکاری مشترک علوم پایه و مهندسی توسعه یافته است. پیشرفت در ترمودینامیک، مکانیک سیالات، برق، الکترونیک، ساخت و ساز، مواد، پزشکی، کنترل و رفتار اجتماعی بلوک‌های ساختمانی محصولات مهندسی بهتر سیستم های تهویه مطبوع بوده اند.

در طی سال ها HVAC بر اساس اصول زیر کامل شده است:

• اکتشافات فناوری مانند تبرید، که به سرعت برای نگه داری مواد غذایی به کار گرفته شد
• فشارهای اقتصادی مانند کاهش نرخ تهویه بعد از بحران انرژی 1973
• کامپیوتری شدن و شبکه سازی، که برای کنترل پیچیده سیستم‌های پیچیده بزرگ برای ساختمان‌های متعدد استفاده می شود.
• اکتشافات پزشکی مانند اثرات دود دست دوم روی افراد که روی روش های تهویه تاثیر گذاشت

حوزه HVAC مدرن

سیستم‌های تهویه مطبوع مدرن تقریباً برای تمام فعالیت های انسانی پیشرفته بسیار مهم است. اگرچه پیشرفت های زیادی در HVAC رخ داده است، اما برخی موضوعات نیاز به تحقیقات فعالی دارد.

کیفیت هوای داخل تأثیر مستقیمی روی ما دارد. در بسیاری از کشورهای جهان رشد سریعی در بیماری آسم و افزایش نارضایتی به دلیل کیفیت هوای داخل در ساختمان ها دیده می شود. علل و اثرات این مورد بسیار پیچیده است.

انتشارات گازهای گلخانه ای، تخریب لایه اوزون محافظ زمین، بازیافت، استفاده از اشکال جدید انرژی، مصرف انرژی کمتر و مواد آلاینده کم مخصوصا مبردها نگرانی هایی هستند که نیاز به تحقیقات بیشتر را الزامی می سازند.  همه این موارد تأثیر مهمی روی طراحی ساختمان از حمله سیستم های HVAC و کدهای طراحی دارند.

حفظ انرژی نیز چالش مداومی برای یافتن راه های جدید برای کاهش مصرف در ساختمان های جدید و قدیمی بدون ایجاد مشکل در اسایش و کیفیت هوای داخل به شمار می آید. حفظ انرژی نیازمند همکاری قوی بین رشته های مختلف است.

برای مثال، چراغ های برقی گرما تولید می‌کنند. وقتی یک سیستم در حالت سرمایش است، این گرما بار سرمایشی اضافی است. برعکس، وقتی سیستم در حالت گرمایش است، گرمای چراغ‌ها بار روی سیستم گرمایش ساختمان را کم می کند. این فعل و انفعال بین روشنایی و HVAC دلیلی بر آن است که ASHRAE و انجمن مهندسان روشنایی آمریکای شمالی (IESNA) نوشتن استاندارد حفظ انرژی، 2004-90.1، استاندارد انرژی ساختمان‌ها به جز ساختمان‌های مسکونی کوتاه را اجباری می کند.

طی قرن‌ها، افراد از آتش برای گرم کردن استفاده می کردند. در ابتدا هوا برای حفظ آتش و تهویه کافی برای ساکنین لازم بود. با این وجود، از آن‌جایی که موتورخانه‌های مرکزی با لوله کشی آب گرم یا بخار برای گرمایش ابداع شدند، نیاز به تهویه مجزا برجسته تر شد. تا اواخر 1880، قوانین ساده برای طراحی تهویه ارائه و در بسیاری از کشورها استفاده شد.

فرآیندهای تهویه مطبوع

اصطلاح تهویه مطبوع، در صورت استفاده مناسب، به معنای کنترل دما، رطوبت هوا، تأمین هوای تازه برای تهویه، تصفیه ذرات هوا و جا‌به‌جایی هواست. چندین هدف اصلی برای رسیدن به تهویه مطبوع کامل لازم است که عبارت است از:

1. گرمایش : هدف اضافه کردن انرژی حرارتی (گرما) به فضای تهویه شده برای اهداف بالابردن یا حفظ دمای فضا.
2. سرمایش : هدف حذف انرژی حرارتی (گرما) از فضای تهویه شده برای اهداف کاهش یا حفظ دمای فضا.
3. رطوبت زنی : فرایند اضافه کردن بخار آب (رطوبت) به هوا در فضای تهویه شده برای بالابردن یا حفظ مقدار رطوبت هوا.
4. رطوبت گیری : فرایند حذف بخار آب (رطوبت) از هوا در فضای تهویه شده برای اهداف کاهش یا حفظ مقدار رطوبت هوا.
5. تمیزکردن : فرایند حذف ذرات، گرد و غبار و آلاینده‌های زیستی (حشرات و گرده ها و …) از هوای ورودی به فضای تهویه شده به منظور بهبود یا حفظ کیفیت هوا.
6. تهویه : فرآیند تبادل هوا بین بیرون و فضای تهویه شده برای اهداف رقیق سازی آلاینده های گازی در هوا و بهبود یا حفظ کیفیت، ترکیب و تازگی هوا. تهویه می تواند از طریق تهویه طبیعی یا تهویه مکانیکی حاصل شود. تهویه طبیعی با کوران طبیعی انجام می شود؛ مثل وقتی که شما پنجره را باز می کنید. تهویه مکانیکی می تواند با استفاده از فن‌ها برای کشیدن هوا به داخل یا از بیرون یا به وسیله فن های تخلیه از فضا به بیرون انجام شود.
7. جابه جایی هوا : فرآیند چرخش یا اختلاط هوا در فضاهای تهویه شده در ساختمان با هدف رسیدن به تهویه مناسب و تسهیل انتقال انرژی حرارتی.

سیستم تهویه مطبوع در اقلیم سرد و گرم

الزامات و اهمیت هفت فرآیند مختلف است. در اقلیمی که همه سال گرم است، ممکن است گرمایش همیشه لازم نباشد. برعکس، در اقلیم های سرد که دوره های گرما در تابستان ممکن است کوتاه باشد سرمایش ضرورتی ندارد. در یک اقلیم بیابانی، رطوبت گیری کار اضافه ای است و در اقلیم گرم و مرطوب رطوبت گیری مهم ترین جنبه طراحی سیستم تهویه مطبوع به شمار می آید.

استفاده واقعی از اصطلاح «تهویه مطبوع» بسیار متنوع است، پس همیشه خوب است معنای آن را بررسی کنیم. برای مثال به «سیستم‌های تهویه مطبوع پنجره ای» توجه کنید. اکثر سیستم ها سرمایش فراهم می کنند، و وقتی دمای بیرون بالای نقطه انجماد است، بعضی رطوبت گیری، بعضی تصفیه هوا و بعضی تهویه را تأمین می کنند. آن‌ها توانایی گرم کردن یا رطوبت زنی فضای تهویه شده را ندارد و اگر بیرون سرد باشد خنک نمی‌کنند.

در اقلیم‌های سردتر، گرمایش اغلب با یک سیستم گرمایشی پیرامونی مجزا فراهم می شود که در دیواره‌های بیرونی جای می گیرد. کارکردهای دیگر این سیستم ها شامل این موارد می شود: سرمایش، رطوبت زنی، رطوبت گیری، تمیزکردن، تهویه و جابه جایی هوا، همه توسط یک سیستم هوای مجزا فراهم می شود که اغلب به عنوان «سیستم تهویه مطبوع» خوانده می شود.  «مهم است که به خاطر داشته باشید سیستم هوا و گرمایش یا هم سیستم های تهویه مطبوع را تشکیل می دهند.

محیط برای آسایش انسان

«یک محیط راحت و آسوده برای ساکنین فراهم کن» مثل یک موضوع ساده به نظر می رسد؛ این تا زمانی است که شما شروع کنید عوامل مختلف موثر روی آسایش فرد را بررسی کنید. شکل زیر نمودار ساده ای از سه گروه اصلی عوامل موثر روی آسایش است.

ویژگی های فضا – سمت چپ

ویژگی های فرد – سمت راست

لباس و فعالیت فرد – مرکز بالا

ویژگی هایی از فضا که روی آسایش تاثیر می گذارند

 

6 ویژگی از فضا روی آسایش تأثیر می گذارد: حرارت، کیفیت هوا، صوت، روشنایی، ویژگی های فیزیکی و روانی که از میان این‌ها، تنها شرایط حرارتی و کیفیت هوا را می توان مستقیم با سیستم HVAC کنترل کرد.

محیط صوتی نیز تا حدی می تواند تحت تأثیر باشد. جنبه های روشنایی و معماری حوزه های کوچک تری هستند، اما این‌ها هم روی عملکرد سیستم های HVAC مؤثرند. محیط روانی (نحوه تعامل اجتماعی افراد با هم) در فضا تا حد زیادی به ساکنین آنجا بستگی دارد.

ما در اینجا به اختصار به معرفی این 6 عامل می پردازیم:

1. شرایط حرارتی شامل چیزی بیش از دمای هوای ساده است. اگر سرعت هوا خیلی زیاد باشد، فضا دچار کوران می شود. اگر هیچ جابه‌جایی هوایی وجود نداشته باشد، ساکنین احساس خفگی خواهند داشت. سرعت هوا در یک فضای دارای تهویه مکانیکی تا حد زیادی تحت کنترل طراحی سیستم است.
2. کیفیت هوا در یک فضا تحت تأثیر آلودگی ساکنین و سایر محتویات فضاست. این آلودگی کمابیش با مقدار هوای تازه ای که به منظور رقیق سازی آلاینده ها به فضا آورده می شود، کم می شود. معمولاً فضاهای بسیار شلوغ و متراکم مانند سالن‌های سینما یا تئاتر و اماکنی با فعالیت سنگین مانند آشپزخانه ها نسبت به فضاهای اداری یا مسکونی به مقدار هوای بسیار بیشتری نیاز دارند.
3. محیط صوتی می تواند تحت تأثیر سر و صدای ترافیک بیرون، ساکنین، تجهیزات و سیستم HVAC باشد.الزامات طراحی توسط فضا تعیین می شود. یک طراح در طراحی یک سیستم ساکت برای یک استودیوی ضبط باید دقت زیادی داشته باشد.
4. روشنایی روی طراحی HVAC تأثیر می گذارد، چون همه چراغ ها گرما تولید می کنند. همچنین روشنایی روی درک ساکنین از آسایش مؤثر است. اگر چراغ ها خیلی درخشان باشند، ساکنین حس ناراحتی خواهند داشت.   
5. جنبه های فیزیکی مؤثر روی ساکنین شامل جنبه های طراحی معماری فضا و طراحی داخلی است. مسائلی مانند راحتی صندلی ها، ارتفاع صفحه کلید کامپیوتر ها یا بازتاب صفحات رایانه هیچ ارتباطی با سیستم های HVAC ندارند، اما می توانند روی درک کلی افراد از آسایش فضا مؤثر باشند.
6. موقعیت روانی، تعامل بین افراد در محل مساله طراحی نیست اما احساسات قوی در مورد آسایش فضا ایجاد می کند.

ویژگی هایی از افراد که روی آسایش موثر است

 

همه افراد شرایط سلامتی، آسیب پذیری و انتظارات خاص خودشان را دارند.

سلامت آن‌ها ممکن است عالی باشد و ممکن است توجهی به حرکت هوا از دستگاه تهویه مطبوع نداشته باشند. اما اگر ساکنین در یک اتاق انتظار پزشک بیمار باشند، می توانند جریان هوای سرد را بسیار ناراحت کننده و تنش زا حس کنند.

افراد از نظر آسیب پذیری نیز با هم تفاوت دارند. برای مثال، کف‌های سرد روی یک فرد بزرگسال که کفش پوشیده مؤثر نیست اما همین کف برای کودکی که روی آن چهاردست و پا می رود ناراحت کننده است.

همچنین افراد ممکن است توقعاتی داشته باشند. وقتی ما وارد یک هتل می شویم، انتظار داریم راحت باشد. وقتی در تابستان وارد ساختمانی که سیستم های تهویه مطبوع دارد می شویم هم انتظار خنک بودن داریم. موارد مورد انتظار براساس تجربه قبلی در فضا یا درک بصری از آن متفاوت است. برای مثال وقتی وارد یک اتاق رختکن در سالن ورزشی می شوید، انتظار دارید بوی نامطبوعی استشمام کنید و انتظارتان شما را تحمل پذیرتر می‌کند.

لباس و فعالیت تابعی از آسایش فردی

گروه سوم عوامل موؤثر روی آسایش، مقدار لباس و فعالیت فرد است. اگر ما لباس سبک بپوشیم، فضا باید گرم تر از زمانی باشد که لباس بیشتری پوشیده ایم. همین طور وقتی فعالیت بدنی داریم گرمای بیشتری تولید می کنیم.

در تابستان، در بسیاری از دفاتر اداری، مدیران کت و شلوار دارند در حالی که کارمندان ممکن است لباس های آستین کوتاه داشته باشند. همین فضا برای گروهی مطلوب و برای گروهی دیگر نامطبوع است.

با توجه به این موارد قبل از شروع به طراحی یک سیستم مهم است که بدانید در نهایت می خواهید به چه چیزی برسید. هدف، نوع سیستم انتخابی شما و اهداف عملکردی برای آن را تعیین می کند.