(Dedicated Ventilation Systems)
مقدمة
على مدار سنوات، كانت معظم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) عبارة عن أنظمة “هواء مختلط” حيث تقوم وحدة مناولة الهواء بخلط الهواء الخارجي (OA) مع الهواء الراجع، ثم تعمل على تكييف الخليط الناتج قبل توصيله إلى المساحات المشغولة داخل المبنى. جعلت هذه الأنظمة توفير التهوية المناسبة أمرًا سهلاً، حيث يمكن للمصمم ضبط دانبر الهواء الخارجي أو معدل تدفق الهواء الخارجي لتلبية أسوأ سيناريو لمتطلبات التهوية.
على الرغم من أن هذا الحل البسيط يعالج مشكلة جودة الهواء الداخلي، إلا أنه يتطلب تدفق هواء خارجي عالي للتعويض عن كفاءة التهوية المنخفضة للنظام.
“كفاءة التهوية“ تشير إلى النسبة المئوية من الهواء الخارجي الذي يخفف من ملوثات الهواء الداخلي قبل طرده خارج المبنى. فكلما زادت نسبة الهواء المستخدم في التهوية، زادت كفاءة النظام.
تصبح التهوية أقل كفاءة عندما يقوم نظام الهواء المختلط بخدمة مساحات متعددة ذات احتياجات تهوية مختلفة. حيث تحصل مساحة واحدة (تُعرف بالمساحة الحرجة) على كمية كافية من الهواء الخارجي للتهوية المناسبة، بينما يتم تهوية جميع المساحات الأخرى بشكل زائدعن الحد. هناك طرق مختلفة لتحسين كفاءة التهوية، لكن الحل الاشهر هو نظام التهوية المخصص.
ما هو نظام التهوية المخصص؟
What Is a Dedicated Ventilation System?
يستخدم نظام التهوية المخصص وحدة مناولة هواء منفصلة لمعالجة الهواء الخارجي قبل توصيله إلى مداخل الهواء الخارجي/الهواء المختلط في وحدات التكييف الأخرى أو مباشرة إلى المساحات المشغولة. في كلتا الحالتين، تقوم الوحدات الطرفية ( مثل وحدات الملف و المروحه ) بمعالجة الأحمال الحرارية الداخليه.
سواء أطلق عليه وحدة هواء خارجي مخصصة (Dedicated OA Unit) أو وحدة هواء خارجي بنسبة 100% أو وحدة هواء نقي، فإن وحدة مناولة الهواء يجب أن تقوم بإزالة الرطوبة، التبريد، التدفئة، وأحيانًا ترطيب الهواء الخارجي الداخل.
في هذا المقال، سنركز على إزالة الرطوبة والتبريد…
تستخدم معظم تصميمات هذه الوحدات ماء مبرد أو ملفات تبريد مباشرة (DX coils) لتبريد الهواء و في هذه المناقشة، سنركز فقط على إزالة الرطوبة باستخدام ملف التبريد البارد، نظرًا لأنها أقل تكلفة وأقل تعقيدًا وأكثر استخدامًا ا.
كما أن تصاميم ملف التبريد البارد توفر مستوى كافٍ من إزالة الرطوبة للتطبيقات التجارية والمؤسسية في معظم الحالات.
تأثيرات نظام التهوية المخصص على تصميم النظام
Implications for System Design
لتوضيح كيفية تأثير نظام التهوية المخصص على اختيار المعدات، دعونا نلقي نظرة على النظام الموضح في الشكل 1.
يقوم وحدة الهواء الخارجي المخصصة (OA Unit) بتلبية متطلبات التهوية الدنيا من خلال معالجة الهواء الخارجي ثم إيصال الهواء المكيف (CA) مباشرة إلى المساحات المشغولة.
وفي الوقت نفسه، تعمل وحدات ملف المروحة (Fan-Coils)، التي يتم التحكم فيها بواسطة الثرموستات، على تلبية الحمل الحراري الحسي المحلي لكل مساحة داخل المبنى.
اختيار وحدة الهواء الخارجي المخصصة
Selecting the dedicating OA unit
معدل تدفق الهواء المطلوب، ونقطة الندى، ودرجة حرارة المصباح الجاف للهواء المكيف (CA) هي العوامل الأساسية في اختيار وحدة الهواء الخارجي المخصصة (OA Unit).
- تحديد الحمل الحراري بناءً على المحتوى الحراري
Determine the enthalpy-based design condition
تعتمد الظروف التصميمية على حالة الطقس ذات أعلى محتوى حراري، أي أعلى درجة حرارة رطبة (wet bulb temp.) مع درجة الحرارة الجافة (dry bulb temp.) المتزامنة. هذه القيم تحدد أقصى سعة تبريد مطلوبة للوحدة المخصصة، ويمكن العثور على هذه البيانات في ASHRAE Handbook–Fundamentals لمختلف المواقع الجغرافية.
- اختيار درجة حرارة المساحات المشغولة
Choose the target condition for the occupied space
- يختار معظم المصممين درجة حرارة 72-76 درجة فهرنهايت (22-24 درجة مئوية) كدرجة حرارة داخليه مستهدفة.
- توصي ASHRAE Standard 62-2017 بالحفاظ على الرطوبة النسبية عند 60% أو أقل أثناء التبريد لتجنب نمو الفطريات والميكروبات.
- تقليل نسبة الرطوبة إلى أقل من 50% يضيف تكاليف غير ضرورية، حيث يتطلب معدات أكبر ويزيد استهلاك الطاقة.
- حساب الحمل الحراري الكامن لكل مساحة
Determine the latent load for each space.
يتم تحديد الأحمال الحرارية الكامنة في المساحات باستخدام برامج تصميم الأحمال الحرارية، حيث تكون هذه الأحمال غير متأثرة بالظروف الجوية الخارجية.
- تحديد معدل تدفق الهواء الخارجي على مستوى النظام
Calculate the system-level outdoor airflow
يتم حساب معدل تدفق الهواء الخارجي المطلوب بجمع الحد الأدنى من معدلات التهوية المطلوبة لكل مساحة، والتي تحددها اللوائح المحلية أو ASHRAE Standard 62-2017.
- تحديد أعلى زيادة في نسبة الرطوبة بين المساحات
Determine the largest rise among the space humidity ratios
في أنظمة الحجم الثابت(constant volume)، لا توفر الوحدات الطرفية إزالة رطوبة كافية عند انخفاض الأحمال الحرارية الحسية. لذا، يوفر نظام التهوية المخصص هواءً جافًا بما يكفي لتعويض الأحمال الحرارية الكامنة والحفاظ على الرطوبة النسبية عند الحد المسموح به (60%).
- حساب معدل الرطوبة المطلوبة ونقطة الندى للهواء المكيف
Calculate the required humidity ratio and corresponding dew point
يتم حساب معدل الرطوبة المستهدفة بخفض أكبر زيادة في معدل الرطوبة فى الهواء الخارجى من معدل الرطوبة المستهدفة للمساحات.
- اختيار درجة الحرارة الجافة المطلوبة للهواء المكيف
- Choose the required dry-bulb temperature of the conditioned
- إذا كان المطلوب هواءً مكيفًا عند درجة حرارة محايدة (قريبة من درجة حرارة المكان)، تكون درجة الحرارة 70-75 درجة فهرنهايت.
- إذا كان المطلوب هواءً باردًا للتبريد، يتم ضبط درجة الحرارة الجافة عند نقطة الندى المطلوبة.
اختيار الوحدات الطرفية (Terminal Units)
إن طريقة اختيار وحدة الهواء الخارجي المخصصة (Dedicated OA Unit) يمكن أن تؤثر بشكل كبير على السعة التبريدية المطلوبة (معدل تدفق الهواء المزوَّد ودرجة حرارة المصباح الجاف) لكل وحدة طرفية. يوضح المربع الجانبي في هذه الصفحة منطق الاختيار التالي:
تحديد درجة حرارة الهواء الداخل:
الوحدات الطرفية تتعامل فقط مع هواء الإرجاع المعاد تدويره، والذي تكون درجة حرارته مماثلة لدرجة الحرارة المطلوبة في المساحة المشغولة.
حساب التبريد الحسِّي الذي يوفره نظام التهوية:
-
-
الهواء المكيف عند درجة حرارة منخفضة (“الهواء البارد”) يوفر تبريداً حسّياً أكبر مقارنةً بالهواء المكيف عند درجة حرارة معتدلة، والذي يكون أبرد قليلاً من درجة حرارة المساحة المطلوبة.
-
تحديد الحمل التبريدي الحسِّي لكل وحدة طرفية:
-
- يتم حساب الحمل التبريدي الحسِّي الأقصى لكل مساحة مشغولة باستخدام برمجيات حساب الأحمال الحرارية.
- ثم يتم طرح التبريد الحسِّي الذي يوفره نظام التهوية من الحمل التبريدي الحسِّي الأقصى عند أقصى درجة حرارة للمصباح الجاف.
حساب معدل تدفق الهواء المزوَّد المطلوب لكل وحدة طرفية:
-
- يتم حساب ذلك باستخدام درجة حرارة الهواء المزوَّد المحددة وحمل التبريد الحسِّي الذي يجب أن تؤمنه الوحدة الطرفية.
- يتم تحديد درجة حرارة الهواء المزوَّد المستهدفة بناءً على مكان تثبيت الوحدة الطرفية وتصميم نظام التهوية المخصص.
ملاحظة:
- توصيل الهواء المكيف عند درجة حرارة منخفضة (“الهواء البارد”) يقلل من معدل تدفق الهواء المطلوب للوحدات الطرفية، مما يسمح باستخدام وحدات طرفية أصغر حجماً مقارنةً بالنظام الذي يوفر هواءً مكيفاً عند درجة حرارة معتدلة.
طرق تحسين الكفاءة التشغيلية
- استرداد الطاقة
- يمكن استخدام عجلات استعادة الطاقة أو المبادلات الحرارية الهوائية لتقليل الأحمال الحرارية الناتجة عن معالجة الهواء الخارجي.
- استعادة الحرارة من دارة التبريد يمكن أن يوفر تسخينًا مجانيًا للهواء الخارجي في الشتاء.
- التحكم المتغير في تدفق الهواء (VAV)
تعديل تدفق الهواء تلقائيًا بناءً على الإشغال الفعلي يقلل استهلاك الطاقة دون التأثير على جودة الهواء الداخلي.
- إعادة ضبط نقطة التشغيل
- رفع نسبة الرطوبة المستهدفة يقلل من الحاجة إلى إزالة الرطوبة المفرطة، مما يقلل استهلاك الطاقة.
- رفع درجة حرارة الهواء المكيف الجافة يقلل من استهلاك التدفئة في المساحات المختلفة.
- إزالة الرطوبة أثناء عدم الإشغال
يساعد على تقليل مخاطر العفن والرطوبة العالية دون الحاجة إلى تشغيل نظام التبريد بأكمله.
المفاهيم الأساسية
✔ يجب أن يكون الهواء المكيف أكثر جفافًا من الهواء في المساحات المشغولة لمنع ارتفاع الرطوبة.
✔ استخدام الهواء البارد بدلاً من الهواء المحايد يقلل حجم الوحدات الطرفية المطلوبة ويوفر الطاقة.
✔ تحديد الرطوبة النسبية عند 60% كحد أقصى لتجنب النمو الميكروبي وتقليل استهلاك الطاقة.
الخلاصة
توفر أنظمة التهوية المخصصة تحكمًا أفضل في جودة الهواء الداخلي وكفاءة استهلاك الطاقة، خاصة عند استخدامها مع استراتيجيات مثل استرداد الطاقة، التحكم المتغير في تدفق الهواء، والاقتصاد الهوائي، مما يجعلها حلاً مثاليًا للمباني الحديثة.
المراجع:
1- Trane newsletter ENEWS30/3- Dennis Stanke
2- https://mepacademy.com/dedicated-outside-air-system-doas/