مقایسه‌ ترمودینامیکی و اقتصادی داکت اسپلیت و ایرواشر

انتخاب سیستم تهویه مطبوع بهینه (HVAC) یکی از چالش‌های اساسی در طراحی ساختمان‌های مسکونی و تجاری است که مستقیماً بر مصرف انرژی و آسایش ساکنین تأثیر می‌گذارد. این پژوهش تحلیلی، دو سیستم رایج – داکت اسپلیت (مبتنی بر سیکل تبرید تراکمی) و ایرواشر (مبتنی بر سرمایش تبخیری مستقیم) – را با تمرکز بر مبانی ترمودینامیکی، معیار‌های عملکرد انرژی (COP/EER)، محدودیت‌های اقلیمی و تحلیل هزینه چرخه عمر (LCC) مقایسه می‌کند. 

نتایج این بررسی نشان می‌دهد که داکت اسپلیت، به دلیل توانایی کنترل هم زمان دما و رطوبت (رطوبت‌زدایی)، عملکرد برتری در مناطق گرم و مرطوب دارد، در حالی که ایرواشر به دلیل مصرف برق بسیار پایین و هزینه اولیه کمتر، گزینه اقتصادی و پایداری برای مناطق گرم و خشک ایران محسوب می‌شود.

از آنجا که سیستم‌های تهویه مطبوع بخش عمده‌ای از مصرف انرژی ساختمان‌ها را به خود اختصاص می دهند، در این مقاله با ارائه یک چارچوب تحلیلی جامع، طراحان و مصرف‌کنندگان می توانند بر اساس اصول مهندسی و شرایط اقلیمی محل، مناسب‌ترین سیستم را انتخاب نمایند.

مبانی ترمودینامیکی داکت اسپلیت و ایرواشر

مهم‌ترین تفاوت این دو سیستم در فرآیندهای ترمودینامیکی آن‌ها در نمودار سایکرومتریک (Psychrometric Chart) زیر نمایان می‌شود:

دمـاتجهیـز؛ راهنمای تخصصی انتخاب و قیمت تجهیزات تهویه و تاسیسات (از سال ۱۳۸۳)

داکت اسپلیت: سیکل تبرید تراکمی (Vapor Compression Cycle)

داکت اسپلیت که نوعی سیستم سرمایش تراکمی انبساط مستقیم (DX) است، به دلیل نصب پنل به صورت توکار، قابلیت استقلال برای هر واحد و توان سرمایش بالا، محبوبیت گسترده‌ای یافته است.

• اصل عملکرد: این سیستم از اصول تغییر فاز مبرد (گازهای R-410A یا R-22) استفاده می‌کند. در یونیت داخلی (اواپراتور)، مبرد با دمای پایین، گرمای محسوس (Sensible Heat) و نهان (Latent Heat) هوای داخل را جذب کرده و تبخیر می‌شود.
• فرآیند سایکرومتریک: عبور هوا از روی کویل اواپراتور معمولاً یک فرآیند سرمایش و رطوبت‌زدایی (Cooling and Dehumidification) است. دمای کویل عمداً زیر نقطه شبنم هوای ورودی نگه داشته می‌شود تا بخار آب موجود در هوا تقطیر شده و رطوبت کاهش یابد. این قابلیت، تضمین‌کننده آسایش در مناطق شرجی است.
• توانایی کنترل: توانایی کنترل دقیق دمای حباب خشک (Dry-Bulb Temperature) و تنظیم رطوبت داخلی، مزیت اصلی این سیستم در تطابق با استاندارد‌های آسایش انسانی مانند استاندارد(ASHRAE 55)  است.

ایرواشر: سرمایش تبخیری آدیاباتیک (Adiabatic Evaporative Cooling)

ایرواشر که بر مبنای فرآیند سرمایش تبخیری آدیاباتیک کار می‌کند، به‌عنوان یک راهکار مقرون به صرفه و کم‌مصرف، به‌خصوص در اقلیم‌های گرم و خشک مانند شهرهای تهران،کرج،کرمانشاه،کرمان،یزد، مشهد،سمنان،شاهرود،زاهدان،زابل،خرم آباد،شیراز،قم،اصفهان،اربیل،موصل،کرکوک،سلیمانیه و ... همچنان مورد توجه است.

• اصل عملکرد: ایرواشر بر اساس پدیده تبخیر آب در تماس مستقیم با هوا کار می‌کند. این فرآیند آدیاباتیک (بدون تبادل حرارتی با محیط اطراف سیستم) است.
• فرآیند سایکرومتریک: در حین تبخیر، گرمای نهان تبخیر از گرمای محسوس هوا تأمین می‌شود. این امر منجر به کاهش دمای محسوس و افزایش رطوبت مطلق هوا می‌گردد. فرآیند روی نمودار سایکرومتریک با حرکت در راستای خط دمای مرطوب (Wet-Bulb Temperature) ثابت نشان داده می‌شود.
• محدودیت حرارتی: حداکثر سرمایش ممکن در ایرواشر به دمای مرطوب محیط محدود می‌شود. اختلاف دمای خشک و مرطوب (Wet-Bulb Depression) تعیین‌کننده حداکثر کاهش دمای ممکن است. این محدودیت، استفاده از ایرواشر را در مناطق مرطوب (که اختلاف دمای تر و خشک اندک است) بی‌اثر می‌سازد. حداکثر کاهش دما (کاهش دمای حباب خشک) در بهترین حالت و اشباع کامل، معمولاً 10 تا 15 درجه سانتی‌گراد است.

مقایسه فنی و پارامترهای مهندسی

مقایسه سیستم‌ها در سه زمینه اصلی انجام می‌شود: عملکرد سرمایشی، گرمایشی و کیفیت هوای داخلی (IAQ).

عملکرد سرمایشی و تطابق اقلیمی

عملکرد سرمایشی و تطابق اقلیمی دو معیار اساسی در مقایسه داکت اسپلیت و ایرواشر هستند که مستقیماً به اصول ترمودینامیکی متفاوت آن‌ها بازمی‌گردد. در جدول زیر به این تفاوت ها اشاره می کنیم:

عملکرد گرمایشی

هر دو سیستم قابلیت گرمایش را دارند، اما به روش‌های متفاوت:

1. داکت اسپلیت:

• سیکل معکوس (پمپ حرارتی): کارآمدترین روش گرمایش در اقلیم‌های معتدل و نیمه‌خشک.
• کویل آب گرم: استفاده از آب گرم پکیج یا بویلر برای تأمین آب گرم کویل، رایج‌ترین و کم‌مصرف‌ترین روش از نظر مقدار مصرف برق در مناطق سردسیر است (در این حالت، داکت اسپلیت صرفاً نقش فن کویل را ایفا می‌کند).

1. ایرواشر:

• کویل آب گرم: گرمایش در ایرواشر منحصراً از طریق نصب کویل آب گرم که توسط پکیج یا موتورخانه تغذیه می‌شود، صورت می‌گیرد. در حالت گرمایش، پمپ پاشش آب سرد ایرواشر خاموش است و دستگاه صرفاً نقش هواساز را ایفا می‌کند.

کیفیت هوا (IAQ) و فیلتراسیون

ایرواشرها به دلیل عملکرد خود، قابلیت فیلتراسیون هوا را دارند و می‌توانند مجهز به فیلترهای آلومینیومی، کیسه‌ای یا حتی فیلترهای هپا (HEPA) در مدل‌های هایژنیک باشند. همچنین، پاشش آب می‌تواند بخشی از ذرات معلق و گرد و غبار را شستشو دهد.

داکت اسپلیت‌ها نیز مجهز به فیلتر هستند، اما به دلیل بسته بودن سیکل هوا در یونیت داخلی، فیلتراسیون قوی‌تری نسبت به ایرواشر نیاز دارند. عدم وجود تبخیر، احتمال رشد باکتری‌ها (مانند لژیونلا) را که در سیستم‌های آبی نظیر ایرواشرها باید با ضدعفونی و مدیریت آب طبق راهنمای (ASHRAE 12) کنترل شود، در داکت اسپلیت ها وجود ندارد.

دمـاتجهیـز؛ اولین مرجع تخصصی انتخاب و قیمت تجهیزات تهویه و تاسیسات (از سال ۱۳۸۳)

تحلیل بهره‌وری انرژی و اقتصاد مهندسی

مقایسه هزینه انرژی مصرفی، مهم‌ترین عامل در تصمیم‌گیری بلندمدت است.

در تحلیل انرژی، باید مصرف انرژی الکتریکی (برق) و آب (در مورد ایرواشر) را نیز در نظر گرفت:

• ایرواشر: مصرف برق عمدتاً محدود به فن دمنده و پمپ آب است. این سیستم‌ها به دلیل عدم وجود کمپرسور، به‌طور کلی مصرف برق بسیار پایین‌تری دارند (حدود یک چهارم سیستم‌های تراکمی مشابه).
• داکت اسپلیت: مصرف برق عمدتاً مربوط به کمپرسور است. شاخص‌های کارایی مانند EER (نسبت بازدهی انرژی) و SEER (نسبت بازدهی انرژی فصلی) برای ارزیابی عملکرد آن استفاده می‌شوند.

مدل اینورتر: داکت اسپلیت‌های اینورتر (دور متغیر) با تنظیم سرعت کمپرسور بر اساس بار حرارتی مورد نیاز، از استارت/استاپ‌های مکرر و مصرف پیک جلوگیری کرده و مصرف انرژی را احتمالا تا حدود 15 درصد در مقایسه با مدل‌های دور ثابت، کاهش می‌دهند.

تحلیل هزینه چرخه عمر (LCC)

هزینه کلی یک سیستم شامل هزینه اولیه نصب، هزینه‌های عملیاتی (انرژی و آب) و هزینه‌های اجرا و نصب و نهایتا هزینه های نگهداری و تعمیرات است:

• هزینه اولیه نصب: ایرواشرها به دلیل سادگی ساختار (عدم وجود کمپرسور و مبرد) و کاهش حجم تأسیسات مربوط به لوله‌کشی‌های اضافی، هزینه اولیه به مراتب پایین‌تری نسبت به داکت اسپلیت دارند.
• هزینه‌های عملیاتی: در مناطق خشک، به دلیل مصرف برق بسیار پایین، هزینه‌های عملیاتی ایرواشر پایین‌تر است. اما در مناطق مرطوب، عدم کارایی ایرواشر باعث نیاز به استفاده از سیستم کمکی یا داکت اسپلیت شده که هزینه‌ها را افزایش می‌دهد.
• هزینه اجرایی ایرواشرها و داکت اسپلیت ها به دلیل نصب کانال هوادهی و موارد دیگر چندان تفاوتی با هم ندارند (هر چند ابعاد کانال هوادهی و دریچه های هوای ایرواشرها نسبت به داکت اسپلیت بزرگتر است.)
• هزینه‌های نگهداری: ایرواشر قطعات مکانیکی پیچیده کمتری دارد (فقط فن و پمپ)، لذا هزینه‌های نگهداری و تعمیرات پایین‌تر و ساده‌تر است. در مقابل، تعمیر کمپرسور و سیکل مبرد در داکت اسپلیت‌ها گران‌تر است .

محدودیت‌ها و ملاحظات مهندسی در اجرا

هر سیستم دارای ملاحظات اجرایی خاصی است که در طراحی باید در نظر گرفته شود:

ملاحظات ایرواشر

• محدودیت کانال‌کشی: به دلیل حجم بالای هوای مورد نیاز در سرمایش تبخیری، ابعاد کانال‌ها در ایرواشرها معمولاً بزرگ‌تر از داکت اسپلیت است، که فضای بیشتری در سقف کاذب اشغال می‌کند.
• کیفیت آب و رسوب: نگهداری از آب مخزن (Sump) برای جلوگیری از رشد باکتری‌ها، جلبک‌ها و رسوب‌گذاری (Scale buildup) امری ضروری است. این موضوع نیازمند برنامه‌ریزی برای تصفیه آب (Water Treatment) و تخلیه منظم آب (Bleed Off) است.
• امکان ترکیب با تبرید: برای غلبه بر محدودیت‌های رطوبتی ایرواشر در شرایط اقلیمی مرطوب‌تر، برخی تولیدکنندگان از سیستم‌های ترکیبی (تبخیری مستقیم/غیرمستقیم و تبرید تراکمی مکمل) استفاده می‌کنند تا دمای آب پاششی را کاهش داده و همزمان رطوبت ورودی به فضا را کنترل کنند. در این روش با استفاده از یک سیستم کوچک تبریدی مکمل دمای آب تشتک ایرواشر را کاهش می دهند تا ضمن بهبود سرمایش دستگاه، میزان رطوبت دهی مورد نیاز کاهش یابد. 

ملاحظات داکت اسپلیت

• عایق‌کاری کانال‌ها و کویل: عایق‌کاری صحیح کانال‌های توزیع هوا برای جلوگیری از اتلاف حرارتی (به خصوص در گرمایش) و مهم‌تر از آن، جلوگیری از تعریق (Condensation) در فضای سقف کاذب داکت اسپلیت ها امری حیاتی است.
• محل نصب یونیت خارجی: یونیت خارجی باید در محلی نصب شود که تهویه مناسب داشته باشد و صدای کمپرسور باعث آزار نشود.
• سیم‌کشی و مدار فرمان: سیستم داکت اسپلیت (به ویژه اینورتر) نیازمند سیم‌کشی دقیق و مدار فرمان پیچیده‌تر نسبت به ایرواشر است.

دمـاتجهیـز؛ بهترین قیمت ها و برندهای معتبر تجهیزات تهویه و تاسیسات (از سال ۱۳۸۳)

خلاصه اجرایی (Executive Summary) و توصیه‌ها

این بخش، توصیه‌های استراتژیک و فنی نهایی را بر اساس تحلیل مقایسه‌ای ترمودینامیکی و اقتصادی داکت اسپلیت (تراکم بخار) و ایرواشر (سرمایش تبخیری) برای تصمیم‌گیرندگان اصلی، کارفرمایان، کارشناسان، سازندگلن، مهندسین مشاور و شرکتهای ساختمانی و تاسیساتی در ایران و کشورهای عراق، سوریه، آذربایجان، ارمنستان و... ارائه می‌کند.

جدول توصیه‌های کلیدی برای مهندسان تأسیسات و طراحان پروژه ها:

نتیجه‌گیری نهایی

در آخر، انتخاب میان داکت اسپلیت و ایرواشر، یک مصالحه مهندسی میان قابلیت کنترل محیطی مطلق (داکت اسپلیت) و بهره‌وری انرژی و اقتصاد ساختمانی (ایرواشر) است. مهندسان ناظر و طراحان باید با استفاده از تحلیل سایکرومتریک و داده‌های اقلیمی، سیستمی را انتخاب کنند که در کنار تأمین آسایش (طبق استانداردها)، کمترین بار زیست محیطی و اقتصادی را به همراه داشته باشد.