در مورد ساختار و کاربرد هواسازها (Air Handling Units) چه می­دانید؟

هواسازها (Air Handling Units) که به اختصار AHU نامیده می­شوند، تجهیزاتی محفظه­دار و مونتاژ شده در کارخانه هستند که شامل فن (فن­ ها) و سایر اجزای اصلی طبق استانداردهای مربوطه می­باشند و یک یا چندین کاربرد گردش هوا ، پاکسازی هوا، گرمایش، سرمایش، رطوبت­زنی هوا ، رطوبت­زدایی از هوا، ترکیب هوا و غیره را در ساختمان­های متوسط تا بزرگ اداری و تجاری و واحدهای صنعتی انجام می­دهند.

به بیانی دیگر هواسازها برای کنترل یکی از پارامترهای زیر در فضا مورد استفاده قرار می­گیرند.

  • دما
  • رطوبت
  • جابجایی هوا
  • پاکسازی هوا

هواسازها هوای تهویه شده را به سمت فضاهای مورد نظر در یک ساختمان انتقال می­دهند. در واقع نقش یک هواساز تهویه و توزیع هوا درون یک ساختمان به منظور دستیابی به کیفیت رضایت­بخش هوای داخل و شرایط آسایش داخلی ساکنان (شامل دما؛ رطوبت و فیلتراسیون هوا) است.

هواساز تجهیزات هواساز

عکس هواساز

هواسازها تعدادی تجهیزات دارند که این تجهیزات شامل دمپرهای ترکیب ­کننده (که هوای بیرون را با هوای برگشتی از ساختمان ترکیب می­کنند)، فیلترهای هوا، کویل­های گرمایشی، کویل­های سرمایشی، فن­ها، موتورها و تضعیف ­کننده­های سر و صدا (با نصب در کانال­های خروجی و توزیع هوا) هستند. این اجزا در ادامه به تفصیل مورد بررسی قرار می­گیرند.

در هواسازها رطوبت هوا توسط کویل­های سرمایشی که خنکی خود را از یک چیلر تأمین می­نمایند، از هوای تهویه شده گرفته می­شود. به محض اینکه هوای تهویه شده تا دمایی پایین­تر از نقطه شبنم خود خنک می­گردد، رطوبت موجود در هوا حذف می­شود. در برخی هواسازها رطوبت­زن­هایی نصب شده است تا میزان رطوبت را افزایش دهند، هرچند که این گونه هواسازها در ساختمان­های امروزی و با عملکرد بالا به دلیل مصرف انرژی و هزینه­های زیاد بسیار کم مشاهده می­گردند. گرمایش مورد نیاز مصرف­کننده در هواسازها، اغلب توسط کویل­های گرمایشی که آب گرم درون آن­ها از منبع گرمایش که معمولاً بویلرهای سیستم حرارت مرکزی ساختمان هستند، تأمین می­شود. کویل­های الکتریکی در برخی ساختمان­های قدیمی­تر نصب شده است و در ساختمانهای امروزی به علت تراکم بالای گاز گلخانه ­ای در آنها منسوخ گردیده است.

هواسازها از نظر فیزیکی دارای دو نوع هواسازهای افقی و عمودی هستند. همچنین از نظر عملکرد نیز هواسازها بطور کلی شامل دو نوع هواساز با حجم هوای ثابت (Constant Air Volume) و هواساز با حجم هوای متغیر (Variable Air Volume: VAV) می­باشند. حجم هوای ورودی در سیستم­های با حجم هوای متغیر بر اساس مقدار سرمایش و گرمایش مورد نیاز تنظیم می­گردد و مصرف انرژی فن و اتلاف انرژی مربوط به بازگرمایش (Reheat) را در زمان تداخل سیستم گرمایشی و سرمایشی کاهش می­دهد. برای ساختمان­های اداری با بارهای تهویه مطبوع متغیر بر اساس فصل و حضور افراد، در صورتی که هواسازهای با حجم هوای متغیر (VAV)به درستی نصب و اجرا شوند، بسیار کارآمدتر از هواسازهای با حجم هوای ثابت هستند.در حالی که بیش­تر ساختمانهای اداری مدرن توسط هواسازهای حجم متغیر تهویه می­شوند، این سیستم­ها گاهی به دلیل راندمان طراحی پایین، عدم فرمان­دهی و بهره­برداری صحیح و نگهداری ضعیف با اتلافات انرژی زیاد فعالیت می­کنند. نتیجه نهایی این که بسیاری از سیستم­های با حجم هوای متغیر مانند سیستم­های با حجم هوای ثابت عمل می­کنند و موجب اتلاف انرژی و عدم آسایش ساکنان می­گردند. البته یکی از روش­های رایج در کنترل سرمایش و یا گرمایش خروجی از هر هواساز، نصب شیر موتوری کنترلی سه­راهه در ورودی جریان آب سرد چیلر به کویل سرمایشی یا آب گرم بویلر به کویل گرمایشی هواساز است. طبیعتاً ترموستات فرمان این شیرهای موتوری، در داخل فضاهای مورد نظر ساختمان یا حتی کانال­های توزیع هوایی هواساز نصب می­گردد.

مصرف انرژی یک هواساز عمدتاً مربوط به فن تأمین­کننده هوای ورودی و همچنین فن هوای برگشتی در ساختمان­های بزرگ­تر است. هواسازها همچنین پتانسیل تأثیر قابل توجه بر روی انرژی مصرفی توسط سایر تجهیزات تهویه مطبوع از قبیل چیلرها، بویلرها و رطوبت­زن­های نصب شده را دارا هستند، چرا که فعالیت نادرست هواسازها تقاضای تهویه را افزایش می­دهد. طراحی، بهره­برداری و نگهداری صحیح برای فعالیت کارآمد هواسازها و واحدهای در ارتباط با آن­ها ضروری هستند.

هواسازها معمولاً در زیرزمین، بالای پشت بام یا درون طبقات یک ساختمان قرار می­گیرند. هواسازها گاهی منطقه خاصی از یک ساختمان به عنوان نمونه بخش شرقی یا طبقات 1 الی 10 ساختمان را تهویه می­کنند، یا ممکن است تنها به هدف تهویه سرویس­های بهداشتی ساختمان به کار گرفته شوند. بنابراین، بسیار متداول است که چندین هواساز را اطراف و درون یک ساختمان مشاهده نماییم.

محل هواساز

شکل 1- محل قرارگیری هواساز در ساختمان­ها

برخی ساختمان­ها، به خصوص ساختمان­های قدیمی و بلندمرتبه تنها یک هواساز بزرگ دارند که معمولاً بر روی پشت بام قرار دارد و این هواساز تمام نواحی ساختمان را پوشش می­دهد. ممکن است این هواسازها داکت هوای برگشتی نداشته باشند، در این گونه طراحی­های قدیمی تنها به نشتی هوا از ساختمان اکتفا می­کنند. این طراحی به دلیل ناکارآمد بودن آن در ساختمان­های جدید مرسوم نیست و امروزه متداول­تر است که چندین هواساز کوچک­تر برای تأمین هوای نواحی متفاوت به کار گرفته شوند. ساختمان­ها نیز به نسبت گذشته خروج هوای بسیار کمی دارند بنابراین نیاز است که از داکت هوای برگشتی برای تنظیم فشار هوای درون ساختمان استفاده گردد.

 

درون یک هواساز (Air Handling Unit) چه می­گذرد؟

هواساز (AHU) هوا را تهویه کرده و آن را درون یک ساختمان توزیع می­نماید. آن­ها معمولاً هوای تازه محیط را از بیرون دریافت کرده، آن را پاکسازی نموده و گرم یا سرد می­کنند، حتی ممکن است هوا را رطوبت­زنی کرده و سپس از طریق کانال­ها آن را به نواحی طراحی شده درون ساختمان انتقال دهند. معمولاً هواسازهای هایژنیک یک داکت اضافی برای خارج کردن هوای استفاده شده از درون اتاق­ها دارند که این هوا را به کمک یک فن به اتمسفر تخلیه می­کنند. بخشی از این هوای برگشتی ممکن است به منظور صرفه­جویی در مصرف انرژی به سمت هوای تازه ورودی برگشت داده شود.

 داخل هواساز

شکل 2- نمایی از درون یک هواساز

 

نحوه عملکرد هواساز و تجهیزات موجود در آن در تصویر زیر قابل مشاهده هستند. درادامه نیز به بررسی عملکرد هواسازها می­پردازیم و نگاهی به مهم­ترین اجزا در ساختار هواسازها خواهیم انداخت.

 

شماتیک هواساز

شکل 3- نمایش شماتیک نحوه عملکرد هواساز

 

v    بدنه (Housing)

در مدل ابتدایی هواساز دو محفظه (Housing) برای جریان هوای تازه و هوای برگشتی وجود دارد. دقیقأ جلوی ورودی و خروجی هر محفظه برای جلوگیری از ورود اشیا و حیوانات به درون اجزای مکانیکی درون هواساز توری­هایی تعبیه شده است. همان­گونه که در تصویر زیر مشاهده می­شود، در صورت فقدان توری ممکن است مقدار زیادی مواد معلق در هوا در ورودی هوای هواساز انباشته گردد و این موضوع اهمیت قرارگیری توری در ورودی و خروجی هواساز را نشان می­دهد.

 خرابی هواساز

شکل 4- توری مسدود شده محفظه ورود هوا

از نکات مهم بدنه هواسازها در زمان انتخاب و خرید یکی موضوع ضخامت ورق بدنه هواساز و دیگری موضوع هوابندی و سیل (Seal) بودن قسمت­های مختلف بدنه از نظر عدم وجود درزهای باز عبور هوا از لابلای پیچ و مهره­ها و المان­های بدنه هواساز است.

 

v    دمپرها (Dampers)

در ورودی محفظه هوای تازه و محفظه تخلیه هوای برگشتی هواسازها دمپرهایی (Dampers) قرار دارند. این دمپرها شامل چندین صفحه فلزی هستند که قابلیت چرخش و تغییر زاویه دارند. آن­ها می­توانند بر اساس فرمان موتور دمپر و یا به صورت دستی برای ممانعت از ورود و یا خروج هوا تنظیم و یا حتی بسته شوند، همچنین دمپرها می­توانند کاملاً باز شوند تا به هوا امکان ورود یا خروج حداکثری را بدهند. دمپرها در حالت میانی بین وضعیت بسته و باز بودن نیز قابلیت تغییر ایجاد کردن در وضعیت خود به منظور محدود کردن مقدار هوای ورودی یا خروجی را دارند.

دمپر هواساز

شکل 5- نمایش شماتیک دمپرها در هواساز

 

v    فیلترها (Filters)

درون هر هواساز فیلترهای مختلفی تعبیه شده­ است. فیلترهای هواساز با هدف به دام انداختن و جذب تمام آلودگی ­ها و گرد و غبار و غیره و جلوگیری از ورود آن­ ها به هواساز و ساختمان قرار گرفته ­اند. اگر این فیلترها وجود نداشته باشند، گرد و غبار وارد شبکه داکت ­ها و تجهیزات مکانیکی شده و در دراز مدت به آن ­ها آسیب می ­زند. همچنین در نهایت وارد ساختمان می ­گردد و علاوه بر آلوده کردن محیط داخل ساختمان از طریق تنفس به ساکنین منتقل می ­شود، بنابراین تا حد امکان باید از این اتفاق جلوگیری به عمل آید. در طول شبکه فیلترها، یک سنسور فشار قرار دارد. این سنسور میزان آلوده بودن فیلترها را اندازه­گیری می­ کند و هنگامی که زمان تعویض فیلترها فرا برسد، به مهندسین اطلاع می ­دهد. به هنگام حذف آلودگی توسط فیلترها، مقدار هوای در گردش محدود شده و این مسأله موجب افت فشار در طول فیلترها می­ گردد. در ساختار هواساز عمدتاً تعدادی فیلتر پنل­ گونه (Panel Filters) یا پیش فیلتر (Pre-filters) برای به دام انداختن ذرات بزرگ­تر گرد و غبار وجود دارد. در نهایت نیز تعدادی فیلتر کیسه ­ای (Bag Filters) برای جداسازی و جذب ذرات کوچک­تر گرد و غبار قرار گرفته است.

فیلتر هوساز

شکل 6- نمایش شماتیک فیلترها در هواساز

 

v    کویل­های گرمایشی و سرمایشی (Heating and Cooling Coils)

بخش دیگری که در سیستم هواساز وجود دارد کویل ­های گرمایشی (Heating Coils) و کویل ­های سرمایشی (Cooling Coils) است. این کویل ­ها برای گرمایش و سرمایش هوا تعبیه شده ­اند. دمای هوای ورودی پیش از خروج از هواساز اندازه­گیری می ­شود و وارد شبکه داکت ­ها می ­شود. برای حفظ شرایط آسایش داخلی افراد درون ساختمان باید یک دمای از پیش طراحی ­شده در نظر گرفته شود، این دمای از پیش طراحی ­شده دمای تنظیم ­شده (Set Point) یا شرایط طرح داخل نامیده می ­شود. اگر در زمستان دمای هوای داخل پایین­ تر از این مقدار باشد، شیر موتوری سه­ راهه نصب شده در مسیر ورودی آب گرم به کویل ­های گرمایشی، جریان آب گرم بویلر به کویل را به منظور افزایش دمای هوای خروجی از هواساز باز می ­کند و آن را به مقدار تنظیم شده می ­رساند و اگر در تابستان دمای هوا خیلی بالا باشد، با افزایش جریان آب سرد چیلر به کویل­ های سرمایشی دمای هوای ساختمان را کاهش می ­دهد تا دمای هوا را به مقدار تنظیم شده برساند. کویل ­ها مبدل ­های حرارتی هستند، که درون آن ­ها آب (مایع) سرد یا گرم، همچون آب حرارت داده شده در بویلر موتورخانه یا آب خنک شده در چیلر، مبرد یا بخار جریان دارند.

کویل هواساز

شکل 7- نمایش شماتیک کویل­های گرمایشی و سرمایشی در هواساز

 

v    فن­ها (Fans)

در ساختار هواسازها پس از کویل ­های گرمایشی و سرمایشی یک فن هوادهی قرار دارد. وجود این فن به منظور مکش هوا از فضای بیرون و عبور آن از میان دمپرها، فیلترها و کویل ­ها کاملاً ضروری است، در نهایت هوای تهویه شده به درون شبکه داکت ­های ساختمان فرستاده می ­شود. فن ­های سانتریفیوژ (Centrifugal Fans) در هواسازها بسیار مهم هستند اما امروزه در هواسازها فن ­های EC (Electronically Commutated Fans) نصب می­ شوند و همچنین به منظور افزایش بازده انرژی در سیستم ­های قدیمی نیز جایگزین می ­شوند. در مسیر هوای خروجی از فن همچنین یک سنسور فشار تعبیه شده است، این سنسور فعالیت فن را ثبت می ­نماید. اگر فن در حال فعالیت است، یک اختلاف فشار ایجاد می­ کند و از این اختلاف فشار به منظور تشخیص خرابی در تجهیزات هواساز و هشدار به مهندسان و اپراتورهای تأسیسات استفاده می ­گردد. همچنین در بسیاری از سیستم­ ها یک سنسور فشار داکت بلافاصله پس از فن قرار می ­گیرد، این سنسور فشار استاتیکی داکت را اندازه می­ گیرد و در برخی هواسازها سرعت فن و فشار هوای درون داکت کنترل می ­شود، بنابراین در اغلب موارد و در سیستم ­های حجم متغیر (VAV) یک محرک سرعت متغیر به فن متصل می ­گردد.

فن هواساز

شکل 8- نمایش شماتیک فن تأمین ­کننده هوای ورودی در هواساز

 

v    کانال­های ­هوا (Ductwork)

در ساختار هواساز بعد از فن هوادهی، کانال ­های هوا یا داکت ­ها (Ductwork) تعبیه شده است که خروجی از هواساز را به نواحی طراحی شده درون ساختمان منتقل می ­کنند. همچنین کانال­ هایی برای خروج هوای استفاده شده از درون ساختمان به بخشی جدا از هواساز وجود دارد. محاسبه و اجرای کانال ­های هوا جهت انتقال صحیح هوای رفت، برگشت و اصولاً تخلیه هوای ساختمان ­ها نقش بسیار حیاتی و مهمی دارند و لازم است محاسبه، ابعاد، زاویه تغییر مسیر، شعاع قوس داخلی، سرعت عبور هوا و .... در تمامی مسیرهای اصلی و فرعی رفت و برگشت هوا در کانال ­ها بر اساس محاسبات دقیق مهندسی و با استفاده از داکتیلاتور و بر مبنای یکی از روش ­های محاسباتی و صرفاً توسط مهندسین باتجربه تأسیسات انجام و طراحی گردد.

 

v    کویل­ های پیشگیری از یخ­زدگی (Frost Protection Coils)

در نواحی سردسیر که در فصول سرد سال دمای هوا به نقطه انجماد یا نزدیکی آن می­ رسد، یک پیش گرم­کن (Pre-heater) در ورودی هوای تازه هواساز قرار می ­دهند که معمولاً یک گرم­کن الکتریکی است. زمانی که هوای بیرون به حدود 6 درجه سلسیوس (42.8 درجه فارنهایت) می ­رسد این گرم­کن شروع به کار می ­کند و برای محافظت تجهیزات داخلی در برابر انجماد هوا را گرم می ­نماید. در غیر این صورت کویل­ های گرمایشی و سرمایشی داخلی ممکن است یخ بزنند و بترکند!

کویل پیشگیری از یخ زدگی

شکل 9- نمایش شماتیک کویل­های پیشگیری از یخ­زدگی در هواساز

 

v    سیستم رطوبت ­زن (Humidifier)

در برخی ساختمان ­ها باید رطوبت هوایی که وارد ساختمان می ­شود را کنترل نمود. به همین منظور سنسورهای رطوبت در هوای ورودی و خروجی هواساز تعبیه شده است تا میزان رطوبت هوای انتقالی به فضاهای ساختمان را کنترل کنند، در هنگام طراحی یک مقدار مشخص (Set point) برای میزان رطوبت هوای ورودی در نظر گرفته می ­شود.اگر مقدار رطوبت هوا کم­تر از این مقدار باشد، لازم است در مراحل پایانی فرآیند تهویه هوا در هواساز، به کمک یک رطوبت ­زن (Humidifier) رطوبت به هوا تزریق شود. این دستگاه معمولاً با اضافه کردن بخار یا اسپری کردن آب، رطوبت هوا را افزایش می ­دهد.

سیستم رطوبت زن هواساز

شکل 10- نمایش شماتیک سیستم رطوبت­ زن در هواساز

همچنین اگر رطوبت هوای ورودی بیش­تر از مقدار تعیین شده در طراحی پروژه باشد، این رطوبت اضافی توسط کویل سرمایشی کاهش می ­یابد. با عبور هوا از روی کویل سرمایشی هواساز، سطح سرد موجب چگالش رطوبت موجود در هوا شده و آن را جذب می ­کند. به همین منظور یک سینی تخلیه (Drain Pan) در زیر کویل سرمایشی برای جمع ­آوری آب تقطیر شده تعبیه شده است. کویل سرمایشی می ­تواند با دفع حرارت بیش­تر برای کاهش بیش­تر میزان رطوبت مورد استفاده قرار گیرد، اما این کار دمای هوا را به زیر دمای تنظیم شده می ­رساند و در این حالت کویل گرمایشی نیز روشن می ­گردد تا دما را بالا ببرد. با این که این کار عملی است اما بسیار انرژی ­بر است.

رطوبت زدایی هواساز

شکل  11-  نمایش شماتیک عمل رطوبت­ زدایی به کمک کویل­های سرمایشی در هواساز

 

v    اکونومایزر هوا (Air Economizer)

در مدل ­های متداول هواساز یک داکت متصل ­کننده (duct sit) بین خروجی هوا و ورودی هوای تازه وجود دارد. داکت این امکان را فراهم می ­کند که بخشی از هوای خروجی دوباره به سمت ورودی هوای تازه بازگردانده شود و تقاضای گرمایشی یا سرمایشی را برآورده سازد. این کار ایمن و سالم است اما لازم است از کم بودن میزان دی ­اکسید کربن در هوای خروجی اطمینان حاصل کرد، به همین منظور چند سنسور دی ­اکسید کربن برای نشان دادن مقدار آن در هوای خروجی تعبیه شده ­اند. اگر سطح دی ­اکسید کربن بالا باشد، هوا نمی­ تواند مجددأ مورد استفاده قرار گیرد، بنابراین دمپرهای ترکیب کننده بسته شده و تمام هوای برگشتی به خارج از ساختمان هدایت می ­گردد. در حالت بازگردش هوای استفاده شده، دمپرهای اصلی ورودی و خروجی کاملاً بسته نمی ­شوند چرا که در این صورت نیز به مقداری هوای تازه برای ورود به ساختمان نیاز داریم. از این امکان در فصل زمستان زمانی که هوای برگشتی از هوای خارج گرم­ تر است و در فصل تابستان زمانی که هوای برگشتی خنک ­تر از هوای خارج است و با توجه به دمای تنظیم شده هوای ورودی استفاده می ­گردد، بنابراین تعدادی سنسور دمایی در نواحی ورودی، برگشتی و درست پس از محل اختلاط قرار می­ دهند. برخی ساختمان­ ها به هوای 100% تازه نیاز دارند و این استراتژی در همه جا قابل به کارگیری نیست.

اکونومایزر هوا

شکل 12- نمایش شماتیک اکونومایزر هوا در هواساز

 

v    مبدل­های حرارتی صفحه ه­ای (Plate Heat Exchangers)

آخرین تجهیزی که در برخی از هواسازها به کار گرفته می ­شود و به آن می ­پردازیم مبدل ­های حرارتی صفحه ­ای (Plate Heat Exchangers) هستند. در این حالت از ورق­ های نازک فلزی برای جداسازی دو جریان هوا استفاده می ­کنند تا آن ­ها با هم تماس نداشته باشند یا مخلوط نشوند. اختلاف دمای بین دو جریان هوا موجب انتقال حرارت از جریان خروجی و از طریق دیواره­ های فلزی مبدل حرارتی به جریان خنک ورودی می ­گردد.

مبدل حرارتی هواساز

شکل 13- نمایش شماتیک مبدل ­های حرارتی صفحه ه­ا در هواساز