برآورد بار سرمایش و گرمایش ساختمان

وظیفه‌ی اصلی هر سیستم تهویه مطبوع تأمین شرایطی است که مناسب برای آسایش انسان باشد، یا لازمه‌ی فراورده یا فرایندی در فضای موردنظر باشد. به‌منظور تأمین این هدف باید دستگاه‌هایی با ظرفیت مناسب نصب کرد و در سرتاسر سال آنها را کنترل نمود: ظرفیت دستگاه‌ها بر اساس بار اوج لحظه‌ای عملی تعیین می‌شود: نوع کنترل را شرایطی تعیین می‌کند که باید در اوج بار و تحت بارهای کمتر از اوج برقرار باشد. به‌طور کلی، نمی‌توان اوج عملی بار یا بار کمتر از اوج در فضایی مفروض را اندازه‌گیری کرد: این بارها را باید تخمین زد. قبل از این‌که بتوان بار را تخمین زد، باید بررسی جامعی به‌منظور اطمینان از ارزیابی دقیق اجزای بار انجام داد. اگر تجهیزات ساختمان و بار لحظه‌ای عملی در جرم مفروضی از ساختمان به‌دقت بررسی شوند، انتخاب تجهیزات و طراحی سیستم به‌صورتی مقرون‌به‌صرفه انجام می‌گیرد و عملکرد آرام و بدون مشکل تجهیزات امکان‌پذیر خواهد بود. جذب یا دفع گرما عبارت است از مقدار گرمایی که به‌طور لحظه‌ای وارد فضای موردنظر می‌شود یا از فضای موردنظر بیرون می‌رود. بار عملی به‌صورت مقدار گرمایی تعریف می‌شود که به‌طور لحظه‌ای توسط تجهیزات افزوده یا حذف می‌شود.

به‌ندرت پیش می‌آید که جذب گرمای لحظه‌ای و بار عملی وارد بر تجهیزات برابر باشند:

علت آن لختی گرمایی یا اثر ذخیره‌سازی سازه‌های ساختمانی است که فضای تهویه شده را احاطه کرده‌اند.

بررسی ساختمان

مشخصه‌های فضا و منابع بار گرمایشی

بررسی دقیق اجزای بار در فضایی که باید تهویه مطبوع شود، شرط اساسی برآورد واقع‌گرایانه‌ی بارهای سرمایشی و گرمایشی است. کامل و دقیق بودن این بررسی شرط لازم برای برآورد بار است و نباید از اهمیت آن غافل شد. نقشه‌های معماری و تأسیسات، اسکیس های کامل میدانی، و در بعضی موارد، عکس‌هایی از نماهای مهم، بخشی از هر بررسی خوب به شمار می‌روند.

جنبه‌های کالبدی زیر را باید در نظر گرفت:

۱- جهت‌گیری ساختمان – موقعیت فضایی که باید تهویه مطبوع
شود، نسبت به:
(الف) نشانه‌های قطب‌نما- اثر خورشید و باد.
(ب) آثار سایه‌اندازی سازه‌های دائمی مجاور.
(ج) آب‌های سطحی بازتابگر، ماسه، محوطه‌های پارکینگ، و غیره.

۲- کاربری فضا (ها) – دفتر اداری، بیمارستان، فروشگاه بزرگ، فروشگاه خاص، کارگاه ماشین‌کاری، کارخانه، سالن مونتاژ، و غیره.

۳- ابعاد فیزیکی فضا (ها) – طول، عرض و ارتفاع.

۴- ارتفاع سقف – ارتفاع کف تا کف، کف تا سقف، فاصله‌ی آزاد بین سقف کاذب و تیرها.
۵- ستون‌ها و تیرها- اندازه، عمق، همچنین مهارهای گوشه‌ای.
۶- مصالح ساختمانی مصالح و ضخامت دیوارها، بام، سقف، کف‌ها، و تیغه‌ها، و موقعیت نسبی آنها در سازه.

۷- شرایط محیطی – رنگ خارجی دیوارها و بام، سایه گیری ناشی از ساختمان مجاور یا سایه‌اندازی فضای زیرشیروانی، – دارای تهویه یا بدون تهویه، تهویه‌ی طبیعی یا مکانیکی فضاهای مجاوری که تهویه مطبوع می‌شوند یا نمی‌شوند – دمای فضاهای مجاوری که تهویه مطبوع نمی‌شوند،۰۰۰۰۰۰۰مانند موتورخانه و آشپزخانه. کف روی زمین، زیرزمین کوتاه، زیرزمین.

۸- پنجره‌ها- اندازه و موقعیت، قاب چوبی یا فلزی، کشویی یک‌تکه یا کشویی دوتکه. نوع وسایل سایه‌افکن. ابعاد به غله ها و پیش‌آمدگی پنجره‌ها.
۹- درها – موقعیت، نوع، اندازه و فراوانی استفاده از در.

۱۰- راه‌پله‌ها، آسانسورها، و پله‌برقی‌ها – موقعیت، دمای فضای موردنظر اگر به فضایی باز می‌شود که تهویه مطبوع نمی‌شود. توان ماشین‌آلات، دارای تهویه یا بدون تهویه.
۱۱- نفرات – تعداد، مدت حضور، ماهیت فعالیت، هر نوع تمرکز خاص. گاهی برآورد تعداد اشخاص برمبنای فوت مربع بر نفر، یا تردد میانگین خواسته می‌شود.

۱۲- روشنایی – مصرف در ساعات اوج. نوع – التهابی یا رشته‌ای، فلورسنت، توکار، نمایان. اگر چراغ‌ها توکارند، نوع جریان هوای قابل‌انتظار از روی چراغ‌ها، تخلیه، برگشت یا رفت. گاهی، به سبب نبود اطلاعات دقیق، برآورد مصرف برق روشنایی بر مبنای وات بر فوت مربع خواسته می‌شود.

 

تعیین محل تجهیزات و خدمات

بررسی ساختمان باید شامل کسب اطلاعاتی باشد که به مهندس امکان می‌دهد محل تجهیزات را انتخاب کرده، سیستم‌های توزیع هوا و آب را طرح‌ریزی کند.

آنچه در زیر می‌آید رهنمودی برای کسب این اطلاعات است:

۱- فضاهای موجود – موقعیت همه‌ی راه‌پله‌ها، چاه‌های
آسانسور، چاه‌های آسانسور غذا، و غیره، و فضاهای استقرار دستگاه هواساز، ماشین‌های تبرید، برج‌های خنک‌کننده، پمپ‌ها، و انشعاب‌های خدمات شهری.
۲- موانع احتمالی موقعیت همه‌ی مجراهای سیم‌کشی، لوله‌ها، و سایر موانعی که بر سر راه شبکه‌ی کانال‌کشی مانع
ایجاد می‌کنند یا با آن تداخل دارند.

۳- موقعیت همه‌ی تیغه‌ها و دیوارهای آتش‌بند – که به دمپرآتش بند نیاز دارند.
۴- موقعیت دریچه‌های مکش هوای بیرون – نسبت به خیابان،ساختمان‌های دیگر، جهت وزش باد، گردوخاک، و دور زدنالاینده های ناخواسته.
۵- انشعاب برق – محل، ظرفیت، محدودیت‌های جریان، ولتاژ، فاز و سیکل، ۳ یا ۴ سیم؛ نحوه و محل ورود برق اضافی در صورت نیاز.

۶- انشعاب آب – محل، اندازه‌ی لوله‌ها، ظرفیت، فشار، دمای حداکثر.
۱۰- تجهیزات و کانال‌های موجود انتقال هوا – برای استفاده دوباره در صورت امکان.
۷- انشعاب بخار – محل، اندازه، ظرفیت، دما، فشار، نوع سیستم برگشت.
۸- تبرید، شور آب یا آب سرد (درصورتی‌که توسط مشتری تأمین شود) – نوع سیستم، ظرفیت، دما، gpm، فشار.
۹- مشخصه‌های معماری فضا برای انتخاب خروجی‌هایی که و در فضای طرح مخلوط خواهند شد.

۱۱- فاضلاب‌روها – موقعیت و ظرفیت، دفع فاضلاب.
۱۲- تجهیزات کنترل – منبع هوای فشرده و فشار آن، برقی
۱۳- فونداسیون و تکیه‌گاه – شرایط و تجهیزات، استحکام ساختمان.
۱۴- ضوابط کنترل صدا و لرزش – رابطه‌ی محل دستگاه‌های تبرید و هواساز در نواحی مهم و بحرانی

 

برآورد بار تهویه مطبوع

بار تهویه مطبوع طوری برآورد می‌شود که مبنایی برای انتخاب تجهیزات فراهم کند. در این برآورد باید گرمایی را که در روز طرح از بیرون وارد می‌شود، همچنین گرمایی را که در فضای داخلی تولید می‌شود، به‌حساب آورد. روز طرح چنین تعریف می‌شود:

۱- روزی که در آن دماهای خشک و تر، به‌طور همزمان به مقدار اوج می‌رسند.

۲- روزی که در آن هوا غبارآلود نیست یا غبار کمی دارد، به‌طوری‌که جذب گرمای خورشید کاهش نمی‌یابد «جذب گرمای خورشید از طریق شیشه».
۳- همه‌ی بارهای داخلی «گرمای ناشی از تجهیزات داخلی و سیستم»).

معمولاً زمان بار اوج را می‌توان با بررسی تشخیص داد، اگرچه در بعضی موارد باید برای اوقات مختلف روز برآورد انجام داد. عملاً به‌ندرت وضعیتی پیش می‌آید که همه‌ی بارها در یک زمان با، به‌قدر اوج خود بر سند به‌منظور برآوردی واقع‌گرایانه باید در مورد بعضی از اجزای بار از ضرایب ناهم‌زمانی استفاده کرد.

 

ذخیره‌سازی گرما، ناهم‌زمانی، و لایه‌ای شدن

 

بارهای خارجی

بارهای خارجی تشکیل‌شده‌اند از:
۱- پرتوهای خورشید که از طریق پنجره‌ها وارد می‌شوند –که برآورد جذب گرمای خورشید از طریق پنجره‌ها را ممکن می‌کنند.

جذب گرمای خورشیدی را معمولاً با استفاده از وسایل سایه‌افکن در داخل یا خارج پنجره کاهش می‌دهند. علاوه بر این کاهش،

می‌توان با استفاده از به غله، پیش‌آمدگی، و ساختمان‌های مجاور، بر همه‌ی پنجره یا بخشی از آن سایه افکند.

بخش عمده‌ای از جذب گرمای خورشیدی از طریق تابش انجام می‌گیرد.

۲- پرتوهای خورشیدی که به دیوارها و بام برخورد می‌کند – این پرتوها، مقارن با دمای بالای هوای بیرون، سبب ورود گرمابه داخل می‌شوند.
۳- دمای هوای بیرون از فضایی که تهویه مطبوع می‌شود -دمای بالاتر محیط سبب جریان گرما از طریق پنجره‌ها، تیغه‌ی کف‌ها می‌شود.
۴- فشار بخار هوا – بالاتر بودن فشار بخار در محیط اطراف فضایی که تهویه مطبوع می‌شود، سبب جریان یافتن بخارآب از طریق مصالح ساختمانی می شود. این بار فقط در کاربردهای با نقطه‌ی شبنم پایین اهمیت پیدا می‌کند. در کاربردهای تأمین آسایش، از این بار چشم‌پوشی می‌شود.

۵- بادی که به یک سمت ساختمان می‌وزد – وزش باد سبب می‌شود هوای بیرون که دمای بالاتر و رطوبت بیشتری دارد، از طریق شکاف‌های اطراف درها و پنجره‌ها، به داخل نفوذ کند و سبب جذب موضعی گرمای نهان و محسوس شود.

بخشی از این هوای نفوذ کرده، یا همه ی آن را می‌توان با هوایی که از طریق دستگاه برای تهویه وارد فضای داخلی می‌شود، جبران کرد.

۶- هوای بیرون که معمولاً برای تهویه لازم است – هوای بیرون معمولاً برای بیرون کشیدن هوا از فضای داخلی و پایین نگه‌داشتن میزان بو در هوا ضروری است. این هوای تهویه بار سرمایشی و رطوبت‌زدایی دستگاه‌ها را افزایش می‌دهد، زیرا گرما وایا رطوبت را باید حذف کرد. اغلب دستگاه‌های تهویه مطبوع عبور مقداری از هوای بیرون به‌صورت به ای پس از سطح سرمایشی را امکان‌پذیر می‌کنند.

 

 

بارهای داخلی

بار داخلی، یا گرمای تولیدشده در فضای داخلی، به ماهیت کاربرد بستگی دارد. در مورد همه‌ی بارها باید از ضرایب ناهم‌زمانی و کاربری مناسب استفاده کرد. همان‌طور که در مورد جذب گرمای خورشیدی دیدیم، بخشی از گرمای ناشی از تجهیزات داخلی از گرمای تابشی تشکیل می‌شود که قسمتی از آن ذخیره می‌شود، و به‌این‌ترتیب بار وارد بر تجهیزات تهویه مطبوع کاهش می‌یابد.

به‌طورکلی، گرمای ناشی از تجهیزات داخلی از بعضی یا همه‌ی منابع زیر ناشی می‌شود:

•  نفرات – بدن انسان از طریق سوخت‌وساز مواد غذایی گرما تولید می‌کند و این گرما را از طریق تابش، همرفت، و تبخیر از سطح، و از طریق همرفت و تبخیر در دستگاه تنفس، آزاد می‌کند.
• چراغ‌ها- چراغ‌ها توان الکتریکی را به نور و گرما تبدیل می‌کنند بخشی از گرما تابیده، و بخشی دیگر ذخیره می‌شود.
• لوازم و تجهیزات – رستوران‌ها، بیمارستان‌ها، آزمایشگاه‌ها و بعضی از مشاغل تخصصی مانند آرایشگاه‌ها لوازمی دارند که با برق، گاز، یا بخار کار می‌کنند و در فضای داخلی گرما آزاد می‌سازند.اگر این لوازم به هود مطمئنی مجهز باشند، جذب گرما کاهش می‌یابد.
• ماشین‌های محاسب برقی – برای ارزیابی میزان جذب گرما از ماشین‌های محاسب برقی، به داده‌های سازندگان رجوع کنید.
• معمولاً همه‌ی ماشین‌ها به‌طور همزمان کار نمی‌کنند و بنابراین باید ضریب کاربری یا ناهم‌زمانی را در مورد جذب گرما از این ماشین‌ها به‌کار بست.ممکن است این ماشین هاهود داشته باشند، یا تا حدودی از داخل خنک شوند، این صورت بار تهویه مطبوع کاهش می‌یابد.
• الکتروموتورها- الکتروموتور یکی از بارهای و کاربردهای صنعتی است و قبل از برآورد بار، باید با توجه به زمان بهره‌برداری و ظرفیت، آن را تحلیل کرد. در کاربردهای موجود، غالباً می‌توان این بار را عملاً اندازه‌گیری کرد و هر جا ممکن است باید این کار را انجام داد.
•  مخازن ولوله گرم – لوله‌های آب گرم یا بخارآبی که از فضای تهویه مطبوع شده عبور می‌کنند، یا مخزن‌های آبگرم تعبیه‌شده در فضای داخلی، سبب افزایش گرما در فضای داخلی می‌شوند. در بسیاری از کاربردهای صنعتی، این مخزن‌ها سرگشاده‌اند و آب از آنها تبخیر می‌شود.
•  منابع متفرقه – ممکن است در فضای داخلی منابع دیگری نیز برای جذب گرما و رطوبت وجود داشته باشد، از قبیل بخارآب خروجی

 

برآورد بار گرمایشی

محاسبه‌ی بار گرمایشی مبنای انتخاب تجهیزات گرمایش بار گرمایشی را بر اساس دماهای طرح زمستانی که معمولاً هنگام شب پیش می‌آیند، برآورد می‌کند بنابراین گرمایی که از منابع داخلی (افراد، چراغ‌ها، و غیره) ناشی می‌شود را در نظر نمی‌گیرند. در این برآورد باید اتلاف گرما از طریق سازه‌ی ساختمان پیرامون فضاهای داخلی و گرمای لازم برای جبران هوای بیرون که در نتیجه‌ی نفوذ وارد فضای داخلی می‌شود یا برای تهویه لازم است نیز منظور شود. عامل دیگری که هنگام ارزیابی بار گرمایشی می‌توان در نظر گرفت، نوسان دماست. وقتی بتوان دمای فضای داخلی را، حین بهره‌برداری از سیستم با بار طرح، چند درجه کاهش داد، می‌توان تجهیزاتی با ظرفیت پایین‌تر انتخاب کرد.

 

البته این تدبیر را فقط وقتی می‌توان به‌کار بست که از سیستم به‌صورت پیوسته استفاده شود. روش کاهش چشمگیر دما از ۵۵°F به ۵۰°Fdb، درزمانی که کسی در ساختمان نیست، مانع انتخاب تجهیزات با چنین کاهش ظرفیتی است.

اگرچه ممکن است با این نوع بهره‌برداری بتوان صرفه‌جویی مؤثری در مصرف سوخت انجام داد، باید ظرفیت اضافی برای تجهیزات در نظر گرفت تا بتوان در زمان ضرورت آهنگ گرمایش را افزایش داد. درواقع شاید تأمین ظرفیت اضافی مطلوب باشد، حتی اگر بهره‌برداری پیوسته موردنظر باشد، زیرا بعد از خاموشی اضطراری سیستم نیز به گرمایش با آهنگ بالا نیاز خواهیم داشت. بنابراین واضح است که استفاده از ذخیره‌سازی به‌منظور کاهش بار گرمایشی هنگام انتخاب تجهیزات باید بااحتیاط و دقت انجام گیرد.

محاسبات بار برای ارتفاعات زیاد

ازآنجاکه محاسبات بار تهویه مطبوع بر اساس وزن هوای لازم برای پاسخگویی به بار تهویه انجام می‌گیرد. کاهش چگالی هوا به معنای نیاز به افزایش cfm لازم برای پاسخگویی به بار محسوس مفروض است. وزن هوای لازم برای پاسخگویی به بار نهان کاهش می‌یابد، زیرا ظرفیت بار نهان هوا با ارتفاع افزایش خواهد یافت. وقتی دمای خشک و رطوبت نسبی ثابت باشد، با افزایش ارتفاع نسبت به سطح دریا، دمای تر کاهش می‌یابد (مگر در نقطه‌ی اشباع).

هنگام محاسبه‌ی بار در ارتفاعات بالا باید تصحیحات زیر را انجام داد:
۱- محتوای رطوبت هوای طرح اتاق را باید متناسب با ارتفاع موردنظر تصحیح کرد.
۲- برای محاسبات بار از روش‌ها و فرم‌های استاندارد استفاده می‌شود، با این تفاوت که ضریب‌هایی در محاسبه‌ی حجم و گرمای محسوس و نهان هوا تأثیر می‌گذارند و باید آنها را و در چگالی نسبی در ارتفاع موردنظر ضرب کرد.
۳- به دلیل افزایش رطوبت هوا، ضریب گرمای محسوس مؤثر را باید تصحیح کرد. انتخاب تجهیزات پس از ارزیابی بار، تجهیزات را باید چنان انتخاب کرد که ظرفیت کافی برای پاسخگویی به بار داشته باشند. هوایی که وارد فضای داخلی می‌شود باید شرایط مناسبی داشته باشد تا هم پاسخگوی بارهای محسوس و هم پاسخگوی بارهای نهان برآورد شده باشد.