اولین سیستم تهویه مطبوع هوای مدرن در سال ۱۹۰۲ توسط مهندسی جوان به نام ویلیس هاویلند کریر (Willis Haviland Carrier) ساخته شد. این دستگاه برای حل مشکل رطوبت در شرکت نشر و لیتوگرافی ساکِت ویلهلم بروکلین نیویورک (Sackett-Wilhelms Lithographing) طراحی شده بود. الیاف گیاهی معمولا رطوبت موجود درهوای گرم تابستان را جذب میکنند که این عمل تزریق لایه‌ای جوهر را سخت‌تر میکرد. کریر هوای درون ساختمان را میان لوله‌های سرد دمید، هوای رد شده سرد شد و از آنجایی که هوای سرد به اندازه هوای گرم رطوبت جذب نمیکند، این فرایند رطوبت کاغذ را به تعادل می‌رساند. کاهش رطوبت همچنین باعث کاهش دمای هوا میشود. پس تکنولوژی جدیدی به عرصه ظهور رسید.
تکامل تدریجی دستگاه‌های تهویه مطبوع
کِریر تشخیص داد که میتواند چیزی کارآمدتر بسازد و این اتفاق فاصله چندانی با حضور دستگاه‌های تهویه مطبوع در تئاترها، فروشگاهها و راحت‌تر کردن تابستان‌های طولانی و گرم نداشت. درواقع فرایندی که سیستم های تهویه مطبوع برای کاهش دمای محیط از آن استفاده میکنند بر یک اصل ساده علمی استوار است و باقی چیزها با چند ترفند هوشمندانه مکانیکی قابل دستیابی است. تهویه ها از غلاف بیرونی‌ای که یخچالها از ان برای عایق‌بندی قسمت سرد خود استفاده میکنند بهره‌مند نیستند، به جای آن دیوارهای خانه هوای سرد را داخل و هوای گرم را خارج نگه میدارند.
Willis Haviland Carrier
بگذارید ببینیم حین استفاده از دستگاه‌های تهویه مطبوع چه اتفاقی برای هوای داغ میافتد.
اصول مقدماتی تهویه مطبوع
تهویه ها به لطف یک قانون فیزیکی از فرایند تبرید برای سرد کردن هوای درون اتاق استفاده میکند؛ وقتی یک مایع به گاز تبدیل میشود (دریک فرایند که تغییر فاز نام دارد) گرما راجذب میکند. کولرها با استفاده از این قانون، با تبخیر برخی مواد و ترکیبهای شیمیایی و دفعات متوالی چگال‌سازی آنها در یک سیستم بسته (کویل ها) هوای گرم را خنک میکنند.
ترکیبهای دخیل مبرّدها هستند. این مواد ویژگی‌هایی دارند که آنها را قادر به تغییر در دماهای نسبتا پایین میکند. کولرها همچنین از یک پنکه برای حرکت دادن هوای گرم روی هوای سرد و کویل‌های پرشده از مبردها استفاده میکنند. درحقیقت دستگاه های تهویه مطبوع مرکزی یک سیستم بزرگ شامل مجموعه‌ای از داکت ها (برای باریک کردن و انتقال هوای خنک) و کویل ها هسنند.
وقتی هوای گرم روی این کویل های خنک و تبخیرکننده کم‌فشار جریان میابد، مبرد داخلی گرما را درحالیکه از موقعیت مایع به گازی وارد میشود جذب میکند. برای بهینه نگه داشتن فرآیند سرد کردن، کولر باید گاز مبرد را دوباره به مایع تبدیل کند. برای این کار یک کمپرسور، گاز را تحت فشار زیاد قرار میدهد. فرآیندی که گرمای ناخواسته زیادی تولید میکند. همه گرمای ناخواسته تولید شده در فرایند فشرده‌سازی به کمک یک مجموعه ثانویه از سیم پیچ چگالنده و پنکه بیرون از سیستم تخلیه میشوند و هنگامیکه گاز سرد میشود دوباره به مایع تبدیل میگردد. به آن مثل یک چرخه ظریف بی‌پایان نگاه کنید مایع مبرد، فاز تبدیل به گاز، جذب گرما، فشرده سازی، فاز بازگشت دوباره به مایع.
خیلی واضح است که دواتفاق مجزا در یک کولر درجریان است. مبرد هوای داخل را سرد میکند و گاز حاصل بطور مداوم فشرده میشود و برای تبدیل دوباره به مایع سرد میشود. در صفحه بعد به این خواهیم پرداخت که هربخش کولر چگونه کار میکند تاهمه این اتفاقات ممکن شود.
محیط زیست
ترکیبات شیمیایی مبرد‌های مدرن در طول چند دهه گذشته، در اثر نگرانی‌های محیطی و قراردادهای جهانی مثل عهدنامه مونترال تغییرکرده است. فرمول سرد کننده‌های قدیمی حاوی اتم‌های کلرین که احتمال آسیب زدن به لایه اوزون را داشتند بود که کم کم با جایگزینی آنها با مواد طبیعت دوست جدید جایگزین و از استفاده خارج شد.
تهویه مطبوع
بخش‌های یک سیستم تهویه مطبوع
مهمترین کاری که یک سیستم تهویه مطبوع باید انجام دهد سرد کردن اتاق است؛ با این حال همه آنچه انجام میدهد این نیست. کولرها با استفاده از یک ترموستات بر دمای اتاق نظارت دارند و آنرا تعدیل میکنند. همچنین فیلترهایی برآنها سوارشده تا غبار و ذرات معلف د رهوا را تصفیه کنند. کولرها نقش کاهنده رطوبت را نیز بعهده دارند چرا که دما عنصر اصلی مرتبط با رطوبت است. کاهش دمای یک حجم از هوای مرطوب باعث ازدست دادن بخشی از نم آن میگردد. به همین دلیل همیشه تعدادی آبگذر (رایزر) با دستمال نم‌گیر نزدیک یا چسبیده به کولر قرار دارد و در هوای مرطوب از آن آب خارج میشود.
اجزاء سیستم تهویه مطبوع
بخش‌های اصلی یک سیستم تهویه مطبوع در دو سمت داخل و خارج خانه طراحی شدهاند:
- تبخیرکننده (Evaporator): مبرد سرد را تحویل میگیرد
- چگالنده (Condenser): تسهیل انتقال حرارت
- دریچه انبساط (Expansion valve): تعدیل جریان مبرد به داخل تبخیر کننده
- کمپرسور (Compressor): پمپی برای تحت فشار قرار دادن مبرد
بخش سرد کولر شامل تبخیرکننده و یک پنکه برای دمیدن به قسمت سرد کویل و انتقال آن به داخل اتاق است. بخش داغ شامل یک کمپرسور، چگالنده و یک پنکه دیگر برای تخلیه هوای گرمی است که از مبرد فشرده شده می‌آید، به سمت خارج است. میان این دو مجموعه سیم پیچ (کویل) یک دریچه انبساط (Expansion valve) وجود دارد. این دریچه میزان مایع مبرد تحت فشار که به سمت تبخیر کننده می‌رود، را تنظیم میکند. کمپرسور در واقع یک پمپ بزرگ الکتریکی‌ست که گاز مبرد را به عنوان یک مرحله از فرایند مایع شدن آن تحت فشار قرار میدهد. حسگرهای دیگری هم مثل تایمر و دریچه ها وجوددارند اما تبخیرکننده و کمپرسور و چگالنده و دریچه انبساط عناصر اصلی یک کولر هستند. اگر چه همه اینها یک بخش‌های اصلی یک کولر است انواعی از کولرها وجود دارند که بهتر است درباره‌شان بدانید.
کولرهای پنجره ای همه این عناصر را سوار بر جعبه‌ای کوچک و فلزی که بر روی پنجره خانه نصب شده است، دارند. هوای گرم از پشت سیستم در حالیکه کویل، کمپرسور و پنکه هوا را خنک میکند و دوباره به جریان می‌اندازد خارج میشود. کولرهای بزرگتر کمی متفاوت رفتار میکنند، کولر مرکزی یک ترموستات کنترل کننده، کمپرسر و چگالنده را با سیستم گرمایشی مرکزی خانه تقسیم میکنند و بخش گرمتر دیگر درون خانه قرار ندارد و در بخشی جدا در یک پوشش مقاوم در برابر آب و هوا خارج از خانه است. در ساختمانهای خیلی بزرگ مثل هتلها و بیمارستانها این بخش خارجی عموما درجایی مثل سقف قرار گرفته است.
پنجره و سیستم اسپلیت (Split-system):
پنجره و سیستم اسپلیت (Split-system)
کولر پنجره ای نماینده یک واحد کولر عادی در فضایی کوچک است. واحدها آنقدر کوچک ساخته شدهاند تا درون یک قاب پنجره قرار گیرند. پنجره را ( تاجاییکه کولر قراردارد) پایین میکشید و برق را وصل میکنید و انرا روشن میکنید تا هوای سرد به جریان بیافتد. اگر پوشش یک کولر را بردارید آنچه می‌بینید شامل موارد زیر است :
- کمپرسور
- دریچه انبساط
- سیم‌پیچ (کویل) داغ
- سیم‌پیچ (کویل) سردشده
- دوپنکه
- واحد کنترل
پنکه ها هوای بالای کویل ها را خنک نگه میدارند تا قابلیت آنها در تهویه هوای گرم به سمت خارج و وارد کردن هوای سرد به داخل اتاق را افزایش دهند. وقتی صحبت از سیستمهای بزرگتر میشود، باید نگاهی به سیستمهای اسپلیت بندازیم. همانطور که در شکل زیر میبینم سیستم اسپلیت بخش گرم و سرد سیستم را جدا میکند.
بخش سرد اسپلیت شامل کویلی اسپیرال و بلند مثل یک سیلندر است که یک پنکه داخل کویل قرار دارد تا هوای جاری درون کویل را همراه یک کمپرسور مقاوم در برابر آب و هوا و تعدادی کنترل‌گر منطقی خنک کند. این راهکار به دلیل ارزان بودن و ایجاد صدای مزاحم کمتر (درون خانه) در طول سالها پیشرفت کرده و کامل شده است.
مضاف بر این حقیقت که بخش‌های سرد و گرم از هم جدا شدهاند و ظرفیت افزایش یافته (کویل و کمپرسور بزرگتر) تفاوتی میان یک سیستم اسپلیت و یک سیستم روی پنجره نیست.
درانبارها، ساختمانهای شرکت‌های بزرگ، مراکز خرید، فروشگاههای بزرگ و سایر ساختمانهای بزرگ بخش کمپرسور عموما روی سقف قرار دارد و میتواند بسیار بزرگ باشد. به عنوان جایگزین ممکن است از تعداد زیادی واحد کوچک که هر کدام ازداخل به یک تنظیم کننده کوچک هوا متصل است و بخش مشخصی را سرد میکند استفاده شود.
درساختمانهای بزگتر و بطور مشخص ساختمانهای چند طبقه، سیستم اسپلیت دچار اشکال میشود؛ لوله حامل ما بین دو قسمت بیرونی و درونی از محدوده فاصله پافراتر میگذارد (آنهایی که بلندترند کمپرسور را دچار اشکال روانکاری میکنند) یا تعداد داکت‌ها و طول آنها غیرقابل مدیریت میشود. در چنین مواقعی از چیلرهای آب سرد استفاده می‌کنیم.
