fa_IR

التهویة و التدفئة و التکییف و المنظم الحراری

التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء
(بالإنجليزية: heating, ventilating, and air conditioning)
ويطلق عليها اختصارًا HVAC (تنطق ايتش فاك). وهو فرع مهم بشكل خاص من تصميم الأبنية الصناعية والمكاتب مثل ناطحات السحاب، وفي البيئات البحرية مثل أحواض السمك، حيث يجب أن تكون الحرارة والرطوبة مضبوطة بشكل جيد مع تجنب أعراض الانزعاج الناتج عن الإقامة في بيئة مكيفة بالهواء (Sick building syndrome). في بعض المناطق (مثل بريطانيا) يستخدم مصطلح خدمة الأبنية (Building Services)، ولكنها قد تشمل أنظمة الصرف الصحي والأنظمة الكهربائية. قد يضاف حقل التبريد إلى المصطلح فيصبح HVAC&R أو HVACR، أو قد تهمل التهوية فيصبح HACR.

تعتمد التدفئة والتهوية وتكييف الهواء على مبادئ الديناميكا الحرارية (التيرموديناميك)، وميكانيكا الموائع، وانتقال الحرارة، مع اختراعين واكتشافين قام بهما مايكل فاراداي،ويليس كارير، روبن ترين، جيمس بريسكوت جول، ويليم رانكين، سادي كارنوت، وآخرون. أتت اختراعات مكونات أنظمة التدفئة والتهوية والتكييف مع قيام الثورة الصناعية، وأدخلت أنظمة التحكم عالية الفعالية المتطورة من قبل الشركات حول العالم.
إن وظيفة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء مترابطة إلى حد بعيد. فالجميع يبحث عن الراحة الحرارية (Thermal comfort)، وعن نوعية الهواء الداخلي المقبولة (indoor air quality)، والكلفة المعقولة للتركيب والتشغيل والصيانة. يمكن لأنظمة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء أن تزودنا بالتهوية، وتقليل تسرب أو ارتشاح الهواء، وضبط علاقة الضغط بالأجواء والفراغات. يعرف توصيل الهواء و سحبه من حجرة ما بتوزيع الهواء في الغرفة (room air distribution)..[1]
في الأبنية الحديثة يكون التصميم والتركيب وأنظمة التحكم لهذه الوظائف (التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء) مدمجة في نظام واحد أو أكثر. يقوم متعهد البناء في الأبنية الصغيرة باختيار استطاعة ونوع أجهزة وأنظمة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء. وفي الأبنية الكبيرة يقوم المهندسين، مثل مهندسي الميكانيك، أو المهندسين المعماريين بتحليل وتصميم وتحديد أنظمة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء، ويتعهدها مقاولون ميكانيكيون متخصصون. وتخضع رخص البناء في جميع الأبنية إلى المعايير (Norm) المتعارف عليها.
لقد نظمت صناعة التدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء من قبل مصنعين الأجهزة، لكن منظمات المعايير والتنظيم مثل الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء (ASHRAE)، والمنظمة العالمية لمتعهدي تكييف الهواء والصفائح المعدنية (SMACNA)، ومتعهدي تكييف الهواء في أمريكا (ACCA)، والقانون الميكانيكي الموحد (Uniform Mechanical Code)، وقانون الأبنية العالمي (International Building Code). أسست هذه المنظمات لدعم الصناعة وتشجيع المعايير الأساسية.
التدفئة
تصنف أنظمة التدفئة إما مركزية أو محلية. تستخدم التدفئة المركزية غالبًا في الأقاليم البارد لتدفئة المنازل الخاصة والأبنية العامة. يتألف نظام التدفئة هذا من مرجل أو فرن أو مضخة حرارية لتسخين الماء، أو البخار أو الهواء، في محطة مركزية كحجرة المراجل في المنزل أو الغرفة الميكانيكية في الأبنية الكبيرة. يحتوي النظام أيضًا على مجاري لأنظمة الهواء المقاد، أو أنابيب لوزيع السائل الساخن والمشعات لنقل الحرارة إلى الهواء. تركب المشعات على الجدران أو تكون مركبة تحت أرضية الغرفة. جميع الأنظمة ذات المرجل أو التسخين بالإشعاع، ما عدا البسيطة منها، تكون مزودة بمضخة لتدوير الماء وضمان التساوي في تزويد الحرارة إلى جميع المشعات. يمكن للماء المسخن أن يغذى عن طريق مبادل حراري ثانوي داخل اسطوانة التخزين لتعطي ماء جاري ساخن.
ترسل أنظمة الهواء المقاد الهواء المسخن خلال المجاري. وفي الجو الدافئ يمكن استعمال نفس المجاري للهواء المكيف. يمكن تنقية الهواء وترشيحه من خلال منقيات الهواء. يمكن التدفئة عن طريق التسخين الكهربائي أو عن طريق وشيعة تستعمل سلك رفيع يصبح ساخنًا عندما تمر من خلاله الكهرباء. هذا النوع من التدفئة شائع في المدافئ الكهربائية الجدارية، أو المحمولة، أو كتسخين إضافي في نظام المضخة الحرارية.
يجب أن توضع عناصر التسخين، كالمشعات أو فوهات المجاري، في الأماكن الأبرد في الغرفة، وعادة بجانب النوافذ لتقليل التكاثف وتعويض تيار الهواء المتشكل في الغرفة بسبب أن الهواء قرب النافذة يصبح أثقل بسبب الزجاج البارد. يوجد تجهيزات توجه تيار الهواء بعيدًا عن النوافذ لتمنع ضياع الحرارة. تعطي تيارات الهواء الباردة شعورًا بجو أبرد من معدل درجة حرارة الغرفة، لذلك من الضروري ضبط تسرب الهواء من الخارج بالإضافة إلى تصميم نظام التدفئة.
التهویة
هي عملية تغيير أو استبدال الهواء في حيز ما لضبط الحرارة، أو إزالة الرطوبة، والرائحة، والدخان، والحرارة، والغبار، والبكتريا المحمولة جوًا. تشمل التهوية استبدال الهواء مع الخارج وتدويره داخل المبنى. والتهوية إحدى أهم العوامل في الحفاظ على نوعية الهواء الداخلي في المباني. تقسم طرق تهوية المباني إلى تهوية ميكانيكية مقادة، وتهوية طبيعية.[2]. تستخدم التهوية لإزالة الروائح الكريهة والرطوبة الزائدة، وتجديد الهواء، والحفاظ على حركة للهواء داخل المباني لمنع فساد الهواء الداخلي في المباني.
التهوية الميكانيكية أو المقادة[عدل]
تستخدم في ضبط نوعية الهواء الداخلي. يمكن ضبط الرطوبة والروائح والملوثات الزائدة في الهواء بتمديدها أو استبدالها بالهواء الخارجي. ولكن نحتاج إلى طاقة إضافية في الجو الرطب لإزالة الرطوبة الزائدة من هواء التهوية.
يوجد في المطابخ والحمامات مراوح تهوية ميكانيكية لضبط الروائح والرطوبة في بعض الأحيان. بعض عناصر التصميم في هذه الأنظمة تشمل معدل الجريان (وهو تابع لسرعة المروحة وحجم مخرج الهواء) ومستوى الضجيج. إذا مرّت مجاري الهواء ضمن مناطق غير مسخنة (مثل عليّة المنزل)، يجب عندها أخذ الحذر من تكائف الهواء على هذه المجاري (Ducts). تستخدم المراوح السقفية ومراوح الطاولات والأرضيات لتدوير الهواء داخل الغرفة بغرض تخفيف درجة الحرارة الموضعية بسبب تبخر العرق على جلد الشخص المعرض لتأثير التيار الهوائي. نتيجة ارتفاع الهواء الساخن إلى الأعلى، قد تستخدم المراوح السقفية في إبقاء الغرفة دافئة في الشتاء بتدويرها طبقات الهواء الساخن من السقف إلى الأرضية. والمراوح السقفية لا تقدم تهوية كما في تعريف التهوية بجلب الهواء من الجو الخارجي.
التهوية الطبيعية
هي تهوية المباني بالهواء الخارجي بدون استخدام مروحة أو أي نظام ميكانيكي آخر. وتتم هذه التهوية عن طريق نافذة، عندما يكون الجو المراد تهويته صغيرًا مع إمكانية وجود هذه النافذة معماريًا. في الأنظمة الأكثر تعقيدًا، يسمح للهواء الساخن بالارتفاع في المبنى، ليخرج عاليًا من فتحات إلى الجو الخارجي (مبدأ المدخنة) ساحبًا الهواء الخارجي البارد فيدخل إلى المباني بشكل طبيعي من خلال فوهات في المناطق السفلية من المبنى. لا تحتاج هذه الأنظمة إلى الكثير من الطاقة، ولكن يجب على التأكد من راحة القاطنين. إن الحفاظ على الراحة الحرارية في الشهور الحارة أو الرطبة باستخدام التهوية الطبيعية فقط قد يكون غير ممكن، ولذلك تستخدم أنظمة تكييف الهواء المساندة. (Air-side economizers) تنجز نفس وظيفة التهوية الطبيعية، ولكنها تستخدم أنظمة مبكانيكية تشمل المراوح والمجاري والمرطبات وأنظمة التحكم لتقديم وتوزيع الهواء الخارجي البارد عندما يكون ذلك مناسبًا.
التکییف
يتم تكييف الهواء والتبريد بإزالة الحرارة. إن تعريف البرودة ينص على انعدام الحرارة، وجميع أنظمة تكييف الهواء تعمل على هذا المبدأ البسيط. يمكن أن تزال الحرارة بعملية الإشعاع الحراري، والتوصيل الحراري باستخدام أوساط مثل الماء، والهواء، والثلج، ومواد كيميائية تعرف بالمبردات. ولكي نزيل الحرارة من شيء ما، نحتاج ببساطة إلى نقل هذه الحرارة إلى وسط آخر أبرد. وهذا مبدأ عمل كل مكيفات الهواء وأنظمة التبريد. تزود أنظمة تكييف الهواء، أو مكيفات الهواء المستقلة، البرودة، والتهوية، وضبط الرطوبة لجميع أجزاء المنزل أو البناء. يعطي الفريون أو المبردات الأخرى، البرودة خلال عملية تسمى دورة التبريد. تتألف دورة التبريد من أربع عناصر أساسية لإحداث تأثير التبريد. يعطي الضاغط الضغط للنظام. يسبب هذا الضغط تسخين بخار التبريد. ثم يبرد البخار المضغوط نتيجة التبادل الحراري مع الهواء الخارجي، فيتكاثف البخار إلى سائل في المكثف. يضخ بعدها هذا السائل إلى داخل المبنى، حيث يدخل المبخر. في هذا المبخر، يتم بخ سائل التبريد من فوهات رش صغيرة داخل حجرة، حيث يهبط الضغط ويتبخر السائل. تمتص عملية التبخر الحرارة من الجو المحيط، فيبرد، وبالتالي يمتص المبخر أو يضيف حرارة إلى النظام. يعاد بعدها البخار إلى الضاغط. يوجد جهاز قياس يعمل كخانق (restriction) في النظام عند المبخر لضمان أن الحرارة الممتصة من قبل النظام قد امتصت بمعدل مناسب.
تركب أنظمة تكييف الهواء المركزية غالبًا في المساكن الحديثة، والمكاتب، والأبنية العامة، ولكنها صعبة التعديل (أي تركيبها في أبنية غير مصممة لتركيبها) لأنها ذات مجاري هواء ذات أحجام كبيرة. يجب صيانة نظام المجاري بحذر لمنع نمو البكتريا الممرضة في المجاري. يمكن استخدام أنظمة مزودة بمروحة (fan coils systems) أو أنظمة مجزئة (Split systems) كبيدل للمجاري الكبيرة التي تحمل الهواء المطلوب لتسخين أو تبريد منطقة ما.
هذه الأنظمة، بالرغم من أنها تستخدم في التطبيقات السكنية، فقد اكتسبت شعبية في المباني التجارية. توصل وحدة الملف إلى وحدة تكثيف بعيدة عبر أنابيب بدلا من المجاري.
نزع رطوبة الهواء في نظام تكييف الهواء يتم بواسطة المكثف. و بما أن المكثف يعمل عند درجة حرارة تحت نقطة الندى، فإن الرطوبة تتجمع في المبخر. هذه الرطوبة المجتمعة في أرضية المبخر في صينية التجميع التي تزال بتصريفها إلى البلاعة إو إلى الخارج. نازع الرطوبة هو جهاز يشبه مكيف الهواء، يضبط رطوبة الغرفة في المباني. وتوضع عادة في الأقبية التي تتمتع برطوبة نسبية عالية بسبب درجة حرارتها المنخفضة.
تسد نوافذ المباني المكيفة بإحكام لأن النوافذ المفتوحة تؤدي إلى اضطراب عمل نظام التدفئة و التهوية و التكييف لحفظ ظروف الهواء الداخلي.
الکفائة
نحصل على الكفاءة في دورة التبريد بإيجاد النسبة بين كمية الحرارة الممتصة في المبخر والعمل المبذول في الضاغط.
المنظم الحراری أی الثرموستات
المنظّم الحراري (بالإنجليزية: Thermostat)
هو وسيلة أو جهاز يستخدم للمحافظة على درجة حرارة الأجسام أو السوائل أو الحيز المراد التحكّم في درجة حرارته آليا،(داخل حدود معينة). ويحتوي المنظم على مقاومة كهربائية تتغير بتغير درجة الحرارة أو يحتوي على عنصر حساس يتغير شكله بتغير درجات الحرارة فتنشأ عن ذلك قوة ميكانيكية أو إشارة كهربائية تعمل على فتح أو قفل الدوائر الكهربائية التي تتحكم في الحرارة أو البرودة.
و استخدامات المنظم الحراري كثيرة في المجال الصناعي وفي المساكن, حيث يعتبر أحد أهم أجزاء خزان المياه الساخنة.
درجة حرارة جسم ما هي مؤشر على كمية الطاقة الحرارية التي يختزنها الجسم كما أنها مؤشر على مدى حركية ذراته حيث يمكن رياضياً ايجاد معادلة تصل بين الطاقة الحركية لجزيئات أو ذرات جسم ما ودرجة حرارته. هناك العديد من الوحدات لقياس درجة الحرارة مثل الكلفن و السيلزيوس و درجة الحرارة هي مقياس مدى سخونة جسم ما أو برودته، وهي التي تحدد اتجاه انتقال الحرارة تلقائيا، إلا أنه ممكن استنفاذ شغل لنقلها في الاتجاه المعاكس.
یستخدم المنظم الحراری لتشغیل و ایقاف الاجهزة و منها اجهزة التبرید و التکییف اما صناعیة و اما منزلیة و الصناعیة للمصانع و المنزلیة للمنازل و الدوائر و مراکز التجارة.
وحدات قياس الحرارة
الكلفن وهو المقياس المعتمد من قبل المنظومة العالمية SI وهو مقياس كثير الاستعمال في الميادين العلمية.
يجب استخدامه إذا أريد حساب نسب من درجة الحرارة.
سليسيوس C(درجة مئوية) وهو المقياس الرئيسي المعتمد في حياتنا اليومية في غالبية دول العالم.
الفهرنهيتF وهو المقياس المعتمد في الولايات المتحدة الأمريكية.
درجة الحرارة المطلقة وهي كلفن.
الحرارة
ماهی الحرارة
الحرارة في الفيزياء والكيمياء إحدى أشكال الطاقة، يترافق معها حركة الذرات أو الجزيئات أو أي جسيم يدخل في تركيب المادة.
ممكن توليد الحرارة عن طريق:
التفاعلات الكيماوية مثل الاحتراق،
أو التفاعلات النووية كالاندماج النووي الحادث في الشمس
أو الإشعاع الكهرطيسي كالحاصل في المواقد الكهرطيسية
أو الحركة مثل احتكاك أجزاء الآلات.
تتنقل الحرارة بين الأجسام بالإشعاع والتوصيل حراري و الحمل الحراري. وتنتقل الحرارة تلقائيا من درجة الحرارة الأعلى للأدنى.
فدرجة الحرارة هي مقياس مدى سخونة جسم ما أو برودته، وهي التي تحدد اتجاه انتقال الحرارة تلقائيا، إلا أنه ممكن استنفاذ شغل لنقلها في الاتجاه المعاكس.
تسمى كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة جسم ما درجة مئوية واحدة بالسعة الحرارية. السعة الحرارية لكل مادة محددة ومعروفة. الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة وحدة الكتلة من مادة ما درجة واحدة تسمى بالحرارة النوعية وهي تعتمد على حالة المادة و تركيبها الكيماوي. عند احتراق الوقود تصدر كمية من الحرارة تعرف باسم القيمة الحرارية للوقود وتقدر عادة بالوحدة الحرارية البريطانية. خلال عملية تحول مادة نقية من حالة إلى أخرى يتم فقد حرارة أو اكتسابها دون أي تغير في درجات الحرارة وتعرف كمية الحرارة المفقودة أو المكتسبة إبان عملية التحول باسم الحرارة الكامنة وتعتمد بشكل مباشر على نوعية المادة وحالتها الابتدائية و النهائية.
الحرارة الکامنة
الحرارة الكامنة هي كمية من الحرارة الازمة لتحويل المادة من حالة إلى أخرى لكل واحد كيلو جرام من المادة، وتعتبر من الخصائص المميزة للمادة، (أي من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة أو إلى الحالة الغازية)، وحدة قياسها هي الجول.
و هذا التعريف يرجع إلى جوزيف بلاك في عام 1750. والكلمة مستنبطة من الكلمة اللأتينية latere والتي تعني كامن أو مختبئ. إلا ان هذا التعريف قد استبدل حديثا بتعبير إنثالبي التحول.
مثلاً : الحرارة الكامنة حرارة تبخر، وبالنسبة للماء هي كمية الحرارة اللازمة لتبخير واحد كيلو جرام من الماء. ومن المعروف أن الماء يتبخر في ظروف الضغط العادي عند درجة حرارة ثابتة وهي 100 درجة مئوية. وعند 100 درجة مئوية تظل درجة الحرارة ثابتة حتي يتحول كل الماء إلى بخار.
كذلك توجد لكل سائل سواء كان ماء أو زئبقا أو نحاسا حرارته الخاصة به للبخر. وبالتالي فكل مادة لها حرارة تبخر أو غليان وحرارة انصهار أو تجمد ويمكن تعيينها معمليا.
و هناك كمية حرارة أخرى للحرارة الكامنة وهي حرارة كامنة للتجمد حرارة انصهار. وهي كمية الحرارة اللآزمة لتحويل 1 كيلوجرام من المادة الصلبة، مثل الحديد من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة. وهذا يحدث عند درجة حرارة معينة تختلف من مادة لمادة.
والمميز لذلك التحول من حالة إلى حالة أنه يحدث دائما عند درجة حرارة ثابتة. أي أننا بتبريد الماء مثلا إلى درجة الصفر، يبدأ الماء في التحول إلى ثلج. وتظل درجة الحرارة ثابتة عند درجة الصفر المئوي رغم استمرارنا في التبريد، ولا تبدأ درجة الحرارة في الهبوط ثانيا إلا بعد تحول كل الماء إلى ثلج.
وخلال تحول المادة الصلبة إلى سائل وكذلك عند تحول السائل إلى الحالة الغازية لا بد من تزويد المادة بحرارة من الخارج، ولهذا يسمى هذا النوع من العمليات بأنها تمتص الحرارة. وبالعكس، عندما يتحول الغاز إلى سائل، أوالسائل إلى الحالة الصلبة ينتج عن ذلك حرارة ولذلك نقول عن ذلك النوع من التحول أنه يـُصدر حرارة أو مصحوبا بنشر للحرارة.
وعلى سبيل المثال عندما يتحول جزيئا للماء من حالة السيولة إلى بخار فإن سطح الماء يفقد شيئا من الحرارة وتنخفض درجة حرارة الماء. ذلك لأنه تلزم طاقة للتغلب على القوى الرابطة بين الجزيئات في الوسط السائل، بحيث يتحرر الجزيئ ويغادر سطع الماء. وعند تكثف جزيئ الماء وعودته وارتباطه بالماء ثانيا، فإنا يطلق تلك الحرارة ويعيدها إلى الماء، تلك الحرارة التي اكتسبها من قبل عندما تحول إلى بخار.
وبسبب الحرارة الكامنة (السخانة/الإنثالبية) العالية المقدار لتكثيف بخار الماء فهو يعتبر وسط ممتاز للتسخين ويفوق الماء المغلي في ذلك، إلا أن خطورته كبيرة في نفس الوقت.