1- مقدمه:
سیستم لوله کشی تاسیسات سرمایش، گرمایش و تهویه مطبوع (HVAC) با هدف رساندن سیال واسط انتقال حرارت (معمولا آب) به ترمینالهای نهایی یعنی هواساز، فنکویل، رادیاتور و غیره طراحی می گردد. طرح سیستمهای تهویه مطبوع عموماً شامل یک مدار اولیه و یک مدار ثانویه سیال میباشد که مدار اولیه شامل چیلر و بویلر و پمپهای سیرکولاسیون اولیه میباشد. مدار ثانویه جریان را از مدار اولیه میگیرد و شامل پمپ ثانویه، هدرهای توزیع در مسیر رفت، تعدادی ترمینال یونیت و هدرهای توزیع در مسیر برگشت میباشد. حلقههای اولیه و ثانویه به یکدیگر متصل بوده و سیال میان دو مدار دچار اختلاط میگردد. کلید طراحی یک سیستم سرمایش، گرمایش و تهویه مطبوع کنترل میزان جریان عبوری از هر یک از ترمینالها است، به نحوی که دمای محیط کنترل شده توسط هر ترمینال به سرعت به میزان مورد نظر رسیده و سپس ثابت بماند. دو روش به منظور دستیابی به این هدف وجود دارد: 1) استفاده از سیستم جریان ثابت، و 2) استفاده از سیستم جریان متغیر. در ادامه، با مزایا و معایب هر یک از این سیستمها و روشهای مختلف موجود برای کنترل و بالانس آنها آشنا شده و در نهایت با توجه به جمیع جوانب فنی و ریالی و شرایط مختص آن پروژه، و بر اساس جلسات و بازدیدهای به عمل آمده از محل، سناریوهای پیشنهادی کنترل و بالانسینگ سیستم تهویه مطبوع به همراه برآورد ریالی هر یک از آنها خدمتتان ارائه میگردد.
2- مقایسهی سیستمها و سناریوهای کنترل و بالانسینگ:
1-2- سیستم جریان ثابت
سیستمهای پمپاژ با جریان ثابت دارای اصول طراحی نسبتا سادهتری هستند که به راحتی در اغلب پروژهها قابل پیاده سازی میباشد. در چنین سیستمی، پمپ دور ثابت به نحوی انتخاب می شود که پاسخگوی حداکثر بار سیستم باشد و همواره در نقطه حداکثر توان خود کار میکند. در چنین سیستمهایی برای خنثی سازی اثر اختلاف فشار در مسیرهای مختلف، یا به اصطلاح بالانسینگ سیستم، از شیرهای بالانسینگ دستی (DRV) بهره گیری می شود. بالانسینگ در سیستمهای هیدرونیکی به معنای ایجاد افت فشار مصنوعی در خطوط نزدیکتر به موتورخانه میباشد، به نحوی که سیال واسط دقیقا به میزان مورد نیاز و پیشبینی شده در طراحی به تمامی یونیتها در تمامی طبقات برسد. شیرهای بالانسینگ دستی علاوه بر این که امکان ایجاد افت فشار کنترل شده را دارند، قابلیت اندازهگیری جریان عبوری را نیز فراهم میآورند. در صورت استفاده از شیرهای بالانسینگ دستی، نیاز به اجرای فرآیند بالانسینگ توسط نیروی متخصص پیش از بهرهبرداری از سیستم وجود دارد.
در کاربریهایی که ماهیتاً دارای بار حرارتی متغیر بوده اما از پمپاژ جریان ثابت استفاده میکنند، مشابه آنچه در هتلها رخ میدهد، از شیرهای رگولاتور جریان ثابت (CFR) نیز میتوان به منظور بالانس دینامیکی خطوط سیال استفاده نمود. اصطلاح دینامیک به این معنی است که مکانیسم دیافراگم و فنر موجود در این گونه شیرها به هرگونه تغییرات فشار در سیستم واکنش نشان داده و آن را خنثی مینماید، به نحوی که فارغ از این تغییرات فشار، جریان عبوری از مسیر مورد نظر همواره عدد ثابتی باقی بماند. البته در این حالت امکان تنظیم جریان سیال بر اساس دمای خط برگشت یا بر اساس دمای محیط داخلی ساختمان وجود نداشته و این تجهیزات صرفا عملا بالانسینگ را انجام میدهند.
در سیستمهای جریان ثابت به منظور کنترل دمای محیط از شیرهای کنترلی سه راهه به همراه محرک برقی استفاده میگردد. لکن، مساله بالانس سیستم به قوت خود باقی است و در صورت نیاز بایستی به ازای هر شیر سه راهه، یک عدد شیر بالانسینگ دستی نیز تهیه و نصب گردد. چنین ترکیبی (سه راهه به همراه بالانسینگ دستی) از نظر پیچیدگی اجرا، فضای مورد نیاز و هزینههای تحمیلی به مشتری بایستی حتما به دقت بررسی گردد. از منظر صرفه جویی در مصرف انرژی، این راه حل از دو جنبه تا حدی موثر میباشد:
نخست این که با بالانس شدن خطوط جریان، از هدر رفت انرژی در خطوط نزدیک به موتورخانه جلوگیری به عمل آمده و دیگر نیازی به استفاده از پمپ قویتر به منظور جبران کمبود جریان در خطوط دور از موتورخانه وجود ندارد. پمپهایی که به درستی انتخاب شده باشند میتوانند با مصرف برق کمتر، نیاز حرارتی پروژه را پاسخگو باشند.
دوم این که با تنظیم جریان عبوری از فنکویلها و هواسازها بر اساس میزان بار حرارتی فضای داخلی ساختمان، از هدر رفت انرژی در شرایط کم باری و بی باری جلوگیری به عمل میآید.
2-2- سیستم جریان متغیر
از اوایل قرن بیست و یکم میلادی، اقبال به سیستمهای جریان متغیر که از شیرهای کنترل و بالانسینگ دینامیکی استفاده میکنند به میزان چشمگیری افزایش یافت و علت آن صرفه جویی انرژی بسیار بالا در اینگونه از سیستمها است. در این سیستم، از پمپ به همراه اینورتر استفاده میشود که دور پمپ بر اساس بار حرارتی لحظهای ساختمان تنظیم میگردد.
تا پیش از ورود شیرهای PIBCV به بازار، سیستم کنترل و بالانسی که برای این گونه از مدارها استفاده میشد، با ترکیب یک شیر کنترلی دو راهه موتوردار و یک شیر کنترل اختلاف فشار (DPCV) شکل می گرفت. بدین ترتیب، جریان مورد نیاز توسط شیر کنترلی و بر اساس دمای هوا یا دمای آب در خط برگشت کنترل شده و فرآیند بالانسینگ هیدرونیکی میان خطوط مختلف سیستم با استفاده از شیرهای کنترل اختلاف فشار صورت می گرفت. با نصب شیر DPCV روی یک شاخه، افت فشار آن شاخه را روی عدد مشخصی ثابت میکنند و بدین ترتیب فرآیند بالانسینگ قابل انجام خواهد بود و از طرفی در صورت تغییر در شرایط کارکرد سیستم، نوسانات ایجاد شده در فشار هیچگونه تاثیری روی جریان عبوری از شیر دوراهه نخواهد داشت.
اما با اختراع شیرهای کنترل و بالانسینگ مستقل از فشار (PIBCV)، عملاً ترکیب شیرهای کنترل و بالانسینگ در یک قطعه واحد صورت پذیرفت و این مهم باعث اقبال بیش از پیش به سیستمهای پمپاژ دور متغیر شد. در مقایسه با سیستم قدیمی که با ترکیب دو یا سه شیر مجزا (کنترلی دو راهه + DPCV + (بالانسینگ دستی)) ایجاد میشد، شیر PIBCV فضای بسیار کمتری را اشغال میکند، پیچیدگیهای نصب و راه اندازی را به طور کامل از بین میبرد، و از نظر کنترلی نیز دارای دقت و اقتدار 100 درصدی می باشد. اقتدار در شیرهای کنترلی به صورت نسبت اختلاف فشار طرفین شیر به اختلاف فشار در کل خط تعریف میگردد و فقط در شیرهای PIBCV همواره در عدد 100 درصد ثابت میباشد. اقتدار کنترل در تمامی سناریوهای دیگر با توجه به شرایط کارکرد کلی سیستم ممکن است کاهش یابد.
شیرهای PIBCV به محض نصب آماده بهرهبرداری بوده و نیازی به اجرای فرآیند بالانسینگ ندارند که این مساله به طرز چشمگیری سرعت راهاندازی سیستم را بالا میبرد. همچنین در صورت استفاده از PIBCV نیاز به اضافه نمودن نقطه اندازه گیری فشار در خط رفت وجود نداشته و به دلیل کاهش حجم نصبی جات و کاهش نقاط کنترلی به یک نقطه به ازای هر زون، فرآیند نصب نیز تا حد زیادی سادهتر شده و سرعت پیدا میکند.
در صورت استفاده از شیرهای PIBCV، در هر خط یک عدد سنسور اختلاف فشار مابین مسیرهای رفت و برگشت نصب میگردد که در ترکیب با سنسور اختلاف فشار طرفین پمپ و یک کنترل درایو، ک منطق کنترل دور پمپ را ایجاد مینمایند. بدین ترتیب، دور پمپها در این حالت با توجه به نیاز ساختمان تنظیم شده و از منظر انرژی مزایای ذیل را به همراه دارد:
- صرفه جویی در هزینههای برق مصرفی سیستم پمپاژ در حالت نیمه بار
- افزایش راندمان کارکرد پمپ در حالت نیمه بار با جلوگیری از خارج شدن پمپ از نقطه بهینه کارکرد
- جلوگیری از چرخش بیهوده جریان آب در سیستم در حالت نیمه بار که پرت حرارتی به همراه دارد
همچنین دیگر مزایایی که با بهرهگیری از سیستم جریان متغیر و شیرهای PIBCV حاصل می گردد:
- طول عمر اجزا و قطعات سیستم از قبیل وصالهها به علت کاهش سرعت سیال و کاهش اصطکاک در حالت نیمه بار افزایش مییابد
- طول عمر پمپ نیز به علت اینکه اغلب اوقات در حالت نیمهبار و دورهای پایینتر فعال میباشد افزایش مییابد
- از رخ دادن پدیده کاویتاسیون و خوردگی فیزیکی در سرعتهای بالا در حالت نیمه بار جلوگیری میشود که این امر طول عمر شیرآلات، وصالهها و خصوصا پرههای پمپ را بسیار افزایش میدهد
- با کاهش دور پمپ، دبی سیال کاهش یافته و به تبع آن سرعت سیال نیز کاهش مییابد. این مهم باعث کاهش نویز در سیستم میگردد.
جدول 1 – مقایسه مزایای سناریوهای مختلف کنترل و بالانسینگ سیستم هیدرونیکی تهویه مطبوع
| نوع سیستم پمپاژ | هزینه | کیفیت کنترل جریان | کیفیت بالانسینگ | مزیت انرژی | پیچیدگی اجرا و راه اندازی | فضای مورد نیاز | تجهیزات جانبی مورد نیاز | |
| شیر بالانسینگ دستی (DRV) | جریان ثابت | کم | ندارد | متوسط | کم | کم | کم | ندارد |
| شیر سه راهه موتوری | جریان ثابت | متوسط | متوسط | ندارد | کم | متوسط | متوسط | کنترلر، سنسور دما، تابلو |
| شیر رگولاتور جریان ثابت (CFR) | جریان ثابت | متوسط | ندارد | زیاد | کم | کم | کم | ندارد |
| ترکیب شیر سه راهه موتوری و DRV | جریان ثابت | زیاد | متوسط | متوسط | متوسط | زیاد | زیاد | کنترلر، سنسور دما، تابلو |
| ترکیب شیر کنترلی دوراهه موتوری و شیر کنترل اختلاف فشار (DPCV) | جریان متغیر | زیاد | زیاد | زیاد | زیاد | زیاد | زیاد | کنترلر، سنسور دما، تابلو، یک نقطه اندازه گیری فشار روی خط رفت |
| شیر بالانسینگ و کنترل مستقل از فشار (PIBCV) | جریان متغیر | زیاد | بسیار زیاد | بسیار زیاد | بسیار زیاد | کم | کم | کنترلر، سنسور دما، تابلو، سنسور اختلاف فشار، درایو پمپ، یک عدد CFR سایز 2/1 در هر طبقه |
3- جمع بندی
:بنابراین، در مجموع و با توجه به شرایط مختلف فنی، سیستمهای پیشنهادی جهت کنترل تهویه مطبوع و بالانسینگ هیدرونیکی، به ترتیب اولویت از قرار ذیل میباشد.
الف) سیستم جریان متغیر با بهرهگیری از شیرهای بالانسینگ و کنترل مستقل از فشار (PIBCV)
ب) سیستم جریان ثابت با بهرهگیری از شیر بالانسینگ دستی (DRV)