مبدل حرارتی هوا به هوا چیست و چرا افت فشار آن مهم است؟
مبدل حرارتی هوا به هوا تجهیزی است که انرژی حرارتی هوای خروجی را به هوای تازه ورودی منتقل می کند. در زمستان هوای سرد بیرون قبل از ورود به کویل گرمایش گرم تر می شود و در تابستان نیز می توان از همین فرآیند برای کاهش بار سرمایشی استفاده کرد.
دو جریان هوا در حالت عادی نباید با هم مخلوط شوند و هدف اصلی مبدل این است که انرژی بین آنها منتقل شود. این تجهیز معمولا در ساختار هواساز قرار می گیرد و بخشی از انرژی هوای خروجی را دوباره به سیستم برمی گرداند.
برای درک بهتر جایگاه این تجهیز در سیستم تهویه می توان ساختار کلی هواساز و تهویه مطبوع صنعتی را بررسی کرد. مبدل بازیافت انرژی در این سیستم فقط یک قطعه مستقل نیست و عملکرد آن روی فن و کویل های هواساز نیز اثر می گذارد.
در بسیاری از پروژه ها هنگام انتخاب مبدل فقط راندمان حرارتی دیده می شود. مثلا مبدلی با راندمان 75 درصد در نگاه اول بهتر از مدلی با راندمان 62 درصد به نظر می رسد. اما اگر همین مبدل افت فشار بیشتری ایجاد کند فن باید توان بالاتری مصرف کند.
در نتیجه یک مبدل با راندمان بالاتر لزوما انتخاب اقتصادی تری نیست. تصمیم درست زمانی گرفته می شود که راندمان حرارتی در کنار افت فشار و مصرف انرژی سیستم بررسی شود.
انواع مبدل حرارتی هوا به هوا
مبدل های هوا به هوا از نظر ساختار و نحوه انتقال انرژی انواع مختلفی دارند. چهار نوع رایج آن شامل مبدل صفحه ای ، مبدل دوار ، هیت پایپ و سیستم کویل گردشی است.
مبدل صفحه ای هوا به هوا
در مبدل صفحه ای چندین صفحه نازک در کنار یکدیگر قرار می گیرند و دو جریان هوا از مسیرهای جداگانه عبور می کنند. این نوع مبدل قطعه متحرک ندارد و در صورت طراحی مناسب می تواند میزان اختلاط دو جریان هوا را بسیار پایین نگه دارد.
راندمان مبدل صفحه ای به طراحی ، سطح انتقال حرارت و شرایط کاری بستگی دارد. به همین دلیل نباید مشخصات آن را با مبدل های حرارتی صفحه ای مورد استفاده برای سیالات اشتباه گرفت. هر دو از صفحات استفاده می کنند اما طراحی و کاربرد آنها متفاوت است.
مبدل دوار
در مبدل دوار یا چرخ حرارتی یک روتور با سرعت پایین حرکت می کند. روتور هنگام عبور از جریان هوای خروجی انرژی دریافت می کند و سپس این انرژی را در مسیر هوای ورودی آزاد می کند.
مزیت اصلی این ساختار رسیدن به راندمان مناسب و در برخی مدل ها امکان انتقال رطوبت است. در مقابل باید احتمال انتقال بخشی از هوای خروجی به جریان ورودی نیز بررسی شود.
مبدل حرارتی دوار در بسیاری از ساختمان های اداری و تجاری مورد استفاده قرار می گیرد.
هیت پایپ و کویل گردشی
هیت پایپ از لوله های بسته تشکیل شده است که درون آنها سیال عامل قرار دارد. این تجهیز قطعه متحرک ندارد و به همین دلیل نیاز آن به نگهداری مکانیکی پایین است.
در سیستم کویل گردشی دو کویل جداگانه در مسیر هوای ورودی و خروجی قرار می گیرند و به وسیله یک مدار آب و گلایکول و پمپ به یکدیگر متصل می شوند. این روش زمانی اهمیت بیشتری پیدا می کند که دو مسیر هوا از یکدیگر فاصله داشته باشند.
برای آشنایی با جایگاه انواع مبدل در سیستم های تهویه می توان مبدل حرارتی در سیستم های HVAC را نیز بررسی کرد.
راندمان بیشتر همیشه به معنی انتخاب بهتر نیست
در طراحی مبدل یک نکته مهم وجود دارد. افزایش راندمان حرارتی در بسیاری از طراحی ها با افزایش افت فشار همراه می شود.
دلیل آن هم مشخص است. وقتی سطح انتقال حرارت بیشتر می شود یا مسیر عبور هوا محدودتر می شود انتقال انرژی بهتر انجام می شود اما عبور هوا نیز سخت تر خواهد شد.
برای مثال دو مبدل را در نظر بگیرید:
| مبدل Y | مبدل X | مشخصه |
|---|---|---|
| 64 درصد | 72 درصد | راندمان حرارتی |
| 90 Pa | 220 Pa | افت فشار |
روی کاغذ مبدل X عملکرد حرارتی بهتری دارد. اما اختلاف 130 پاسکال افت فشار باید توسط فن جبران شود. بنابراین هزینه برق فن نیز باید در تصمیم نهایی وارد شود.
افت فشار کل سیستم را چطور محاسبه کنیم؟
مبدل تنها عامل ایجاد افت فشار در هواساز نیست. فیلتر ، کویل ، دمپر ، اتصالات و کانال نیز افت فشار ایجاد می کنند.
به صورت ساده می توان نوشت:
ΔP_total = ΔP_کانال + ΔP_فیلتر + ΔP_مبدل + ΔP_اتصالات
یک نکته مهم این است که فیلتر را فقط در شرایط تمیز بررسی نکنیم. فیلتر در طول بهره برداری به تدریج آلوده می شود و افت فشار آن افزایش پیدا می کند.
همچنین اتصالات کانال را نباید دست کم گرفت. چند زانوی نامناسب یا تغییر ناگهانی سطح مقطع می تواند افت فشار قابل توجهی ایجاد کند.
توان فن و تاثیر افت فشار مبدل
وقتی دبی هوا بر حسب متر مکعب بر ثانیه و افت فشار بر حسب پاسکال باشد توان فن از رابطه زیر محاسبه می شود:
P = Q × ΔP_total / η_fan
برای مثال اگر دبی هوا 15000 متر مکعب بر ساعت باشد:
Q = 15000 / 3600 = 4.17 m³/s
اگر افت فشار کل سیستم با مبدل X برابر 520 پاسکال و راندمان فن 0.65 باشد توان مورد نیاز فن تقریبا 3.33 کیلووات خواهد بود.
در مبدل Y با افت فشار کل 390 پاسکال توان فن حدود 2.50 کیلووات می شود.
بنابراین اختلاف توان تقریبا 0.83 کیلووات است.
اگر سیستم سالانه 4000 ساعت کار کند این اختلاف به حدود 3320 کیلووات ساعت مصرف برق اضافه در سال می رسد.
در چنین شرایطی انتخاب مبدل فقط با نگاه کردن به راندمان حرارتی تصمیم کاملی نیست. افت فشار باید بخشی از مقایسه فنی باشد.
آیا راندمان بالاتر ارزش افت فشار بیشتر را دارد؟
برای پاسخ باید مقدار انرژی حرارتی بازیافت شده نیز مشخص شود.
ظرفیت حرارتی بازیافتی را می توان به صورت تقریبی از رابطه زیر محاسبه کرد:
Q_heat = ρ × Cp × Q × ΔT × η
با فرض چگالی هوا برابر 1.2 کیلوگرم بر متر مکعب و Cp برابر 1.005 و دبی 15000 متر مکعب بر ساعت و اختلاف دمای 22 درجه ، ظرفیت حرارتی در حالت راندمان 100 درصد حدود 110.6 کیلووات خواهد بود.
برای راندمان 72 درصد این مقدار حدود 79.6 کیلووات و برای راندمان 64 درصد حدود 70.8 کیلووات است.
اختلاف حدود 8.8 کیلووات خواهد بود.
اما این اختلاف دما مربوط به شرایطی است که هوای داخل 22 درجه و هوای بیرون صفر درجه باشد. چنین شرایطی در تمام ساعات سال وجود ندارد.
اگر معادل بار کامل 1200 ساعت در سال در نظر گرفته شود ، انرژی حرارتی اضافه بازیافت شده حدود 10600 کیلووات ساعت خواهد بود.
در مقابل اختلاف مصرف برق فن حدود 3320 کیلووات ساعت در سال است.
بنابراین برای تصمیم اقتصادی باید قیمت واقعی برق و انرژی حرارتی پروژه مشخص شود. نمی توان یک پاسخ یکسان برای تمام پروژه ها ارائه کرد.
بعد از مبدل چه اتفاقی برای هوای تازه می افتد؟
هوای تازه بعد از عبور از مبدل معمولا هنوز به دمای نهایی مورد نیاز سیستم نرسیده است. به همین دلیل در زمستان یک کویل گرمایش و در تابستان یک کویل سرمایش می تواند ادامه فرآیند را انجام دهد.
مزیت بازیافت انرژی فقط کاهش مصرف سوخت یا برق نیست. وقتی دمای هوای ورودی به کویل به شرایط مورد نیاز نزدیک تر شود ظرفیت مورد نیاز کویل نیز کاهش پیدا می کند.
در انتخاب سیستم گرمایش هواساز می توان شرایط کویل را نیز همزمان بررسی کرد. برای نمونه در پروژه های دارای کویل آب گرم ، مشخصات هواساز صنعتی با کویل آب گرم می تواند در مرحله طراحی مورد توجه قرار گیرد.
ساعت کارکرد واقعی در محاسبه صرفه جویی
یکی از اشتباهات رایج این است که کل ساعات کارکرد ساختمان به عنوان ساعات موثر بازیافت انرژی در نظر گرفته شود.
فرض کنید هواساز سالانه 4000 ساعت کار می کند. این به این معنی نیست که در تمام این 4000 ساعت اختلاف دمای قابل توجهی بین هوای داخل و خارج وجود دارد.
در محاسبه دقیق باید شرایط اقلیمی ، دمای داخل ، دمای خارج و ساعات واقعی کارکرد سیستم بررسی شود.
اگر این موضوع نادیده گرفته شود عدد صرفه جویی ممکن است روی کاغذ جذاب باشد اما در بهره برداری واقعی به آن نرسیم.
فضای نصب و دسترسی برای سرویس
مبدل حرارتی هوا به هوا باید از نظر فضای نصب نیز بررسی شود. مبدل های صفحه ای و دوار می توانند ابعاد قابل توجهی داشته باشند و برای سرویس و شستشو به فضای دسترسی نیاز دارند.
در هواسازهایی که فضای نصب محدود است جهت قرارگیری تجهیزات اهمیت بیشتری پیدا می کند. به همین دلیل انتخاب هواساز افقی یا عمودی باید همزمان با بررسی مسیر کانال و فضای موتورخانه انجام شود.
در پروژه هایی که محدودیت فضا جدی است ، ساختار هواساز مدولار نیز می تواند مورد بررسی قرار گیرد.
انتخاب مبدل بر اساس نوع کاربری
انتخاب مبدل به نوع ساختمان و شرایط بهره برداری بستگی دارد. یک تجهیز که برای ساختمان اداری عملکرد مناسبی دارد لزوما برای بیمارستان یا محیط صنعتی انتخاب مناسبی نیست.
بنابراین بهتر است نوع مبدل ، راندمان ، افت فشار و الزامات نگهداری همگی بر اساس کاربری پروژه بررسی شوند.
در این مرحله استفاده از راهنمای هواساز بر اساس کاربرد می تواند به دسته بندی نیازهای پروژه کمک کند.
مثال کامل انتخاب مبدل برای هواساز 15000 متر مکعب بر ساعت
برای اینکه محاسبات از حالت تئوری خارج شود یک پروژه فرضی را بررسی کنیم.
یک ساختمان اداری بزرگ را در نظر بگیرید که هواساز آن با دبی 15000 متر مکعب بر ساعت کار می کند. دمای داخل ساختمان 22 درجه و دمای هوای بیرون در شرایط طراحی زمستان صفر درجه است.
هواساز سالانه حدود 4000 ساعت کار می کند و هدف کارفرما کاهش مصرف انرژی و رسیدن به دوره بازگشت سرمایه قابل قبول است.
در چنین پروژه ای معمولا مبدل صفحه ای یا دوار مورد بررسی قرار می گیرد. اگر جلوگیری از اختلاط هوا اهمیت زیادی داشته باشد مبدل صفحه ای انتخاب منطقی تری است. اگر راندمان بالاتر و امکان انتقال رطوبت اهمیت داشته باشد مبدل دوار نیز می تواند گزینه مناسبی باشد.
در طراحی هواساز برای چنین کاربری بهتر است ظرفیت مبدل همزمان با سایر اجزای سیستم بررسی شود. برای نمونه اطلاعات فنی هواساز برای ساختمان اداری می تواند در بررسی ساختار کلی سیستم مورد استفاده قرار گیرد.
دوره بازگشت سرمایه مبدل هوا به هوا
دوره بازگشت ساده باید بر اساس صرفه جویی خالص سالانه محاسبه شود.
رابطه به شکل زیر است:
دوره بازگشت = هزینه اضافه مبدل و فن ÷ صرفه جویی خالص سالانه
و:
صرفه جویی خالص سالانه = صرفه جویی حرارتی سالانه - هزینه برق اضافه فن
این نکته مهم است چون ممکن است یک مبدل انرژی حرارتی بیشتری بازیافت کند اما در مقابل افت فشار بیشتری نیز داشته باشد.
اگر برق مصرفی فن افزایش پیدا کند باید این هزینه از صرفه جویی حرارتی کم شود.
به همین دلیل نمی توان برای تمام پروژه ها یک عدد ثابت مانند سه سال یا چهار سال به عنوان دوره بازگشت اعلام کرد.
فیلتر چگونه روی عملکرد مبدل اثر می گذارد؟
فیلتر یکی از اجزایی است که معمولا در محاسبات اولیه کمتر مورد توجه قرار می گیرد.
فیلتر تمیز افت فشار مشخصی دارد اما با جمع شدن گرد و غبار افت فشار افزایش پیدا می کند. در نتیجه نقطه کاری فن نیز تغییر می کند و ممکن است دبی واقعی هوا کاهش پیدا کند.
برای طراحی صحیح بهتر است وضعیت فیلتر در حالت کثیف نیز در محاسبات دیده شود.
همچنین نصب یک اختلاف فشار سنج روی فیلتر می تواند زمان مناسب سرویس یا تعویض را مشخص کند.
یخ زدگی مبدل در اقلیم سرد
در شهرهایی با زمستان سرد ، یخ زدگی یکی از موضوعات مهم در طراحی مبدل هوا به هوا است.
هوای گرم و مرطوب خروجی ساختمان هنگام عبور از مبدل می تواند به نقطه شبنم برسد. در صورت پایین بودن دمای سطح مبدل ، کندانس تشکیل می شود و در دماهای پایین تر احتمال یخ زدگی وجود دارد.
یخ می تواند مسیر عبور هوا را محدود کند و افت فشار را به شکل ناگهانی افزایش دهد.
برای کنترل این وضعیت می توان از دمپر بای پس یا پیش گرم کردن هوا استفاده کرد. در مبدل های دوار نیز کاهش سرعت چرخش در برخی شرایط می تواند به کنترل عملکرد کمک کند.
مبدل دوار در بیمارستان و فضاهای حساس
مبدل دوار برای بسیاری از ساختمان های اداری و تجاری گزینه مناسبی است اما در فضاهای حساس باید موضوع انتقال هوا بررسی شود.
در بیمارستان ها ، اتاق های تمیز و فضاهایی که کنترل آلودگی اهمیت زیادی دارد نمی توان فقط بر اساس راندمان حرارتی تصمیم گرفت.
در چنین پروژه هایی مبدل صفحه ای یا سیستم کویل گردشی می تواند گزینه مناسب تری باشد.
برای انتخاب هواساز در این نوع فضاها باید الزامات بهداشتی نیز در کنار مشخصات حرارتی بررسی شوند. به همین دلیل بررسی ساختار هواساز بهداشتی برای چنین پروژه هایی اهمیت دارد.
رطوبت در سالن های ورزشی و استخر
در سالن های ورزشی و استخر موضوع رطوبت اهمیت زیادی دارد.
مبدل صفحه ای در حالت معمول انرژی محسوس را بازیافت می کند و انتقال رطوبت در آن مانند برخی تجهیزات رطوبت سنج انجام نمی شود.
بنابراین اگر پروژه با بار رطوبتی بالا روبرو باشد ، سیستم بازیافت باید در کنار رطوبت زدایی بررسی شود.
در این نوع پروژه ها بررسی مشخصات هواساز سالن های ورزشی می تواند دید بهتری نسبت به الزامات سیستم ایجاد کند.
مبدل هوا به هوا در هتل و ساختمان تجاری
در هتل ها و ساختمان های تجاری ساعات کارکرد هواساز معمولا زیاد است و بار سیستم نیز در طول شبانه روز تغییر می کند.
بازیافت انرژی در چنین شرایطی می تواند تاثیر مناسبی روی مصرف سالانه داشته باشد. البته بهتر است هر بخش ساختمان بر اساس نوع کاربری و بار واقعی خودش بررسی شود.
در طراحی سیستم برای هتل ، تعداد اتاق ها ، فضاهای عمومی ، رستوران و سالن های مختلف می توانند شرایط کاری متفاوتی داشته باشند. به همین دلیل اطلاعات مربوط به هواساز هتل ها می تواند برای بررسی این تفاوت ها مفید باشد.
مبدل هوا به هوا در محیط های صنعتی و خورنده
در محیط صنعتی شرایط هوای خروجی ممکن است با ساختمان های معمولی کاملا متفاوت باشد.
هوای خروجی کارخانه می تواند حاوی گرد و غبار ، بخارات شیمیایی یا مواد خورنده باشد. در چنین شرایطی جنس سطوح انتقال حرارت و نوع پوشش اهمیت زیادی پیدا می کند.
فیلتر مناسب نیز باید قبل از مبدل قرار بگیرد تا آلودگی روی سطح انتقال حرارت جمع نشود.
بنابراین انتخاب جنس مبدل باید بر اساس شرایط واقعی محیط انجام شود. برای بررسی این موضوع می توان به بحث انتخاب جنس مبدل مراجعه کرد.
کنترل فصلی و استفاده از بای پس
مبدل بازیافت انرژی نباید بدون توجه به شرایط محیط در تمام ساعات سال فعال باشد.
در بعضی ساعات که دمای هوای بیرون برای ساختمان مناسب است ، عبور دادن هوا از مبدل می تواند حتی باعث افزایش مصرف انرژی شود.
در این شرایط دمپر بای پس می تواند مسیر عبور هوا را تغییر دهد. در مبدل دوار نیز کنترل سرعت روتور امکان تنظیم عملکرد تجهیز را فراهم می کند.
اگر سیستم مجهز به BMS باشد می توان این منطق را بر اساس دمای داخل و خارج و شرایط بهره برداری تنظیم کرد.
خطاهای رایج هنگام انتخاب مبدل
چند اشتباه در پروژه ها تکرار می شوند:
انتخاب فقط بر اساس راندمان کاتالوگ
نادیده گرفتن افت فشار کل
استفاده از ساعات کارکرد غیر واقعی
فراموش کردن احتمال یخ زدگی
استفاده از مبدل دوار بدون بررسی انتقال هوا
مقایسه فقط قیمت اولیه
نادیده گرفتن هزینه برق فن
بررسی نکردن شرایط آزمون راندمان
در یک مقایسه فنی ، راندمان باید همراه با شرایط آزمون و افت فشار بررسی شود. استفاده از استانداردهایی مانند EN 308 یا استانداردهای مرتبط AHRI می تواند مقایسه مشخصات عملکردی را قابل اعتمادتر کند.
قبل از خرید مبدل هوا به هوا چه اطلاعاتی از سازنده بگیریم؟
قبل از سفارش بهتر است دبی هوا ، دمای ورودی و خروجی ، رطوبت ، افت فشار مجاز ، شرایط اقلیمی و ساعات کارکرد پروژه مشخص باشند.
همچنین سازنده باید بتواند عملکرد مبدل را در شرایط واقعی پروژه ارائه کند.
صرفا اعلام یک عدد راندمان برای تصمیم گیری کافی نیست. افت فشار ، شرایط تست ، ظرفیت انتقال حرارت و محدوده کاری نیز باید مشخص باشند.
اگر هدف پروژه انتخاب یک هواساز کامل مجهز به سیستم بازیافت انرژی باشد ، بررسی سازنده هواساز و تهویه مطبوع صنعتی می تواند نقطه شروع مناسبی برای بررسی مشخصات و گزینه های موجود باشد.
