تهویه مطبوع

این مقاله با هدف بررسی تحولات اخیر در مورد فن آوری های خنک کننده تبخیری است که به طور بالقوه می تواند خنکی کافی فراهم کند و همچنین اثرات زیست محیطی و مصرف انرژی را در ساختمان ها کاهش می دهد.

امروزه تهویه مطبوع نقش مهمی در تضمین و آسایش حرارتی دارد

این مقاله با هدف بررسی تحولات اخیر در مورد فن آوری های خنک کننده تبخیری است که به طور بالقوه می تواند خنکی کافی فراهم کند و همچنین اثرات زیست محیطی و مصرف انرژی را در ساختمان ها کاهش می دهد.
دولت مروری بر سیستم های خنک کننده تبخیری انجام داده است که شامل خنک کندده تبخیری مستقیم و غیر مستقیم است
خنک کننده های تبخیری غیرمستقیم  شامل دمای مرطوب و دمای نقطه شبنم است و به دلیل عملکرد حرارتی بالا مورد توجه قرار گرفته اند نقطه شبنم در کولر های تبخیری غیرمستقیم  باعث بهبود کارایی و استفاده از انرژی کم را نشان میدهد.
و همچنین امروزه تقاضای انرژی در سراسر جهان برای خنک کردن در دهه اخیر به شدت افزایش یافته است که باعث نگرانی در مورد تهی شدن منابع انرژی و گرم شدن کره زمین شده است.
بیشترین سهم مصرف انرژی در کشور هایی با اب و هوای گرم است باتوجه به فضای تهویه مطبوع از روش های سنتی استفاده می کنند به طور مثال سیستم های(HVC)  در خاورمیانه 70درصد  مصرف انرژی خانگی و 30درصد مصرف  از انرژی کل را شامل می شود.
امروزه تهویه مطبوع در ساختمان ها برای زندگی مردم ضروری شده است و نقش حیاتی در تضمین سطح راحتی دارد بنابراین بهبود کارایی  فناوری های خنک کننده  ضروری است و باید عملکرد بالا و مصرف برق کم را دارا باشند.
حال حاضر MVCاز نظر تجاری غالب هستند با وجود استفاده از انرژی فشرده و عملکرد کم در اب و هوای گرم در مقابل سیستم های خنک کننده تبخیری سازگاری بیشتری با محیط زیست دارند و انرژی کمتری مصرف میکند و عملکرد انها بهبود می یابد دما افزایش و رطوبت کاهش  می یابد.
حال به مقایسه ضریب عملکرد ارزش های چندین خنک کننده می پردازیم:اما اشکال اصلی خنک کننده های تبخیری وابستگی بالای انها به شرایط هوای محیط است از انجا که اختلاف دما بین درجه حرارت خشک و دمای مرطوب هوای محیط است نیروی محرکه خنک کننده تبخیری برای اب و هوای مرطوب تفاوت کوچکی دارد بنابراین ظرفیت خنک کننده را محدود کرده است.
خنک کننده تبخیری یک فرایند انتقال گرما و جرم است که از تبخیر اب برای خنک کننده هوااستفاده می کند
و گرما از هوا به آب منتقل میشود و در نتیجه دمای هوا کاهش می یابد.
کولر های تبخیری را می توان طبقه بندی کرد :
1.کولرهای تبخیری مستقیم که در ان سیال (اب و هوا) در تماس مستقیم هستند.
2.کولرهای تبخیری غیر مستقیم که سطح / صفحه جدا بین  سیال است.
3.سیستم ترکیبی کولرهای تبخیری مستقیم و غیر مستقیم
کولرهای تبخیری مستقیم  قدیمی ترین و ساده ترین نوع خنک کننده های تبخیری است که در ان هوای ازاد را به ارمغان می اورد تماس مستقیم با اب به عنوان خنک کننده  هوا است و با تبدیل حرارت معقول به گرمای نهان تکنیک های مبتکرانه مورد استفاده قرار گرفته است وهزاران سال پیش توسط تمدن های باستانی مورد استفاده قرار می گرفته  است به عنوان مثال  اب درون  کوزه خاکی . کولرهای تبخیری مستقیم شامل پد مرطوب برای معابر هوا  است.
سیستم هارا براساس مصرف برق می توان تقسیم کرد :
خنک کننده تبخیری مستقیم فعال
خنک کننده تبخیری مستقیم منفعل که به طور طبیعی با مصرف برق صفر کار میکند.
اما خنک کننده تبخیری مستقیم فقط برای اب و هوای گرم و خشک مناسب است.
در آب و هوای مرطوب  ، رطوبت نسبی می تواند به بالای 80درصد برسد که این رطوبت بالا مناسب نیست زیرا ممکن است باعث تاب و زنگ زدن و کپک مواد مستعد شود.
کولر های تبخیری مستقیم فعال برق محور هستند سیستم ها بااین حال ان را با کسری از قدرت برای گردش اب و هوا استفاده میکنند.بنابراین انرژی فشرده بسیار کمتراست نسبت به دیگر فناوری های خنک کننده سنتی در نظر گرفته شده است.
یک کولر تبخیری مستقیم معمولی شامل رسانه های تبخیری …و پد متخلخل است؛ فن هوارا از طریق محیط مرطوب جذب میکند ، پمپ بازیافت و سیستم توزیع اب ، به طور شماتیک در نمودار 2A نشان داده شده است.خنک کننده تبخیری مستقیم یک فرایند خنک کننده آدیاباتیک است. انتالپی کل هوا در طول فرایند کافی است همانطور که در نمودار 2Bنشان داده شده است اب گرمای معقول را از هوای عرضه جذب می کند و تبخیر باعث کاهش دمای هوا و باعث افزایش رطوبت  میشود.
از نظر تئوری هوای عرضه  می تواند تا  100درصد سرد شود اما در چنین فرایندی به دلیل زمان تماس کوتاه بین دوسیال سرد میشود و دمای مرطوب 70،80درصد می تواند سرد شود.ترشدگی کافی و گردش آب ،تامین هوا باعث میشود تا به نقطه تعادل برسند.نقطه تعادل یعنی دمای مرطوب و درجه حرارت هوای ذخیره،در نهایت سیستم قادر به خنک کردن هوای ورودی پایین تر دمای مرطوب نیست .
با این حال کولر های خنک کننده تبخیری مستقیم فعال را می توان از نظرتوزیع اب  طبقه بندی کرد
.1 سپری که به ان air washer نیز گفته میشود.
2.پرتابگر (چرخ چرخشی)
3.چکانیدن مه
تکنیک خنک کننده های منفعل  از پدیده های طبیعی استفاده میکند انرژی، چاه گرما برای خنک کردن ساختمان ها بدون استفاده از دستگاه مکانیکی و مصرف انرژی الکتریکی، با این حال فن های کوچک و پمپ می تواند مورد نیاز باشد.
1.مشاربیه یک معماری سنتی اسلامی است عنصر مورد استفاده برای تهویه طبیعی و خنک کننده ساختمان بدون نیاز به هرگونه انرژی این صفحات چوبی پنجره ها سایه تولید میکند حفاظت از خورشید و اجازه میدهد تا  نسیم  به ساختمان  جریان پیدا کند شکل 4a نشان میدهد سیستم مشاربیه همراه با کوزه اب متخلخل اثر خنک کننده تبخیری را برای مسکن و باعث خنک شدن آب درون کوزه می شود.
2.برج های بادی:برج باد که بادگیر نیز نامیده میشود تکنیک خنک کننده سنتی منفعل ساختمان است. صدها سال پیش در خاورمیانه و ایران برج هوا ساختار اساسی یک برج بادی وجود داشته  است.
برج های بادی می توانند جریان هوارا در الگو های برج رو به پایین و رو به بالا تقسیم کنند.
برج هوای بالا را که از محیط وارد میشود میگیرد و از طریق ان جریان را به ساختمان ارائه میکند آب میتواند در هندسه برج وارد شود با چندین وسیله یعنی استخر آب در پایین برج ،کوزه های متخلخل پر از در جریان هوای برج یا  پد های بافته شده در بالای برج اویزان شدند.
برج بالا رونده با دما تحریک میشود تفاوت بین دما  داخلی و محیط خارج  ساختمان در این سیستم ،هوا از طریق برج باد به خاطر فشار مثبت در یک طرف ساختمان هوای گرم می تواند از طریق زیر زمین غرق شود .کانال ها یا چشمه های اب قبل از ورود به ساختمان به صورت هوای خنک،در حالی که هوای گرم داخلی از طریق درچه های برج باد  بالا می رود .
3.حوضچه پشت بام :
حوضچه پشت بام یک خنک کننده تبخیری یکپارچه برای ساختمان است .
از این رو هوای داخل بدون افزایش رطوبت و کاهش مصرف انرژی و بهره گرمایی در طول روز خنک می‌شود. یک حوضچه معمولی سقف شامل استخر ﺁب در ظرف های پلاستیکی یا شیشه ای است که بر روی سقف ساختمان نگهداری می شود. حوضچه را می توان با یک پوشش قابل برداشت، یک پوشش ثابت یا یک نصب شناور ثابت پوشانید.
یک پیکربندی اولیه یک سیستم حوضچه سقف در شکل c4نشان داده شده است
در طول تابستان جریان هوای محیط بر فراز حوضچه سقف باعث تبخیر آب میشود ،بنابراین حوضچه را خنک می کند و سقف ساختمان که به عنوان چاه گرمایی ساختمان عمل می کند .
درطول زمستان حوضچه خالی است.سیستم های خنک کننده حوضچه سقف ممکن است بکارگیری سیستم پاشش اب باعث افزایش تبخیر درنتیجه باعث افزایش خنک کاری میشود.
خنک کننده های تبخیری غیر مستقیم:
ایده اولیه کولر های تبخیری غیرمستقیم این است که خنک کردن با کاهش  گرم های معقولانه بدون تغییر رطوبت که مزیت متمایزی نسبت به خنک کننده های تبخیری مستقیم دارد.
هواساز تبخیری غیرمستقیم شامل مبدل حرارتی،پنکه کوچک،پمپ، مخزن آب و خطوط توزیع آب
دمای شبنم در خنک کننده های تبخیری غیرمستقیم

در سیستم های سرمایش تبخیری غیر مستقیم منابع مختلفی برای تأمین هوای کاری وجود دارند که از جمله آنها می توان به هوای بیرون، هوای برگشتی از اتاق در عملیات تهویه مطبوع، ترکیب آنها و غیره اشاره کرد. از آن جا که اشاره شد شرایط هوای کاری تاثیر زیادی بر روی عملکرد سیستم دارد، تلاش های فراوانی در طول سالیان اخیر برای یافتن گزینه های مناسب برای آن صورت گرفته است. طبق یافته ها، استفاده از بخشی از هوای اصلی خنک شده به عنوان هوای کاری ورودی به کانال های مرطوب باعث ارتقای چشمگیر عملکرد سیستم سرمایش تبخیری غیر مستقیم می شود. از آنجا که در این حالت، به صورت تئوری امکان دستیابی به دمای نقطه شبنم به جای دمای حباب تر وجود دارد، این نوع از خنک کننده های تبخیری غیر مستقیم، سیستم سرمایش تبخیری نقطه شبنم نامیده می شوند. بنابراین، سیستم سرمایش تبخیری نقطه شبنم، خنک کننده غیر مستقیمی است که در آن از بخشی از هوای کاری خنک شده به عنوان هوای کاری ورودی استفاده می شود. هر کدام از سیستم های سرمایش تبخیری نقطه شبنم، یک خنک کننده تبخیری غیر مستقیم است اما عکس آن صادق نیست.
دمای مرطوب سیستم خنک کننده تبخیری غیر مستقیم صفحه ای پشته ،مبدل حرارتی متداول ترین پیکربندی و الگوی جریان است که می تواند دمای هوارا نزدیک به درجه حرارت مرطوب کاهش دهد.
در شکل5bشماتیک از اصول کار یک مبدل حرارتی معمولی در یک سیستم خنک کننده تبخیری غیر مستقیم با دمای مرطوب را نشان می دهد که از چندین جفت کانال مجاور تشکیل شده است.
منابع ولتاژ کار ثانویه هوا و معابر خشک هوای اولیه (تامین کننده) انتقال گرما از طریق یک صفحه رسانای گرمایی بین دو سیال اتفاق می افتد،هوای منبع کاملا خشک میشود و رطوبت اضافی به جریان هوای منبع خنک وارد نمیشود.
درحالی که مکانیسم انتقال حرارت بین هوا و آب در کانال های مرطوب توسط گرمای نهان تبخیر اب است.
رطوبت این سیستم در محدوده 80-40%است که کمتر از سیستم های خنک کننده تبخیری مستقیم است.
انواع مختلفی از سیستم های خنک کننده تبخیری غیر مستقیم وجود دارد که که می توان آنهارا با توجه به مبدل حرارتی،صفحات،لوله ها دسته بندی کرد.
این نوع مبدل های حرارتی معمولترین پیکربندی مورد استفاده است،یعنی صفحه پهن _صفحات مبدل حرارتی می توانند با آرایش متقابل و یا ضد جریان ،جریان های هوایی اولیه وثانویه باشد.
شکل6Aیک سیستم  خنک کننده غیر مستقیم ازنوع صفحه ای را به صورت شماتیک نشان می دهد.
چندین تحقیق ارزیابی از صرفه جویی در انرژی را انجام داده اند مدل سازی ریاضی فرآیند انتقال حرارت و ارزیابی عملکرد بررسی اثرات ابعاد کانال ها نسبت رطوبت سرعت هوایی اولیه و درصد رطوبت صفحات خنک کننده در رنج 80-50%است.
مبدل حرارتی مبتنی بر لوله های مدور در شکل 6Bنشان داده شده است.اما اشکال لوله ای دیگر مانند لوله های بیضوی و مستطیل استفاده شده است.
پیکربندی مشترک شامل بسته ای از لوله های گرداست که دریک استوانه  ای یا مستطیل شکل قرار می گیرد ،جایی که هوای اولیه در داخل لوله ها جریان می یابد و جریان هوای ثانویه در امتداد لوله ها جریان دارد. جهت طبیعی به هوای اولیه ،درحالی که آب پاشیده میشود .به طوری که می تواند یک لایه نازک آب یکنواخت تری روی لوله ها و افت فشار در مقایسه با صفحات در خنک کننده تبخیری غیر مستقیم معمولا لوله ها از پلیمر ،فلز،سرامیک متخلخل،PVCیا الومینیوم ساخته می شوند.
پیکربندی متداول دیگر خنک کننده تبخیری غیرمستقیم مبتنی بر مبدل حرارتی لوله است که در آن لوله های گرد یا مستطیلی با لحیم کاری با باله های بیرونی مجهز می شوند.
خنک کننده تبخیری غیرمستقیم متکی بر یک بسته لوله سرامیکی متخلخل مجهز به باله های فلزی مسطح  است و نتایج نشان داد که دمای هوای خشک بین 14-9درجه کاهش می یابد این سیستم می تواند برای بازیابی گرما در سیستم تهویه مطبوع مورد استفاده قرار گیرد.
لوله حرارتی وسیله ای سبک و ساده رسانای حرارتی است که در اشکال اندازه ها موجود است و می تواند برای انتقال گرما از معابر هوای اولیه به ثانویه برای کاربرد های خنک کننده اعمال شود.
پیکربندی لوله های حرارتی می تواند از هرنوع ،برودتی،چرخشی،صفحه تخت و لوله گرمائی حلقه پمپ شده مویرگی باشد. دراین ساخت ،خنک کننده تبخیری غیر مستقیم بر لوله گرمایی ،بخش کندانسور لوله حرارتی در کانال هوای ثانویه(مرطوب)وبخش اواپراتور در کانال هوای اولیه (خشک  )استفاده می شود،همانطور که در شکل 7نشان داده شده است.
مطالعات محدود  برای ارزیابی عملکرد سیستم های خنک کننده تبخیری غیر مستقیم مبتنی بر لوله های حرارتی برای خنک سازی ساختمان انجام شد. برای افزایش انتقال حرارت همرفتی بین هوای اولیه و لوله گرما ،|از یک لوله گرمای پره ای استفاده شده است.
در بخش تراکم  از ظرف سرامیکی متخلخل آب که درقسمت چگالش نصب شده است استفاده میشود.تا توزیع یکنواخت آب را تضمین کند.همچنین بسیاری تحقیقات در زمینه لوله های حرارتی در خنک سازی ساختمان انجام شده است که شامل سیستم هایHVACوسیستم های بازیابی حرارت است.
سیستم های خنک کننده تبخیری غیرمستقیم با دمای مرطوب پایین:
برای غلبه بر برخی از معایب سیستم های خنک کننده تبخیری مستقیم و اقزایش اثربخشی دمای مرطوب خنک کننده تبخیری غیرمستقیم طرحی جدید از مبدل حرارتی سیستم خنک کننده تبخیری غیرمستقیم را معرفی کرد.
سیستم خنک کننده تبخیری غیرمستقیم مبنی برچرخه مرطوب کننده ترکیبی از جریان مسطح،ورقی تخت چند سوراخ دارمبدل حرارتی و خنک کننده تبخیری که دران هوای ثانویه است.
قبل از اینکه درکانال خشک هدایت شود،ازقبل سردمی شود تا از کانال مرطوب عبور می کند تا انتقال گرما با کانال خشک حاصل شود .بنابراین ،دمای هوای اولیه کمتراز دمای مرطوب و نزدیک شدن به دمای نقطه شبنم هوای ورودی است که ان را دمای نقطه شبنم می نامند.
بنابراین اثر دمای مرطوب در محدوده 110و122واثر نقطه شبنم 55-85است.
اگر چه چرخه  مبدل حرارتی 10-30%موثر تر از مبدل های معمولی است ،اما عملکرد ان هنوز با محدودیت هایی رو به رو است.
هوای ثانویه کاملا خشک نشده است زیرا نسبت زیادی از ان به تدریج به کانالهای مرطوب هدایت می شود و جریان متقابل الگوی نامطلوبی  برای مبدل حرارتی است.آزمایشات سیستم خنک کننده تبخیری غیرمستقیم مبتنی برچرخه نشان داد که اثر نقطه شبنم به ترتیب فقط حدود 60-50و90-80%بود.
چندین مطالعه تحقیقات برای توسعه  و اصلاح فرآیند حرارتی برای غلبه بر اشکالات فوق الذکر و افزایش کار آیی و افزایش عملکرد حرارتی انجام شده است.
ژان مبدل حرارتی جرمی ضدجریان را براساس چرخه سستم خنک کننده تبخیری نقطه شبنم معرفی کرد .دراین ساختار برخلاف مبدل حرارتی چرخه مرطوب کننده ،سوراخها در انتهای کانال های جریان قرار دارند همانطور که درشکل 8ارائه شده است.هوای محصول از طریق کانالهای خشک و در امتداد کانالهای خشک جریان می یابد و گرمای قابل توجهی را به کانالهای مرطوب در انتها از دست می دهد. از کانالهای خشک بخشی از هوای محصول را خنک تحویل می دهد.
به فضای مطبوع و هوای باقیمانده به کانالهای مجاور هدایت می شود زیرا هوای سرد گرما را با آب به صورت نهان و به طور معقول باهوای محصول درکانال خشک منتقل می کند.
مشخص شد که دمای مرطوب تا90%اثر می دهد .علاوه براین مطالعه مقایسه ای بین سیستم خنک کننده تبخیری غیرمستقیم جریان متقابل . جریان متضاد نشان داد که جریان متقابل تقریبا 20%ظرفیت خنک سازی بالاتر و 15-23%اثرشبنم و دمای مرطوب بالاتر به ترتیب تحت130%و نقطه شبنم و شرایط عملیاتی متناقض مبدل جریان متقابل دارای 10%عملکرد بالاتر است که به دلیل افزایش مصرف برق مبدل حرارتی جریان متناوب است.
مشخص شد که سیستم خنک کننده تبخیری غیرمستقیم نقطه شبنم برای بیشتر مناطق انگلستان و چین،به ویژه در مناطق خشک قابل استفاده است .آب لوله کشی به عنوان آب تغذیه ای با دمای مناسب برای خنک سازی مناسب است و میزان مصرف ان 1/2تا 3خروجی خنک کننده 7/1کیلو وات ساعت کاهش می یابد.خروجی خنک کننده سیستم در محدوده 3.1-4.3جریان هواست.