وحدة معالجة الهواء

تُستخدم أنظمة ترشيح الهواء بشكل شبه دائم لتوفير هواء نقي خالٍ من الغبار لشاغلي المبنى. وقد يكون ذلك عبر وسائط ترشيح بسيطة ذات كفاءة منخفضة (MERV) ، أو مرشحات HEPA ، أو الترشيح الكهروستاتيكي ، أو مزيج من هذه التقنيات. كما يمكن استخدام معالجة الهواء بالغاز أو الأشعة فوق البنفسجية.

تُوضع أنظمة الترشيح عادةً في بداية وحدة معالجة الهواء للحفاظ على نظافة جميع المكونات اللاحقة. وبحسب درجة الترشيح المطلوبة، تُرتّب المرشحات عادةً في مجموعتين (أو أكثر) متتاليتين، حيث يُوضع مرشح لوحي خشن قبل مرشح كيسي دقيق، أو أي وسيط ترشيح "نهائي" آخر. يُعدّ المرشح اللوحي أقل تكلفةً في الاستبدال والصيانة، وبالتالي يحمي المرشحات الكيسية الأكثر تكلفة. ^{[ 1 ]}

يمكن تقييم عمر المرشح بمراقبة انخفاض الضغط عبر وسط الترشيح عند معدل تدفق الهواء التصميمي. ويمكن القيام بذلك باستخدام شاشة عرض مرئية بواسطة مقياس ضغط، أو بواسطة مفتاح ضغط موصول بنقطة إنذار في نظام التحكم بالمبنى. قد يؤدي عدم استبدال المرشح في النهاية إلى انهياره، حيث تتجاوز القوى التي يمارسها المروحة عليه قوته الذاتية، مما يؤدي إلى انهياره وبالتالي تلوث وحدة معالجة الهواء وقنوات التهوية المتصلة بها.

قد تحتاج وحدات معالجة الهواء إلى توفير هواء ساخن أو بارد أو كليهما لتغيير درجة حرارة الهواء المُزوَّد ومستوى رطوبته، وذلك تبعًا للموقع والتطبيق. ويتم توفير هذا التكييف بواسطة ملفات مبادل حراري ضمن تيار الهواء في وحدة معالجة الهواء، وقد تكون هذه الملفات مباشرة أو غير مباشرة بالنسبة للوسط الذي يوفر تأثير التسخين أو التبريد. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

تشمل المبادلات الحرارية المباشرة تلك الخاصة بسخانات الغاز أو زيت الوقود، أو مبخرات التبريد ، التي توضع مباشرة في مجرى الهواء. كما يمكن استخدام سخانات المقاومة الكهربائية ومضخات الحرارة . يُعد التبريد التبخيري أكثر جدوى في المناخات الجافة، خاصةً إذا كانت الرطوبة النسبية أقل بكثير من 50%.

تستخدم ملفات التبريد غير المباشرة الماء الساخن أو البخار للتدفئة، والماء المبرد أو الجليكول للتبريد (يتم توفير الطاقة الأساسية للتدفئة والتكييف من محطة مركزية في مكان آخر من المبنى). تُصنع هذه الملفات عادةً من النحاس للأنابيب، مع زعانف من النحاس أو الألومنيوم للمساعدة في نقل الحرارة. كما تستخدم ملفات التبريد ألواحًا لإزالة المكثفات وتصريفها. يتم توفير الماء الساخن أو البخار بواسطة غلاية مركزية ، بينما يتم توفير الماء المبرد بواسطة مبرد مركزي . تُستخدم عادةً مجسات درجة الحرارة في اتجاه التدفق لمراقبة درجات الحرارة والتحكم بها خارج الملف، وذلك بالتزامن مع صمام تحكم آلي مناسب قبل الملف.

إذا لزم إزالة الرطوبة ، يُستخدم ملف التبريد لتبريد الهواء بشكل مفرط حتى يصل إلى نقطة الندى ويحدث التكثيف. ثم يُعاد تسخين الهواء (ويُعرف بملف التسخين ) بعد ملف التبريد إلى درجة حرارة التزويد المطلوبة. وتؤدي هذه العملية إلى خفض مستوى الرطوبة النسبية للهواء المُزوَّد.

في المناطق الباردة، حيث تنخفض درجات الحرارة الشتوية بانتظام إلى ما دون الصفر، تُستخدم ملفات التبريد المسبق أو ملفات التسخين المسبق كخطوة أولى في معالجة الهواء لضمان حماية المرشحات أو ملفات الماء المبرد من التجمد. ويتم التحكم في ملفات التبريد المسبق بحيث إذا لم تصل درجة حرارة الهواء الخارج من الملف إلى مستوى معين، يتم إيقاف تشغيل وحدة معالجة الهواء بالكامل كإجراء وقائي.

غالباً ما يكون ترطيب الهواء ضرورياً في المناخات الباردة حيث يؤدي التدفئة المستمرة إلى جفاف الهواء، مما ينتج عنه جودة هواء غير مريحة وزيادة في الكهرباء الساكنة . ويمكن استخدام أنواع مختلفة من أجهزة الترطيب:

• التبخر : يؤدي نفخ الهواء الجاف فوق خزان إلى تبخر جزء من الماء. ويمكن زيادة معدل التبخر برش الماء على حواجز في تيار الهواء.
• المبخر : يتم نفخ البخار أو البخار الناتج من الغلاية مباشرة في تيار الهواء.
• رذاذ الرذاذ : يتم نشر الماء إما عن طريق فوهة أو وسائل ميكانيكية أخرى إلى قطرات دقيقة ويحملها الهواء.
• الموجات فوق الصوتية : يتم إثارة صينية من الماء العذب في تيار الهواء بواسطة جهاز الموجات فوق الصوتية مما يؤدي إلى تكوين ضباب أو رذاذ مائي.
• الوسط المبلل: يُحافظ على رطوبة وسط ليفي دقيق في مجرى الهواء باستخدام الماء العذب من أنبوب رئيسي مزود بسلسلة من المنافذ الصغيرة. وعند مرور الهواء عبر هذا الوسط، يحمل معه الماء على شكل قطرات دقيقة. قد يتعرض هذا النوع من أجهزة الترطيب للانسداد بسرعة إذا لم تتم صيانة نظام ترشيح الهواء الأساسي بشكل جيد.

للحفاظ على جودة الهواء الداخلي ، تُجهز وحدات معالجة الهواء عادةً بآليات تسمح بإدخال الهواء الخارجي إلى المبنى وإخراج الهواء منه. في المناخات المعتدلة، يُمكن استخدام مزيج مناسب من الهواء الخارجي البارد مع الهواء الدافئ العائد للوصول إلى درجة حرارة الهواء المطلوبة. ولذلك، تُستخدم غرفة خلط مزودة بمخمدات تتحكم في نسبة الهواء العائد والهواء الخارجي والهواء الخارج.

تستخدم وحدات معالجة الهواء عادةً مروحة كبيرة ذات قفص سنجابي، تعمل بمحرك كهربائي حثي تيار متردد ، لتحريك الهواء. قد تعمل المروحة بسرعة واحدة، أو توفر مجموعة متنوعة من السرعات المحددة، أو تعمل بمحرك متغير التردد للسماح بنطاق واسع من معدلات تدفق الهواء . كما يمكن التحكم في معدل التدفق بواسطة ريش مدخل الهواء أو مخمدات مخرج الهواء في المروحة. تستخدم بعض وحدات معالجة الهواء السكنية في الولايات المتحدة الأمريكية (أفران التدفئة المركزية أو مكيفات الهواء المركزية) محركًا كهربائيًا بدون فرش يعمل بالتيار المستمر، ويتميز بإمكانية تغيير السرعة. ^{[ 1 ]} أما وحدات معالجة الهواء في أوروبا وأستراليا ونيوزيلندا، فتستخدم الآن بشكل شائع مراوح ذات منحنى عكسي بدون مراوح حلزونية أو مراوح توصيل. تعمل هذه المراوح باستخدام محركات EC (ذات تبديل إلكتروني) عالية الكفاءة مزودة بنظام تحكم مدمج في السرعة. كلما ارتفعت درجة حرارة وحدة التكييف المركزية، انخفض تدفق الهواء. وكلما انخفضت درجة حرارة وحدة التكييف المركزية، زادت سرعة تدفق الهواء.

قد تحتوي وحدات معالجة الهواء التجارية الكبيرة على عدة مراوح، توضع عادةً في نهاية الوحدة وبداية مجرى الهواء (لذلك تُسمى أيضًا "مراوح التزويد"). وغالبًا ما تُعزز هذه المراوح بمراوح في مجرى الهواء الراجع ("مراوح الراجع") التي تدفع الهواء إلى داخل الوحدة.

تتذبذب المراوح غير المتوازنة وتهتز. بالنسبة لمراوح مكيفات الهواء المنزلية، قد يُشكل هذا مشكلة كبيرة: إذ يقل دوران الهواء بشكل ملحوظ عند فتحات التهوية (بسبب فقدان الطاقة الناتج عن التذبذب)، وتتأثر الكفاءة سلبًا، ويزداد الضجيج. ومن المشاكل الرئيسية الأخرى في المراوح غير المتوازنة تدهور عمر المحامل (المثبتة على المروحة والعمود). وقد يؤدي ذلك إلى تعطلها قبل انتهاء عمرها الافتراضي بفترة طويلة.

يمكن وضع الأوزان بشكل استراتيجي لتصحيح دوران المروحة بسلاسة (بالنسبة لمروحة السقف، عادةً ما تُحل المشكلة بالتجربة والخطأ). أما مراوح التكييف المركزي أو المراوح الكبيرة الأخرى، فتُرسل عادةً إلى ورش متخصصة مزودة بأجهزة موازنة خاصة لإجراء عمليات الموازنة المعقدة (قد تتسبب التجربة والخطأ في تلف المروحة قبل تحديد النقاط الصحيحة). ولا يهتز محرك المروحة نفسه عادةً.

يمكن تركيب مبادل حراري مزود بجهاز استعادة الحرارة في وحدة معالجة الهواء بين تيارات الهواء الداخلة والخارجة لتوفير الطاقة وزيادة السعة. تشمل هذه الأنواع عادةً ما يلي:

• المُستَردِج الحراري ، أو المُبادل الحراري ذو الألواح: عبارة عن طبقات من ألواح بلاستيكية أو معدنية متداخلة مع مسارات هوائية. تنتقل الحرارة بين تيارات الهواء من جانب إلى آخر من اللوح. عادةً ما تكون المسافة بين الألواح من 4 إلى 6 ملم. تصل كفاءة استعادة الحرارة إلى 70%.
• العجلة الحرارية ، أو المبادل الحراري الدوار: عبارة عن مصفوفة معدنية مموجة بدقة تدور ببطء، وتعمل في تيارين هوائيين متعاكسين. عندما تكون وحدة معالجة الهواء في وضع التسخين، يتم امتصاص الحرارة أثناء مرور الهواء عبر المصفوفة في تيار هواء العادم، خلال نصف دورة، ثم تُطلق خلال النصف الثاني من الدورة إلى تيار هواء التغذية في عملية مستمرة. وعندما تكون وحدة معالجة الهواء في وضع التبريد، تُطلق الحرارة أثناء مرور الهواء عبر المصفوفة في تيار هواء العادم، خلال نصف دورة، ثم تُمتص خلال النصف الثاني من الدورة إلى تيار هواء التغذية. تصل كفاءة استعادة الحرارة إلى 85%. تتوفر العجلات أيضًا بطبقة ماصة للرطوبة لتوفير نقل الحرارة الكامنة، بالإضافة إلى تجفيف أو ترطيب تيارات الهواء.
• ملف التبريد الدائري : يتكون من ملفين لتبادل الحرارة بين الهواء والسائل، في تيارين هوائيين متقابلين، موصولين بمضخة تدوير، ويستخدم الماء أو محلول ملحي كوسيط لنقل الحرارة. على الرغم من أن هذا الجهاز ليس عالي الكفاءة، إلا أنه يسمح باستعادة الحرارة بين تيارات الهواء الداخلة والخارجة البعيدة، وأحيانًا المتعددة. تصل كفاءة استعادة الحرارة إلى 50%.
• أنبوب حراري : يعمل في مسارين هوائيين متعاكسين، مستخدمًا مادة تبريد محصورة كوسيط لنقل الحرارة. يتكون الأنبوب الحراري من عدة أنابيب محكمة الإغلاق مثبتة بشكل حلزوني مزودة بزعانف لزيادة نقل الحرارة. تُمتص الحرارة على أحد جانبي الأنبوب عن طريق تبخر مادة التبريد، وتُطلق على الجانب الآخر عن طريق تكثفها. تتدفق مادة التبريد المكثفة بفعل الجاذبية إلى الجانب الأول من الأنبوب لتكرار العملية. تصل كفاءة استعادة الحرارة إلى 65%.

تُعدّ أنظمة التحكم ضرورية لتنظيم جميع جوانب وحدة معالجة الهواء، مثل: معدل تدفق الهواء ، ودرجة حرارة الهواء المُزوّد، ودرجة حرارة الهواء المختلط، والرطوبة، وجودة الهواء. وقد تكون هذه الأنظمة بسيطة كجهاز ترموستات للتشغيل والإيقاف ، أو معقدة كنظام أتمتة المباني باستخدام بروتوكولات مثل BACnet أو LonWorks .

تشمل مكونات التحكم الشائعة أجهزة استشعار درجة الحرارة، وأجهزة استشعار الرطوبة، ومفاتيح التحكم، والمشغلات ، والمحركات، وأجهزة التحكم.

تُحدث مراوح وحدة معالجة الهواء اهتزازات كبيرة، وقد تنقل المساحة الواسعة لنظام مجاري الهواء هذه الضوضاء والاهتزازات إلى شاغلي المبنى. ولتجنب ذلك، تُركّب عادةً عوازل اهتزاز (أجزاء مرنة) في مجرى الهواء مباشرةً قبل وحدة معالجة الهواء وبعدها، وغالبًا ما تُركّب أيضًا بين حجرة المروحة وبقية أجزاء الوحدة. تسمح المادة المطاطية الشبيهة بالقماش لهذه الأجزاء لمكونات وحدة معالجة الهواء بالاهتزاز دون نقل هذه الحركة إلى مجاري الهواء المتصلة بها.

يمكن عزل حجرة المروحة بشكل أكبر عن طريق وضعها على نظام تعليق زنبركي، أو وسادات من النيوبرين، أو تعليقها على علاقات زنبركية، مما سيخفف من انتقال الاهتزاز عبر الهيكل.

يُصدر منفاخ وحدة معالجة الهواء ضوضاءً، يجب تخفيفها قبل دخول مجاري الهواء إلى غرفة حساسة للضوضاء. ولتحقيق خفض ملحوظ للضوضاء في مسافة قصيرة نسبيًا، يُستخدم مُخفِّف الصوت . ^{[ 1 ]} مُخفِّف الصوت هو ملحق خاص بمجاري الهواء، ويتكون عادةً من حاجز داخلي مثقب مع عازل ماص للصوت. قد يحل مُخفِّف الصوت محل مجاري الهواء؛ في المقابل، توضع مُخفِّفات الصوت المدمجة بالقرب من المنفاخ، ولها شكل مخروطي لتقليل تأثيرات النظام.