باب النفخ

جهاز اختبار تسرب الهواء هو آلة تُستخدم لإجراء اختبار تسرب الهواء في المباني. ويمكن استخدامه أيضًا لقياس تدفق الهواء بين مناطق المبنى، واختبار إحكام إغلاق مجاري الهواء ، والمساعدة في تحديد مواقع تسرب الهواء في غلاف المبنى . ^{[ 1 ]}

يتكون باب النفخ من ثلاثة مكونات أساسية: منفاخ أو مروحة معايرة ومتغيرة السرعة ، قادرة على إحداث مجموعة من تدفقات الهواء الكافية لضغط وتفريغ مجموعة متنوعة من أحجام المباني؛ وجهاز قياس الضغط ، يسمى مانومتر ، لقياس فرق الضغط الناتج عبر وجه المروحة وعبر غلاف المبنى في وقت واحد، نتيجة لتدفق هواء المروحة؛ ونظام تثبيت، يستخدم لتثبيت المروحة في فتحة المبنى، مثل الباب أو النافذة.

عادةً ما يُنظر إلى اختبارات منع تسرب الهواء على أنها خاصة بالمباني السكنية، ولكنها أصبحت أكثر شيوعًا في المباني التجارية. وتُلزم إدارة الخدمات العامة الأمريكية (GSA) بإجراء هذه الاختبارات في المباني الحكومية الفيدرالية الأمريكية الجديدة. ^{[ 2 ]}

يمكن الحصول على مجموعة متنوعة من مقاييس إحكام إغلاق المباني باستخدام اختبار باب النفخ، وذلك من خلال الجمع بين قياسات الضغط بين المبنى والخارج وتدفق الهواء بواسطة المروحة. وتختلف هذه المقاييس في طرق القياس والحساب والاستخدام. يستخدم باحثو المباني، وفرق تحسين العزل الحراري ، ومقاولو تحسين أداء المنازل ، ومدققو الطاقة المنزلية ، وغيرهم، اختبارات باب النفخ لتقييم جودة بناء غلاف المبنى، وتحديد مسارات تسرب الهواء، وتقييم كمية التهوية التي يوفرها هذا التسرب، وتقييم فقد الطاقة الناتج عنه، وتحديد ما إذا كان المبنى محكم الإغلاق أكثر من اللازم أو أقل من اللازم، وتحديد ما إذا كان المبنى بحاجة إلى تهوية ميكانيكية ، وتقييم مدى توافقه مع معايير أداء المباني. ^{[ 3 ]}

في السويد، استُخدمت تقنية باب النفخ لأول مرة لقياس إحكام إغلاق المباني عام 1977. وكان أول تطبيق لها في السويد يعتمد على مروحة مثبتة في النافذة، بدلاً من الباب. ^{[ 4 ]} وبحلول عام 1979، كانت تُجرى دراسات على تقنيات قياس مماثلة مثبتة على النوافذ في تكساس ، كما كان فريق من جامعة برينستون يُطوّر مراوح اختبار مثبتة على الأبواب لمساعدتهم في تحديد وإصلاح تسريبات الهواء في منازل مشروع سكني في توين ريفرز، نيو جيرسي . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

في كندا، تضمن المفهوم الأولي بشكل مماثل استخدام نافذة نفخ ، والتي استخدمها جي  تي تامورا لأول مرة في أوتاوا، كندا ، كجزء من دراسة قسم أبحاث البناء لاختبار المنازل في أوتاوا في الفترة 1967-1968 ونُشرت في عام 1975. ^{[ 7 ]}

في كندا، قام فريق من قسم أبحاث البناء التابع للمجلس الوطني للبحوث الكندي (NRC/DBR) في ساسكاتشوان بتطوير العمل المنشور لتامورا عام 1975، وانتقل من مفهوم نافذة النفخ إلى مفهوم باب النفخ الذي استُخدم في بناء منزل ساسكاتشوان للحفاظ على التراث عام 1977. وشارك فريق ساسكاتشوان بنشاط في تطوير باب النفخ خلال الفترة 1977-1978، ونشروا نتائج أبحاثهم عام 1980. وقد أتاحوا فوهة التدفق الخاصة بهم للشركات المهتمة، بما في ذلك شركة من مينيابوليس. وواصل هارولد أور ، الذي كان في أوتاوا عام 1967 عندما كان تامورا يُجري أبحاثه، العمل على تقنية باب النفخ بعد نشر تامورا لبحثه. وقد سبق مفهوم نافذة النفخ الذي قدمه تامورا عام 1967 العمل السويدي الذي نُشر عام 1977 بعقد من الزمن. ^{[ 8 ]} تم استخدام باب النفخ الأول لاختبار إحكام إغلاق منزل ساسكاتشوان للحفاظ على البيئة الذي تم بناؤه في عام 1977، والذي تم اختباره عند 0.5 ach عند 50 باسكال .  

أظهرت هذه الجهود البحثية المبكرة الإمكانات الكبيرة لاختبارات أبواب النفخ في الكشف عن فقدان الطاقة غير المُفسَّر في المنازل. سابقًا، كان يُعتقد أن تسرب الهواء حول الأبواب والنوافذ ومنافذ الكهرباء هو المسار الرئيسي لتسرب الهواء في المنازل، لكن هارجي ودوت وبيا استخدموا أبواب النفخ لتحديد الثغرات الحرارية. كانت هذه الثغرات مواقع لتسرب الهواء، مثل قنوات المرافق في العلية، والتي شكلت النسبة الأكبر من فقدان الطاقة الناتج عن تسرب الهواء في معظم المنازل. ^{[ 9 ]} أصبح استخدام أبواب النفخ في جهود تحسين كفاءة الطاقة في المنازل وعزلها يُعرف باسم "معالجة المنازل" من قِبل الباحثين على الساحلين الشرقي والغربي للولايات المتحدة. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

أصبح جهاز اختبار ضغط الهواء متاحًا تجاريًا لأول مرة في الولايات المتحدة عام 1980 تحت اسم Gadsco. ^{[ 12 ]} بدأت شركة Harmax ببيع الوحدات عام 1981، وتبعتها شركة Energy Conservatory عام 1982. ^{[ 13 ]}

على الرغم من أن جهود اختبار أبواب النفخ هذه كانت مفيدة في تحديد مسارات التسرب وفي تفسير خسائر الطاقة التي يصعب تفسيرها، إلا أنه لا يمكن استخدام النتائج لتحديد معدل تبادل الهواء في الوقت الفعلي في المباني في ظل الظروف الطبيعية، أو حتى لتحديد متوسط ​​مستويات تبادل الهواء السنوية. ويعزو شيرمان المحاولة الأولى للقيام بذلك إلى بيرسيلي وكرونفال، اللذين قدّرا متوسط ​​تبادل الهواء السنوي من خلال: ^{[ 14 ]}

${\displaystyle ACH_{natural}={ACH_{at50pascal} \over 20}\,\!}$

${\displaystyle ACH_{natural}}$= عدد مرات تغيير الهواء الطبيعي في الساعة [1/ساعة]

${\displaystyle ACH_{at50pascal}\,\!}$= عدد مرات تغيير الهواء في الساعة عند ضغط 50  باسكال [1/ساعة]

أتاحت جهود النمذجة الفيزيائية الإضافية تطوير نموذج تسرب الهواء والتحقق من صحته من قِبل باحثين في مختبر لورانس بيركلي الوطني (LBNL). ^{[ 15 ] [ 16 ]} جمع هذا النموذج بيانات مستمدة من اختبارات باب النفخ مع بيانات الطقس السنوية لتوليد معدلات تهوية مُحددة زمنيًا لمنزل معين في موقع محدد. أُدرج هذا النموذج في دليل أساسيات ASHRAE (1989)، واستُخدم في تطوير معايير ASHRAE 119 و136. ^{[ 17 ] [ 18 ]} طُوّرت نماذج تسرب هواء أخرى في أماكن أخرى، بما في ذلك نموذج ديرو وبيرنز في المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)، لاستخدامه في محاكاة أداء المبنى بالكامل . ^{[ 19 ]}

يتضمن نظام باب النفخ الأساسي ثلاثة مكونات: مروحة معايرة، ونظام لوحة الباب، وجهاز قياس الضغط ( المانومتر ).

يُوصَف تسرب المبنى بمعادلة قانون القوة لتدفق المياه عبر فتحة. ^{[ 20 ] [ 21 ]} تُعبَّر معادلة تدفق الفتحة عادةً على النحو التالي:

${\displaystyle Q=C{\Delta }P^{n}\,\!}$

${\displaystyle Q\,\!}$= تدفق الهواء (م³ ^/ ث)

${\displaystyle C\,\!}$= معامل تسرب الهواء

${\displaystyle {\Delta }P\,\!}$= فرق الضغط (باسكال)

${\displaystyle n\,\!}$= أس الضغط

يعكس المعامل C حجم الفتحة، و ∆P هو فرق الضغط عبر الفتحة، ويمثل المعامل n الشكل المميز للفتحة، بقيم تتراوح من 0.5 إلى 1، مما يمثل فتحة مثالية وشقًا طويلًا جدًا ورقيقًا، على التوالي.

هناك نوعان من تدفق الهواء يجب تحديدهما في اختبار باب النفخ، تدفق الهواء عبر المروحة ( ) وتدفق الهواء عبر غلاف المبنى ( ).QFanQBuilding

${\displaystyle Q_{Fan}=C_{Fan}{{\Delta }P_{Fan}}^{n_{Fan}}\,\!}$

${\displaystyle Q_{Building}=C_{Building}{{\Delta }P_{Building}}^{n_{Building}}\,\!}$

يفترض في تحليل باب النفخ أن الكتلة محفوظة، مما ينتج عنه:

${\displaystyle Q_{Fan}=Q_{Building}\,\!}$

مما ينتج عنه:

${\displaystyle C_{Fan}{{\Delta }P_{Fan}}^{n_{Fan}}=C_{Building}{{\Delta }P_{Building}}^{n_{Building}}\,\!}$

يُحدد تدفق هواء المروحة باستخدام قيم و التي يوفرها مُصنِّع جهاز اختبار ضغط الهواء، وتُستخدم هذه القيم لحساب . ينتج عن إجراء اختبار ضغط الهواء متعدد النقاط سلسلة من القيم المعروفة لـ Q _{n, Fan} و ∆P _{n, Building} . تتراوح القيم النموذجية لـ ∆P _{n, Building} بين ±5 و 10 و 20 و 30 و 40 و 50 باسكال. ثم يُستخدم تحليل الانحدار الخطي البسيط لحساب خصائص التسرب لغلاف المبنى: و . يمكن استخدام خصائص التسرب هذه لحساب كمية تدفق الهواء التي ستتولد عبر غلاف المبنى عند فرق ضغط معين ناتج عن الرياح أو فرق درجة الحرارة أو القوى الميكانيكية. يمكن إدخال قيمة 50 باسكال في معادلة تدفق الفتحة، إلى جانب قيم C و n المُستنتجة للمبنى، لحساب تدفق الهواء عند 50 باسكال. يمكن استخدام هذه الطريقة نفسها لحساب تدفق الهواء عند ضغوط مختلفة، لاستخدامها في إنشاء مقاييس أخرى لاختبار ضغط الهواء.CFannFanQFanCBuildingnBuilding  

يتمثل أحد البدائل لإجراء القياس متعدد النقاط في قياس تدفق هواء المروحة وفرق ضغط المبنى عند نقطة اختبار واحدة فقط، مثل 50  باسكال، ثم استخدام معامل ضغط مفترض في تحليل بيانات جهاز قياس ضغط الهواء. يُفضل البعض هذه الطريقة لسببين رئيسيين: (1) سهولة قياس وتسجيل نقطة بيانات واحدة مقارنةً بتسجيل نقاط اختبار متعددة، و(2) انخفاض موثوقية القياسات عند فروق ضغط منخفضة جدًا في المبنى، وذلك بسبب معايرة المروحة وتأثيرات الرياح.nBuilding

لزيادة دقة نتائج اختبار باب النفخ، يجب تطبيق تصحيحات كثافة الهواء على جميع بيانات تدفق الهواء. ويجب القيام بذلك قبل اشتقاق معاملات تسرب الهواء للمبنى (${\displaystyle C_{Building}\,\!}$) ومعاملات الضغط (${\displaystyle n_{Building}\,\!}$تُستخدم الطرق التالية لتصحيح بيانات باب النفخ وفقًا للظروف القياسية. ^{[ 21 ]}

لاختبار تخفيف الضغط، يجب استخدام المعادلة التالية:

${\displaystyle Q_{Corrected}=Q_{Measured}*{\rho _{In} \over \rho _{Out}}\,\!}$

${\displaystyle Q_{Corrected}\,\!}$= تم تصحيح تدفق الهواء وفقًا لكثافة الهواء الفعلية

${\displaystyle Q_{Measured}\,\!}$= تدفق الهواء المشتق باستخدام${\displaystyle C_{Fan}\,\!}$و${\displaystyle n_{Fan}\,\!}$

${\displaystyle \rho _{In}\,\!}$= كثافة الهواء داخل المبنى، أثناء الاختبار

${\displaystyle \rho _{Out}\,\!}$= كثافة الهواء خارج المبنى، أثناء الاختبار

لاختبار الضغط، يجب استخدام المعادلة التالية:

${\displaystyle Q_{Corrected}=Q_{Measured}*{\rho _{Out} \over \rho _{In}}\,\!}$

القيم${\displaystyle {\rho _{Out} \over \rho _{In}}\,\!}$و${\displaystyle {\rho _{In} \over \rho _{Out}}\,\!}$تُعرف هذه العوامل في كتيبات المنتجات باسم عوامل تصحيح كثافة الهواء. وغالبًا ما تُدرج في جداول سهلة الاستخدام ضمن هذه الكتيبات، حيث يُمكن تحديد العامل بناءً على درجات الحرارة الخارجية والداخلية. وفي حال عدم استخدام هذه الجداول، يلزم استخدام المعادلات التالية لحساب كثافة الهواء.

${\displaystyle \rho _{In}\,\!}$يمكن حسابها بوحدات IP باستخدام المعادلة التالية:

${\displaystyle \rho _{In}=0.07517*(1-{0.0035666*E \over 528})^{5.2553}*({528 \over T_{In}+460})\,\!}$

${\displaystyle \rho _{In}\,\!}$= كثافة الهواء داخل المبنى، أثناء الاختبار

${\displaystyle E\,\!}$= الارتفاع فوق مستوى سطح البحر (قدم)

${\displaystyle T_{In}\,\!}$= درجة الحرارة الداخلية (فهرنهايت)

${\displaystyle \rho _{Out}\,\!}$يمكن حسابها بوحدات IP باستخدام المعادلة التالية:

${\displaystyle \rho _{Out}=0.07517*(1-{0.0035666*E \over 528})^{5.2553}*({528 \over T_{Out}+460})\,\!}$

${\displaystyle \rho _{Out}\,\!}$= كثافة الهواء خارج المبنى، أثناء الاختبار

${\displaystyle E\,\!}$= الارتفاع فوق مستوى سطح البحر (قدم)

${\displaystyle T_{Out}\,\!}$= درجة الحرارة الخارجية (فهرنهايت)

من أجل ترجمة قيم تدفق الهواء المستمدة باستخدام${\displaystyle C_{Fan}\,\!}$و${\displaystyle n_{Fan}\,\!}$من الشركة المصنعة لباب النفخ إلى تدفق الهواء الحجمي الفعلي عبر المروحة، استخدم ما يلي: ^{[ 22 ]}

${\displaystyle Q_{Actual}=Q_{Fan}*{\sqrt {\rho _{Ref} \over \rho _{Actual}}}\,\!}$

${\displaystyle Q_{Actual}\,\!}$= التدفق الحجمي الفعلي للهواء عبر المروحة

${\displaystyle Q_{Fan}\,\!}$= تم حساب تدفق الهواء الحجمي باستخدام معاملات الشركة المصنعة أو البرامج

${\displaystyle \rho _{Ref}\,\!}$= كثافة الهواء المرجعية (عادةً 1.204  كجم/م³ ^أو 0.075 رطل/ ^قدم³ )

${\displaystyle \rho _{Actual}\,\!}$= الكثافة الفعلية للهواء المار عبر المروحة${\displaystyle \rho _{In}\,\!}$لخفض الضغط و${\displaystyle \rho _{Out}\,\!}$للضغط

بحسب طريقة إجراء اختبار باب النفخ، يمكن استخلاص مجموعة واسعة من مقاييس إحكام إغلاق المبنى وتدفق الهواء من البيانات المُجمّعة. نناقش أدناه بعضًا من أكثر المقاييس شيوعًا واختلافاتها. تستخدم الأمثلة أدناه وحدة قياس الضغط بالنظام الدولي للوحدات (SI) وهي الباسكال (pa). أما وحدات القياس الإمبراطورية فهي عادةً بوصة عمود الماء (WC Inch أو IWC). معدل التحويل هو 1 بوصة عمود ماء = 249 باسكال. تستخدم الأمثلة أدناه الضغط المتعارف عليه وهو 50 باسكال، أي ما يعادل 20% من 1 بوصة عمود ماء.

يمكن استخدام أبواب النفخ في أنواع مختلفة من الاختبارات. وتشمل هذه (على سبيل المثال لا الحصر):

• اختبار المباني السكنية والتجارية للتأكد من إحكام إغلاقها للهواء
• اختبار المباني في منتصف مرحلة الإنشاء لتحديد أي عيوب في الغلاف الخارجي وتصحيحها
• اختبار المباني للتأكد من امتثالها لمعايير كفاءة الطاقة، مثل IECC و ASHRAE .
• اختبار أغلفة المباني وإطارات النوافذ للتأكد من منع تسرب المياه ومنع تسرب مياه الأمطار
• اختبار الاحتفاظ بالعامل النظيف وفقًا لمعايير الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (عادة ما يوصف هذا النوع من الاختبارات بأنه اختبار مروحة الباب بدلاً من اختبار باب النفخ).
• اختبار تسرب الهواء في أنظمة التدفئة/التبريد بالهواء القسري - يمكن اختبار كل من قنوات التزويد (التهوية) وقنوات الإرجاع لتحديد ما إذا كانت تتسرب منها كمية الهواء وكميتها. يمكن دمج اختبار القنوات مع اختبار باب النفخ لقياس إجمالي التسرب إلى الخارج، أو قياس التسرب الفعلي إلى خارج المنزل فقط.
• يُستخدم جهاز قياس تسرب الهواء بالأشعة تحت الحمراء للكشف عن تسربات الهواء في المباني أثناء انخفاض ضغط الهواء داخلها. لا يُعدّ استخدام جهاز قياس تسرب الهواء ضروريًا لقراءة الأشعة تحت الحمراء، ولكن سحب الهواء الخارجي يُضخّم تغيرات درجة الحرارة ويُسهّل اكتشاف تسربات الهواء داخل المبنى.

يُعد اختبار سلامة حاويات NFPA نوعًا متخصصًا من اختبارات الحاويات، يقيس عادةً مدى إحكام إغلاق الغرف داخل المباني المحمية بأنظمة إخماد الحرائق بعوامل نظيفة . يُجرى هذا الاختبار عادةً أثناء تركيب النظام وتشغيله، وهو إلزامي بموجب معايير NFPA و ISO و EN وFIA، التي تشترط أيضًا إعادة الاختبار سنويًا في حال وجود أي شك في إحكام الإغلاق من الاختبار السابق. عادةً ما تكون هذه الحاويات غرف خوادم تحتوي على كميات كبيرة من أجهزة الكمبيوتر والإلكترونيات التي قد تتضرر من نظام الرش المائي التقليدي. تشير كلمة " نظيف" إلى أنه بعد إطلاق نظام الإخماد، لا توجد أي مخلفات للتنظيف؛ إذ ينتشر العامل ببساطة في الجو.

يُستخدم معيار NFPA-2001 (إصدار 2015) في جميع أنحاء أمريكا الشمالية، والعديد من الدول الآسيوية، والشرق الأوسط. ويُشترط إجراء تحليل زمن الاحتراق منذ عام 1985. أما معيار ISO-14520-2015 أو معيار EN-15004 فيُستخدمان في جميع أنحاء أوروبا، بينما يُستخدم معيار FIA في المملكة المتحدة. وتتشابه نتائج جميع هذه المعايير إلى حد كبير.

تتشابه معايير NFPA لمعايرة المعدات مع معايير أنواع الاختبارات الأخرى، لذا فإن أي جهاز حديث لاختبار سلامة حاويات الهواء يتمتع بدقة كافية لإجراء اختبارات NFPA. يتطلب الأمر استخدام برامج متخصصة أو إجراء حسابات معقدة لتحديد مدة الانتظار، والتي تبلغ عادةً عشر دقائق.

يشترط معيار الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) تدريب مشغل جهاز اختبار سلامة العزل، ولكنه لا يحدد طبيعة هذا التدريب أو مصدره. ولا يوجد حاليًا أي تدريب رسمي من الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق (NFPA) متاح لمنهجية اختبار سلامة العزل.

تُعرض نتائج اختبار سلامة حاويات NFPA عادةً على شكل زمن احتجاز عامل الإطفاء ، والذي يُمثل المدة التي تحتفظ فيها الغرفة بما لا يقل عن 85% من تركيز عامل الإطفاء المُصمم لإخماد الحريق ومنع اشتعاله مجددًا. يتناسب زمن الاحتجاز هذا عكسيًا مع مساحة التسرب في الغرفة، وهو العامل الرئيسي. كما يؤثر موقع التسربات، وارتفاع المنطقة المحمية، ووجود عملية خلط مستمرة، واستخدام عامل إطفاء نظيف، على زمن الاحتجاز. اشترطت نسخة 2008 من معيار NFPA-2001 إجراء تقييم لضغط الذروة بالإضافة إلى ذلك، إلا أن الصناعة في الولايات المتحدة الأمريكية تحديدًا كانت بطيئة في تطبيق هذا الشرط المهم، نظرًا لأن الضغط الزائد أثناء التفريغ قد ألحق الضرر بالعديد من الحاويات. وقد صُمم هذا الشرط لمنع حدوث ذلك.

• تدقيق الطاقة
• أداء منزلي
• التحديث الأخضر
• مقاومة العوامل الجوية
• الاستخدام الفعال للطاقة
• أبواب النفخ في الثقافة الشعبية