التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

في المباني الحديثة، تُدمج أنظمة التصميم والتركيب والتحكم لهذه الوظائف في نظام تكييف هواء واحد أو أكثر. بالنسبة للمباني الصغيرة جدًا، يُقدّر المقاولون عادةً سعة ونوع النظام المطلوب، ثم يصممون النظام، ويختارون المُبرّد المناسب والمكونات المختلفة اللازمة. أما بالنسبة للمباني الأكبر حجمًا، فيقوم مصممو خدمات المباني أو المهندسون الميكانيكيون أو مهندسو خدمات المباني بتحليل وتصميم وتحديد أنظمة تكييف الهواء. بعد ذلك، يقوم مقاولو وموردي الأنظمة الميكانيكية المتخصصة بتصنيع وتركيب وتشغيل هذه الأنظمة. عادةً ما تكون تراخيص البناء وعمليات التفتيش للتأكد من مطابقة التركيبات للمعايير مطلوبة لجميع أحجام المباني. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

على الرغم من أن أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) تُنفذ في مبانٍ منفردة أو أماكن مغلقة أخرى (مثل المقر الرئيسي لقيادة الدفاع الجوي لأمريكا الشمالية تحت الأرض)، فإن المعدات المستخدمة في بعض الحالات تُعد امتدادًا لشبكة تدفئة مركزية (DH) أو تبريد مركزي (DC) أكبر، أو شبكة تدفئة وتبريد مركزية مشتركة (DHC). في مثل هذه الحالات، تُبسط جوانب التشغيل والصيانة، ويصبح تركيب العدادات ضروريًا لحساب تكلفة الطاقة المستهلكة، وفي بعض الحالات، الطاقة المُعادة إلى النظام الأكبر. على سبيل المثال، في وقت معين، قد يستخدم مبنى ما الماء المبرد لتكييف الهواء، ويمكن استخدام الماء الدافئ المُعاد منه في مبنى آخر للتدفئة أو لجزء التدفئة الكلي من شبكة التدفئة والتبريد المركزية (DHC) (مع إضافة طاقة لرفع درجة الحرارة على الأرجح). ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

يساعد الاعتماد على شبكة أكبر في توفير اقتصاديات الحجم التي غالباً ما تكون غير ممكنة للمباني الفردية، وذلك للاستفادة من مصادر الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية الحرارية، ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} وبرد الشتاء، ^{[ 10 ] [ 11 ]} وإمكانات التبريد في بعض الأماكن من البحيرات أو مياه البحر للتبريد المجاني ، والوظيفة التمكينية لتخزين الطاقة الحرارية الموسمية .

تتوفر سخانات لأنواع مختلفة من الوقود، بما في ذلك الوقود الصلب والسائل والغازي . ومن مصادر الحرارة الأخرى الكهرباء ، التي تُستخدم عادةً لتسخين شرائط مصنوعة من أسلاك ذات مقاومة عالية (انظر النيكروم ) . ويُستخدم هذا المبدأ أيضًا في سخانات القاعدة والسخانات المحمولة . غالبًا ما تُستخدم السخانات الكهربائية كتدفئة احتياطية أو إضافية لأنظمة المضخات الحرارية. ^{[ 17 ]}

اكتسبت المضخات الحرارية شعبية واسعة في خمسينيات القرن الماضي في اليابان والولايات المتحدة. ^{[ 18 ]} تستطيع المضخات الحرارية استخلاص الحرارة من مصادر متنوعة ، مثل الهواء المحيط، أو هواء العادم من المبنى، أو من الأرض. تنقل المضخات الحرارية الحرارة من خارج المبنى إلى الهواء داخله. في البداية، اقتصر استخدام أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) التي تعمل بالمضخات الحرارية على المناطق ذات المناخ المعتدل، ولكن مع تحسينات في التشغيل عند درجات الحرارة المنخفضة وانخفاض الأحمال نتيجة لزيادة كفاءة المنازل، أصبحت هذه الأنظمة شائعة الاستخدام في المناطق ذات المناخ البارد. كما يمكنها العمل في الاتجاه المعاكس لتبريد المساحات الداخلية. ^{[ 19 ] [ 20 ]}

قد يؤدي استخدام الأفران، وسخانات الفضاء، والغلايات كوسيلة للتدفئة الداخلية إلى احتراق غير كامل وانبعاث أول أكسيد الكربون ، وأكاسيد النيتروجين ، والفورمالديهايد ، والمركبات العضوية المتطايرة ، وغيرها من نواتج الاحتراق. يحدث الاحتراق غير الكامل عند نقص الأكسجين؛ وتكون المدخلات عبارة عن وقود يحتوي على ملوثات مختلفة، وتكون المخرجات عبارة عن نواتج ثانوية ضارة، مثل أول أكسيد الكربون، وهو غاز عديم الطعم والرائحة وله آثار صحية ضارة خطيرة . ^{[ 24 ]}

تُوفّر وحدة معالجة الهواء (AHU) التهوية الميكانيكية، أو القسرية، وتُستخدم للتحكم في جودة الهواء الداخلي. ويمكن غالبًا التحكم في الرطوبة الزائدة والروائح والملوثات عن طريق تخفيفها أو استبدالها بهواء خارجي. ومع ذلك، في المناخات الرطبة، يلزم المزيد من الطاقة لإزالة الرطوبة الزائدة من هواء التهوية. ^{[ 14 ]}

تحتوي المطابخ والحمامات عادةً على أنظمة تهوية ميكانيكية للتحكم في الروائح، وأحيانًا الرطوبة. تشمل العوامل المؤثرة في تصميم هذه الأنظمة معدل التدفق (الذي يعتمد على سرعة المروحة وحجم فتحة التهوية) ومستوى الضوضاء. تتوفر مراوح الدفع المباشر للعديد من التطبيقات، ويمكنها تقليل الحاجة إلى الصيانة. ^{[ 29 ]}

في فصل الصيف، تعمل مراوح السقف والمراوح الأرضية على تدوير الهواء داخل الغرفة بهدف خفض درجة الحرارة المحسوسة عن طريق زيادة تبخر العرق من جلد شاغليها. ولأن الهواء الساخن يصعد إلى الأعلى، يمكن استخدام مراوح السقف للحفاظ على دفء الغرفة في فصل الشتاء عن طريق تدوير الهواء الدافئ المتراكم من السقف إلى الأرض. ^{[ 9 ]}

التهوية الطبيعية هي تهوية المبنى بالهواء الخارجي دون استخدام مراوح أو أنظمة ميكانيكية أخرى. ويمكن أن تتم عبر نوافذ قابلة للفتح، أو فتحات تهوية، أو فتحات تهوية صغيرة عندما تكون المساحات صغيرة ويسمح التصميم المعماري بذلك. وقد عرّفت جمعية مهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء الأمريكية (ASHRAE) التهوية الطبيعية بأنها تدفق الهواء عبر النوافذ والأبواب والشبكات وغيرها من الفتحات المخطط لها في غلاف المبنى ، وأنها مدفوعة بفروق الضغط الطبيعية و/أو المصطنعة. ^{[ 25 ]}

تشمل استراتيجيات التهوية الطبيعية أيضًا التهوية المتقاطعة ، التي تعتمد على فروق ضغط الرياح على جانبي المبنى. من خلال وضع فتحات، مثل النوافذ أو فتحات التهوية، بشكل استراتيجي على الجدران المتقابلة، يتم توجيه الهواء عبر المكان لتعزيز التبريد والتهوية. وتكون التهوية المتقاطعة أكثر فعالية عندما تكون هناك مسارات واضحة وغير مسدودة لتدفق الهواء داخل المبنى. ^{[ 30 ]}

في الأنظمة الأكثر تعقيدًا، يُسمح للهواء الدافئ بالصعود والتدفق عبر فتحات المبنى العلوية إلى الخارج ( تأثير المدخنة )، مما يؤدي إلى سحب الهواء البارد الخارجي إلى فتحات المبنى السفلية. ^{[ 31 ]} تستهلك أنظمة التهوية الطبيعية عادةً طاقة قليلة جدًا، لكنها تتأثر بالعوامل البيئية. في المناخات الدافئة أو الرطبة، قد لا يكون الحفاظ على الراحة الحرارية بالاعتماد على التهوية الطبيعية فقط ممكنًا. لذا تُستخدم أنظمة تكييف الهواء ، إما كأنظمة احتياطية أو مكملة. كما تستخدم مُوفِّرات الطاقة الهوائية الهواء الخارجي لتكييف الأماكن، ولكنها تفعل ذلك باستخدام المراوح والقنوات والمخمدات وأنظمة التحكم لإدخال وتوزيع الهواء الخارجي البارد عند الحاجة.

يُعدّ معدل تغيير الهواء، أو عدد مرات تغيير الهواء في الساعة ، أحد عناصر التهوية الطبيعية، وهو معدل التهوية في الساعة مقسومًا على حجم المكان. على سبيل المثال، ست مرات تغيير للهواء في الساعة تعني إضافة كمية من الهواء الجديد، تساوي حجم المكان، كل عشر دقائق. ولراحة الإنسان، يُعتبر الحد الأدنى لأربع مرات تغيير للهواء في الساعة أمرًا شائعًا، مع العلم أن المستودعات قد لا تتجاوز مرتين. قد يكون معدل تغيير الهواء المرتفع جدًا غير مريح، كما هو الحال في نفق الرياح الذي يشهد آلاف مرات تغيير الهواء في الساعة. وتُسجّل أعلى معدلات تغيير الهواء في الأماكن المزدحمة، مثل الحانات والنوادي الليلية والمطابخ التجارية، حيث تتراوح بين 30 و50 مرة تغيير للهواء في الساعة. ^{[ 32 ]}

يمكن أن يكون ضغط الغرفة موجبًا أو سالبًا بالنسبة للضغط الخارجي. ويحدث الضغط الموجب عندما يكون الهواء المُدخل أكبر من الهواء المُستنفد، وهو شائع للحد من تسرب الملوثات الخارجية. ^{[ 33 ]}

تُعدّ التهوية الطبيعية ^{[ 34 ]} عاملاً مهماً في الحدّ من انتشار الأمراض المنقولة عبر الهواء، مثل السلّ ، ونزلات البرد ، والإنفلونزا ، والتهاب السحايا ، وكوفيد -19 . ويُعدّ فتح الأبواب والنوافذ من الوسائل المُثلى لزيادة التهوية الطبيعية، مما يُقلّل بشكل كبير من خطر العدوى المنقولة عبر الهواء. كما أنّ التهوية الطبيعية لا تتطلّب صيانة تُذكر، وهي غير مُكلفة. ^{[ 35 ]} تُقاس التهوية بعدد مرات تغيير الهواء في الساعة (ACH). اعتبارًا من عام 2023، أوصت مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) بأن يكون الحدّ الأدنى لجميع الأماكن 5 مرات تغيير هواء في الساعة. ^{[ 36 ]} أما بالنسبة لغرف المستشفيات التي تنتشر فيها العدوى المنقولة عبر الهواء، فقد أوصت مراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها بحدّ أدنى 12 مرة تغيير هواء في الساعة. ^{[ 37 ]} وتتمثّل التحديات التي تواجه تهوية المنشآت في قلة الوعي العام، ^{[ 38 ] [ 39 ]} وضعف الرقابة الحكومية، وضعف قوانين البناء التي تعتمد على مستويات الراحة، وسوء تشغيل الأنظمة، وسوء الصيانة، وانعدام الشفافية. ^{[ 40 ]}

يُعدّ التعقيم بالأشعة فوق البنفسجية (UVC) وظيفةً تُستخدم في أجهزة التكييف الحديثة، حيث تعمل على تقليل الفيروسات والبكتيريا والفطريات المحمولة جوًا ، وذلك باستخدام ضوء الأشعة فوق البنفسجية المنبعث من مصابيح LED عبر المبخر. ويتم توجيه الهواء عبر نطاق الإشعاع الخاص بوحدة التعقيم، مما يُعطّل الفيروسات. ^{[ 41 ]}

تستخدم دورة التبريد أربعة عناصر أساسية للتبريد، وهي الضاغط والمكثف وجهاز القياس والمبخر.

• عند مدخل الضاغط، يكون غاز التبريد داخل النظام في حالة غازية ذات ضغط ودرجة حرارة منخفضين. يقوم الضاغط بضخ غاز التبريد إلى ضغط ودرجة حرارة عاليين.
• ومن هناك يدخل إلى مبادل حراري (يسمى أحيانًا ملف تكثيف أو مكثف) حيث يفقد الحرارة إلى الخارج، ويبرد، ويتكثف إلى حالته السائلة.
• يقوم صمام التمدد (ويسمى أيضًا جهاز القياس ) بتنظيم تدفق سائل التبريد بالمعدل المناسب.
• يُعاد سائل التبريد إلى مبادل حراري آخر حيث يُترك ليتبخر، ولذلك يُطلق على هذا المبادل الحراري غالبًا اسم ملف التبخير أو المبخر. أثناء تبخر سائل التبريد، يمتص الحرارة من الهواء الداخلي، ثم يعود إلى الضاغط، لتتكرر الدورة. في هذه العملية، تُمتص الحرارة من الداخل وتُنقل إلى الخارج، مما يؤدي إلى تبريد المبنى.

في المناخات المتغيرة، قد يشتمل النظام على صمام عكسي يحول من التدفئة في الشتاء إلى التبريد في الصيف. وبعكس تدفق غاز التبريد، تتغير دورة تبريد المضخة الحرارية من التبريد إلى التدفئة أو العكس. وهذا يسمح بتدفئة وتبريد المنشأة بواسطة جهاز واحد وبنفس الوسائل وبنفس المكونات.

تُستخدم أنظمة التبريد الطبيعي أحيانًا مع تخزين الطاقة الحرارية الموسمية، بحيث يُمكن الاستفادة من برودة الشتاء في تكييف الهواء خلال الصيف. ومن وسائط التخزين الشائعة طبقات المياه الجوفية العميقة أو الكتل الصخرية الطبيعية تحت الأرض، والتي يُمكن الوصول إليها عبر مجموعة من الآبار الصغيرة المزودة بمبادلات حرارية. بعض الأنظمة ذات خزانات التخزين الصغيرة هي أنظمة هجينة تستخدم التبريد الطبيعي في بداية موسم التبريد، ثم تستخدم مضخة حرارية لتبريد الهواء المتدفق من الخزان. تُضاف المضخة الحرارية لأن الخزان يعمل كمشتت حراري عندما يكون النظام في وضع التبريد (وليس الشحن)، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة تدريجيًا خلال موسم التبريد.

تتضمن بعض الأنظمة "وضع التوفير"، والذي يُسمى أحيانًا "وضع التبريد المجاني". عند تفعيل هذا الوضع، يقوم نظام التحكم بفتح (كليًا أو جزئيًا) صمام الهواء الخارجي وإغلاق (كليًا أو جزئيًا) صمام الهواء الراجع. يؤدي ذلك إلى تزويد النظام بهواء خارجي نقي. عندما يكون الهواء الخارجي أبرد من الهواء البارد المطلوب، يُمكن تلبية الطلب دون استخدام التبريد الميكانيكي (عادةً الماء المبرد أو وحدة التمدد المباشر)، مما يوفر الطاقة. يستطيع نظام التحكم مقارنة درجة حرارة الهواء الخارجي بالهواء الراجع، أو مقارنة المحتوى الحراري للهواء، كما هو شائع في المناطق ذات الرطوبة العالية. في كلتا الحالتين، يجب أن يكون الهواء الخارجي أقل طاقة من الهواء الراجع حتى يدخل النظام في وضع التوفير.

تُستخدم أنظمة التكييف المركزية، التي تعمل بالهواء النقي (أو الأنظمة المدمجة)، والمزودة بوحدة تكثيف/تبخير خارجية مدمجة، بكثرة في المنازل والمكاتب والمباني العامة في أمريكا الشمالية، إلا أن تركيبها في مبانٍ لم تُصمم لاستقبالها يُعدّ أمرًا صعبًا نظرًا لحجم قنوات التهوية المطلوبة. ^{[ 42 ]} أما خارج أمريكا الشمالية، فتُستخدم هذه الأنظمة المدمجة في تطبيقات محدودة تشمل مساحات داخلية واسعة، مثل الملاعب والمسارح وقاعات المعارض.

يُعد استخدام ملفات تبريد داخلية وخارجية منفصلة في أنظمة التكييف المنفصلة بديلاً لأنظمة التكييف المدمجة . وتُفضّل هذه الأنظمة وتُستخدم على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم باستثناء أمريكا الشمالية. في أمريكا الشمالية، تُستخدم أنظمة التكييف المنفصلة غالبًا في المباني السكنية، ولكنها تكتسب شعبية متزايدة في المباني التجارية الصغيرة. تُستخدم هذه الأنظمة عندما يكون تركيب مجاري الهواء غير عملي أو عندما تكون كفاءة تكييف الهواء ذات أهمية قصوى. ^{[ 43 ]} تشمل مزايا أنظمة التكييف بدون مجاري سهولة التركيب، وعدم الحاجة إلى مجاري الهواء، وإمكانية التحكم في المناطق بشكل أفضل. ^{[ 44 ]} في تكييف الهواء، قد تصل خسائر مجاري الهواء إلى 30% من استهلاك الطاقة. ^{[ 45 ]} يمكن أن يؤدي استخدام أنظمة التكييف المنفصلة الصغيرة إلى توفير الطاقة في تكييف الهواء نظرًا لعدم وجود خسائر مرتبطة بمجاري الهواء.

في نظام التكييف المنفصل، يتم توصيل ملف المبخر بوحدة تكثيف خارجية باستخدام أنابيب تبريد بين الوحدة الداخلية والخارجية، بدلاً من توجيه الهواء مباشرةً من الوحدة الخارجية. تُثبّت الوحدات الداخلية المزودة بفتحات تهوية موجهة على الجدران، أو تُعلّق من الأسقف، أو تُركّب داخل السقف. كما تُثبّت وحدات داخلية أخرى داخل تجويف السقف بحيث تنقل أنابيب قصيرة الهواء من الوحدة الداخلية إلى فتحات التهوية أو موزعات الهواء في الغرف.

تتميز أنظمة التكييف المنفصلة بكفاءة أعلى وحجم أصغر عادةً من أنظمة التكييف المدمجة. من ناحية أخرى، تميل أنظمة التكييف المدمجة إلى إصدار مستوى ضوضاء داخلي أقل قليلاً مقارنةً بأنظمة التكييف المنفصلة، ​​وذلك لأن محرك المروحة موجود في الخارج.

تُوفّر وحدة التبخير عملية إزالة الرطوبة (تجفيف الهواء) في نظام التكييف. وبما أن وحدة التبخير تعمل عند درجة حرارة أقل من نقطة الندى ، فإن الرطوبة الموجودة في الهواء تتكثف على أنابيب ملف التبخير. تُجمع هذه الرطوبة في قاع وحدة التبخير في حوض، ثم تُنقل عبر أنابيب إلى مصرف مركزي أو إلى الأرض في الخارج.

جهاز إزالة الرطوبة هو جهاز يشبه مكيف الهواء، يتحكم في رطوبة الغرفة أو المبنى. يُستخدم عادةً في الأقبية ذات الرطوبة النسبية العالية نظرًا لانخفاض درجة حرارتها (وميلها لرطوبة الأرضيات والجدران). في متاجر بيع المواد الغذائية بالتجزئة، تُعدّ خزائن التبريد المفتوحة الكبيرة فعّالة للغاية في إزالة الرطوبة من الهواء الداخلي. في المقابل، يزيد جهاز ترطيب الهواء من رطوبة المبنى.

تستحق مكونات نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء التي تزيل الرطوبة من هواء التهوية عناية فائقة لأن الهواء الخارجي يشكل معظم الحمل السنوي للرطوبة في جميع المباني تقريبًا. ^{[ 46 ]}

جهاز ترطيب الهواء هو جهاز منزلي مصمم لزيادة مستوى الرطوبة في الهواء داخل غرفة أو مكان مغلق. ويحقق ذلك عن طريق إطلاق قطرات الماء أو البخار في الهواء المحيط، مما يؤدي إلى رفع مستوى الرطوبة .

في المنازل، تُستخدم أجهزة ترطيب الهواء الموضعية عادةً لترطيب غرفة واحدة، بينما توفر أجهزة ترطيب الهواء المركزية، المتصلة بنظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ، الرطوبة للمنزل بأكمله. غالبًا ما تتضمن أجهزة التنفس الصناعي أجهزة ترطيب لزيادة راحة المريض. تُستخدم أجهزة الترطيب الكبيرة في البيئات التجارية والمؤسسية والصناعية، وغالبًا كجزء من نظام تدفئة وتهوية وتكييف هواء أكبر.

تُجهّز جميع أنظمة تكييف الهواء الحديثة تقريبًا، حتى الوحدات الصغيرة المُدمجة في النوافذ، بفلتر هواء داخلي أو مُرَسِّب كهروستاتيكي. وتتراوح أنواع الفلاتر من مواد خفيفة تشبه الشاش إلى حُصُر مُطوية أكثر متانة مصنوعة من ألياف زجاجية من البوروسيليكات. ويتم استبدال الفلاتر أو غسلها حسب الحاجة. فعلى سبيل المثال، يحتاج المبنى الواقع في بيئة مُغبرة أو المنزل الذي يضم حيوانات أليفة إلى تغيير الفلاتر بشكل متكرر أكثر من الأماكن الداخلية الخالية من هذه الأوساخ. وقد يُؤدي إهمال استبدال هذه الفلاتر إلى انخفاض معدل تبادل الحرارة، مما يُؤدي إلى هدر الطاقة، وتقصير عمر الجهاز، وارتفاع فواتير الطاقة. كما يُمكن أن يُؤدي انخفاض تدفق الهواء إلى تجمد ملفات المُبخر، مما قد يُوقف تدفق الهواء تمامًا. بالإضافة إلى ذلك، يُمكن أن تُؤدي الفلاتر شديدة الاتساخ أو الانسداد إلى ارتفاع درجة الحرارة أثناء دورة التدفئة، مما قد يُؤدي إلى تلف النظام أو حتى نشوب حريق.

نظرًا لأن مكيف الهواء ينقل الحرارة بين الملف الداخلي والملف الخارجي، يجب الحفاظ على نظافة كليهما. وهذا يعني أنه بالإضافة إلى استبدال فلتر الهواء في ملف المبخر، من الضروري أيضًا تنظيف ملف المكثف بانتظام. سيؤدي إهمال تنظيف المكثف في النهاية إلى تلف الضاغط، لأن ملف المكثف مسؤول عن تصريف كل من الحرارة الداخلية (التي يمتصها المبخر) والحرارة الناتجة عن المحرك الكهربائي الذي يُشغل الضاغط. ^{[ 47 ]}

في الماضي، كان تسخين المياه أكثر كفاءة لتدفئة المباني وكان المعيار في الولايات المتحدة. أما اليوم، فيمكن لأنظمة الهواء القسري أن تُستخدم أيضاً لتكييف الهواء وهي أكثر شيوعاً.

يمكن تحسين كفاءة الطاقة في أنظمة التدفئة المركزية باستخدام التدفئة المُقسّمة إلى مناطق. يتيح ذلك توزيعًا أكثر دقة للحرارة، على غرار أنظمة التدفئة غير المركزية. تُتحكم المناطق بواسطة منظمات حرارة متعددة. في أنظمة تسخين المياه، تتحكم منظمات الحرارة في صمامات المناطق ، وفي أنظمة الهواء القسري، تتحكم في مخمدات المناطق داخل فتحات التهوية التي تحجب تدفق الهواء بشكل انتقائي.

يُعد التنبؤ طريقة أخرى للتحكم في تدفئة المباني عن طريق حساب الطلب على طاقة التدفئة التي يجب توفيرها للمبنى في كل وحدة زمنية.

تُشبه المضخات الحرارية الأرضية، أو المضخات الحرارية الجوفية، المضخات الحرارية العادية، ولكنها تعتمد على درجة حرارة الأرض الثابتة والمتساوية لتوفير التدفئة والتبريد، بدلاً من نقل الحرارة من أو إلى الهواء الخارجي. تشهد العديد من المناطق تقلبات حادة في درجات الحرارة الموسمية، مما يستدعي استخدام معدات تدفئة وتبريد ذات سعة كبيرة. على سبيل المثال، يتطلب نظام المضخة الحرارية التقليدي المستخدم لتدفئة مبنى في مونتانا، حيث تصل درجة الحرارة إلى -57 درجة مئوية (-70 درجة فهرنهايت) ، أو لتبريد مبنى في أعلى درجة حرارة سُجلت على الإطلاق في الولايات المتحدة - 57 درجة مئوية (134 درجة فهرنهايت) في وادي الموت بكاليفورنيا عام 1913 - كمية كبيرة من الطاقة نظرًا للاختلاف الكبير بين درجات حرارة الهواء داخل المبنى وخارجه. مع ذلك، على عمق متر واحد تحت سطح الأرض، تبقى درجة حرارة الأرض ثابتة نسبيًا. وباستخدام هذا المصدر الكبير من الأرض ذات درجة الحرارة المعتدلة نسبيًا، يمكن غالبًا تقليل سعة نظام التدفئة أو التبريد بشكل ملحوظ. على الرغم من أن درجات حرارة الأرض تختلف باختلاف خط العرض، إلا أنه على عمق 1.8 متر (6 أقدام) تحت الأرض، تتراوح درجات الحرارة بشكل عام من 7 إلى 24 درجة مئوية (45 إلى 75 درجة فهرنهايت) .       

يمكن للألواح الشمسية الكهروضوئية أن تقلل من تكلفة تشغيل مكيفات الهواء. تعمل مكيفات الهواء التقليدية بالتيار المتردد، وبالتالي، يتطلب تشغيلها تحويل التيار المستمر من الطاقة الشمسية لجعلها متوافقة معها. أما وحدات المحركات الجديدة ذات السرعة المتغيرة التي تعمل بالتيار المستمر، فتتيح تشغيلها بسهولة أكبر باستخدام الطاقة الشمسية، إذ لا حاجة لهذا التحويل، كما أن هذه المحركات تتحمل تقلبات الجهد الناتجة عن تغيرات الطاقة الشمسية الموردة (مثلاً، بسبب الغيوم).

تستخدم أنظمة استعادة الطاقة أحيانًا أنظمة تهوية لاستعادة الحرارة أو أنظمة تهوية لاستعادة الطاقة ، والتي تعتمد على مبادلات حرارية أو عجلات إنثالبي لاستعادة الحرارة المحسوسة أو الكامنة من الهواء المُستنفد. ويتم ذلك عن طريق نقل الطاقة من الهواء الراكد داخل المنزل إلى الهواء النقي القادم من الخارج.

يُحدّ أداء دورات التبريد بضغط البخار بقوانين الديناميكا الحرارية . ^{[ 50 ]} تنقل أجهزة تكييف الهواء ومضخات الحرارة هذه الحرارة بدلاً من تحويلها من شكل إلى آخر، لذا فإن الكفاءات الحرارية لا تصف أداء هذه الأجهزة بدقة. يقيس معامل الأداء (COP) الأداء، لكن هذا المقياس غير البُعدي لم يُعتمد. بدلاً من ذلك، يُستخدم تقليديًا مُعامل كفاءة الطاقة ( EER ) لوصف أداء العديد من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC). يُحسب مُعامل كفاءة الطاقة (EER) بناءً على درجة حرارة خارجية تبلغ 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) . لوصف أداء أجهزة تكييف الهواء بدقة أكبر خلال موسم تبريد نموذجي، يُستخدم إصدار مُعدّل من مُعامل كفاءة الطاقة (EER)، وهو مُعامل كفاءة الطاقة الموسمي ( SEER )، أو ESEER في أوروبا . تعتمد تصنيفات مُعامل كفاءة الطاقة الموسمي (SEER) على متوسطات درجات الحرارة الموسمية بدلاً من درجة حرارة خارجية ثابتة تبلغ 35 درجة مئوية (95 درجة فهرنهايت) . الحد الأدنى الحالي لتصنيف مُعامل كفاءة الطاقة الموسمي (SEER) في الصناعة هو 14. أشار المهندسون إلى بعض المجالات التي يمكن فيها تحسين كفاءة الأجهزة الحالية. فعلى سبيل المثال، تُصنع شفرات المراوح المستخدمة لتحريك الهواء عادةً من صفائح معدنية، وهي طريقة تصنيع اقتصادية، ولكنها نتيجة لذلك ليست فعالة من الناحية الديناميكية الهوائية. ويمكن لشفرة مصممة جيدًا أن تقلل الطاقة الكهربائية اللازمة لتحريك الهواء بمقدار الثلث. ^{[ 51 ]}    

يُعد نظام تهوية المطابخ المُتحكم به حسب الطلب (DCKV) أحد أساليب التحكم في المباني، حيث يُستخدم للتحكم في حجم هواء العادم والهواء المُزوَّد في المطابخ التجارية، وذلك استجابةً لأحمال الطهي الفعلية. تعمل أنظمة التهوية التقليدية في المطابخ التجارية بسرعة مروحة كاملة (100%) بغض النظر عن حجم عمليات الطهي، بينما تُغيّر تقنية DCKV هذا الوضع لتوفير طاقة كبيرة للمراوح وتقليل استهلاك الهواء المُكيَّف. من خلال استخدام تقنية الاستشعار الذكية، يُمكن التحكم في كلٍّ من مراوح العادم والهواء المُزوَّد للاستفادة من قوانين التقارب لتوفير طاقة المحركات، وتقليل طاقة تسخين وتبريد الهواء المُزوَّد، مما يُعزز السلامة ويُقلل من مستويات الضوضاء المحيطة في المطبخ. ^{[ 52 ]}

تُعدّ المواصفة القياسية ISO 16813:2006 إحدى معايير المنظمة الدولية للمقاييس (ISO) الخاصة ببيئة المباني. ^{[ 54 ]} وهي تُرسّخ المبادئ العامة لتصميم بيئة المباني، وتُراعي ضرورة توفير بيئة داخلية صحية لشاغليها، فضلاً عن ضرورة حماية البيئة للأجيال القادمة، وتعزيز التعاون بين مختلف الجهات المعنية بتصميم بيئة المباني لتحقيق الاستدامة. وتنطبق المواصفة ISO 16813 على الإنشاءات الجديدة وتحديث المباني القائمة. ^{[ 55 ]}

يهدف معيار التصميم البيئي للمباني إلى: ^{[ 55 ]}

• توفير القيود المتعلقة بقضايا الاستدامة منذ المرحلة الأولية لعملية التصميم، مع مراعاة دورة حياة المبنى والمصنع جنبًا إلى جنب مع تكاليف الملكية والتشغيل منذ بداية عملية التصميم؛
• تقييم التصميم المقترح بمعايير منطقية لجودة الهواء الداخلي، والراحة الحرارية، والراحة الصوتية، والراحة البصرية، وكفاءة الطاقة، وضوابط نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في كل مرحلة من مراحل عملية التصميم؛
• تكرار القرارات وتقييمات التصميم طوال عملية التصميم.

المعهد المعتمد لمهندسي خدمات المباني (CIBSE ) هو هيئة تُعنى بالخدمات الأساسية (هندسة الأنظمة) التي تُمكّن المباني من العمل. ويشمل ذلك الصناعات الكهروتقنية، والتدفئة ، والتهوية ، وتكييف الهواء، والتبريد، والسباكة . للتدريب كمهندس خدمات مباني ، تشمل متطلبات القبول الأكاديمية النموذجية مؤهلات في الرياضيات والعلوم، مثل شهادة الثانوية العامة (المستوى المتقدم) في إنجلترا أو الدرجات القياسية (1-3) في اسكتلندا. غالبًا ما يشترط أصحاب العمل الحصول على درجة علمية في أحد فروع الهندسة ، مثل هندسة بيئة المباني، أو الهندسة الكهربائية، أو الهندسة الميكانيكية. للحصول على العضوية الكاملة في CIBSE، وبالتالي التسجيل لدى مجلس الهندسة في المملكة المتحدة كمهندس معتمد، يجب على المهندسين أيضًا الحصول على درجة البكالوريوس مع مرتبة الشرف ودرجة الماجستير في تخصص هندسي ذي صلة. ينشر CIBSE العديد من الأدلة لتصميم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) ذات الصلة بسوق المملكة المتحدة، وكذلك جمهورية أيرلندا، وأستراليا، ونيوزيلندا، وهونغ كونغ. تتضمن هذه الأدلة معايير ومواصفات تصميمية مُوصى بها، بعضها مُدرج في لوائح البناء في المملكة المتحدة، وبالتالي تُشكل متطلبًا تشريعيًا لأعمال خدمات المباني الرئيسية. أهم الأدلة هي:

• الدليل أ: التصميم البيئي
• الدليل ب: التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والتبريد
• الدليل ج: البيانات المرجعية
• الدليل د: أنظمة النقل في المباني
• الدليل هـ: هندسة السلامة من الحرائق
• الدليل F: كفاءة الطاقة في المباني
• الدليل G: هندسة الصحة العامة
• الدليل H: أنظمة التحكم في المباني
• الدليل J: بيانات الطقس والطاقة الشمسية والإضاءة
• الدليل ك: الكهرباء في المباني
• الدليل L: الاستدامة
• الدليل م: هندسة الصيانة وإدارتها

في قطاع الإنشاءات ، يتولى مهندس خدمات المباني مسؤولية تصميم والإشراف على تركيب وصيانة الخدمات الأساسية كالغاز والكهرباء والمياه والتدفئة والإضاءة . وتُعدّ خدمات المباني جزءًا من قطاع يضم أكثر من 51,000 شركة، ويمثل ما بين 2 و3% من الناتج المحلي الإجمالي .

وتتحمل المسؤولية كل من جمعية مقاولي تكييف الهواء والميكانيكا في أستراليا (AMCA)، والمعهد الأسترالي للتبريد وتكييف الهواء والتدفئة (AIRAH)، والجمعية الأسترالية لميكانيكا التبريد، وCIBSE.

تختلف أولويات التحكم في درجة الحرارة في العمارة الآسيوية عن الأساليب الأوروبية. فعلى سبيل المثال، يركز نظام التدفئة الآسيوي تقليدياً على الحفاظ على درجة حرارة الأشياء مثل الأرضيات أو الأثاث مثل طاولات الكوتاتسو ، وتدفئة الأشخاص مباشرةً، على عكس التركيز الغربي في العصر الحديث على تصميم أنظمة التهوية.