نظام هواء خارجي مخصص

📅 آخر تحديث: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٦ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 1 صور
الموسوعة الحرة
وحدة معالجة هواء DOAS مزودة بعجلة استعادة الحرارة وإزالة الرطوبة السلبية

نظام الهواء الخارجي المخصص ( DOAS ) هو نوع من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ( HVAC ) التي تتكون من نظامين متوازيين: نظام مخصص لتوفير تهوية الهواء الخارجي الذي يتعامل مع كل من الأحمال الكامنة والمحسوسة لتكييف هواء التهوية، ونظام موازٍ للتعامل مع أحمال (الحرارة المحسوسة في الغالب) الناتجة عن مصادر داخلية/عمليات وتلك التي تمر عبر غلاف المبنى.

خلفية

تُعاني أنظمة التكييف والتهوية التقليدية، مثل أنظمة حجم الهواء المتغير (VAV) التي تخدم مناطق متعددة، من مشاكل محتملة تتعلق بانخفاض الراحة الحرارية واحتمالية التلوث الميكروبي . في نظام DOAS، وبحسب البيئة والنظام الموازي المستخدم، يتولى نظام الهواء الخارجي جزءًا من الحمل الحراري المحسوس بالإضافة إلى الحمل الحراري الكامن، بينما يتولى النظام الموازي الجزء المتبقي. يكمن الهدف الرئيسي لنظام DOAS في توفير تهوية مخصصة، بدلاً من اعتبارها جزءًا ثانويًا من عملية تكييف الهواء الداخلي. يُستخدم مصطلح DOAS على نطاق واسع في أوروبا وبأشكال مختلفة في الولايات المتحدة.

نظرة عامة على النظام

اقترح ويليام كواد في عام 1999 معالجة الهواء الخارجي والهواء العائد بشكل منفصل في أنظمة التكييف والتهوية للمباني . [ 1 ] كما وصف جاتلي تطبيق نظام الهواء الخارجي المخصص (DOAS) لتوفير هواء منزوع الرطوبة للمباني لتحسين جودة الهواء الداخلي والراحة الحرارية. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] وقد بُذلت جهود بحثية حديثة لدراسة أساسيات نظام الهواء الخارجي المخصص (DOAS) مع التركيز على مزاياه المحتملة مقارنةً بأنظمة التكييف والتهوية التقليدية. ويشير إس. أ. موما إلى وجود أربع مشكلات رئيسية في أنظمة التكييف والتهوية التقليدية ذات التدفق المتغير للهواء (VAV) التي تعتمد على خلط الهواء العلوي . [ 5 ] وتُبرز هذه المشكلات في أنظمة التدفق المتغير للهواء (VAV) المزايا المقابلة لأنظمة الهواء الخارجي المخصص (DOAS). ومع ذلك، تشمل بعض عيوب نظام الهواء الخارجي المخصص (DOAS): ارتفاع التكاليف الأولية المحتملة، وقلة استخدامه في الولايات المتحدة، وارتفاع تعقيده المحتمل.

  • هواء التهوية في جميع أنظمة التكييف والتهوية ذات التدفق المتغير للهواء (VAV) : لا يستطيع المصممون ومهندسو المباني تحديد كيفية توزيع هواء التهوية المختلط مع هواء العودة في نظام VAV النموذجي بدقة في جميع أنحاء المبنى. تؤثر عوامل مثل تسرب الهواء، ونقاط ضبط التحكم، وإعدادات الحد الأدنى لحجم الهواء، والدوائر القصيرة (مثل اختلاط هواء العادم مع هواء السحب النقي) على كمية هواء التهوية التي تصل إلى المكان. [ 5 ] [ 6 ] يحل نظام DOAS هذه المشكلة بتوفير مصدر مخصص من الهواء الخارجي بنسبة 100%.
  • الحاجة إلى تدفق هواء خارجي إضافي وتكييف في أنظمة VAV: عند استخدام معادلة المساحات المتعددة في معيار ASHRAE 62.1-2004، يلزم عادةً توفير كمية هواء خارجي إضافية تتراوح بين 20 و70% لضمان توزيع هواء الغرفة بشكل مناسب في جميع أنظمة التكييف، مقارنةً بما هو مطلوب في أنظمة الهواء الخارجي المخصصة. يُعد تبريد وتجفيف كميات الهواء الخارجي الكبيرة في الصيف، وترطيب وتدفئة الهواء في الشتاء، عمليةً تستهلك طاقةً كبيرة. [ 5 ] يتم تصميم نظام DOAS وفقًا لهذه المتطلبات، ولا يتطلب حجمًا أكبر من اللازم.
  • يجب ضبط الحد الأدنى لحجم الهواء المتغير (VAV) في صندوق التحكم على قيم عالية لمراعاة متطلبات التهوية: ربما على عكس الممارسة الحالية، يجب أن يعكس الحد الأدنى لحجم الهواء المتغير في صندوق التحكم متطلبات التهوية للمكان ونسبة هواء التهوية في هواء التغذية. على سبيل المثال، يتطلب مكان ما 5663 لترًا قياسيًا في الدقيقة (200 قدم مكعب قياسي في الدقيقة ) من هواء التهوية، ويتم تزويده بهواء تغذية يحتوي على 40% من هواء التهوية، ضبط الحد الأدنى لحجم الهواء المتغير في صندوق التحكم على 14158 لترًا قياسيًا في الدقيقة (500 قدم مكعب قياسي في الدقيقة) (أي 200/0.4) بدلاً من الممارسة التقليدية البالغة 5663 لترًا قياسيًا في الدقيقة (200 قدم مكعب قياسي في الدقيقة). عند ضبط الحد الأدنى لحجم الهواء المتغير في صندوق التحكم بشكل صحيح لتلبية متطلبات التهوية، يصبح احتمال إعادة التسخين النهائي الكبير مشكلة. لذلك، فإن تشغيل جميع أنظمة VAV بشكل صحيح سيستهلك دائمًا كمية أكبر من إعادة التسخين النهائي مقارنةً بأنظمة الهواء الخارجي المخصصة التي تزود الهواء بنفس درجة الحرارة. [ 5 ]
  • عدم فصل الأحمال الحرارية الكامنة والمحسوسة في الفراغ: يؤدي عدم القدرة على فصل الأحمال الحرارية الكامنة والمحسوسة في الفراغ إلى ارتفاع نسبة الرطوبة النسبية في الفراغ عند انخفاض الأحمال الحرارية المحسوسة في الأماكن المشغولة. يمكن لأنظمة تهوية الهواء الخارجي المصممة بشكل صحيح استيعاب 100% من الأحمال الحرارية الكامنة في الفراغ وجزء من الأحمال الحرارية المحسوسة، وبالتالي فصلها عن الأحمال الحرارية الكامنة. يُستخدم نظام تبريد موازٍ للأحمال الحرارية المحسوسة فقط لاستيعاب الأحمال الحرارية المحسوسة التي لا تغطيها أنظمة تهوية الهواء الخارجي. لذلك، ثمة حافز قوي للتحكم في الأحمال الحرارية الكامنة في الفراغ بشكل مستقل عن الأحمال الحرارية المحسوسة لتجنب مشاكل جودة الهواء الداخلي المرتبطة بالرطوبة. [ 5 ]

أنظمة طرفية متوازية

في نظام تهوية نموذجي من نوع DOAS، يمكن لنظام الهواء الخارجي استيعاب ما بين 0 و30% من الحمل الحراري المحسوس للمكان. ولتوفير بيئة داخلية مريحة، يجب استيعاب النسبة المتبقية من الحمل الحراري المحسوس للمكان من خلال العديد من خيارات المعدات الاختيارية الأخرى، كما يلي:

نظام إشعاعي

بالمقارنة مع أنظمة التبريد الأخرى، تُعدّ ألواح التبريد الإشعاعي للسقف الخيار الأمثل للاستخدام مع نظام تهوية الهواء الخارجي (DOAS). ولأن نظام DOAS يُعنى فقط بتهوية المكان والأحمال الكامنة، فإنه يُتيح فرصة لتقليل الارتفاع المطلوب بين الطوابق عن طريق تقليل حجم نظام مجاري الهواء وقوة المروحة المطلوبة. [ 7 ] يتميز نظام التبريد الإشعاعي للسقف المُقترن بنظام DOAS بالعديد من المزايا. ويُقدّم قسم التقييم العام في دليل ASHRAE لعام 2008 وصفًا موجزًا ​​لها كما يلي: [ 8 ]

المزايا الرئيسية هي:

  • نظراً لمعالجة الأحمال الإشعاعية بشكل مباشر ووجود حركة هواء في المكان بمستويات تهوية طبيعية، يمكن أن تكون مستويات الراحة أفضل من تلك الموجودة في أنظمة تكييف الهواء الأخرى.
  • تلبية متطلبات كميات الإمداد للتهوية وإزالة الرطوبة
  • نظراً لانخفاض كميات الهواء الخارجي، يمكن تركيب نظام DOAS باستخدام نظام قنوات أصغر.
  • يمكن لألواح التبريد المشعة في السقف أن تلغي الحاجة إلى ملفات التبريد السطحية الرطبة وتقلل من احتمالية تلوث الصرف الصحي.
  • يمكن استخدام أنابيب نظام الرش الآلي في أنظمة ألواح التبريد المشعة للأسقف

تتمثل العيوب الرئيسية في ارتفاع التكاليف الأولية.

إلى جانب المزايا المذكورة أعلاه، توفر ألواح التبريد الإشعاعي المتوازية مزايا أخرى، مثل التصميم المدمج، وتوفير مساحة العمود الرأسي، وسهولة دمج أنظمة التحكم الديناميكية. ويمكن ربط توفير الطاقة في نظام DOAS/ألواح التبريد الإشعاعي السقفي بما يلي: تقليل حمل ملفات التبريد، وتقليل استهلاك طاقة المبرد، وتقليل استهلاك طاقة الضخ، وتقليل استهلاك طاقة المروحة. وبشكل عام، نظرًا لاستعادة الطاقة الكلية وكمية هواء التزويد الصغيرة في نظام DOAS، يمكن تقليل استهلاك طاقة المبرد بشكل ملحوظ مقارنةً بنظام VAV التقليدي. في دراسة لنظام DOAS/ألواح التبريد الإشعاعي السقفي التجريبي، تتوقع محاكاة الطاقة بالساعة أن يكون استهلاك الطاقة الكهربائية السنوي لهذا النظام أقل بنسبة 42% من استهلاك نظام VAV التقليدي المزود بنظام تحكم موفر للطاقة. [ 9 ]

نظام قائم على الهواء

هناك طريقتان رئيسيتان لتصميم نظام DOAS عند استخدام نظام قائم على الهواء كنظام موازٍ: [ 10 ]

أنظمة منفصلة ذات مجاري هواء مختلفة

في هذا النظام، يوجد نظام تهوية خارجي يضخ هواءً مُكيَّفًا مسبقًا (مع مراعاة الحمل الحراري الكامن والحمل الحراري المحسوس الجزئي) مباشرةً إلى الحيز عبر قناة/موزع هواء خاص به. ويوجد نظام منفصل (مثل وحدة مروحة ملفية) يسحب الهواء من الحيز ويُكيِّفه لتلبية الحمل الحراري المحسوس المتبقي فيه.

المزايا:

  • يسهل قياس معدل تدفق الهواء الخارجي إلى داخل المكان
  • يسهل قياس تدفقات الهواء وموازنة النظام
  • يتجنب فرض أحمال تهوية على معدات التكييف والتهوية في المكان ( وحدة ملف المروحة )

العيوب:

  • قد يؤدي استخدام مجاري هواء منفصلة للمسارات المتوازية إلى زيادة التكاليف الأولية.
  • قد لا توفر موزعات الهواء المنفصلة للهواء الخارجي والهواء المعاد تدويره خلطًا كافيًا
  • يؤدي وجود مسارات متوازية منفصلة لتدفق الهواء إلى زيادة تدفق الهواء الإجمالي إلى المكان، مما قد يزيد من استهلاك الطاقة الإجمالي للمروحة.

النظام المدمج

يتم توجيه الهواء الخارجي المُكيَّف عبر قنوات إلى وحدة التكييف المركزية في المكان. في هذا النظام، يُوجَّه الهواء الخارجي المُكيَّف مسبقًا مباشرةً إلى وحدات ملفات المروحة، حيث يختلط مع الهواء العائد من المكان. يشبه هذا النظام نظام التبريد الإشعاعي .

المزايا:

  • يؤدي استخدام مجاري الهواء المدمجة إلى انخفاض التكاليف الأولية
  • يؤدي تدفق الهواء المدمج إلى تقليل حجم الهواء وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة للمروحة
  • المزج التام للهواء الخارجي والهواء العائد من الفضاء

العيوب:

  • يجب تشغيل وحدة الطرفية المحلية كلما دعت الحاجة إلى التهوية، بغض النظر عما إذا تم استيفاء الحمل المحسوس أم لا.
  • قد يكون تحقيق توازن تدفق الهواء أكثر صعوبة

معدات

مع تزايد استخدام أنظمة التهوية الخارجية المخصصة (DOAS) في العديد من البلدان، يزداد الطلب على معداتها، مثل عجلة استعادة الطاقة الكلية، وعجلة إزالة الرطوبة السلبية ، وغيرها من المعدات ذات الصلة. وتُعدّ فعالية عجلة استعادة الطاقة الكلية عاملاً هاماً لتحسين كفاءة أنظمة التهوية الخارجية المخصصة.

تصميم

تشمل متطلبات تصميم نظام DOAS ما يلي:

  • فصل نظام التهوية الخارجية عن نظام التحكم الحراري لضمان التهوية المناسبة في جميع الأماكن المشغولة
  • تهيئة نظام التهوية الخارجي للتعامل مع جميع الأحمال الكامنة في المساحة وأكبر قدر ممكن من الأحمال المحسوسة في المساحة
  • تعظيم الاستخدام الفعال من حيث التكلفة لمعدات استعادة الطاقة
  • دمج أنظمة إخماد الحرائق وأنظمة نقل الطاقة
  • استخدام ألواح التبريد المحسوسة المشعة في السقف للتحكم الحراري للساكنين [ 11 ]

اقترحت ماما الخطوات التالية لتصميم نظام DOAS:

  • حساب أحمال التبريد المحسوسة والكامنة للمساحة في يوم التصميم الصيفي بناءً على شروط التصميم للمساحة
  • تحديد الحد الأدنى لمعدل تدفق الهواء الذي تتطلبه كل مساحة بناءً على إرشادات التهوية لمعيار ASHRAE 62.1 [ 12 ]
  • تحديد نسبة رطوبة الهواء المُزوَّد لكل مساحة
  • عادةً، ستكون درجة حرارة الهواء الجاف في تصميم الإمداد مساوية لدرجة حرارة نقطة الندى المطلوبة في الهواء الإمداد .
  • استخدام استعادة الطاقة لإعادة حرارة هواء العادم إلى وحدة DOAS (خلال مواسم التدفئة)

بالنسبة لأنظمة DOAS المزودة بنظام تبريد هوائي كنظام تبريد موازي، تم اقتراح الخطوات التالية: 1) حساب حمل التبريد المحسوس الذي يوفره هواء التغذية لنظام DOAS لكل مساحة؛ 2) حساب حمل التبريد المحسوس المتبقي على النظام الموازي لكل مساحة؛ 3) تحديد درجة حرارة الهواء الجاف للأنظمة الموازية (أعلى من درجة حرارة نقطة الندى للمساحة لتجنب التكثيف)؛ 4) تحديد معدل تدفق هواء التغذية لكل جهاز تبريد محسوس موازي.

الطاقة والتكلفة

أُجريت العديد من الدراسات لإثبات كفاءة أنظمة التكييف والتبريد المخصصة (DOAS) من حيث الطاقة والتكلفة باستخدام المحاكاة. قام ختار وبراندمويل بمحاكاة النظام المتوازي ونظام تقليدي أحادي في متجر تجزئة كبير في دالاس وسانت لويس وواشنطن العاصمة ونيو أورليانز. [ 13 ] أظهرت الدراسة توفيرًا سنويًا في الطاقة يتراوح بين 14% و27%، وانخفاضًا في سعة المعدات بنسبة تتراوح بين 15% و23% لنظام التبريد المتوازي. قارن جيونغ وآخرون كفاءة نظام التكييف والتبريد المخصص (DOAS) المزود بألواح إشعاعية سقفية متوازية مع نظام VAV تقليدي مزود بموفر طاقة جانبي للهواء، وذلك في مساحة مكتبية تبلغ حوالي 3000 قدم مربع (280 مترًا مربعًا ) في مبنى تعليمي في بنسلفانيا. [ 9 ] أشارت هذه الدراسة إلى انخفاض بنسبة 42% في استهلاك الطاقة السنوي لنظام التكييف والتبريد المخصص (DOAS)، مع توفير كبير في استهلاك الطاقة لكل من المروحة والمبرد. قيّم إيمريش وماكدويل إمكانية توفير الطاقة لأنظمة التكييف والتبريد المخصصة (DOAS) في المباني التجارية الأمريكية. [ 14 ] تم تطوير نموذج المبنى ليتوافق مع الإنشاءات الجديدة النموذجية ويلبي متطلبات معيار ASHRAE 90.1. [ 15 ] أشارت نتائج المحاكاة إلى أن نظام DOAS الكامل أدى إلى توفير في تكاليف الطاقة السنوية لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء يتراوح بين 21% و38%. [ 14 ] 

مراجع

  1. ↑ كواد، دبليو (سبتمبر 1999). "تكييف هواء التهوية لتحسين الأداء وجودة الهواء". هندسة أنظمة التكييف والتهوية عالية الأداء : 49-56 .
  2. ↑ جاتلي، د.ب. (سبتمبر 2000). "تحسينات الترطيب لوحدات مناولة الهواء التي تستخدم هواءً خارجيًا بنسبة 100%. الجزء 1 من 3". هندسة أنظمة التكييف والتهوية عالية الأداء : 27-32 .
  3. ↑ جاتلي، د.ب. (أكتوبر 2000). "تحسينات الترطيب لوحدات مناولة الهواء التي تستخدم هواءً خارجيًا بنسبة 100%. الجزء 2 من 3". هندسة أنظمة التكييف عالية الأداء : 51-59 .
  4. ↑ جاتلي، د.ب. (نوفمبر 2000). "تحسينات الترطيب لوحدات مناولة الهواء التي تستخدم هواءً خارجيًا بنسبة 100%. الجزء 3 من 3". هندسة أنظمة التكييف والتهوية عالية الأداء : 31-35 .
  5. 1 2 3 4 5 "أنظمة الهواء الخارجي المخصصة (DOAS)" . doas.psu.edu . تم الاطلاع عليه بتاريخ 15-11-2010 .
  6. ↑ ماما، س؛ واي بي كي (1998). "الاختبار الميداني لاستراتيجيات التحكم المتقدمة في التهوية لأنظمة حجم الهواء المتغير". مجلة البيئة الدولية . 24 (4): 439-450 . doi : 10.1016/S0160-4120(98)00024-5 .
  7. ↑ كونروي، سي إل؛ إس. موما (2001). "ألواح التبريد الإشعاعي السقفية كتقنية تبريد محسوسة موزعة متوازية قابلة للتطبيق ومتكاملة مع أنظمة الهواء الخارجي المخصصة". معاملات الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء . 107 : 5778-585 .
  8. ↑ دليل ASHRAE لعام 2008 - أنظمة ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، ASHRAE، Inc، 2008.
  9. 1 2 جيونغ، جيه دبليو؛ إس. موما؛ دبليو. بانفليث (2003). "فوائد ترشيد الطاقة لنظام هواء خارجي مخصص مع تبريد محسوس موازٍ بواسطة ألواح إشعاعية سقفية". معاملات ASHRAE . 109 : 627-636 .
  10. ↑ موريس، دبليو. (مايو 2003). "أساسيات أنظمة التهوية الخارجية المخصصة". مجلة ASHRAE : 24-29 .
  11. ↑ ماما، إس إيه (مايو 2001). "تصميم أنظمة الهواء الخارجي المخصصة". مجلة ASHRAE : 28-31 .
  12. ↑ الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء (2007). معيار ASHRAE 62.1. أتلانتا، جورجيا
  13. ↑ ختار، م.ك.؛ براندمويل، م.ج. (مايو 2002). "فصل V في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء: نهج المسار المزدوج". مجلة ASHRAE : 31-42 .
  14. 1 2 إس. جيه. إميريش؛ تي. ماكدويل (يوليو 2005). التقييم الأولي لأنظمة التهوية بالإزاحة وأنظمة الهواء الخارجي المخصصة في المباني التجارية (تقرير). وكالة حماية البيئة الأمريكية، واشنطن العاصمة.
  15. ↑ الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء (2007). معيار ASHRAE 90.1. أتلانتا، جورجيا