أنظمة المياه

نظام التدفئة والتبريد المائي ( من الكلمة اليونانية القديمة hydro- التي تعني " ماء " ) هو استخدام الماء السائل أو الماء الغازي ( البخار ) أو محلول مائي (عادةً ما يكون جليكول مع الماء) كوسيط لنقل الحرارة في أنظمة التدفئة والتبريد . ^{[ 1 ] [ 2 ]} ويُفرّق هذا الاسم بين هذه الأنظمة وأنظمة الزيت والمبردات . 

تاريخياً، في المباني التجارية الكبيرة كالأبراج السكنية والحرم الجامعية ، قد يشتمل نظام التدفئة والتبريد المائي على دائرة مياه مبردة وأخرى ساخنة، لتوفير التدفئة والتبريد . تُستخدم المبردات وأبراج التبريد إما بشكل منفصل أو معاً لتوفير التبريد المائي، بينما تقوم الغلايات بتسخين المياه . ومن الابتكارات الحديثة نظام الغلاية المبردة ، الذي يوفر نظاماً فعالاً للتدفئة والتبريد للمنازل والمساحات التجارية الصغيرة.

تعتمد العديد من المدن الكبرى على نظام تدفئة مركزية يوفر، عبر أنابيب تحت الأرض، مياه ساخنة ومبردة متاحة للعامة. ويمكن ربط المباني الواقعة ضمن نطاق هذه الخدمة بهذا النظام مقابل رسوم خدمة.

في أقدم تقنيات التدفئة المائية الحديثة، يقوم نظام بخار أحادي الأنبوب بتوصيل البخار إلى المشعات ، حيث يفقد البخار حرارته ويتكثف عائدًا إلى ماء. تُصمم المشعات وأنابيب إمداد البخار بزاوية ميل تسمح للجاذبية بنقل هذا المكثف في النهاية إلى أسفل عبر أنابيب إمداد البخار إلى المرجل، حيث يمكن تحويله مرة أخرى إلى بخار وإعادته إلى المشعات.

على الرغم من اسمه، لا يقوم المشعاع بتسخين الغرفة بالإشعاع بشكل أساسي. فإذا وُضع في المكان المناسب، فإنه يُحدث تيارًا حراريًا في الغرفة، وهو ما يُشكّل آلية نقل الحرارة الرئيسية. ومن المتعارف عليه عمومًا أنه للحصول على أفضل النتائج، يجب ألا يبعد المشعاع البخاري أكثر من 2.5 إلى 5 سم عن الجدار.

تُعاني أنظمة الأنابيب المفردة من قصور في قدرتها على توصيل كميات كبيرة من البخار (أي الحرارة) ، وفي التحكم بتدفق البخار إلى المشعات الفردية (لأن إغلاق مصدر البخار يحبس التكثيف في المشعات). وبسبب هذه القيود، لم تعد أنظمة الأنابيب المفردة الخيار المفضل.

تعتمد هذه الأنظمة على التشغيل السليم لصمامات تهوية الهواء الحرارية الموجودة على المشعات في جميع أنحاء المنطقة المُدفأة. عندما لا يكون النظام قيد الاستخدام، تكون هذه الصمامات مفتوحة للهواء الجوي، وتحتوي المشعات والأنابيب على الهواء. عند بدء دورة التدفئة، يُنتج المرجل بخارًا يتمدد ويُزيح الهواء من النظام. يخرج الهواء من النظام عبر صمامات تهوية الهواء الموجودة على المشعات وعلى أنابيب البخار نفسها. تُغلق الصمامات الحرارية عندما تسخن؛ وفي النوع الأكثر شيوعًا، يُمارس ضغط بخار كمية صغيرة من الكحول في الصمام القوة اللازمة لتشغيله ومنع البخار من الخروج من المشع. عندما يبرد الصمام، يدخل الهواء إلى النظام ليحل محل البخار المتكثف.

يمكن ضبط بعض الصمامات الحديثة للسماح بتصريف أسرع أو أبطأ. عمومًا، يجب أن تُصرّف الصمامات الأقرب إلى المرجل ببطء، بينما تُصرّف الصمامات الأبعد عنه بأسرع ما يمكن. من الناحية المثالية، يجب أن يصل البخار إلى كل صمام ويُغلقها جميعًا في الوقت نفسه، لكي يعمل النظام بأقصى كفاءة؛ وتُعرف هذه الحالة بالنظام "المتوازن".

في أنظمة البخار ذات الأنبوبين، يوجد مسار لعودة المكثفات، وقد يشمل ذلك مضخات بالإضافة إلى التدفق الناتج عن الجاذبية. ويمكن التحكم في تدفق البخار إلى كل مشعاع على حدة باستخدام صمامات يدوية أو أوتوماتيكية .

كما يوحي الاسم، فإن أنابيب الإرجاع تسلك أقصر مسار للعودة إلى الغلاية.

يختلف نظام الإرجاع العكسي ذو الأنبوبين، والذي يُطلق عليه أحيانًا "نظام الأنابيب الثلاثة"، عن نظام الأنبوبين في طريقة عودة الماء إلى المرجل. ففي نظام الأنبوبين، بمجرد خروج الماء من المشع الأول، يعود إلى المرجل لإعادة تسخينه، وهكذا مع المشع الثاني والثالث، وهكذا. أما في نظام الإرجاع العكسي ذي الأنبوبين، فيمر أنبوب الإرجاع إلى آخر مشع في النظام قبل أن يعود إلى المرجل لإعادة تسخينه.

تستخدم الأنظمة الحديثة في الغالب الماء الساخن بدلاً من البخار. وهذا يتيح إمكانية استخدام الماء المبرد لتوفير تكييف الهواء .

في المنازل، قد تكون دائرة المياه بسيطةً كأنبوب واحد يُعيد تدوير الماء عبر جميع المشعات في منطقة معينة. في هذا النظام، لا يمكن التحكم في تدفق الماء إلى كل مشع على حدة، لأن الماء يتدفق عبر جميع المشعات في المنطقة. أما الأنظمة الأكثر تعقيدًا، فتستخدم أنبوبًا رئيسيًا يتدفق فيه الماء بشكل متواصل حول المنطقة، حيث تستمد كل مشع جزءًا صغيرًا من هذا التدفق. في هذه الأنظمة، يمكن التحكم في تدفق الماء إلى كل مشع على حدة. بدلاً من ذلك، يمكن تركيب عدة دوائر تحتوي كل منها على عدة مشعات، ويتم التحكم في تدفق الماء في كل دائرة أو منطقة بواسطة صمام منطقة متصل بمنظم حرارة .

في معظم أنظمة المياه، يتم تدوير الماء بواسطة مضخة تدوير واحدة أو أكثر . وهذا يختلف تمامًا عن أنظمة البخار حيث يكون ضغط البخار كافيًا لتوزيعه إلى نقاط بعيدة في النظام. ويمكن تقسيم النظام إلى مناطق تسخين منفصلة باستخدام مضخات تدوير متعددة أو مضخة واحدة وصمامات مناطق تعمل بالكهرباء .

لقد طرأت تحسينات كبيرة على كفاءة نظام التدفئة المائية وبالتالي على تكاليف تشغيله مع إدخال منتجات العزل.

تُغطى أنابيب نظام ألواح المشعات بمادة مطاطية مرنة وخفيفة الوزن ومقاومة للحريق، مصممة خصيصًا للعزل الحراري. وتتحسن كفاءة التدفئة الأرضية بتركيب حاجز حراري مصنوع من الرغوة. وتتوفر حاليًا في السوق العديد من المنتجات ذات تصنيفات طاقة وطرق تركيب مختلفة.

تتطلب معظم أنظمة التدفئة المائية موازنة . تتضمن هذه العملية قياس وضبط تدفق الماء لتحقيق توزيع أمثل للطاقة في النظام. في النظام المتوازن، يحصل كل مشع حراري على كمية كافية من الماء الساخن لتسخينه بالكامل.

قد تستخدم أنظمة المياه المنزلية مياه الصنبور العادية، لكن الأنظمة التجارية المتطورة غالباً ما تضيف مواد كيميائية مختلفة إلى مياه النظام. على سبيل المثال، قد تحتوي هذه المواد الكيميائية المضافة على:

• يمنع التآكل
• منع تجمد الماء في النظام
• ارفع درجة غليان الماء في النظام
• يمنع نمو العفن والبكتيريا
• السماح بتحسين اكتشاف التسرب (على سبيل المثال، الأصباغ التي تتألق تحت الأشعة فوق البنفسجية )

يجب أن تحتوي جميع أنظمة التدفئة المائية على وسيلة للتخلص من الهواء. وينبغي أن يستمر النظام المصمم بشكل صحيح والخالي من الهواء في العمل بشكل طبيعي لسنوات عديدة.

يُسبب الهواء ضوضاءً مزعجة في النظام، ويعيق انتقال الحرارة بشكل سليم من وإلى السوائل المتداولة. إضافةً إلى ذلك، ما لم يتم خفض تركيزه إلى ما دون المستوى المقبول، فإن الأكسجين المذاب في الماء يُسبب التآكل . هذا التآكل قد يُؤدي إلى تراكم الصدأ والترسبات على الأنابيب. مع مرور الوقت، قد تنفصل هذه الجزيئات وتنتشر داخل الأنابيب، مما يُقلل من التدفق أو حتى يسده تمامًا، فضلًا عن إتلاف موانع التسرب في المضخة ومكونات أخرى.

يتمدد الماء عند تسخينه وينكمش عند تبريده. لذا، يجب أن يحتوي نظام التدفئة والتبريد المائي على خزان تمدد واحد أو أكثر لاستيعاب هذا التغير في حجم سائل التشغيل. غالبًا ما تستخدم هذه الخزانات غشاءً مطاطيًا مضغوطًا بالهواء المضغوط . يستوعب خزان التمدد الماء المتمدد عن طريق ضغط الهواء، مما يساعد في الحفاظ على ضغط ثابت تقريبًا في النظام مع تغير حجم السائل المتوقع. كما تُستخدم أيضًا خزانات بسيطة مفتوحة على الضغط الجوي.

يتمدد الماء بشكل كبير عند تبخره، أو تحوله إلى بخار. ويمكن لأنابيب التوزيع أن تساعد في استيعاب هذا التبخر الذي قد يحدث عند دخول المكثفات ذات الضغط العالي إلى منطقة ذات ضغط منخفض. ^{[ 3 ]}

عادةً ما يتم توصيل أنظمة التدفئة المائية بمصدر مياه (مثل شبكة المياه العامة). ويقوم صمام أوتوماتيكي بتنظيم كمية المياه في النظام، كما يمنع ارتداد مياه النظام (وأي مواد كيميائية لمعالجة المياه) إلى مصدر المياه.

قد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة أو الضغط بشكل مفرط إلى تعطل النظام. ولذلك، يُزود النظام دائمًا بصمام أمان واحد على الأقل، يجمع بين الحماية من ارتفاع درجة الحرارة والضغط ، للسماح بتصريف البخار أو الماء إلى الغلاف الجوي في حال تعطل أي آلية (مثل نظام التحكم في درجة حرارة الغلاية)، وذلك لتجنب حدوث انفجار كارثي في ​​الأنابيب أو المشعات أو الغلاية. يحتوي صمام الأمان عادةً على مقبض تشغيل يدوي لتسهيل اختباره وتنظيفه من الشوائب (مثل الرواسب) التي قد تتسبب في تسربه في ظل ظروف التشغيل العادية.

قد يؤدي التكثيف السريع للبخار إلى ظاهرة الطرق المائي ، التي تتسبب، أثناء التغير السريع في الحجم من غاز إلى سائل، في توليد قوة فراغية هائلة. وهذا بدوره قد يُلحق الضرر بالوصلات والصمامات والمعدات، بل وقد يُدمرها. ويُسهم التصميم السليم وإضافة صمامات كسر الفراغ في تقليل مخاطر هذه المشاكل أو القضاء عليها تمامًا. ^{[ 4 ]}

• منظم حرارة الماء
• التدفئة المركزية
• موازنة نظام المياه
• التبريد الإشعاعي
• التدفئة الإشعاعية
• قانون الميكانيكا الموحد