حجم هواء متغير

نظام حجم الهواء المتغير ( VAV ) هو نوع من أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء ( HVAC ). على عكس أنظمة حجم الهواء الثابت (CAV) التي توفر تدفق هواء ثابتًا عند درجة حرارة متغيرة، فإن أنظمة VAV تُغير تدفق الهواء عند درجة حرارة ثابتة أو متغيرة. ^{[ 1 ] [ 2 ]} تشمل مزايا أنظمة VAV مقارنةً بأنظمة الحجم الثابت: تحكمًا أدق في درجة الحرارة، وتقليل تآكل الضاغط، وانخفاض استهلاك الطاقة لمراوح النظام، وتقليل ضوضاء المراوح، بالإضافة إلى إزالة الرطوبة السلبية. ^{[ 3 ]}

صندوق VAV هو الوحدة المسؤولة عن التحكم في تدفق الهواء. يُعدّ تكوين طرف القناة المفردة أبسط أنواع التكوينات، حيث يتم توصيل صندوق VAV بقناة إمداد هواء واحدة تنقل الهواء المعالج من وحدة معالجة الهواء (AHU) إلى الحيز الذي يخدمه الصندوق. ^{[ 2 ]} يتيح هذا التكوين توفير الهواء بدرجات حرارة أو أحجام هواء متغيرة لتلبية احتياجات التدفئة والتبريد، بالإضافة إلى معدلات التهوية المطلوبة للمكان. ^{[ 2 ]}

في أغلب الأحيان، تكون صناديق VAV مستقلة عن الضغط، أي أنها تستخدم أدوات تحكم لتوفير معدل تدفق ثابت بغض النظر عن تغيرات ضغط النظام عند مدخل VAV. ^{[ 2 ]} ويتم ذلك بواسطة مستشعر تدفق هواء مثبت عند مدخل VAV، حيث يقوم بفتح أو إغلاق صمام التحكم داخل الصندوق لضبط تدفق الهواء. ^{[ 2 ]} ويكمن الفرق بين صندوق CAV وصندوق VAV في أن صندوق VAV قابل للبرمجة للتنقل بين نقاط ضبط مختلفة لمعدل التدفق، وذلك تبعًا لظروف المكان. يُبرمج صندوق VAV للعمل بين حد أدنى وحد أقصى لتدفق الهواء، ويمكنه تعديل تدفق الهواء بناءً على الإشغال أو درجة الحرارة أو غيرها من معايير التحكم. ^{[ 4 ]} بينما يقتصر عمل صندوق CAV على قيمة ثابتة أو قيمة قصوى أو حالة "إيقاف". ^{[ 5 ]} هذا الاختلاف يعني أن صندوق VAV يوفر تحكمًا أدق في درجة حرارة المكان مع استهلاك طاقة أقل بكثير. من الأسباب الأخرى التي تجعل صناديق VAV توفر المزيد من الطاقة هو اقترانها بمحركات متغيرة السرعة للمراوح ، مما يسمح للمراوح بخفض سرعتها عند تعرض صناديق VAV لأحمال جزئية. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

من الشائع أن تتضمن صناديق التحكم في تدفق الهواء المتغير (VAV) نوعًا من إعادة التسخين، إما ملفات تسخين كهربائية أو مائية. ^{[ 4 ]} بينما تعمل الملفات الكهربائية على مبدأ التسخين بالمقاومة الكهربائية، حيث تُحوّل الطاقة الكهربائية إلى حرارة عبر المقاومة الكهربائية، يستخدم التسخين المائي الماء الساخن لنقل الحرارة من الملف إلى الهواء. يسمح وجود ملفات إعادة التسخين للصندوق بضبط درجة حرارة الهواء المُزوّد ​​لتلبية أحمال التدفئة في المكان مع توفير معدلات التهوية المطلوبة. ^{[ 2 ]} في بعض التطبيقات، قد يتطلب المكان معدلات تغيير هواء عالية جدًا، مما يُسبب خطر التبريد الزائد. ^{[ 5 ]} في هذه الحالة، يمكن لملفات إعادة التسخين رفع درجة حرارة الهواء للحفاظ على درجة الحرارة المطلوبة في المكان. ^{[ 2 ]} يميل هذا السيناريو إلى الحدوث خلال مواسم التبريد في المباني التي تحتوي على مناطق محيطية وداخلية. تتطلب المناطق المحيطية، الأكثر تعرضًا لأشعة الشمس، درجة حرارة هواء مُزوّد ​​أقل من وحدة معالجة الهواء مقارنةً بالمناطق الداخلية، الأقل تعرضًا لأشعة الشمس والتي تميل إلى البقاء أكثر برودة من المناطق المحيطية عند تركها بدون تكييف. مع توفير نفس درجة حرارة الهواء المُزوَّد لكلا المنطقتين، يجب على ملفات إعادة التسخين تسخين الهواء للمنطقة الداخلية لتجنب التبريد الزائد. ^{[ 8 ]}

معدل تدفق الهواء في منفاخ الهواء متغير. بالنسبة لوحدة معالجة هواء ذات حجم تدفق متغير واحد تخدم مناطق حرارية متعددة، يجب تغيير معدل التدفق إلى كل منطقة على حدة.

وحدة التحكم الطرفية VAV ، ^{[ 9 ]} والتي تُسمى غالبًا صندوق VAV ، هي جهاز للتحكم في تدفق الهواء على مستوى المنطقة. وهي عبارة عن مخمد هواء مُعاير مزود بمشغل أوتوماتيكي . تتصل وحدة التحكم الطرفية VAV بنظام تحكم محلي أو مركزي. تاريخيًا، كان التحكم الهوائي شائعًا، ولكن أنظمة التحكم الرقمية الإلكترونية المباشرة تحظى بشعبية خاصة في التطبيقات متوسطة وكبيرة الحجم. كما أن التحكم الهجين، الذي يجمع بين المشغلات الهوائية وجمع البيانات الرقمية، شائع أيضًا. ^{[ 10 ]}

يوضح الرسم التخطيطي أحد التطبيقات التجارية الشائعة. يتكون نظام VAV هذا من صندوق VAV، وقنوات تهوية، وأربعة منافذ هواء.

يُعدّ التحكم في قدرة مروحة النظام أمرًا بالغ الأهمية في أنظمة VAV. فبدون تحكم دقيق وسريع في معدل التدفق، قد تتضرر مجاري النظام أو مانعات التسرب فيه بسهولة نتيجةً لزيادة الضغط. في وضع التبريد، عندما تصل درجة الحرارة في المكان إلى المستوى المطلوب، يُغلق صندوق VAV للحد من تدفق الهواء البارد إلى المكان. وعندما ترتفع درجة الحرارة، يُفتح الصندوق لخفضها مجددًا. تحافظ المروحة على ضغط ثابت في قناة التفريغ بغض النظر عن موضع صندوق VAV. لذلك، عند إغلاق الصندوق، تتباطأ المروحة أو تُقلل كمية الهواء الداخل إلى قناة التزويد. وعند فتح الصندوق، تزداد سرعة المروحة وتسمح بتدفق المزيد من الهواء إلى القناة، مع الحفاظ على ضغط ثابت. ^{[ 11 ]}

من التحديات التي تواجه أنظمة التحكم في تدفق الهواء المتغير (VAV) توفير تحكم مناسب في درجة الحرارة لمناطق متعددة ذات ظروف بيئية مختلفة، مثل مكتب على الواجهة الزجاجية الخارجية للمبنى مقابل مكتب داخلي في نهاية الممر. توفر أنظمة القنوات المزدوجة هواءً باردًا في قناة وهواءً دافئًا في قناة أخرى لتوفير درجة حرارة مناسبة للهواء المختلط لأي منطقة. إلا أن إضافة قناة إضافية أمر مرهق ومكلف. غالبًا ما يكون تسخين الهواء من قناة واحدة، باستخدام التدفئة الكهربائية أو الماء الساخن، حلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة. ^{[ 12 ]}

تستخدم أنظمة إعادة التسخين التقليدية ذات التدفق المتغير للهواء (VAV) معدلات تدفق هواء دنيا تتراوح بين 30% و50% من معدل تدفق الهواء التصميمي. ويتم اختيار هذه المعدلات الدنيا لتجنب مخاطر نقص التهوية ومشاكل الراحة الحرارية. ومع ذلك، فإن الأبحاث المنشورة التي تدعم فعالية هذا النهج قليلة. وتستهلك الأنظمة التي تعمل بمعدلات تدفق هواء دنيا أقل (من 10% إلى 20% من معدل تدفق الهواء التصميمي) طاقة أقل للمروحة وملف إعادة التسخين مقارنةً بالنظام التقليدي، وقد أظهرت الأبحاث الحديثة أنه لا يزال من الممكن تحقيق الراحة الحرارية والتهوية الكافية عند هذه المعدلات الدنيا المنخفضة. ^{[ 13 ]}

تستخدم أنظمة إعادة التسخين ذات التدفق المتغير للهواء (VAV) التي تعتمد على الحد الأدنى الأعلى لتدفق الهواء عادةً تسلسل تحكم تقليدي "بحد أقصى واحد". في هذا التسلسل، يتم اختيار نقطة ضبط واحدة لأقصى تدفق هواء للتبريد وفقًا لظروف التبريد التصميمية. ثم يُخفض تدفق هواء التبريد تدريجيًا إلى الحد الأدنى، حيث يبقى ثابتًا مع انخفاض درجة حرارة المكان عن نقطة ضبط درجة حرارة التبريد. عند الوصول إلى نقطة ضبط التدفئة، يتم تشغيل ملف التسخين الكهربائي أو المائي، والذي يوفر المزيد من الحرارة تدريجيًا حتى الوصول إلى أقصى قدرة تسخين عند درجة حرارة التدفئة التصميمية. ^{[ 14 ]}

أظهرت الأبحاث أن استخدام تسلسل تحكم مختلف، يُعرف باسم "الحد الأقصى المزدوج"، يُمكن أن يوفر كميات كبيرة من الطاقة مقارنةً بتسلسل التحكم التقليدي "الحد الأقصى الأحادي". ويتحقق ذلك بفضل استخدام تسلسل "الحد الأقصى المزدوج" لمعدلات تدفق هواء دنيا أقل. ^{[ 14 ]} في هذا التسلسل، يتم اختيار نفس معدل تدفق الهواء الأقصى للتبريد، ويتم خفضه تدريجيًا مع انخفاض درجة حرارة المكان. وعندما تصل درجة حرارة المكان إلى درجة حرارة التبريد المطلوبة، يصل تدفق الهواء إلى قيمة دنيا أقل من تلك المستخدمة في تسلسل "الحد الأقصى الأحادي" (10% - 20% مقابل 30% - 50% من الحد الأقصى لتدفق هواء التبريد). وعندما تصل درجة حرارة المكان إلى درجة حرارة التدفئة المطلوبة، يتم تشغيل ملف التسخين، ويزيد من طاقته الكهربائية (للملفات الكهربائية) أو من وضع صمام الماء الساخن (للملفات المائية)، بينما يبقى تدفق الهواء عند الحد الأدنى المطلوب. عندما تصل ملفات التسخين إلى أقصى قدرة تسخين لها، ومع انخفاض درجة حرارة المكان أكثر، يتم زيادة تدفق الهواء حتى يصل إلى نقطة ضبط تدفق هواء التسخين القصوى (عادةً حوالي 50% من أقصى تدفق هواء التبريد). ^{[ 5 ]}