تهویه مطبوع هوا به عملیات کنترل دما، رطوبت و سرعت هوای داخل یک محیط، گفته می شود. حاصل و نتیجه ی این فرآیند فراهم نمودن شرایط آسایش حرارتی می باشد. سیستم هایی که کل یا بخشی از این عملیات را بتوانند انجام دهند را سیستم تهویه مطبوع می گویند.

از تهویه مطبوع می‌توان در هر دو محیط مسکونی و تجاری استفاده کرد. این فرایند برای خنک­ کردن و رطوبت­ زدایی اتاق‌های پر از وسایل الکترونیکی تولیدکننده گرما، مانند سرورهای رایانه­ ای، و یا نگهداری برخی از محصولات حساس مانند آثار هنری نیز استفاده می‌شود.

سیستم‌های تهویه مطبوع هوا شامل واحدهای AC مبتنی بر مبرد الکتریکی است که طیف وسیعی از جمله واحدهای کوچک خنک‌کننده یک اتاق خواب کوچک، تا واحدهای عظیم نصب­ شده روی سقف برج‌های اداری که می‌توانند کل ساختمان را خنک کنند، در بر می‌گیرند. سرمایش معمولا از طریق یک چرخه تبرید بدست می‌آید، اما گاهی اوقات از تبخیر یا سرمایش آزاد استفاده می‌شود. سیستم‌های تهویه مطبوع همچنین می‌توانند بر اساس خشک ­کننده (مواد شیمیایی که رطوبت هوا را از بین می‌برند) ساخته شوند.

تهویه هوا

نحوه عملکرد سیستم های تهویه مطبوع

سیستم های چرخه تبرید

سرمایش در سیستم‌های AC سنتی با استفاده از چرخه فشرده سازی بخار انجام می‌شود، که از گردش اجباری و تغییر فاز یک مبرد بین گاز و مایع برای انتقال گرما استفاده می‌کند.

چرخه چگالیده­ کردن بخار می‌تواند در یک واحد مجزا مانند کمپرسور، یا درون یک چیلر اتفاق بیافتد. که به تجهیزات خنک­‌کننده ترمینال از سمت تبخیرکننده آن، و به تجهیزات دفع گرما از سمت کندانسور آن وصل شده است.

سیستم های سرمایش تبخیری

در آب و هوای بسیار خشک، کولرهای تبخیری مانند ایرواشر برای بهبود خنکی در هوای گرم بیشترین کارایی را دارند. یک کولر تبخیری وسیله‌­ای است که هوای بیرون را از طریق یک پد مرطوب، مانند یک اسفنج بزرگ خیس شده با آب، جذب می‌کند. دمای هوای ورودی کاهش می­‌یابد، ولی مرطوب­تر نیز می­‌شود. مقداری از گرمای هوای ورودی با تبخیر آب در پدهای مرطوب کولر به گرمای نهان تبدیل می‌شود. اگر هوای ورودی به اندازه کافی خشک باشد، نتایج آن می­توانند بسیار قابل توجه باشند.

کولرهای تبخیری در مواقعی که رطوبت زیاد باشد بازدهی مناسبی ندارند. برخلاف انواع دیگر سیستم های تهویه‌ مطبوع، کولرهای تبخیری به هوای بیرون تکیه می‌کنند تا از طریق پدهای خنک کننده‌­ای که هوا را خنک می‌کنند کنترل شوند. این هوای بیرونی خنک­‌شده باید امکان این را داشته باشد تا هوای گرمتر درون خانه را از طریق یک دریچه خروجی، مانند درب باز یا پنجره باز به بیرون هدایت کند. این کولرها هزینه کمتری برای تهویه هوا دارند و از لحاظ مکانیکی، درک و نگهداری آن‌ها ساده است.

سرمایش آزاد

تهویه مطبوع را می‌توان با فرآیندی به نام سرمایش آزاد نیز فراهم کرد که از پمپ استفاده می‌کند تا یک خنک کننده مانند هوا، آب یا مخلوط گلیکول آب از یک منبع سرما را به گردش درآورد، که به نوبه خود، برای انرژی­‌ای که از فضای خنک شده خارج شده است، به عنوان یک چاه گرمایی عمل می­کند. وسایل ذخیره‌­سازی معمول، هوای بیرونی خنک، سفره­‌های زیر زمینی عمیق، یا توده سنگ­‌های زیرزمینی طبیعی هستند که از طریق مجموعه‌­ای از سوراخ‌­ها با قطر کوچک قابل دسترسی هستند.

برخی از سیستم‌های دارای ظرفیت ذخیره‌­سازی اندک تهویه هوا ، سیستم­‌های ترکیبی هستند که در ابتدای دوره خنک­‌سازی از سرمایش آزاد استفاده می‌کنند و در ادامه از یک پمپ حرارتی برای خنک کردن گردش ناشی از ذخیره‌ساز استفاده می‌کنند. پمپ حرارتی به این دلیل اضافه می‌شود که دمای ذخیره‌ساز در طی دوره سرمایش به تدریج افزایش می‌یابد و به این ترتیب اثربخشی آن کاهش می‌یابد.

سیستم‌های سرمایش آزاد می‌توانند از راندمان بسیار بالایی برخوردار باشند و برخی اوقات با ذخیره انرژی گرمایی فصلی (STES) ادغام می‌شوند تا اینکه بتوان از سرمای زمستان برای تهویه مطبوع تابستان استفاده کرد. سیستم‌های سرمایش آزاد و ترکیبی، فناوری کاملی هستند.

سیستم های تهویه مطبوع شامل چهار بخش اصلی است:

  1. مولد (Generator) مانند : فن ، موتور
  2. سیستم انتقال و توزیع (Distribution) مانند : کانال
  3. تبادل کننده (Terminal transform) مانند : دریچه
  4. کنترل کننده (control) مانند : دمپر، شیر، کلید، ترموستات

سیستم تهویه مطبوع از دو جهت تقسیم بندی می شوند.

  1. دسته بندی از نظر مستقل یا مرکزی بودن:
    اول اینکه هر واحد یک دستگاه خنک کننده جداگانه و پکیج جداگانه داشته باشند و دوم اینکه همه ی واحد های یک ساختمان به موتور خانه متصل باشند و از چیلر برای آب سرد و از بویلر برای آب گرم در سیستم تهویه مطبوع استفاده کنند.
  2. دسته بندی از نظر سیال حمال انرژی
    1. سیستم تمام آب
    2. تمام هوا
    3. سیستم آب و هوا
    4. سیستم های انبساط مستقیم DX

کاربردهای سیستم های تهویه مطبوع

مهندسان تهویه مطبوع برنامه‌های تهویه مطبوع را به طور گسترده به کاربردهای آسایشی و فرآیندی تقسیم می‌کنند.

کاربرد آسایشی

هدف کاربردهای آسایشی ثابت نگه داشتن دمای یک محیط بسته است که با وجود تغییر در شرایط آب و هوایی خارجی یا در بارهای گرمایی داخلی، نسبتاً ثابت باقی می‌ماند.

تهویه مطبوع هوا، ساخت ساختمان‌های پلان عمیق را ممکن می‌سازد، زیرا در غیر این صورت باید باریک­تر یا با نورگیر ساخته می‌شدند تا فضای داخلی از طریق تهویه طبیعی، هوای کافی را از فضای بیرون دریافت کند. تهویه مطبوع همچنین اجازه می‌دهد ساختمان‌ها بلندتر باشند، زیرا سرعت باد، به میزان قابل توجهی با ارتفاع افزایش می‌یابد و باعث می‌شود تهویه طبیعی برای ساختمان‌های بسیار بلند غیر عملی باشد. کاربردهای تهویه در ایجاد آرامش برای انواع مختلف ساختمان متفاوت است و می‌توانند به صورت زیر طبقه بندی شوند:

  • ساختمان‌های تجاری، که برای تجارت ساخته شده‌­اند، از قبیل دفاتر، فروشگاه‌های بزرگ، مراکز خرید، رستوران­ها و غیره.
  • ساختمان‌­های مسکونی بسیار مرتفع مانند خوابگاه­‌های بلند و بلوک­‌های آپارتمانی
  • فضاهای صنعتی که آسایش حرارتی کارگران مورد نظر است.
  • خودرو، هواپیما و قایق­‌هایی که مسافر یا کالاهای تازه را حمل می‌کنند.
  • ساختمان‌های رسمی، که شامل ساختمان‌های دولتی، بیمارستان‌ها، مدارس و غیره است.
  • ساختمان‌های مسکونی کم‌­ارتفاع، از جمله خانه‌های تک خانوار، دو خانوار و ساختمان‌های کوچک آپارتمانی
  • استادیوم های ورزشی، مانند استادیوم دانشگاه فونیکس و در قطر برای جام جهانی 2022

بدن زنان به طور متوسط ​​نرخ سوخت و ساز قابل توجه کمتری نسبت به مردان دارند. استفاده از دستورالعمل­‌های نادرست نرخ سوخت و ساز برای طراحی تهویه مطبوع می‌تواند منجر به تجهیزات نامتناسب و با کارآمدی کمتر شود، و تنظیم نقاط عملکرد سیستم بسیار سرد می تواند منجر به کاهش بهره‌­وری کارگر شود.

علاوه بر ساختمان‌ها، تهویه مطبوع می‌تواند برای بسیاری از انواع حمل و نقل از جمله خودرو، اتوبوس و سایر وسایل نقلیه زمینی، قطار، کشتی، هواپیما و فضاپیما نیز استفاده شود.

کاربرد مسکونی

تهویه مطبوع در ایالات متحده متداول است و 88٪ خانه‌های تک­خانوار که در سال 2011 ساخته شدند شامل تهویه مطبوع هستند، و از 99٪ در جنوب تا 62٪ در غرب را در بر می‌گیرند. کشورهای اروپای جنوبی مانند یونان در سال‌های اخیر شاهد گسترش گسترده واحدهای تهویه مطبوع منزل بوده­‌اند. در یکی دیگر از کشورهای جنوب اروپا، مالت، تخمین زده می‌شود که حدود 55٪ از خانوارها دارای سیستم تهویه مطبوع باشند.

کاربردهای فرآیندی

هدف از کاربردهای فرآیندی تهویه هوا ، صرف نظر از بارهای رطوبتی و گرمای داخلی و شرایط آب و هوایی خارجی، ایجاد یک محیط مناسب برای فرآیندی است که در حال انجام شدن است. این نیازهای فرایند است که شرایط را تعیین می‌کند، نه اولویت انسان. کاربردهای فرآیندی شامل موارد زیر است:

  • آزمایشگاه­‌های شیمیایی و بیولوژیکی
  • اتاق‌های تمیز برای تولید مدارهای مجتمع، داروسازی و مواردی از این دست که در آن‌ها سطوح بسیار بالایی از پاکیزگی هوا و کنترل دما و رطوبت برای موفقیت فرآیند لازم است.
  • کنترل زیست­‌محیطی مراکز داده
  • امکاناتی برای پرورش حیوانات آزمایشگاهی. از آنجا که بسیاری از حیوانات معمولا فقط در بهار تولید مثل می‌کنند، نگه داشتن آنها در اتاق‌هایی که در آن‌ها شرایط بهار فراهم شده باعث می‌شود که آن‌ها در طول سال تولید مثل کنند.
  • مناطقی که در آن‌ها آشپزی و فرآوری مواد غذایی انجام می‌شود
  • اتاق‌های عمل بیمارستانی که در آن هوا برای کاهش خطر عفونت تا حد زیادی فیلتر می‌شود و رطوبت برای محدود کردن کمبود آب بدن بیمار، کنترل می‌شود. اگرچه درجه حرارت اغلب در محدوده مجاز است، برخی از روش‌های تخصصی مانند جراحی قلب باز، به دمای پایین (حدود 18 درجه سانتیگراد، 64 درجه فارنهایت) و سایر موارد مانند نوزادان تازه متولد شده به دمای نسبتاً بالا (حدود 28 درجه سانتیگراد، 82 درجه سانتیگراد) نیاز دارند.
  • محیط های صنعتی
  • معدن­‌کاری
  • تأسیسات انرژی هسته‌­ای
  • امکانات آزمایش فیزیکی
  • مناطق رشد گیاهان و مزارع
  • تولید منسوجات
  • کنترل خرد اقلیم، مانند جعبه­‌های با رطوبت ثابت و مجموعه­‌های مربوط به میراث فرهنگی

در هر دو کاربرد آسایشی و فرآیندی تهویه هوا ، هدف ممکن است تنها کنترل دما نباشد، بلکه رطوبت، کیفیت هوا و حرکت هوا از فضایی به فضای دیگر نیز کنترل شود.

تاثیرات سلامتی سیستم تهویه مطبوع

در هوای گرم، تهویه مطبوع می‌تواند از گرمازدگی، کم­‌آبی در اثر تعریق بیش از حد و سایر مشکلات مربوط به گرمازدگی جلوگیری کند. امواج گرما کشنده­‌ترین نوع پدیده هوایی در کشورهای توسعه یافته است. از تهویه مطبوع (مانند تصفیه، مرطوب‌­کردن، سرمایش و ضد عفونی کردن) می‌توان استفاده کرد تا فضایی تمیز، ایمن و ضد محرک آلرژی در اتاق عمل بیمارستان و سایر محیط­‌هایی که جو مناسب برای ایمنی و رفاه بیمار ضروری است، فراهم شود. تهویه مطبوع گاهی اوقات برای افرادی که به آلرژی مبتلا هستند، برای استفاده خانگی توصیه می‌شود.

برج های خنک­‌کننده آب برای تهویه هوا که به طور نامناسب نگهداری می‌شوند، می‌توانند رشد و گسترش میکروارگانیسم هایی مانند لژیونلا پنوموفیلا، عامل عفونی مسئول بیماری لژیونر را تقویت کنند. تا زمانی که برج خنک­‌کننده تمیز نگه داشته شود (معمولاً با استفاده از کلر)، از خطرات سلامتی جلوگیری شده یا کاهش می یابند. ایالت نیویورک شرایط لازم را برای ثبت، نگهداری و آزمایش برج های خنک­‌کننده برای محافظت در برابر لژیونلا مدون کرده است.

تاثیرات زیست­‌محیطی سیستم تهویه مطبوع

مصرف برق و راندمان

تولید برق مورد استفاده برای تهویه های مطبوع دارای تأثیرات زیست محیطی از جمله انتشار گازهای گلخانه­‌ای است. طبق بررسی دولت در سال 2015، 87٪ از خانه‌های ایالات متحده از تهویه مطبوع استفاده می‌کنند و 65٪ از این خانه‌ها دارای تهویه مطبوع مرکزی هستند. بیشتر خانه‌های دارای تهویه مطبوع مرکزی دارای ترموستات قابل برنامه­‌ریزی هستند، اما تقریباً دو سوم خانه‌هایی که دارای تهویه مطبوع مرکزی هستند از این ویژگی برای راندمان انرژی بیشتر خانه‌های خود استفاده نمی‌کنند.

مبردها

انتخاب سیال­‌های کاری (مبرد) نه تنها بر عملکرد دستگاه­‌های تهویه مطبوع بلکه بر محیط زیست نیز تأثیر چشمگیری می‌گذارد. بیشتر مبردهای مورد استفاده برای تهویه مطبوع در گرم شدن کره زمین نقش دارند و بسیاری نیز لایه اوزون را تخریب می‌کنند. CFC ها، HCFC ها و HFC ها گازهای گلخانه‌­ای هستند و هنگامی که به جو نشت می‌کنند تاثیر زیادی بر آن می‌گذارند.

استفاده از CFC به عنوان مبرد در ابتدا متداول بود، از جمله مبردهای R-11 و R-12 (که تحت نام تجاری فرویون 12 فروخته می‌شد). از مبردهای فریون به دلیل پایداری و خواص ایمنی فوق‌­العاده در قرن بیستم در سیستم‌های تهویه مطبوع استفاده می‌شد. هنگامی که آن‌ها به طور تصادفی یا عمدی آزاد شوند، این مبردهای حاوی کلر در نهایت به جو فوقانی می‌رسند. هنگامی که مبرد به استراتوسفر برسد، اشعه ماوراء بنفش خورشید بطور همکافتی پیوند کربن کلر را می‌شکند و باعث ایجاد کلر رادیکال می‌شود. این کلرهای رادیکال، تجزیه اوزون به اکسیژن دو اتمی را کاتالیز می‌کنند که از سطح زمین در برابر اشعه ماوراء بنفش قوی محافظت می‌کند. هر کلر رادیکال به عنوان یک کاتالیزور، تا زمانی که با یک کلر رادیکال دیگر پیوند داده و یک مولکول پایدار تشکیل دهد و زنجیره واکنش را متوقف کند، فعال باقی می‌ماند.

پیش از سال 1994، بیشتر سیستم‌های تهویه مطبوع اتومبیل از R-12 به عنوان مبرد استفاده می‌کردند. این مبرد، با مبرد R-134a جایگزین شد که هیچ پتانسیلی برای تخریب اوزون ندارد. سیستم‌های قدیمی R-12 را می‌توان با استفاده از یک پاک­سازی کامل به R-134a ارتقا داد و فیلتر را برای از بین بردن روغن معدنی که با R-134a سازگار نیست، تعویض کرد.

تولید و استفاده از CFC به دلیل نگرانی در مورد تخریب اوزون ممنوع یا محدود شده است. با توجه به این نگرانی‌های زیست محیطی، که از 14 نوامبر 1994 شروع شد، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده، فروش، نگهداری و استفاده از مبرد را فقط به تکنسین‌های دارای مجوز، طبق قوانین مندرج در بندهای 608 و 609 قانون هوای پاک محدود کرده است.

گازهای دیگری مانند CO2 (R-744)، به عنوان جایگزینی برای مبردهای رایج پیشنهاد شده است.  R-744 به عنوان مبرد در اروپا و ژاپن در حال پذیرفته شدن است. این یک مبرد موثر با پتانسیل گرمایش جهانی 1 است، ولی برای تولید یک اثر خنک‌­کننده معادل باید از فشرده­‌سازی بالاتر استفاده کند.