سيستمهاي حرارتي و برودتي
پيشگفتار
از روزگاران قديم، آب به عنوان مايه حيات و آباداني مورد توجه انسان بوده است. بسياري از شهرها در مناطقي احداث شده و شکل گرفته اند که در نزديکي آنها منابع قابل استحصال آب وجود داشته است. شهرهاي متعددي نيز به دليل خشکسالي و کمبود آب متروک و رها شده اند.

با پيشرفت تکنولوژي و سطح رفاه و بهداشت جوامع، وابستگي انسان به آب افزايش يافت به گونه اي که در دهه هاي اخير مقدار مصرف سرانه آب به عنوان يک شاخص پيشرفته بودن کشورها مورد استفاده قرار مي گيرد. مصارف عمده آب را به چند گروه مي توان تقسيم کرد:

– مصارف بهداشتي و آشاميدني از قبيل شرب، پخت و پز، استحمام، شستشوي البسه و ظروف و …
– مصارف کشاورزي و فضاي سبز
– مصارف صنعتي

– مصارف خدماتي از قبيل سيستم هاي تهويه مطبوع، آتش نشاني، شستشوي خودرو، شستشوي محوطه و ….
استان خراسان و بويژه شهر مشهد در ايام گذشته به عنوان يک منطقه ييلاقي و خوش آب و هوا مورد توجه مردم کشور بوده است.

متاسفانه تغيير شرايط جوي موجب گرديده است مقدار نزولات جوي کاهش يابد و اين موضوع سبب پايين رفتن سطح آبهاي زيرزميني شده است به گونه اي که در سالهاي اخير در رسانه ها با بکاربردن واژه هايي چون بحران آب، خشکسالي، کم آبي و …. مردم به صرفه جويي در آب فراخوانده مي شوند. در ادامه استراتژي ترغيب مصرف کنندگان به صرفه جويي در ايام پيک مصرف تابستاني گاهي اوقات برنامه هاي قطع هاي زمانبندي آب در شهر مشهد به اجرا در مي آيد.

درمقاله حاضر در مورد مصارف سيستم هاي تهويه مطبوع که در گروه مصارف خدماتي قرار دارند بحث خواهد شد و تاثير کم آبي بر انتخاب سيستم سرمايش مورد بررسي قرار مي گيرد.
۲- مصارف عمده آب در سيستم هاي تهويه مطبوع

در سيستم هاي رايج تهويه مطبوع، برجهاي خنک کن که در سيستم هاي سرمايش کاربرد دارند عمده ترين مصرف کننده آب مي باشند. بنابراين در اين مقاله فقط سيستم هاي سرمايش مورد بررسي قرار خواهد گرفت. سيکل هاي تبريد که اساس کار دستگاه هاي چيلر هستند به دو دسته اصلي تقسيم مي شوند.

۱-۲- سيکل هاي تراکم بخار
فرآيند ۲-۱ فرايند تراکم ايزنتروپيک است که در کمپرسور رخ مي دهد و طي آن فشار سيال عامل افزايش مي يابد. در طي فرايند ۳-۲ و در فشار ثابت، حرارت موجود در سيال خروجي از کمپرسور به محيط دفع مي شود. فرايند ۴-۳ نمايانگر فرايند انبساط ايزنتروپيک است که در يک لوله موئين يا شير انبساط صورت مي گيرد و در فرايند ۱-۴ در اواپراتور يا چيلر، حرارت به سيال عامل منتقل مي شود و بدين ترتيب سيکل کامل مي گردد. در سيکل تراکمي بخار همواره رابطه زير برقرار است:

کار خالص انجام شده در کمپرسور- حرارت جذب شده در اواپراتور(چيلر) = دفع حرارت در کندانسور
يا:
QH = QL + W
در سيکل هاي تبريد در عوض واژه کارايي حرارتي که در سيکلهاي حرارتي و تواني کاربرد دارد، از واژه ضريب عملکرد استفاده مي شود. اين ضريب عبارتست از:
کار ورودي به سيکل / اثر سرمايشي = ضريب عملکرد
COP = QH / Win

تجهيزات تبريد( از قبيل چيلرها، کولرهاي گازي، پکيج ها و …) که داراي کمپرسورهاي رفت و برگشتي، گريز از مرکز، و دنده اي يا پيچي هستند همگي در سيکل تبريد تراکم بخار کار مي کنند. چيلرهاي تراکمي بخار ساخت سازندگان داخلي عموما داراي کمپرسورهاي رفت و برگشتي يا کمپرسورهاي دنده اي هستند. چون کمپرسورهاي دنده اي داراي کارايي بيشتري هستند در بخش هاي بعد فقط چيلرهاي داراي اين نوع کمپرسور بررسي و تحليل مي شوند.

۲-۲- سيکل هاي تبريد جذبي
از زمان ابداع اين سيکل، چيلرهاي جذبي گوناگوني ساخته شده است. در چيلرهاي جذبي اوليه از آمونياک به عنوان ماده جاذب استفاده مي شد که به علت سمي بودن در سالهاي بعد ليتيوم برومايد جايگزين آن شد. در چيلرهاي جذبي رايج از ليتيوم برومايد به عنوان جاذب و از آب به عنوان مبرد استفاده مي شود. نسل هاي ابتدايي چيلرهاي جذبي از نوع يک مرحله اي يا تک اثره بودند ولي با پيشرفت تکنولوژي و به منظور افزايش کارايي چيلرها، چيلرهاي دو مرحله اي يا دو اثره نيز توليد گرديدند.

در چيلرهاي جذبي در عوض انرژي الکتريکي اي که در سيکل هاي تبريد تراکم بخار براي به حرکت در آوردن سيال عامل مصرف مي شود، از انرژي حرارتي استفاده مي شود. اين انرژي حرارتي مي تواند توسط حرارتهاي بازيافت شده، آب گرم، آب داغ، بخار آب، و يا احتراق مستقيم سوخت تامين گردد.

چيلرهاي جذبي دو مرحله اي شعله مستقيم که در آنها انرژي حاصل از احتراق سوخت بطور مستقيم مورد استفاده قرار مي گيرد، در سال هاي اخير به دلايل گوناگون از جمله بيشتر بودن ضريب عملکردشان نسبت به ساير گونه هاي چيلر جذبي مورد استقبال و توجه مهندسين تاسيسات قرار گرفته اند. بهمين دليل، در ادامه بحث فقط به اين نوع چيلر جذبي توجه خواهد شد.
اجزا اصلي چيلرهاي جذبي دو مرحله اي عبارتند از: اواپراتور، جذب کننده، مولد با درجه حرارت بالا، مولد با درجه حرارت پايين، کندانسور، جداکننده مايع و بخار، مبدل حرارتي با درجه بالا، مبدل حرارت با درجه حرارت پايين، پمپ محلول با درجه حرارت بالا، پمپ محلول با درجه حرارت پايين، پمپ محلول، و پمپ مبرد، در سيکل ها جذبي نيز کارايي تجهيزات تبريد با ضريبي موسوم به ضريب عملکرد سنجيده مي شود. اين ضريب عبارتست از:
انرژي حرارتي سوخت مصرفي / اثر سرمايشي = ضريب عملکرد يا COP

۳- سيستم ها و تجهيزات دفع حرارت
همانگونه که در سيکل هاي تبريد تراکم بخار و تبريد جذبي مشاهده شده، مجموع انرژي هايي که در اواپراتور جذب مي شود و حرارت يا کاري که در سيکل به عنوان نيروي محرکه استفاده مي گردد بايد در کندانسور به اتمسفر(يا آب دريا، رودخانه و …) دفع شود. لازم به تذکر است که در کولرهاي گازي و تجهيزات سرمايشي داراي کويل انبساط مستقيم(DX ) ، حرارت جذب شده در اواپراتور مستقيما از هوايي که بايد سرد شود گرفته مي شود ولي در چيلرها، حرارت از آب در حال گردش و مورد استفاده در فن کويل ها، هوارسان ها و … جذب مي گردد و بدين ترتيب اين آب سرد به فن کويل يا هوارسان برگردانده خواهد شد.

تجهيزات دفع، تجهيزاتي هستند که عمل دفع حرارت را در سيکل هاي تبريد انجام مي دهند و کندانسور ناميده مي شوند. چهار نوع اصلي کندانسور که در سيستم هاي تبريد استفاده مي شوند، عبارتند از:
کندانسور خنک شونده با آب يکبار گذر:
در اين کندانسور که در سيکل باز کار مي کند مي توان از آب درياچه، رودخانه، يا دريا بطور مستقيم براي جذب حرارت استفاده کرد. اين آب پس از جذب حرارت در کندانسور، مجددا به منبع اصلي خود( درياچه، رودخانه، دريا و …) برگشت داده مي شود.

کندانسور خنک شونده با آب در گردش:
در اين نوع کندانسور از آب خنک شده در برج خنک کن براي جذب حرارت کندانسور استفاده مي گردد. آب خروجي از کندانسور که مقداري حرارت جذب کرده است به بالاي برج خنک کن هدايت مي گردد و پس از پاشيده شدن بر روي قطعات پر کننده درون برج و تماس با هواي عبوري از درون آنها، تبخير و همراه هوا از برج خارج مي شود.

چون گرماي نهان تبخير قطراتي که بخار مي شوند از ساير قطرات آب گرفته مي شود، بنابراين درجه حرارت قطرات تبخير نشده کاهش خواهد يافت. اين قطرات به درون حوضچه زير برج مي ريزند و توسط پمپ مجددا به دستگاه چيلر برمي گردند تا دوباره حرارتي که بايد در کندانسور دفع شود را جذب کنند و بدين ترتيب سيکل تکرار مي گردد.

کندانسور خنک شونده با هوا:
در اين نوع کندانسور که فقط در سيکل هاي تبريد تراکم بخار استفاده مي شود (و در چيلرهاي جذبي کاربرد ندارند) حرارتي که بايد در کندانسور از سيکل دفع شود مستقيما از سيال مبرد به هواي محيط بيرون منتقل مي گردد و نيازي به استفاده از آب نمي باشد.

کندانسور هاي تبخيري:
در کندانسورهاي تبخيري، حرارت بطور مستقيم از کويل و به واسطه اثر سرمايش تبخيري دفع مي شود. در حقيقت اين نوع کندانسور، يک کندانسور خنک شونده با هوا است که براي افزايش کارايي آن و يا به دليل محدوديت هاي فني لازم است بر روي آن آب پاشيده شود.
۴- محدوديت کاربرد کندانسورها
۱-۴- کندانسورهاي خنک شونده با آب يکبار گذر

عامل تعيين کننده در انتخاب اين کندانسورها، درجه حرارت منبع آب در دسترس(دريا، درياچه، رودخانه و ….) مي باشد.
معمولا درجه حرارت ورود آب خنک کننده به کندانسور چيلرهاي تراکمي و جذبي را مي توان تا F 89-85 در نظر گرفت. بنابراين هر منبع آبي که حرارت دفع شده از کندانسور چيلر موجب نگردد درجه حرارت آن از مقدار فوق بيشتر شود مي تواند براي خنک کردن کندانسور چيلرهاي تراکمي و جذبي استفاده گردد.
۲-۴- کندانسورهاي خنک شونده با آب در گردش

در اين کندانسورها که در چيلرهاي تراکمي و جذبي قابل استفاده هستند، حرارتي که در کندانسور به آب خنک کن در گردش داده مي شود بايد در برج خنک کن و بواسطه عمل تبخير به هواي بيرون منتقل گردد. چنانچه رطوبت نسبي( يا درجه حرارت مرطوب) هوا زياد باشد، قابليت جذب رطوبت هوا کاهش مي يابد و عملکرد برج خنک کن با نقصان همراه خواهد بود. کمترين درجه حرارت قابل حصول براي آب در برجهاي خنک کن، حدود ۷ درجه بالاتر از درجه حرارت مرطوب هواي محيط است.

بنابراين در اقليم هايي که درجه حرارت مرطوب( رطوبت نسبي) هوا زياد است، برجهاي خنک کن و اين نوع کنوانسورها عملکرد رضايتبخشي نخواهند داشت. براي يک ظرفيت سرمايشي مشخص، هر چه درجه حرارت مرطوب محيط بيشتر باشد، ظرفيت و ابعاد برج خنک کن مورد نياز بيشتر و بزرگتر خواهد بود که علاوه بر افزايش سرمايه گذاري اوليه، هزينه هاي بهره برداري را نيز افزايش مي دهد.

۳-۴- کندانسور هاي خنک شونده با هوا
در اين نوع کندانسور، درجه حرارت سيالي که حرارت خود را به محيط دفع کرده و از کندانسور هوايي بر مي گردد بستگي به درجه حرارت حباب خشک هواي محيط دارد. معمولا حداقل درجه حرارت قابل حصول در اين کندانسورها چند درجه بالاتر از درجه حرارت حباب خشک هواي محيط است. اگر چه اين نوع کندانسور براي مناطق مرطوب که درجه حرارت مرطوب آنها بالا است و يا در مناطقي که با کمبود آب يا نامناسب بودن کيفيت آب مواجه هستند بسيار مناسب است ولي استفاده از آن در چيلرهاي جذبي با توجه به وظيفه اي که آب کندانسور بر عهده دارد ناممکن مي باشد.

۴-۴- کندانسورهاي تبخيري
در اين نوع کندانسور که ترکيبي از کندانسورهاي خنک شونده با هوا و با آب مي باشد، حداقل درجه حرارت قابل حصول براي آب بستگي به درجه حرارت مرطوب محيط دارد.
۵- مقايسه اقتصادي گزينه هاي سيستم توليد برودت

در اين بخش مقايسه اي بين سيستم هاي توليد برودت ذيل براي يک مجتمع تجاري- اداري با زيربناي کل ۱۲۵۰۰ مترمربع که مشتمل بر ۴۸ باب فروشگاه و ۱۸ واحد اداري مي باشد، انجام مي گيرد.

چيلر تراکمي بخار با برج خنک کن و پمپ هاي برج خنک کن
چيلر تراکمي بخار با کندانسور هوايي
چيلر جذبي با برج خنک کن و پمپ هاي برج خنک کن
در اين مقايسه، مفروضات ذيل در نظر گرفته شده اند:

– ظرفيت خالص برودتي چيلرهاي مورد نياز ۲۱۰*۲ تن تبريد
– درجه حرارت حباب خشک محيط ۹۹F معادل با ۳۷٫۲ سانتيگراد
– درجه حرارت مرطوب محيط ۷۰F معادل با ۲۱٫۲ سانتيگراد
– درجه حرارت ورود و خروج آب به کندانسور چيلر تراکمي F95 / 85F

– درجه حرارت ورود و خروج آب به کندانسور چيلر جذبي F 99.5 / 89.5 F
– درجه حرارت تقطير در کندانسورهاي هوايي ۱۱۵F معادل با ۴۶ درجه سانتيگراد
– درجه حرارت ورود و خروج آب سردکننده به چيلر ۴۴٫۶F / 53.6F
در جدول شماره ۱ مقادير مصرف ساعتي آب، برق و گاز در مورد هر يک از سه گزينه مطرح شده نشان داده شده است.