الأنظمة الطرفية بالغرف

تقوم الأنظمة الطرفية بالغرف بتكييف الفراغات المعمارية و ذلك عن طريق توزيع الهواء و المياه على الوحدات الطرفية التي تم تركيبها بالفراغات المعمارية المشغولة بالأشخاص الموجودة في أرجاء المبنى. و في بعض الأنظمة يتم توزيع الهواء بشكل مباشر على الفراغات المعمارية و ليس من خلال الوحدات الطرفية. و يتم تبريد أو تسخين الهواء و المياه في غرف ماكينات مركزية. و يتم تسمية الهواء المغذي بالهواء الإبتدائي أو هواء التهوية؛ أما المياه المغذية فيتم تسميتها بالمياه الثانوية. و أحياناً يتم الإستعانة بملفات تسخين كهربائية بدلاً من ملفات المياه الساخنة. و في هذا الفصل سيتم شرح الوحدات الحثية و وحدات الملف و المروحة المستخدمة في الأنظمة الطرفية بالغرف.

يتم تطبيق الأنظمة الطرفية بالغرف بشكل أساسي على الفراغات المعمارية الخارجية التي تتميز بإرتفاع أحمالها الحرارية المحسوسة و التي لا تتطلب تحكم دقيق في الرطوبة. و في بعض الحالات قد يتم تطبيقها على الفراغات المعمارية الداخلية. و أداء هذه الوحدات جيد في المباني المكتبية، و المستشفيات، و الفنادق، و المدارس، و المباني السكنية، و المعامل البحثية. و في معظم الأقاليم المناخية يتم تركيب هذه الأنظمة في الفراغات المعمارية الخارجية و يتم تصميمها لتحقق (1) كل التبريد و التدفئة المطلوبة في الفراغات المعمارية، (2) الهواء الخارجي المطلوب للتهوية، (3) التدفئة و التبريد المتزامن في مناطق مختلفة من المبنى خلال الفصول المناخية المعتدلة.

أحمال التكييف بالأماكن المجاورة للخارج

إن التغير في أحمال تكييف الهواء بالفراغات المعمارية المجاورة لمحيط المبنى الخارجي تتسبب في إختلاف ملحوظ في متطلبات التبريد و التدفئة حتى بالغرف التي لها نفس الإتجاه المعماري. و بالتالي يتطلب التحكم الدقيق في درجات الحرارة بالفراغات المعمارية الخارجية وسائل تحكم مستقلة بكل فراغ من تلك الفراغات المعمارية. و لابد من الأخذ في الإعتبار الأحمال الأساسية التالية.

الأحمال الحرارية الداخلية. إن المكتسبات الحرارية المنطلقة من الإضاءة دائماً تدخل ضمن أحمال التبريد، و في معظم المباني (خلاف المباني السكنية) تكون ثابتة نسبياً خلال فترات النهار. و قد يتم إطفاء الإضاءة يدوياً أو أتوماتيكياً عند عدم الحاجة إليها، مما يُزيد من تغيُّر أحمال الإضاءة. و تندرج أيضاً المكتسبات الحرارية من الأشخاص ضمن أحمال التبريد و عادةً هي أحمال الغرفة الوحيدة التي تحتوي على أحمال حرارية كامنة. و المكتسبات الحرارية المنطلقة من أجهزة الكمبيوتر و المعادات الأخرى يمكن أن تتغير تغيراً كبيراً و تعتبر عنصر مهم من عناصر التصميم بالمبنى.

الأحمال الحرارية الخارجية. تدخل دائماً المكتسبات الحرارية من الأشعة الشمسية ضمن أحمال التبريد. و عادة ما تكون هي حمل التبريد الرئيسي، و تتميز بأنها شديدة التغيُّر. و دائماً ما تتغير المكتسبات الحرارية من الأشعة الشمسية خلال ساعات النهار في أي فراغ من فراغات المبنى المعمارية. و تعتمد كمية و معدل التغير لهذا الحمل الحراري على إتجاه المبنى و مساحة مسطحاته الزجاجية و قدرته على تخزين الحرارة و كثافة الغطاء السحابي في السماء. و يتسبب التغير المستمر في شكل تظليل المباني المجاورة أو الأشجار أو الأعمدة الإنشائية الخارجية، و شكل المظلات غير المنتظم في تغير ملحوظ في أحمال الأشعة الشمسية بين المكاتب المتجاورة و المطلة على نفس الإتجاه الخارجي للمبنى.

إن الأحمال الحرارية الإنتقالية من الممكن أن تكون من المكتسبات أو المفقودات الحرارية و تعتمد في ذلك على درجة حرارة الجو الخارجي.

إن التضغيط اللطيف للمبنى بالهواء اللازم للتهوية عادة ما يكون كافي للتغلب على تسرب الهواء الخارجي إلى داخل المبنى، و ذلك بشرط أن يتسبب في إرتفاع الضغط إرتفاعاً إيجابيا و بشكل منتظم داخل المبنى. و من الممكن أن يتسبب تسرب الهواء الخارجي إلى داخل المبنى شتاءً في مفقودات حرارية ملحوظة، خصوصاً في الطوابق السفلية من المباني الشاهقة. و كمية التغير في هذا التسرب يعتمد على سرعة و إتجاه الرياح و ظاهرة تأثير المدخنة كما يعتمد على فرق درجات الحرارة بين الهواء الخارجي و الداخلي.

إن أنظمة التكييف لكي يكون أدائها ناجحاً لابد أن تلبي إحتياجات هذا التغير في الأحمال لكل غرفة من الغرف، و توفي بكل معايير التشغيل الأخرى مثل التحكم في الرطوبة و تسرب الهواء الخارجي و حركة الهواء و التهوية و مستوى الضوضاء.

شكل المنظومة

تتضمن منظومة الوحدات الطرفية بالغرف معدات تكييف مركزية، و منظومة توزيع للهواء و المياه، و وحدة تكييف طرفية بالغرفة. و من الممكن أن تكون وحدة التكييف الطرفية على شكل وحدة تكييف حثية أو وحدة الملف و المروحة. و من الممكن أن تقوم بخدمة الفراغات المعمارية الكبيرة عدد من هذه الوحدات الطرفية. و عادة ما تكون كمية الهواء المغذية لهذه الوحدات ثابتةً. (و كما ذكرنا في الفقرة الأولى من هذا الفصل، أن الهواء المغذي يطلق عليه الهواء الإبتدائي أو هواء التهوية و ذلك لتمييزه عن هواء الغرفة او الهواء الثانوي الذي يتم تدويره فيها.) و يتم تحديد كمية الهواء الإبتدائي الذي يغذي كل فراغ من الفراغات المعمارية بناءً على: (1) كمية الهواء الخارجي المطلوب للتهوية، (2) إذا تم إستخدام الهواء الإبتدائي في التبريد المحسوس فيتم تحديد كميته بناءً على إحتياجات الغرفة من قدرات التبريد المحسوسة عند أقصى حمل تبريد بالغرفة. و في بعض الأنظمة المنخفضة التكاليف التي تستخدم وحدات الملف و المروحة، فيمكن سحب كمية الهواء اللازم للتهوية من فتحات المبنى، و بذلك يتم الإستغناء عن منظومة الهواء الإبتدائي.

في موسم التبريد يتم تجفيف الهواء تجفيفاً كافياً من خلال وحدة التكييف المركزية، و ذلك للمحافظة على أجواء مريحة من الرطوبة و منع تكثف الاحمال الحرارية الكامنة المعتاد إنطلاقها بالغرفة على ملف التبريد الموجود بها. أما شتاءً فيكمن إضافة الرطوبة بشكل مركزي إلى الهواء، و ذلك للحد من خلق بيئة جافة بالفراغات المعمارية الداخلية بالمبنى. و عندما يتم تجفيف الهواء صيفاً نجد أنه أيضاً يتم تبريده ليتعادل مع جزء من أحمال الغرفة الحرارية المحسوسة. و ذلك الهواء قد يكون مسحوب من الخارج أو يكون خليط من الهواء الخارجي و الهواء المسحوب من الغرفة. و عادة في الأجواء المتجمدة يتطلب الأمر تسخين الهواء تسخيناً إبتدائياً. و إضافة مرشح عالي الكفاءة يحافظ على نظافة فوهات الوحدات الحثية. و وضع ملف إعادة تسخين من عدمه في معدات مناولة الهواء يعتمد على نوعية المنظومة ، و ذلك طبقاً لما تم شرحه في مقطع أنظمة الهواء الإبتدائي.

نجد في التصميمات المثالية لوحدات الغرف الطرفية أن ملف التبريد الثانوي دائماً في حالة جافة؛ و ذلك يعمل بشكل كبير على زيادة العمر الإفتراضي للوحدات الطرفية و يمنع تولد الروائح و إمكانية تكاثر البكتريا. و عادة الهواء الإبتدائي يتحكم في مستوى الرطوبة بالفراغات المعمارية. و بناءً عليه فإن محتوى الهواء المغذي من الرطوبة لابد أن يكون منخفضاً إنخفاضاً كافيا ليتعادل مع المكتسبات الحرارية الكامنة المنطلقة من الغرفة و المحافظة على درجة حرارة الندى عند مقدار منخفضاً إنخفاضاً يمنع تكثف المياه على أسطح ملف التبريد الثانوي. و على الرغم من أن بعض الأنظمة تعمل مصحوبة بإنعدام التكثف أو بمقدار ضئيل منه، إلا أنه يُوصى بتركيب صرف للمتكاثف على وحدات الغرف الطرفية.

نجد في أنظمة الوحدات الحثية القائمة أن تقنيات ترشيد إستهلاك الطاقة عن طريق زيادة درجات حرارة المياه الباردة المتدفقة في ملفات التبريد بوحدات مناولة الهواء المركزية يمكن أن يؤدي إلى تلف ملفات التبريد بالوحدات الطرفية، و ذلك حيث أن هذه التقنية تعمل على دوام إستخدام ملفات التبريد بالوحدات الطرفية كمجففات. و الوحدات الحثية على خلاف وحدات الملف و المروحة، فهي لا يتم تصميمها أو تركيبها للتعامل مع المتكاثف. و لذلك فمن الأهمية القصوى المحافظة على تشغيل الوحدات الحثية الطرفية تشغيلاً جافاً.

إن الشكل الأساسي لدائرة المياه يتكون من مضخة و مواسير لنقل المياه إلى أسطح تبادل الحرارة في كل فراغ من الفراغات المعمارية المكيفة. و يمكن تبريد هذه المياه تبريداً مباشراً بمركبات التبريد، إلا أنه يتم عادة تبريدها إما عن طريق سحب مياه باردة من دائرة التبريد الإبتدائية إلى دائرة المياه الثانوية أو عن طريق مبادل حرارة بين تلك الدائرتين. و لتمييز هذه الدائرة الثانوية عن دائرة المياه الباردة الإبتدائية عادة يتم الإشارة إليها بدائرة أو منظومة المياه الثانوية.

يتم تصنيف الوحدات الطرفية إلى أنظمة ثنائية أو ثلاثية أو رباعية المواسير. و هي متماثلة تماثلاً أساسياً في وظيفتها بما تتضمنه من قدرات التبريد و التدفئة على مدار العام. و المقاطع الموجودة في نهاية هذا الفصل تناقش أوضاع هذه المواسير بالتفصيل. و يناقش فصل 12 أشكال دوائر المياه الثانوية و أنظمة التحكم بها، و التي تختلف طبقاً لنوعية المياه الثانوية.

الوحدات الحثية

يبين شكل 1 التجهيزات الأساسية للوحدات الحثية الطرفية. و من خلال صندوق الدخول يتم تغذيتها بالهواء الإبتدائي المكييف مركزياً عند ضغوط تتراوح قيمتها من المتوسطة إلى المرتفعة،. و يقوم هذا الصندوق المعالج صوتياً بإخماد جزء من الضوضاء المتولدة في الوحدة و مجاري الهواء المتصلة بها. و تقوم بوابة الإتزان بضبط كمية الهواء الإبتدائي في حدود معينة.

يتدفق الهواء بسرعات تتراوح قيمتها من المتوسطة إلى المرتفعة من خلال الفوهات الحثية، و بالتالي يقوم بسحب الهواء الثانوي من الغرفة مروراً على الملف الثانوي. و يوفر الهواء الإبتدائي بتلك الطريقة الطاقة اللازمة لتدوير الهواء الثانوي على الملف في الوحدة الطرفية. و يتم إما تبريد أو تسخين هذا الهواء الثانوي من خلال الملف وفقاً للفصل المناخي أو متطلبات الغرفة أو كلاهما. و عادة ملف التبريد لا يقوم بنزع الرطوبة من الهواء، إلا أن حوض صرف غير متصل بمواسير يقوم بتجميع المتكاثف من الأحمال الكامنة عند بداية التشغيل. و ذلك المتكاثف يُعاد تبخرة عند إنتهاء هذه الأحمال الكامنة. و يتم خلط الهواء الإبتدائي بالثانوي و يندفع إلى الغرفة.

عادةً يتم وضع مصفاه الوبر على وجه الملف الثانوي. و يتم تركيب الوحدات الحثية داخل غلاف تم تصميمه ليتلائم مع نوعية مخصوصة من التركيبات أو داخل خزانة قياسية تقوم جهة التصنيع بتوفيرها. و هذه الأغلفة لابد أن تسمح بتدفق كمية مناسبة من الهواء الثانوي و إندفاع الهواء المخلوط بدون التسبب في فقدان مقدار كبير من ضغط الهواء. كما لابد أيضاً أن تسمح بسهولة عمليات الصيانة المطلوبة.

عادة يتم تركيب الوحدات الحثية تحت النوافذ الموجودة على جدران محيط المبنى الخارجي، كما تتوفر نوعية من هذه الوحدات يتم تصميمها للتركيب على مستويات علوية. و يمكن خلال موسم التدفئة توظيف الوحدات الأرضية لتعمل كمُسخانات خلال فترات التوقف عن طريق إمداد الملف بالمياه الساخنة بدون تغذية الوحدة بالهواء الإبتدائي. و يتوفر عدد من أشكال هذه الوحدات الحثية، و يتضمن ذلك وحدات بإرتفاعات إجمالية منخفضة أو بملفات ثانوية ذات مساحات أوجه كبيرة للتتلائم مع فراغات معمارية مخصوصة أو ما تتطلبه الأحمال الحرارية.

شكل 1 الوحدة الحثية

المزايا

· يسمح التحكم في درجة الحرارة الفردي في كل غرفة من الغرف بضبط كل ترموستات بها عند درجات حرارة مختلفة و بتكلفة منخفضة نسبياً.

· إن مصادر التسخين و التبريد المنفصلة لكلاً من الهواء الإبتدائي و المياه الثانوية تعطي فرصة لشاغلي المكان بالإختيار بين حالة التسخين أو التبريد.

· إن إستخدام المياه الثانوية في التبريد و إرتفاع سرعات الهواء الإبتدائي تحد من المساحات المعمارية المطلوبة لتمديد أنظمة التوزيع. كما أن مجاري هواء الراجع بهذه الأنظمة ذات حجم أصغر و يمكن في بعض الحالات الإستغناء عنها أو إدراجها ضمن شبكة الهواء الراجع الخاصة بمناطق أخرى مثل المناطق الداخلية من المبنى.

· حجم أجهزة مناولة الهواء المركزية أصغر من مثيلتها في الأنظمة الهوائية الكلية نظراً لإحتياجها إلى كميات أقل من الهواء المكييف.

· يتم إجراء عمليات نزع الرطوبة، و الترشيح، و الترطيب في مكان مركزي بعيداً عن المناطق المكييفة.

· معدلات التهوية المغذية للمكان يمكنها إستيعاب الكميات المُوصى بها من الهواء الخارجي.

· يمكن تدفئة الفراغات المعمارية عن طريق منظومة المياه الثانوية بدون تشغيل منظومة الهواء الإبتدائية. و يتم الإستغناء عن تشغيل المراوح ليلاً في المباني غير المشغولة بالأفراد. و مصادر الطاقة الإضطرارية اللازمة للتدفئة أقل كثيراً من المطلوبة لمعظم الأنظمة الهوائية الكلية.

· مكونات المنظومة ذات عمر إفتراضي طويل. فالوحدات الطرفية بالغرف التي تعمل جافة لها عمر إفتراضي يتراوح من 15 إلى 25 عام. و عمر شبكة المواسير و مجاري الهواء ينبغي أن تتساوى مع عمر المبنى ذاته. و كل وحدة من الوحدات الحثية لا تحتوي على مروحة أو محرك كهربائي أو كباس. و عموماً الصيانة الدورية تقتصر على وسائل التحكم في درجات الحرارة و تنظيف مصفاة الوبر، و نادراً ما تتضمن تنظيف فوهات الهواء.

العيوب

· تقتصر هذه الأنظمة في معظم المباني على الفراغات المعمارية المجاورة لمحيطها الخارجي؛ و يتطلب الأمر تخصيص أنظمة مستقلة للمناطق الأخرى.

· تحتاج إلى وسائل تحكم أكثر مما تحتاجها العديد من الأنظمة الهوائية الكلية.

· من الممكن أن يتسبب تدفق الهواء الثانوي في إتساخ ملفات الوحدات الحثية بدرجة تؤثر على أدائها. و تحتاج مصافي الوبر المستخدمة لحماية هذه الوحدات إلى صيانة دورية تتم داخل الغرف.

· عادة معدلات التغذية بالهواء الإبتدائي ثابتة و لا يتم تجهيزها بوسائل لغلقها. و يعتبر ذلك عيباً في المباني السكنية حيث يفضل المستأجرين أو النزلاء في الغرف الفندقية أن يغلقوا المكيفات، أو عندما ترغب إدارة تلك المباني في عمل ذلك لتقليل تكاليف التشغيل.

· يتطلب الأمر تخفيض درجات حرارة المياه الباردة الإبتدائية للتحكم في الرطوبة النسبية بالفراغات المعمارية.

· هذه المنظومة غير مناسبة للإستخدام في الفراغات المعمارية التي تتطلب معدلات كبيرة لطرد الهواء (على سبيل المثال المعامل البحثية) إلا إذا تم تزويدها بوسائل تهوية مساعدة.

· تعمل وسائل نزع الرطوبة المركزية على منع التكثف على مسطحات التبادل الحراري المائية تحت أقصى معدلات من الأحمال الكامنة التصميمية. إلا أن مصادر الرطوبة غير الإعتيادية (على سبيل المثال المنطلقة عبر النوافذ المفتوحة أو تجمعات الأفراد) من الممكن أن تؤدي إلى تكثيف الرطوبة التي تتسبب في مضايقات أو نتائج مدمرة لهذه الوحدات.

· معدلات إستهلاك الطاقة في الأنظمة الحثية أعلى من معظم الأنظمة الأخرى نظراً لزيادة القدرات المطلوبة للتغلب على فقد الضغط بالهواء الإبتدائي في الوحدات الطرفية.

· التكلفة الإبتدائية للأنظمة الحثية الرباعية المواسير أعلى من نظيرها في معظم الأنظمة الهوائية الكلية.

وحدات الملف و المروحة

تتضمن أنظمة وحدات الملف و المروحة عملية التبريد كما تتضمن التدفئة، و تقوم بتحريك الهواء خلال الفراغات المعمارية المكيفة، و ترشيح الهواء المدار، و سحب هواء التهوية الخارجي. و يتم تصميمها بما تحتويه من ملفات المياه الباردة و المروحة و مرشحات الهواء القابلة للإستبدال و حوض صرف المتكاثف و ما إلى ذلك لتحقيق هذا الغرض. و تتوفر هذه الوحدات باشكال مختلفة بحيث يمكن تركيبها تحت جلسات النوافذ، و فوق الأسقف المعلقة، و على الجدران. و لابد أن يتم التحكم في هذه الوحدات تحكماً مناسباً عن طريق الترموستات للتحكم في درجات حرارة التبريد و التدفئة، و عن طريق الهيومديستات للتحكم في الرطوبة، و عن طريق المروحة أو أي وسيلة أخرى للتحكم في كمية الهواء، و لابد أن تحتوي على وسيلة لإضافة الهواء اللازم للتهوية إلى داخل المبنى.

إن المكونات الرئيسية لوحدات الملف و المروحة هي ملف من الأنابيب المزعنفة و مرشح هواء و مروحة، كما هو مبين في شكل 2. و تقوم المروحة بتدوير الهواء بإستمرار من الفراغ المعماري عبر الملف، الذي يحتوي على مياه باردة أو ساخنة. و من الممكن أن تحتوي الوحدة على سخان كهربائي أو ملف بخار أو ملف مياه ساخنة إضافي. و غالباً ما يتم تحديد سعة السخان الكهربائي للتشغيل في موسم الخريف و الربيع لتجنب مشاكل تحويل أنظمة الوحدات ثنائية المواسير.

إن المرشح القابل للإستبدال أو التنظيف ذو كفاءة مقدارها 35%، و الذي يتم وضعه قبل المروحة، يعمل على منع إنسداد الملف بالأوساخ أو الوبر المحمول مع الهواء المدار. كما أنه يعمل أيضاً على حماية المحرك و المروحة و يقلل من مستويات الملوثات المحمولة جواً في الفراغات المعمارية المكيفة. و وحدات الملف و المروحة مجهزة بحوض صرف معزول. و مجموعة المحرك و المروحة موضوعة بشكل يسمح بسرعة الفك و الصيانة. و معظم جهات التصنيع تعمل على تجهيز الوحدات بأداء تبريدي مُوَثَّق بأنه يتوافق مع معايير معهد التكييف و التبريد (ARI). و لقد تم إختبار نماذج بدائية من هذه الوحدات و تم إعتمادها من معامل إختبار شركات التأمين (UL)، أو معامل الإختبار الهندسية (ETL)، و فقاً لما تتطلبه بعض الأكواد.

تتوفر أنواع من وحدات الملف و المروحة مجهزة ببوابات على فتحات سحب لتوصيلها بفتحات على الجدران الخارجية للمباني. إلا أن هذه الوحدات ليست مناسبة للتركيب في المباني التجارية نظراً لأن الضغوط التي تسببها الرياح لا تسمح بالتحكم في كمية الهواء الخارجي. كما قد يتطلب الأمر أيضاً حماية ضد تجمد الرطوبة في الأجواء الباردة. إلا أنها غالباً ما يتم إستخدامها في المنشئات السكنية نظراً لبساطة تشغيلها و إنخفاض تكاليفها، كما أن الإعتماد على فتح النوافذ بغرض التهوية من الممكن أن يخل بالمعدلات المسحوبة من شبكة مجاري الهواء الخاصة بالتهوية. و عموماً تتوفر وحدات الملف و المروحة بالسوق المحلي بقدرات تتراوح عادةً من 0.1m³/s إلى 0.6m³/s، و غالباً ما تكون المروحة متعددة السرعات ذات محرك كهربائي عالي الكفاءة.

شكل 2 وحدة ملف و مروحة نمطية

و عندما لا تحتوي الوحدات على مآخذ لسحب الهواء الخارجي لابد أن يتم تزويدها بوسائل لتغذيتها بهواء خارجي قد سبق معالجته من خلال شبكة من المجاري الهوائية متصلة بكل غرفة أو فراغ معماري.

تتوفر وحدات الملف و المروحة بأشكال مختلفة. و يبين شكل 3 عدد من الوحدات الرأسية. فتتوفر وحدات رأسية قصيرة ليتم تركيبها تحت النوافذ ذات الجلسات المنخفضة؛ إلا أنه في بعض الأحيان يتحقق هذا الشكل القصير على حساب بعض المزايا مثل مساحة المرشح المطلوبة و إمكانية صيانة المحرك الكهربائي و شكل الكابينة.

الأنواع و أماكن التركيب

تتوفر وحدات بغلاف محيط بإرتفاع السقف، و نجد فيها صواعد المياه و صرف المتكاثف جزء لا يتجزأ من تجهيزات جهة التصنيع. و يتم إستخدام هذه الوحدات بكثافة في الفنادق و المباني السكنية الأخرى. و لابد أن يتم الفصل بين هواء التغذية و هواء الراجع عن بعضهم البعض لمنع إنتقال الهواء و الضوضاء بين الغرف.

إن الوحدات ذات الطراز الرأسي أو الغلاف المحيط التي يتم تركيبها على المحيط الخارجي للمبنى تعطي نتائج جيدة في الأجواء و المباني التي تتطلب معدلات تدفئة مرتفعة. فعملية التدفئة تتحسن بتركيب الوحدات تحت النوافذ أو الجدران الخارجية. و الوحدات الرأسية يمكن إستخدامها كمسخنات عن طريق إيقاف تشغيل المروحة خلال فترات التوقف الليلية.

الوحدات الأفقية يمكن توصيلها بمجاري هوائية لتغذية عدد من مخارج الهواء. و يمكن لوحدة واحدة أن تقوم بخدمة عدد من الغرف (على سبيل المثال في المنازل التي لا تتطلب التحكم في كل غرفة على حدى و يمكن سحب الهواء بشكل مشترك بين الغرف). و هذه الوحدات لا بد أن يتم تجهيزها بمراوح كبيرة للتغلب على فقد الضغط المرتفع في مجاري الهواء.

إن الوحدات الافقية لا تشغل مساحات من الأرضيات و عادة ذات تكاليف أقل، إلا أن تركيبها فوق السقف المعلق يتسبب في مشاكل مثل طريقة تجميع المتكاثف و صرفه، و إختلاط الهواء الراجع من الغرف المختلفة، و تسرب المياه من حوض تجميع المتكاثف يؤدي إلى تلف السقف المعلق، و صعوبة الوصول إلى المرشح و فك و تركيب مكونات الوحدة، و مشاكل ذات صلة بمستوى جودة الهواء.

شكل 3 أوضاع وحدات الملف و المروحة النمطية.

في حالة قيام منظومة تهوية مركزية بسحب الهواء الخارجي فيمكن توصيله مباشرة بصندوق تجميع الوحدات الأفقية أو دفعه مباشرة إلى داخل الفراغ المعماري. و في حالة دفعة مباشرة إلى داخل الفراغ المعماري ينبغي عمل التجهيزات اللازمة لضمان أن ذلك الهواء تمت معالجته و ضبط درجة حرارته لتكون متساوية مع درجة حرارة الغرفة حتى لا يتضايق شاغلي المكان عندما تتوقف الوحدة عن العمل. و من أحدى الوسائل المستخدمة لمنع تسرب الهواء تجهيز شبكة التهوية ببوابة ذات محرك كهربائي و زنبرك يقوم بغلق هواء التهوية عندما تتوقف مروحة الوحدة عن العمل. و لابد أن يتم إختيار ملف الوحدة على أساس درجات حرارة الهواء المخلوط من الهواء الإبتدائي و الهواء المدار، و لابد أن يلبي الهواء المنصرم من الملف متطلبات الغرفة من أحمال التبريد الكامنة و المحسوسة فضلاً عن تلبيته لأحمال التدفئة.

الإختيار

يقوم بعض المصممين بتحديد السعة التبريدية الإسمية لوحدات الملف و المروحة عند السرعة المتوسطة عندما يتوفر بها مفتاح تحكم ثلاثي السرعات. و تضمن هذه الطريقة تشغيل هادئ بالفراغات المعمارية، كما إنها تضيف معامل أمان حيث يمكن زيادة سعاتها التبريدية بتشغيلها عند السرعة العالية. و تقوم العديد من جهات التصنيع بإظهار مستوى الضوضاء الناجم عن تشغيلها.

عندما يتم معالجة الهواء الخارجي بمنظومة مركزية لضبط درجة حرارته إلى 21°C لا تقوم بمعالجة أحمال التبريد و التدفئة التي تتطلبها الفراغات المعمارية الداخلية إلا وحدات الملف و المروحة الطرفية. و هذه المعالجة ينبغي أن تؤدي إلى تقليل قدرات و تكاليف هذه الوحدات. أما عند دخول الهواء الخارجي مباشرة عبر نوافذ المبنى فلابد من الأخذ في الإعتبار كل الأحمال الحرارية عند تحديد هذه القدرات.

التوصيلات الكهربائية

يتم إدارة مروحة وحدات الملف و المروحة بمحرك كهربائي صغير، و عادة يحتوي على مكثف و وسيلة حماية ضد إرتفاع الأحمال. و نادراً ما تتعدى قدرات تشغيل المروحة عن 300W حتى في أكبر الوحدات عند السرعات المرتفعة. و نادراً ما يتعدى التيار الكهربائي اللازم للتشغيل عن 2.5A. و غالبا كل المحركات الكهربائية الخاصة بوحدات الملف و المروحة في الولايات المتحدة الأمريكية تعمل عند 120V أحادية الفازات ذات تردد 60Hz، و مجهزة بوسيلة للتحكم في سرعة المروحة بحيث تصبح متعددة السرعات (عادة ثلاثة سرعات). و قد نجد ظروف تشغيل أخرى من التيار الكهربائي - و يعتمد ذلك على مكان التشغيل - ينبغي دراستها قبل تحديد نوعية المحرك الكهربائي المطلوب لتشغيل المروحة.

لابد من إتباع الأكواد ذات الصلة عند تخطيط الدوائر الكهربائية. و بشكل عام نجد أن طرق التوصيلات الكهربائية المتبعة تعمل على الفصل بين الدوائر الخاصة بوحدات الملف و المروحة و لا تسمح بتوصيلها ضمن دوائر الإضاءة.

تسمح هذه النوعية من الدوائر الكهربائية المتصلة بلوحة كهرباء مركزية لموظف التشغيل بالمبنى من إيقاف مراوح الوحدات خلال ساعات عدم الإشغال. و رغم أن هذه اللوحات الكهربائية تزيد من التكاليف المبدئية إلا إنها يمكنها تقليل تكاليف التشغيل في المباني التي لا تكون مشغولة بالأشخاص 24 ساعة. و لابد في الأقاليم المناخية الحارة الرطبة من بذل مزيد من الإهتمام لمنع زيادة الرطوبة عند إيقاف الوحدات لتجنب تكون العفن داخل المكان. و إستخدام دوائر الكهرباء منفصلة يسمح بتركيب ترموستات واحد داخل المكان لتشغيل كل الوحدات.

شبكة المواسير

ينبغي تركيب منظومة لإزالة المتكاثف من وحدات الملف و المروحة على الرغم من المعالجة المركزية للهواء الخارجي المسحوب. فهذة الإحتياطات تضمن إزالة المتكاثف من الرطوبة المصاحبة لعدم مرورها على منظومة التهوية بعد الفتح غير المتوقع للنوافذ. و حوض الصرف يعتبر جزء لا يتجزأ في كل وحدات الملف و المروحة. و خطوط صرف المتكاثف ينبغي زيادة أقطارها لتجنب إنسدادها بالأوساخ و المواد الأخرى، و ينبغي عمل التجهيزات اللازمة لنظافة خطوط صرف المتكاثف بشكل دوري. و قد يحدث تكثف على مواسير الصرف من الخارج، و لذلك يتطلب الامر عزل هذه المواسير. و لقد قامت العديد من أكواد المباني بتحريم إستخدام الأنظمة التي لا تحتوي على مواسير لصرف المتكاثف نظراً للأثار المدمرة التي من الممكن أن تنجم عنها.

التحكم في قدرات التشغيل

عادة يتم التحكم في قدرات تشغيل وحدات الملف و المروحة عن طريق تدفق المياه في الملفات، أو سرعة دوران المروحة، أو كلاهما. و يمكن التحكم في تدفق المياه عن طريق ترموستات يتم تركيبه إما على مسار الهواء الراجع أو معلقاً على جدران الغرفة.

إن التحكم في سرعة دوران المروحة من الممكن أن يتم أوتوماتيكياً أو يدوياً. و عادة يتم التحكم في دوران المروحة بالفتح و الغلق عند سرعة يتم إختيارها يدوياً. و تتوفر وحدات بمحرك كهربائي متغير السرعة يتم توصيله بوسيلة تحكم تقوم بتغيير سرعته وفقاً لتغير الحمل الحراري. و يُفضل إستخدام ترموستات بالغرفة عند التحكم في سرعة المروحة أوتوماتيكياً. و لا يعطي الترموستات الموضوع على مسار الهواء الراجع مؤشر موثوق به عن درجة حرارة الغرفة عن توقف دوران المروحة. و تحتوي وحدات الملف و المروحة الخاصة بالمباني السكنية على وسيلة تحكم في المروحة ثلاثية السرعات يتم إختيارها يدوياً، كما تحتوي على وسيلة للتحكم في درجة حرارة كلاً من مياه التبريد و التدفئة وفقاً لدرجة حرارة الجو الخارجي. إلا أن التحكم في سرعة المروحة بالفتح و الغلق وسيلة رديئة للأسباب التالية: (1) التغير في مستوى الضوضاء الناجم عن تكرار توقف و تشغيل المروحة أكثر وضوحاً من الضوضاء الناجمة عن دوران المروحة المستمر، (2) تأثر شكل دوران الهواء بالغرفة تأثراً واضحاً.

الصيانة

إن وحدات الملف و المروحة يتم تجهيزها بنوعية من المرشحات التي ينبغي إما تنظيفها أو إستبدالها في حالة إتساخها. و صيانة المرشحات صيانة جيدة يساعد على تحسين الجو الصحي بالمكان و يضمن تدفق معدلات الهواء الصحيحة و تشغيل الوحدات بأقصى قدراتها. و معدل تكرار نظافة المرشحات يتغير تبعاً لنوعية التطبيق المستخدم. فالوحدات المستخدمة في التطبيقات السكنية، و الفنادق، و المستشفيات عادةً ما تحتاج إلى زيادة معدلات الصيانة المطلوبة نظراً لوجود الوبر في هذه الأماكن.

إن المحركات الكهربائية الخاصة بوحدات الملف و المروحة تحتاج إلى التزييت بصفة دورية. و على الرغم من أن تعطل المروحة ليس شائعاً، إلا أنه عندما يحدث ذلك فيمكن إستبدال مجموعة المروحة بسرعة و بأقل فترة تعطل التكييف بالمكان. و ينبغي تنظيف و غسيل حوض صرف المتكاثف بصفة دورية لمنع فيضان المتكاثف و تكاثر البكتريا. و ينبغي تزويد حوض المتكاثف بسيفون مائي لمنع دخول الغازات من شبكة الصرف إلى الوحدة.

منظومة توزيع المياه

إن المياه الباردة و الساخنة لابد أن تتدفق داخل وحدات الملف و المروحة. و يعتمد شكل المنظومة على نوعية الأداء المطلوب، و سهولة التشغيل، و التكلفة المبدئية لها.

المنظومة ثنائية المواسير المتحولة الخالية من التهوية المركزية. و يتم تغذية الوحدات في هذه المنظومة إما بالمياه الساخنة أو الباردة من خلال نفس شبكة المواسير. فوحدات الملف و المروحة المستخدمة في هذه المنظومة بها ملف واحد فقط. و نجد أن أبسط منظومة لتوزيع المياه و أقلهم في التكلفة المبدئية هي الأنظمة ثنائية المواسير المتحولة التي يتم فيها الآتي: (1) سحب الهواء الخارجي من خلال نوافذ المبنى، (2) التحكم يدوياً في سرعات المروحة الثلاثية، (3) التحكم في درجة حرارة المياه الباردة و الساخنة وفقاً لدرجات الحرارة الخارجية. و عادة يتم إستخدام هذه المنظومة في المباني السكنية المجهزة بنوافذ قابلة للفتح و الغلق، و تعتمد على سكان المبنى في التحكم في سرعة المروحة و فتح و غلق النوافذ. و يتم ضبط درجة الحرارة الخارجية التي تتحول فيها المنظومة بين التبريد و التدفئة على قيمة مُحددة مسبقاً. و إذا تم إستخدام الترموستات للتحكم في تدفق المياه داخل الوحدات فلابد أن يتم عكس أدائه إرتباطاً بما إذا كانت المياه المتدفقة باردة أم ساخنة.

إن المنظومة ثنائية المواسير لا يمكنها تحقيق التبريد و التدفئة في نفس الوقت، و هذه الظروف مطلوبة في معظم المشاريع خلال موسم الربيع و الخريف عندما نجد أن بعض الغرف تحتاج إلى تبريد بينما الغرف الأخرى تحتاج إلى التدفئة. و قد تكون هذه المشكلة مزعجة بشكل خاص إذا كان المبنى يتم تغذيته بالكامل عن طريق دائرة مياه وحيدة. و يمكن التغلب على هذا العيب جزئياً عن طريق تقسيم شبكة المواسير إلى مناطق وفقاً لإتجاهات تعرض المبنى لأشعة الشمس. و من ثم يمكن تشغيل كل منطقة في وضع التدفئة أو التبريد بشكل منفصل عن المناطق الأخرى. و على الرغم من ذلك قد نجد أن أحدى الغرف ما زالت في حاجة إلى التبريد بينما الغرفة الأخرى الموجودة في نفس إتجاه المبنى تحتاج إلى التدفئة - خصوصاً إذا كان المبنى مظلل جزئياً عن طريق المباني المجاورة.

إن العيب الثاني في المنظومة ثنائية المواسير المتحولة هي إحتياجها المتكرر إلى عملية التحول من التدفئة إلى التبريد و التي تزيد من تعقيد عملية التشغيل كما تزيد من معدلات إستهلاك الطاقة إلى الحد الذي قد يجعلها غير عملية. فعلى سبيل المثال لابد من الأخذ في الإعتبار تمدد المياه (و تحريرها) الذي يحدث خلال التحول بين وضع التبريد و التدفئة في الأنظمة ثنائية المواسير المتحولة.

للأسباب السابقة ينبغي على المصمم أن يدرس بعناية عيوب المنظومة ثنائية المواسير؛ فالعديد من الأنظمة التي تم تركيبها من هذه النوعية تهدر الطاقة و أظهرت أداءً مرفوضاً في الأجواء المناخية التي تحتاج إلى تحول متكرر بين التبريد و التدفئة و عندما تحتاج الأحمال الحرارية داخل عمق المبنى إلى التبريد في نفس الوقت الذي تحتاج فيه الفراغات المعمارية الموجودة على المحيط الخارجي من المبنى إلى التدفئة.

المنظومة ثنائية المواسير المتحولة المزودة بسخانات كهربائية صغيرة. توفر هذه المنظومة التبريد و التدفئة المتزامنين في موسم الربيع و الخريف عن طريق إستخدام سخان كهربائي صغير في وحدات الملف و المروحة. فوحدات الملف و المروحة يمكنها تلبية إحتياجات المكان من التدفئة في الظروف المناخية المعتدلة التي تصل درجات الحرارة الخارجية فيها إلى أكثر من 4°C في نفس الوقت الذي تقوم فيه بتدوير المياه المثلجة لتلبية إحتياجات الأماكن الأخرى من التبريد. و عندما تنخفض درجة الحرارة الخارجية بمقدار تحتاج فيه الوحدات إلى تدفئة تتعدى قدرات السخانات الكهربائية يتم تحويل منظومة مواسير المياه من المياه الباردة إلى الساخنة.

المنظومة ثنائية المواسير المتحولة المزودة بسخانات كهربائية كبيرة. لا يُوصى بإستخدام هذه المنظومة نظراً لإعتبارات ترشيد إستهلاك الطاقة، إلا أنها قد تكون عملية في المناطق التي تحتاج إلى معدلات تدفئة صغيرة.

المنظومة رباعية المواسير

تتكون منظومة توزيع المياه الثانوية رباعية المواسير من خط تغذية بالمياه الباردة، و خط رجوع المياه الباردة، و خط تغذية بالمياه الساخنة، و خط رجوع المياه الساخنة. و على الرغم من أن التكلفة المبدئية للمنظومة رباعية المواسير هي الأعلى تكلفة من بين الأنظمة الأخرى إلا أنها تتميز بأفضل أداء تشغيل لمنظومة وحدات الملف و المروحة. فهي توفر الآتي: (1) التبريد و التدفئة في كل الفصول المناخية لكل وحدة من وحدات الملف و المروحة، (2) لا تحتاج إلى التحول بين وضعي التدفئة و التبريد صيفاً و شتاءً، (3) التشغيل البسيط، (4) في وضع التدفئة يمكنها إستخدام أي نوع من أنواع الوقود ، أو الإستفادة من أنظمة إسترداد الطاقة، أو إستغلال الطاقة الشمسية. و بالإضافة إلى ذلك يمكن ضبطها بحيث يتم المحافظة على "منطقة ميتة" بين وضعي التدفئة و التبريد فلا تقوم الوحدة بالتبريد في نفس الوقت الذي تقوم فيه بالتدفئة. و لدراسة الأنظمة ثنائية و ثلاثية و رباعية المواسير التي يصاحبها تهوية مركزية قم بالرجوع إلى المقاطع التالية من هذا الفصل.

محطة المعدات المركزية

إن سعة المعدات المركزية يتم تحديدها بناءً على الحمل الحراري لكتلة المبنى الكلي عند زمن حدوث الحمل الأقصى و ليس على مجموع أقصى حمل حراري لكل وحدة طرفية لكل غرفة. و ينبغي أن يتضمن حمل التبريد معامل تنوع لكل من أحمال الإضاءة و الإشغال. أما أحمال التدفئة فيتم تحديدها بناءً على عدم إشغال المبنى بالأشخاص عند درجة الحرارة التصميمية، مع إضافة سماحية لتخفيف الحمل الحراري إذا تم تخفيض درجة الحرارة الداخلية بالمبنى ليلاً.

إذا تطلب الأمر إعادة ضبط قيم درجات حرارة و معدلات تدفق المياه بعد و قبل زمن حدوث الحمل الأقصى لكتلة المبنى فلابد أن تكون مناسبة لأقصى حمل حراري يتحقق بفراغ معماري بالمبنى. و لذلك يستلزم الأمر عمل تحليل لتغير الأحمال الحرارية لكل غرفة من غرف المبنى.

إذا تعرض جانب من جوانب المبنى لأشعة الشمس أو أحمال حرارية لمناطق داخلية بالمبنى و أحتاج هذا الأمر إلى مياه مبردة في الطقس البارد فينبغي الأخذ في الإعتبار إمكانية إستغلال مياه تبريد مكثفات مبردات المياه عن طريق مبادل حراري. و التغير في أحمال التبريد يتطلب أن يكون أداء تشغيل مبردات المياه أداءً مقبولاً تحت كل الظروف.

التهوية

إن السبب الوحيد لإستخدام مراوح مركزية بأنظمة الوحدات الطرفية بالغرف هو توفير معدلات التهوية الصحيحة لمختلف الفراغات المعمارية التي تخدمها الوحدات الطرفية.

عادةً التحكم في الهواء اللازم للتهوية هو العنصر الأكثر صعوبة و يمثل الحمل الحراري الأكبر من بين مكونات الأحمال الحرارية. فالقائم على التصميم لابد أن يختار الطريقة التي تتوافق مع الأكواد المحلية، و متطلبات الأداء، و القيود المفروضة على التكلفة، و الإحتياجات الصحية.

إن الأنظمة المركزية للمعالجة المبدئية للهواء الخارجي و ضبط درجة حرارته عند 21°C هي أفضل طريقة للتحكم في الهواء اللازم للتهوية، فهي تخلو من المشاكل المتعلقة بتسرب الهواء الخارجي إلى داخل المبنى تحت تأثير "ظاهرة المدخنة" بالمباني. و الهواء اللازم للتهوية قد يتم دفعة إلى الغرفة من خلال وحدة الملف و المروحة أو بطريقة مباشرة كما هو موضح في شكل 4. و يمكن إستخدام أي نوع من أنواع وحدات الملف و المروحة في أي مكان عندما تكون منظومة التهوية مجهزة بمخارج هواء خاصة بها.

نظراً لأن الهواء اللازم للتهوية يساهم بشكل كبير في الأحمال الكامنة بالغرفة فينبغي تركيب ملف تجفيف في منظومة التهوية المركزية لتقليل الرطوبة بالغرفة خلال فترات إرتفاع محتوى الهواء الخارجي من الرطوبة.

شكل 4 التهوية من خلال شبكة هواء مستقلة

إن الميزة الإضافية لوحدة التهوية هي محافظتها على جفاف ملفات التبريد بالوحدات الطرفية، مما يزيد من عمرها الإفتراضي، و ذلك بشرط إختيار قدرة وحدة التهوية بحيث تكون قادرة على إنتزاع الأحمال الداخلية الكامنة. و رغم ذلك فإنه يُوصى بتجهيز وحدات الملف و المروحة بمواسير لصرف المتكاثف. و ضبط درجة حرارة الهواء الخارجي عند 21°C يعمل على إزالة الأحمال الحرارية المصاحبة للهواء الخارجي من على عاتق الوحدات الطرفية، و بالتالي يمكن تحويلها من وضع التدفئة إلى التبريد و العكس بدون زيادة في الأحمال الحرارية الخارجية أو الداخلية.

يمكن أن يتم تزويد المناطق الخارجية من المبنى بالهواء اللازم للتهوية من خلال منظومة المناطق الداخلية و ذلك في المباني التي لا تقوم فيها وحدات الملف و المروحة إلا بخدمة المناطق الخارجية من المبنى فقط، أما المناطق الداخلية فتقوم بخدمتها أنظمة هوائية كلية مستقلة. و تلك المنظومة يمكنها التحكم في الرطوبة بالغرف كما يمكنها التحكم في درجة حرارة الهواء اللازم للتهوية. بالإضافة إلى أن عملية ضبط الهواء اللازم للتهوية عند 21°C و 50% تسمح بدفع الهواء إلى أي وحدة من وحدات الملف و المروحة بدون التأثير على الأجواء المريحة التي تحافظ عليها الوحدات الطرفية.

التطبيقات

أن أفضل تطبيق لوحدات الملف و المروحة هو في الحالات التي تتطلب تحكم مستقل في درجة حرارة كل فراغ من الفراغات المعمارية. كما أن أنظمة الملف و المروحة تمنع أيضاً إنتقال الملوثات من غرفة إلى أخرى. و التطبيقات المناسبة هي الفنادق، و المباني السكنية، و المباني المكتبية. و على الرغم من إمكانية إستخدام أنظمة الملف و المروحة في العديد من المستشفيات إلا أنه تقل الرغبة فيها نظراً لإنخفاض كفاءة مرشحاتها و صعوبة المحافظة على نظافة الوحدة و غلافها بالقدر السليم.

المزايا

أن أكبر ميزة في منظومة وحدات الملف و المروحة هي أن شبكة المناولة الخاصة بها (المواسير و مجاري الهواء) لا تحتاج إلا إلى مقدار ضئيل من المساحات المعمارية لتمديدها - لا تحتاج إلى غرفة مروحة مركزية كما أن المساحات التي تتطلبها مجاري الهواء صغيرة. فتلك المنظومة تحوز على كل مزايا المحطة المركزية للمياه المثلجة و الساخنة و في نفس الوقت لها القدرة على غلق الوحدات الطرفية في المناطق غير المستخدمة. و تعطي الفرصة للتحكم المنفرد في كل غرفة من الغرف بأقل مقدار من إنتقال الملوثات من غرفة إلى أخرى عبر الهواء المدار. و يمكن زيادة قدراتها وصولاً إلى الإستجابة السريعة للتبريد و التدفئة. و نظراً لأن تلك المنظومة يمكنها التدفئة بإستخدام مياه ذات درجات حرارة منخفضة نسبياً، فإنها مناسبة من الناحية العملية لتوصيلها بمعدات الطاقة الشمسية أو إسترداد الحرارة من معدات التبريد. و بالنسبة لتحديث المباني القائمة فمن الأسهل عادةً تركيب المواسير و تمديد الأسلاك الخاصة بوحدات الملف و المروحة من تمديد شبكة مجاري الهواء الضخمة الخاصة بأنظمة الهواء الكلي.

العيوب

تحتاج أنظمة وحدات الملف و المروحة إلى أعمال صيانة أكبر من التي تحتاجها الأنظمة المركزية الهوائية الكلية، كما أن هذه الأعمال لابد أن يتم القيام بها داخل المناطق المشغولة بالأشخاص. و الوحدات التي تعمل عند درجات حرارة ندى منخفضة تحتاج إلى أحواض تجميع المتكاثف و شبكة صرف يستلزم تنظيفها و غسيلها بشكل دوري. و قد تكون عملية صرف المتكاثف صعبة و مكلفة. و من الصعب أيضاً تنظيف ملفات التبريد و التدفئة. و المرشحات صغيرة و منخفضة الكفاءة و تحتاج إلى إستبدال متكرر للمحافظة على معدلات تدفق الهواء المطلوبة. إلا أنه أحياناً يمكن الإستغناء عن شبكة الصرف إذا كانت عملية تجفيف الهواء يتم التحكم فيها تحكماً نشطاً من خلال منظومة التهوية المركزية.

إذا لم يتم تهوية الغرف بالأنظمة المركزية فإنه غالباً يتم تهويتها عن طريق فتح النوافذ الموجودة على الجدران الخارجية للمبنى. و في هذه الحالة فإن معدلات التهوية تتأثر بسرعة الرياح و إتجاهها و "ظاهرة المدخنة".

إن مستويات الرطوبة في الغرف تميل إلى الإرتفاع النسبي صيفاً، خصوصاً إذا تم إستخدام محابس متغيرة في نسبة الفتح و الغلق للتحكم في درجات حرارة الغرفة. و البديل هو إستخدام محبس تحكم يفتح أو يغلق بنسبة 100% مع مروحة متغيرة السرعة و وحدة تحكم في تغير درجة حرارة المياه المثلجة ذات تمرير جانبي.

أنظمة الهواء الإبتدائي

يوضح شكل 5 منظومة الهواء الإبتدائي المستخدمة في أنظمة الوحدات الطرفية بالغرف. و لقد تم شرح مكونات المنظومة في فصل 2.

إن بعض أنظمة الهواء الإبتدائي تعمل بنسبة 100% من الهواء المتجدد في كل الأوقات. و الأنظمة التي تعمل بنسبة من الهواء الراجع ينبغي تزويدها بوسائل تسمح بتشغيلها بنسبة 100% من الهواء المتجدد، و ذلك لتقليل تكلفة التشغيل خلال مواسم معينة. و في بعض الأنظمة عندما تزيد كمية الهواء الإبتدائي المدفوع إلى المكان المعدلات المطلوبة من التهوية أو الهواء المطرود فإن الكميات الزائدة يتم تدويرها بشبكة سحب متصلة بمنظومة التكييف التي تخدم المناطق الداخلية. و يتطلب الأمر تركيب مرشح هواء في وحدة مناولة الهواء المركزية. و إذا كان ضرورياً المحافظة على مستوى معين من الرطوبة في الأجواء الباردة فعادةً يتم تركيب مرطب. و قد تم إستخدام الترطيب بالبخار لتحقيق ذلك و أظهر الكفاءة المطلوبة. أما التزرية بالمياه فلابد أن يتم تشغيلها بمصاحبة: (1) سخان إبتدائي يقوم برفع درجة حرارة الهواء المسحوب، أو (2) سخان يتم تركيبه على دائرة المياه التزرية.

عادةً يتم إختيار ملف التبريد بحيث تكون درجة حرارة ندى الهواء الإبتدائي منخفضة بشكل يجفف المنظومة بالكامل. و الهواء يخرج من ملف التبريد عند درجة حرارة مقدارها 10°C أو أقل، و هو في حالة أقرب ما تكون للتشبع.

شكل 5 منظومة الهواء الإبتدائي

ينبغي إختيار مروحة الدفع بالقرب من نقطة الكفاءة القصوى لتقليل إستهلاك الطاقة و نسبة الضوضاء و تسخين هواء التغذية. و قد يتطلب الأمر تركيب كواتم صوت عند مخرج المروحة لتقليل مستويات الضوضاء المنطلقة منها.

إن الأنظمة ثنائية المواسير تحتاج إلى ملفات إعادة تسخين. أما الأنظمة رباعية المواسير فلا تحتاج إلى إعادة تسخين الهواء الإبتدائي. و سابقاً كان يتم تصميم العديد من أنظمة توزيع الهواء الإبتدائي الخاص بالوحدات الحثية عند ضغوط إستاتيكية مقدارها يتراوح من 2 إلى 2.5kPa (فوق الضغط الجوي). و نظراً للقيود المفروضة على إستهلاك الطاقة فإن هذه المنظومة أصبحت غير إقتصادية. و التصميم الجيد لمجاري الهواء و إزالة المعوقات الغير ضرورية (على سبيل المثال، كواتم الصوت) من الممكن أن يؤدي إلى منظومة هواء إبتدائية تعمل عند ضغوط تتراوح من 1.1 إلى 1.5kPa (فوق الضغط الجوي). أما منظومة توزيع الهواء الإبتدائي التي تخدم وحدات الملف و المروحة فمن الممكن أن تعمل عند ضغوط تتراوح من 0.25 إلى 0.37kPa. و الإختيار الجيد لملفات تبريد الهواء الإبتدائي و الوحدات الحثية بهدف تقليل الهدر في ضغوط الهواء ضرورياً لتحقيق منظومة هواء إبتدائي متوسطة السرعة. أما منظومة توزيع الهواء الخاصة بوحدات الملف و المروحة فقد تكون ذات سرعات منخفضة أو خليط من أنظمة السرعات المنخفضة و المتوسطة. فقم بالرجوع إلى فصل 32 من دليل ASHRAE - المبادئ الأساسية لعام 1997 لتوضيح كيفية تصميم مجاري الهواء. و ينبغي تقليل الإختلاف في ضغوط الهواء بين الوحدة الطرفية الأولى و الأخيرة للحد من هدر ضغط الهواء خلال بوابات الإتزان.

إن الخصائص الصوتية بالغرف تتغير تبعاً لإختيار وحدة التكييف، و تصميم المنظومة الهوائية، و جهة التصنيع. فالوحدات ينبغي إختيارها مع الأخذ في الإعتبار معدلات مستوى الضوضاء التي تنشرها جهة التصنيع، و أقصى مستوى ضوضاء مقبول بالغرفة، و الخصائص الصوتية بالغرفة. و بالتالي يمكن توصيف حدود مستويات الضوضاء لتحقيق أفضل أداء صوتي مقبول.

أداء المنظومة في ظل تغير الأحمال

إن أداء أنظمة الوحدات الحثية و وحدات الملف و المروحة في ظروف التشغيل متماثلة عند الحمل الأقصى، و ذلك لكلاً من الأنظمة ذات المواسير الثنائية و الرباعية. فالهواء الإبتدائي يختلط بالهواء الثانوي - الذي يقوم ملف التبريد/التسخين الموجود بالوحدة الحثية بمعالجته - قبل دفعة إلى الغرفة. كما أن عملية الخلط تتم أيضاً بوحدات الملف و المروحة المتصلة مباشرة بشبكة توزيع الهواء الإبتدائي. و إذا تم الدفع بالهواء الإبتدائي إلى الغرفة بشكل منفصل- كما هو الوضع في أنظمة وحدات الملف و المروحة ذات التغذية المستقلة بالهواء الإبتدائي - فسوف يحدث نفس التأثير بالمكان. فظروف التشغيل التي تنجم عن هاتين العمليتين المستقلتين هي نفسها التي تنجم نتيجة إتصال الهواء الإبتدائي مباشرة بوحدات الملف و المروحة.

إن منظومة الهواء الإبتدائي خلال عملية التبريد تقوم بتوفير القدرات التبريدية اللازمة للتعامل مع جزء من الأحمال المحسوسة و كل الأحمال الكامنة. أما الجزء الباقي من الأحمال المحسوسة فيتم التعامل معها تحت تأثير القدرات التبريدية للمياه الثانوية الدائرة خلال ملف التبريد بالوحدة الطرفية. و الهواء الإبتدائي شتاءً يكون عند درجات حرارة منخفضة، و يتم ترطيبه إذا تم تجهيز المنظومة بوسائل تحكم في الرطوبة. أما كل التدفئة المطلوبة بالغرفة فتقوم بالتعامل مها منظومة المياه الثانوية. و كل العوامل التي تساهم في أحمال التبريد بالفراغات المعمارية المجاورة لمحيط المبنى الخارجي صيفاً - بإستثناء الأحمال الحرارية المنتقلة عبر الجدران و النوافذ - فهي تضيف حرارة إلى نفس المكان شتاءً. فالأحمال الحرارية المنتقلة عبر الجدران و النوافذ يصبح تأثيرها سلبياً عندما تنخفض درجات الحرارة الخارجية تحت درجات الحرارة الداخلية بالغرف. و مقدار تلك الأحمال يتناسب طردياً مع فرق درجات الحرارة بين الهواء الخارجي و الداخلي بالغرف.

إن التطبيقات التي يدخل فيها الهواء الإبتدائي مباشرة إلى الوحدات الطرفية نجد أن درجات حرارته شتاءً هي نفس درجة الحرارة التصميمية المضبوطة صيفاً. أما في الأنظمة التي لا يدخل فيها الهواء الإبتدائي إلى الوحدات الطرفية فينبغي أن يتم ضبط درجة حرارته لتكون مساوية لدرجة حرارة الغرفة شتاءً. و الهواء الإبتدائي يمكنه تحقيق معدلات محدودة من التبريد بدون التبريد الإضافي الذي تقوم به الملفات الثانوية بالوحدات الطرفية. و طالما لم تكن الأحمال الحرارية الداخلية مرتفعة فعادة هذه المعدلات التبريدية المحدودة تكون كافية لتلبية الأحمال الحرارية للواجهات الغربية و الشرقية خلال مواسم الخريف و الشتاء و الربيع ، و ذلك نظراً لأن المكتسبات الحرارية من الأشعة الشمسية تنخفض خلال تلك الفترات. أما الواجهات الشمالية فليس لها تأثير كبير نظراً لأن مكتسباتها من الأشعة الشمسية منخفضة للغاية. و بخصوص الواجهات الجنوبية، و الجنوبية الشرقية، و الجنوبية الغربية فإن أقصى مكتسبات من الأشعة الشمسية فتحدث خلال الشتاء متزامنة مع إنخفاض درجات الحرارة الخارجية، أنظر شكل 6.

شكل 6 التغير في معدلات الأشعة الشمسية خلال فصول السنة

إن إنتقال الحرارة من داخل المكان إلى الخارج في المباني ذات المسطحات الزجاجية الكبيرة لا يتساوى مع المكتسبات الحرارية الداخلية و المكتسبات الحرارية من الأشعة الشمسية حتى تنخفض درجة الحرارة الخارجية تحت درجة حرارة التجمد. و ذلك الوضع يتفاقم مع إستخدام النوافذ ثنائية الألوح الزجاجية الشفافة أو الماصة للحرارة نظراً لأن هذه النوعية من الزجاج تسمح بدخول أشعة الشمس بإستمرار في فصل الشتاء. إلا أن التأثير العازل للنوافذ ثنائية الألواح الزجاجية يقلل إنتقال الحرارة من الداخل إلى الخارج، و لذلك لابد من إستمرار التبريد عندما تكون درجات الحرارة الخارجية منخفضة. و في المباني ذات المكتسبات الحرارية الداخلية المرتفعة المنطلقة من الإضاءة أو الأجهزة الداخلية نجد أن الحاجة إلى التبريد من خلال ملفات التبريد الموجودة في الوحدات الطرفية بالإضافة إلى الهواء الإبتدائي من الممكن أن يستمر كثيراً في فصل الشتاء. و على أي حال من الأحوال فإن حساب درجة الحرارة التي عندها لا نحتاج إلى القدرات التبريدية لمنظومة المياه الثانوية لأي فراغ من الفراغات المعمارية ذو أهمية بالغة.

درجة حرارة التحول

في كل الأنظمة التي تستخدم منظومة الهواء الإبتدائي لتغذية الأماكن بالهواء الخارجي توجد درجة حرارة خارجية - درجة حرارة الإتزان - تتوقف عندها الحاجة إلى التبريد الثانوي. و عندها المنظومة يمكنها تلبية إحتياجات المكان من التبريد بإستخدام الهواء الخارجي عند درجات الحرارة المنخفضة، فضلاً عن تلبية إحتاجات المكان من التدفئة بدلاً من التبريد. و نادراً ما تحتاج الأنظمة التي تعمل بنسبة هواء متجدد تصل إلى 100% إلى التبريد الميكانيكي عندما تكون درجة الحرارة الخارجية أقل من 12°C. و رغم ذلك فمن بين الخصائص المهمة لأنظمة الوحدات الطرفية بالغرف نجد أنه قد يتطلب الأمر التبريد بالمياه الثانوية حتى عندما تنخفض درجة الحرارة الخارجية إلى أقل من 10°C. و ذلك التبريد قد يتحقق بإستخدام وحدة تبريد ميكانيكية أو عن طريق دورة توفير حرارية. فعندما تكون درجة الحرارة الخارجية أقل من 10°C نجد أن تدوير الهواء على ملف التبريد الإبتدائي غالباً ما يحقق التبريد المطلوب و في نفس الوقت يمنع تجمد الملف و يقلل من الحاجة إلى إعادة التسخين. و إستخدام المبادلات الحرارية بين دورة المياه الثانوية و مياه تبريد المكثفات تؤدي إلى نتائج جيدة. كما أن بعض الأنظمة تقوم بتدوير مياه تبريد المكثفات بشكل مباشر على الملفات الثانوية. و هذه الطريقة ينبغي إستخدامها بحذر حيث أن الغالبية العظمة من منظومة المياه الثانوية ستعمل في دورة مفتوحة مما يعرضها لمخاطر محتملة يصاحبها معالجة مياه غير مناسبة.

إن درجة الحرارة الخارجية التي يمكن عندها تلبية إحتياجات المكان من التبريد عن طريق الهواء الإبتدائي و فقد الحرارة عبر النوافذ و الجدران يُطلق عليها إصطلاحاً درجة حرارة التحول. و تحت هذه درجة الحرارة فإن المكان لا يحتاج إلى تبريد.

إن المعادلة التجريبية التالية تعطي نتائج تقريبية لدرجة حرارة التحول عند مستوى سطح البحر، و ينبغي ضبطها بعد الإنتهاء من التركيبات (كاريير 1965):

عادةً في الأنظمة ثنائية المواسير نجد أن المنظومة بكامل تتحول من وضع التشغيل الشتوي إلى وضع التشغيل الصيفي في نفس الوقت، و لذلك ينبغي تحديد الغرفة التي تتميز بأقل درجة حرارة تحول. و في البلاد التي تقع شمال خط الإستواء نجد أن هذه الغرفة عادةً ما تطل على الإتجاه الجنوبي، أو الجنوبي الشرقي، أو الجنوبي الغربي نظراً لأن المكتسبات الحرارية من الأشعة الشمسية في هذه الإتجاهات تصل إلى أعلى معدلاتها خلال شهور الشتاء.

إذا كانت درجة حرارة التحول المحسوبة أقل من 9°C تقريباً ، فينبغي تشغيل دورة التوفير حتى يمكن غلق محطة التبريد.

على الرغم من أن العوامل المرتبطة بحساب درجة حرارة التحول في أنظمة الوحدات الحثية يفهمها جيداً المهندسين القائمين على التصميم، إلا أن المفاهيم الأساسية غالباً ما تكون أكثر صعوبة على فهم القائمين على تشغيل المنظومة. و لذلك يجب قبل تشغيل المنظومة أن يتم توضيح مفاهيم درجة حرارة التحول في كتيب إرشادات التشغيل الخاص بالقائمين على تشغيل المنظومة. و أصبح من الطبيعي إجراء بعض الزيادة على درجة حرارة التحول عند التشغيل الفعلي. كما أنه من الضروري أيضاً أن يتم وضع نطاق أو مدى من درجات حرارة التحول - بدلاً من قيمة وحيدة - لإستبعاد التحول الموسمي المتكرر و ضمان بعض المرونة في إجراءات التشغيل. كما أن الصعوبات المصاحبة لتفهم القائمين على التشغيل و الحاجة إلى التحول عدة مرات في اليوم الواحد من التشغيل الشتوي إلى الصيفي و من الصيفي إلى الشتوي في كثير من المناطق قد حدت بشدة من إمكانية قبول المنظومة ثنائية المواسير.

أحمال التبريد

يتم تحديد أحمال التبريد التصميمية بدراسة المنظومة الهوائية و المائية التي تخدم المبنى بالكامل أو التي تخدم جزءً منه. و نظراً لأن الحمل الحراري على منظومة المياه الثانوية مرتبط بالمتطلبات المتزامنة لكل الغرفة، فإن مجموع الأحمال القصوى للغرف أو المناطق لا يتم أخذها في الإعتبار.

يتأثر توقيت أقصى حمل حراري بدرجة الحرارة المبللة للهواء الخارجي، و فترة الإشغال بالمبنى، و كمية تعرض الواجهات الشرقية و الجنوبية و الغربية نسبياً لأشعة الشمس. و عندما يتساوى تقريباً مقدار الأحمال الحرارية من الأشعة الشمسية لكل واجهة من الواجهات السابقة فعادة يحدث توقيت أقصى حمل حراري في منتصف فصل الصيف في فترة بعد الظهيرة، و نجد حينها أن حمل الأشعة الشمسية على الواجهة الغربية و درجة الحرارة المبللة للهواء الخارجي أنهما بالقرب من مقدارهما الأقصى.

إن حمل التبريد عند مستوى سطح البحر يساوي حمل تبريد الهواء الإبتدائي مضافاً إليه الحرارة المنتزعة من منظومة الهواء الثانوي:

حيث أن الأحمال الحرارية الكامنة يقوم بإمتصاصها الهواء الإبتدائي فإن مقدار الرطوبة النسبية الناجمة عن ذلك بالغرفة يمكن تحديدها بحساب إجمالي الأحمال الحرارية الكامنة بكل الغرف عند زمن حدوث الحمل الأقصى. و من ثم نجد أن الزيادة في محتوى الهواء الإبتدائي من الرطوبة عند مستوى سطح البحر هو كالتالي:

و من ثم يمكن عمل تحليل حسابي لخصائص الهواء الرطب.

كما يمكن تحديد حمل التبريد على المياه الثانوية عن طريق طرح حمل تبريد الهواء على الملف الإبتدائي من إجمالي حمل التبريد الكلي.

الأنظمة ثنائية المواسير

المصحوبة بتهوية مركزية

لقد إشتقت الأنظمة ثنائية المواسير - الخاصة بأنظمة الوحدات الحثية و وحدات الملف و المروحة - إسمها من دائرة توزيع المياه، و التي تتكون من ماسورة تغذية و ماسورة أخرى للراجع. و كل وحدة من هذه الوحدات أو كل فراغ معماري يتم تغذيته بالمياه الثانوية من خلال دائرة توزيع المياه السابقة كما يتم تغذيته بالهواء الإبتدائي التي قامت بمعالجته وحدة تكييف مركزية. و لابد من تصميم المنظومة و التحكم في درجات حرارة الهواء الإبتدائي و المياه الثانوية بحيث أن كل الغرف الواقعة في نفس المنظومة (أو كل المناطق الواقعة في نفس المنظومة، إذا كانت المنظومة تم تقسيمها إلى مناطق للتحكم في درجات حرارة الهواء و المياه بشكل منفصل) يمكنها أن تقوم بتلبية إحتياجاتها من التكييف خلال كلاً من موسمي التدفئة و التبريد. و القدرات التبريدية و التسخينية لأي وحدة من الوحدات الطرفية في أي وقت من الأوقات هي مجموع قدرات الهواء الإبتدائي و المياه الثانوية التي تخدم هذه الوحدة.

إن كمية الهواء الإبتدائي ثابتة و درجة حرارته تتغير بنسبة عكسية مع درجة حرارة الهواء الخارجي حتى يتمكن من توفير المعدل الضروري من التبريد خلال فصل الصيف و الفصول المعتدلة. أما في فترة التشغيل الشتوية فيتم تسخين الهواء الإبتدائي و دفعه إلى الوحدات الطرفية. و لابد من إختيار كل الوحدات الطرفية بحيث تعمل بكفاءة في ظل درجة حرارة الهواء الإبتدائي المشتركة بينها.

يتم التحكم في ملف المياه الثانوي (تبريد - تسخين) الموجود في كل فراغ من الفراغات المعمارية عن طريق ترموستات خاص بكل فراغ، و هذا الترموستات يمكنه تغيير قدرة الملف من 0% إلى 100% بغرض تثبيت درجة حرارة المكان. و المياه الثانوية تكون باردة صيفاً و في الفصول المعتدلة و ساخنة شتاءً. و لابد أن يتم تشغيل كل الغرف الواقعة في نفس منطقة المياه الثانوية بكفاءة في ظل نفس درجة حرارة المياه المشتركة بينهم.

يوضح شكل 7 نطاق قدرات التشغيل بأنظمة المواسير الثنائية المعتادة. ففي أيام الصيف الحارة يمكن تلبية التغير في أحمال التبريد من حوالي 25% إلى 100% من القيمة التصميمية للمكان. و في الفصول المعتدلة عندما تكون درجة الحرارة الخارجية 10°C فإن الوحدة يمكنها تلبية إحتياجات المكان من التدفئة بغلف ملف المياه الثانوي و الإستفادة فقط من الهواء الإبتدائي الحار. و يقوم ملف تبريد المياه الثانوي بتلبية الاحمال الحرارية في حالة إحتياج المكان إلى مقدار أقل من التدفئة أو مزيد من التبريد، حيث أنه يخفف من درجة حرارة الهواء الإبتدائي الدافئ للحصول على التبريد المطلوب. و شتاءً يمكن للوحدة أن تلبي معدل صغير من التبريد عن طريق غلق ملف المياه الثانوي و الإستفادة فقط من الهواء الإبتدائي البارد. أما الأحمال التبريدية الصغيرة و كل متطلبات المكان من التدفئة فيتم تلبيتها بإستخدام مياه التدفئة الثانوية.

شكل 7 مدى قدرات تشغيل الوحدات الطرفية بالمنظومة ثنائية المواسير

العناصر التصميمية الهامة

إن أهم عناصر التصميم في المنظومة ثنائية المواسير هي حساب كميات الهواء الإبتدائي و الضبط النهائي لدرجات حرارته طبقاً لجدول تم إعداده مُسبقاً. و تحتاج كل الغرفات إلى قيمة دنيا من التدفئة عن طريق تغذيتها بالهواء الإبتدائي خلال الفصول المعتدلة. و يمكن تلبية هذه الإحتياجات بإستغلال مبدأ النسبة بين كمية الهواء الإبتدائي و معدل إنتقال الحرارة لكل فرق في درجات الحرارة (نسبة A/T) و ذلك للمحافظة على علاقة ثابتة بين كمية الهواء الإبتدائي و إحتياجات كل فراغ معماري من التدفئة. فعن طريق نسبة A/T يتم تحديد درجة حرارة الهواء الإبتدائي و درجة حرارة التحول. و هذا المبدأ هو الأساس الذي يعتمد عليه تصميم و تشغيل المنظومة ثنائية المواسير.

معدل إنتقال الحرارة لكل فرق في درجات الحرارة. يتم تحديد كمية التدفئة النسبية اللازمة لكل فراغ معماري بحساب معدل إنتقال الحرارة لكل درجة حرارة فرق بين درجة حرارة المكان و درجة حرارة الهواء الخارجي (بفرض إنتقال الحرارة في ظروف حالة الإستقرار). و معدل إنتقال الحرارة السابق هو مجموع الأتي: (1) معامل إنتقال الحرارة عبر الزجاج مضروباً في مساحتها ، (2) معامل إنتقال الحرارة عبر الجدران مضروباً في مساحتها، (3) معامل إنتقال الحرارة عبر الأسطح العلوية للمباني مضروباً في مساحتها.

النسبة بين كمية الهواء و معدل إنتقال الحرارة. إن نسبة A/T هي معدل تدفق الهواء الإبتدائي لأي فراغ من الفراغات المعمارية مقسوماً على معدل إنتقال الحرارة لكل درجة حرارة لذلك الفراغ.

إن الفراغات المعمارية المشتركة في منطقة واحدة من مناطق الهواء الإبتدائي لابد أن يكون لها نفس نسبة A/T تقريباً. و يتم إنشاء جدول إعادة تسخين الهواء الإبتدائي خلال الفصول المعتدلة بناءً على النسبة التصميمية الأساسية من A/T. و الفراغات المعمارية التي لها نسبة A/T أكبر من النسبة التصميمية الأساسية تميل إلى الإفراط في البرودة خلال أحمال التبريد الخفيفة عندما تتراوح درجة الحرارة الخارجية بين 21°C و 32°C، بينما الفراغات المعمارية التي نسبة A/T أقل من النسبة التصميمية الأساسية فهي تعجز عن التدفئة المطلوبة عندما تتراوح درجة الحرارة الخارجية بين 5°C و 15°C عندما يتم تسخين الهواء الإبتدائي من أجل إحتياجات التدفئة بينما يتم تبريد المياه الثانوية لإحتياجات التبريد.

يتم إستخدام المعدل الأدني من الهواء الإبتدائي الذي يلبي إحتياجات التهوية، و التجفيف، و التبريد في كلاً من فصل الصيف و الشتاء (كما تم توضيحه في مقطع شكل المنظومة) في حساب النسبة الأدني من A/T لكل فراغ معماري. و إذا كان سيتم تشغيل المنظومة بتسخين الهواء الإبتدائي خلال الأجواء الباردة، فإن القدرة التسخينية يمكن أيضاً إعتبارها كمية الهواء الإبتدائي المحددة للأنظمة ثنائية المواسير.

إن النسبة التصميمية الأساسية هي أعلى نسبة من نسب A/T المستنبطة، و معدل تدفق الهواء الإبتدائي إلى كل غرفة من الغرف يتم زيادته - عند الحاجة - للحصول على نسبة منتظمة من A/T في كل الفراغات المعمارية. و الطريقة البديلة هي تحديد الفراغ المعماري الذي يستحوذ على أعلى نسبة من نسب A/T عن طريق المراقبة، ثم وضع النسبة التصميمية الأساسية A/T، و بعد ذلك إستنتاج معدل تدفق الهواء الإبتدائي للفراغات المعمارية الأخرى بضرب تلك النسبة في معدل إنتقال الحرارة لكل درجة حرارة الخاصة بكل فراغ معماري.

هناك علاقة معينة بين درجة حرارة الهواء الخارجي و درجة حرارة الهواء الإبتدائي الذي يحافظ على درجة حرارة الغرفة عند 22°C أو أكثر خلال الظروف التي تؤدي إلى أدني حمل تبريد بالغرفة، و ذلك لكل نسبة من نسب A/F. و شكل 8 يوضح ذلك التغير المبنى على إفتراض أدني حمل حراري مكافئ لمقدار 5K مضروباً في إنتقال الحرارة لكل درجة. و نادراً ما يتم تسخين الهواء الإبتدائي ليصل إلى درجة حرارة أعلى من 50°C عند الوحدة الطرفية. و ينبغي ضبط جدول التشغيل الخاص بإعادة التسخين في غرف المستشفيات أو التطبيقات الأخرى التي تتطلب مقدار أعلى من الحد الأدني لدرجة حرارة الغرفة، أو في الفراغات المعمارية التي ليس لها حد أدني من أحمال التبريد.

شكل 8 درجة حرارة الهواء الإبتدائي المقابلة لدرجة حرارة الهواء الخارجي

شكل 9 خريطة الرطوبة، منظومة المواسير الثنائية، التبريد في غير موسم الصيف.

شكل 10 التحول النمطي، تغيير المنظومة

شكل 11 التغير النمطي في المنظومة بدون إجراء التحول

أحياناً يتم السماح بالحيود عن نسبة A/T. و أقل قيمة مناسبة للحد الأعلى لنسبة A/T هي 0.7 و ذلك بشرط أن يكون المبنى تم تشييده بمواد ثقيلة تتمتع بمقدار كبير من التخزين الحراري (كاريير 1965). و أداء التدفئة بتسخين الهواء الإبتدائي أقل من الأنظمة التي تتمتع بنسبة منتظمة من A/T. و لذلك السبب فإن الأنظمة التي تم تصميمها بنسبة A/T تختلف عن النسب المبينة ينبغي أن تكون مناسبة للتحول إلى تسخين المياه الثانوية في أي حالة من الأحوال التي تنخفض فيها درجة الحرارة الخارجية تحت 5°C. و ينبغي المحافظة الدقيقة على نسب A/T في المباني ذات المسطحات الزجاجية الكبيرة، أو المشييدة من جدرن ستائرية، أو في الأنظمة ذات درجات حرارة التحول المنخفضة.

إشتراطات درجة حرارة التحول

إن التحول من التشغيل الصيفي إلى التشغيل في الفصول المعتدلة يحدث عن طريق رفع درجة حرارة الهواء الإبتدائي تدريجياً كلما إنخفضت درجة حرارة الهواء الخارجي، و ذلك للإستمرار في تبريد الغرفة تحت تأثير أحمال تبريد صغيرة بدلاً من إنخفاض درجة حرارتها إنخفاضاً كبيراً. فالمياه الثانوية تظل باردة خلال كلاً من فصل الصيف و الفصول المعتدلة. و يوضح شكل 9 دورة التشغيل الصيفية بالقرب من درجة حرارة التحول على خريطة الرطوبة. فكلما إنخفضت درجة الحرارة الخارجية فسوف نصل إلى نقطة درجة حرارة حرارة التحول. و عندها يمكن أن تتحول منظومة المياه الثانوية إلى حالة تسخين المياه لزوم التدفئة.

إذا تم زيادة معدل تدفق الهواء الثانوي في بعض المناطق لرفع درجة حرارة التحول فإن نسبة A/T الخاصة بمنطقة إعادة التسخين سوف تتأثر. و من المحتمل ضرورة ضبط كميات الهواء الإبتدائي في الفراغات المعمارية الأخرى بهذه المنطقة لتحقيق تساوي معقول في نسبة A/T.

إن عملية تحول المنظومة من الممكن أن تأخذ عدة ساعات و عادة تخل مؤقتاً بدرجة حرارة الغرفة. و لذلك فإن التصميم الجيد يتضمن تجهيزات لتشغيل المنظومة إما بالمياه الثانوية الباردة أو الساخنة في نطاق من درجات الحرارة يتراوح بين 8K و 11K تحت درجة حرارة التحول. و ذلك النطاق يجعل من الممكن تشغيل المنظومة بالهواء الإبتدائي الدافئ و المياه الثانوية الباردة عندما ترتفع درجة الحرارة الخارجية فوق درجة حرارة التحول أثناء النهار.

يتم تحقيق الإختيار من بين تشغيل بالمياه الثانوية الدافئة أو الباردة عندما تنخفض درجة الحرارة الخارجية دون درجة حرارة التحول عن طريق زيادة قدرات إعادة تسخين الهواء الإبتدائي لتوفير معدلات التدفئة المضبوطة عند إنخفاض درجات الحرارة الخارجية. و يبين شكل 10 التغير في درجات حرارة المنظومة مع عملية التحول. و تدل على درجات الحرارة النسبية بين الهواء الإبتدائي و المياه الثانوية خلال السنة و نطاق درجات حرارة التحول. و تبين الأسهم المغلقة التغير في درجات الحرارة عندما تتحول دورة التشغيل من الدورة الصيفية إلى الدورة الشتوية. بينما تبين الأسهم المفتوحة التغير في درجات الحرارة عندما تتحول من الدورة الشتوية إلى الدورة الصيفية.

تصميم المنظومة بدون إجراء التحول

ينبغي الأخذ في الإعتبار إستخدام الأنظمة الخالية من إجراء التحول و ذلك لتبسيط عملية التشغيل في المباني التي تقع في الأجواء المعتدلة شتاءً أو في مناطق المبنى التي تطل على الواجهة الجنوبية ذات المكتسبات المرتفعة من الأشعة الشمسية. و تلك الأنظمة تعمل بدورة تشغيل الفصول المعتدلة على مدار موسم التدفئة، ففي هذه الأنظمة نجد أن المياه الثانوية باردةً في ملفات الوحدات الطرفية كما نجد أن الهواء الإبتدائي ساخناً و ذلك لتلبية كل إحتياجات التدفئة. و شكل 11 يبين التغير النمطي في درجات الحرارة بهذه المنظومة.

قد يتم تدفئة الفراغات المعمارية خلال ساعات عدم الإشغال بتشغيل منظومة الهواء الإبتدائي بنسبة 100% من الهواء الراجع. و ذلك أمر ضروري حيث أن تصميم الأنظمة التي تخلو من إجراء التحويل تخلو عادةً من إمكانية تسخين المياه الثانوية. بالإضافة إلى أن المياه الثانوية الباردة لابد من توفرها طوال أشهر الشتاء. و من الضروري عزل مجاري الهواء الإبتدائي و التقيد بنسب A/T بكل الوحدات الطرفية لتحقيق التدفئة السليمة على مدار فترة الأجواء الباردة.

تقسيم المناطق

إن تصميم منطقة التكييف المنفردة بالمنظومة ثنائية المواسير تصميماً سليماً يحقق تحكماً جيداً في درجات الحرارة بكل الواجهات خلال كل فصول السنة. و يمكن تحسين تكاليف التشغيل و التكاليف الإبتدائية عن طريق تقسيم المناطق بأساليب عديدة، و ذلك كالتالي:

· تقسيم الهواء الإبتدائي للسماح بوجود نسب مختلفة من A/T للواجهات المختلفة.

· تقسيم الهواء الإبتدائي للسماح للأشعة الشمسية بموازنة درجة حرارة الهواء الإبتدائي.

· تقسيم كلاً من الهواء و المياه للسماح بوجود عدد من درجات حرارة التحول بالواجهات المختلفة.

إن كل الفراغات المعمارية المشتركة في نفس منطقة الهواء الإبتدائي لابد أن يكون لها نفس نسبة A/T. و غالباً تختلف النسب الدنيا من A/T في الفراغات المعمارية بإختلاف واجهاتها الشمسية، و لذلك يتطلب الأمر زيادة كميات الهواء الإبتدائي في بعض الواجهات إذا إشتركت في نفس المنطقة مع الواجهات الأخرى. و عادة يمكن تقليل كمية الهواء الإبتدائي بالوحدات التي تخدم الواجهات الشمالية أو الشمالية الشرقية أو الشمالية الغربية و ذلك بإستخدام مناطق هواء إبتدائي مستقلة لها نسب A/T و جداول تشغيل لإعادة التسخين مختلفة. و كمية الهواء الإبتدائي ينبغي أن لا تقل أبداً عن أدنى كمية مطلوبة لإحتياجات التهوية.

إن أقصى حمل تبريد للواجهات الجنوبية يحدث خلال أشهر الخريف أو الشتاء عندما تنخفض درجات الحرارة الخارجية. و في حالة عدم وجود أي شكل من أشكال التظليل من المباني المجاورة - سواءً كان في الوقت الحاضر أو المستقبل - فيمكن عن طريق تقسيم الهواء الإبتدائي تبعاً للواجهة الشمسية تخفيض كميات الهواء و قدرات الملفات بالواجهات الجنوبية. و يمكن إختيار الوحدات لتلبية القدرات القصوى في ظل ظروف التشغيل بالهواء الإبتدائي البارد بدلاً من إعادة تسخين الهواء الإبتدائي. إن تقسيم الهواء الإبتدائي و الموازنة بالأشعة الشمسية يوفر من تكاليف التشغيل في كل الواجهات و ذلك بتقليل معدلات إعادة تسخين الهواء الإبتدائي و الغرامة المصاحبة في تبريد المياه الثانوية.

إن عمل مناطق تقسيم منفصلة للهواء و المياه توفر من تكاليف التشغيل، و ذلك للسماح بتشغيل الواجهات الشمالية و الشمالية الشرقية و الشمالية الغربية بدورة التشغيل الشتوية حيث تكون المياه الثانوية ساخنة و وصول درجات الحرارة الخارجية إلى 16°C خلال أشهر الشتاء. و لابد أن يتم تشغيل الأنظمة المشتركة في نفس منطقة المياه الثانوية بالمياه الباردة لزوم تبريد الواجهات الجنوبية. و يمكن تقليل معدلات تدفق الهواء الإبتدائي نظراً لإختلاف نسب A/T و التي تؤدي إلى توفير تكاليف إعادة التسخين و التبريد.

التحكم في ظروف التشغيل بالغرف

إن الترموستات لابد أن يعمل على زيادة قدرات ملف التبريد الثانوي صيفاً عندما ترتفع درجة الحرارة بالغرفة. كما لابد أن يعمل على تقليل قدرات ملف التسخين الثانوي شتاءً عندما ترتفع درجة الحرارة بالغرفة. و يتطلب التحول من المياه الباردة إلى الساخنة في ملفات الوحدات الطرفية إلى تغيير وضع منظومة التحكم في درجة حرارة الغرفة. و لا تحتاج الأنظمة الخالية من إجراء التحويل لا تحتاج إلى ذلك إلا إذا إحتاجت إلى التدفئة خلال فترات التوقف.

التقييم

إن النقاط التالية تعبر عن خصائص المنظومة ثنائية المواسير الخاصة بالوحدات الطرفية بالغرف:

· عادةً تكلفة تركيباتها أقل من الأنظمة رباعية المواسير

· قدراتها في التعامل مع التغير الكبير في الأحمال أقل من الأنظمة الأخرى، كما أنها لا يمكنها توفير نطاق كبير في إختيار درجات حرارة الغرف مثل الأنظمة رباعية المواسير

· تظهر معها مشاكل في التشغيل و التحكم في إجراءات التحويل، مما يزيد من حاجتها إلى عمال تشغيل مهرة.

· تكلفة تشغيلها أعلى من تكاليف تشغيل الأنظمة رباعية المواسير

السخانات الكهربائية بالأنظمة ثنائية المواسير

إن الأنظمة ثنائية المواسير الخاصة بالوحدات الطرفية بالغرف يمكن تجهيزها بسخانات كهربائية إما عن طريق غلايات كهربائية مركزية و ملفات طرفية تعمل بالمياه الساخنة، او عن طريق تركيب سخان كهربائي بكل وحدة طرفية. و إحدى الطرق المتبعة هي إستخدام سخانات كهربائية طرفية صغيرة لتشغيلها في الفصول المعتدلة مع منظومة التحول ثنائية المواسير بين المياه الباردة و الساخنة. فالسخانات الكهربائية تعمل عندما ترتفع درجة الحرارة الخارجية فوق 5°C، و ذلك مع تشغيل الملف بالمياه الباردة في المنظومة. و في هذه الحالة إعادة تسخين الهواء الإبتدائي ينخفض بشدة أو يتلاشى نهائياً. و عندما تنخفض درجة الحرارة الخارجية تحت القيمة السابقة فإن ملف الوحدة الطرفية بالمنظومة ثنائية المواسير يتحول للتشغيل بالمياه الساخنة، مما يحقق قدرات تدفئة أكبر. و إجراء التحول محدود بعدد قليل من المرات لكل موسم، حيث يتحقق في ظل ذلك قدرات التدفئة و التبريد المتزامنين، بإستثناء الأجواء شديدة البرودة التي لا تحتاج فيها المنظومة إلا إلى قدرات تبريدية ضئيلة للغاية إن لم تكن منعدمة. و إذا تم إستخدام سخانات كهربائية طرفية فينبغي منعها من التشغيل عندما تعمل الملفات الثانوية بالمياه الساخنة.

إن أحدى الطرق الأخرى المتبعة هي بتجهيز الوحدات الطرفية بسخانات كهربائية تحقق التدفئة المطلوبة عند الحمل الحراري الأقصى شتاءً و تعمل على تشغيل ملف الوحدة الطرفية بالمياه الباردة فقط و بدون إجراء التحويل. و بتلك الطريقة يتم تجنب المشاكل المصاحبة لإجراء تحويل المنظومة بين المياه الباردة و الساخنة. و في الحقيقة فإن هذه الطريقة تعمل كأنها منظومة رباعية المواسير، و في المناطق التي تقرر فيها مرافق الكهرباء مصاريف إضافية على الإستهلاك الصيفي و شرائح إستهلاك منخفضة لمعدلات الإستهلاك المرتفعة شتاءً فإن هذه الطريقة قد تكون تكاليف تشغيلها على مدار عمرها الإفتراضي أقل من التدفئة بالمياه التي يتم تسخينها بالوقود الإحفوري.

الأنظمة ثلاثية المواسير

يمر بجانب وحدات الملف و المروحة و الوحدات الحثية في هذه الأنظمة ثلاثة مواسير. و هذه المواسير هي ماسورة التغذية بالمياه الباردة، و ماسورة التغذية بالمياه الساخنة، و ماسورة راجع مشتركة. و يندر حالياً إستخدام هذه الأنظمة نظراً لإستهلاكها شديد الإرتفاع من الطاقة. كما أن الأنظمة القائمة منها مرشحة بقوة للتحديث بغرض ترشيد إستهلاك الطاقة.

الأنظمة رباعية المواسير

إن الأنظمة رباعية المواسير تحتوي على ماسورة تغذية بالمياه الباردة، و أخرى لرجوع المياه الباردة، و ماسورة تغذية بالمياه الساخنة، و أخرى لرجوع المياه الساخنة. و عادة تحتوي الوحدات الطرفية على ملفين ثانويين للمياه يستقل كلاً منهم عن الآخر: إحداهما يتم خدمته بالمياه الساخنة و الآخر بالمياه الباردة. و الهواء الإبتدائي في هذه المنظومة باردً و يظل عند نفس درجة الحرارة على مدار العام. و خلال فترات أحمال التبريد و التدفئة القصوى نجد أن أداء المنظومة رباعية المواسير مشابهاً للمنظومة ثنائية المواسير، و تتمتع بنفس خصائص التشغيل الأساسية. أما في الفترات الفاصلة بين موسم التدفئة و موسم التبريد فإن أي وحدة من الوحدات يمكن تشغيلها تحت أي مستوى من القدرات بدأً من أقصى تبريد إلى اقصى تدفئة، و ذلك إذا تم تدوير كلاً من المياه الباردة و الساخنة في المنظومة. و أي وحدة من الوحدات يمكنها العمل تحت إحدى تلك الظروف القصوى أو بينهما بغض النظر عن ظروف تشغيل الوحدات الأخرى.

يتم إختيار الوحدات الطرفية بالغرف وفقاً لقدراتها القصوى. و مبدأ نسبة A/T التصميمي الذي يتم تطبيقه على منظومة المواسير الثنائية لا ينطبق على الأنظمة رباعية المواسير. فلا توجد حاجة لزيادة معدلات الهواء الإبتدائي الخاصة بالوحدات الموجودة في الواجهات الشمالية أو الواجهات المظللة فوق الكميات اللازمة للتهوية و أحمال التبريد. و القدرات التبريدية المتاحة لا يتم تخفيضها بتسخين الهواء الإبتدائي. أما درجة حرارة التحول في هذه المنظومة فتظل مهمة نظراً لإمكانية إستمرار حاجة الفراغات المعمارية الموجودة في الجهة الجنوبية من المبنى إلى التبريد بالمياه الثانوية لزيادة تأثير الهواء الإبتدائي المسحوب عند درجات حرارة خارجية منخفضة.

نظراً لأن الهواء الإبتدائي يتم الدفع به في هذه المنظومة عند درجات حرارة ثابتة طوال الوقت، فقد نجد أحياناً أنه يمكن التوسع في المنظومة التي تغذي المناطق الداخلية من المبنى لإمداد أنظمة الملف و المروحة الموجودة في الفراغات المعمارية المجاورة لمحيط المبنى بالهواء، و بذلك يمكن الإستغناء عن الحاجة إلى منظومة منفصلة للتغذية بالهواء الإبتدائي. و الفصل في ذلك الموضوع يعتمد على نوعية الوحدات الطرفية المستخدمة و خصائص المنظومة التي تخدم المناطق الداخلية من المبنى.

تقسيم المناطق

لا يتطلب الأمر تقسيم أنظمة الهواء الإبتدائي أو المياه الثانوية. فكل الوحدات الطرفية في هذه المنظومة يمكنها التبريد و التدفئة طوال الوقت، طالما كانت طلمبات المياه الثانوية الباردة و الساخنة في حالة التشغيل و تتوفر مصادر التبريد و التسخين.

التحكم داخل الغرف

عادةً تحتوي الوحدات الطرفية بالأنظمة رباعية المواسير على ملفين مياه ثانويين منفصلين إنفصالاً تاماً عن بعضهم البعض، أحدى الملفين يمر من خلاله المياه ساخنة و الآخر يمر من خلاله المياه الباردة. و هذين الملفين يعملان وفقاً للإشارة التي يرسلها إليهم ترموستات مشترك، و هما لا يعملان أبداً بشكل متزامن مع بعضهما البعض. و كما هو مبين في شكل 12أ فإن الوحدة الطرفية تستقبل إما مياه باردة أو مياه ساخنة بمعدلات مختلفة، و خلاف ذلك فلا تتدفق المياه. و الترموستات الذي يعمل وفقاً لوجود منطقة تشغيل صماء و قابل لإعادة الضبط يؤدي إلى زيادة الوفر في تكاليف التشغيل.

شكل 12 وحدة التحكم داخل الغرفة بالأنظمة رباعية المواسير

يوضح شكل 12ب وحدة طرفية أخرى و منظومة تحكم مختلفة. فهو يبين وجود ملف مياه ثانوي وحيد بالوحدة الطرفية مجهز بصمامين من النوعية ثلاثية الإتجاهات إحداهما موضوع عند مدخل الملف و الآخر عند مخرجه، مما يسمح بدخول إما المياه الساخنة أو المياه الباردة إلى الملف - وفقاً للحاجة - و يقوم بتحويل المياه عند المخرج إلى ماسورة الرجوع الصحيحة. و هذه النوعية من أنظمة التحكم تحتاج إلى صمام تعديل مخصوص من النوعية ثلاثية الإتجاهات ، و هذا الصمام قد تم تطويره في الأصل لخدمة شكل من أشكال الأنظمة ثلاثية المواسير. فهو يتحكم في المياه الباردة أو الساخنة إنتقائياً و بنسبة و تناسب إلا أنه لا يقوم بخلط خط المياه الساخنة بالباردة. أما الصمام الموضوع على مخرج الملف فهو صمام ثنائي الأوضاع يقوم بفتح إما خط رجوع المياه الساخنة أو الباردة، وفقاً للحاجة.

نجد أنه بعد دراسة كل اشكال التحكم أن المنظومة التي تحتوي على ملفين منفصلين هي الأفضل من بين الانظمة رباعية المواسير. و أن تشغيل أنظمة التحكم بالوحدات الحثية و وحدات الملف و المروحة ثابتة و لا تتغير على مدار العام.

التقييم

إن المنظومة رباعية المواسير لها الخصائص التالية مقارنةً بالمنظومة ثنائية المواسير:

· أكثر مرونة و تَكَيُّف مع الإختلاف الكبير في الأحمال الحرارية، فهي تستجيب سريعاً مع تغيرها

· أبسط في التشغيل

· يتم تشغيلها بدون تحديد درجة حرارة التحول بين التشغيل الصيفي و الشتوي و بدون جدولة إجراء تسخين الهواء الإبتدائي.

· كفائتها أعلى و تكاليف تشغيلها أقل، إلا أن تكاليفها الإبتدائية عموماً مرتفعة.

· يمكن تصميمها بدون الربط بين الدوائر الثانوية الخاصة بكلاً من المياه الباردة و الساخنة، و منظومة دائرة المياه الثانوية من الممكن أن تكون مستقلة تماماً عن دائرة المياه الإبتدائية.

شبكة توزيع المياه الثانوية

يتم تطبيق الشكل التصميمي لمنظومة المياه الثانوية على أنظمة الوحدات الحثية و وحدات الملف و المروحة. و تحتوي منظومة المياه الثانوية على شبكة توزيع تقوم بتدوير المياه على الوحدات الطرفية بالغرف عندما يتم تبريد (أو تسخين) هذه المياه عن طريق مبادلات حرارية متصلة بشبكة توزيع المياه الإبتدائية. ففي الدائرة الإبتدائية يتم تبريد المياه بتمريرها خلال مبرد مياه مركزي أو تسخينها عن طريق مصدر لإضافة الحرارة. فالمياه الإبتدائية تقتصر على دائرة التبريد و هي مصدر تبريد المياه الثانوية. و المياه التي تمر خلال ملفات الوحدات الطرفية تقوم بإجراء تبريد ثانوي عندما تنتقل الحرارة من هواء الغرفة (الهواء الثانوي) إلى تلك المياه. و يختلف تصميم منظومة المياه الثانوية الخاصة بأنظمة المواسير الثنائية عن الخاصة بأنظمة المواسير الرباعية. و أنظمة المياه الثانوية سيتم مناقشتها في فصل 12.

المراجع العلمية

شركة كاريير لتكييف الهواء. 1965. دليل تصميم أنظمة تكييف الهواء. ماجروهيل، نيويورك.	Carrier Air Conditioning Company. 1965. Handbook of air conditioning system design. McGraw-Hill, New York.
Menacker, R. 1977. منظومة تكييف الهواء الحثية الكهربائية. إجراءات ASHRAE 83(1):664.	Menacker, R. 1977. Electric induction air-conditioning system. ASHRAE Transactions 83(1):664.
McFarlan, A.I. 1967. أنظمة المواسير الثلاثية: المبادئ و وسائل التحكم. مجلة ASHRAE 9(8):37.	McFarlan, A.I. 1967. Three-pipe systems: Concepts and controls. ASHRAE Journal 9(8):37.

ASHRAE: أنظمة و معدات التكييف

الخميس، 11 سبتمبر 2014