تكييف مركزي

Central air conditioning -



التكييف المركزي

وجيه ناعمة

مبادئ التكييف المركزي

التهوية المركزية

تنقية الهواء

منظومات التكييف المركزي

منظومات التحكم في التكييف المركزي

يعرف تكييف الهواء air conditioning  بأنه التحكم في درجة حرارة الهواء ورطوبته ونقاوته وسرعة جريانه عبر المكان للحصول على وسط مريح خالٍ من الغبار والغازات الفاسدة والروائح في جميع فصول السنة. وهو علم هندسي تطبيقي يبحث في تنقية الهواء وتكييفه للحصول على وسط صنعي يحقق الراحة الحرارية للإنسان مهما كانت حالة الهواء الخارجي المحيطة، وتكون ذلك بتسخين الهواء أو تبريده مع ترطيبه أو إزالة الرطوبة منه، ومن ثم الحصول على درجة الحرارة والرطوبة المطلوبتين داخل المكان؛ إضافة إلى نقاوة الهواء وجريانه المناسب.

بدأ التطور الفعلي في مجال تكييف الهواء مع بداية القرن العشرين على يد العالم ويليس كاريير Willis Carrier. وبعد الحرب العالمية الثانية وجه كاريير اهتمامه إلى تكييف المنازل الخاصة، وبحلول عام 1965 كان 10% من المنازل في الولايات المتحدة فيه وحدات تكييف هواء، وقد تجاوزت هذه النسبة اليوم 95%، ولا يُعد تكييف الهواء في الوقت الحالي من الكماليات، بل من الضروريات؛ لأنه يوفر للإنسان بيئة مكيفة مريحة في المباني السكنية وأماكن العمل ووسائل المواصلات، ويُعد التكييف عاملاً فعالاً في الصناعة لزيادة الإنتاج الصناعي وتحسين نوعيته.

تشهد منظومات التكييف المركزي  Central air conditioning التي تكيِّف عدة أمكنة تطوراً مطرداً في  الوقت الحاضر؛ وخصوصاً مع التوسع العمراني والنهضة الصناعية التي يشهدها العالم، وتبذل جهود كبيرة في تطويرها وإدخال أنظمة التحكم الرقمي المباشر للوصول إلى أفضل أداء لتلك المنظومات وكذلك في ترشيد استهلاك الطاقة؛ إلى جانب خفض تكاليف التشغيل والصيانة.

وتستخدم المنظومات في المباني المختلفة كالفنادق والمستشفيات والمراكز التجارية والمسارح والمكتبات وغيرها.

مبادئ التكييف المركزي

تتألف منظومة التكييف المركزي من وحدة تكييف هواء في مكان مركزي من مبنى معين تخدم عدداً من الطوابق بغرفها المتعددة الأغراض. وفي كل تطبيق يجب على المصمم مراعاة المزايا الأساسية لكل مبنى ومن ثم اختيار المنظومة المناسبة له. ويعتمد اختيار نوع المنظومة على عدد من العوامل، هي:

1-  تغير الأحمال الحرارية للمبنى.

2-   حجم المنطقة المكيفة.

3-  التصميم المعماري للبناء.

4-  تكلفة المنظومة.

وتصنف منظومات التكييف المركزي في أربع منظومات أساسية وذلك تبعاً لنوعية الوسيط الحامل للحرارة من المكان المكيف، وهي:

1-  منظومة هوائيّة كليّة.

2-  منظومة ماء – هواء.

3-  منظومة مائية كلية.

4-  منظومة التمدد المباشر.

التهوية المركزية

التهوية هي إدخال الهواء النقي الجديد وطرد الهواء الداخلي الملوث. وتجري  عمليّاً إما بسحب الهواء من المكان، وإما بإدخاله إليه، وإما بكليهما معاً، وذلك تبعاً للضغط المطلوب داخل المكان المكيف؛ وقد تشتمل منظومة تكييف الهواء على عملية تهوية أو عدمها. وتحسب كمية الهواء اللازمة للتهوية  بناءً على العوامل التالية:

1-   عدد مرات تبديل هواء المكان في الساعة.

2-   مقدار الهواء اللازم للشخص الواحد.

3-    مقدار المواد الضارة المنبعثة في المكان المكيَّف، أو المكان الذي يحتاج إلى تهوية. 

وليس هناك قواعد محددة وقاطعة لمستوىات التهوية اللازمة؛ إذ تختلف باختلاف الأمكنة واستعمالاتها، ففي الأمكنة التي لا يكون فيها التدخين شائعاً فإن مقدار الهواء الخارجي اللازم للشخص الواحد بالساعة يراوح بين 10م³/س و50 م³/س أما في الأمكنة التي يكثر فيها التدخين فيجب أن لا يقل مقدار الهواء الخارجي للشخص الواحد بالساعة عن 25 م³/س وقد يكون من الضروري في بعض الأحيان أن يرتفع هذا المقدار إلى 80 م³/س. وللحصول على المعدلات الدقيقة وفقاً للمكان المراد تهويته واستعمالاته يمكن العودة إلى المواصفة (ASHRAE62.1-2022) الصادرة عن الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء The American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. 

تنقية الهواء

عادةً ما يكون الهواء الجوي معرضاً للتلوث بالأتربة والمكروبات والجراثيم والدخان والغازات الضارة والروائح الكريهة؛ لذلك يشمل تكييف الهواء التحكم في نقاوته إضافة إلى درجة حرارته ورطوبته وسريانه. ويقصد بالتحكم في نقاوة الهواء حجز الجسيمات غير المرغوبة أو خفض كميتها؛ وامتصاص الغازات الضارة قبل دخول الهواء إلى الأماكن المكيَّفة،  وتستعمل المرشحات filters لتنقية الهواء من الغبار العالق، كما تعمل المرشحات على تنقية الهواء من البكتريا وحبوب اللقاح التي تنقل الأمراض، وتسبب الحساسية.

وتؤدي تنقية الهواء إلى:

1-   خفض تكاليف التشغيل وزيادة العمر الافتراضي للمعدات.

2-    زيادة الإنتاج وتحسين نوعيته.

3-    تقليل نسبة غياب العاملين وزيادة كفايتهم.

1-    ملوثات الهواء

تتألف الجزيئات العالقة في الهواء من أجسام صلبة أو سائلة تراوح أبعادها بين 0.1 مكرومتر و0.5 مكرومتر، ويبين الجدول (1) حجم هذه الجزيئات. 

الجدول (1) أبعاد الجزيئات لأجسام مختلفة.

الجسم القطر بالمكرومتر رمل 80-2000 شعر الإنسان 100 بكتريا 0.2-2 دخان السجائر 0.01-1 ڤيروسات 0.05-0.003

2-    طرائق تنقية الهواء

تختلف طرائق تنقية الهواء تبعاً لنوعية المواد العالقة فيه، وللتخلص منها يمكن اتباع إحدى الطرائق التالية:

1-   قوة الطرد المركزي لفصل الجسيمات الكبيرة.

2-    غسل الهواء لفصل الجزيئات القابلة للفصل.

3-   استعمال الستائر لحجز الجزيئات الكبيرة.

4-   استعمال مواد لاصقة لحجز الأتربة.

5-   الاستفادة من الخاصية الإلكتروستاتية لشحن ذرات الأتربة  كهربائيّاً ثم جذبها إلى أسطح ذات شحنة معاكسة.

وللتخلص من السوائل تطبق إحدى طريقتين:

1-   السوائل الماصة.

2-   غرف الترسيب.

وللتخلص من الغازات والأبخرة يُستخدم:

1-   تكثيف الأبخرة.

2-   التفاعل الكيميائي للغازات.

3-   تجفيف الغازات.

منظومات التكييف المركزي

يُعد اختيار الأسلوب الصحيح والمناسب لأجهزة التكييف من الأمور الأساسية والمهمة جداً بالنسبة إلى المهندس المصمم، ويمكن تصنيف الطرائق والأساليب المستعملة في التكييف وأجهزة التكييف المركزية في عدة أنواع، أهمها:

 1- المنظومة الهوائية الكليّة

يجري في هذا الأسلوب تغطية الحمل الحراري أو الحمل التبريدي للمكان المكيَّف بالهواء القادم من وحدات معالجة الهواء Air Handling Unit، وذلك خلال مجارٍ خاصة للهواء. ويمكن أن تكون المنظومة الهوائية الكلية إما بتدفق هواء ثابت؛ وإما بتدفق هواء متغير السرعة variable air velocity. ويبين الشكل (1) إحدى وحدات المعالجة الهوائية.

الشكل (1) وحدة معالجة هواء.

2 - منظومة هواء – ماء (منظومة تحريضية Induction system)                      

  يجري في هذه المنظومة تطبيق الحمل الحراري أو الحمل التبريدي عن طريق وشائع تعمل بالماء البارد أو الساخن،  ويعالَج الهواء الجديد النقي في وحدات معالجة الهواء؛ إذ  يبرَّد أو  يسخَّن، ومن ثم ينقل خلال مجاري الهواء. ويوفر الماء البارد باستخدام مبردات الماء chillers وضخها إلى وشائع التبريد (الشكل 2).

الشكل (2) وحدة تكييف هواء - ماء بتدفق هواء ثابت ولمناطق متعددة.

3- منظومة مائية كليّة

الجزء الأساسي في هذه المنظومة هو وحدة مروحة- وشيعةfan-coil  حيث يتدفق الماء الساخن أو البارد خلال الوشيعة التي تكيِّف بمعالجة الهواء ضمن المكان المكيف. وهي تتألف من غطاء خارجي يحتوي على مرشح ومبادل حراري ومروحة وفتحات لدخول الهواء وأخرى لخروجه كما  في الشكل (3)، ولها  نوعان:

· سقفية تركب في سقف المكان، وتوصل أحياناً بمجرى موصول بفتحة لسحب الهواء من المكان؛ وفتحة أخرى موصولة عبر مجرى لإدخال الهواء للمكان ويدخل الهواء النقي عبر مجرى متصل بوحدة معالجة مستقلة مهمتها تنقية الهواء فقط.

· جدارية تركب بجانب الجدار، ولها فتحات دخول للهواء من الغرفة ومن الوسط الخارجي مع خوانق dampers لتغيير نسب مزج الهواء الخارجي والهواء الداخلي، وتحتوي أيضاً على فتحة لخروج الهواء المعالج.

الشكل (3) وحدة مروحة – وشيعة مائية.

4- منظومة التمدد المباشر

تجري فيها عملية التبادل الحراري ما بين مائع التبريد وهواء المكان المراد تكييفه على نحو مباشر من دون أي وسيط مساعد. وكانت منظومات التمدد المباشر تستخدم إلى زمن قريب لتكييف غرفة منفصلة لشخص واحد أو عدد من الأشخاص،  لكن حديثاً أصبح بالإمكان تصنيفها ضمن منظومات التكييف المركزي، وتعتمد على وجود قطعة خارجية واحدة تخدم عدداً معيناً من القطع الداخلية. وأشهر هذه المنظومات هي منظومة التدفق المتغير لوسيط التبريد variable refrigerant flow. ولمّا كان الحمل الحراري للمكان يتغير خلال ساعات اليوم وخلال أيام السنة؛ فإن المنظومة تزود المكيف بكمية من مائع التبريد تناسب حمله الحراري. وتُعد هذه المنظومة اقتصادية حيث تتناسب كمية الطاقة المصروفة مع قيمة الحمل الحراري، وتتميز بإمكان استخدام أشكال مختلفة من الوحدات الداخلية ضمن المناطق المكيَّفة بما يناسب تصميم الغرفة واستخدامها؛ وباستطاعات مختلفة (الشكل 4).

الشكل (4) منظومة تمدد مباشر ذات نظام تدفق متغير لوسيط التبريد.

منظومات التحكم في التكييف المركزي

تحسب الاستطاعة اللازمة لأي منظومة تدفئة وتكييف على أساس أسوأ الشروط التصميمية، وهي لا تمتد على فترات طويلة في أثناء عمل منظومة التكييف؛ لذا تعمل هذه الأجهزة في أغلب فترات عملها عند حمل جزئي، وهنا يأتي دور نظام التحكم الذي ينظم الاستطاعة بما يوافق الحمل المطلوب للمكان المراد تكييفه؛ وتحقيق الراحة والاقتصاد في عمل منظومة التكييف.

والتحكم الآلي يعني إمكان النظام تصحيح المنظومة نفسها بنفسها (تصحيح إشارة الخرج) بوساطة جهاز التحكم؛ وذلك استجابة للمتغيرات الطارئة على الإشارة القادمة من الحساسات.

ويتألف نظام التحكم من ثلاثة عناصر أساسية: الحساسات، وجهاز التحكم، وأداة التحكم، كما هو مبين في الشكل (5) لدارة التحكم المغلقة.

الشكل(5) دارة التحكم المغلقة.

الأهداف الأساسية لنظام التحكم

تؤدي أنظمة التحكم الأعمال الآتية:

1-  اكتشاف العناصر الحساسة لتغيرات درجة الحرارة والرطوبة النسبية أو ضغط الهواء، وإرسال إشارات إلى آلية التحكم.

2-  قيام آلية التحكم بتحويل التغيرات إلى طاقة يمكن أن تستخدمها معدات التحكم.

3-  نقل الطاقة بوساطة الأسلاك أو الأنابيب التي تعمل بالهواء المضغوط إلى معدات التحكم.

4-  استخدام معدات التحكم للطاقة لتصحيح أدائها بتشغيل محركات الضواغط  أو المراوح أو تشغيل خوانق وصمامات التحكم في معدل تدفق الموائع المستخدمة.

5-  اكتشاف العناصر الحساسة للتغيرات في الحالة المقيسة وإرسال إشارات إلى آلية التحكم.

6-  قيام معدات التحكم بإيقاف المحركات وقفل الصمامات وإنهاء فعل الوحدة.

أنواع أنظمة التحكم

1- التحكم بوضعيتين (إيقاف – تشغيل): يسمح نظام التحكم هذا لعنصر التحكم النهائي (المحرك أو الصمام) بأخذ وضعيّة من وضعيتين: إما فتح كامل للصمام أو إغلاقه؛ وإما تشغيل المحرك أو إيقافه.

2- التحكم العائم: يسمح التحكم العائم لوسيلة التحكم بالحركة إلى أي وضعيّة والعودة من دون الحاجة إلى إتمام الدورة والوصل حتى نهاية الشوط.

3- التحكم التناسبي: في هذا النوع من التحكم يأخذ عنصر التحكم النهائي (الصمام) وضعيّة متناسبة مع انحراف المتغير (تغير درجة الحرارة) عن النقطة المحددة؛ أي إن هناك وضعيّة واحدة فقط للصمام لكل قيمة من قيم المتغير، ولذلك تكون وضعيّة الصمام تابعاً  خطيًّا لقيمة المتغير.

4- التحكم التناسبي التكاملي: إن إضافة عنصر التكامل يعمل على إلغاء الخطأ الدائم المصاحب للتحكم التناسبي الذي هو من طبيعة هذا التحكم؛ أي إنه يجب أن يكون هناك خطأ حتى يكون هناك خرج.

5- التحكم التناسبي التفاضلي: توفر إضافة الحد التفاضلي سرعة في الاستجابة للتحكم، ولكنه أكثر تأثراً بإشارات التشويش.

وحدة استرداد الطاقة

وجدت شركات تصنيع وحدات التكييف أن عملية تبديل هواء الأبنية تتسبَّب بضياع جزء من الطاقة المصروفة في تكييف الأبنية (سواءٌ هواء ساخن أم بارد)، لذلك أوجدت طريقة لاسترداد جزء منها. وتتلخَّص هذه الطريقة بتمرير كمية الهواء قبل طردها خارجاً على مبادل حراري، يقوم بنقل جزء من حرارتها -أو برودتها- إلى الهواء الجديد، قبل إدخاله إلى وحدة التكييف كما يبين الشكل (6). وهذا يقلِّل تقليلاً محسوساً الطاقة المصروفة على تكييف البناء.

الشكل (6) وحدة استرداد الطاقة (مبادل حراري).

مراجع للاستزادة: -      محمد سعيد الجراح، غسان مدلل، التدفئة والتهوية الصناعية، جامعة دمشق، دمشق 2010-2011. -      رمضان أحمد محمود، تكييف الهواء، منشأة المعارف، القاهرة 2004. -      التكييف المركزي، الإدارة العامة لتطوير المناهج المملكة العربية السعودية 2006.   -      American Society of Heating, Refrigerating and Air conditioning Engineers. Heating, Ventilation and Air conditioning, Systems and Equipment, ASHRAE handbook 2020 -      American Society of Heating, Refrigerating and Air conditioning Engineers, Ventilation and Acceptable Indoor Air Quality, ASHRAE Standard 62.1-2022. -      N. Enteria, H.Awbi, H. Yoshino, Desiccant Heating, Ventilating, and Air-Conditioning Systems, Springer 2017.

---

- التصنيف : التقانات الصناعية - النوع : التقانات الصناعية - المجلد : المجلد العاشر، طبعة 2025، دمشق مشاركة :