سیستم هیدرونیک چیست؟ طرح و اجزای سیستم های هیدرونیک با مزایای آن

سیستم های هیدرونیک

هدف ما از این مقاله، ارائه مقدمه ای درباره ی سیستم های هیدرونیک و معرفی بیشتر این سیستم ها برای کسانی است که تجربه ی چندانی در طراحی مهندسی ندارند. ما به دنبال مطرح کردن نکات اساسی و مهمی در ارتباط با ترتیب و وضعیت قرارگیری اجزای مهم، از سیستم هایی هستیم که با آب گرم و آب سرد کار می کنند.

اسناد موجود گواه آن است که پیدایش نخستین سیستم های سرمایشی هیدرونیک، به قرون وسطا برمی گردد. سیستمی که در آن آب از طریق کانال هایی از جنس خشت، منتقل می شد که در دیوار ها تعبیه شده بودند. گرمایش هیدرونیکی با بهره گیری از منابع آب های منبسط به مرور رایج شد. در اواسط دهه ی 1900 میلادی بویلر هایی وارد بازار تجاری شدند که مکانیزم آن ها کار با آب داغ بود.

در اوایل قرن بیستم میلادی با معرفی پمپ های آبی، فرآیند ساخت و طراحی این سیستم ها ارتقا پیدا کرد. در زمان شروع جنگ جهانی دوم بازار های تجاری شاهد رقابت سختی بین سیستم های هیدرونیکی و نسل جدید فن ها بودند.

تعریف سیستم های هیدرونیکی

در این مقاله از مفاهیم مرتبط با هیدرونیک سیستم های باز و سیستم های بسته استفاده خواهیم کرد. هیدرونیک به سیستم هایی گفته می شود، که برای گرمایش و سرمایش از آب استفاده می کنند. سیستم های باز سیستم هایی هستند که با اتمسفر در ارتباط باشند. سیستم هایی که وظیفه ی خنک کردن برج ها از طریق دفع گرمای آن ها را برعهده دارند، نمونه ای از سیستم های باز می باشند. در نقطه مقابل سیستم های بسته هستند که به طبع با اتمسفر در ارتباط نیستند، به جز در مخزن های انبساطی و تراکمی.

شکل 1: سیستم هیدرونیک بسته

مزیت های سیستم های هیدرونیکی

سیستم های هیدرونیکی مزایای متعددی دارند:

• فضای کمتری در مقایسه با سیستم های که با هوا کار می کنند نیاز دارند. (به طور مثال برای حمل کردن انرژی گرمایشی یا سرمایشی به مقدار 1.000.000 btu/h ، لوله ای به قطر 3  اینچ، برای جا به جایی آن نیاز است در حالی که برای انجام همین کار با هوا به کانالی با مقطع  70×46 اینچ مربع نیاز است)
• عدم اتلاف انرژی به علت نشت در لوله ها و مجراها
• مقدار انرژی مورد نیاز برای انتقال سیال بسیار کم است.

برای مثال حمل 1.000.000 btu/h از انرژی سرمایشی در کانال، توانی به مقدار 100hp نیاز دارد. در صورتی که سیستم های هیدرونیک همان مقدار انرژی را با توانی معادل 2 hp، پمپ می کنند.

در صورتی که نکات و قواعد در خصوص سایزینگ لوله ها رعایت شود، آلودگی صوتی کمتری نسبت به سیستم های هوایی دارند.

تعداد لوله ها

سیستم های بسته ی هیدرونیکی معمولا بر اساس تعداد لوله های به کار رفته در سیستم، به چهار نوع: تک لوله ای، دو لوله ای، سه لوله ای و چهار لوله ای تقسیم بندی می شوند.

سیستم های تک لوله ای یک لوله ی رفت دارند که به کویلی متصل می شوند که به همان لوله وصل می شود.مزیت سیستم های تک لوله ای هزینه ی پایین پاپینگ می باشد و ایراد آن از دست رفتن اگزرژی به دلیل ادغام دما در شبکه های آب رسانی است.

سیستم های تک لوله ای کمتر مورد استفاده قرار می گیرند اما در مواقعی سیستم هایی که مکانیزم کار آن ها ژئوترمال است از سیستم های تک لوله ای بهره می گیرند.

سیستم های دو لوله ای یک لوله ی رفت و یک لوله ی برگشتی دارند. این سیستم ها توانایی گرمایش یا سرمایش را دارند اما قابلیت همزمان گرمایش و سرمایش را ندارند؛ چرا که از یک لوله ی پخش کننده ی انرژی استفاده می کنند اما شیرهای باز و بسته کننده ای وجود دارد که قسمت گرماده و گرماگیر را مجزا می کند. این بزرگ ترین ایراد سیستم های دو لوله ای محسوب می شود.یک ساختمان مجهز به  سیستم های دو لوله ای در یک زمان واحد تنها امکان سرمایش یا گرمایش سیستم را دارد و به همین دلیل نمی تواند آسایش همه ی ساکنین را فراهم  کند؛ به ویژه در شرایط معتدل آب و هوایی.هم چنین زمان سوییچ کردن سیستم از شرایط گرمایشی به سرمایشی و یا برعکس از موضوعات مهم در سیستم های دو لوله ای است.

سیستم های سه لوله ای لوله های آب رسانی مجزا برای آب گرم و آب سرد دارند؛ اما لوله برگشتنی آن ها مشترک است. این سیستم ها بر خلاف سیستم های دو لوله ای قابلیت انجام همزمان سرمایش و گرمایش را دارند اما این عمل با از دست رفتن انرژی همراه است. به همین جهت این سیستم ها با استاندارد های انرژی مطابقت ندارد. مصرف انرژی در سیستم های سه لوله ای بسیار زیاد است، چرا که مخلوط آب داغ و آب سرد اختلاف دمای زیادی را، در مخزن ها ایجاد می کند و برای ایجاد شرایط اولیه مقدار بیشتری کار مورد نیاز است.

سیستم های چهار لوله ای مجهز به لوله های آب رسانی و لوله های برگشتی مجزا، برای آب سرد و آب داغ هستند. این سیستم ها قادرند تا درست هنگامی که در حال گرم کردن تعدادی از کویل ها هستند انرژی سرمایشی را روانه ی سایر کویل ها کنند و این مسئله این سیستم ها را از سایر سیستم ها متمایز کرده است. این سیستم ها آسایش بیشتری را برای کاربران فراهم می کنند اما نباید از هزینه های اولیه ی بالا، در سیستم های چهار لوله ای در مقایسه با سایر سیستم ها، چشم پوشی کرد.

شکل 2: سیستم چهار لوله ای

شکل 3: سیستم دو لوله ای

سیستم های مستقیم و برگشت معکوس

علاوه بر تعداد لوله های موجود در سیستم ها آرایش این لوله ها نیز حائز اهمیت است.به طور کلی دو آرایش برای لوله کشی سیستم ها وجود دارد:

1) لوله کشی مستقیم

2) لوله کشی برگشت معکوس

در بیشتر مواقع از آرایش برگشت معکوس، برای لوله کشی ها استفاده می شود.سیستم های ساده ی لوله کشی می توانند تلفیقی از آرایش مستقیم و برگشت معکوس باشند. کاهش دادن هزینه های اولیه از طریق ترکیب آرایش ها کار رایجی است. در ساختمان های مرتفع، سیستم های برگشت مستقیم به جهت کاهش سایز لوله ها کاربرد بیشتری دارد. (از جمله در رایزر های برگشتی )اما برای ایجاد بالانسینگ بهتر از سیستم های برگشت معکوس استفاده می شود تا کویل های موجود در هر طبقه را تامین کنند.)

اجزای سیستم های هیدرونیک

هر دوی سیستم های آب گرم و آب سرد بخش های مشترکی دارند که کارهای مشابهی انجام می دهند. بخش های مشترک عبارت هستند از:لوله کشی ها، پمپ ها، جداکننده های هوا، مخزن های انبساطی، شیرها و سایر تجهیزات. در ادامه در ارتباط با تک تک این تجهیزات و هدف از استفاده ی آن ها در سیستم صحبت می کنیم.این موضوع را با بررسی تفاوت های موجود، میان آرایش و نحوه ی قرارگیری تجهیزات در آب سرد و آب داغ آغاز می کنیم.

لوله کشی و انتخاب پمپ و تعیین سایز مورد نیاز آن برای دستیابی به یک طراحی مطبوع بسیار حائز اهمیت است. لوله کشی ارتباط مستقیمی با انتخاب پمپ دارد؛ چرا که بر روی هد پمپ و هم چنین مقدار انرژی مورد نیاز برای حرکت جریان آب در سیستم تاثیر گذار است. موارد متعددی در ارتباط با زمان و نحوه ی عوض کردن آرایش لوله ها و زمان انتخاب پمپ ها، وجود دارد که باید رعایت شود. در طراحی لوله ها باید آیتم هایی نظیر جنس لوله ها، دبی جریان، سرعت آب و اتلاف ناشی از اصطکاک در نظر گرفته شود. میزان دبی جریان به مقدار آب جریان یافته و اختلاف دمای در نظر گرفته شده برای جریان داخل پمپ، بستگی دارد.همه جوانب در انتخاب پمپ باید در نظر گرفته شود چرا که نوع پمپ ارتباط مهمی با مصرف انرژی دارد.

جدا کننده های هوا، هوای نفوذ کرده به سیستم را از سیستم های هیدرونیک خارج می کنند. اگر این اتفاق نیوفتد میزان زنگ زدگی و خوردگی در سیستم افزایش می یابد و موجب آلودگی صوتی در سیستم می شود. جدا کننده های هوا باید در مکان هایی قرار بگیرند که کمترین مقدار هوای محلول در آب در آن نقطه وجود داشته باشد؛ و این وابسته به ماکسیمم دمای آب داغ و کمترین مقدار فشار سیستم می باشد.منحنی هایی وجود دارد که روابط دقیق میان دما، فشار و حلالیت را نشان می دهد. (برای مطالعات بیشتر در این زمینه می توانید به بخش 13 هندبوک ASHRAE Systems & Equipment رجوع کنید.)

مخزن های انبساط فشار سیستم را کنترل می کنند و از انبساط یا انقباض آب، در حین تغییر دما جلوگیری می کنند. امروزه اکثر مخزن های انبساط کیسه ای دارند که به طور کلی از تماس آب با اتمسفر جلوگیری می کند و اثر اکسیژن در زنگ زدگی  را تا حد امکان به حداقل می رساند. عواملی نظیر ماکسیمم دمای موجود در سیستم و ماکسیمم و مینیمم فشار قابل تحمل در مخزن، در اندازه ی مخزن های انبساطی موثر هستند.

تجهیزات کمکی شامل کنتور آب، شیر کاهنده ی فشار، موانع جریان برگشتی، شیرهای اطمینان و شیر فشار شکن می شوند.

کنتور های آب مقدار آب جبرانی را اندازه می گیرند. اطلاع داشتن از مقدار آب جبرانی از این جهت اهمیت دارد که به ما در دانستن تعداد گالن های آب تازه مورد نیاز و هم چنین اکسیژن تازه مورد نیاز کمک می کند.

آب جبرانی باید به طور منظم تامین شود و سیستم را پر کند زیرا سیستم به دلایلی همچون نشتی آب در صافی ها، نشتی از کویل ها در زمستان، کارکرد نامناسب ونت ها و سایر نشتی های سیستم همواره مقداری آب از دست می دهد. با این وجود کاهش آب جبرانی (تا حد امکان) باعث افزایش طول عمر سیستم می شود زیرا ورود هوا به سیستم را محدود می کند. شیر های کاهنده ی فشار برای کاهش فشار آب مصرفی وارد شده به سیستم (که معمولن نسبت به سیستم های هیدرونیک فشار بیشتری دارند) استفاده می شوند.

استاندارد های لوله کشی ایجاب می کند که موانع برگشت جریان (Backflow preventers) از ورود مواد شیمیایی بیولوژیکی و… در جریان برگشتی از سیستم های هیدرونیک به سیستم های آب مصرفی جلوگیری کنند.

شیرهای کاهنده ی فشار برای ایجاد فشار مثبت 34 کیلو پاسکال در نواحی کم فشار سیستم (معمولا در قسمت برگشت سیستم در بالا) استفاده می شوند. با یک حساب سر انگشتی به ازای هر طبقه 34 کیلو پاسکال به فشار اضافه می شود.

معمولا یک شیر اطمینان در جریان پایین دستی شیر های کاهنده ی فشار تعبیه شده اند و هدف از استفاده ی آن ها، خارج کردن فشار اضافه از سیستم در شرایط نامطبوع می باشد.

این شیرهای اطمینان کوچک که در قسمت های پر سیستم قرار گرفته اند، برای اجتناب از کاربرد شیر های اطمینان بزرگ تر در هر بویلر اصلی و یا منبع های حرارت استفاده می شوند.

شیرها برای کنترل دبی اب استفاده می شوند. انواع مختلفی از شیرها در لوله کشی سیستم های هیدرونیک مورد استفاده قرار می گیرند و با توجه به سایز و کارکردهای آن ها برای مقاصد گوناگون انتخاب شده و مورد استفاده قرار می گیرند.

شیرهای توپی از رایج ترین و پرکابرد ترین شیرهای یک طرفه یا ماژوله ی دو طرفه هستند که مورد استفاده قرار می گیرند.

پیشرفت در تکنولوژی پلاستیک، این امکان را فراهم کرد که شیرهای توپی با ضریب اطمینان بالاتر و صرفه ی اقتصادی بهتر روانه ی بازار های تجاری شود. اما این شیرهای پروانه ای بودند که در سایزهای بالای inch 2.5، بازار های جهانی رو تسخیر کرده بودند؛ چرا که مصرف شیرهای توپی در این ابعاد توجیه اقتصادی نداشت و موجب هزینه های سنگینی می شد. در دهه های اخیر شیرهای کشویی و شیرهای گلوب کمترین سهم بازار فروش را داشتند و علت قیمت پایین شیرهای توپی(در سایز های کوچک) و شیر های پروانه ای (در ابعاد بزرگ ) در مقایسه با این شیر ها بود.

شیر های سه راهه از انواع دیگر شیر ها هستند که در گذشته مورد استفاده قرار می گرفتند اما با توجه به پیشرفت انرژی در زمینه ی بهره گیری از سیستم های جریان-متغیر به جای سیستم های جریان-ثابت که به کاهش مصرف انرژی کمک می کرد و با استاندارد های انرژی مطابقت داشت. به همین منظور شیر های سه راهه شانسی برای مطرح شدن در بازار های جهانی نیافتند. اما در مواقعی که سیستم مورد نظر مجهز به تجهیزاتی است که ملزم هستند تا با نرخ پایین دبی آب کار کنند، استفاده از شیر های سه راهی ضرورت می یابد. شیرهای یک طرفه برای جلوگیری از برگشت آب در سیستم ها مورد استفاده قرار می گیرند.

شیرهای چند کاره یا شیرهای سه کاره در لوله کشی های اطراف دهش پمپ مورد استفاده قرار می گیرند. نکته ی مثبت در مورد این شیرها قابلیت استفاده ی آن ها به جای شیر بالانسینگ، شیر خفه کن و شیر یک طرفه با هزینه های کمتر و هم چنین آرایش های پیچیده تر می باشد. ضعف شیرهای سه کاره مربوط به عملکرد بالانسینگ آن هاست. در پمپ هایی که با سرعت متغیر کار می کنند و و امروزه اکثرن مورد استفاده قرار گرفته اند، عمل بالانسینگ در پمپ انجام نمی شود و در صورتی که شیرهای تخلیه دچار خفگی شده باشند موجب هدر رفتن انرژی مورد نیاز پمپ می شوند. گفتنی است که افت فشار حاصل از استفاده ی شیر های سه منظوره در مقایسه با ترکیب شیرهای یک طرفه، ابزار اندازه گیری جریان و شیر خفه کن بیشتر است، لذا در مواقع عدم ضرورت استفاده نکردن از شیرهای سه منظوره بهتر است.

در کنار بسیاری از قطعات مورد نیاز در سیستم های هیدرونیکی لوازمی هم وجود دارند که با عملکرد بهتری سیستم را تحت نظارت قرار داده و در مواقع لزوم از ایجاد مشکل های احتمالی جلوگیری می کنند. فشار سنج ها زود تر از زمان مورد نظر کارکرد خود را از دست می دهند. تمامی سازنده ها توصیه می کنند هنگامی که در سیستم کنترلر وجود ندارد و سیستم مورد بررسی قرار نمی گیرد، شیر خفه کننده باید بسته باشد تا از تخریب تجهیزات محرک جلوگیری شود.

طرح کلی و اجزای سیستم های هیدرونیک

اجزای مشترک بسیاری بین سیستم های آب گرم و آب سرد وجود دارد اما محل قرارگیری و شماتیک سیستم لوله کشی شده در این دو سیستم متفاوت است. بویلر ها معمولا منبع های حرارتی در سیستم های گرمایشی آب داغ به حساب می آیند. دو نوع از بویلرهایی که در سیستم های هیدرونیک استفاده می شوند بویلرهای لوله-آتشین و بویلر های لوله-آبی هستند. اکثر تجهیزات سیستم های هیدرونیکی قادرند تا اختلاف فشار 862 KPa (تفاوت فشار داخلی با اتمسفر) را تحمل کنند و در فشار کمتر از این کارکرد خود را از دست می دهند. بویلر ها حساس ترین قسمت در سیستم نسبت به فشار هستند و در اختلاف فشار 103 KPa و بیشتر از آن کارکرد دارند به همین جهت عموما بویلر ها در جریان بالا دست منبع انبساط و نزدیک به آن قرار دارند که در آن جا فشار ثابت باقی می ماند. هم چنین بویلر مستقیما در جریان بالا دست جدا کننده های هوا قرار دارند.