هدف اصلی هر سیستم تهویه مطبوعی فراهم کردن آسایش است. انجمن مهندسین گرما، انجماد و تهویه مطبوع آمریکا(ASHRAE) شرایطی را که برای تمامی ساکنین اتاق قابل قبول باشد وضع کرده است. راحتی یک فضا به ترکیب دما و رطوبت آن بستگی دارد. شکل(1) نواحی آسودگی را در تابستان و زمستان نشان میدهد که براساس استاندارد 55 ASHRAE مشخص شده است. ناحیه آسودگی محدوده شرایطی است که موجب رضایت اغلب افرادی است که دارای پوشش متناسب بوده و مشغول کارهای سبک همانند کارهای اداری هستند.  افرادی که کارهای سنگین تر انجام میدهند و آنهایی که لباس های گرمتری پوشیده اند به شرایط سردتری نیاز دارند. بعلت اینکه افراد در فصل زمستان و تابستان پوشش متفاوتی دارند، نواحی آسودگی در هر فصل مقداری با هم متفاوت هستند.

تهویه هوا(هوای بیرون) باید برای تمامی ساکنین ساختمان فراهم شود. فراهم کردن مقدار مشخصی از هوای بیرون از کهنه و ناسالم شدن هوای داخل ساختمان جلوگیری میکند. کدهای ساختمانی مقدار تهویه هوای لازم را مشخص کرده است، که باید توسط سیستم تهویه مطبوع تامین شود.

سیستم تهویه مطبوع هوای موجود را بکمک ناحیه آسودگی، برای فراهم آوردن محیطی با ترکیب قابل قبول دما و رطوبت، مشخص میکند. همچنین مقدار مناسب هوای بیرون را، جهت تهویه، فراهم میکند. میزان کارآیی سیستم به عامل بستگی دارد:

1. مقدار هوای فراهم شده، که دارای واحد اندازه گیری cfm(Cubic feet per minute) است.
2. دمای هوای موجود

برای گرم یا سرد کردن یک محیط، این دو فاکتور بسته به نوع و طراحی سیستم  HVAC، به شیوه های گوناگونی با هم ترکیب میشوند. ترکیبات عبارتند از:

• حجم ثابت-دما متغیر(CV-VT)
• حجم متغیر-دما ثابت(VV-CT)
• حجم متغیر-دما متغیر(VV-VT)

بمحض تغییر دمای هوای داخلی، رطوبت هوا افزایش یا کاهش میابد. معمولا رطوبت داخلی در ناحیه آسودگی باقی میماند. هرچند در اقلیم های خشک، بسیاری از سیستم های HVAC در صورت لزوم برای افزایش مقدار رطوبت یک واحد تنظیم رطوبت در قسمت کنترل مطبوع مرکزی دارند. در مناطق مرطوب نیز ممکن سیستم تهویه مطبوع دارای ابزاری باشد که رطوبت موجود را از هوای ورودی حذف کند.

نواحی مختلف

در ساختمان های بزرگ باید سیستم تهویه مطبوع(HVAC)  نیازهای مختلف فضاهای گوناگون را برآورده کند. نواحی مختلف ساختمان به نیازهای گرمایشی و سرمایشی گوناگونی دارند.

در گذشته ساختمان های تجاری دارای نورگیر مرکزی بودند. این قسمت نور و هوا را به اتاق های داخلی ساختمان هدایت میکرد. همزمان با افزایش قیمت زمین و ساختمان و توسعه سیستم های تهویه مطبوع، نورگیرهای مرکزی حذف شدند. در ساختمان های امروزی نورگیر در قسمت مرکزی اتاق های داخلی تعبیه شده است شکل(2). گسترش و توسعه این هسته داخلی مشکلات تهویه مطبوعی جدیدی را بوجود آورده است. فضای مرکزی نیاز به گرمایش ندارد، اما به سرمایش و تهویه هوا نیاز دارد.

 اتاق ها در طول دیوارهای خارجی به گرمایش، سرمایش و همچنین تهویه هوا نیاز دارند. به این اتاق های خارجی فضاهای محیطی نیز گفته میشود. قسمت های مختلف یک ساختمان اداری را در نظر بگیرید که مشخصات اتلاف و دریافت حرارتی مختلفی دارد. دفاتر به دور دیوار خارجی قرار گرفته اند و دارای یک هسته مرکزی میباشد که هیچگونه نمای خارجی ندارد شکل(2). اتاقهای خارجی حداقل یکی از دیوارهایشان با دمای بیرون در تماس است. این بدان معناست که این دفترها به نسبت اتاق های داخلی دارای منابع دریافت و اتلاف حرارتی بیشتری هستند:

• در روزهای سرد، گرما از فضای گرم داخل ساختمان به فضای بیرونی منتقل میشود(اتلاف حرارت)
• در روزهای گرم، گرما از فضای گرم خارجی به فضای خنک داخل اتاق منتقل میشود(دریافت حرارت)

اتاق های خارجی در نرخ های متفاوتی حرارت دریافت یا از دست میدهند. برای مثال، زمانیکه خورشید به ساختمان میتابد آن قسمت از ساختمان به نسبت قسمت سایه گرمای بیشتری دریافت میکند. موقعیت خورشید، رنگ دیوارها، عایق کاری، مقدار شیشه و سایه همگی میزان گرمای دریافتی خورشید را تحت تاثیر قرار میدهند.

قسمت های مرکزی ساختمان از منابع داخلی از قبیل: مردم، چراغها و تجهیزات گرما دریافت میکنند. بنابراین، بغیر از آخرین طبقه که قسمت مرکزی از طریق سقف گرما از دست میدهد در بقیه طبقات قسمت های مرکزی نیازی به گرمایش ندارند. معمولا این قسمت ها گرمای زیادی دریافت میکنند، بنابراین زمانیکه افراد داخل ساختمان هستند نیاز به سرمایش یا خنک کاری دارند.

انرژی سرمایش برای هر دو قسمت فضای مرکزی و فضای خارجی به فاکتورهای زیادی بستگی دارد از قبیل:

• نوع فعالیت(تراکم، فعال یا منفعل بودن نوع وظایف کاری)
• گرمای تولید شده توسط تجهیزات
• نوع و سطح روشنایی

بعلت اینکه فضاهای مختلف دارای نرخ دریافت و اتلاف انرژی متفاوتی هستند یک سیستم  HVAC، که برای تمامی قسمت ها بمقدار برابر هوا در دمای یکسان ارسال میکند، امکان ندارد بتواند شرایط آسودگی را برای همه قسمت ها فراهم کند. بنابراین باید سرمایش و گرمایش برای قسمت های مختلف ساختمان در نرخ های متفاوتی تامین شود. یک ناحیه یک فضا یا مجموعه ای از فضاها هستند که نیازهای سرمایشی و گرمایشی مشابهی دارند. تمامی اتاق های موجود در یک ناحیه میتوانند از طریق هوای با دمای یکسان و نرخ جریان برابر تامین شوند.

سیستم تک ناحیه و چند ناحیه

اولین سیستم های تهویه مطبوع سیستم های تک ناحیه بودند شکل(3). این گونه سیستم ها با ساختمان به مثابه یک ناحیه منفرد رفتار میکردند. این سیستم ها هوا را از واحد هواساز مرکزی در حجم ثابت و دمای متغیر(CV-VT)  ارسال میکردند. واحد هواساز مرکزی در هر سیستم HVAC تجهیزات موجود در اتاق مکانیکی یا روی پشت بام هستند که هوای اولیه را مطبوع کرده و آنرا به فضای داخلی ساختمان ارسال میکند. سیستم تک ناحیه در ساختمان های کوچک موثر است، زیرا دریافت و اتلاف انرژی قسمت های مختلف ساختمان فرق چندانی با هم ندارد.

سیستم چند ناحیه ای شکل(4)اولین سیستمی بود که نیازهای کوناگون قسمت های مختلف را برآورده میکرد. در این سیستم برای هر ناحیه از ساختمان بصورت جداگانه کانال کشی شده است. در واحد هواساز مرکزی کویل های گرمایشی و سرمایشی تعبیه شده اند. هر دو کویل بطور همزمان کار میکنند. دمپرها بعد از کویل ها هوای سرد و گرم ورودی را با هم مخلوط کرده تا دمای آنرا به دمای مورد نظر هر ناحیه برسانند.

زمانیکه سرمایش و گرمایش همزمان انجام میشود به این کار لگدپرانی(Hucking)  گفته میشود، زیرا هوای گرم و سرد برخلاف همدیگر عمل میکنند. هوای ورودی هر ناحیه در دمایی بین دمای هوای ورودی سرد و گرم قرار دارد. سیستم چندناحیه انرژی زیادی را صرف سرد و گرم کردن همزمان هوا میکند.

به سبب انرژی زیادی که سیستم های چندناحیه ای هدر میدادند برای مدت طولانی استفاده نشدند. استفاده از آنها بوسیله استانداردهای داخلی کشور ممنوع شد.

سیستم کم فشار دو کاناله(شکل.5) نیز برای برآورده کردن آسودگی قسمت های مختلف طراحی شده بود. هر سیستم دو کاناله دارای دو کانال مجزا از واحد HVAC تا فضای داخلی اتاق ها میباشد. یک کانال هوای سرد و دیگری هوای گرم را تامین میکند. در این سیستم نیز دقیقا همانند سیستم چند ناحیه کویل های گرمایشی و سرمایشی بطور همزمان کار میکنند. در هر ناحیه دمپرها هوای سرد و گرم را بمنظور تولید دمای هوای مورد نیاز آن ناحیه با هم ترکیب میکنند. این سیستم یک سیستم حجم ثابت-دما متغیر(CV-VT) میباشد.

این سیستم نیاز انرژی بسیاری زیای مصرف میکند زیرا هردو هوای سرد و گرم همدیگر را پس میزنند. بنابراین سیتم دوکاناله که هوای سرد و گرم را با هم مخلوط میکند عموما امروزه ممنوع شده است. سیستم دوکاناله مشکلات دیگری نیز دارد. معمولا کانال سرد هوای بیشتری لازم دارد. این امر برخی مواقع موجب افت جریان در کانال گرم و افزایش فشار استاتیکی آن میشود. زمانیکه یک ناحیه نیازمند گرما باشد فشار استاتیکی بالا در کانال گرم موجب افزایش cfm شده که این امر در فضای مطبوع سر و صدا و  درآفت ایجاد میکند.

جعبه های مخلوط کننده فشار بالا

 برای حل مشکلات نرخ جریان هوای ناپایدار در سیستم دوکاناله، یک جعبه مخلوط کننده فشار بالا تعبیه شده است. این وسیله جایگزین دمپرها شده است. جعبه های مخلوط کننده cfm را جهت داشتن نرخ جریان پایدار کنترل میکنند. جعبه ها سیستم را به یک سیستم حجم ثابت-دما متغیر(CV-VT)  تبدیل میکند.

جعبه های مخلوط کننده برای کار کردن به فشار استاتیکی بالا نیاز دارند که معمولاً حداقل 1٫5 inches wg است. خود سیستم معمولا به فشار 3 inches wg  در کانال ها نیاز دارد که به درستی عمل کند. برای این منظور فنهای با قدرت بالا نیاز است، بعلاوه وجود شرایط لگدپرانی به معنای مصرف انرژی بالا میباشد. عملکرد سیستم دوکاناله نیز بسیار پرهزینه است.

مشکل دیگر این بود که بعلت فشاری بالایی که اغلب در کانال هوای گرم وجود داشت، امکان داشت که هوای گرم به داخل جعبه مخلوط کننده و کانال سرد برگردد. این میتوانست موجب افزایش دما در کانال سرد شده و این امر موجب میشد که هوای داخل فضا بطور مناسب خنک نشود.

جعبه های بازگرم(Reheat)  فشار پایین

بعداً، واحدهای بازگرمایشی فشار پایین برای نواحی مختلف تعبیه شدند. هوای تامین شده باید به اندازه کافی سرد میشد تا نیاز ناحیه ای را که بیشترین نیاز سرمایشی دارد برآورده کند. این هوا برای دیگر بخشها دوباره گرم میشد. بغیر از یک بولیر در حال کار، وسیله ای برای کنترل دما وجود نداشت. هنگام تابستان که معمولاً بولیرها خاموش بودند، سیستم تنها هوای سرد را به فضا منتقل میکرد، که توسط سیستم سرمایش مرکزی تولید میشد. که اغلب فضاهای مطبوع شده بسیار سرد بودند.

سیستم های حجم هوا متغیرVAV  شکل (6)، برای تامین نیازهای سرمایشی و گرمایشی متنوع نواحی مختلف با مصرف انرژی بهینه گسترش یافتند. یک ناحیه میتواند یک اتاق یا دسته ای از اتاق ها با مشخصات اتلاف و دریافت حرارتی یکسان باشد.

سیستم های VAV به نسبت سیستم های سنتی دوکاناله 30% صرفه جویی در مصرف انرژی دارند. بعلاوه، این سیستم ها برای نصب و اجرا اقتصادی و مقرون به صرفه هستند. اندازه کانال و واحد هواساز مرکزی کوچکتر بوده و طراحی و نصب آنها عموماً بسیار ساده تر است. در یک سیستم  VAV کانال اصلی تنها هوای سرد را فراهم میکند(تقریباً 55°F). به این هوا هوای اولیه گفته میشود. ترموستات اتاقها مقدار هوای اولیه ارسال شده به هر ناحیه را از طریق دمپرهای تعدیل کننده کنترل میکنند. این دمپرها بنابر نیاز سرمایشی هر ناحیه حجم هوا را تغییر میدهند. سیستم های VAV اولیه براساس نیاز کل نواحی، cfm خروجی فن را تغییر میداد. اندازه فن برای حداکثر بارگذاری احتمالی در نظر گرفته شده بود. به محض تغییر حجم هوای نواحی، فشار استاتیکی(SP) کانال اصلی دچار تغییر میشد. یک حسگر SP تعبیه شده در کانال اصلی خروجی فن را، جهت حفظ فشار استاتیکی پایدار داخل کانال، کنترل میکرد. خروجی فن یا از طریق پرهای داخلی فن و یا به کمک دمپر واقع در خارج فن تغییر میکند. این سیستم حجم متغیر-دما ثابت(VV-CT) است.

سیستم های اولیه VAV هزینه نصب پایینی داشتند. هرچند بسته به موقعیت دمپرهای ناحیه، نواحی در معرض هوای سرد ارسالی بسیار زیاد قرار داشتند، که بعضاً سبب ایجاد سروصدا و درافت میشد. بالانس کردن این سیستم ها بسیار سخت بود.

واحدهای پایانه VAV

برای کنترل بهتر هوای ثانوی ارسال شده به هر ناحیه، واحد پایانه VAV تعبیه شده بودند. یک واحد پایانه یک جعبه فلزی کوچک است(شکل.7) که درست قبل دریچه خروجی کانال هر ناحیه قرار گرفته است. به واحد ترمینال همچنین جعبه VAV، واحد VAV یا جعبه خروجی نیز گفته میشود. هر واحد ترمینالی(شکل.8) هوای اولیه را از واحد هواساز مرکزی در دمای یکسان(در حدود55°F) دریافت میکند. واحد پایانه دارای یک دمپر هوا-اولیه( یک دمپر پروانه ای) میباشد، که براساس سیگنالهای رسیده از سیستم کنترل اتوماتیک تعدیل(تغییرات موقعیت) میشود. تعدیل شدن دمپر تنها با باز و بسته شدن پروانه نیست بلکه این پروانه میتواند در هر موقعیتی مابین حالت باز و بسته قرار بگیرد. دمپرهای هوای-اولیه حجم هوای سرد اولیه ارسال شده به نواحی مختلف را براساس نیاز فضای مورد نظر تنظیم میکنند. این حجم هوای ثانویه ارسال شده به فضا نیز هست. شکل.8 تنها ویژگی های کلیدی واحد پایانه را نشان میدهد.

در ساده ترین حالت، واحد پایانه VAV تنها وظیفه سرمایش را برعهده دارد. فضاهای داخلی معمولاً نیازی به گرمایش ندارند، و اتاق های خارجی نیز توسط وسایل دیگری گرم میشوند. ممکن است واحدهای پایانه دیگر دارای وسایل گرمایشی نیز باشند. بزرگترین مزیت واحد پایانه سیستمVAV، این است که سیستم  VAV قادر است الزامات آسودگی نواحی مختلف ساختمان را بدون انجام سرمایش و گرمایش همزمان فراهم کند.

فشار وابسته یا فشار مستقل

سیستم های VAV یا فشار مستقل اند یا فشار وابسته. اولین واحدهای پایانه VAV فشار وابسته بودند. آنها هیچگونه ابزاری برای محدود کردن مقدار هوای تامین شده نداشتند. در سیستم های فشار وابسته، حجم هوای دریافتی براساس فشار استاتیکی SP داخل کانال اصلی توسط واحد پایانه تغییر میکند. دمپر هوای-اولیه در واحد ترمینال بوسیله ترموستات واقع در فضای داخل اتاق کنترل میشود. هرچند که جریان هوا براساس SP کانال اصلی از طریق دمپر تغییر میکند. واحدهای پایانه که به فن خروجی نزدیک است احتمالا بیشتر هوای اولیه را تامین میکند. واحدهای پایانه ای که از فنهای خروجی دور هستند به احتمال زیاد قادر به تامین هوای اولیه کافی نیستند.

واحدهای پایانی فشار مستقل دارای وسایل حسگر-جریان هستند که از طریق جعبه جریان را محدود میکنند. آنها میتوانند ماکزیمم و مینیمم  cfmی را که قادرند تامین کنند کنترل نموده و بنابراین از SP کانال اصلی سیستم مستقل هستند. تقریبا تمامی سیستم های HVAC نصب یا تجهیز شده اخیر دارای پایانه VAV مستقل هستند. میتوان سیستم های فشار مستقل را بالانس نمود و قادر خواهیم بود که جریان هوا را در هر پایانه تصحیح کنیم.

سرعت فن متغیر

بدلیل اینکه هر کدام از واحدهای پایانه بطور مستقل حجم هوای اولیه خود را تنظیم میکنند، حجم(cfm) هوای اولیه ارسال شده توسط واحد هواساز مرکزی براساس نیاز واحدهای پایانی سیستم تغییر میکند. این بدان معناست که فن تامین در واحد هواساز مرکزی باید مقدار هوای خروجی خود را بنابر نیاز تمام واحدهای پایانی تغییر دهد. اگر دمپرهای هوا-اولیه بیشتر واحدهای پایانه کاملا باز باشند، cfm  مورد نیاز کل سیستم بالا است. اگر بیشتر دمپرهای واحد پایانه بسته باشند، cfm سیستم در کمترین مقدار خود قرار دارد.

در بسیاری از سیستمهای حاضر سرعت دورانی فن تامین مرکزی، جهت برآورده کردن نیازهای متغیر سیستم، توسط سیستم کنترل تنظیم میشود. یک حسگر فشار استاتیکی(SP)  در کانال اصلی هوا سیگنالی را به کنترلری که سرعت فن تنظیم میکند ارسال میکند تا از این طریق SP در کانال اصلی هوا پایدار بماند. موقعیت حسگر SP در کانال اصلی برای کارآیی مناسب سیستم بسیار مهم است. بهترین مکان آن نزدیک واحد پایانه است، که قرار دادن حسگر در آنجا بسیار سخت است. این مکانی است که بیشترین افت فشار را نسبت به فن دارد. اگر حسگر به فن تامین خیلی نزدیک باشد، آنگاه SP در کانال تامین در طول دوره تقاضای پایین cfm بسیار بالا خواهد بود.

اصلاحات سیستمهای  VAV

سیستم های VAV اولیه باب میل کارشناسان HVAC نبودند. بالانس کردن آنها و در بالانس ماندن آنها تقریباً غیرممکن به نظر میرسید. سیستم های VAV فشار مستقل امروزی بعنوان بهترین طراحی سیستم های HVAC موجود شناخته میشوند. این تغییرات عمدتا نتیجه اصلاحات صورت گرفته در واحد پایانی میباشد.

بسیاری از سیستمهای VAV و واحدهای پایانی جهت تامین یک نیاز مشخص ساختمان توسعه یافته اند. که موارد زیر عمومی ترین نیازهای ساختمان هستند:

1. واحد صرفاً-سرمایشی
2. واحد بازگرمایش جهت فراهم آوردن سرمایش و گرمایش
3. واحد بازگرمایش مجهز به فن برای بازگرداندن هوا به داخل کویل
4. واحد القایی که بجای استفاده از فن برای کشیدن دوباره هوا از فضای ساختمان از اصول القائی استفاده میکند
5. واحد بای پس(Bypass)  که با کنترل مقدار هوای سرد ورودی مانع از سرمایش بیش از حد میشود
6. سیستم دوکاناله که دارای یک کانال سرد و یک کانال گرم در واحد هواساز است. واحدهای پایانه برای کانال سرد یا گرم براساس نیاز فضای مورد نظر انتخاب میشود
7. سیستم تغییرات-بای پس فراهم کردن سرمایش و یا گرمایش با یک کانال. یک دمپر بای پس فشار استاتیکی را در کانال اصلی هوا ثابت نگه میدارد.

این هفت نوع سیستم VAV بهمراه مشخصاتشان خلاصه شده جدول بالا هستند.