امروزه صرفه جویی در مصرف انرژی به یکی از مباحث مهم و مورد بحث در مجامع مختلف تبدیل شده است. در حالی که انرژی در كشور ما بسیار ارزانتر از قیمت واقعی عرضه می شود، اما در هر صورت مشكل محدودیت منابع انرژی در دسترس، كم و بیش برای تمامی كشورها مشترك است. بسته به میزان فعالیتهای صنعتی، در كشورهای مختلف بین۳۰ تا ۳۵ درصد از كل انرژی مصرفی در رابطه با مصارف ساختمانی است. حدود 40% از انرژی مذکور در ساختمان ها به گرمایش، تعویض هوا و تهویه مطبوع (HVAC) اختصاص می یابد، نتیجتاً این بخش پتانسیل بالایی برای صرفه جویی در مصرف انرژی توسط بهبود طراحی و کنترل سیستم های HVAC و افزایش راندمان سیستم را داراست. استفاده از سیستم های نوین و تجهیزات کارآمدتر منجر به صرفه جویی قابل ملاحظه ای (%10 تا 40%) در هزینه های انرژی و انتشار کمترآلاینده ها خواهد شد. علاوه بر این در صورتی که طراحی کل ساختمان به صورت یکپارچه بر این اساس صورت بگیرد، باعث صرفه جویی بسیار بیشتری (%40 تا 70%) می گردد.
در سیستم های مرسوم و سنتی، جریان صرف نظر از نیاز واقعی سرمایش/گرمایش همواره با دبی ثابت در مدار توزیع می شود و میزان دبی طراحی بر اساس بار 100 درصد لحاظ می شود. در صورتی که طبق استاندارد ARI سیستم ها تنها 1% زمان کارکرد سالانه را در 100% بار طراحی (پیک بار) کار می کنند، 42% در 75% بار، 45% در 50% بار و 12% در 25% بار. بدین ترتیب با کارکرد پمپ ها در دبی ثابت، انرژی دایماً تلف می شود. پمپ ها حدود 6 تا 12 درصد مصرف انرژی سالانه ساختمان ها را شامل می شوند. بنابراین تغییر دور پمپ بر اساس مصرف در سیستم های توزیع، تاثیر چشمگیری در کاهش مصرف انرژی خواهد داشت.
از طرفی در سیستم های گرمایش و سرمایش اگر بالانس سیستم به درستی انجام نپذیرد علاوه بر عدم آسایش حرارتی در فضاها و نارضایتی ساکنین، با توجه به اينكه نرخ جريان در مسيرهايي كه افت كمتري دارند بيشتر است و بلعكس، در بخش های مختلف سیستم جریان کمتر و یا بیشتر از مقدار تعیین شده طراحی خواهد بود. بنابراین برای تأمین جریان در تمامی بخش ها مجبور به افزایش جریان کل بيش از حد نياز خواهیم بود و بالطبع هزینه های بالاتر در بخش پمپاژ و سرمايش و گرمايش آب در گردش به سيستم تحمیل می گردد.
سیستم های توزیع جریان
در ادامه به بررسی و مقایسه دو سیستم توزیع جریان ثابت و سیستم توزیع مدار اولیه جریان ثابت – مدار ثانویه جریان متغیر پرداخته شده است.
1. سیستم توزیع جریان ثابت
سیستم جریان ثابت ساده ترین روش توزیع جریان می باشد. همانطور که در شکل 1 نمایش داده شده است در سیستم توزیع جریان ثابت، مدار تولید و توزیع مستقل نبوده و پمپ ها دارای دبی معین هستند و همواره در شرایط ثابت دبی طراحی برای پیک بار کار می کنند. در این سیستم برای کنترل بار فضاها از شیرهای کنترل سه راهه جهت کویل های هوارسان ها و پایانه های حرارتی نظیر فن کویل ها استفاده می شود. در این حالت مواقعی که سیستم در وضعیت پاره بار قرار دارد مقداری از جریان با توجه به بار فضا بای پس می شود.
در سیستم جریان ثابت، دبی همواره ثابت بوده و تغییر بار بر اختلاف دمای آب ورودی و خروجی چیلر / بویلر مؤثر است. چیلر / بویلر تنها می تواند دمای آب خروجی را کنترل کند و دمای آب برگشت بر اساس میزان بار تغییر می کند.
یکی از مشکلات بزرگ سیستم جریان ثابت علاوه بر اتلاف انرژی، پدیده ای به نام سندروم اختلاف دمای پایین در سیستم سرمایش است.
از آنجا که شرایط پیک بار تنها در 1 درصد ساعات کارکرد سیستم تهویه مطبوع اتفاق می افتد در 99 درصد مواقع سیستم در حالت پاره بار کار می کند و همواره مقداری از جریان آب سرد بدون تغییر محسوسی در دما توسط شیر کنترل سه راهه بای پس می شود. بنابراین مخلوط شدن این آب با آب خروجی از کویل که در اثر انتقال حرارت افزایش دما داده است، دمای آب برگشت به چیلر را کاهش می دهد. از آنجا که دمای آب خروجی از چیلر در مقدار پیش تنظیم ثابت است اختلاف دمای آب ورودی و خروجی چیلر نسبت به مقدار طراحی کاهش می یابد. به این پدیده سندروم اختلاف دمای پایین گفته می شود. این پدیده ظرفیت مفید چیلر را کاهش می دهد و باعث می شود چیلر به ازای هر تن تبرید میزان کیلو وات انرژی مصرفی بیشتری داشته باشد. در این حالت برای غلبه بر کسری ظرفیت و تأمین بار سرمایشی سیستم، اپراتور مجبور به روشن کردن چیلر (چیلرهای) اضافی و پمپ های مربوطه می باشد و سرمایش فضاها تنها با تلف شدن بخش زیادی از ظرفیت نامی چیلر انجام می شود.
2. سیستم توزیع مدار اولیه جریان ثابت – مدار ثانویه جریان متغیر
بر اساس استاندارد Ashrae 90.1 نسخه 2016 (بخش 6.5.4) سیستم های توزیع آب گرم و آب سرد که شامل سه شیر کنترلی و بیشتر باشند، باید دور متغیر باشند و جریان تا 25 درصد جریان طراحی پمپ ها قابل کاهش باشد. این استاندارد موکداً استفاده از سیستم توزیع مدار اولیه جریان ثابت – مدار ثانویه جریان متغیر را جهت ساختمان های بزرگ توصیه می نماید.
در سیستم مدار اولیه جریان ثابت – مدار ثانویه جریان متغیر، مدار تولید از توزیع جدا می شود. این دو مدار توسط لوله مشترک مرتبط هستند.
در مدار اولیه، چیلر / بویلر و پمپ های اولیه قرار دارند. پمپ های مدار اولیه دارای دبی ثابت و هد نسبتاً کم هستند.
در مدار ثانویه، جریان توزیع می شود. در این مدار پمپ های ثانویه و مصرف کننده ها مانند هوارسان ها و فن کویل ها قرار دارند. پمپ های ثانویه دور متغیر هستند و هد آنها بر اساس افت فشار بین خط رفت و برگشت مدار ثانویه تعیین می گردد. لوله مشترک توسط دو اتصال T شکل مدارهای مستقل اولیه و ثانویه را از سمت مکش پمپ ها به هم متصل می کند. طراحی این لوله باید به گونه ای باشد که در دبی طراحی افت فشار آن بسیار ناچیز باشد.
در این سیستم از شیرهای کنترل دو راهه جهت تنظیم جریان بر اساس بار استفاده می شود. در حالت پاره بار شیرهای کنترل متناسب با کاهش بار بسته می شوند. بنابراین فشار در مدار ثانویه بالا می رود، ترانسمیتر اختلاف فشار، افزایش فشار را اندازه گیری کرده و پمپ های ثانویه بر این اساس کاهش دور می دهند.
از دیدگاه صرفه جویی در مصرف انرژی، سیستم توزیع مدار اولیه جریان ثابت – مدار ثانویه جریان متغیر از سیستم توزیع جریان ثابت کارآمدتر است. زیرا پمپ های متغیر مدار ثانویه بر اساس نیاز بار تغییر دور داده و در حالت پاره بار انرژی کمتری مصرف می کنند.
قانون تشابه پمپ ها بیان کننده عملکرد پمپ در شرایط کاری متفاوت است. طبق این قانون دبی پمپ با دور آن و قدرت پمپ با توان سوم دور متناسب است. بدین ترتیب اگر به عنوان مثال دبی پمپ به 50 درصد دبی طراحی کاهش یابد، قدرت مورد نیاز پمپ به 12/5 درصد مقدار اولیه کاهش می یابد، یعنی 87/5 درصد صرفه جویی در مصرف انرژی.
با استفاده از این سیستم، علاوه بر مدار توزیع (ثانویه)، در مدار تولید (اولیه) نیز صرفه جویی چشمگیری در مصرف انرژی رخ خواهد داد، به دلیل این که همه چیلرها / بویلرها و پمپ های مربوط به آن ها کارکرد همزمان و دایمی نداشته و بر اساس بار به مدار وارد و یا از مدار خارج می شوند.
با توجه به مزایای سیستم توزیع دور متغیر در بهینه سازی مصرف انرژی و اینکه اکثریت چیلرها قابلیت کارکرد با پمپ دور متغیر را ندارند (باید جریان ثابتی از اواپراتور آن ها عبور کند) سیستم مذکور که جریان ثابتی را جهت چیلرها تأمین کرده و جریان مصرف کننده ها را بر اساس بار تغییر دهد می تواند بهترین گزینه باشد.
