تولید گرمای کمتر، سرمایش مورد نیاز پایین تر

در اوایل دهه ی 1990، فضاهای داخلی معمولی با استفاده از اختلاف دمای «تغذیه به فضا» ی معادل F 20، برای بارهای اوج 8/0 تا 1  cfm به ازای فوت مربع طراحی شده بودند. مقادیر هوای تغذیه برای بار ناشی از حضور افراد، با روشنایی و همچنین بار دستگاه های موجود، تا اواخر دهه ی 1990 یعنی زمانی که پیشرفت های قابل توجهی در زمینه ی روشنایی به وجود آمد و کاهشی 30 تا 40 درصدی را باعث گردید، تقریبا ثابت باقی ماند. فضاهای جدید و بازسازی شده با استفاده از سیستم های روشنایی پیشرفته و همچنین بار کاهش یافته ی نمایشگرهای LCD، می توانند در شرایط اوج سرمایشی بین 35/0 تا 4/0 cfm به ازای هر فوت مربع کاهش ایجاد نمایند. برنامه ریزی در این زمینه کار ساده ای نیست، زیرا موارد صرفه جویی در انرژی روشنایی و تجهیزات رایانه ای، تنها با گذشت زمانی طولانی از مرحله تکمیل طراحی و ساخت امکان پذیر خواهد بود. اغلب دیفیوزها قادر نیستند4/0 cfm به ازای فوت مربع هوای تغذیه را به مقدار کافی برای پوشش دهی مناسب محل مورد نظر تامین نمایند. هوای کم سرعت به مقدار کافی در محیط پراکنده نشده و فقط در همان راستا به سمت پایین حرکت خواهد کرد. بنابراین افرادی که زیر دریچه های هوای تغذیه قرار می گیرند احساس سرما کرده و دیگران، هیچ حرکت هوایی در اطراف خود نداشته و بنابراین احساس گرما و کلافگی خواهند کرد. هوای سردتر از سمت سقف حرکت کرده و با هوای گرم مخلوط می شود. در ارتفاع 6 فوتی، دمای هوا  ⁰F75  است. اثربخشی تهویه می تواند رفاه مناسب را در فضای مورد نظر حفظ نماید.

یک سیستم حجم هوای متغیر (VAV) می تواند به کمتر از20 cfm بر هر فوت مربع در بارهای کاهش یافته نیاز داشته باشد. تنها انواع معدودی از دیفیوزرهای القای بالا با دمای پایین و دیفیوزرهای چند شبکه ای قابل تنظیم می توانند در این مقدار جریان هوا، شرایط مناسب را تامین نمایند و البته این نوع دیفیوزرها در بسیاری از ساختمان های اداری نصب نشده اند. در اختلاف دمای F20 و جریان هوای35/0 cfm در فوت مربع، یک دیفیوزر150 cfm بایستی 430 فوت مربع را پوشش دهد که حداقل 10 فوت فضای موثر پراکنش برای دیفیوزر چهار جهته مورد نیاز خواهد بود. در 75 درصد بار (112 cfm)، همان دیفیوزر نیاز به پراکنش بین 9 تا 10 فوت خواهد داشت. دریچه های خطی و برخی دریچه های القای بالا، جزو معدود ابزارهایی هستند که این الزامات را برآورده می سازند. اگر توزیع هوا در نظر گرفته نشود، اولین نشانه ی بروز مشکل در ساختمان هایی که از انرژی پایینی استفاده می کنند، وجود شکایاتی در مورد سرد و گرم بودن یک محل خاص خواهد بود. مشکلات جدی تری نیز در نواحی گرم تر و دارای تابستان های مرطوب دیده می شود (دماهای حباب تر طراحی بالاتر از  ^oC76). با کاهش گرمای محسوس تا 50 درصد یا بیشتر، بار نهان تبدیل به بخش بزرگ تری از کل گرمای تولید شده در فضا خواهد شد. بارهای داخلی امروزی می توانند نسبت گرمای محسوس (SHR) بین 85 تا 90 درصد داشته باشند. کاهش تولید گرما در سیستم های روشنایی و تجهیزات موجود در محل می تواند این مقدار را به 65 تا 75 درصد کاهش دهد. نیمی از هوای تغذیه برای فضای معمولی امروزی، هنوز هم به مقدار مشابهی از هوای خارج نیاز دارد. مقدار20  cfm هوای خارجی به ازای هر نفر و یک نفر به ازای 100 فوت مربع، معادل حداکثر2/0 2 cfm به ازای فوت مربع هوای خارجی خواهد بود. در مقایسه با مقادیر 35/0 تا 4/0 cfm بر فوت مربع که برای سرمایش فضا مورد نیاز است، درصد هوای خارجی از 25 تا 35 درصد به 50 درصد یا بیشتر افزایش می یابد. یک سیستم VAV با استفاده از استاندارد ANSI/ASHRAE Standard 60-2001 معمولا بین 80 تا 100 درصد هوای خارجی نیاز دارد. درصد بالاتر نسبت هوای خارجی، مقدار بار نهان بر روی کویل های خنک های کننده را افزایش داده و مقدار SHR را بیش از پیش کاهش خواهد داد. کویل های خنک کننده با شرایطی روبرو خواهند شد که در آن شرایط، نمی توانند رطوبت را از هوا بزدایند. یک کویل محاسبه شده برای 80 درصد SHR نخواهند توانست با افت SHR رطوبت هوا را بزداید (در بارهای سطحی خنثی، بار محسوس و SHR بیشتر افت می کنند). به خصوص کویل های آب سرد، بدون بار گرمای محسوس برای زدایش گرمای نهان، آسیب پذیرترند.

کویل خنک کننده که برای تطابق دقیق با بار موجود انتخاب شده است، دارای 11 درصد ظرفیت نهان اضافی است. در8/1 وات به ازای فوت مربع، ظرفیت کویل 8 درصد کمتر از مقدار مورد نیاز برای برآورده ساختن نیاز بار نهان است. سطوح رطوبت نسبی بالای 60 درصد کاملا محتمل به نظر می رسد. در شرایط سردتر، می توان سطح بالای رطوبتی را انتظار داشت.

تمام مشکلات رطوبتی مربوط به میزان بالای رطوبت می تواند در این شرایط در ساختمان آغاز شده و گسترده شود. غیر از هوای خشک زمستانی، شرایط معدودی وجود دارد که می تواند هوای ساختمان را خشک نگه دارد. سیستم HVAC در این شرایط می تواند منشا بروز مشکلاتی از قبیل رشد قارچ و کپک ها و دیگر مشکلات کیفیت هوای داخلی گردد.

گام های آینده

مسلم است که مالکان ساختمان ها به نوسازی سیستم های روشنایی برای پایین آوردن هزینه های انرژی ادامه خواهند داد. تعداد ساختمان های اداری از اواخر 1970 تا اوایل 1990 که می توانند بین 5/0 تا 5/1 ,وات بر فوت مربع صرفه جویی نمایند، بسیار زیاد است. ساختمان های جدید نیز با پیدایش روش های جدید روشنایی و لامپ های پیشرفته تر و کم مصرف تر، شاهد میانگین 1 وات  بر فوت مربع خواهند بود. نمایشگرهای  LCD در چند سال آیند به صورت نمایشگرهای استاندارد برای رایانه ها درخواهند آمد. طبق بررسی های انجام شده، فروش نمایشگرهای رایانه ای در سال 2000 در ایالات متحده به 100 میلیون دستگاه بالغ گردیده است. اگر مصرف برق این دستگاه ها با استفاده از صفحات LCD به80 وات  به طور میانگین کاهش پیدا کند، 8000 مگاوات تقاضای انرژی الکتریکی در شبکه برق کاهش خواهد یافت. این مقدار، شامل برق مورد نیاز برای سیستم های سرمایشی نمی گردد. پس طراح باید به چه صورت برنامه ریزی های خویش را انجام دهد؟ اگر بارهای معمولی امروزی مورد استفاده قرار گیرند، یک نوسازی سیستم روشنایی یا یک تصمیم گیری توسط بخش فناوری اطلاعات یک سازمان می تواند نیازهای سرد کردن هوای خارجی را کاهش داده و منجر به بروز مشکلاتی که قبلا ذکر شد گردد. برای حل این مشکلات یا اجتناب از آن ها، باید روش های جدید توزیع هوا مورد اشاره قرار گیرند. بالا بردن دمای هوا تغذیه می تواند میزان cfm به ازای هر فوت مربع را که برای ابزارهای معمولی تر توزیع هوا مناسب تر است، افزایش دهد. اما نقاط ضعفی نیز در این بین وجود دارد. دیفیوزرها و دریچه های خطی و القای بالا، جزو معدود ابزارهای نصب شونده روی سقف هستند که می توانند هوا را به شکلی موثر با میزان پایین cfm بر فوت مربع توزیع کنند. با بالاتر رفتن دمای تغذیه، دیفیوزهای VAV می توانند پراکنش نسبتا ثابتی را در محدوده ی وسیعی از جریان ها ایجاد نمایند. تهویه نیمه جابجایی با استفاده از توزیع هوای زیر کف برای ساختمان های جدید انتخاب جذابی به شمار می آید.

دریچه های تغذیه هوا می توانند برای هر فرد نصب شوند. نرخ های تهویه در این روش، در موثرترین مقدار خود تنظیم می شوند. این سیستم های در حال حاضر از هوای تغذیه ی گرم تر استفاده می کنند، اما تحقیقات بیشتری لازم است تا مشخص شود آیا بار گرمایی کافی برای به حرکت درآوردن هوا در نواحی حضور افراد در بارهای پایین مصرفی توسط دستگاه ها وجود دارد یا خیر. روش های رطوبت زدایی برای دمای افزایش یافته ی هوای تغذیه و SHR پایین بایستی در نظر گرفته شود. درصدهای بالاتر هوای بیرون و فقدان رطوبت زدایی کافی می تواند مشکل آفرین باشد. راه حل هایی که برای این مشکل می توان متصور شد، در ساختمان های مختلف متفاوت است. پیش پردازش هوای خارجی (رطوبت زدایی)، توزیع مستقل هوای خارجی، کویل های خنک کننده ی جدید و لوله های گرمایی و یا روش های گرمایش مجدد و رطوبت زدایی دیگر، می توانند در این رابطه در نظر گرفته شوند. سیستم های حسگر دی اکسید کربن می تواند تاثیر هوای خارجی را به حداقل رسانده و در عین حال، نرخ تعویض هوای خارجی را در حد مناسبی حفظ نماید.

روش های تهویه طبیعی، یا به صورت جریان کاملا طبیعی و یا به صورت تهویه فعال نیز، به خصوص در آب و هوای خشک، روش مناسبی به شمار می آید. یکی از پیشرفت های نویدبخش، پیدایش سیستم هوای خارجی اختصاصی است. چون مقادیر هوای خارجی و هوای تغذیه تقریبا برابر هستند، یک سیستم هوای خارجی 100 درصد با امکان بازیافت گرما و کنترل رطوبت می تواند پردازش هوای مورد نیاز را تقریبا در تمام فضاها ایجاد نماید.