در این مقاله، فرمول محاسبه cfm هواساز را به 2 روش رایج و با ذکر مثال تشریح می کنیم و سپس به محاسبه ظرفیت حرارتی کویل هواساز و بار برودتی آن می پردازیم و نرم افزار رایج برای انجام این کار را نیز معرفی می کنیم.
ظرفیت یک هواساز بر حسب CFM (مخفف Cubic Feet per Minute، به معنای “فوت مکعب بر دقیقه”)، تابعی از نیاز سرمایشی یا گرمایشی فضا، حجم فضای مورد تهویه و میزان تعویض هوا در واحد زمان است. 2 فرمول محاسبه CFM هواساز به شرح زیر است:
1 . فرمول محاسبه cfm هواساز بر اساس ظرفیت حرارتی یا برودتی (BTU/hr):
نخستین و بنیادی ترین مرحله در طراحی یک سیستم هواساز، محاسبه میزان بار برودتی و حرارتی فضای مورد نظر است. این محاسبه معمولا بر پایه شرایط اقلیمی محل، نوع کاربری فضا، تعداد نفرات، میزان نفوذ هوا، تجهیزات داخلی و دیگر عوامل موثر انجام می پذیرد. این مقدار بار معمولا بر حسب BTU/hr (بی تی یو بر ساعت) یا Kw (کیلووات) محاسبه می‌شود و هدف از آن تعیین این است که سیستم باید چه میزان گرما را از فضا دفع (در حالت سرمایش) یا به فضا وارد (در حالت گرمایش) نماید.
در شرایطی که ظرفیت حرارتی مورد نیاز (اعم از سرمایشی یا گرمایشی) بر حسب BTU/hr مشخص باشد، می‌توان از فرمول زیر استفاده نمود:
CFM = Q / (1.08 × ΔT)
در این فرمول محاسبه ظرفیت هواساز پارامترها عبارتند از:
- CFM: دبی هوای مورد نیاز (بر حسب فوت مکعب بر دقیقه)
BTU/hr: توان حرارتی مورد نیاز بر حسب بی تی یو بر ساعت
ΔT: اختلاف دمای هوای رفت و برگشت بر حسب درجه فارنهایت
1.08: ضریبی که حاصل ضرب چگالی هوا، ظرفیت گرمایی ویژه و ضریب تبدیل واحدهاست.
حال سوال مهمی که مطرح می شود این است که آیا عدد 1.08 ثابت است یا تغییر می کند؟
عدد 1.08 در واقع یک ضریب تقریبی است و حاصل ضرب سه پارامتر زیر می باشد:
1.08=0.075(lb/ft3)×0.24(BTU/lb.°F)×60(min/hr)
اجزای این ضریب عبارتند از:
چگالی هوا: حدود 0.075 lb/ft³ در دمای حدود 70°F و فشار در سطح دریا
ظرفیت گرمایی ویژه هوا: حدود 0.24 BTU/lb·°F
تبدیل دقیقه به ساعت: عدد 60
از نظر فنی مقدار 1.08 دقیقاً ثابت نیست، زیرا:
چگالی هوا به دمای هوا، رطوبت نسبی و ارتفاع از سطح دریا بستگی دارد.
ظرفیت گرمایی ویژه نیز می تواند با رطوبت هوا اندکی تغییر کند.
اما برای اهداف مهندسی کاربردی و محاسبات اولیه یا طراحی اولیه سیستم های HVAC، استفاده از مقدار ثابت و تقریبی 1.08 کاملا رایج و قابل قبول است، زیرا تغییرات معمول آن در حدود چند درصد است و در اکثر پروژه های عملی تاثیر قابل توجهی ندارد. در پروژه های دقیق یا در نرم افزار طراحی هواساز نظیر Carrier این ضرایب بر حسب شرایط واقعی محیط (دما، فشار، رطوبت، ارتفاع) محاسبه و اعمال می شوند.
چنانچه از واحدهای SI (متریک) استفاده شود:
در سیستم متریک، فرمول به صورت دیگری بیان می گردد:
V = Q × 3600 / (1.2 × ΔT)
V = دبی هوای مورد نیاز ( بر حسب متر مکعب بر ساعت m³/h)
Q = بار حرارتی یا برودتی (بر حسب کیلووات kW)
ΔT = اختلاف دمای بین هوای رفت و برگشت (بر حسب درجه سانتی گراد °C)
1.2 = ضریب حاصل از چگالی هوا و گرمای ویژه در سیستم متریک
- 3600 = ضریب تبدیل ثانیه به ساعت
نکته اینکه برای بدست آوردن فرمول V = Q × 3600 / (1.2 × ΔT) در واقع از فرمول اصلی انرژی گرمایی در سیستم متریک یعنی فرمول Q = ṁ × Cp × ΔT استفاده کردیم که ṁ دبی جرمی هوا (kg/s) است و آن را با استفاده از چگالی به دبی حجمی تبدیل کرده ایم.
مطالعه بیشتر: تبدیل BTU/hr به تن تبرید و کیلووات و … در این صفحه ⇐ تبدیل بی تی یو به تن تبرید
سوال مهم دیگری که مطرح می شود این است که در فرمول محاسبه cfm هواساز از بار حرارتی استفاده کنیم یا بار برودتی؟
در محاسبه cfm هواساز معمولا از بار بزرگتر استفاده می شود (معمولا بار برودتی)، زیرا:
بار برودتی در اغلب پروژه ها (به ویژه در اقلیم های گرم یا معتدل) از بار حرارتی بزرگتر است.
هواساز باید بتواند در شرایط بحرانی تابستان، مقدار هوای کافی برای سرمایش فضا تامین نماید.
طراحی هواساز بر اساس بار برودتی فضا، تضمین می کند که دستگاه در زمستان نیز که معمولا بار گرمایش کمتر است بدون کمبود دبی هوا کار خواهد کرد.
چنانچه هدف محاسبه cfm هوارسان یا همان هواساز برای سرمایش باشد (که معمولا بار غالب است) باید محاسبه بار برودتی هواساز مبنا قرار گیرد. اما اگر هدف فقط گرمایش باشد (مثلا در مناطق سردسیر یا زمستان) می توان از بار حرارتی استفاده کرد. در طراحی سیستم کامل، معمولا cfm بر اساس بار سرمایشی محاسبه می‌شود و از همان مقدار برای گرمایش نیز استفاده می گردد.
2 . محاسبه ظرفیت هواساز (میزان هوادهی cfm) بر اساس حجم فضا و نرخ تعویض هوا (ACH) با مثال:
در مواردی که محاسبه بر پایه حجم فضای مورد تهویه انجام می شود، فرمول زیر کاربرد دارد:
CFM = (ACH × Volume) / 60
در این فرمول:
ACH (Air Changes per Hour): تعداد دفعات تعویض کامل هوای محیط در یک ساعت است.
Volume: حجم فضا بر حسب فوت مکعب، که از حاصل‌ضرب طول، عرض و ارتفاع فضا به دست می آید.
- 60: تبدیل ساعت به دقیقه
برای مثال در صورتی که فضای مورد تهویه، سالنی به ابعاد 200 × 150 × 20 فوت باشد و نیاز به ۶ بار تعویض هوا در ساعت داشته باشد، محاسبه به شکل زیر خواهد بود:
CFM = (6 × 200 × 150 × 20) / 60
CFM = 60,000
برای محاسبه آنلاین ظرفیت هواساز با این روش، از این لینک استفاده کنید: Air Handling Unit CFM Calculation
چنانچه از واحدهای SI (متریک) استفاده شود:
در سیستم متریک، فرمول به صورت دیگری بیان می گردد:
V = (ACH × Volume) / 3600
V = دبی هوا بر حسب متر مکعب بر ساعت (m³/hr)
ACH = نرخ تعویض هوا (تعداد دفعات در ساعت)
Volume = حجم فضا (متر مکعب m³)
برای تبدیل متر مکعب بر ساعت به cfm کافیست تا آن را در عدد 0.59 ضرب کنیم.
تعداد دفعات تعویض هوا ACH (Air Changes per Hour) بر چه اساسی تعیین می شود؟
تعداد دفعات تعویض هوا بر اساس نوع کاربری فضا، مقررات و استانداردها، شرایط بهداشتی و کیفیت هوای مطلوب تعیین می گردد. در جدول زیر مقدار توصیه شده ACH (مطابق ASHRAE و سایر منابع) آورده شده است:
| نوع کاربری | تعداد دفعات تعویض هوا در ساعت |
|---|---|
| اتاق نشیمن (مسکونی) | 3 تا 6 |
| اتاق خواب | 2 تا 4 |
| آشپزخانه مسکونی | 7 تا 10 |
| سرویس بهداشتی (مسکونی) | 6 تا 10 |
| دفتر اداری | 4 تا 6 |
| اتاق کنفرانس | 6 تا 10 |
| کلاس درس | 4 تا 10 |
| کتابخانه | 3 تا 6 |
| لابی ساختمان اداری یا مسکونی | 4 تا 6 |
| رستوران – سالن غذا خوری | 8 تا 12 |
| رستوران – آشپزخانه | 15 تا 30 |
| بیمارستان – اتاق بستری | 6 تا 8 |
| بیمارستان – اتاق عمل | 15 تا 25 |
| بیمارستان – ICU | 12 تا 15 |
| آزمایشگاه شیمی | 10 تا 12 |
| آزمایشگاه میکروبیولوژی | 12 تا 20 |
| اتاق سرور | 15 تا 20 |
| استخر سرپوشیده | 4 تا 6 |
| سالن ورزشی عمومی | 6 تا 12 |
| سالن اجتماعات یا تئاتر | 8 تا 15 |
| کارگاه صنعتی سبک | 6 تا 10 |
| کارگاه صنعتی سنگین | 10 تا 20 |
| فضای خالی یا انبار ساده | 1 تا 2 |
دقت کنید که مقادیر این جدول با توجه به منبع مورد نظر و نیز به روز بودن یا نبودن آن، ممکن است اندکی تغییر کند. مقادیر دقیق و به روز را می توانید از منبع مربوطه استخراج کنید.
نکات مهم در رابطه با تعداد دفعات تعویض هوا:
ACH بالا لزوما به معنای عملکرد بهتر نیست؛ زیاد بودن بیش از حد باعث اتلاف انرژی و ایجاد جریان های مزاحم می شود.
در برخی کاربردها (مانند مراکز درمانی)، ACH نه تنها برای آسایش، بلکه برای کنترل عفونت و سلامت عمومی حیاتی است.
در طراحی نهایی، ACH باید همزمان با نرخ تامین هوای تازه (Fresh Air) و کیفیت فیلتراسیون بررسی گردد.
چه عواملی بر محاسبه دبی هواساز (ظرفیت هوادهی) موثر است؟
محاسبه دبی هواساز یا همان ظرفیت هوادهی آن تحت تاثیر مجموعه ای از عوامل مهندسی، محیطی و تجهیزاتی قرار دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
- بار سرمایشی و گرمایشی فضا (اصلی ترین عامل تعیین کننده است که نخست باید محاسبه شود)
ارتفاع از سطح دریا (افزایش ارتفاع باعث کاهش چگالی هوا شده و برای جبران آن، cfm مورد نیاز باید افزایش یابد)
افت فشار در مسیر هوا (به ویژه در کویل های سرمایشی و گرمایشی، فیلترها، کانال ها و دمپرها که باید محاسبه شود)
نوع فن و منحنی عملکرد آن (مشخصات فن از جمله نوع، سرعت، قطر و توان موتور آن تعیین می کند که در برابر چه فشار استاتیکی، چه مقدار هوا می تواند تحویل دهد و انتخاب نادرست فن، باعث کاهش دبی هوادهی واقعی نسبت به طراحی خواهد شد)
- کاربری فضا و استانداردهای تهویه (برای فضاهایی با نیاز به تهویه بالا مانند بیمارستان، آزمایشگاه، سالن اجتماعات و … ممکن است بر اساس ACH یا همان تعداد دفعات تعویض هوا، دبی هوا تعیین شود، نه صرفا بر اساس بار حرارتی یا بار برودتی آن)
کیفیت ساخت و درزگیری هواساز (نشت هوا از بدنه هواساز باعث افت ظرفیت هوادهی واقعی می گردد. در پروژه های حساس مانند پروژه های بیمارستانی و کلین روم این عامل اهمیت بالایی دارد)
محاسبه ظرفیت حرارتی کویل هواساز (کویل گرمایشی آن) چگونه انجام می شود؟
همانطور که اشاره کردیم، با توجه به اینکه در اغلب موارد، بار برودتی بیشتر از بار گرمایشی بوده و محاسبه دبی هواساز بر اساس آن انجام می شود، سوال مهمی که مطرح می شود این است که محاسبه ظرفیت حرارتی کویل هواساز به چه شکل انجام می شود؟
ظرفیت حرارتی مورد نیاز توسط نرم افزارهایی مانند Carrier انجام می شود ولی اگر دبی فن ثابت باشد (برای مثال فن تک دور باشد) و محاسبه cfm هواساز بر اساس بار برودتی انجام شده باشد، طبق این فرمول CFM = Q / (1.08 × ΔT) مقدار بار گرمایشی Q ممکن است از بار گرمایشی مورد نیاز ما، کمتر یا بیشتر شود. در ضمن تولیدکنندگان، معمولا کویل ها را در سایزها و ظرفیت های استاندارد تولید می کنند و ممکن است ظرفیت دقیق مورد نیاز ما بین دو مدل استاندارد قرار گیرد که انتخاب کویل پایین تر منجر به کمبود ظرفیت، و بالاتر منجر به مازاد ظرفیت خواهد شد. بنابرین حتی الامکان سایز کویل انتخابی باید نزدیک به ظرفیت واقعی مورد نیاز ما باشد.
بعد از انتخاب سایز کویل از یک یا ترکیبی از روش های زیر برای کنترل و تغییر میزان گرمایش می توان استفاده کرد:
استفاده از شیرهای کنترلی برای تنظیم مقدار عبور آبگرم یا بخار از داخل کویل
کاهش یا افزایش دمای ورودی سیال (آبگرم یا بخار) به داخل کویل
- کاهش یا افزایش دبی هوا (با فن های چند سرعته و یا فن های دور متغیر)
- طراحی بای پس برای کنترل میزان جریان هوای عبوری از سطح کویل
- و …
نرم افزار طراحی آن (برای محاسبه دبی و ظرفیت حرارتی و برودتی آن) کدام است؟
نرم افزار طراحی هواساز (برای محاسبه cfm یا همان دبی و ظرفیت حرارتی و برودتی و غیره) معمولا نرم افزار Carrier HAP است. همچنین برای طراحی کویل آن از نرم افزارهایی مثل HTRI و ASPEN و غیره کمک گرفته می شود.
ما در این مقاله سعی کردیم تا فرمول محاسبه ظرفیت هواساز (2 فرمول رایج آن) را با مثال ساده تشریح کنیم و نیز به نحوه محاسبه ظرفیت حرارتی کویل آن، بار برودتی و نرم افزار مخصوص این کار اشاره کنیم. طراحی هوارسان یا همان هواساز بسیار پیچیده تر و گسترده تر از این مباحثی بود که مطرح کردیم و برای طراحی دقیق باید از دوره های مخصوص مربوط به آن کمک بگیرید.
مطالعه بیشتر درباره انواع هواسازها و ویژگی ها و کاربردهای هر یک در این مقاله ⇐ انواع هواساز