مهندسی HVAC

مقدمه

گرمایش (heating)، تهویه (ventilation) و تهویه مطبوع (air conditioning) به اختصار HVAC نامیده می‌شود. HVAC مخفف گرمایش و سرمایش ساختمان‌های مسکونی و تجاری و همچنین سیستم‌های زیادی است که هوا را بین مناطق داخلی و خارجی منتقل می‌کند. آنها سیستم‌هایی هستند که شما را در زمستان گرم نگه می‌دارند و در تابستان به شما احساس آرامش و طراوت می‌دهند. آنها همچنین سیستم‌هایی هستند که هوای داخل خانه شما را فیلتر و تمیز می‌کنند تا شما را سالم نگه دارند و سطح رطوبت را در سطحی با آسایش حفظ کنند. گرمایش و سرمایش فضا تنها هدف یک سیستم HVAC نیست.

درعوض، کیفیت هوای داخلی را افزایش می‌دهد و اطمینان می‌دهد که همه افراد داخل ساختمان در آسایش هستند. درحالی که انواع مختلفی از سیستم‌های HVAC وجود دارد، آنها همیشه با همان اجزای اصلی شروع می‌شوند. اول از همه، منبع هوای تازه از بیرون یا داخل محل سکونت وجود دارد. تهویه اصطلاحی برای این فرآیند است که به دو صورت انجام می‌شود. تهویه طبیعی (natural ventilation) حرکت هوا به داخل و خارج از یک فضا از طریق پنجره‌ها، درها، دریچه‌ها و سایر منافذ است. این تبادل هوا برای اهدای اکسیژن جدید و درعین حال حذف دی‌اکسید کربن و رطوبت اضافی نیاز است. برای انتقال هوا به داخل و خارج، تهویه مکانیکی از یک سیستم مکانیکی استفاده می‌کند. گپ‌ها و شکاف‌های ساختمان و باز و بسته شدن درها تهویه طبیعی کافی را در بیشتر خانه‌ها در گذشته فراهم می‌کرد.

از سوی دیگر، ساخت و ساز مدرن منجر به ساخت خانه‌هایی با ایمنی بیشتر شده است. بنابراین، تهویه در حال تبدیل شدن به یک جزء حیاتی از سیستم‌های HVAC مسکونی است. هوا به یک واحد کنترل هوا منتقل می‌شود، جایی که کار شروع می‌شود. فیلترها آلودگی، گرد و غبار و ذرات اتمسفر را حذف می‌کنند. گرما به هوا اعمال می‌شود، خنک می‌شود و رطوبت اضافی خارج می‌شود. هوا پس از تمیز، تازه و مطلوب شدن به محل اقامت تحویل داده می‌شود. این شامل جابجایی سیستم‌های مرکزی از طریق شبکه‌ای از کانال‌ها و رجیسترها به اتاق‌های مختلف است. در مورد سایر سیستم‌ها، این معمولاً شامل هدایت مستقیم به فضا است.

چگونه می‌توان مهندسی HVAC را با استفاده از شبیه سازی CFD بهبود بخشید؟

صنعت HVAC با دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) متحول شده است. مهم‌تر از همه، بررسی روند جریان هوا، توزیع دما و انتقال حرارت را آسان می‌کند. برای مثال می‌تواند مشخص کند مکان‌هایی را که گرما از آن خارج می‌شود، تهویه کافی نیست، یا مناطق سرد وجود دارد. مهندسان و طراحان هنگامی که از دانش یک شبیه‌سازی CFD مشترک استفاده می‌کنند، شفافیت بیشتری در کل سیستم HVAC دارند، جایی که چندین طرف می‌توانند اطلاعات را وارد کنند. هر طرحی را می‌توان حتی قبل از وجود فضای فیزیکی وارد کرده و آن را آزمایش کرد. کارشناسان HVAC ممکن است براساس داده‌های قابل اعتماد و نتایج شبیه‌سازی تصمیم بگیرند، چه در مراحل اولیه طراحی و چه در بررسی یک ساختمان موجود برای پتانسیل بهبود یافتن. آزمایش‌ها به صورت مجازی انجام می‌شوند، و قیمت‌ها و منابع مورد نیاز بسیار ارزان‌تر است از آنچه برای تجزیه و تحلیل فیزیکی لازم است.

در حالی که CFD یک تازه وارد در صنعت HVAC نیست؛ زیرا مهندسان سال‌ها از آن استفاده می‌کنند، روشی که ارائه می‌شود در حال تکامل است. پیش از این، قابلیت‌های مشابه تنها به عنوان برنامه‌های سخت‌افزاری سنگین سخت و اغلب بسیار گران‌قیمت دردسترس بودند. سازمان‌های پیشرو، مانند نرم‌افزار ANSYS Fluent، اکنون قابلیت‌های CFD را از طریق یک سرویس آنلاین به کسب‌وکارهای جوان‌تر، کوچک‌تر یا کمتر فناوری‌گرا ارائه می‌کنند.

مهندسان HVAC به لطف توانایی ارائه منابع مختلف گرمایش یا سرمایش با شبیه‌سازی، می‌توانند آسایش حرارتی یک اتاق یا کل ساختمان را با دقت بیشتر درک کنند. این منجر به طراحی‌های بهینه از نظر حرارتی و تصمیم‌گیری‌های آموزشی درمورد محل نصب سیستم‌های گرمایش و تهویه مطبوع و هواسازی می‌شود. در درازمدت، مکان‌هایی که با طراحی کارآمد HVAC طراحی شده‌اند، به همه کمک می‌کنند سالم‌تر و راحت‌تر زندگی کنند.

علم CFD در شبیه سازی سیستم‌های گرمایش و سرمایش ساختمان‌های مختلف

وقتی که به درستی اجرا شود، تهویه طبیعی یک رویکرد ضروری و مقرون به صرفه است که کیفیت هوای داخل ساختمان را با کاهش غلظت آلاینده‌ها (pollutant) بهبود می‌بخشد. علاوه براین، میزان مرگ و میر ناشی از مشکلات تنفسی که معمولاً به دلیل کیفیت پایین هوای داخل خانه ایجاد می‌شود را کاهش می‌دهد. درنهایت، آسایش حرارتی (thrmal comfort) فضا را افزایش می‌دهد و درعین حال انرژی مصرفی سیستم‌های تهویه مطبوع را کاهش می‌دهد.

محبوبیت مدل‌های CFD به عنوان ابزاری برای براورد عملکرد تهویه افزایش یافته است. پاسخ شامل اطلاعات دقیق در مورد سرعت، فشار و توزیع دما است. علیرغم ساده سازی مطالعات شبیه سازی، نتایج تجزیه و تحلیل CFD معمولاً نمایشی دقیق از یک سیستم واقعی است. نرم افزار CFD به دلیل انعطاف پذیری و مقرون به صرفه بودن، ابزاری قدرتمند در تحقیقات مهندسی است. 

استفاده از CFD برای تأثیر تابش خورشیدی بر آسایش حرارتی

در جامعه امروزی، تعداد فزاینده‌ای از مردم بیشتر وقت خود را در محیط‌های بسته با شرایط آب و هوایی مصنوعی می‌گذرانند که در آن آسایش حرارتی عامل اصلی است: سیستم‌های شیشه‌ای (glazing) هم از نظر ابعاد و هم از نظر ویژگی‌های مواد، حیاتی هستند؛ زیرا بر پارامترهای مورد استفاده برای ارزیابی آسایش حرارتی اثر می‌گذارند.

بهره مندی خورشیدی یک اثر جانبی نامطلوب این استراتژی معماری است؛ زیرا باعث گرمایش غیرقابل کنترل فضا و افزایش دمای هوای داخلی می‌شود و درنتیجه، باعث آسایش حرارتی ضعیف ساکنین می‌شود. تابش خورشیدی (solar radiation) به سرعت به داخل ساختمان نفوذ می‌کند، جایی که اجسام و سطوح آن را جذب می‌کنند و به دلیل شفافیت بالای شیشه در نوارهای مرئی و موج کوتاه، در دامنه محدود فضای داخلی حفظ می شوند.

سیستم‌های مداخله کننده فعال مانند تهویه مطبوع، پوشش‌های شیشه‌ای کنترل خورشیدی، لوورهای مکانیکی اتوماتیک، پرده‌ها و غیره برای کاهش اثرات بهره مندی خورشیدی ضروری است. این رویکردهای معمولی دارای معایب هشداردهنده‌ای هستند؛ مانند مصرف ناکارآمد انرژی، هزینه‌های بالا، اثرات نامطلوب زیست محیطی، و ویژگی‌های زیبایی شناختی ضعیف. با فعال کردن یک لایه میانی رسانای الکتریکی بین دو شیشه، پنجره‌های قابل تعویض یک راه‌ حل فنی کنترل‌شده نوآورانه مدرن با مصرف انرژی کم و سطوح تنظیم‌شده شفافیت ارائه می‌کنند.

تلاش‌های زیادی برای توسعه روش‌های جایگزین برای پیش‌بینی آسایش حرارتی درحال انجام است. یکی از راه‌های هیجان‌انگیز می‌تواند مدل‌سازی با استفاده از برنامه‌های CFD باشد که امکان شبیه‌سازی پروفیل‌های حرارتی و سرعت را در محیط‌ها فراهم می‌کند.

دفع ویروس کرونا در داخل یک منطقه بسته با استفاده از CFD

ویروس کرونا (COVID-19) به‌عنوان مهم‌ترین مشکل انسانی در جهان شناخته شده است، زیرا برای موجودات زنده مضر است و قدرت سرایت بالایی بین افراد بیمار و سالم دارد. زمانی که فرد بیمار بدون استفاده از ماسک سرفه یا عطسه می‌کند، ویروس کرونا پخش می‌شود. یکی از مهم‌ترین توصیه‌های کارشناسان برای به حداقل رساندن انتقال بیماری، رعایت فاصله اجتماعی بین افراد جامعه است.

از آنجایی که بسیاری از افراد عموماً در یک فضای کوچک با سیستم تهویه ضعیف جمع می‌شوند، کابین آسانسور یکی از مهم‌ترین فضاها در موضوع بیماری کرونا است.

این پست فقط به چند کاربرد CFD نگاه می‌کند که می‌تواند به بهبود HVAC کمک کند. تجارت مکانیکی کاربردهای CFD زیادی دارد، از فن‌های اعمال تهویه اتاق ژنراتور گرفته تا مدل‌سازی اسپری خوشبو کننده هوا (air freshener) در سرویس بهداشتی و رطوبت‌گیر (dehimidifier) برای ارزیابی پارامترهای اصلی مانند سرعت، دما و فشار، که همه چالش‌های کلیدی در صنعت هستند.

بیشتر جنبه‌های صنعت HVAC بر دینامیک سیالات متکی است. اگرچه نمونه‌های اولیه فیزیکی برای مراحل بعدی توسعه مورد نیاز است، مطالعات CFD ممکن است به طور قابل توجهی سرعت طراحی و بهینه سازی را در مراحل اولیه افزایش دهد.

خدمات پردازشگران مهر

گروه پردازشگران مهر پروژه‌های شبیه سازی سفارشی متعددی را برای کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی HVAC انجام داد. گروه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده شبیه سازی می‌باشد. برای مثال، شبیه‌سازی فن‌آوری تهویه اتاق ژنراتور (Generator Room Ventilation Applying Fans) برای دستیابی به پارامترهای کلیدی راه‌حل انجام می‌شود.

در بیشتر مواقع، ژنراتورها دستگاه‌های مکانیکی هستند که می‌توانند انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی AC یا DC تبدیل کنند. میدان مغناطیسی یک رسانا در طول این فرآیند تولید الکتریسیته تغییر می‌کند. دینام ژنراتور قطعه‌ای است که در آن یک میدان مغناطیسی (روتور) به دور آرمیچر (استاتور) می‌چرخد. برای اهداف این شبیه‌سازی، سی ردیف از ژنراتورها به‌ صورتی که در یک سوله قرار دارند، مدل‌سازی شده‌اند. سقف سوله و قسمت‌های جلوی هر دستگاه ژنراتور اجازه می‌دهد تا هوای آزاد به اتاق ژنراتور جریان یابد.

با این حال، در این شبیه سازی تلاش شده است تا دو مجموعه فن بزرگ و کوچک در داخل این سوله و همچنین در مجاورت دینام و ژنراتور در نظر گرفته شود تا تأثیر فن بر جریان هوا در این مکان ها ارزیابی شود.

تحقیق زیر یک اسپری خوشبو کننده هوا را در یک سرویس بهداشتی (Air Freshener Spray in a Restroom) با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent شبیه سازی می‌کند. خوشبو کننده هوا یکی از محصولات دکوراسیون منزل است که به طرز چشمگیری بر مدرن شدن خانه تاثیر می‌گذارد. همه به خانه‌ای کشیده می‌شوند که همیشه عطر و بوی مطبوعی دارد. برای ایجاد محیطی خوشبو در خانه خود یک خوشبو کننده هوا نصب کنید. داشتن یک خوشبو کننده هوای برقی در خانه و محل کار شما ممکن است بسیار مفید باشد؛ زیرا نشان داده شده است که افراد در محل کار بهتر عمل می‌کنند و زمانی که در محیط‌های معطر هستند خوشحال‌تر هستند. یکی از مهم‌ترین اجزای خانه، سرویس بهداشتی است. بنابراین، برای اطمینان از این‌که سرویس بهداشتی دائما تمیز و بدون بو است، توصیه می‌کنیم که یک خوشبو کننده هوا با کیفیت بالا داشته باشید. وسایل خوشبو کننده هوا در طرح‌های مختلفی از جمله مولد بخار، بخاری، سمپاش و خوشبو کننده وجود دارند.

با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent، شبیه سازی دیگر شامل رطوبت‌گیر (Dehumidifier) است. رطوبت‌گیر نوعی کولر گازی است که رطوبت هوا را کاهش و تنظیم می‌کند. این دستگاه با حذف آب از هوای مرطوب، سلامتی و آسایش حرارتی افراد حاضر را بهبود می‌بخشد، بوی کپک‌زدگی را از بین می‌برد و از رشد کپک جلوگیری می‌کند.

این ایده از جذب رطوبت سطحی برای خشک کردن هوا استفاده می‌کند. چندین ردیف از صفحات در داخل یک محفظه قرار گرفته‌اند که به عنوان مانع جریان عمل می‌کند. وجود این موانع جریان هوای مرطوب را وادار می‌کند که از آن عبور کند و دائماً با صفحات مختلف تماس پیدا کند و رطوبت موجود در هوا توسط این صفحات به دام بیفتد.

شرکت پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه سازی HVAC

شرکت پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل سازی، مش بندی و شبیه سازی می باشد. خدمات شبیه سازی ما برای شبیه سازی HVAC به شرح زیر دسته بندی می‌شود:

• سیستم‌های سرمایشی و گرمایشی برای انواع ساختمان‌ها از منازل مسکونی گرفته تا مراکز خرید بزرگ تا واحدهای صنعتی
• تأثیر تابش خورشید بر آسایش حرارتی داخل ساختمان واقع در طول‌ و عرض‌های جغرافیایی مختلف
• بررسی آسایش حرارتی و کنترل آلاینده برای انواع فضاها
• تاثیر مدل‌های مختلف معماری ساختمان بر بازده تهویه هوا
• تأثیر مدل‌های مختلف تهویه در دفع ویروس کرونا در داخل یک منطقه بسته
• توانایی سیستم‌های تهویه سنتی برای خنک کردن هوای محیط برای مناطق خشک شده
• و ..…

شما می‌توانید محصولات مرتبط با دسته شبیه سازی HVAC را در فروشگاه آموزشی (Training Shop) بیابید.

خدمات ما محدود به موضوعات ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های مختلف و چالش برانگیز در زمینه مدل سازی مهندسی HVAC به سفارش مشتریان است. ما حتی انجام شبیه‌سازی CFD را برای هر طرحی که در ذهن دارید می‌پذیریم تا آنها را به واقعیت تبدیل کنیم و حتی به شما کمک کنیم تا به بهترین طراحی برای آنچه تصور می‌کردید برسید. شما می‌توانید از مشاوره تخصصی پردازشگران مهر (ansysfluent expert consultation) به‌ صورت رایگان بهره ببرید و سپس پروژه‌تان را سفارش دهید (order your project) تا شبیه‌سازی و آموزش داده شود.

با سفارش پروژه خود به شرکت پردازشگران مهر به عنوان یک گروه شبیه‌سازی CFD، نه تنها فایل‌های منابع پروژه مرتبط (هندسه، مش، کیس و دیتا، و …) را دریافت می‌کنید، بلکه یک ویدیو آموزشی جامع نیز در اختیار شما قرار می‌گیرد که نشان می‌دهد چگونه می‌توانید هندسه، مش و تنظیمات مورد نیاز (پیش پردازش، پردازش و پس پردازش) را در نرم افزار ANSYS Fluent به تنهایی تعریف کنید. علاوه براین، پشتیبانی پسافنی برای روشن شدن مسائل و ابهامات نیز موجود است.