اصول طراحی شبکه و سیستم لوله کشی تهویه مطبوع :

در این مبحث ابتدا به معرفی سیستم‌های مختلف لوله کشی برای تأسیساتی که در آنها سیال ناقل حرارت، آب است پرداخته، سپس روش محاسبه شبکه لوله کشی را ارائه می‌کنیم. لازم به تذکر است که روش‌های طرح و محاسبه شبکه لوله کشی که در این مقاله مورد بحث قرار می‌گیرند، هم برای آبگرم (در گرمایش) و هم آب سرد (در سرمایش) معتبر خواهند بود.

سیستم‌های لوله کشی آب:

۱- سیستم باز: در این سیستم، آب به سوی یک مخزن که به هوای آزاد باز می‌شود، جریان می‌یابد. برج‌های خنک‌کن و هوا شویی‌ها که در فصل تهویه مطبوع در موردشان توضیح خواهیم داد، مثال‌های خوبی برای سیستم باز می‌باشند.

۲- سیستم بسته: در این سیستم، جریان آب در هیچ نقطه‌ای در معرض هوای آزاد قرار نمی‌گیرد. چنین سیستم‌هایی معمولاً شامل یک منبع انبساط می‌باشند که با هوای آزاد در ارتباط است، ولی سطح آبی که در این منبع در معرض هوای آزاد است زیاد قابل ملاحظه نمی‌باشد. پس با این تعریف سیستم حرارت مرکزی آبی یک سیستم بسته خواهد بود. از. نظر دیگری می‌توان سیستم‌های لوله کشی را به ترتیب زیر طبقه بندی نمود: 

سیستم تک گذر

در این سیستم، آب یک بار از وسیله‌ای عبور نموده تخلیه می‌شود.

سیستم گردشی

در این سیستم، آب پس از رسیدن به وسیله مورد نظر تخلیه نمی‌گردد بلکه توسط یک مدار لوله کشی بین مبدل حرارتی و مبدا حرکت خود را که می‌تواند مثلاً یک دیگ حرارت مرکزی یا دستگاه سر کننده آب (چیلر) باشد، گردش می‌نماید. گردش آب چنانکه قبلاً ذکر گردید می‌توان تحت نیروی ترموسیفون اختلاف وزن مخصوص آب گرم رفت و برگشت یا به صورت اجباری توسط پمپ صورت گیرد. هر دو سیستم فوق ممکن است باز یا بسته باشند.

ترکیبات برگشت آب:

گردشی بنوبه خود بر حسب چگونگی برگشت آب به صورت زیر طبقه بندی می‌شود:

سیستم لوله کشی با برگشت معکوس:

هرگاه در یک سیستم بسته مبدل‌های حرارتی دارای افت فشار تقریباً یکسانی باشند. سیستم لوله کشی با برگشت معکوس توصیه می‌گردد. این ترتیب لوله کشی را نمی‌توان برای سیستم‌های باز مورد استفاده قرار داد. در سیستم با برگشت معکوس طول مسیر گردش آب در لوله‌های رفت و برگشت برای تمام مبدل‌های حرارتی یکسان بوده فشار برای نزدیک‌ترین و دورترین مبدل حرارتی نسبت به دیگ برابر خواهد بود و به ندرت ممکن است لازم آید که سیستم را متعادل کنیم.

سیستم لوله کشی با برگشت مستقیم:

اگر افت فشار در تمام مبدل‌های حرارتی یکسان نباشد، استفاده از سیستم برگشت مستقیم از نظر اقتصادی بیشتر مقرون به صرفه است. در این روش که علاوه بر سیستم‌های بسته برای سیستم‌های باز نیز قابل استفاده است، قطر لوله برگشت در تمام طول مسیر برابر قطر لوله رفت متناظر خواهد بود. به طوری که ذکر شد، سیستم برگشت مستقیم برای تاسیساتی که در آن مبدل‌های حرارتی از قبیل رادیاتور یا فن کویل دارای افت فشار داخلی و یا ظرفیت‌های متفاوت باشند به کار می‌رود. به لحاظ اینکه در این سیستم افت فشار در مسیر لوله کشی به مبدل‌های نزدیک‌تر به دیگ  کمتر است افت فشار در مسیر لوله کشی به مبدل‌های دورتر از دیگ بوده آب در مبدل‌های حرارتی نزدیک‌تر با سرعت بیشتری نسبت به مبدل‌های دورتر گردش می‌کند، سیستم متعادل نیست و برای متعادل کردن آن باید از شیرهای متعادل کننده موسوم به شیر زانویی قفلی که در مسیر برگشت آب از مبدل حرارتی نصب می‌شوند و شیر فلکه‌های گلویی در مسیر لوله برگشت آب به کلکتور برگشت در موتورخانه، استفاده نمود. 

بدین ترتیب می‌توان افت فشار از دیگ تا تمام مبدل‌های حرارتی را یکسان کرده سرعت گردش آب را در نزدیک‌ترین و دورترین مبدل حرارتی برابر نمود. این سیستم نسبت به سیستم برگشت معکوس از نظر مصالح سیستم لوله کشی ارزان‌تر تمام می‌شود ولی برای متعادل کردن آن باید وقت بیشتری صرف نمود. 

سیستم لوله کشی با برگشت مستقیم و معکوس را به طور شماتیک نشان می‌دهد.

برگشت مستقیم

برگشت معکوس

سیستم یک لوله‌ ای:

در این سیستم برای برگشت آب از مبدل‌های حرارتی به دیگ، لوله مستقلی در نظر گرفته نمی‌شود همانطور که در شکل مشاهده می‌گردد، جهت رفت و برگشت آب به مبدل‌های حرارتی تنها از یک لوله اصلی استفاده می‌شود. اتصال لوله‌های رفت و برگشت مبدل حرارتی به لوله اصلی در این سیستم، از وصاله‌های مخصوصی استفاده می‌شود که در شکل نشان داده شده‌اند. در این سیستم قطر لوله اصلی در تمام لوله مسیر ثابت بوده دمای آب ورودی به واحدهای نزدیک‌تر به دیگ بیشتر و در واحدهای دورتر به تدریج کمتر می‌شود، لذا مبدل‌های حرارتی دورتر را باید بزرگتر در نظر گرفت. 

افت فشار در سیستم لوله کشی:

در هر لوله‌ای که سیالی جریان داشته باشد، افت فشار نیز به وجود می‌آید. میزان این افت فشار تابع عوامل زیر است.

۱- سرعت 

 ۲- قطر لوله 

۳- زبری سطح داخلی لوله و ویسکوزیته سیال

 ۴- طول لوله

که در آن:

فشار سیستم بر مقدار افت فشار تاثیری ندارد فشار بیشتر باشد ما را مجبور به استفاده از لوله‌ها، وصاله‌ها و شیرهای سنگین‌ تر و مقاوم‌ تری می کند.

چگونگی نصب و موارد استعمال وصاله های T شکل

محاسبات سیستم لوله کشی:

پس از انتخاب سیستم برگشت مناسب (برگشت مستقیم یا معکوس)، برای طرح و محاسبه سیستم لوله کشی قدم به قدم مطابق دستور زیر عمل می‌کنیم:

۱- تعیین مناسب‌ ترین محل نصب واحدهای مبدل حرارتی و رسم بهترین مسیر لوله کشی از دیگ به مبدل‌هایی بر روی نقشه ساختمان (پلان).

۲- انتخاب محدوده سرعت مناسب برای گردش آب، این سرعت باید به میزانی باشد که با توجه به وضع محل، تولید سر و صدا ایجاد ناراحتی نکند. سرعت مناسب حرکت آب در لوله‌ها بین ۲ تا ۴ فوت بر ثانیه و برای مکان‌هایی که در آن سر و صدا اهمیت چندانی ندارد از قبیل کارخانجات، تا بیش از ۱۰ فوت بر ثانیه است. 

۳- تعیین مقدار دبی آبی که توسط لوله مورد نظر حمل می‌شود، از طریق فرمول زیر: 

که در آن:

دبی آب در لوله مورد نظر (در گرمایش) بر حسب گالن بر دقیق  ( G –  ( GPM

بار حرارتی که توسط آب درون لوله حمل می شود ( Q –  ( Btu/hr

 اختلاف دمای آب رفت و برگشت 

لازم به توضیح است که بهترین اختلاف دمای آب رفت و برگشت در سیستم اجباری (پمپی) برابر F ۲۰ برای گرمایش و 10F برای سرمایش می‌باشد که در سیستم‌های طبیعی این اختلاف دما بیشتر است. بنابراین در سرمایش با سیستم اجباری مخرج فرمول فوق ۵۰۰۰ خواهد بود. محور بالایی نمودارهای زیر بر اساس مقادیر دبی آب و محور پایینی آنها بر پایه مقدار حرارتی که توسط آب (در گرمایش) حمل می‌گردد مدرج گردیده است، لذا برای استفاده از این نمودار (در گرمایش) احتیاجی به تعیین دبی آب از فرمول فوق نیست و می‌توان با در دست داشتن مقدار حرارتی که توسط آب داخل لوله حمل می‌شود مستقیماً به نمودارهای مذکور مراجعه نمود.

(لازم به ذکر است در نمودار بالا خطوط مورب و درون خط نشان دهنده سرعت آب برحسب اینچ بر ثانیه هستند که با توجه به مجاز بودن سرعت آن در ساختمان غیر صنعتی بیش از ۱ تا ۴ فوت بر ثانیه  محدودیت مجاز سرعت ان در این نمودار معادل است به ۱۲تا ۲۴ اینچ بر ثانیه، همچنین نرخ افت فشار در این نمودار محور عمودی سمت چپ می باشد که برحسب میلی اینچ بر فوت از طول لوله نمایش داده شده با توجه به اینکه نرخ افت فشار مجاز در تاسیسات ساختمان ۲/۵ درصد در نظر گرفته می شود، میتوان ۲/۵ درصد را ۲/۵ فوت از ۱۰۰ فوت در نظر کرفت که محاسبات زیر نشان دهنده این است که هر ۳۰۰ میلی اینچ بر فوت معادل است با ۲/۵ درصد افت فشار طول لوله

۴- نرخ افت فشار مناسب _ آنجایی که بازائه افت فشار زیادی هزینه پمپاژ بالا رفته و از طرف دیگر برای افت فشار کم قطر لوله‌ها بزرگتر و در نتیجه هزینه سیستم لوله کشی

افزون می‌گردد، محدوده برای نرخ افت فشار تعیین گردیده که بین ۱۰۰ تا ۵۰۰ میلی اینچ بر هر فوت طول لوله می‌باشد. نرخ مناسب افت فشار در برابر ۳۰۰ میلی اینچ آب بر فوت، معادل دو و نیم فوت بر ۱۰۰ فوت طول لوله می‌باشد.

۵- تعیین قطر کلکتورهای موتورخانه _ کلکتور لوله قطوری است در حکم یک مخزن کوچک و هنگامی که قرار است آب از چند مسیر مختلف به دستگاه‌هایی مثل پمپ یا دیگ وارد یا خارج شود، مورد استفاده قرار می‌گیرد. نقش کلکتور عبارت است از ایجاد جریان صحیح آب در هر یک از مسیرها. کلکتور به این ترتیب تعیین می‌گردد. که فاصله بین لوله‌هایی که به کلکتور وارد یا خارج از آن می‌شوند حداقل ۱۲ و از طرفین نیز حدود ۸ در نظر گرفته می‌شود. قطر کلکتور نیز از فرمول تجربی زیر تعیین می‌گردد:

که در آن:

قطر کلکتور  ( D –  ( in

قطر لوله های ورودی به، یا خروجی از کلکتور d1 , d2 , d3 – (in)

نکات کلی در طرح سیستم لوله کشی:

۱- جهت سهولت تخلیه آب باید تمام لوله‌های افقی شیب ملایمی بین صفر تا ۳ درصد به طرف موتورخانه داشته باشند، این امر همچنین باعث هدایت هوا به بالاترین. سیستم خواهد شد.

۲- به منظور تخلیه هوای سیستم باید در مرتفع‌ترین قسمت لوله‌ها در موتورخانه، هواگیر نصب شود، شکل زیر یک نوع هواگیر اتوماتیک را نشان می‌دهد. تخلیه هوای هر واحد حرارتی توسط شیر هواجی که در قسمت بالای هر یک از آن تعبیه شده صورت می‌گیرد.

۳- برای جلوگیری از تغییر شکل لوله‌های طویل در اثر انبساط حرارتی، لوله‌های مستقیمی که بیش از ۳۰ فوت طول دارند از وصاله انبساطی یا حلقه انبساطی استفاده نمود.

۴- افزایش طول عمر لوله‌ها و در صورت لزوم سهولت دستیابی به آنها، بهتر است لوله‌هایی که از کف ساختمان عبور می‌کنند از درون کانال مخصوص و لوله‌های عمودی که در داخل دیوار قرار می‌گیرند از داخل یک کانال که با در مخصوصی پوشیده می‌گردد عبور داده شود.

۵- برای اتصال لوله‌هایی از ۱/۲ تا ۲ از وصاله های رزوهی و لوله‌های ۲ به بالا از خم و جوش اتصال فلانجی استفاده شود.

۶- از آنجایی که در سیستم حرارت مرکزی از لوله‌های سیاه استفاده می‌شود باید حتماً آنها را ایزوله نمود تا از یک طرف از تاثیر رطوبت محفوظ بماند و از طرفی تلفات حرارتی آنها به حداقل ممکن کاهش یابد.

۷- پر کردن سیستم از آب بهتر است از طریق دیگ صورت گیرد. این امر باعث می‌شود که همزمان با بالا رفتن سطح آب در سیستم، هوای داخل لوله‌ها به طرف منبع انبساط هدایت شده تخلیه گردد. البته منبع انبساط از طریق شناور خود که با  سیستم لوله کشی آب شهر ارتباط دارد، در طول فعالیت سیستم کاهش آب را جبران خواهد کرد.

۸- در تاسیسات بزرگ بهتر است سیستم لوله کشی ساختمان را به قسمت‌های مختلف تقسیم نمود برای هر قسمت یک پمپ جداگانه در نظر گرفته شود.

۹- منبع دوجداره آبگرمکن را باید حتی المقدور تا ۱.۵ فوت بالاتر از دیگ نصب نمود صورت خاموش بودن پمپ سیرکولاتور، بتواند تحت نیروی ترموسیفون گردش طبیعی در منبع داشته باشد.

جمع بندی مطالب 

طراحی شبکه و سیستم لوله‌ کشی در سیستم‌ های تهویه مطبوع (چه گرمایشی و چه سرمایشی) نیازمند شناخت دقیق انواع سیستم‌ها، نحوه گردش آب، افت فشار، و انتخاب تجهیزات مناسب است. این سیستم‌ها در دو نوع کلی باز و بسته طراحی می‌شوند که بسته به شرایط پروژه انتخاب می‌گردند. در سیستم‌های بسته، معمولاً با استفاده از پمپ یا ترموسیفون، آب به صورت گردشی میان منبع حرارتی و مبدل‌ها حرکت می‌کند.

دو مدل برگشت رایج در لوله‌ کشی شامل برگشت مستقیم و برگشت معکوس است. برگشت معکوس باعث تعادل فشار بهتر ولی هزینه بیشتر می‌شود؛ درحالی‌که برگشت مستقیم از نظر مصالح اقتصادی‌تر است اما نیاز به تنظیم دقیق با شیرهای تعادل‌ساز دارد.

همچنین نوع دیگری به نام سیستم یک لوله‌ای وجود دارد که به دلیل کاهش تعداد لوله‌ها، هزینه کمتری دارد اما عملکرد حرارتی در آن یکنواخت نیست و نیاز به طراحی ویژه برای مبدل‌های دورتر دارد.

برای طراحی دقیق، محاسبات دبی آب، افت فشار، قطر لوله‌ها، و کلکتورها طبق فرمول‌های مشخص صورت می‌گیرد. در این فرایند باید به نکات اجرایی مانند شیب لوله‌ها، نصب هواگیر، عایق‌کاری، و موقعیت مناسب تجهیزات دقت شود تا سیستم در بلندمدت عملکرد بهینه داشته باشد.

سوالات متداول

۱. تفاوت سیستم لوله کشی باز و بسته در چیست؟

در سیستم باز، آب با هوا تماس دارد (مثلاً در برج‌های خنک‌کن) ولی در سیستم بسته، آب در یک مدار کاملاً بسته جریان دارد و تنها در منبع انبساط ارتباط محدودی با هوا دارد.

۲. چرا برگشت معکوس توصیه می‌شود؟

زیرا در این سیستم، فشار و مسیر آب برای تمام مبدل‌ها برابر است که باعث عملکرد یکنواخت و بدون نیاز به تنظیم زیاد می‌شود.

۳. سیستم یک لوله‌ای چه مزایا و معایبی دارد؟

این سیستم هزینه اجرا را کاهش می‌دهد اما دمای آب برای واحدهای دورتر کمتر است و باید از مبدل‌های بزرگ‌تر استفاده کرد.

۴. چه عواملی بر افت فشار در لوله تاثیر دارد؟

افت فشار به سرعت جریان، قطر لوله، طول لوله، زبری داخلی و ویسکوزیته سیال بستگی دارد.

۵. چگونه قطر مناسب کلکتور محاسبه می‌شود؟

قطر کلکتور با فرمول تجربی ریشه دوم مجموع مربعات قطر لوله‌های متصل به آن به دست می‌آید.

۶. چرا باید لوله‌ها عایق‌کاری شوند؟

برای کاهش تلفات حرارتی و محافظت از لوله در برابر رطوبت، به‌ویژه در لوله‌های فلزی که در سیستم‌های حرارت مرکزی استفاده می‌شوند.

۷. نقش هواگیر در سیستم لوله‌کشی چیست؟

هواگیرها در بالاترین نقاط نصب می‌شوند تا هوای محبوس‌شده در سیستم را خارج کنند و از ایجاد اختلال در جریان آب جلوگیری نمایند.

۸. آیا می‌توان از یک پمپ برای کل ساختمان استفاده کرد؟

در پروژه‌های بزرگ بهتر است هر ناحیه پمپ مستقل داشته باشد تا کنترل فشار و گردش آب دقیق‌تر انجام شود.