بهترین تاریخچه برای تهویه مطبوع

ابداع تهویه را نمی توان به تاریخ معینی نسبت داد این صنعت در واقع با تخلیه دود ناشی از آتش داخل خانه های بشر اولیه آغاز گردید و با گذر از مراحل مختلفی شامل سرمایش هوا از طریق یخ ادامه پیدا کرد و درنهایت به جایی رسیده است که تهویه و تهیه مطبوع به عنوان بخشی اساسی و جدا ناپذیر در زندگی ما نقش بسیار مهمی را در تکامل تدریجی بشر ایفا می کند. همچنین تاثیر تهویه و تهویه مطبوع در زندگی روزمره ما انکار ناپذیر است. برخی از نمونه های تاسیسات تهویه مطبوع قدیمی مورد بررسی قرار می گیرند و روش های مختلفی در مورد شیوه های محاسبه سامانه های تهویه بررسی می گردند.
چرا مردم به جستجوی کنترل کیفیت هوای داخلی پرداختند؟ چه مراحلی در تکامل تدریجی تهویه و تهویه مطبوع طی شدند و این تکامل تدریجی چگونه بر زندگی مردم اثر گذاشت؟ و تاسیسات گرمایشی و نهویه و تهویه مطبوع در کجای تاریخچه علم قرار می گیرند؟ ما تلاش داریم تا در این قسمت از تحقیق به این پرسش ها پاسخ دهیم.
ابداع تهویه را نمی توان به تاریخ معینی نسبت داد. اولین تلاش ها در این مورد احتمالا هنگامی انجام شده است که نوع بشر با روشن کردن آتش در مکان زندگی خود متوجه شده است که برای تخلیه دود حاصل از آتش و همچنین تامین هوای مورد نیاز برای روشن نگاه داشتن آتش باید دریچه و روزنه ای را در سقف خانه ایجاد کند. به دلیل اینکه گرمای آتش فضای خانه را به بیش از دمای آسایش مورد نیاز ساکنین گرم می کرد. اساسا آسایش حرارتی با تهویه هوا دارای اتصالی بنیادی بود.
همچنین نیاز به تمیز نگاه داشتن مناسب هوا در مصر باستان موجب گشت که انسان مزایای تهویه هوا را کشف کند. مصریان باستان همچنین مشاهده می کردند که سنگ تراشانی که در محیط های داخلی کار می کردند دارای مشکلات تنفسی بیشتری از سنگ تراشانی بودند که در فضای آزاد به کار می پرداختند. مصریان باستان دلیل شیوع بیماری های تنفسی را میزان بالاتر گرد و خاک فضاهای کاری داخلی می دانستند. این مشاهدات منجر به آن شد که با تعبیه دریچه های اضافی دیگری در درون دیوارها، گردش هوا در فضاهای کاری بهبود یابد. نیاز به استفاده از آتش های خانگی موقتا به وسیله ابتکار گرمایش از کف رومیان باستان از میان رفت، به طوری که در این شیوه محصولات داغ احترق توسط مجاری و کانال هایی از کوره هایی که در اطراف ساختمان قرار داشتند به داخل کف ساختمان و از آنجا به دودکش منتقل می شدند. هنوز هم بقایایی از حمام های رومی وجود دارند که در قسمت های کف این بناها می توانید مجرای هوای داغ را مشاهده فرمایید. این شیوه های گرمایش مرکزی در واقع نشانه ای از ثروت و مقام بالای مالک خانه داشت. از این شیوه (گرمایش از کف) برای گرمایش حمام های رومی خانه ها و ساختمان های دیگر چه عمومی و چه خصوصی استفاده می شده است. در این طرح کف بنا به وسیله ستون های آجری کمی بالا آورده می شد (لایه ای از آجر کاشی و سپس لایه ای از بتن بر روی یکدیگر) و همچنین مجاری در داخل دیوار دود و هوای داغ را از کوره به فضای کف منتقل می کرند و سپس دود را از طریق دودکش هایی به بام ساختمان تخلیه می نمودند.
در قرون وسطی مردم به تدریج متوجه شدند که هوای داخلی ساختمان می تواند به گونه ای منجر به شیوع بیماری در میان ساکنین اتاق های شلوغ گردد. خانه ها و ساختمان های کوچک این دوران توسط اجاق هایی با آتش باز گرم می شدند و غالبا دود ناشی از آتش در فضای خانه منتشر شده و موجب مسموم شدن هوا می شد. در سال 1600 میلادی پادشاه انگلستان چارلز اول فرمان داد که هیچ ساختمانی نباید با ارتفاع سقفی کمتر از 3 متر ساخته شود و به جای زیاد کردن عرض پنجره ها باید پنجره ها را در ارتفاع بالاتری بسازند و هدف از این فرمان در واقع بهبود تخلیه مناسب دود از ساختمان بود.

شکل (1-1) - شیوه گرمایش از کف در نمایی از یک ویلای روم باستان

تحقیقاتی برای بررسی و پاسخ به این سوال آغاز شده است که چه عواملی موجب بروز هوای بد (نا مناسب) می گردد؟ در قرن ۱۷ میلادی آزمایشی بر روی حیوانات کوچکی انجام شد که در داخل بطری های سربسته ای با یک شمع در حال سوختن قرار داده شده بودند. در این آزمایش ها شعله شمع قبل از خفه شدن حیوان آزمایشگاهی خاموش می شد و حیوانات آزمایشگاهی تا نیمی از زمان آزمایش بعد از خاموش شدن شمع نیز زنده می ماندند. نتیجه حاصله از انجام این آزمایشات آن بود که ذرات ناشناخته ای در داخل هوا مسئول مرگ این حیوانات آزمایشگاهی هستند.
100 سال بعد در سال 1775 میلادی شیمی دان فرانسوی آنتوین لاویسایر متوجه شد که این ذرات ناشتاخته در واقع دی اکسید کربن هستند . لاویسایر مطالعات خود را در سال 1777 در مورد اکسیژن و دی اکسید کربن هوای اتاق های پر جمعیت ادامه داد. او نتیجه گرفت که غلظت بالایco2 ( و نه کاهش اکسیژن) موجب حس خفگی و هوای بد می گردد. این فریضه در طول دو قرن بحث و جدال طولانی در مورد حداقل هوای تازه مورد نیاز به ازای هر نفر که شرایط آسایش فضای داخلی را تامین می کند ادامه یافت. برای مدت زمان طولانی دو مکتب فکری مختلف در مورد تهویه به وجود آمدند. معماران و مهندسان بیشتر درگیر تامین شرایط آسایش و رفع بوهای سمی و خطرناک و بررسی اثرات زیان بار کمبود اکسیژن و یا افزایش دی اکسیدکربن بودند و از سوی دیگر پزشکان بیشتر بر روی کمینه سازی انتشار و سرایت بیماری ها تاکید داشتند. این شیوه ها و روش های فکری مختلف موجب طرح توصیه ها و پیشنهادهای مختلفی در مورد نرخ های هوای تازه مورد نیاز شدند.
در سال ۱۸۳۶ میلادی یک مهندس معدن اهل کورنوال توماس ترد گولد برآورد اولیه خود را از مقدار حداقل مورد نیاز هوای تهویه منتشر کرد که این مقدار برابر با m³/h ۲/۷ برای هر نفر بود. بر آورد تردگولد بر مبنای رفع نیاز های متابولیکی انسان انجام شده بود اما در این برآورد نیازهای تهویه هوا برای تامین شرایط آسایش انسان در نظر گرفته نشده بودند. در این مورد مطالعات دیگری در کشورهایی در هر دو سوی اقیانوس اطلس به انجام رسیده اند. در طول جنگ کریمه و چند سال بعد در جنگ داخلی آمریکا مشاهده گردید که گسترش بیماری ها در میان سربازان زخمی بیمارستان های شلوغی که دارای تهویه ضعیفی بودند بسیار شدیدتر و وسیع تر بود. بر اساس این مشاهدات پزشکان هوای تازه ای با نرخ m³/h 50 بر نفر را برای تامین شرایط آسایش توصیه کردند . این مقدار در سال ۱۹۱۴ توسط انجمن آمریکایی مهندسان گرمایش و تهویه (ashve) به عنوان یک قانون الگو پذیرفته و پیشنهاد شد.
به عنوان پیامدی از بحران انرژی و در نتیجه برای کمینه سازی نرخ هوای داخلی ساختمان این قانون نیم قرن بعد از ارایه آن اصلاح گردید. مطالعات اخیری که بطور مستقل در کشورهای آمریکا و دانمارک انجام شده است تایید کرده اند که نرخ هوای تازه m³/h ۲۷ بر نفر حجم کمینه قابل قبول و مورد تاییدی می باشد. جدول اطلاعات شرایط آسایش ساختمان نیز برای انعکاس و واکنش سامانه های گرمایشی – سرمایشی، نوع پوشاک و عادت های معمول زندگی (‌نظیر سیگار کشیدن) را مورد اصلاح و بازبینی قرار داد و در نهایت در سال ۱۹۸۹ به عنوان استانداردashrae/ansi 62-1389 منتشر گردید و این استاندارد هم اکنون به عنوان یک اصل قانونی در اکثر کشورهای جهان مورد پذیرش قرار گرفته است. این قانون در واقع پایانی به تمامی بحث های انجام گرفته در مورد نرخ هوای تازه مورد نیاز برای تامین شرایط آسایش بود. با این وجود این قاعده به هیچ وجه موجب توقف تحقیقات انجام گرفته در مورد جنبه های زیست محیطی تهویه هوا نگردید.
کشف حجم حداقل هوای تازه مورد نیاز برای حفظ شرایط آسایش داخلی موضوعی بسیار مهم بود؛ اما نکته بسیار مهم تر از این مورد آن است که چگونه هوای تازه خارجی را به فضاهای تهویه شده منتقل سازیم. این کار مستلزم تهویه مکانیکی هوا بوده و سپردن مسولیت طراحی و ساخت سامانه های تهویه به مهندسان بود. با وجود اینکه اولین بادزن به عنوان یک بادزدن آبی توسط لئوناردو داوینچی و برای تهویه اتاق همسر یکی از مشتریانش در حدود سال ۱۵۰۰ میلادی ساخته شده بود اما توسعه واقعی این صنعت تا قرن ۱۹ میلادی آغاز نگردید. قبل از این قرن تهویه هوا به صورت طبیعی و از طریق جهت گیری ساختمان و نصب پنجره ها برای دریافت نسیم های باد غالب به انجام می رسید. سقف های مرتفع و راه پله های مرکزی بزرگ و رو باز و گنبدهای تهویه شده ساختمان ها در واقع کمکی به جاذبه (برای تهویه) و مادر طبیعت (به مفهوم استفاده از تهویه طبیعی) بودند.
در واقع تهویه هوا تا اواسط دهه ۱۸۸۰ میلادی (دوره گسترش استفاده از بخار برق) توسعه پیدا نکرد. اولین باد زدن های بخاری بسیار قدرتمند بودند اما وزن آنها گاهی به چند تن می رسید. در این دوره صنعت برق به سرعت در حال پیشرفت بود. در مقایسه بین جریان مستقیم و متناوب برای زمان های بسیار طولانی همگام برای اولین بار بودند که جریان dc گزینه بسیار مناسب تری برای استفاده از سامانه های تهویه می باشد. (سرعت یک موتور را می توان به وسیله ی تغییر ولتاژ کنترل نمود) با این وجود از سال ۱۸۸۷ میلادی و بعد از اختراع طرح های الکتریکی ac نیکولا تسلا ودر سایه ورود موتورهای چند فازه به بازار استفاده از جریان ac در صنایع hvac و سرد بازی بسیار رایج گشت . مطالب ارائه شده در این بخش در واقع چگونگی ورود تهویه هوا به زندگی روزمره ما را نشان می دهند .
تهویه هوا
انسانها موجودات خنده داری هستند. هنگام گرمی هوا به دنبال سرما می روند و هنگام سردی هوا به دنبال گرما. همواره آن چیزی را می خواهند که ندارند. پس انسانها موجودات خنده داری هستند.
یکی از پیشتازان عرصه سرمایش و تهویه مطبوع ویلیس کریر اظهار می دارد که توسعه تهویه مطبوع در واقع نتیجه طبیعی ذهن های مشغول و با هوشی است که در هدف بهبود شرایط هستند. ما از قبل می دانیم که نیروی محرکه اصلی توسعه تهویه در واقع تاثیر کیفیت هوای داخلی بر شرایط آسایش و سلامت افراد می باشد. مردم فهمیده اند که نه تنها هوای تازه بر روی شرایط آسایش آنها تاثیر گذار است بلکه می توان با جستجوی راه های متفاوت کنترل عوامل دیگر طبیعی، از شرایط محیط خارج ساختمان مستقل شد. در واقع این مسیر است که منجر به تولید تهویه مطبوع به عنوان یکی از شاخه های علمی معاصر گشت . اصول و قواعد تهویه مطبوع در واقع کنترل دما، رطوبت، خلوص و پاکی هوا و همچنین حرکت و انتقال هوا به یک فضای بسته مستقل از شرایط محیط خارجی می باشد.
قدمت جستجو و پژوهش در مورد شرایط آسایش به تاریخ نسل بشر بر می گردد . از 100.000 سال قیل و شاید قبل تر، آتش برای گرمایش مورد استفاده قرار می گرفت. اما شرایط سرمایش چطور؟ زمان آغاز دوره سرمایش آسایش در حاله ای از ابهام قرار دارد و تنها می توانیم به اسناد منتشر شده در مورد تاریخچه سرمایش اتکا کنیم. به این که تا قبل از قرن نوزدهم وجود هیچ سامانه ای سردسازی (تبرید) مکانیکی گزارش نشده است. تمام تلاش های انجام گرفته برای سرمایش مصنوعی هوا به استفاده از یخ، برف، و آب خنک و یا سرمایش تبخیری بر می گردد.
یکی از قدیمی ترین اسناد، انجیل می باشد که در بخشی از آن نوشته شده است: خنکی برف در گرمای برداشت محصول. همچنین اسناد پراکنده ای در مورد استفاده مردمان عصر باستان از یخ و برف برای سرمایش وجود دارد. برای مثال، امپراطور روم واریوس آویتوس دستور داد که تا برف را از کوهستان بیاورند و از پشته هایی در باغ آن بسازند تا نسیم و جریان طبیعی با گذر از توده های برف خنک شود.
یک روش قدیمی سرمایش هوا در کشور هند این بود که تشک هایی از چمن مرطوب را بر روی پنجره ها قرار می دادند و از تبخیر آب درون آنها، هوای ورودی به ساختمان خنک می شد. نمونه های دیگری نیز ( که اکثرا ثبت نشده اند) بطور پراکنده و در طول قرن های مختلف مورد استفاده قرار گرفته اند. با این وجود تا دهه ۱۸۰۰ میلادی کار زیادی در حوضه سرمایش آسایش انجام نشده بود .
اختراع بادزن برقی تسلا در سال ۱۸۸۲ به عنوان اختراع بسیار مهمی در بهبود شرایط آسایش مردم در طول شرایط آب و هوایی گرم بوده است. با این وجود این اختراع محدودیت های روشنی را در سرمایش موثر فضاهای داخلی نشان می داد. در نهایت یک باد بزن برقی تنها قادر بود تا با افزایش انتقال حرارت همرفتی از بدن انسان موجب حس خنکی ۷ تا ۸ درجه ای گردد و از این جهت بسیاری از افراد به طور هوشمندانه ای با قرار دادن یخ در مقابل بادزن موجب سرمایش بیشتر هوا می شدند. در واقع پزشکان از بادزدن های بخاری (راه انداری شده توسط بخار) و ۲۰ تن یخ برای سرمایش اتاق خواب رئس جمهور آمریکا جیمز گارفیلد در ماه های تابستانی سال ۱۸۸۱ استفاده کردند. می توان گفت توسعه تهویه هوا با تولد سرد سازی آغاز شد. تاسیسات سرد سازی اولیه غالبا برای درست کردن یخ و به عنوان جایگزینی برای یخ طبیعی اکتسابی از دریاچه یخ زده مورد استفاده قرار می گرفتند. این دستگاهای سرد سازی توسط موتورهای بخار راه اندازی می شدند و در نتیجه اکثرا در تاسیسات صنعتی مورد استفاده قرار می گرفتند. یکی از قدیمی ترین دستگاهای سردسازی تراکمی بخاری موفق توسط چالرز تلیر و در کشور فرانسه ساخته شده است. در دهه ۱۸۷۰ میلادی پیشرفت های مهمی توسط دیوید بویل به وسیله ساخت دستگاه یخ سازی با استفاده از آمونیاک، و همچنین توسط رائول پیکتت با ساخت دستگاه یخ سازی با استفاده از دی اکسیدسولفور به وجود آمدند.
با وجود این که در سال های قبل از ۱۹۲۰ میلادی، سرمایش آسایش به ندرت در خانه های شخصی ایالات متحده آمریکا مورد استفاده قرار می گرفت، سرمایش آسایش به عنوان صنعتی با رشد پایدار در حوزه بازارهای تجاری، فرهنگی و صنعتی در حال پیشرفت بود. بر طبق تجربیات ویلیس کریر ، تا سال ۱۹۱۱ صنعت تهویه مطبوع خودش را به عنوان صنعتی با ارزش اقتصادی بزرگ در لیتوگرافی، تولید آب نبات، نان، مواد منفجره و فیلم های عکاسی و خشک کردن و آماده سازی مواد حساس در برابر رطوبتی نظیر تنباکو و ماکارونی معرفی کرده بود. در این زمان در چند شاخه صنعتی به کنترل رطوبت فضاهای داخلی توجه ویژه ای معطوف گردید و در نتیجه موجب گسترش این علم به عنوان بخشی از مهندسی تهویه مطبوع شد. در این زمان با وجود استفاده از تهویه مطبوع برای کسب اهداف و الزامات فنی (نظیر خشک کردن تنبا کو و غیره) همچنین مشاهده می شود کارگران کارخانه های دارای سامانه های تهویه مطبوع دارای بهره وری و آرامش و راحتی بیشتری هستند و همچنین تمایل آنها به غیبت کردن نیز کم تر است. اولین برخورد اکثر آمریکایی ها با تهویه مطبوع در سینماها و تئاتر ها، و در طول دهه های ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ شکل گرفت. در طول این سال ها اکثر تئاترهایی که فاقد تهویه مطبوع بودند در طول ماه های فصل تابستان تعطیل می شدند. و در این هنگام متصدیان تئاتر دریافتند که می توانند با نصب تجهیزات تهویه مطبوع هزینه این تجهیزات را تنها در طول یک تابستان جبران کنند. بعد از جنگ جهانی دوم تهویه مطبوع شرایط آسایش به شدت رواج یافت و همچنین قیمت آن نیز برای استفاده اقشار متوسط جامعه کاهش یافت و تبلیغات سیستم های مطبوع از مجلات بازرگانی کشاورزی و مهندسی به سمت مجلات رایج و مطلوب آن زمان راه پیدا کرد. همچنین تهویه مطبوع با کسب مقبولیت عمومی در مسیر تبدیل شدن به یک دستگاه و وسیله متداول و نه تنها یک ابزار تجملی قرار گرفت. در اواسطه دهه ۱۹۳۰ میلادی ، اولین کولرهای بوفه ای به عنوان بخشی از اثاثیه منازل نظیر رادیو به خانه های مردم راه پیدا کردند. تحریم نفتی ۱۹۷۴ آمریکا توجه همگانی را به سمت مصرف انرژی سوق داد. سامانه های تهویه مطبوع باید به گونه ای طراحی می شدند که بتوانند توازن مطلوبی را بین آسایش حرارتی، کیفیت هوا و مصرف انرژی برقرار سازند. ساخت تاسیساتی با هزینه های عملیاتی پایین مهم ترین دغدغه مهندسان آن زمان به حساب می آمد. در این زمان روش های جدیدی برای بازیابی انرژی حرارتی ابداع شد. در نتیجه علاقه مجددی به ذخیره انرژی در دوره های زمانی غیر اوج به وجود آمد. برخی از این سیستم ها با استفاده از فناوری بانک های یخی طراحی و ساخته می شدند، بطوری که با استفاده از این سامانه ها، در طول شب یخ مورد نیاز تولید می شد و سپس در طول روز این یخ برای سرمایش فضاهای داخلی استفاده می گردید. پیشرفت دیگری در این مورد استفاده از پمپ های حرارتی با منابع انرژی دما پایین ارزان برای گرمایش نواحی مورد تهویه بوده است. تمام چنین دست آورد هایی موجب گردید که تهویه هوا بیش از پیش به عنوان صنعتی نوید بخش و جذاب برای سرمایه گذاران تبدیل گردد. اواسط دهه ۱۹۷۰ میلادی زمانی بود که توجه خاصی به موضاعات زیست محیطیمعطوف گردید و مشخص گردید که استفاده از مبردهای خاصی نظیرcfc ها و h-cfc ها میتوانند به طور شدیدی لایه ی اوزن را به مخاطره بیندازند. در نتیجه برخی از جنبش های بین المللی مسئولیت کاهش انتشار این مواد شیمیایی به داخل جو زمین را بر عهده گرفتند. این فعالیت ها موجب پژوهش جدیدی برای جایگزینی مبردهای زیان بار به کار رفته در تجهیزات تهویه مطبوع گردید و هنوز هم این تحقیقات توسط بسیاری از مهندسان در حال انجام می باشد. توسعه های اخیر در زمینه علوم الکترونیک منجر به پیشرفت عمده ای در کنترل سامانه های تهویه مطبوع شده است. بطوری که این روزها کنترل دستگاهای تهویه مطبوع همگی برنامه پذیر بوده و مطابق با نیاز های مصرف کننده قابل تنظیم می باشد. امروزه می توان چند منطقه از یک ساختمان را تنها با استفاده از یک کنترل و با قابلیت دسترسی از راه دور و از طریق خط تلفن و بستر اینترنت کنترل کرد. تهویه مطبوع تاثیر قابل توجهی را در شکل گیری خانه ها و شهرهای ما داشته است. مانند اکثر فناوری های پیش رفته دیگر، این فناوری نیز دارای حامیان و مخالفانی می باشد. با این وجود باید بدون هیچ پرسشی بپذیرم که امروزه تهویه مطبوع در بسیاری از کشورها مورد استفاده قرار می گیرد. ولی به نظر می رسد که در این زمینه اروپا کمی عقب تر از کشورهایی نظیر ژاپن و آمریکا که تقاضای انرژی سرمایشی بالاتری از تقاضای گرمایشی دارند می باشد. امروزه بسیاری از مردم می توانند به وسیله ساختمان ها، اتوموبیل ها، هواپیما ها و یا دفاتر کاری دارای تهویه مطبوع و صنایع که در سایه تلاش های افراد بی شمار شاغل در این زمینه و صنایع وابسته به آن تولید شده اند، در شب های گرم تابستانی به راحتی بخوابند و در طول روز احساس شادابی و نشاط کنند .