رشد روز افزون استفاده بی رویه منــــابع مختلف انـــرژی در این عصر حاضر یکی از معضلاتی است که جامعه بشـری بـه آن مبتلا اسـت . و با گـذشت زمان منـابع مختلف انـرژی از بین می رود بـرای کنترل بهـینه مصـرف انرژی امـروزه تدابیر مختلفی اندیشیده شده است ، که از آن جمله می توان به سـیستـم های کنـترل روشـنایی ، تهـویه مـطبوع ، کنترل تردد ، اعلام حریق و … اشاره نمود که هر کـدام به نوعی در جهـت کاهش انـرژی مـوثـر اسـت . در ایـن مـقالـه سعی شـده اسـت در خـصوص سیستم های موثر در کنترل HVAC به چالش کشیده شود و طبق استاندارد Ashrae – ۱۳۵ مواردی عنوان گردد.



گرمایش ، هوا رسانی ، تهویه مطبوع
در ایـن مـقـاله به تشـریح سـیستم های کنترل HVAC و بحث و بررسی خصوصیات و مولفه های سیستم های کنترل خودکار می پردازد . یک سیستم کنترل HVAC که درست و دقیق طراحی شده باشد قادر است مزایای زیر را در اختیار قرار دهد :

  • یک محیط آرامش بخش برای ساکنان
  • بهینه سازی هزینه و مصرف انرژی
  • بالا بردن بهره وری کارکنان
  • کنترل دود در مواقع بروز حریق
  • پشتیبانی از عملیات های کامپیوتر و دیگر تجهیزات مرتبط

کنترل های اساس صحت عملکرد سیستم بوده و باید تا حد ممکن در ابتدای فرآیند طراحی ، مد نظر قرار گیرند . کنترل های خود کار که به درستی اعمال شده باشند ، می توانند :

  • عملکرد سیستم HVAC را بهینه کنند .
  • خروجی سیستم HVAC را د ر واکنش به شرایط گوناگون فـضاهای سـرپوشـیده و باز تنظیم کند.
  • شرایط رفاه عمومی را در محیط های اداری حفظ نماید .
  • محدوده دقیق دما و رطوبت را در محوطه های تولید که در آنها ، رعایت این حدود به جهت کنترل محصول ضروری است فراهم سازند .
  • بـرای کاهـش میزان مصرف در فـضاهای خالی ، دما و فشار را به طور خودکار تنظیم کنند.
  • بـرای تـامـین شـرایط رفـاهـی و در عـین حـال مـحدود سـاختن مـصرف انـرژی ، گرمایش و سرمایش را تنظیم کنند.

کـنترل هـای خـودکار معمـولا بـه شکل پیکر بندی ستاره ای یا خطی از یک تابـلوی کـنترل سـیسـتم ( مانند کنترل کننده ) کابل کشی شده و هـرگاه لازم باشـد ، که وضعـیت متغیری کنترل شود ، مورد استفاده قرار میگیرند . در سیستم های HVAC معمول ترین شرایط کنترل شده عبارتند از :

  • فشار
  • دما
  • رطوبت
  • سرعت عبور جریان

به غـیر از کـنترل های خـودکار ، می تـوان از کـنترل هـای محـدود کـنـنده بـرای تـضمـین ایمـنی عملکرد تجهیزات سیستم HVAC استفاده کرد و به این ترتیب از مجروح شدن پرسنل و وارد آمدن خسارت به سیستم ، جلوگیری نمود .




نمونه ای از کنترل های محدود کننده عبارتند از :

  • کنترل کننده های دمای حـد پایین که از یخ زدن کوئل ها یا مـبدل های حرارتی جلوگیری میکنند.
  • حس گرهای جریان برای عملکرد ایمن برخی از تجهیزات ( مانند چیلرها )

یک سیستم کنترل خودکار ، بر حسب نوع منـبع انـرژی و نـوع سیگـنال کنـترلی ( مثـلا آنالـوگ یـا دیجیتال ، ورودی یا خروجی )که جهت انجام وظایف خود مـورد استفاده قرار می دهد ، طبقه بندی می شود مـتداول تـرین اشـکال انـرژی بـرای سـیسـتم های کـنترل خـودکار ، بـرق و هـوای فـشرده ( مانند پنوماتیک ) هـستند.سـیستـم ها مـمکن اسـت یک یا هـر دو شکل انـرژی را شامل شوند . لذا دوباره بر اساس روش های کنترلی زیر طبقه بندی میشوند :

  • کنترل بادی ( پنوماتیک )
  • کنترل برقی ( مانند الکترو مکانیکی )
  • کنترل الکترونیکی
  • کنترل دیجیتال مستقیم (DDC ) مبتنی بر ریزپردازنده ها

توجه : سیستم های کنترل پنوماتیک ، فشار متغیر هوای ورودی از حس گر به یک کنترل کننده را مورد استفاده قرار می دهند که ایـن کنترل کننده نیز به نـوبه خـود ، سیگنال خـروجی پنوماتیک را برای عنصر کـنترل نهایـی تـولید مـیکند. سـیسـتم های پـنوماتیک ، الکترومکانیکی والکترونیکی ، وظایف و مراحل کنترل از پیش تعیین شده و محدودی را انجام می دهند .
کنترل کننده های مبتنی بر ریزپردازنده ،از DDC برای مجموعه وسیعی از مراحل کنترل استفاده میکنند و معمولا برای کاربردهای HVAC و EMS در ساختمان های امروزی به کار می روند.
هنگام استفاده از DDC ، واحد ریزپردازنده موجود در کنترل کننده ، پردازش مراحل کنترل را بر عهده میگیرد . از این رو ، واژه دیجیتال در کلمه DDC ، اشاره به پردازش دیجیتالی داده ها دارد.
از آنجا که تقریبا تمام ورودی های حس گر و اغلب دستگاه های خروجی آنالوگی هستند،برای پذیرش سیگنال از این دستگاه ها مبدل های نوع آنالوگ / دیجیتال (A/D) و دیجیتال / آنالوگ (D/A) در کنترل کننده های مبتنی بر ریزپردازنده جای داده می شوند.
سیستم های کنترلی HVAC را می توان با سیستم های SAC( سیستم ایمنی و کنترل دسترسی )، سیستم های FA ( اعلام حریق ) سیستم های کـنـترل روشـنایی و سـیسـتم های مدیریت ساختمان و تاسیسات نیز یکپارچه کرد تا بر رفاه ، ایمنی و بهره وری ساختمان افزوده شود . دیگ های بخار ، پمپ ها و چیلرها را در یک موتورخانه ، اغلب روی یک سطح پایین تر قرار می دهند.
در مجتمع های ساختمانی بزرگ ، برج خنک کننده معمولا روی بام یا هم سطح زمین ، در خارج از ساختمان و در نزدیکی موتورخـانه مرکزی قـرار داده می شود . سـاختمان های بزرگ ، اغلب دارای سیستم های مجزا برای گروهی از طبقات یا نواحی مختلف ساختمان هستند.




توجه : برج خنک کننده بیشتر روی بام یا هم سطح زمین در خارج از ساختمان ، در خط برگشت آب سرد شده قرار داده می شود تا قبل از برگرداندن آب به چیلر ، دمای آب را بگیرد.
هر سیستم HVAC باید منطبق با پارامترهای زیر طراحی شود :

  • ملزومات ظرفیت
  • ترکیب قابل قبولی از هزینه نصب اولیه و هزینه های عملیاتی
  • قابلیت اطمینان سیستم
  • فضای موجود برای تجهیزات

سیستم HVAC اساسا با رسانیدن آب سرد شده یا داغ از طریق لوله های انتقال به کوئل ها و از آنجا توزیـع هوای گرم یا سـرد از میان شبـکه داکت ها به کل ساخـتمان توسط فن های تعبیه شده ، محیط مطبوعی را در داخل ساختمان فراهم می سازد . هم چنین لازم است کـه هـوای بیرون نیز از طریق مرطوب کننده ، به داخل شبکه داکت ها کشیده شود و ایـن کار بستـه به دمای هوای بیرون و شرایط خاص تهـویه در داخل ، متغـیر اسـت . هـوای بـرگشتی نیز بـسته به دمایی که دارد ، ممکن است به نحوی با این سیستم ترکیب شده و سپس به فضای کار انتقال داده شود .
پمپ ها ، آب سرد شده یا داغ را انتقال داده یا برمیگردانند . برج های خنک کننده ، در خط برگشت سـیستـم چیلر قـرار داده می شوند تـا گرما را از آب گرفته و به این ترتـیب عملکرد چیلر را بهتر و اثربخش تر کنند . هوا نیز از طریق شبکه داکت های برگشتی ، به مرطوب کننده های بیرونی تخلیه می شود تا کیفیت خوب هوا حفظ شود .
توجه :واحد هوا ساز ( AHU ) معمولا حاوی اکثریت نقاط کابل کشی شده برای سیستم HVACاست و امکان دارد برای فرآوری آب سرد و آب گرم چندین طبقه داشته باشد .
AHU ها را می توان در مکان های زیر قرار داد :

  • بر روی بام
  • در محدوده فضای کار ( مثلا موتور خانه ، فضای سقف )
  • در محدوده فضای کاری که به چند طبقه سرویس می دهد
  • به صورت ترکیبی از پشت بام و واحدهای هر فضا

هنگام برنامه ریزی سیستم توزیع کابل کشی مخابراتی برای سیستم HVAC ، لازم است طراح با مشتری ویا فروشنده BMSدر موارد زیر همکاری کند :

  • شناسایی نوع سیستم کنترلی که قرار است استفاده شود ( برای مثال پنوماتیک ، DDC )
  • شناسایی مکان تجهیزات مکانیکی BMS ( مانند گرداننده های هوا ، چیلرها ، بویلر ها ، پمپ ها ، برج های خنک کننده ، کمپرسور ها ، دریچه ها )
  • شناسایی مکان های استقرار کننده BMS
  • شناسایی مکان سیستم BMS ( برای مثال فهرست نقاط ورودی / خروجی آنالوگ و دیجیتال)
  • تعیین احتمال و محل کاربرد محفظه های هوا با ظرفیت متغیر ( VAV)

سیستم مدیریت انرژی (EMS )
سیستم مدیریت انرژی ( EMS) ضمن فراهم ساختن محیطی امن و مطبوع برای ساکنان ساختمان ، هزینه های انرژی یا برق را کاهش می دهد .
برخی راهبرد های رایج در کنترل ونظارت بر مصرف نیرو عبارتند از :

  • زمان بندی ( بـرای مـثال زمـان بـندی بـر حـسـب ساعـتی از روز یـا بـه صـورت از پیش برنامه ریزی شده )
  • قـطع جـریان در هـنگام اوج تـقاضا ( مـثل کنـترل مـتغیر یـا متناوب برای به حداقل رساندن تقاضای انرژی )
  • رویداد فعال کننده کنترل ( مانند واکنش های از پیـش بـرنامه ریـزی شده به برخی مجموعه شرایط معین )
  • نظارت بر مصرف و تقاضای انرژی
  • شروع به کار ، از کار ایستادن بهینه و کارآمد تجهیزات

برای درک عمیق اینکه EMS چگونه می تواند هزینه های انرژی را کاهش دهد، نیاز به اطلاعات اولیه راجع به نرخ های برق است . اغلب شرکت های برق صورت حساب های ماهانه را که برای کاربران تجاری می فرستند ، بر مبنای دو پارامتر محاسبه میکنند :

  • مصرف ( مثلا کیلو وات ساعت (KWH) )
  • تقاضا (مانند کیلو وات (KW) )

عنصر اول یعنی هزینه مصرف مبتنی بر مقدار کل برق مصرفی طی دوره ماهانه صـدور قـبـض برق است . هزینه مـصرف بـا در نـظر گـرفتن تعـداد کیلو وات ساعت (KWH) مصرفی در ماه و ضرب آن در نرخ برق که به واحد ریال برای هر کیلو وات ساعت است ، محاسبه می شود .
برای مثال اگر یک ساختمان تجاری ، ماهانه ۱۰۰۰۰ کیلو وات ساعت برق مصرف کند و نرخ برق ۷۳۰ ریال به ازای هر کـیلو وات سـاعت بـاشد ، مـبلغ پـرداختی ماهانـه برای این مصرف ، ۷۳۰۰۰۰۰ریال خواهد بود.
عنصر دوم تعیین مبلغ قبض برق واحد تجاری ، هـزینه تـقاضا است تـقاضا عـبارت از حـداکثر نرخ مصرف انرژی برق است . اغلب شرکت های برق ، تقاضا را با اندازه گیری برق در حال مصرف طی هر ۱۵ دقـیقه در کـل دوره ماهانه صدور قـبض ، محاسـبه می کنند. بالاترین مقدار اندازه گیری شده در فواصل زمانی ۱۵ دقیقه ای ، تعـیین کنـنده کیلو وات (KW) اوج اسـت که شرکت برق از آن برای صدور قبض برق استفاده میکند .
اغلب شرکت های برق مبالغ جانبی دیگری هم طلب میـکنند ، از جملـه هزینـه تنظیـم سـوخت ،مبالغ اضـافه بها و مالـیات ها که مـبالغ مـذکور هـم به نـرخ های اولـیه بـرق اضافه می شوند .راهبردهای EMS اگر به دقت برنامه ریزی شده باشند ، میتوانند هر نوع هزینه انرژی را کاهش دهند چون قادر به کاهش هر دوی تقاضا و مصرف هستند. درراستای رسیدن به این هدف کنترل کننـده هـای مـبتنی بر ریز پردازنده ، می توانـند وظایف کنترل ، نـظارت و مـدیریـت انـرژی در کـنتـرل کـننده در هـم آمیخته وامکان به اشتراک گذاشتن حس گروفایل های داده ونیزهماهنگی برنامه ها را فراهم کنند تا :

  • کارآمدی سیستم HVACبیشتر شود .
  • راهبردهای کنترل روشنایی پیاده شوند.
  • مدیریت نگهداری و برنامه زمان بندی یکپارچه شوند.

توجه : در اغلب ساختمان ها ی متوسط تا بزرگ ، مدیریت انرژی بخش جدا نشدنی سیستم HVAC اسـت کـه در آن کـنترل بـهـینه شـده در سـطح سـیستم انجام میگـیرد و اطلاعات مدیریتی و دسترسی کاربر از سوی میزبان BMSتامین می شود .نقاط مخصوص رله های ولتاژ پایین ، علاوه بر داشتن نقـاط کابـل کـشی شـده مـرتبط با تـجهیـزات HAVCو فـضاهای کاری برای کنترل مصرف انرژی ، ممکن است بـخشی از مـرکز کـنترل مـوتوری (MCC) باشند که اغلب در اتاق اصلی برق قرار داده می شوند.
بهبود کارآمدی سیستم گرمایش ، هوارسانی و تهویه مطبوع (HVAC) مبتنی بر ریز پردازنده است . تـوابع EMS با نـقاط و شـبه نـقاط کابـل کشـی شـده آنـالوگ / دیجیتال ، ورودی ها /خروجی ها پیاده می شوند،نقاطی که به طریق زیر قابل توسعه اند :
دسـتورات کـامپـیوتـری کـه عـملیات خاص DDC را کـه بـایـد در کـنـترل کننده اجرا شوند ، تعریف میکنند.
توابع ریاضی
مقادیر ساعت زمان
زیر سیستم های جداگانه برنامه
توجه : سیستم های مدیریت انرژی برای ساختمان ها ، حدود ده سال پیش از DDC معرفی شدند. این سیـسـتم های عـرضه شـده قـبل از DDC معـمولا دارای مـعماری دیجیتال و متشکل از یک کامپیوتر مرکزی بودند که در بردارنده راهبردهای نـظارت و کـنترل و کنترل کننده های راه دور بودند که با سیستم های کنترل پنوماتیک محلی ، برق و الکترونیک ، از طریق واسطه ارتباط برقرار میکردند.
شبکه ای از کنترل کننده های مبتنی بر ریزپردازنده ، این اطمینان را بوجود می آورد که تجهیزات HVAC با حد اقل هزینه کار میکنند و دماها تحت کنترل قرار میگیرند تا حداکثر کارایی در محدوده مرزهای رفاه و آسایش تعریف شده و توسط کاربـر حاصـل آیـد . راه بـردهای انـرژی ،کل تاسیسات مکانیکی را در بر گرفته و ارتـباط با دیگـر سیسـتـم های BMS برقرار کرده و ارتـباطات شـبکه را ضروری میکنند. تراز کردن بار و کنتــرل تقــاضا ، هـمراه با راه انـدازی و بارگـزاری تاسـیـسـات مرکزی ، بر مبنای تقاضای سیستم های تنظیم هوا ، هماهنگ سازی سیستم های پیوسته و دائمی را ایجاب میکنند.
از جمله وظایف میزبان BMSمدیریت انرژی HVAC عبارتند از :

  • نظارت – ثبت میزان کارایی
  • نظارت – ثبت میزان مصرف انرژی
  • گزارشاتی از مصرف انرژی
  • مصرف انرژی بر حسب منبع و دوره زمانی
  • واکنش های به موقع ، دماها ،میزان کارایی از لحاظ سیستم ، ساختمان و محوطه
  • منحنی گرایش ها
  • دسترسی به راه بردهای مدیریت انرژی برای تنظیم و سازگاری دائمی با نیازهای در حال تغییر
  • جداول زمانی حضور ساکنان در ساختمان
  • دماهای حد آسایش
  • تنظیمات پارامتری ( مثل بهره تقویت کامل ) حلقه های DDC
  • تنظیمات چینش نقاط
  • فشارهای استاتیک داکت
  • تنظیمات دمای اتاق
  • مقادیر جایگزین و تبدیلی صرفه جویی کننده
  • دماهای آب و جداول و برنامه ریزی های زمان بندی
  • اصلاح و افزودن بر برنامه های DDC

خلاصه ای از برنامه های EMSبا امکان یکپارچه سازی درون کنترل کننده های مبتنی بر ریز پردازنده به قرار زیر است :
شروع بهینه – با محاسبه نحوه حصول دمای آپارتمان در آغاز روز ، زمان فعالیت HVAC را به حداقل می رساند (مثلا شروع کار را تا حد امکان به تاخیر می اندازد ).
توقف بهینه – با محاسبه طول مدت زمانی که انرژی ذخیره شده می تواند دمای آپارتمان را در پایان روز حفظ کند. زمان فعالیت HVAC را به حداقل می رساند . ( برای مثال قبل ازموعد ترک محل ، تجهیزات را خاموش میکند ).
چرخه شبانه – با بستن دریچه تنظیم هوای بیرونی و به جریان انداختن واحد تنظیم و جابه جایی هوا ،یک حد بالا یا پایین دما را طی اوقات عدم حضور ساکنان ساختمان حفظ میکند.
تصفیه شبانه – در شب ،از هـوای خـنک بـیـرون بـرای خـنـک کـردن ساختمان قـبل از روشن شدن دستگاه مکانیکی خنک کننده استفاده میکند .
مقدار گرما – منبع هوا را به صورت ترکیبی از هوای برگشتی و بیرونی انتخاب میکند که مستلزم کمترین مقدار کاهش حرارت برای تولید سرما می باشد .
تنظیم مجدد بار- تنظیم می کند که تنها حداقل مقدار انرژی سرمایشی یا گرمایشی را برای برآورده ساختن الزامات بار استفاده کند .
باند انرژی صفر – یک باند انرژی مرده را در اختیار می گذارد که در آن هیــچ یـک از دوانرژی سرمایشی و گرمایشی استفاده نمی شود (مثل دمای فضا که بین مقادیر حداقل و حداکثر شناوراست).
تقاضای انرژی توزیع شده – بر تقاضای برق نظارت کرده و تقاضا ها را با قطع جریان برخی از خطوط دارای اضافه بار با کنترل کننده ها به اشتراک می گذارد.
مدیریت و زمان بندی نگهداری
مدیریـت و زمان بـندی نـگهداری تجهیـزات مکانـیکی و الکتـریکی بـا تضـمین عـملکرد مقرون به صرفه تجهیزات ، نه تنها در مصرف انرژی صرفه جویی میکند ،بلکه ضمن فراهم آوردن محـیطی امـن بـرای کـارگـران ،از بـیکاری تجهـیزات نـاشـی از خـرابـی جلوگـیری می کـند . کار نگهـداری تجهیزات را می توان با توجه به اطلاعات مربوط به سوابق قبلی یا توصیه های سازنده ، در فواصل منـظـم زمان بـندی کـرد یا اینکه می تـوان تـجهیـزات را تـحت نظارت و کنترل گرفت تا شرایط کار غیرعادی تعیین شوند . هنگام تصمیم گیری در مورد اینکه آیا لازم است تجهیزات را تحت کنترل و نظارت قرار داد یا خیر ، بین این هزینه (کنترل و نظارت بر تجهیزات )و موارد زیر ، مقایسه ای به عمل آید :

  • مقدار بالقوه صرفه جویی درانرژی ناشی از تجهیزاتی که به نحو بهینه کار میکند .
  • هزینه ضمنی برای تمدید ، احتمالی عمر مفید تجهیزات (برای مثال : مقدار صرفه جویی در قیاس با برتری و ترجیح تعویض بر نگهداری )
  • هزینه تعمیر تجهیزات معیوب یا دارای عملکرد نادرست
  • خطرات ایمنی ایجاد شده توسط تجهیزاتی که درست کار نمیکنند.

چالش کنترل و نظارت بر تجهیزات ، کم کم در حال یافتن خصوصیاتی است که در صورت خوب کار نکردن دستگاهها ،هشدارهایی را اعلام خواهند کرد و سپس گستره عملیاتی قابل قبول را تعیین میکند که هشدارهای قابل اطمینانی را ارائه خواهنـد داد از جمـله شاخـص های قـابـل انـدازه گـیری تجهیزات که اختلالات احتمالی در عملکرد را ممکن است با سیگنال خاصی نشان دهند عبارتند از :

  • دما
  • لرزش
  • فشار
  • مصرف انرژی

فضاهای کاری را نیز می توان با ارزیابی پارامترهای زیر وبا هدف تعیین صحت عملکرد تجهیزات HVAC تحت نظارت و کنترل در آورد :

  • دما
  • کیفیت هوا
  • رطوبت
  • مصرف انرژی

برنـامه بـهینه سازی مصـرف انـرژی مـی تـوانـد اغلب به یک سیستم منفرد اخـتصاص داده شـــود . خصوصا ، اگر تــنظیمات معمــولی اعمال نـشود ، آنگاه نقش های ضروری را می توان مستقیما به DDCهای سیستم برنــامه ریزی کرد . آنگاه برنامه ها را می تـوان برای اجرای این نقش ها به طور خود کار باقی گذارد و تنها نیازاست زمانی مجددا برنامه ریزی شود که تغییرات ساختاری درسیستم ایجاد شود.