مقدمه
هدف از این مقاله، بررسی اصول طراحی سیستمهای مدار اولیه و ثانویه و تشریح روشهایی است که در آن سیستمهای با راندمان بالا میتوانند به کاهش مصرف انرژی و بهبود شرایط زیستمحیطی کمک کنند. این بهبود از طریق کاهش آلودگی و پایین آوردن سطح انتشار گازهای گلخانهای که عامل اصلی گرمایش زمین هستند، محقق میشود.

پیشزمینه
جوامع مدرن به طور فزایندهای در حال توسعه و شهرنشینی هستند. همزمان با این روند، آگاهی جهانی نسبت به تاثیرات مخرب زیستمحیطیِ توسعهی شهری بر روی کره زمین افزایش یافته است؛ وضعیتی که چالشهای پیچیده و به هم پیوستهای را به وجود آورده است.
در اقتصادهای در حال توسعه، تهویه مطبوع که در گذشته به عنوان یک امکان لوکس و تجملاتی شناخته میشد، اکنون به دلیل تغییرات اقلیمی به یک ضرورت غیرقابلانکار تبدیل شده است. امروزه افراد در زندگی روزمره خود به سیستمهای تهویه مطبوع وابستهاند و انتظار دارند همان سطح از آسایش حرارتی که در محیطهای مختلف تجربه میکنند را در تمامی فضاها داشته باشند. همانطور که میدانیم، تهویه مطبوع معمولاً پرمصرفترین بخش از نظر مصرف انرژی در یک ساختمان تجاری به شمار میرود.
با توجه به معضل گرمایش جهانی و کاهش مستمر منابع انرژی، طراحی سیستمهای تهویه مطبوع با بهرهوری انرژی بالا، برای هر طراح تاسیساتی از بالاترین درجه اهمیت برخوردار است؛ چرا که این امر تاثیر بسیار چشمگیری بر هزینههای جاری و عملیاتی ساختمان در طول زمان بهرهبرداری آن دارد. دستیابی به این هدف نیازمند یک رویکرد طراحی جامع است که شامل مواردی نظیر: موقعیت ساختمان، انتخاب شیشههای نما، مصالح ساختمانی، سایهبانها، سیستم روشنایی و در نهایت سیستم تهویه مطبوع و تجهیزات وابسته به آن میشود.
ویژگیهای یک موتورخانه با راندمان بالا
یک موتورخانه کارآمد، دارای ویژگیهای اساسی زیر است:
- طراحی کارآمد: انتخاب یک طراحی مناسب که بتواند به شرایط متغیر عملیاتی برای دستیابی به بالاترین راندمان به خوبی پاسخ دهد، ضروری است. استفاده از سیستمهای پمپاژ با دبی متغیر برای پروژهها و محوطههای بزرگ و همچنین انتخاب تعداد، نوع و چیدمان چیلرها و دیگها بر اساس پروفیل توان حرارتی مورد انتظار، از دیگر عواملی هستند که بر طراحی کارآمد تاثیر میگذارند.
- تجهیزات با راندمان بالا: چیلرها، پمپها، فنها، دیگها و الکتروموتورها باید هم از نظر راندمانِ تجهیز و هم از نظر راندمان کل سیستم انتخاب شوند. در همین راستا، مجموعه مهندسی آبتین همواره پیشنهاد میکند که از الکتروموتورهای با راندمان ممتاز کلاس IE3 و پمپهایی که در نقطه کار طراحی دارای بالاترین راندمان هستند (نظیر پمپهای شرکت گراندفوس) استفاده شود. همچنین چیلرها یا دیگها باید به گونهای انتخاب شوند که هم در بار کامل و هم در بارهای جزئی عملکرد بهینهای داشته باشند.
- نصب، راهاندازی و بهرهبرداری اصولی: حتی اگر یک موتورخانه دو معیار قبلی (طراحی خوب و تجهیزات عالی) را داشته باشد، در صورتی که به درستی نصب، راهاندازی و بهرهبرداری نشود، همچنان میتواند بخش عظیمی از انرژی را هدر داده و آسایش حرارتی ساکنین ساختمان را مختل کند.
راندمان سیستم
همانند تمامی کاربردهای پمپاژ، راندمان سیستمهای تهویه مطبوع نظیر سیستمهای سرمایش و گرمایش هوا در ساختمانهای تجاری به ایجاد تعادل هیدرولیکی دقیق میان شبکه لولهکشی و سایر اجزای سیستم بستگی دارد.
از آنجایی که چیلرها و برجهای خنککننده سهم عمدهای در عملکرد سیستم آب چیلد دارند، یکی از عوامل اصلی و تعیینکننده در میزان راندمان یک موتورخانه میباشد. معمولا راندمان سیستمهای گرمایشی بیشتر از سیستمهای سرمایشی میباشد بنابراین بررسی راندمان سیستمهای سرمایشی مورد بحث میباشد. استفاده از راهکارهای مهندسی شرکت آبتین در طراحی و انتخاب دقیق الکتروپمپها (مانند پمپهای سیرکولاتور گراندفوس)، میتواند بهینهترین حالت توزیع را در این شبکهها تضمین کند.
انواع مدارهای سیستم سرمایش و گرمایش
مدار سرمایش و گرمایش شبکهای است که از طریق آن، آب سرد یا آب گرم تولید شده، جهت تامین نیاز سرمایشی و گرمایشی فضا، درون کویلهای دستگاههای هواساز یا فنکویل به گردش در میآید. این سیستم اساساً از یک مدار اولیه برای بخش تولید و یک مدار ثانویه برای بخش توزیع تشکیل شده باشد.
- مدار اولیه: این مدار وظیفه تولید آب سرد و گرم در موتورخانه را بر عهده دارد و تجهیزاتی نظیر چیلر و دیگ، پمپهای اولیه آب سرد و گرم، شیرهای کنترلی و سایر تجهیزات جانبی را شامل میشود. در این بخش، کارشناسان واحد فنی و مهندسی شرکت آبتین تهویه آسیا همواره بهرهگیری از پمپهای گراندفوس را برای گردش پایدار سیال پیشنهاد میکنند.
- مدار ثانویه: این مدار وظیفه پمپاژ آب را متناسب با نیازهای متغیر فضا از طریق شبکهای از لولهها، شیرآلات و کویلها بر عهده دارد.
در مدارهای سرمایش و گرمایش اولیه/ثانویه، پس از آنکه دمای آب در حلقه چیلر کاهش یافت، نوبت به حلقه توزیع میرسد. پمپهای مدار ثانویه وظیفه دارند آب چیلد را از کلکتور رفت به مصرفکنندهها (هواسازها، فنکویلها و کویلهای سرمایشی) رسانده و به کلکتور برگشت بازگردانند.
چالشهای هیدرولیکی در حلقه توزیع
برخلاف مدار اولیه که معمولاً طول لوله کوتاه و افت فشار مشخصی دارد، مدار ثانویه مستقیماً با گستره ساختمان درگیر است. پمپ ثانویه باید بر افت فشارهای زیر غلبه کند:
- افت اصطکاکی در مسیرهای طولانی لولهکشی: وابسته به جنس لوله، قطر و سرعت سیال.
- افتهای موضعی: ناشی از زانوییها، تبدیلها و سهراهها.
- تجهیزات هیدرولیکی مدار: شامل شیرهای کنترل دو-راهه یا سهراهه، شیرهای بالانس دینامیکی/استاتیکی، مخزن انبساط بسته، سپراتور هوا و ذرات، و شیرهای یکطرفه.

شکل 1 آرایش مدار اولیه و ثانویه چیلر آب خنک
یک سیستم آب چیلد مرکزی (شکل 1) بهطور کلی از پنج زیرسیستم زیر بهعنوان حلقههای مجزای انتقال حرارتِ آبِ در گردش تشکیل شده است:
- حلقه تبرید: شامل یک چیلر است که در آن مبرد در مراحل مختلف چرخه تغییر فاز میدهد تا بهترتیب در اواپراتور گرما را جذب کرده و در کندانسور گرما را دفع نماید.
- حلقه کنترل: کل سیستم را یکپارچه میسازد تا اطمینان حاصل شود که سیستم مطابق با هدف طراحی عمل میکند. تمامی زیرسیستمها از جمله چیلرها، پمپها، برجهای خنککننده، فنکویلها، فنهای برج خنککننده و سیستمهای بهسازی و تصفیه آب، همگی در قالب یک سامانه واحد جهت پایش (مانیتورینگ) و کنترل آسان ادغام شدهاند.
- حلقه دفع حرارت: شامل برجهای خنککننده، پمپهای آب کندانسور و سیستمهای بهسازی آب است. این حلقه برای دفع گرمای حاصل از مبرد داغ به اتمسفر استفاده میشود؛ این فرآیند یا از طریق رادیاتورها/کویلهای هواخنک (در سیستمهای چیلر هواخنک) انجام میگیرد یا از طریق برجهای خنککننده که در آن آب گرما را از کویل کندانسور جذب کرده و به هوای آزاد دفع مینماید.
- حلقه اولیه: هدف اصلی پمپهای اولیه، به گردش درآوردن آب چیلد در داخل حلقه تولید است.
- حلقه ثانویه: شامل پمپهای سیرکولاتور است که آب چیلد را از چیلر به سیستمهای توزیع مختلف نظیر فنکویلها، یونیتهای سقفی توکار، هواسازها یا پنلهای سرمایش تابشی انتقال میدهند.
- حلقههای اختلاط: هدف اصلی این مدارها، اختلاط آب رفت و برگشت برای دستیابی به دمای مورد نیاز است. این امر بهویژه در سیستمهایی که دارای سقفها/کفهای تابشی،Chilled Beams و مواردی هستند که ریسک تشکیل میعان (تعریق) وجود دارد، حائز اهمیت است.
جزئیات بسیار زیادی در طراحی یک موتورخانه چیلر وجود دارد. در ادامه، برخی از مهمترین مواردی که باید مد نظر قرار گیرند، آورده شده است:
تمرکز بر راندمان بار جزئی چیلر: بارهای اوج یا حداکثری در بیشتر ساختمانهای تجاری بهندرت رخ میدهند؛ بنابراین بسیار ضروری است که به دنبال چیلرهایی باشیم که بالاترین راندمان را در بارهای جزئی ارائه میدهند.
طراحی سیستمهای پمپاژ با راندمان بالا: طراحی سیستمهای پمپاژ با دبی متغیر از طریق بهکارگیری درایوهای دور متغیر روی پمپها میتواند به صرفهجویی چشمگیری در هزینههای جاری و بهرهبرداری موتورخانه منجر شود. موتورخانههایی که اجازه عبور دبی متغیر از درون چیلرها را میدهند، فضای کمتری اشغال کرده، تجهیزات کمتری نیاز دارند و انرژی مصرفی پمپاژ را در مقایسه با روشهای متداول با دبی ثابت تا نزدیک به ۴۰ درصد کاهش میدهند.
انتخاب صحیح برج خنککننده (برای چیلر اّب خنک): سایزینگ و کنترل مناسب برجهای خنککننده برای تضمین عملکرد بهینه چیلر امری ضروری است.
سیستمهای کنترل یکپارچه چیلر: چیلرهای مدرن و امروزی حجم زیادی از دادههای دقیق عملکردی را فراهم میکنند که میتوان از این اطلاعات برای تصمیمگیری در خصوص نحوه کارکرد سایر بخشهای سیستم استفاده کرد.
راهاندازی و آزمون عملکردی سیستم: راهاندازی و بهرهبرداری اصولی یک سیستم تهویه مطبوع (بهعنوان مثال، آزمون عملکردی آن تحت تمامی شرایط پیشبینیشده برای اطمینان از کارکرد صحیح و مطابق با طراحی) نیز امری حیاتی است.
راهکار سنتی
بهطور سنتی، آب سرد از طریق یک طرح پمپاژ ساده اولیه-مستقیم با دبی ثابت تأمین میشود. در این حالت، آب سرد با یک نرخ جریان ثابت که مستقل از میزان بار سرمایشی ساختمان است پمپاژ میگردد. در شرایط بار جزئی—که در اکثر مواقع رخ میدهد—از شیرهای کنترلی سهراهه در محل کویلهای سرمایشی استفاده میشود تا آب سرد را مستقیماً به لوله برگشت بایپس کنند.

شکل 2 سیستم سنتی مدار سرمایش
آب سرد با آب برگشتی حاصل از کویلهای سرمایشی مخلوط میشود و این امر منجر به کاهش دمای آب سرد برگشتی به موتورخانه میگردد. این دمای پایینتر در آب برگشتی، اختلاف دمای رفت و برگشت را در دو سر چیلرها کاهش میدهد. این روشِ پمپاژِ آبِ سرد، منجر به هدررفت چشمگیر انرژی و افت عملکرد موتورخانه اصلی چیلر بر اثر پدیده «افت اختلاف دمای کم» میشود. توجه داشته باشید که چیلرها تنها دمای آب خروجی از کویلهای اواپراتور را کنترل میکنند؛ در حالی که این عملکرد کویلهای سرمایشی مصرفکننده است که بر دمای آب سرد بازگشتی به موتورخانه تأثیر میگذارد، و این موضوع تأثیر بسیار بزرگی بر اختلاف دمای رفت و برگشت کل موتورخانه دارد.
1) مدار اولیه دور ثابت / مدار ثانویه دور متغیر
سیستم پمپاژ اولیه-ثانویه، سیستم را به دو مدار مجزا تقسیم میکند که از نظر هیدرولیکی توسط یک لولاس هدر (پل هیدرولیکی خنثی) از یکدیگر جدا شدهاند. در سیستمهای اولیه-ثانویه، در حلقه اولیه با یک دبی ثابت و در حلقه ثانویه با دبی متغیر و متناسب با بار ساختمان جریان مییابد. جداسازی هیدرولیکی هریک از این مدارها مانع از آن میشود که جریان متغیر حلقه ثانویه بر جریان ثابت حلقه اولیه تأثیرگذار باشد.

شکل 3 سیستم مدرن مدار اولیه و ثانویه چیلر
سرعت پمپهای ثانویه توسط یک کنترلکننده تعیین میشود که اختلاف فشار را در دو سرِ رفت و برگشتِ مدار یا روی مصرفکننده بحرانی (دورترین و بدترین حالت از نظر افت فشار) در شبکه لولهکشی اندازهگیری میکند.
سیستمهای دبی متغیر اولیه-ثانویه بهمراتب کارآمدتر از سیستمهای با دبی ثابت هستند؛ چرا که از پمپاژ غیرضروری در حلقه توزیع جلوگیری کرده و در نتیجه به راندمان انرژی بهتری دست مییابند. در شرایط بار جزئی، شیرهای دو-راهه شروع به بسته شدن میکنند که این امر موجب افزایش فشار تفاضلی سیستم میگردد؛ این افزایش توسط حسگر فشار تفاضلی شناسایی میشود. در ادامه، تابلوی کنترل پمپ ثانویه دور پمپ را کاهش میدهد تا دبی پمپ ثانویه با میزان بار مورد نیاز ساختمان تطبیق یابد.
عملکرد لولاس هدر و تعادل هیدرولیکی در سیستمهای دبی متغیر
کاهش دبی در مدار ثانویه به این معناست که آب تولیدی از سمت رفت به سمت برگشت جریان مییابد تا حجم و دبی جریان عبوری مدار اولیه کاملاً ثابت بماند. این پدیده زمانی رخ میدهد که دبی مدار تولید (سمت اولیه) از دبی مدار توزیع (سمت ثانویه) بیشتر باشد.
به همین ترتیب، هنگامی که بار برودتی در فضاهای ساختمانی افزایش مییابد، دمای زونها بالا رفته و این امر فرمان باز شدن بیشتر شیرهای کنترلی دو-راهه را صادر میکند. با باز شدن این شیرها، افت فشار تفاضلی دو سر بارها کاهش یافته و سیستم کنترل مرکزی، دور الکتروپمپهای ثانویه را افزایش میدهد تا دبی مورد نیاز فضاها تأمین شود.
نقش حیاتی رابط هیدرولیکی خنثی (لولاس هدر)
در این الگوهای متغیر و دینامیکی بار، یک خط دکوپلر هیدرولیکی که بین کلکتورهای مکش پمپهای ثانویه و اولیه قرار گرفته است، بهعنوان یک خط متعادلکننده هیدرولیکی عمل میکند. این لوله رابط به آب اجازه میدهد در هر دو جهت (از خط رفت به برگشت یا برعکس، از برگشت به رفت) بدون ایجاد تداخل فشاری جریان یابد. در صورت عدم اجرای صحیح این خط لولاس هدر، پمپهای مدار اولیه و ثانویه عملاً بهصورت سری در مدار هیدرولیکی قرار میگیرند؛ این وضعیت منجر به برهم خوردن تعادل فشار شبکه، نوسانات شدید هیدرولیکی و بروز مشکلات عملکردی جدی در اواپراتور چیلرها، دیگ ها و تجهیزات پمپاژ خواهد شد.
به عنوان جمعبندی وظایف لولاس هدر در سیستمهای چند گانه عبارتاند از:
1) جداسازی هیدرولیکی
2) تضمین حداقل دبی برای چیلر و بویلر
3) مدیریت اختلاف دما و فشار در مدار اولیه و ثانویه
2) سیستم پمپاژ سهگانه (اولیه-ثانویه-ثالثیه)
هنگامی که ساختمانهای تهویه شده در یک محوطه وسیع (مانند پردیس دانشگاهی یا سایتهای بزرگ صنعتی) پراکنده باشند، استفاده از طرحهای موسوم به «اولیه-ثانویه-ثالثیه» به کاهش فشارهای کاری پمپها در کل شبکه کمک میکند. با تقسیم هد کل سیستم بین پمپهای ثانویه و ثالثیه، از افزایش فشار بیشازحد در زونهایی که به فشار بالا نیاز ندارند، جلوگیری میشود.
در این سیستمها، تغذیه تمامی کویلهای سرمایشی یا حلقههای داخلی هر ساختمان میتواند توسط مجموعه سومی از پمپها با عنوان «پمپهای ثالثیه» انجام گیرد.
این سیستمهای پمپاژ توزیعشده برای ساختمانهای بزرگ چند زونه یا مجتمعهایی متشکل از چندین ساختمان با موتورخانه انرژی مرکزی بسیار مناسب هستند. ساختار این تأسیسات در عمل مجموعهای از سیستمهای کوچکتر است که مستقل از یکدیگر کار میکنند، اما همگی از شبکه لولهکشی توزیع و موتورخانه چیلر مرکزی مشترک بهره میبرند.
سایزینگ و انتخاب دبی پمپهای ثالثیه صرفاً بر اساس نیاز هیدرولیکی همان کویل سرمایشی خاص انجام میشود. همچنین هد پمپ نیز تنها برای غلبه بر افت اصطکاکی مدار بسته ثالثیه محاسبه میگردد.

شکل 4 شماتیک سیستم سهگانه
این سیستمهای پمپاژ توزیعشده برای ساختمانهای بزرگ چند زونه یا مجتمعهایی متشکل از چندین ساختمان با موتورخانه انرژی مرکزی بسیار مناسب هستند. ساختار این تأسیسات در عمل مجموعهای از سیستمهای کوچکتر است که مستقل از یکدیگر کار میکنند، اما همگی از شبکه لولهکشی توزیع و موتورخانه چیلر مرکزی مشترک بهره میبرند. سایزینگ و انتخاب دبی پمپهای ثالثیه صرفاً بر اساس نیاز هیدرولیکی همان کویل سرمایشی خاص انجام میشود. همچنین هد پمپ نیز تنها برای غلبه بر افت اصطکاکی مدار بسته ثالثیه محاسبه میگردد. هر یک از پمپهای موارد ثالثیه دارای کنترلکننده اختصاصی هستند که به سرعت نسبت به هرگونه تغییر در فشار حلقه ناشی از نوسانات تقاضا واکنش نشان میدهد. این پمپها معمولاً با سیستم BMS کار میکنند.
3) سیستمهای اولیه با دبی متغیر

شکل 5 شماتیک سیستم مدار اولیه دور متغیر
همانطور که اشاره شد، مدار اولیه متکی بر حفظ دبی ثابت از داخل سیستم است. این موضوع برای مهندسانی که دغدغه صرفهجویی در مصرف انرژی را دارند یک چالش به شمار میرود؛ بنابراین، استفاده از پمپهای مدرن مجهز به درایوهای فرکانس متغیر (اینورتر) منطقی خواهد بود که مزایای زیر را فراهم میسازند:
- کاهش هزینه انرژی ناشی از دبی متغیر: پمپاژ آب سرد منحصراً بر اساس نیاز بار حرارتی انجام میشود.
- کاهش هزینههای بهرهبرداری و نگهداری.
- قابلیت تحمل اختلاف دماهای آب سرد کمتر از مقدار طراحی (کاهش اثر پدیده دلتا-تی پایین).
- کاهش هزینههای اولیه سرمایهگذاری: با حذف کامل پمپهای ثانویه و کلیه متعلقات، شیرآلات و تجهیزات جانبی آنها.
با ظهور سیستمهای کنترلی پیشرفتهتر و ارتقای فناوری ساخت تجهیزات طی چند دهه گذشته، سیستمهای «اولیه با دبی متغیر» بهطور گسترده در صنعت تهویه مطبوع مورد استفاده قرار گرفتهاند. این سیستمها به دلیل حذف پمپهای توزیع ثانویه، لولهکشیهای مربوطه و اتصالات جانبی از مدار هیدرولیکی، موجب صرفهجویی آنی در هزینههای سرمایهگذاری اولیه میشوند.
در این طرح، پمپ اولیه بهگونهای سایز میشود که هد و دبی لازم جهت گردش آب سرد در داخل مبدل اواپراتور چیلر و ادامه مسیر آن به سمت کویلهای سرمایشی بار را بهطور کامل تأمین کند.
جمعبندی
در بررسیهای تخصصی واحد فنی مهندسی، چهار رویکرد اصلی برای طراحی مدارات هیدرونیک شناسایی شد که انتخاب هر کدام به نیاز پروژه بستگی دارد:
- سیستم سنتی (Constant Flow): متکی بر شیرهای سه-راهه و دبی ثابت. این سیستم به دلیل عدم انطباق پمپاژ با بار واقعی، پرمصرفترین الگوی طراحی است.
- سیستم اولیه-ثانویه (Primary-Secondary): با استفاده از یک خط لولاس هدر (رابط هیدرولیکی خنثی)، فشار هیدرولیکی دو مدار تولید و توزیع از هم تفکیک میشود. این امر پایداری عملکرد چیلر را تضمین و امکان کنترل هوشمند سمت توزیع را فراهم میکند.
- سیستم سهگانه: بهترین راهکار برای مجتمعهای دانشگاهی و ساختمانهای پراکنده. این سیستم با تقسیم هدِ کل، فشار مازاد در زونها را کاهش داده و هر ساختمان را به یک زون مستقل با پمپهای ثالثیه تبدیل میکند.
- سیستم اولیه با دبی متغیر: مدرنترین رویکرد که با حذف مدار ثانویه، هزینههای اولیه و انرژی مصرفی را به حداقل میرساند؛ مشروط بر آنکه ضوابط دقیق سازنده چیلر (مانند حداقل دبی و نرخ تغییرات جریان) رعایت شود.
پیادهسازی موفق این سیستمها بدون تجهیزات دقیق و محاسبات مهندسی دقیق غیرممکن است. علاوه بر محاسبات مهندسی، انتخاب قلب تپنده سیستم یعنی پمپها، نقشی حیاتی دارد. استفاده از پمپهای گراندفوس (Grundfos) به دلیل:
- تکنولوژی پیشرفته کنترل دور یکپارچه.
- بالاترین شاخص راندمان انرژی
- قابلیت اتصال به سیستمهای مدیریت هوشمند ساختمان (BMS)
انتخابی است که پایداری عملیاتی و طول عمر تاسیسات شما را تضمین میکند.
خدمات تخصصی آبتین تهویه آسیا
برای دستیابی به سیستمی که هم در هزینههای اولیه بهینه باشد و هم در دوران بهرهبرداری مصرف انرژی را به حداقل برساند، مشاورین ما در شرکت آبتین تهویه آسیا آماده ارائه مشاوره تخصصی و تأمین پمپهای گراندفوس هستند. ما به شما کمک میکنیم تا با گذار از سیستمهای سنتی به تکنولوژیهای روز دنیا، موتورخانهای با راندمان بالا، اقتصادی و مهندسیشده داشته باشید.
برای دریافت مشاوره تخصصی در زمینه انتخاب پمپ و طراحی سیستمهای دبی متغیر، با واحد فنی مهندسی آبتین تهویه آسیا در تماس باشید.





