مهندسی ساخت منطبق با شرایط جوی در مدارس تازه ساخت ایالت کالیفرنیا
مجموعه مدارس بخش اوکلند کالیفرنیا Oakland Unified School District (OUSD) یکی از بزرگترین مراکز آموزشی با بیش از 80 مدرسه و 36،000 دانش آموز است که بیشتر دانش آموزان آن از طبقات کم درآمد جامعه می باشند.
مجموعه مدارس بخش اوکلند کالیفرنیا Oakland Unified School District (OUSD) یکی از بزرگترین مراکز آموزشی با بیش از 80 مدرسه و 36،000 دانش آموز است که بیشتر دانش آموزان آن از طبقات کم درآمد جامعه
می باشند. پروژه مرکز آموزشی اسکوئلیتا La Escuelita Education Center (LEEC) که یک انجمن خیریه آن را ایجاد کرده است، از تسهیلات مدرن خاصی برخوردار بوده و به جای مدارس قدیمی با کلاسهایی از جنس کانتینرهای فرسوده و ناراحت جایگزین می شود. فاز یک این مرکز مدرن شامل پیش دبستانی و دبستان است که از نظر مالی نیز مورد حمایت انجمن های خیره است.
مرکز آموزشی اسکوئلیتا همچون سایر مدارس خصوصی و عالیرتبه کالیفرنیا از تسهیلات مدرن و استاندارد گرمایشی و سرمایشی برخوردار است و در هیچ یک از کلاسها و دفاتر آموزشی این مجموعه از شیوه سرمایشی کمپرسور استفاده نمی شود.
تحقق این امر با تلفیق عواملی از قبیل ساخت و ساز علمی، نورگیری کامل اتاقها، سیستم تهویه HVAC که با جو مدیترانه ای ناحیه اوکلند کالیفرنیا نیز سازگار است و حتی استفاده از شرایط طبیعی همچون وزش نسیم های روزانه و نوسانات حرارتی میسر می شود.

تشریح سیستم های گرمایشی و سرمایشی
با وجود اینکه در مراکز اداری، کلینیک ها و استودیوهای ضبط فیلم و صدا در این شهر سیستم تهویه VAV HVAC به کار برده می شود، در این مدارس برای خنک کردن کلاسها از کمپرسور استفاده نمی شود. برای تحقق این منظور و برای ایجاد راحتی کامل دانش آموزان و کارکنان مدرسه، نوعی سیستم تهویه با نتایجی چند منظوره پیاده شده است که در آن از شرایط آب و هوایی محیط، کنترل دقیق سیستم و تسلط بر نوسانات حرارتی نیز استفاده شده است.
کلاسها و دفاتر کارکنان به تناسب و با در نظر داشتن تعداد افراد حاضر در هر اتاق، پنجره هایی مخصوص دارند که تهویه طبیعی هوا را حتی در زمانی که سیتم ها خاموش اند انجام می دهند. وقتی که پنجره ها بسته اند، فضای داخل کلاس از طریق سیستم مرکزی AHU خنک می شود. پخش کننده های حجمی با هجوم هوای تازه اثربخشی عمل تهویه را دوچندان کرده و به جای آمیختن گرمای مانده با فضای خنک شده که در سیستمهای معمولی رایج است، هوای گرم را به بیرون می راند. هوای خنک ایجاد شده نیز به نسبت لزوم تهویه، تعداد افراد و تطبیق با دمای هوای بیرون به طور خودکار کنترل می شود. تا آنجا که اگر فضای بیرون گرم باشد، عمل خنک سازی قوی تر انجام شده و در صورتی که خنکای فضای بیرون به اندازه کافی تأمین باشد، تنها عمل تهویه صورت می گیرد.
عمل خنک سازی نیز با استفاده از پدیده جرم حرارتی انجام می شود. به این ترتیب که شب هنگام، جرم حرارتی با گردش حجم بالایی از هوای پاک شده، خنک شده و در طول روز با وجود نوسانات حرارتی، هوای سرد را به داخل نفوذ می دهد. این عملیات گردش و جابجایی هوا با انطباق با شرایطی از قبیل دمای هوای بیرون، دمای اتاق، و دمای جرم حرارتی و از طریق سنسورهایی که در کف و دیوار اتاق تعبیه شده و همزمان مصرف انرژی فنها را کاهش می دهد، صورت گرفته و به این ترتیب از خنک شدن بیش از حد اتاق نیز جلوگیری می کند. در نتیجه نوعی گردش دمایی مطلوب در فضا رخ داده و موجب راحتی و آسایش افراد حتی در روزهای خیلی گرم می شود.
از دیگر ویژگیهای این نوع خنک سازی، وجود فنهای تعبیه شده در سقف اتاق است که با سرعت کم کار می کنند و به طور خودکار کنترل می شوند. در ابتدای عملیات خنک سازی، زمانی که هوای اتاق هنوز خنک است، این فن ها خاموش اند تا عمل تهویه مناسب، هوای مانده را به عقب براند. با گرم شدن فضای بیرون، فنهای سقفی فعال شده تا خنکای مطلوب تری ایجاد کنند.
فنهای سقفی قابلیت گرمادهی نیز دارند. درون این فنها جعبه های هم طراز و موازی تعبیه شده که از آب گرم پر می شوند و با روشن شدن فن فعالیت می کنند. هوای گرم از طریق یونیت های پخش کن حجمی که برای خنک کردن هم استفاده می شوند ایجاد شده و با عملکرد فن سقفی با سرعت پایین، فضای موجود لایه سازی و به این ترتیب حرارت یکنواخت ایجاد می شود.
این روشهای پیشرفته سرمایشی و گرمایشی در اتاقهای بزرگتر نیز اجرا می شود. در یک اتاق نسبتاً بزرگ فضای مورد نظر برای هر فرد 9/0 متر مربع فرض شده است. به منظور تکمیل عملیات خنک سازی یا گرمابخشی، در چنین فضایی هر یک از این فنها به یک جفت برجک تبخیری خنک کننده تجهیز می شوند.
ارتفاع این برجکها 12 متر و مساحت سطح آنها 7/3 متر مربع است. در بالای هر یک از این برجک ها نازلهای آب پاش فشار قوی وجود دارد که حجم منظمی از افشانه های ریز آب را تولید می کنند. افشانه های آب هوا را تهویه و خنک کرده و با ایجاد قطرات معلق آب در فضا خنک سازی را بهبود می بخشند. این افشانه ها به صورت قطرات تجمع شده درون پدهای مشبک نزدیک سقف نفوذ کرده و خنک سازی را مطلوب تر می کنند. ضمناً این برجکها مجهز به بادسنجهایی خودکار است که در صورت وزش نامناسب باد، عمل خنک سازی را بدون تبخیر انجام
می دهد. برجکها با ترکیب سیستم AHU تهویه طبیعی را انجام داده و به طور خودکار به اولین نشانه های وجود
دی اکسید کربن واکنش نشان می دهند. به این ترتیب زمانی که برجک ها قادر به تأمین هوای تازه نیستند، سیستم AHU را برای تهویه هوا تقویت می کنند.

طراحی مناسب با صرف انرژی کارآمد
پروژه مدرسه اسکوئلیتا دارای سیستم تهویه آشنا با محیط زیست است که در آن مصرف حداقل انرژی از ویژگیهای برجسته محسوب می شود. این ویژگیها شامل موارد زیر می شوند:
  • شیوه خنک سازی بر مبنای جرم حرارتی، تهویه طبیعی و فنهای سقفی به جای استفاده از کمپرسور
  • برجکهای خنک کننده که حتی بدون فن هم می توانند دمای هوای اتاق را به حد اعتدال سرد یا گرم کنند.
  • فنهای سقفی با محرک الکتریکی مستقیم.
  • AHU با سرعت و فشار قابل تنظیم که مصرف انرژی فن را به حداقل می رساند.
  • جعبه های FP-VAV با سرعتهای مختلف در محرک الکتریکی.
  • جعبه های بازگرمکن VAV که موجب کنترل دمای هوا شده و با تأمین هوای مورد نیاز و تنظیم خودکار، انرژی مصرفی فن را کم می کنند.
  • کمپرسورهای دیجیتال AHU با کنترل خودکار و قابل تنظیم که جریان هوا را به حداکثر و مصرف انرژی را به حداقل می رسانند. این واحد دیجیتال در صورتی که واحد کاهنده انرژی خاموش باشد با سیستم سرمایشی DX عمل می کند. در صورت روشن بودن هر دو واحد به صورت همزمان، سیستم به طور خودکار خاموش می شود تا مصرف انرژی فن به حداقل برسد.
  • هودهای آشپزخانه فن هایی با سرعت متفاوت دارند که در آنها سنسورهای حرارتی و دود تعبیه شده و میزان مکش را در زمان عدم استفاده به حداقل می رساتد.
  • در عملیات گرم کردن آب از پمپهایی با سرعتهای متفاوت استفاده می شود. به این طریق که دمای آب تأمین شده دوباره تنظیم شده و عملیات چگال سازی به حداکثر می رسد.
  • پانلهای آب گرم کن خورشیدی، آب گرم لازم را برای آشپزخانه و حمام تولید می کنند.
  • کلاسهای درس و دفاتر کارکنان طوری طراحی شده اند که ورود نور کافی را در طول روز میسر می کنند. شیشه های این پنجره ها مجهز به سیستم کنترل خودکار میزان نور ورودی می باشد.

کیفیت هوای داخل اتاق
در فضای داخل اتاق، عملیات تهویه طوری انجام می شود که از میزان آلاینده های موجود در هوا کم کند. تهویه هوای کلاس و دفاتر کارکنان به طور 100 درصد و با کمک فیلترهای MERV11 انجام می شود. یونیت های پخش کن حجمی تهویه را با توجه به میزان دی اکسید کربن موجود در فضای کلاسهای درس، دفاتر کارکنان، راهروها و سالنهای همایش و ورزشی انجام می دهند.
حدود 12 درصد از کل زمان سال، هوای اتاق بالای 29 درجه سانتیگراد است. در این زمان فن های سقفی به طور خودکار و از طریق جابجایی مناسب هوا، دمای مطلوبی را ایجاد می کنند تا فرد بدون ناراحتی از سرد یا گرم بودن هوا لباس مناسب و راحت بر تن داشته باشد.

تعمیر و نگهداری
هزینه ساخت این پروژه بر عهده یک انجمن خیریه زیر نظر شهرداری بود. اما سایر هزینه های جانبی عملیاتی از طریق بودجه عمومی آموزش و پرورش منطقه پرداخت شده است. بنابراین کنترل هزینه های عملیاتی در طراحی سیستم ها یک اولویت خاص محسوب می شد. از ویژگیهای این طراحی که هزینه های تعمیر و نگهداری را به حداقل می رساند عبارتند از:
  • سیستم خنک کنندگی بنیادی، ضخامت دیوارها و کف و اندازه جرم حرارتی که نیاز به سرویس مکانیکی ندارد و هرگز خراب نمی شود.
  • سیستم ساده AHU: فن درون جعبه بدون سیم کشی برای گرم کردن و سرد کردن و بدون کمپرسور پمپ برای تعمیر و نگهداری.
  • بیشتر فن ها از سیستم موتور محرک مستقیم استفاده می کنند که مصرف انرژی را حذف می کند.
  • فنهای سقفی دارای طراحی صنعتی قوی بوده و 10 سال گارانتی دارد.
  • آب پاش برجک خنک کننده از گردش نامناسب قطرات آب و ایجاد محیط تبخیری جلوگیری می کند و منجر به تصفیه مداوم محیط و نگهداری آسانتر می شود.
  • مشاهده میزان مصرف انرژی.

کاهش هزینه ها
به دلیل نیاز مشتری و ساختار بنیادی پروژه، محاسبات کاهش هزینه ها برای کل پروژه در ابتدا عملی نبود. در نظر داشتن نیاز مشتری مستلزم ساختار اجرایی قوی بود؛ بنابراین استفاده از سیستم سرمایشی قدیمی HVAC جایگزین مناسبی محسوب نمی شد. هزینه های ساخت و ساز و سایر هزینه های جانبی عملیاتی از طریق دو منبع مالی جداگانه تأمین می شد. بنابراین اولویت اصلی به حداقل رساندن هزینه های عملیاتی، تعمیر و نگهداری در کنار هزینه های ساخت و ساز بود.
در این طراحی مدرن، حذف کمپرسور در AHU های قدیمی، مصرف انرژی مکانیکی را به حداقل می رساند و همزمان به کارگیری سیستم پخش ریز افشانه های آب در برجکهای خنک کننده به جای شبکه های تبخیری سنتی از اتلاف آب و خروج هوای مفید خنک به بیرون جلوگیری می کند.

نوآوری
این سیستم نوین HVAC بیان کننده یک ایده قدیمی است: اصل طراحی بر اساس شرایط آب و هوایی منطقه. تحقیقاتی که در این زمینه انجام شد اطلاعات کاربردی و مفیدی را در زمینه جابجایی جرم حرارتی در طی روز و تمیز و خنک شدن هوا در طول شب ارائه داد که در این سیستم مدرن به طرز مفیدی از آن استفاده شد.
همچنین در طی روز حتی از نسیم های مطلوب و معمولی که غالب بیشتر فصول در این منطقه است نیز استفاده شد تا به برجک های خنک کننده امکان تهویه طبیعی فضا را بدهد.
برجکهای مشابه در سایر پروژه ها با شبکه تبخیری کار می کنند که مستلزم تعمیر و نگهداری و ایجاد قطره های آب با فشار هوا است (که کارآیی آن را در روزهای بدون باد از بین می برد)، یا وجود افشانه های فشار پایین که می تواند موجب چکه کردن آب شده و به مرور زمان به دلیل عملیات تبخیر ناقص معیوب شود.
همچنین فنهای سقفی نشان بارزی از نوآوری است که در ساخت بیشتر مدارس به عنوان یک سیستم جدید مورد استفاده است.
کنترل خودکار فنهای سقفی نیز ویژگی غیرمعمول و نوینی است که نتایج مطلوبی را به دنبال دارد. زمانی که دمای هوای اولیه آنقدر باشد که پخش کن حجمی نتواند لایه سازی مفید را انجام دهد عملکرد جند حالته خنک سازی خودکار، فن های سقفی را فعال می کند.
در عملیات گرماسازی، فنها به طور خودکار به پخش کن حجمی امکان ایجاد هوای گرم را می دهند و نیاز به یک سیستم گرمایشی جداگانه ندارند. فنهای سقفی همچنین در طول شب به طور خودکار کار می کنند تا انتقال گرما و تصفیه هوا را بهبود دهند.
کلمات کلیدی :
نویسنده :
تاریخ انتشار : 1397/06/11
فایل های پیوست