מבוא לתחום קירור ומיזוג אוויר
המאמר מציג רקע כללי על התחום וכן מנגנונים ואלמנטים המאפשרים את פעולת מערכת המיזוג ( מערכת הפיקוד והבקרה, מסנן אוויר, גריעת לחות, בקרת לחות, הוספת אוויר חיצוני). בנוסף מוצגת בו סכימה עקרונית של מעגל קירור.
משמעות המונח "קירור" ו/או "מיזוג אוויר" היא שינוי יזום של תנאים אקלימיים השוררים באזור/חלל מטופל מוגדר. תהליך "הטיפול" בתנאי האקלים, מתבצע במטרה למצות את תנאי התכנון הנדרשים, לעניין הטמפרטורה, רמת הלחות היחסית וניקיון האוויר במגוון מישורים ואפיוני ביצוע (בכל מצבי הצבירה של החומר).
שינוי התנאים האקלימיים מתאפשר עקב פעולה מחזורית של מעגל תרמו דינמי בתוך מעגל סגור, אשר מופעל באמצעות מנגנון אלקטרו מכני. הפעולה המחזורית מאפשרת היווצרות תהליך דינאמי של טיפול באוויר ו/או כל גורם פיזיקלי אחר, הנמצא באזור מוגדר מראש וגריעתו (סילוקו) אל מחוץ לחלל המטופל.
לצורך קבלת אפיוני ביצוע אופטימליים של המעגל התרמו דינמי, המנגנון האלקטרו מכני מופעל באופן מבוקר ומתואם, ביחס ישיר לתנאי התכנון המתבקשים. על מערכת הבקרה לעמוד בתנאי העבודה המוגדרים של הציוד, אשר בחלקו מכני ומרביתו אלקטרוני (מיקרו פרוססורים וכו').
אפיון תנאי התכנון המתבקשים - מהווה בסיס ראשוני לתכנון המתקן ובכלל זה: הגדרת סוג הציוד ואופי פעולת המתקן, ביצוע חישוב תפוקות וספיקות אוויר, אפיון פרטני של אביזרי המערכת ובכלל זה מערכת הפיקוד והבקרה וכו'. חישוב תפוקת הקירור וספיקות האוויר מתייחס באופן ישיר למכלול תנאי הביצוע המתבקשים לעניין חימום ו/או קירור ובהתאם מתבצע התכנון הכולל.
לאור האמור לעיל ניתן לצאת מנקודת הנחה, כי בעת תכנון מתקן קירור ומיזוג אוויר, קיימת התייחסות ברורה לפרמטרים המתבקשים ביחס לאפיוני ביצוע אופטימליים של הציוד ומכלול האביזרים של המתקן. התייחסות זו באה לידי ביטוי במגוון פעולות המבוצעות באופן אוטומטי ובכלל זה:
בקרה שוטפת על רמת הטמפרטורה הנדרשת בחלל המטופל באמצעות שליטה על פעולת מעגל הקירור ו/או חימום.
בקרה שוטפת על רמת הלחות היחסית בחלל המטופל באמצעות הרטבה או ייבוש של האוויר המסופק (בתהליך מחזורי).
סחרור האוויר המטופל קבוע בחלל הסגור (באזור המטופל)- מתבצע באופן שוטף וביחס ישיר לכמות החלפות האוויר המתבקשת (במצב של על לחץ ו/או תת לחץ ובהתאם לאופי הפעילות הנדרש).
סינון וניקוי האוויר המסוחרר מחלקיקי אבק ולכלוך- מתייחס לסוג המסננים ורמת הסינון הנדרשת
אפיון התקנתם ואפשרות לטיפול עתידי.
אספקת אוויר חיצוני (טרי) לשמירה על רמת חמצן מינימלית (בהתאם לתנאי התכנון המתבקשים).
מערכת הפיקוד והבקרה במתקן קירור ומיזוג אוויר - מתפקידה לאפשר פעולה אוטומטית ורציפה של מכלול רכיבי המערכת, בהתאם לדרישות תכנון מוכתבות מראש לעניין תנאי טמפרטורה לחות וסינון אוויר, ביחס ישיר לתנאים האקלימיים השוררים אל מחוץ לאזור המטופל. התהליך האוטומטי מתבצע באמצעות קירור ו/או חימום החלל (אוויר, מים וכו') המטופל, תוך שליטה רציפה על מכלול מישורים ובכלל זה: רמת הטמפרטורה המסופקת, רמת הלחות היחסית בחלל המטופל, סינון וניקוי האוויר המסוחרר עד לרמה המתבקשת.
דרישות תכנון ואפיוני ביצוע של מערכת פיקוד ובקרה:
המערכת תפעל באופן דינמי, בהתאם לדרישות התכנון המתבקשות בחלל המטופל וביחס ישיר לתנאי הטמפרטורה ורמת הלחות השוררים מחוצה לו.
המערכת תאפשר פעולה רציפה של מכלול רכיבים אלקטרו מכניים, בהתאם לאפיוני ביצוע ודרישות תכנון מוכתבות מראש.
המערכת תפקח על תפקודו השוטף של המתקן, בכל מצבי הפעולה הנדרשים, בהתאם לתנאים האקלימיים אשר נלקחו בחשבון בתכנון הראשוני.
מערכת הפיקוד מבקרת באופן שוטף את פעולת המנגנונים הבאים:
מדחס הקירור, לצורך קירור ו/או חימום ("משאבת חום"), תנאי לחות וכו'.
גופי חימום חשמליים. (לחימום או לייבוש במסגרת חימום מקדים)
פעולת מרטיבים (לעניין תוספת לחות) מעגל הקירור לעניין גריעת לחות.
סלילים אלקטרומגנטיים ובכלל זה: משאבת חום, פורקי תפוקה (דרגות) חשמליים, מסננים אלקטרוניים, מערכת יוניזציה, מפרידי שמן חשמליים, נוריות פעולה והתראה, מנגנוני בקרה והפעלה ועוד.
מנגנון פריקה מכני (לעניין תפוקת קירור)
ויסות כמויות אוויר, באמצעות שינוי מהירות הסיבוב מפוח המאייד (הפנימי), לשמירה על רמת טמפרטורה מתבקשת ועל לחצי עבודה אופטימליים ביחס לרמת השיחון.
ויסות מהירויות סיבוב מפוח מעבה (חיצוני), לשמירה על לחצי עבודה אופטימליים (מעגל הקירור, לחץ ראש / גבוה).
ברזים חשמליים לאספקה וויסות טמפרטורת מים קרים / חמים (במערכות קירור מים).
אבחון תקלות והתרעה עליהן.
גריעת לחות - מתבצעת כפועל יוצא מקירור (ירידת הטמפרטורה) של סוללת המאייד (מחליף החום) שדרכה מוזרם האוויר המטופל בעת פעולת מדחס הקירור וכתוצאה מכך עומדת ביחס ישר לזמן פעולתו. תנאי הביצוע הסטנדרטיים של מתקן מאפשרים גריעת לחות בכמות ידועה מראש. אם נדרש טיפול ברמת הלחות מעבר לרמה הסטנדרטית, ניתן להוסיף למתקן מערכת בקרה וגריעת לחות ייחודית על מכלול אביזריה, בהתאם להגדרה מובנית.
בקרת לחות - באופן כללי וביחס לתנאי התכנון המתבקשים, ניתן לשמור על רמת הלחות בכל מצב שבו מופעל המתקן (קירור /חימום/אוורור), בתוספת מכלול האביזרים הנדרשים.
פעולת ייבוש והרטבה - נדרשת בכל מצבי פעולת המתקן, ביחס לתנאי התכנון:
במצב חימום - כתוצאה מהתהליך המהיר של חימום האוויר הממוחזר בחלל מטופל סגור, מתייבש האוויר המסופק לחלל לאחר חימומו, עקב כך נודעת דרישה להוספת לחות בעת פעולה זו. כדי למצות את תנאי התכנון ורמת הנוחות המתבקשת, ניתן להוסיף מערכת הרטבה אוטומטית (ראה פרק תנאי תכנון), אשר מופעלת כחלק אינטגרלי מהמתקן.
במצב קירור - כפועל יוצא מפעולת קירור האוויר המוזרם דרך סוללת האיוד, נוצר הפרש טמפרטורה (מינימום c7) המאפשר תנאים אופטימליים לגריעת לחות על פני נחשון הקירור (וממנו אל מערכת הניקוז). כפועל יוצא מפעולת מעגל הקירור ניתן לראות, כי גריעת לחות מהווה חלק אינטגרלי מאפיוני הביצוע של מתקן מיזוג אוויר, ובהתאם מתייחסים לנושא בעת התכנון הראשוני. התייחסות לגריעת הלחות כחלק ממכלול תנאי התכנון, מתבצע באמצעות טבלא פסיכומטרית תוך הטמעת רמת הלחות היחסית הקיימת באוויר, במסגרת התפוקה הנדרשת לשינוי טמפרטורת האוויר בחלל המטופל. גריעת הלחות מתאפשרת כל זמן שמתקיים הפרש טמפרטורה מינימלי של c7, בין האוויר המסוחרר לסוללת הקירור.
מסנני אוויר - מהווה אביזר סטנדרטי במתקני מיזוג האוויר, בכל תנאי עבודה מקובלים (חימום,
קירור ואוורור). האוויר העובר דרך המסנן, מסונן ומנוקה באופן יחסי מחלקיקי אבק, מגרגירים
ומחלקיקים גסים. החומר שממנו עשוי המסנן, נקבע על פי דרגת הסינון הנדרשת, ובהתאם לכך מוגדר סוג החומר שממנו יהיה עשוי השטח הכולל וכמות החרירים (המתנגדים לזרימה) שדרכם יזרום האוויר המסונן. בתחום מיזוג האוויר נמצאים בשימוש שוטף מסנני פחמן פעיל, מסנני אלומיניום בתוספת סגסוגת מיוחדת לשיפור רמת הסינון, מסננים אלקטרוסטטיים ועוד.
תכנון מתקן קירור ומיזוג אוויר - חישובי התפוקה מתבצעים בהתאם לתנאי התכנון המתבקשים, לאזור/חלל מוגדר מראש. במתקני מיזוג אוויר נודעת חשיבות להוספת אוויר חיצוני (טרי/צח, המגולמת בתפוקת הקירור הנדרשת), במטרה להעלות את רמת החמצן בחלל המטופל ולאפשר כמות החלפות אוויר מינימלית. כניסת האוויר הצח למתקן מתבצעת למערכת התעלות (בדרך כלל לאוויר החוזר) ו/או ישירות ליחידת הטיפול באוויר. באופן כללי, מקובל להוסיף למתקן מיזוג אויר - 25%15% מסך כמות האוויר המסוחרר, כאמור במטרה להגדיל את רמת החמצן בחלל המטופל וליצירת מצב של על לחץ (לחץ פוזיטיבי).
רקע כללי על תחום קירור ומיזוג אויר
בתחילת המאה העשרים, נועדו מערכות קירור לשמירת מזון וכעזר לתהליכים תעשייתיים. כיום אנו
עדים לכך כי מערכות מיזוג אוויר מתוכננות למגוון יישומים ובכלל זה: נוחות האדם לעניין טיפול
ברמת הטמפרטורה והלחות בדירות מגורים, משרדים, בתי ספר, אולמות אירועים, בתי עסק, מפעלים, הליכים תעשייתיים ועוד. באופן כללי במתקני מיזוג אוויר המשמשים לנוחות אדם, אין דרישות קריטיות לשמירת הטמפרטורה ורמת הלחות, שבהן מושם דגש על שמירת תנאים אקלימיים מוגדרים מראש.
בעקבות מחקרים רבים נודע כי רמת הנוחות סובייקטיבית ומשתנה מאדם לאדם, לאור זאת נבנתה טבלת נוחות ,(COMFORT CHART) המסייעת למתכנן מיזוג האוויר לקבוע בדרך נוחה ומקובלת תנאי תכנון אופטימליים למתקן. טבלאות אלו מגדירות נתונים בסיסיים, במתכונת של עקומות וצירופים שונים של טמפרטורה ולחות יחסית (ראה טבלאות נוחות בהמשך).
ניתן לחלק את אפיוני הביצוע של מערכות קירור ומיזוג אוויר לשלושה פלחי שוק עיקריים:
1. שימוש ביתי - מתייחס לציוד בתפוקה ממוצעת של כ-6 טון קירור ( BTU/H72,000), במצב קירור /חימום ו/או אוורור. נמצא בשימוש בעיקר בבתי מגורים ועסקים קטנים, מאופיין ביחידות הפועלות בשיטת "משאבת חום" או קירור בלבד בגיבוי גופי חימום חשמליים, התפשטות ישירה או מערכת מים סגורה (הטיפול באוויר מתבצע באמצעות: יחידות קצה מפוצלות, מערכות מיני מרכזיות, מתקנים משולבים, יחידות מתועלות או ללא תיעול ועוד).
2. שימוש מסחרי - מתייחס לציוד בתפוקה ממוצעת של כ-50 טון קירור
( BTU/H600,000), במצב קירור/חימום ו/או אוורור. נמצא בשימוש בעיקר במבנים ציבוריים, בחדרי מחשב וכו', מאופיין ביחידות הפועלות בשיטת "משאבת חום" או קירור בלבד מסוג התפשטות ישירה ו/או מערכת סחרור מים (מקרר/צ'ילר). לרוב מדובר ביחידות מרכזיות, בעלות מספר יחידות קצה מסוג יחידות טיפול באוויר או נחשוני מים.
3. שימוש תעשייתי - מתייחס למאות ואלפי טונות קירור, במצב קירור / חימום ו/או אוורור. נמצא בשימוש בעיקר מבנים ציבוריים כגון: בתי חולים, חדרי מחשב, תעשיות טכסטיל, בתי דפוס וכו'. כפועל יוצא מהעובדה כי בתעשייה נדרשת שמירה קפדנית יותר על רמת הטמפרטורה והלחות היחסית (במסגרת הליך תעשייתי), לעיתים נדרשים תנאי תכנון שאינם מתאימים בהכרח לתנאי הנוחות של בני האדם. בהליך תעשייתי מושם דגש נרחב יותר על סינון האוויר עד לרמה מיקרונית. לדוגמה: בבתי דפוס שמירה על רמת טמפרטורה ולחות יחסית הנה קריטית, במטרה לשמור לאורך זמן על איכות הנייר והצבעים לצורך קבלת איכות הדפסה גבוהה, ולמניעת תקלות הכרוכות בהשבתת הליך ההדפסה.
במתקנים תעשייתיים, דרישות המוצר ו/או המכונה הם המכתיבים את תנאי התכנון הבסיסיים. בכלל זה: רמת הלחות היחסית, רמת הטמפרטורה, רמת סינון האוויר, כמות החלפות האוויר, כמות אוויר חיצוני טרי (צח) ועוד. בתכנון מערכת תעשייתית מושם דגש על התהליך המתבצע ולא בהכרח על תנאי נוחות בני האדם. נלקחת בחשבון אפשרות להפעלת המערכת 24 שעות ביממה, בתנאי טמפרטורה משתנים באופן קיצוני ובכלל זה: קיץ חורף, יום, לילה, קור, חום.
לסיכום
כיום, בתחילת המאה העשרים ואחת, מערכות קירור ומיזוג אוויר מופעלות באופן מבוקר ומדויק,
בהתבסס על תנאי הביצוע הנדרשים. לצורך העניין, המתכנן משלב מכלול אביזרים המעלים את נצילות המערכת, בד בבד עם הקטנת עלויות ראשוניות וארוכות טווח (תפעול, אחזקה שוטפת וכו'). היכולת לחסוך באנרגיה מתבטאת בהקטנת האנרגיה המושקעת לשם ייצור תפוקה נדרשת.
מהירות התגובה של מערכות הפיקוד (המסופקות אינטגרלית עם המתקנים) ורמת הדיוק הגבוהה שבה הן פועלות מאפשרות מיצוי דרישות הלקוח הסופי, אשר מבין ומודע יותר לצרכיו ובהתאם דורש אותם. השינויים האקלימיים, העלייה ברמת החיים והירידה בעלויות הייצור גרמו ברוב המדינות המערביות לשינוי בתפיסה הכוללת. לעניין הצורך במתקן מיזוג אוויר, הוא אינו נתפס עוד כמוצר מותרות, אלא הפך בהדרגה למוצר המהווה חלק מסל מוצרים בסיסי. בשנים האחרונות העלה קו מחשבה זה בעשרות אחוזים את הדרישה העולמית להתקנת ציוד ומתן שירות לתחום זה. מטבע הדברים התפתחה גם תעשיית האביזרים ומגוון חלקי החילוף, רמת המוצרים גבוהה יחסית ומאפשרת שיפור מתמיד של תהליכי אחזקה, דבר התורם יותר ויותר לאלמנט "עלות התועלת" של המתקן.
מיצוי שיטות עבודה חדשניות תוך שימת דגש על עמידה בתקנים המחייבים ימנע נזקים עתידיים ויביא לשיפור הרווחיות הכוללת של העסק, בד בבד עם מניעת מגמה ברורה של הפסדים והוצאות מיותרות.