امروزه در جهان از روش های نوینی در طراحی موتورخانه سیستم های گرمایشی و سرمایشی HVAC استفاده می شود که یکی از مناسبترین آنها سیستم مدارهای اولیه- ثانویه در موتورخانه است.

با توجه به اهمیت موضوع در این نوشته مطالبی در خصوص نحوه طراحی مدارهای اولیه – ثانویه و مزایا و معایب آن ها تقدیم حضور متخصصین گرانقدر تاسیسات میگردد.

از همکار و دوست دانشمندم جناب مهندس نوید ژیانی بابت راهنمایی هایش در نوشتن این مطلب سپاسگزارم

طراحی سیستم مدارهای اولیه-ثانویه در موتورخانه

سیستم لوله کشی چیلر و بویلر در موتورخانه ها به ۳ دسته کلی تقسیم میشود که به شرح زیر است:

سیستم لوله کشی با دبی ثابت

این نوع سیستم سال هاست که در ایران استفاده می شود اما بخاطر مشکلات خاص خود و نداشتن انرژی سیوینگ در کشورهای توسعه یافته استفاده نمی شود

سیستم مدارهای اولیه- ثانویه در موتورخانه

نوع دوم سیستم مدارهای اولیه- ثانویه است که از سیستم اول (دبی ثابت) خیلی بهتر و دارای انرژی سیوینگ بیشتری است. این سیستم  سال هاست که در آمریکا اجرا می شود و در مهندسی تاسیسات آن کشور سیستم جدیدی بحساب نمیآید اما در ایران جدید است. 

سیستم تک لوپ دبی متغیر

در حال حاضر جديدترين نوع لوله کشی سیستم تک لوپ دبی متغیر است که بالاترین انرژی سیوینگ را داشته و امروزه برای اکثر سیکل های چیلر و بویلر از آن استفاده میشود.

این سیستم شبیه سیستم اول است با این تفاوت که دبی مدار کاملا متغیر است.

درباره سیستم مدارهای اولیه- ثانویه

طراحی سیستم های دو مداره در موتورخانه ها، ایده جدیدی نیست و برای سالیان سال مورد استفاده قرار میگرفته است در این نوع طراحی لوله کشی سیستم به ۲ قسمت اصلی تقسیم میشود: اولیه و ثانویه .

بخشی از لوپ که در سمت موتورخانه قرار گرفته است را اولیه و بخشی که سمت ساختمان یا مصرف کننده هاست را ثانویه مینامیم.

البته با توجه به نیاز ساختمان و نوع کاربری ساختمان سیکل های اولیه ثانویه و ثالثیه هم داریم که از این بحث خارج است

دلایل استفاده از طراحی سیستم مدارهای اولیه- ثانویه در موتورخانه

1.  میتوان برای سیرکولاسیون از پمپ های کوچکتری استفاده کرد (با تغییر دادن دلتا تی) . برای مثال میتوان در لوپ اولیه با دلتا تی بزرگتر، GPM را کوچک کرد و از پمپ و لوله کشی کوچکتری استفاده نمود.
2. میتوان کنترل خیلی بهتری بر جریان سیال در فضاهای مختلف داشت که هر دوی این فاکتورها سبب کاهش محسوس مصرف انرژی خواهد شد.
3. میتوان از این سیستم برای پروژه های با وسعت زیاد که برداشت از موتورخانه بالاست، استفاده کرد

مثلا موتورخانه مرکزی داریم که ۵ موتورخانه فرعی از آن برداشت میکنند در این حالت یک لوپ اولیه طراحی میکنیم که سایر موتورخانه ها به ازای نیاز خود از آن برداشت میکنند.

4. در ساختمانهای مرتفع میتوان مدارها را توسط مبدلهای حرارتی از هم جدا کرد و سیکل های اولیه ثانویه ایجاد کرد و به این شکل فشار استاتیکی بالا را هم از بین برد

قبل از ورود به بحث ذکر چند نکته  ضروری است

•  در یک سه راهی لوله، همیشه جریان وارد شده به یک نقطه برابر است با جمع جریان های خارج شده از آن

•  مسئله بعدی در مورد لوله مشترکی است که بین دو لوپ اولیه و ثانویه  استفاده میشود.

 توجه داشته باشیم که این لوله مشترک باید بگونه ای طراحی شود که دبی مدار اول روی دبی مدار دوم تاثیر نگذارد و بلعکس؛  برای اینکه به این مهم دست پیدا کنیم بایستی افت فشار لوله مشترک خیلی کوچک باشد

 بر این اساس خیلی از شرکت های سازنده چیلر و بویلر، ابعاد و اندازه لوله مشترک را برای استفاده در سیکل های اولیه و ثانویه در کاتالوگ های خود ارائه میدهند

مثلا در تصویر زیر اجازه استفاده از طول لوله مشترک را بیشتر از ۱۲ اینچ  نداده است

یا تصویر زیر از شرکت بویلر سازی LOCHINVAR که طول لوله مشترک را ماکزیمم ۱۲ اینچ یا ۴ برابر قطر لوله مجاز دانسته است

. _{PRIMARY SECONDARY BOILER PIPING WITH BYPASS FOR LOW TEMPERATURE OPERATION}

_{*AS CLOSE AS PRACTICAL- 12″ OR 4 PIPE DIAMETERS MAXIMUM}

_{DISTANCE BETWEEN MANIFOLD}

_{اصول طراحی سیستم مدارهای اولیه- ثانویه در موتورخانه}

مبنای طراحی بدین گونه است که یک جریان ثابت در مدار اولیه در گردش است و در مدارهای ثانویه، هر مدار بر اساس نیاز ساختمان خود از آن برداشت میکند لذا پمپ مورد استفاده در مدار اولیه دور ثابت و در مدارهای ثانویه از نوع دور متغیر بهمراه کنترلر VFD خواهد بود.

از این سیستم در اکثر ساختمانهای بلند مرتبه برای  توزیع هم در سیکل گرمایش بویلر و هم در سیکل سرمایش چیلر استفاده میشود.

در ضمن لوله مشترک به نام های DECOUPLER PIPE COMMON PIPE و یا NEUTRAL BRIDGE شناخته میشود.

شکل زیر نمونه عملی یک سیکل اولیه ثانویه برای چیلر است. 

تصویر زیر هم برای سیستم  گرمایش بویلر است که برداشت های مختلفی از سیکل اولیه را نشان میدهد

برای درک بهتر مطلب ابتدا لازم است گام به گام به شرایطی که در لوپ های اولیه ثانویه در خصوص درجه حرارت و دبی اتفاق میافتد اشاره ای داشته باشیم

در زیر بخشی از مدار را قرار داده ایم

در تصویر زیر همان مدار دیده میشود با این تفاوت که یک پمپ در مدار اولیه قرار داده شده است

همانطور که مشاهده میکنید چون پمپی در مدار ثانویه نداریم و افت فشار در لوله مشترک بسیار پایین است دبی گذرا از مدار ثانویه صفر است لذا تمام دبی از لوله مشترک عبور خواهد کرد

سیال همیشه مسیری که دارای مینیمم افت فشار است را برای عبور انتخاب میکند

حال پمپ در مدار دوم را نیز اضافه میکنم

فرض میکنیم که برای مثال، کویل 120GPMبا دلتا تی ۱۰ درجه طراحی کرده ایم

 درجه حرارت ورودی و خروجی از کویل را هم به ترتیب  ۴۵ و ۵۵ درجه فارنهایت در نظر گرفته ایم

با توجه به شکل زیر مقدار 120GPM آب از مدار اولیه وارد مدار ثانویه میشود.

مقدار دبی گذرا از لوله مشترک برابر صفر است و دلتا تی هم در دو مدار برابر ۱۰ درجه است.

در این شکل تمام دبی مدار اولیه وارد مدار ثانویه شده است

حالت دیگری که ممکن است پیش بیاد تصویر زیر است.

که در آن بجای دبی گذرای  120GPM از مدار ثانویه مقدار بیشتری مثلا 180GPM داریم

این حالت زمانی اتفاق میافتد که مدار ثانویه یا در کل بخش مصرف کننده بالانس نشده باشد و مشکلی که ایجاد میکند اینست که دلتا تی در کویل کاهش می یابد.

کاهش دلتا تی هم که مشکلات خاص خودش را دارد همچنین توجه داریم که در لوله مشترک بدلیل افت فشار نزدیک به صفر دبی معکوس شده است.

بنابراین دمای ورودی به کویل برابر میشود با ۴۸ بجای ۴۵

چرا؟

T= [(120X45) + (60X55)]/180=48

قبل از پرداختن به مثالهای عددی نکات مثبت طراحی را در نظر میگیریم

 کاهش هزینه های لوله کشی

مدار چیلری را در نظر بگیرید با ظرفیت واقعی ۶۰ تن و اختلاف دمای ۱۰ درجه در سیستم سنتی

 با توجه به تصویر پایین حدود 144GPM در مدار با لوله ۴ اینچ خواهیم داشت

 حال همین مدار را به مانند شکل دوم به لوپ اولیه – ثانویه تبدیل میکنیم.

در مدار اولیه با تغییر اختلاف دما به ۱۵درجه،  دبی را تا  96GPM کاهش داده و از سایز لوله ۳ اینچ بجای ۴ اینچ استفاده میکنیم سپس اختلاف دمای مجدد ۱۰ درجه را در لوپ ثانویه برای ساختمان استفاده میکنیم 

توجه داریم که با استفاده از لوپهای اولیه – ثانویه در موتورخانه برای تغییر اختلاف دما در مدار اولیه؛  دستمان کاملا باز است و همین باعث کاهش چشمگیری در هزینه های لوله کشی خواهد شد

 طراحی سیستم برای بویلر نیز کاملا مشابه است با این تفاوت که در لوپ اولیه، از DT=25-30  درجه و در لوپ ثانویه از   DT=20 درجه استفاده خواهیم کرد.

برای کاهش هزینه های انرژی در مدار ثانویه بایستی از پمپ های دور متغیر استفاده کرد

دور این پمپ ها توسط دستگاه VFD که در موتورخانه نصب شده است کنترل میگردد – به ازای هر پمپ یک VFD

دستگاههای VFD از سیستم هوشمند ساختمان (BMS) فرمان میگیرند

تعیین دبی متغیر پمپ ها نیز توسط سنسورهای DP در ساختمان اندازه گیری میشوند که این سیگنال به BMS فرستاده میشود

کاهش هزینه های انرژی در سیرکولاسیون

در همان تصویر بالا برای مدار سنتی در صورت محاسبه پمپ با نرم افزار Bell and Gusset خواهیم داشت

توان مصرفی پمپ را میخواهیم حساب کنیم

Q=144GPM, H=40FT

EFF= 74.8%, HP= 1.9

اما در مدار اولیه – ثانویه داریم

در مدار اولیه

Q=96 GPM, H=25FT

EFF= 77.2%, HP= 0.7

در مدار ثانویه

Q=144 GPM, H=15FT

EFF= 68.4%, HP= 0.5

و در نهایت توان کل ،سیستم برابر 0.5+0.7=1.2 خواهد بود که در مقایسه با تک لوپ سیستم دارای توان پمپ پایین تری خواهد بود.

مشکلات سیستم

1. هزینه های کنترلی سیستم بالا میرود
2.  همچنان مشکل سندورم دلتا تی پایین برای چیلر در سیستم باقی میماند اما نسبت به حالت دبی ثابت خیلی کمتر است

مطالعه بیشتر