تهویهها از فرایند تبرید برای سرد کردن هوای درون اتاق استفاده میکنند؛ وقتی یک مایع به گاز تبدیل میشود، گرما راجذب میکند. کولرها با استفاده از این قانون، با تبخیر برخی مواد و ترکیبهای شیمیایی و دفعات متوالی چگالسازی آنها در یک سیستم بسته هوای گرم را خنک میکنند.
ترکیبهای دخیل، مبرّدها هستند. این مواد ویژگیهایی دارند که آنها را قادر به تغییر در دماهای نسبتا پایین میکند. کولرها از یک پنکه برای حرکت دادن هوای گرم روی هوای سرد و کویلهای پرشده از مبردها استفاده میکنند؛ در واقع دستگاههای تهویه مطبوع مرکزی، یک سیستم بزرگ شامل مجموعهای از داکت ها برای باریک کردن و انتقال هوای خنک و کویلها هستند.
وقتی هوای گرم روی این کویلهای خنک و تبخیرکننده کمفشار جریان پیدا میکند، مبرد داخلی گرما را درحالی که از موقعیت مایع به گازی وارد میشود، جذب میکند. برای بهینه نگهداشتن فرآیند سرد کردن، کولر باید گاز مبرد را دوباره به مایع تبدیل کند.
برای این کار یک کمپرسور، گاز را تحت فشار زیاد قرار میدهد. فرآیندی که گرمای ناخواسته زیادی تولید میکند. همه گرمای ناخواسته تولید شده در فرایند فشردهسازی به کمک یک مجموعه ثانویه از سیم پیچ چگالنده و پنکه بیرون از سیستم تخلیه میشوند و هنگامیکه گاز سرد میشود، دوباره به مایع تبدیل میشود.
دواتفاق مجزا در یک کولر درجریان است؛ مبرد هوای داخل را سرد میکند و گاز حاصل بطور مداوم فشرده میشود و برای تبدیل دوباره به مایع سرد میشود.
مهمترین کاری که یک سیستم تهویه مطبوع باید انجام دهد سرد کردن اتاق است. کولرها با استفاده از یک ترموستات بر دمای اتاق نظارت دارند و آنرا تعدیل میکنند. همچنین فیلترهایی برآنها سوارشده تا غبار و ذرات معلف د رهوا را تصفیه کنند. کولرها نقش کاهنده رطوبت را نیز به عهده دارند؛ چرا که دما عنصر اصلی مرتبط با رطوبت است. کاهش دمای یک حجم از هوای مرطوب باعث ازدست دادن بخشی از نم آن می شود؛ به همین دلیل همیشه تعدادی آبگذر (رایزر) با دستمال نمگیر نزدیک یا چسبیده به کولر قرار دارد و در هوای مرطوب از آن آب خارج میشود.
بخش سرد کولر شامل تبخیرکننده و یک پنکه برای دمیدن به قسمت سرد کویل و انتقال آن به داخل اتاق است. بخش داغ شامل یک کمپرسور، چگالنده و یک پنکه دیگر برای تخلیه هوای گرمی است که از مبرد فشرده شده میآید، به سمت خارج است.
میان این دو مجموعه سیم پیچ (کویل) یک دریچه انبساط (Expansion valve) وجود دارد. این دریچه میزان مایع مبرد تحت فشار که به سمت تبخیر کننده میرود، را تنظیم میکند. کمپرسور در واقع یک پمپ بزرگ الکتریکی است که گاز مبرد را به عنوان یک مرحله از فرایند مایع شدن آن تحت فشار قرار میدهد. حسگرهای دیگری هم مثل تایمر و دریچه ها وجود دارند، اما تبخیرکننده و کمپرسور و چگالنده و دریچه انبساط عناصر اصلی یک کولر هستند. اگر چه همه اینها یک بخشهای اصلی یک کولر است انواعی از کولرها وجود دارند که بهتر است دربارهشان بدانید.
کولرهای پنجره ای همه این عناصر را سوار بر جعبهای کوچک و فلزی که بر روی پنجره خانه نصب شده است، دارند. هوای گرم از پشت سیستم در حالیکه کویل، کمپرسور و پنکه هوا را خنک میکند و دوباره به جریان میاندازد، خارج میشود. کولرهای بزرگتر کمی متفاوت رفتار میکنند؛ کولر مرکزی یک ترموستات کنترل کننده، کمپرسر و چگالنده را با سیستم گرمایشی مرکزی خانه تقسیم میکند و بخش گرمتر دیگر درون خانه قرار ندارد و در بخشی جدا در یک پوشش مقاوم در برابر آب و هوا خارج از خانه است. در ساختمانهای خیلی بزرگ مثل هتلها و بیمارستانها این بخش خارجی عموما درجایی مثل سقف قرار گرفته است.
کولر پنجرهای نماینده یک واحد کولر عادی در فضایی کوچک است. واحدها آنقدر کوچک ساخته شدهاند تا درون یک قاب پنجره قرار گیرند. پنجره را تاجاییکه کولر قراردارد پایین میکشید، برق را وصل میکنید و آن را روشن میکنید تا هوای سرد به جریان بیفتد. اگر پوشش یک کولر را بردارید آنچه میبینید شامل موارد زیر است :
پنکهها هوای بالای کویلها را خنک نگه میدارند تا قابلیت آنها در تهویه هوای گرم به سمت خارج و وارد کردن هوای سرد به داخل اتاق را افزایش دهند. وقتی صحبت از سیستمهای بزرگتر میشود، باید نگاهی به سیستمهای اسپلیت بندازیم. همانطور که در شکل زیر میبینم سیستم اسپلیت بخش گرم و سرد سیستم را جدا میکند.
بخش سرد اسپلیت شامل کویلی اسپیرال و بلند مثل یک سیلندر است که یک پنکه داخل کویل قرار دارد تا هوای جاری درون کویل را همراه یک کمپرسور مقاوم در برابر آب و هوا و تعدادی کنترلگر منطقی خنک کند. این راهکار به دلیل ارزان بودن و ایجاد صدای مزاحم کمتر (درون خانه) در طول سالها پیشرفت کرده و کامل شده است. افزون بر آن این حقیقت که بخشهای سرد و گرم از هم جدا شدهاند و ظرفیت افزایش یافته (کویل و کمپرسور بزرگتر) تفاوتی میان یک سیستم اسپلیت و یک سیستم روی پنجره نیست.
درانبارها، ساختمانهای شرکتهای بزرگ، مراکز خرید، فروشگاههای بزرگ و سایر ساختمانهای بزرگ بخش کمپرسور عموما روی سقف قرار دارد و میتواند بسیار بزرگ باشد. به عنوان جایگزین ممکن است از تعداد زیادی واحد کوچک که هر کدام ازداخل به یک تنظیم کننده کوچک هوا متصل است و بخش مشخصی را سرد میکند، استفاده شود.
درساختمانهای بزرگتر و بطور مشخص ساختمانهای چند طبقه، سیستم اسپلیت دچار اشکال میشود؛ لوله حامل ما بین دو قسمت بیرونی و درونی از محدوده فاصله پافراتر میگذارد. آنهایی که بلندتر هستند کمپرسور را دچار اشکال روانکاری میکنند، یا تعداد داکتها و طول آنها غیرقابل مدیریت میشود. در چنین مواقعی از چیلرهای آب سرد استفاده میکنیم.
کولرهای استاندارد محبوبترند، میتوانند مقدار زیادی انرژی مصرف کنند و گرمای زیادی تولید کنند. آنها برای نصب در مقیاس بزرگ مثل ساختمان ادارت سیستمهای تهویه مطبوع، کمی متفاوت مدیریت میشوند. بعضی سیستمها به عنوان بخشی از مرحله سرمایش از آب استفاده میکنند. دو مورد از معروفترینهای این روشها آب سرد و برج های خنک کننده هستند.
در یک سیستم آب سرد همه کولر روی سقف یا پشت ساختمان نصب میشود و دمای آب را بین ۴۰ تا ۴۵ درجه فارنهایت یا ۴.۴ تا ۷.۲ درجه سلسیوس خنک میکند. آب سرد سپس در طول ساختمان در لولهها جاری میشود و به فنکوئلها میرسد. در این سیستم لولههای آب خنک مثل کویلهای Evaporator درکولرهای استاندارد عمل میکنند. اگر لولهها خوب عایقبندی شده باشند، عملا دیگر محدودیتی در طول لوله آب سرد وجود ندارد.
در تمام سیستمهای خنک کنندهای که تاکنون توصیف کردیم برای خارج کردن گرما از کویل کمپرسور، از هوا استفاده شد. در بعضی سیستمهای بزرگ به جای هوا، از یک برج خنک کننده استفاده میشود. برج حاوی یک رشته آب سرد است که درون مبادله کننده گرما قرار دارد و باعث خنک شدن کویل کمپرسور میشود. برج، هوا را به یک رشته آب میدمد و باعث تبخیر آن میشود و این تبخیر آب را خنک میسازد. از مضرات این روش نیاز به افزودن مداوم آب برای جبران مایع از دست رفته است. میزان سرمایی که یک سیستم تهویه از برج خنک کننده دریافت میکند بستگی به میزان رطوبت هوا و فشار بارومتریک (barometric) دارد.
به دلیل مخارج الکتریکی و نگرانیهای مربوط به محیط زیست راههای سرمایشی دیگر نیز مورد بررسی قرار گرفتهاند. روش off-peak یا سرمایش با یخ یکی از آن راههاست. سیستم سرمایش آف- پیک از یخ زدن برای سرد کردن هوای داخلی درطول گرمترین ساعات روز استفاده میکند. بااینکه این سیستم نیز از انرژی استفاده میکند، اما بیشترین اتلاف انرژی تنها زمانی اتفاق میافتد که نیاز مجموعه کمترین مقدار است. در زمانهای غیراز اوج مصرف، انرژی ارزانتر است و کاهش مصرف در طول ساعات اوج، تقاضا را در شبکه برق کاهش میدهد.
انتخاب دیگر گرمای زمین- گرما (geo-thermal) است. عموما تا ۱.۸ متر زیر زمین میتواند دمایی بین ۷.۲ تا ۲۳.۸ درجه داشته باشد. ایده اولیه در این روش استفاده از زمین به عنوان منبع سرما و گرما به جای استفاده از برق است. متداولترین نوع استفاده از زمین گرما در خانهها به شکل حلقههای بسته است. لولههای پلی اتیلن با یک مخلوط مایع درون زمین دفن میشوند. درطول زمستان مایع گرما را از زمین جذب میکند و باعبور از سیستم وارد ساختمان میکند. درطول تابستان سیستم کار خود را با کشیدن گرما به سمت پایین برای ذخیره آن در زیرزمین معکوس میسازد.
کولرهای خورشیدی نیز در بهینهسازی انرژی نقش دارند. البته هنوز مشکلاتی برای بکارگیریشان وجود دارد ولی حدود پنج درصد از کل برق مصرفی امریکا به وسیله یکی از انواع سردکنندهها مصرف میشود؛ بنابراین بازار مصرف بزرگی برای کولرهای دوستدار محیط زیست وجود دارد.
ظرفیت اکثر کولرها در واحد گرمایی بریتانیا ردهبندی شدهاند. یک BTU میزان گرمای لازم برای افزایش دمای یک پاند (۰.۴۵ کیلوگرم) از آب به دمای یک درجه فارنهایت است (۰.۵۶ درجه سلسیوس) است . یک بی تی یو معادل ۱.۰۵۵ ژول است. در عبارات گرمایشی و سرمایشی یک تن معادل ۱۲۰۰۰ بی تی یو است. بی تی یو یک کولر پنجرهای عادی ممکن است ۱۰۰۰۰ اندازهگیری شود. برای مقایسه اگر یک خانه ۲۰۰۰ فوت مربع (۱۸۵ مترمربع) باشد ممکن است از یک سیستم پنج تنی (۶۰،۰۰۰ بی تی یو) استفاده کند؛ این نشان میدهد شما حدود ۳۰ بی تی یو برای هر فوت مربع نیاز دارید.
نرخ بهینه سازی انرژی (EER) یک کولر حاصل نسبت BTU به توان مصرفی آن است. برای مثال اگر یک کولر با بی تی یو ۱۰۰۰۰ و ۱۲۰۰ وات داشته باشیم ای ای آر آن ۸.۳ خواهد بود. مشخصا شما میخواهید EER تاحد امکان بالا باشد، اما بطور عادی هرچه قدر EER بالا برود هزینه هم بیشتر میشود.
فرض کنید شما انتخابی بین دو واحد کولر با بی تی یو ۱۰۰۰۰ دارید که یکی از انها ای ای آر ۸.۳ و توان ۱۲۰۰ وات و دیگری ای ای آر ۱۰ و توان ۱۰۰۰ وات دارد. هزینه این دو دستگاه صد دلار تفاوت دارد.
با فرض اینکه شما قصد دارید از این کولر شش ساعت در روز، بمدت چهارماه در سال استفاده کنید و هزینه برق هم ۰.۱ دلار برای هر کیلو وات ساعت باشد، تفاوت مصرف انرژی بین دو واحد ۲۰۰ وات خواهد بود؛ این به این معناست که هر پنج ساعت کولر ارزانتر، یک کیلو وات ساعت برق بیشتری نسبت به کولر گرانتر مصرف خواهد داشت. هزینه برق کولر ارزانتر در هر سال ۱۴.۴ دلار بیشتر خواهد بود. اگر کولر گرانتر برای خرید ۱۰۰ دلار هزینه بیشتری داشت باشد، هفت سال طول میکشد تا این اختلاف جبران شود.
انسانها از طریق تعریق خنک میشوند. رطوبت ۴۵ درصد مقدار کاملا مناسبی برای تعریق است. در شرایطی که هوا بسیار مرطوب هوا است؛ چون هوا کاملا از رطوبت اشباع میماند، آن عرق لذت بخش و خنک توان تبخیر نخواهد داشت چرا که جایی برای رفتن ندارد.
بخاطر افزایش قیمت برق و گرایش به «جنبش سبز»، اکثر مردم به راههای سرمایشی جدید برای صرفهجویی در مخارج و حفظ محیط زیست روی آوردهاند.
سرمایش با یخ یکی از راههاییست که بوسیله آن کسب و کارها درطول تابستان باهزینه بالای برق مقابله میکنند. سرمایش با یخ به همان سادگیست که به نظر میرسد. شبها وقتی نیاز به انرژی کمتر است مخازن بزرگ آب، یخ تولید میکنند. روز بعد سیستمی شبیه به تهویه های قدیمی هوای سرد را از روی یخ به سمت ساختمان پمپاژ میکند.
این روش در هزینه برق صرفه جویی قابل توجهی دارد و آلودگی کمتری نیز تولید میکند. تقاضای برق را کاهش میدهد و میتواند کنار سیستمهای خنک کنندهی قدیمی مصرف شود. اشکال این سیستم این است که فضای زیادی را برای نصب اشغال میکند و نصب آن پر هزینه است.
روش سرمایش با یخ برای کاهش هزینهها و مصرف انرژی روش بسیار مناسبی است. اما هزینهی نصب و فضای لازم درساختمانهای بزرگ آن را دچار محدودیت کرده است. روش دیگری که میتوان از طریق آن هزینه انرژی را کاهش داد نصب سیستم گرمایش و سرمایش زمین-گرماست که همچنین به نامِ پمپاژ گرمای منبع زمین (GSHP) شناخته میشود. آژانس های محیط زیست اخیرا واحدهای زمین-گرما را جزء بهینهترین روشهای سرمایش و گرمایش قرار دادهاند.
شش فوت زیر زمین دما بین چهل و پنج تا هفتاد و پنج درجه ی فارنهایت است. اصل اولیه سرمایش ازطریق گرما-زمین این است که در این روش از یک منبع گرمای ثابت به جای تولید گرما از طریق برق استفاده شود. متدوالترین نوع واحدهای گرما-زمین برای خانهها سیستمِ حلقه-بسته است. لولههای پُلی اتیلن یا به صورت عمودی یا افقی در سه تا شش حفره زیرِ زمین دفن میشوند. آنها را همچنین میتوان در استخر و حوض نیز دفن کرد. آب یا مخلوط مایع ضدیخ از طریق لولهها پمپاژ میشود. در طول زمستان این مایع گرما را از زمین جذب و از طریق سیستم وارد ساختمان میکند.
در طول تابستان سیستم کار خود را برعکس میکند تا ساختمان را با کشیدن گرما خنک کند و گرما را از طریق سیستم حمل کرده و به زیر زمین منتقل کند. خانهداران میتوانند با استفاده از سیستمهای تهویه مطبوع قدیمی با پمپاژ گرما از منبع زمین بین سی تا پنجاه درصد از قبض سردکننده هایشان صرفهجویی کنند. البته مخارج اولیه میتوانند تا سی درصد افزایش پیدا کند که این هزینه میتواند در طول سه تا پنج سال دورباره بازگردد. مزیت دیگر این سیستم این است که عمر طولانیتری از واحدهای قدیمی باقی میماند؛ چرا که در مقابل دزدی و عناصر دیگر حفاظت میشود.