سرمایش تبخیری، انواع آن و امکان پذیری آن در اقلیم های ایران

اساس کار سیستم‌های سرمایش تبخیری بدین‌گونه است که هوای محیط در تماس مستقیم با آب قرار می‌گیرد، آنگاه آب گرمای هوا را می‌گیرد و تبخیر می‌شود، و درنتیجه دمای هوا پایین می‌آید. آبی که تبخیر می‌شود، با هوا مخلوط می‌شود، و رطوبت هوا نیز افزایش می‌یابد. لذا این سیستم‌ها قابلیت افزایش رطوبت و کاهش دما به‌طور هم‌زمان را دارند. متداول‌ترین مثال سرمایش تبخیری، کولر آبی است که در بخش های آینده شرح داده خواهد شد.

فرآیند سرمایش تبخیری یک فرآیند بسیار قدیمی است که منشأ آن به هزاران سال قبل، در تمدن‌های باستانی ایران و مصر باز می‌گردد. خنک‌کننده‌های تبخیریِ نوین، براساس نمونه‌های اولیهای که در دهه ۱۹۰۰ میلادی در آمریکا ساخته شدند تولید می‌شوند.

سرمایش هوا به وسیله آب را سرمایش تبخیری می گویند. اگر تبخیر آب در تماس مستقیم با هوا رخ دهد آن را سرمایش تبخیری مستقیم می نامند که قدیمی ترین و رایج ترین روش سرمایش تبخیری است. از نمونه های رایج این روش سرمایش تبخیری می توان به کولر های آبی (قطره ای)، ایرواشر ها، گروهی از برج های خنک کن، زنت و … اشاره کرد که هرکدام در ادامه شرح داده خواهند شد.  اما اگر هوای خنک شونده در تماس مستقیم با فرایند تبخیر آب نباشد، به آن سرمایش تبخیری غیر مستقیم گویند.

ترمودینامیک تبخیر آب

سرد کردنِ تبخیری براساس یک قانون عملیِ ساده پایه‌ریزی شده است. هنگامی که آب تبخیر می‌شود، گرمای نهانِ تبخیر را از خودِ آب‌ و هوای محیطِ اطراف جذب می‌کند. درنتیجه، آب و هوا هر دو، در حین عمل خنک می‌شوند. بخار آب حاصل از این فرآیند (تبخیر آب) وارد هوای عبوری از دستگاه سرمایش تبخیری می شود و در نتیجه، این هوا رطوبت بیشتری نسب به هوای بیرون دارد.

اما هوا ظرفیت محدودی برای گرفتن بخار و  رطوبت دارد. هنگامی که هوا بیشترین رطوبت ممکن را می گیرد، اصطلاحاً می گوییم هوا اشباع شده است. یعنی دیگر امکان جذب رطوبت بیشتری را ندارد. طبیعتا وقتی امکان جذب رطوبت بیشتر وجود نداشته باشد، سیستم سرمایش تبخیری ما به درستی کار نخواهد کرد (مگر اینکه از رطوبت گیر استفاده شود که در قسمت سرمایش دسیکنتی توضیح داده خواهد شد).

حال از کجا باید بفهمیم هوا در محلی که ما می خواهیم سیستم سرمایش تبخیری را راه اندازی کنیم تا چه اندازه توانایی گرفتن بخار را دارد و به عبارت دیگر در کدام شهر ها می توانیم از سیستم سرمایش تبخیری استفاده کنیم؟ این موضوع به میزان رطوبت موجود در هوای شهر بستگی دارد هرچه رطوبت موجود در هوا بیشتر باشد، این هوا توانایی کمتری در جذب رطوبت حاصل از تبخیر در سیستم های سرمایش تبخیری مستقیم را خواهد داشت. بنابر این در اقلیم های مرطوب (شمال ایران، بندرعباس، آبادان و … )، کولرهای سرمایش تبخیری مستقیم پاسخگوی نیاز تهویه مطبوع نخواهند بود و بهترین کارکرد این سیستم ها در مناطق گرم و خشک (مانند یزد، تهران، کاشان و …)  می باشد.

تجهیزات سرمایش تبخیری

1. سرمایش تبخیری مستقیم
2. سرمایش تبخیری غیرمستقیم
3. سرمایش تبخیری ترکیبی
4. سرمایش تبخیری دیسکنتی (Desiccant)

سرمایش تبخیری مستقیم

در سرمایش تبخیریِ مستقیم، هوا در تماس مستقیم با آب خنک می‌شود. این تماس ممکن است توسط سطوح مرطوب گسترده (مانند پوشال)، یا افشانک‌ها صورت گیرد. آب در هنگام تماس با هوا، گرمای آن را گرفته و بخار می‌شود، و درنتیجه، هوا که گرمایش را از دست داده است، خنک می‌شود و رطوبت آن افزایش می‌یابد. بنابراین، سرمایش تبخیری در مناطق گرم و خشک می‌تواند آسایش نسبی را با هزینه‌های کمی تأمین کند، ولی این روش در مناطق مرطوب کارآیی نخواهد داشت.

از سیستم‌های دارای سطوح مرطوب میتوان به کولر آبی و زنت و از سیستم‌های دارای افشانک می‌توان به ایرواشر اشاره نمود. شکل زیر، هر آنچه در سیستم سرمایش تبخیری مستقیم می گذرد را نشان می دهد.

 فرآیند سرمایش تبخیری مستقیم

روش تبخیری غیرمستقیم (Indirect Evaporative Cooling)

به‌ منظور جلوگیری از ورود میکروب، می‌باید از تماس هوا با آب جلوگیری کرد. به این روش، تبخیری غیرمستقیم یا خنک‌کاری مداربسته می‌گویند. این روش، مشابه روش تبخیری مستقیم است، ولی در آن، از نوعی مبدل حرارتی استفاده می‌شود. هوای مرطوب سرد هرگز در تماس مستقیم با هوای تهویه قرار نمی‌گیرد. جریان هوای مرطوب یا به خارج تخلیه می‌شود یا برای خنک‌کردن سایر دستگاه‌های خارجی مانند سلول‌های خورشیدی که در صورت خنک‌ نگه‌ داشته‌ شدن کارآمدتر می‌شوند، موردِاستفاده قرار می‌گیرند. هوای نسبتاً خشک، ناشی از سرمایش تبخیریِ غیرمستقیم این امکان را فراهم می‌آورد که تعریق ساکنان آسان‌تر انجام شود. درنتیجه، اثربخشی این روش افزایش می‌یابد.

در این روش، هوایی که به‌طور مستقیم و در تماس با آب خنک می‌شود به محیط راه پیدا نمی‌کند، بلکه با عبور از یک مبدل، موجب خنک‌کردن جریان هوای دیگری می‌شود. این جریان هوای دوم به محیط راه می‌یابد.

از این روش هنگامی استفاده می‌شود که افزایش رطوبت هوا مطلوب نیست. فرآیند تبخیری غیرمستقیم، در نمودار سایکرومتریک به‌ صورت یک خط افقی است. از این روش می‌توان برای پیش‌ سرمایش هوای ورودی به سیستم مستقیم در شرایطی استفاده کرد که رطوبت زیاد محیط، امکان استفاده تنها از روش مستقیم را نمی‌دهد.

این روش تبخیری به دو صورت مبدل‌دار و برج خنک‌کن آبی وجود دارد. در حالت مبدل‌دار با عبور هوا از روی صفحاتی که از قبل، سطحشان با آب مرطوب شده و دمایشان کاهش یافته است، می‌توان دمای هوا را نیز کاهش داد.

مقایسه سرمایش تبخیری مستقیم و غیر مستقیم

روش تبخیری ترکیبی

منظور از روش تبخیری ترکیبی، ترکیب یک سیستم تبخیری با سایر روش‌های خنک‌سازی مانند چیلر تراکمی می‌باشد. هنگامی که در بعضی از ساعات روز، دما و رطوبت به‌حدی زیاد باشد که سیستم تبخیری، به‌ تنهایی قادر به تأمین هوای مطبوع نباشد، با در نظر گرفتن یک کویل سرمایش تراکمی در سیستم، می‌توان در شرایط حاد، این مشکل را رفع نمود. از آنجا که مزیت روش‌های تبخیری بر تراکمی، اقتصادی‌ بودن آن از نظر مصرف برق است. با ترکیب این دو روش در شرایط لازم، می‌توان از سودمندی هر دو روش بهره‌مند شد. در شکل زیر، طرح‌واره روش تبخیری ترکیبی، یعنی ترکیب خنک‌سازی تبخیری و تراکمی، نشان داده شده است.

طرحواره روش تبخیری ترکیبی، یعنی ترکیب خنک‌سازیِ تبخیری و تراکمی

روش تبخیری دسیکنتی

سیستم های سرمایش تبخیری که تا اینجا بحث شد، علی رغم تمام مزیت هایشان، یک ایراد اساسی دارند. آن هم اینکه در اقلیم های مرطوب جواب نمی دهند و ضمنا امکان کنترل همزمان دما و رطوبت در آنها فراهم نیست. اما مهندسین علوم تبرید راهکار مناسبی برای این مشکل پیدا کرده اند که آن استفاده از رطوبت گیر است.

یکی از سیستم‌های جالب تهویه‌مطبوع در مناطق مرطوب، که انعطاف‌پذیری زیادی نیز دارد، سیستم سرمایشی و تهویه‌ مطبوع دسیکنت است. این طرح خلاقانه، اولین بار در سال 1983 میلادی توسط یک مهندس 23 ساله، به‌نام Willis Carrier Prize، ارائه شد و در همان سال ASHRAE، از این طرح استقبال کرده و از وی تقدیر کرد. این طرح، زمینه جدیدی را در تهویه‌ مطبوع باز کرد.

شایان ذکر است که هوا پیش از ورود به چرخ دسیکنت، الزاماً باید از فیلتر عبور کند، زیرا عدم‌استفاده از فیلتر موجب بسته‌شدن سریع منافذ چرخ دسیکنت و هزینه زیاد برای سرویس آن خواهد شد.

مطابق شکل زیر، هوا پس از عبور از فیلتر، وارد چرخ دسیکنتنت (رطوبت گیر) می‌شود. سطح این چرخ به صورت مشبک است که دیواره های آن آغشته به یک ماده رطوبت گیر، مثل سیلیکاژل (نوعی ژل که خاصیت جذب رطوبت بالایی دارد) می باشند. این شیوه رطوبت زدایی بدون تبادل گرما باعث افزایش دمای هوا می شود. ازاین‌رو، هوا در خروجیِ چرخ دِسیکَنت بسیار گرم است. مبدل چرخی‌ که در شکل زیر دیده می‌شود، به‌منظور کاهش دمای هوای داغ قرار داده شده است. در این مرحله، هوا با عبور از پد سرمایش تبخیریِ مستقیم، خنک‌تر می‌شود و وارد فضای تهویه‌ مطبوع می‌گردد.

بخش بالایی در شکل طرحواره که در داخل دستگاه قرار دارد و با یک صفحه افقی کاملاً از بخش پایینی مجزا شده است، ابتدا با یک پد سرمایش تبخیری مستقیم، هوای خنک مورد نیاز مبدل را تأمین می‌کند. پس از آن، هوای خروجی از مبدل، که داغ شده است، روی چرخ دسیکنت هدایت می‌شود و رطوبتی که چرخ دسیکنت از هوای رفت در قسمت پایینی دستگاه گرفته بود، توسط این هوای برگشتی جذب می شود تا نیمه بالایی چرخ خشک شده و مجددا بچرخد و به قسمت پایین برسد. هوای برگشتی که از دسیکنت خارج می‌شود، دارای رطوبت زیادی است و به محیط خارج فرستاده می‌شود.

سیستم سرمایش تبخیری دسیکنتی

امکان پذیری سرمایش تبخیری در شهرهای ایران

روش‌های تبخیری مستقیم مانند کولر آبی، در باز خاصی از دما و رطوبت کارآیی دارند، و اگر آب‌ و هوای منطقه به‌گونه‌ای باشد که در نمودار سایکرومتریک نتوان از امتداد آن بر خط آنتالپی ثابت به ناحیه آسایش رسید، عملاً استفاده از کولر آبی در آن منطقه رد می‌شود. با این‌ حال، همان‌گونه که نمونه‌ای از این حالت در بخش معرفی دسیکنت آورده شد، می‌توان با برخی پیش‌ فرآیندها، هوا را به شرایطی رسانید که بتواند از طریق سیستم تبخیری مستقیم خنک شود. مهم‌ترین این پیش‌ فرآیندها، سرمایش تبخیری غیرمستقیم و رطوبت‌گیری دسیکنتی هستند. شکل زیر که توسط مرکز تحقیقات مسکن تهیه شده، امکان‌پذیر بودن روش‌های خنک‌ سازی تبخیری در ایران را نشان می‌دهد.

امکان پذیری سرمایش تبخیری در شهرهای ایران

مزایا و معایب سیستم تبخیری

مزایای سیستم تبخیری

1. سیستم‌های تبخیری به‌صورت کامل، شاملِ هوای تازه هستند، و برای مکان‌های پرجمعیتِ انسانی، مثل کلاس‌های درس، سالن‌های ورزشی و صنعتی و فضاهای جوشکاری و نظایر آن‌ها، مناسب هستند.
2. میزان جمعیت هیچ تأثیری بر روی محاسبات بارشان ندارد.
3. سیستم‌های تبخیری ارزان‌ترین روش هستند.
4. بهترین چیلرهای دنیا، از نظر میزان مصرف برق با سیستم‌های تبخیری قابل‌ رقابت نیستند. سیستم‌های تبخیری درحدودِ یک‌سوّمِ این چیلرها برق مصرف می‌کنند.
5. سیستم‌های تبخیری، ارزان‌ترین روش ازنظر مصرف برق هستند. این موضوع، درمورد برج‌های خنک‌کنِ آبی نیز صادق است.
6. سرمایه‌گذاریِ اوّلیّه سیستم‌های تبخیری بسیار کم است.
7. هزینه برق مصرفی در سیستم‌های تبخیری در حدود یک پنجم تا یک سوم سیستم‌های تراکمی است.

معایب سیستم های تبخیری

1. در کنار دریا و سواحل و نقاط مرطوب کارآیی ندارند. (به استثنای سیتم های دسیکنتی)
2. سیستم‌های تبخیری برای محیط‌های تمیز مناسب نیستند. (به علت رطوبت و احتمال رشد باکتری)
3. سیستم‌های تبخیری موجب ایجاد بیماری‌هایی نظیر زکام و مشکلات تنفسی می‌گردند.
4. تجمع رسوب و املاح، به سیستم‌های انتقال و کانال‌های هوا آسیب می‌رسانند. این کانال‌ها، محلّ تکثیر قارچ‌ها و باکتری‌ها هستند. سیستم‌های تبخیری، به‌دلیل وجود رطوبت در آن‌ها، فیلتر پذیر نیستند.
5. سیستم‌های تبخیری، به‌دلیل مکانیزم عملکرد آن‌‌ها که جاروب‌کردن گرما است، باعث بزرگ‌شدن ابعاد هندسی کانال‌ها می‌شوند. بنابراین ممکن است از نظر معماری با محدودیت هوای فضا مواجه شویم.
6. در سیستم‌های تبخیری، به‌دلیل زیادبودنِ نرخ دبی هوا هزینه فن نیز بالا می‌رود. بنابراین، فن‌های مصرفی در این سیستم‌ها می‌باید دارای کیفیّت مناسب باشند، درغیراین‌صورت، سروصدای آن‌ها در هنگام کار زیاد خواهد بود.
7. سیستم‌های تبخیری، با هر کیفیّت آبی رسوب خواهند داشت، و ذاتاً رسوب‌پذیرند.