نظام المياه المبردة

أ نظام المياه المبردة هو نظام تكييف وتدفئة يستخدم الماء منخفض الحرارة للتبريد وإزالة الرطوبة، وهو شائع في المباني الكبيرة مثل ناطحات السحاب ومراكز التسوق والمستشفيات.

تُمثل أنظمة المياه المبردة نوعًا هامًا من تقنيات تكييف الهواء، وتُستخدم على نطاق واسع في المباني الضخمة مثل برج خليفة ومرديكا 118. ونظرًا لتعقيدها وانتشارها في منشآت مثل الفنادق والمكاتب ومراكز التسوق والمستشفيات، فإن فهم آلية عملها أمر بالغ الأهمية لإدارة المباني بكفاءة. تشير الدراسات إلى أن تبريد المساحات يُمثل جزءًا كبيرًا من استهلاك الطاقة في المباني التجارية (على سبيل المثال، تشير الدراسات إلى حوالي 42% في بعض المناطق). يتيح الفهم الشامل للمهندسين والفنيين وموظفي الصيانة ومديري المباني تحسين الأداء وتحقيق وفورات كبيرة في الطاقة.

تتناول هذه المقالة بالتفصيل المكونات الرئيسية واعتبارات التصميم الأساسية ومخططات النظام المشتركة المرتبطة بأنظمة المياه المبردة.

تعريف

أ نظام المياه المبردة هو نظام تكييف هواء يستخدم الماء المُبرّد (ماء منخفض الحرارة، عادةً ما بين 6 و12 درجة مئوية أو 42-54 درجة فهرنهايت) يُوزّع عبر أنابيب لتبريد الهواء داخل المبنى وإزالة الرطوبة منه. يتألف النظام من عدة مكونات مترابطة تؤدي وظائف مثل تبريد الماء (التبريد)، ودوران الماء (الضخ)، وتبريد الهواء وإزالة الرطوبة (معالجة الهواء)، وطرد الحرارة.

بخلاف أنظمة التمدد المباشر (DX) التي تستخدم المُبرِّد مباشرةً في ملفات معالجة الهواء، تستخدم أنظمة الماء المُبرَّد الماء كوسيط تبريد ثانوي. تُوزَّع وحدات معالجة الهواء (AHUs) أو وحدات الملفات المُروحية (FCUs) في جميع أنحاء المبنى، وتُدوِّر الهواء عبر ملفات تحتوي على ماء مُبرَّد، مما يُبرِّد المساحة ويُزيل الرطوبة منها. تعتمد كفاءة النظام وثباته بشكل كبير على اختيار مكوناته وتكاملها.

عناصر

يُعد فهم المكونات الفردية وأنواعها المختلفة أمرًا بالغ الأهمية، إذ تؤثر هذه الخيارات بشكل كبير على أداء النظام وكفاءته وملاءمته لتطبيقات محددة. تشمل المكونات الرئيسية ما يلي:

1. مبرد

   ال مبرد هو المكون الأساسي المسؤول عن إنتاج الماء المُبرّد. يعمل هذا المكون بناءً على دورة التبريد (الضغط، التكثيف، التمدد، التبخر) لإزالة الحرارة من حلقة الماء التي تنتقل إلى وحدات معالجة الهواء في المبنى. عادةً ما تكون وحدات التبريد أكبر مستهلك للطاقة في النظام.

   يُعد استخدام الماء كوسيط لنقل الحرارة ميزةً نظرًا لسعته الحرارية النوعية العالية (حوالي 4.2 كيلوجول/كجم·كلفن مقارنةً بـ 1.005 كيلوجول/كجم·كلفن للهواء) وتوافره. يُغني تركيز عملية التبريد في مُبرّد كبير واحد أو أكثر عن الحاجة إلى العديد من الضواغط المنفردة في مبنى كبير، مما يُبسط الصيانة ويُحسّن الكفاءة والموثوقية بشكل عام.

   يجب طرد الحرارة التي يمتصها المبرد من المبنى إلى البيئة. وهذا يؤدي إلى تصنيفات مختلفة للمبردات بناءً على طريقة طرد الحرارة.

2. معدات رفض الحرارة (على سبيل المثال، برج التبريد)

   تقوم المبردات بطرد الحرارة الممتصة إما مباشرة إلى الهواء المحيط (مبرد بالهواء) أو عبر حلقة مياه منفصلة إلى جهاز رفض الحرارة (مبرد بالماء).

   أبراج التبريد تُستخدم عادةً مع المبردات المبردة بالماء. فهي تُسهّل طرد الحرارة من حلقة ماء المكثف إلى الغلاف الجوي، وذلك أساسًا عن طريق التبخر. يُضخّ الماء من مكثف المبرد (ماء المكثف) إلى برج التبريد، ويُوزّع على وسط تعبئة لزيادة تلامس الهواء والماء، ويُبرّد مع سحب الهواء المحيط عبر البرج، مما يُؤدي إلى تبخر بعض الماء. ثم يعود ماء المكثف المبرد إلى المبرد.

   مبردات الهواء المبردة تستخدم المراوح لدفع الهواء المحيط مباشرةً فوق ملفات المكثف، مما يُبدّد الحرارة دون الحاجة إلى برج تبريد أو حلقة ماء للمكثف. يُبسّط هذا النظام، ولكنه غالبًا ما يُؤدي إلى انخفاض كفاءة الطاقة مقارنةً بأنظمة التبريد بالماء، خاصةً في المناخات الحارة.

3. مضخات

   مضخات مطلوبة لتوزيع المياه عبر الحلقات المختلفة للنظام:

   • مضخات المياه المبردة: توزيع المياه المبردة بين المبردات ووحدات معالجة الهواء/وحدات التحكم في التدفق المبرد.
   • مضخات المياه المكثفة: قم بتوزيع مياه المكثف بين المبردات المبردة بالماء وبرج التبريد.

   يؤثر ترتيب المضخة واستراتيجية التحكم (على سبيل المثال، السرعة الثابتة مقابل السرعة المتغيرة) بشكل كبير على كفاءة النظام واستقراره.

4. وحدة معالجة الهواء (AHU) / وحدة الملف المروحة (FCU)

   وحدات معالجة الهواء و وحدات التحكم في التدفق وحدات طرفية مسؤولة عن تكييف الهواء في المساحات المأهولة. تتكون عادةً من مروحة، وملف تبريد (يتدفق من خلاله الماء المبرد)، ومرشحات، وأحيانًا ملفات تسخين، وأجهزة ترطيب، أو أجهزة استعادة طاقة. يُسحب الهواء من المساحة (أو من الخارج)، ويمر عبر ملف التبريد حيث ينقل الحرارة إلى الماء المبرد، ثم يُعاد إلى المساحة بدرجة حرارة ورطوبة أقل. تخدم وحدات مناولة الهواء (AHUs) عادةً مناطق أكبر أو غرفًا متعددة، بينما تكون وحدات التبريد الجزيئي (FCUs) أصغر حجمًا وتخدم غرفًا فردية.

5. المكونات المساعدة

   هناك العديد من المكونات الأخرى الضرورية للتشغيل السليم:

   • خزان التمدد: يستوعب التغيرات في حجم المياه بسبب التقلبات في درجات الحرارة في حلقة المياه المبردة المغلقة ويساعد في الحفاظ على ضغط النظام.
   • نظام ماء المكياج: يعمل على تعويض المياه المفقودة بسبب التبخر في أبراج التبريد أو التسربات في النظام.
   • نظام معالجة المياه: يحافظ على جودة المياه في كل من حلقات المياه المبردة والمكثفة لمنع التآكل والتراكم والنمو البيولوجي، مما يضمن الكفاءة وطول العمر.
   • الأنابيب: يربط جميع مكونات توزيع المياه.
   • الصمامات والضوابط: تنظيم تدفق المياه ودرجة الحرارة والضغط في جميع أنحاء النظام لضمان التشغيل الفعال والتحكم في المنطقة.
   • خزانات تخزين الطاقة الحرارية (TES): يتم استخدامها في بعض الأنظمة (خاصة أنظمة التبريد المركزي) لتخزين المياه المبردة الناتجة خلال ساعات الذروة لاستخدامها أثناء ذروة الطلب، مما يقلل من تكاليف التشغيل.

اعتبارات تصميم النظام

يتضمن تصميم نظام مياه مبردة فعال وكفء عدة قرارات رئيسية:

1. درجات حرارة التشغيل

   يُعد تحديد درجات حرارة الماء المبرد للإمداد والعودة (وبالتالي فرق درجة الحرارة، أو دلتا T) أمرًا أساسيًا. قد تستخدم التصاميم الشائعة درجة حرارة إمداد تبلغ 6.7 درجة مئوية (44 درجة فهرنهايت) وعودة تبلغ 12.2 درجة مئوية (54 درجة فهرنهايت)، مما ينتج عنه دلتا T تبلغ 5.5 درجة مئوية (10 درجات فهرنهايت). ومع ذلك، فإن التصميم لقيمة دلتا T أعلى (مثل 8.3 درجة مئوية أو 15 درجة فهرنهايت) يمكن أن يقلل من معدلات تدفق المياه المطلوبة لنفس حمل التبريد، مما قد يوفر طاقة المضخة، مع أنه قد يؤثر على كفاءة المبرد وقدرته على إزالة الرطوبة.

2. اختيار نوع المبرد

   ويعتمد الاختيار على عوامل مثل متطلبات الكفاءة، والمساحة المتاحة، والمناخ، والتكلفة الأولية، واعتبارات الصيانة، وتوافر فرص استعادة الحرارة.

   على أساس رفض الحرارة:

   • مبردة بالماء: تعتبر أكثر كفاءة في استخدام الطاقة بشكل عام، وخاصة بالنسبة للسعات الكبيرة، ولكنها تتطلب أبراج تبريد وحلقة مياه مكثفة.
   • تبريد الهواء: تركيب أبسط (لا يوجد برج تبريد)، وتكلفة أولية أقل محتملة، ولكن غالبًا ما يكون أقل كفاءة وقد يكون صاخبًا.
   • التكثيف التبخيري / الهجين: دمج تبريد الهواء مع رش الماء على ملف المكثف لتحسين الكفاءة مقارنة بوحدات التبريد بالهواء القياسية.

   بناءً على تقنية الضاغط:

   • الطرد المركزي: فعّال للأحمال الكبيرة، ويستخدم غالبًا مبردات منخفضة الضغط، وقد يكون انخفاض درجة الحرارة (كفاءة الحمل الجزئي) محدودًا. تتوفر خيارات محامل مغناطيسية خالية من الزيت.
   • المسمار (أحادي أو مزدوج): كفاءة جيدة للحمل الجزئي، ونطاق تشغيل أوسع من أجهزة الطرد المركزي، ومناسبة للأحمال المتوسطة إلى الكبيرة.
   • التمرير: شائعة في المبردات الأصغر حجمًا، وموثوقة، وذات كفاءة جيدة، وغالبًا ما تستخدم في ترتيبات المبردات المعيارية.
   • متبادل: تكنولوجيا قديمة، أقل شيوعًا الآن بسبب كفاءتها المنخفضة مقارنة بالتقنيات الأخرى.

   أنواع أخرى:

   • مبردات الامتصاص: استخدم مصدرًا للحرارة (مثل الحرارة المهدرة أو البخار أو الغاز الطبيعي) بدلاً من الضغط الميكانيكي، وهو أمر مفيد في حالة توفر الحرارة الرخيصة أو ارتفاع تكاليف الكهرباء.
   • مبردات استعادة الحرارة: تم تصميمه لالتقاط حرارة المكثف لأغراض مفيدة مثل الماء الساخن المنزلي أو تدفئة المكان.

3. عدد وأحجام المبردات

   بدلاً من مُبرّد واحد كبير، تُستخدم عادةً عدة مُبرّدات أصغر حجمًا لتوفير التكرار (حيث يظل النظام قادرًا على العمل في حال تعطل أحد المُبرّدات) وتحسين كفاءة الحمل الجزئي (تشغيل عدد أقل من المُبرّدات بالقرب من نقطة كفاءتها المثلى). تتضمن الاستراتيجية الشائعة استخدام مُبرّدات متطابقة الحجم، أو أحيانًا دمج مُبرّد أصغر حجمًا للتعامل بكفاءة مع ظروف الحمل المنخفض (مثلًا، أثناء الليل).

   للمبردات سعة تشغيلية دنيا (حد أقصى للتشغيل، على سبيل المثال، 20-30% من الحمل الكامل). يجب تصميم المحطة لتلبية الحد الأدنى من حمل المبنى دون التسبب في دورات مفرطة للمبردات أو تعطلها. يسمح استخدام وحدات متعددة بمطابقة سعة المحطة بشكل أفضل مع الطلب الفعلي على التبريد.

4. ترتيب الضخ (تكوين النظام)

   تؤثر طريقة تكوين المضخات على استقرار التدفق والتحكم واستهلاك الطاقة.

   • التدفق الأولي-الثانوي: يستخدم مجموعتين من المضخات في دورة الماء المبرد. تحافظ المضخات الرئيسية على تدفق ثابت عبر المبردات، مما يضمن تشغيلًا مستقرًا. تستخدم المضخات الثانوية محركات متغيرة السرعة (VSD) لتغيير تدفق الماء إلى المبنى حسب الطلب. هذا يفصل تدفق المبرد عن تدفق المبنى، مما يوفر استقرارًا، ولكنه قد يزيد من التعقيد والتكلفة.
   • التدفق الأساسي المتغير (VPF): يستخدم مجموعة واحدة من مضخات السرعة المتغيرة لكامل دورة المياه المبردة. يُعد هذا النظام أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة وتكلفة أولية أقل (عدد أقل من المضخات)، ولكنه يتطلب تصميمًا وتحكمًا دقيقين لضمان الحد الأدنى من التدفق المطلوب عبر المبردات النشطة في جميع الأوقات.

5. ملف تعريف التحميل وتقسيم المناطق

   يُعد فهم نمط أحمال التبريد للمبنى (كيف يختلف الطلب يوميًا وموسميًا) أمرًا بالغ الأهمية. قد تختلف احتياجات المناطق المختلفة (مثل المكاتب وغرف الخوادم). قد تتطلب المناطق ذات احتياجات التبريد المستمر (مثل مراكز البيانات) أنظمة تبريد مخصصة (ربما DX) أو اعتبارات خاصة ضمن تصميم المحطة المركزية، حيث إن تشغيل نظام مركزي كبير لحمولة صغيرة جدًا يُعدّ غير فعال.

مخططات نظام المياه المبردة

يتم استخدام مخططات مختلفة لتمثيل أنظمة المياه المبردة، مما يوضح مستويات مختلفة من التفاصيل وجوانب التصميم:

1. مخطط النظام الشامل: يوضح المكونات الرئيسية (المبردات، أبراج التبريد، المضخات، وحدات معالجة الهواء/وحدات الطرد المركزي النموذجية) وتوصيلاتها عبر حلقات الأنابيب (الماء المبرد، ماء المكثف). ويوضح الكميات، وأنواع المعدات الرئيسية، ومفاهيم التحكم الأساسية. (مثال: محطة تبريد متعددة تعمل بالطرد المركزي ومبردة بالماء).
2. مخطط محطة التبريد المركزية: يُصوِّر هذا الرسم محطة مركزية كبيرة تخدم عدة مبانٍ. قد يشمل ميزات مثل خزانات تخزين الطاقة الحرارية (TES)، وحلقات توزيع رئيسية/ثانوية، ومبادلات حرارية عند واجهات المباني. يُركِّز الرسم على المحطة المركزية والتوزيع الرئيسي.
3. مخطط أنابيب الشبكة: يوضح مخطط أنابيب التوزيع من المحطة المركزية إلى المباني المُخدَّمة وداخلها، وهو مناسبٌ بشكلٍ خاص لأنظمة التبريد المركزي أو أنظمة الحرم الجامعي الكبيرة. قد يوضح المخطط مسارات الأنابيب وأحجامها وتوصيلاتها بواجهات المباني أو الرافعات الرئيسية.
4. مخطط ارتفاع المبنى: بالنسبة للمباني الشاهقة، يُظهر هذا الرسم البياني التوزيع الرأسي لأنابيب المياه المبردة التي تربط المحطة (غالبًا في الطابق السفلي أو على السطح) بوحدات مناولة الهواء/وحدات التبريد الرغوي في طوابق مختلفة. كما يوضح تقسيم المناطق وتسلسل التوصيلات.
5. مخطط تفصيلي لتوصيل المعدات: يقدم تفاصيل محددة لتوصيل المكونات الفردية مثل المبردات أو المضخات، مع إظهار صمامات العزل، وصمامات التحكم، والمصافي، والمقاييس، والمستشعرات، وخطوط الالتفافية، وتكوينات الأنابيب الدقيقة اللازمة للتثبيت والصيانة.