بررسی مفاهیم پایه انتقال حرارت در تأسیسات ساختمان؛ از محاسبه انرژی تا انتخاب تجهیزات
شناخت گرما و دما برای محاسبه انرژی موردنیاز ساختمان، انتخاب دیگ و مشعل و تعیین ظرفیت تجهیزات گرمایشی اهمیت زیادی دارد. در طراحی تاسیسات موتورخانه و سیستم‌های گرمایش استخر، تنها دانستن دمای آب کافی نیست؛ باید مقدار انرژی لازم برای گرم‌کردن آب، سرعت انتقال انرژی و میزان اتلاف آن را نیز محاسبه کرد. آشنایی با انتقال گرما، گرمای ویژه آب و توان گرمایی کمک می‌کند ظرفیت تجهیزات متناسب با نیاز واقعی سیستم تعیین شود.
در این مطلب، مفاهیم اصلی فیزیک حرارتی، واحدهای اندازه‌گیری، فرمول‌های کاربردی و روش‌های انتقال انرژی بررسی می‌شوند. همچنین نقش هدایت حرارتی، ضریب k مصالح، وزش و همرفت و عایق حرارتی ساختمان در عملکرد سیستم‌های گرمایشی توضیح داده می‌شود تا بتوانید ارتباط این محاسبات را با تجهیزات موتورخانه و استخر بهتر درک کنید.
گرما چیست و چگونه منتقل می‌شود؟
گرما شکلی از انرژی ذخیره‌شده در یک جسم نیست؛ بلکه انرژی‌ای است که به دلیل اختلاف دما از یک جسم یا محیط به جسم یا محیط دیگر منتقل می‌شود. برای مثال، وقتی آب سرد را روی اجاق قرار می‌دهید، انرژی از شعله و سطح داغ ظرف به آب منتقل می‌شود و دمای آن به‌تدریج افزایش می‌یابد.
مواد از ذراتی مانند اتم‌ها و مولکول‌ها تشکیل شده‌اند که حرکت و برهم‌کنش آن‌ها با انرژی درونی ماده ارتباط دارد. با دریافت انرژی، وضعیت حرکتی و برهم‌کنش ذرات تغییر می‌کند و معمولاً دمای ماده افزایش می‌یابد؛ البته در فرایندهایی مانند ذوب یا تبخیر ممکن است انرژی دریافت شود، بدون اینکه دما در طول تغییر فاز ثابت افزایش پیدا کند.
برای درک بهتر این موضوع، باید بین انرژی درونی و انرژی در حال انتقال تفاوت قائل شد. انرژی درونی به وضعیت میکروسکوپی ماده مربوط است، اما گرما به انرژی‌ای گفته می‌شود که به علت اختلاف دما در حال انتقال است. همین تفاوت، پایه بسیاری از محاسبات حرارتی در تأسیسات ساختمان به شمار می‌رود.
تفاوت دما با مقدار انرژی حرارتی
دما نشان می‌دهد وضعیت حرارتی یک ماده چگونه است، اما به‌تنهایی مقدار انرژی موردنیاز برای گرم‌کردن آن را مشخص نمی‌کند. برای مثال، یک لیوان آب و یک استخر ممکن است هر دو دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد داشته باشند؛ بااین‌حال، انرژی لازم برای افزایش دمای آب استخر بسیار بیشتر است، زیرا جرم آب آن بالاتر است.
در سیستم‌های گرمایشی، جرم ماده و ظرفیت گرمایی آن در کنار تغییر دما اهمیت دارند. به همین دلیل، انتخاب دیگ موتورخانه یا مبدل حرارتی صرفاً بر اساس دمای خروجی آب کافی نیست. باید مقدار آب، دمای اولیه، دمای مطلوب و مدت‌زمان موردنیاز برای گرم‌شدن نیز مشخص باشد.
رسیدن دو جسم به دمای یکسان لزوماً به معنی برابر بودن انرژی درونی آن‌ها نیست. جنس ماده، جرم، حالت فیزیکی و شرایط محیطی هم در وضعیت انرژی آن نقش دارند. بنابراین، دما و انرژی حرارتی دو مفهوم مرتبط اما متفاوت‌اند.
واحدهای اندازه‌گیری دما و انرژی
در محاسبات تأسیساتی، دما معمولاً با درجه سانتی‌گراد و در روابط علمی با کلوین بیان می‌شود. برای تبدیل درجه سانتی‌گراد به کلوین، از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:
[
T(K)=t(°C)+273.15
]
برای نمونه، دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد برابر با ۲۹۸٫۱۵ کلوین است. در محاسبات اختلاف دما، اندازه اختلاف بر حسب کلوین و درجه سانتی‌گراد یکسان است؛ بنابراین، اختلاف ۱۰ درجه سانتی‌گراد با اختلاف ۱۰ کلوین برابر خواهد بود.
انرژی حرارتی نیز با واحدهای مختلفی بیان می‌شود. انتخاب واحد مناسب اهمیت دارد، زیرا در محاسبه ظرفیت تجهیزات ممکن است اطلاعات کاتالوگ‌ها با واحدهای متفاوت ارائه شده باشند.
- ژول :(J) واحد استاندارد انرژی در دستگاه بین‌المللی است.
- کیلوژول :(kJ) برابر با هزار ژول است.
- کیلوکالری :(kcal) در بسیاری از محاسبات قدیمی‌تر و کاتالوگ‌های تأسیساتی استفاده می‌شود.
- کیلووات‌ساعت :(kWh) واحد انرژی است و با توان یک کیلووات در مدت یک ساعت ارتباط دارد.
برای تبدیل واحدها، می‌توان از روابط تقریبی زیر استفاده کرد:
[
1,kWh=3600,kJ
]
[
1,kcal\approx4186.8,J
]
در زمان بررسی مشخصات یک دیگ، مشعل موتورخانه یا مبدل، لازم است واحدهای ظرفیت و انرژی را از یکدیگر تفکیک کنید. کیلووات واحد توان است، اما کیلووات‌ساعت مقدار انرژی را نشان می‌دهد.
محاسبه انرژی لازم برای گرم‌کردن آب
برای محاسبه انرژی موردنیاز جهت افزایش دمای یک ماده، در شرایطی که تغییر فاز رخ نمی‌دهد و گرمای ویژه تقریباً ثابت است، از رابطه زیر استفاده می‌شود:
Q=mc\Delta T
]
در این فرمول:
- (Q): انرژی موردنیاز بر حسب ژول
- (m): جرم ماده بر حسب کیلوگرم
- (c) : گرمای ویژه ماده بر حسب ژول بر کیلوگرم کلوین
- (\Delta T): اختلاف دمای نهایی و اولیه بر حسب کلوین یا درجه سانتی‌گراد
برای آب، در دماهای معمول تأسیساتی می‌توان مقدار تقریبی ۴۱۸۶ ژول بر کیلوگرم کلوین را در نظر گرفت. مقدار دقیق این ویژگی با دما تغییر می‌کند، اما برای بسیاری از محاسبات اولیه، این تقریب کاربردی است.
مثال کاربردی: گرم‌کردن آب استخر
فرض کنید استخری دارای ۱۰ هزار لیتر آب است و قرار است دمای آب آن از ۲۰ به ۲۸ درجه سانتی‌گراد برسد. با فرض چگالی تقریبی یک کیلوگرم برای هر لیتر آب، جرم آب برابر با ۱۰ هزار کیلوگرم خواهد بود.
اختلاف دما نیز از رابطه زیر محاسبه می‌شود:
[
\Delta T=28-20=8°C
]
با قرار دادن مقادیر در فرمول:
[
Q=10000\times4186\times8
]
[
Q=334{,}880{,}000,J
]
این مقدار تقریباً برابر با ۳۳۴٫۹ مگاژول یا ۹۳ کیلووات‌ساعت انرژی است. عدد به‌دست‌آمده فقط انرژی لازم برای افزایش دمای آب را نشان می‌دهد و اتلاف حرارت از سطح استخر، دیواره‌ها، لوله‌ها و تجهیزات را در نظر نمی‌گیرد.
در محاسبه واقعی، ظرفیت گرمایی آب و جرم آن باید با دقت مناسبی تعیین شوند. همچنین گرمایش آب استخر به شرایط محیطی، پوشش سطح آب، گردش آب و مدت‌زمان استفاده وابسته است. بنابراین، انرژی محاسبه‌شده به‌تنهایی برای تعیین ظرفیت نهایی تجهیزات کافی نیست.
تفاوت انرژی حرارتی با توان تجهیزات
انرژی نشان می‌دهد برای انجام یک فرایند چه مقدار انرژی لازم است؛ توان مشخص می‌کند این انرژی با چه سرعتی منتقل یا مصرف می‌شود. برای مثال، اگر دو دستگاه بتوانند مقدار انرژی یکسانی تولید کنند، دستگاهی که توان بیشتری دارد می‌تواند در شرایط یکسان این کار را در زمان کوتاه‌تری انجام دهد.
رابطه ساده محاسبه توان متوسط به صورت زیر است:
[
P=\frac{Q}{\Delta t}
]
در این رابطه، (P) توان متوسط بر حسب وات، (Q) انرژی بر حسب ژول و (\Delta t) زمان بر حسب ثانیه است.
در مثال استخر، اگر انرژی لازم برای گرم‌کردن آب حدود ۹۳ کیلووات‌ساعت باشد و بخواهیم این انرژی طی پنج ساعت به آب منتقل شود، توان مفید متوسط موردنیاز برابر است با:
[
P=\frac{93}{5}=18.6,kW
]
این مقدار، توان مفید منتقل‌شده به آب را نشان می‌دهد و هنوز تلفات سیستم در آن لحاظ نشده است. برای انتخاب تجهیزات واقعی باید راندمان دستگاه، اتلاف مسیر انتقال و شرایط کارکرد نیز بررسی شوند.
در کاتالوگ‌های تأسیساتی، توان ممکن است با واحدهای متفاوتی ارائه شود. تبدیل‌های زیر برای مقایسه اولیه کاربرد دارند:
- هر یک کیلووات تقریباً برابر با ۸۶۰ کیلوکالری بر ساعت است.
- هر یک وات تقریباً برابر با ۳٫۴۱۲ واحد حرارتی بریتانیا بر ساعت (BTU/h) است.
- هر یک کیلوکالری بر ساعت تقریباً برابر با ۱٫۱۶۳ وات است
توان گرمایی درج‌شده در مشخصات تجهیزات باید با نوع ظرفیت اعلام‌شده در کاتالوگ تطبیق داده شود؛ زیرا توان ورودی سوخت، توان خروجی دستگاه و توان مفید منتقل‌شده به آب الزاماً یکسان نیستند.
