مطالعه‌ای مقایسه‌ای بین سیستم‌های تهویه مکانیکی طبیعی و ترکیبی

تصور کنید در یک اتاق دربسته محبوس شده‌اید که هوا با آلاینده‌ها سنگین شده است و هر نفس کشیدن به یک مبارزه تبدیل می‌شود. در چنین سناریوهایی، سیستم‌های تهویه به عنوان نگهبانان نامرئی عمل می‌کنند و بی‌صدا از سلامت انسان محافظت می‌کنند. اما چگونه می‌توان روش تهویه مناسب را برای ایجاد یک محیط داخلی تازه و سالم انتخاب کرد؟

اصول اولیه تهویه موثر

تهویه، طبق تعریف، شامل معرفی هوای تازه بیرون و بیرون راندن هوای کهنه داخل برای تصفیه جو است. این سیستم به عنوان سیستم تنفسی ساختمان عمل می‌کند و نقش مهمی در حفظ کیفیت هوای داخل ساختمان دارد. یک سیستم تهویه کارآمد به سه عنصر ضروری نیاز دارد:

• نرخ تهویه: حجم هوای تازه وارد شده در واحد زمان، همراه با کیفیت آن هوای بیرون. انتخاب مناطقی با کیفیت هوای خوب بسیار مهم است.
• جهت جریان هوا: جریان هوای کلی داخل ساختمان باید از اصل «تمیز به آلوده» پیروی کند تا از پراکندگی آلاینده‌ها جلوگیری شود.
• توزیع هوا: هوای تازه باید به طور موثر به هر گوشه منتقل شود و در عین حال آلاینده‌ها را به سرعت از همه مناطق خارج کند.

در حال حاضر، سه روش اصلی تهویه غالب هستند: تهویه طبیعی، تهویه مکانیکی و تهویه ترکیبی (که به آن تهویه حالت ترکیبی نیز می‌گویند). در زیر ویژگی‌ها و کاربردهای بهینه آن‌ها را بررسی می‌کنیم.

تهویه طبیعی: بهره‌گیری از نفس طبیعت

تهویه طبیعی از نیروهای طبیعی مانند فشار باد و شناوری حرارتی (ایجاد شده توسط تفاوت‌های چگالی هوا در داخل و خارج) برای هدایت هوای بیرون از طریق دهانه‌های ساختمان استفاده می‌کند. این دهانه‌ها ممکن است شامل پنجره‌ها، درها، دودکش‌های خورشیدی، برج‌های بادی یا دریچه‌های میکرو با طراحی استراتژیک باشند. عملکرد تا حد زیادی به شرایط آب و هوایی، طراحی معماری و رفتار ساکنان بستگی دارد.

مزایا:

• مقرون به صرفه: از نیروهای طبیعی بدون مصرف انرژی استفاده می‌کند و حداقل هزینه‌های عملیاتی را ارائه می‌دهد.
• ظرفیت تهویه بالا: در شرایط مساعد، نرخ تبادل هوای قابل توجهی را فراهم می‌کند.
• سازگار با محیط زیست: وابستگی به سیستم‌های مکانیکی را کاهش می‌دهد و با اصول پایداری همسو است.
• مزایای نور روز: سیستم‌های با طراحی خوب می‌توانند نور طبیعی را بهینه کنند و نیاز به نور مصنوعی را کاهش دهند.

معایب:

• عملکرد نامنظم: بسیار وابسته به آب و هوا است و منجر به سطوح تهویه غیرقابل پیش‌بینی می‌شود.
• کنترل محدود: تنظیم دقیق جهت و حجم جریان هوا دشوار است و خطر انتشار آلاینده‌ها یا مناطق راکد را به همراه دارد.
• حداقل فیلتراسیون: فاقد قابلیت‌های موثر حذف ذرات، گازها یا بوها است.
• محدودیت‌های آب و هوایی: برای مناطق بسیار سرد، گرم یا آلوده کمتر مناسب است.
• نگرانی‌های امنیتی: باز ماندن طولانی مدت پنجره‌ها/درها ممکن است ایمنی را به خطر بیندازد.

تهویه مکانیکی: مدیریت دقیق هوا

تهویه مکانیکی از فن‌ها یا سایر تجهیزات برای گردش اجباری هوا استفاده می‌کند و تبادل هوای کنترل‌شده را به دست می‌آورد. فن‌ها ممکن است مستقیماً در پنجره‌ها/دیوارها یا در داخل مجرا نصب شوند تا هوای تازه را تامین یا آلاینده‌ها را تخلیه کنند.

انواع سیستم:

• فشار مثبت: فشار داخلی بالاتری را حفظ می‌کند و هوا را از طریق شکاف‌ها به بیرون می‌راند تا آلاینده‌های بیرون را مسدود کند. در آب و هوای گرم و مرطوب برای جلوگیری از تراکم دیوار رایج است.
• فشار منفی: فشار داخلی کمتری ایجاد می‌کند و هوای بیرون را به داخل می‌کشد تا جایگزین هوای تخلیه شده شود. در آب و هوای سرد برای به حداقل رساندن تراکم دیوار و در مناطق با آلودگی بالا مانند آشپزخانه‌ها/حمام‌ها استفاده می‌شود.
• تهویه متعادل: سیستم‌های تامین و اگزوز را ترکیب می‌کند که با دقت کالیبره شده‌اند تا الزامات طراحی را برآورده کنند. می‌تواند فشار مثبت/منفی جزئی را در صورت نیاز حفظ کند (به عنوان مثال، فشار منفی در آب و هوای سرد برای کاهش خطر تراکم، یا در اتاق‌های ایزوله که به فشار منفی ≥2.5Pa برای مهار پاتوژن‌ها نیاز دارند).

مزایا:

• عملکرد قابل اعتماد: جریان هوای ثابتی را بدون توجه به شرایط آب و هوایی ارائه می‌دهد.
• کنترل پیشرفته: مدیریت دقیق جهت و حجم جریان هوا را امکان‌پذیر می‌کند.
• فیلتراسیون برتر: می‌تواند فیلترهایی را برای حذف ذرات، گازها و بوها در خود جای دهد.
• کاربرد گسترده: برای انواع آب و هوا و انواع ساختمان مناسب است.

معایب:

• هزینه‌های بالاتر: هزینه‌های نصب/عملیاتی قابل توجه با الزامات نگهداری منظم.
• انرژی‌بر: عملکرد فن مصرف برق را افزایش می‌دهد.
• آلودگی صوتی: تجهیزات ممکن است سطوح صدای مزاحم ایجاد کنند.
• مطالبات نگهداری: برای جلوگیری از تخریب عملکرد یا آلودگی ثانویه، نیاز به سرویس دوره‌ای دارد.
• وابستگی به برق: در هنگام قطعی برق از کار می‌افتد.

تهویه ترکیبی: هم‌افزایی استراتژیک

تهویه ترکیبی (حالت ترکیبی) رویکردهای طبیعی و مکانیکی را ترکیب می‌کند و جریان هوای طبیعی را در اولویت قرار می‌دهد و در صورت نیاز پشتیبانی مکانیکی را فعال می‌کند. به عنوان مثال، فن‌های اگزوز می‌توانند تهویه طبیعی ناکافی را در مناطقی مانند بخش‌های عفونت تنفسی تکمیل کنند، به شرطی که هوا را مستقیماً به بیرون تخلیه کنند بدون اینکه فضاهای مجاور را آلوده کنند. اندازه و کمیت فن باید با دقت بر اساس نرخ تهویه هدف محاسبه شود.

مزایا:

• بهره‌وری انرژی: تهویه طبیعی را به حداکثر می‌رساند تا استفاده از سیستم مکانیکی را کاهش دهد.
• انعطاف‌پذیری عملیاتی: با نیازهای مختلف آب و هوا و کیفیت هوا سازگار می‌شود.
• آسایش پیشرفته: تازگی تهویه طبیعی را با قابلیت اطمینان سیستم‌های مکانیکی ادغام می‌کند.

معایب:

• طراحی پیچیده: به ادغام هر دو نوع سیستم نیاز دارد و مشکل برنامه‌ریزی را افزایش می‌دهد.
• هزینه‌های بالا: سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر از رویکردهای تک سیستمی.
• شدت نگهداری: به نگهداری برای اجزای طبیعی و مکانیکی نیاز دارد.

ارزیابی عملکرد تهویه

ارزیابی باید موارد زیر را بررسی کند:

• انطباق با نرخ: اینکه آیا جریان هوای واقعی الزامات طراحی را برآورده می‌کند یا خیر.
• یکپارچگی جهت‌دار: الگوهای جریان هوای تمیز به آلوده.
• یکنواختی توزیع: تحویل هوای تازه حتی در سراسر فضاها.
• حذف آلاینده‌ها: حذف موثر آلاینده‌ها.

معیارهای کلیدی عبارتند از:

• بهره‌وری تبادل هوا: اثربخشی توزیع هوای تازه را اندازه‌گیری می‌کند.
• اثربخشی تهویه: بهره‌وری حذف آلاینده‌ها را ارزیابی می‌کند.
• سن هوا: زمان لازم برای رسیدن هوا به مکان‌های خاص (مقادیر کمتر نشان‌دهنده عملکرد بهتر است).

مهندسان معمولاً از تکنیک‌های گاز ردیاب برای اندازه‌گیری سن هوا استفاده می‌کنند که با دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) و سرعت‌سنجی تصویر ذرات (PIV) برای شبیه‌سازی و بهینه‌سازی جریان هوا تکمیل می‌شود.

تجزیه و تحلیل مقایسه‌ای: تهویه طبیعی در مقابل تهویه مکانیکی

ملاحظات ویژه برای تأسیسات مراقبت‌های بهداشتی

سیستم‌های تهویه بیمارستانی اهمیت بیشتری دارند و نه تنها به حفظ کیفیت هوا بلکه به اقدامات کنترل عفونت نیز نیاز دارند. جدول زیر مزایا/معایب سیستم تهویه را در محیط‌های پزشکی خلاصه می‌کند: