كيف تعمل مكيفات الهواء

كيف تعمل مكيفات الهواء

ييبحث العديد من الناس عن راحة التبريد في داخل غرف بيوتهم عندما تبدأ درجة الحرارة في الخارج بالارتفاع عن طريق استخدام مكيفات الهواء.وعندما تمشي خلف أحد المباني وتجد وحدة تحتوي على كميات كبيرة من الماء الجاري عبر شبكة بلاستيكية, فمن المؤكد أنّك ترى برج تبريد, ويتم استخدام وحدات التكييف والتبريد بمختلف أنواعها ضمن مكاتب العمل وحرم الجامعات اعتماداً على تسيير الماء البارد ضمن أنابيب تجري تحت الأرض لأميال عدة. كما أنّ مكيفات الهواء هي إحدى الأشياء التي نراها يومياً التي قلّما نعطيها الاهتمام الكافي, الأمر الذي سيدفعنا خلال هذه المقالة أن نقوم بتفحص المكيفات وعملها (من الأصغر إلى الأكبر).

ضرورة معرفة مقدار الرطوبة والضغط:
يعتمد مقدار التبريد الذي ترغب في الحصول عليه برج تبريدٍ ما على الرطوبة النسبية للهواء إضافةً إلى الضغط الجوي. فعلى سبيل المثال, لو افترضنا أنّ درجة الحرارة تصل إلى 95 فهرنهايت (35 درجة مئوية) والضغط الجوي يصل إلى 29.92 إنش (وهو ضغط مستوى البحر الطبيعي), كما أن نسبة الرطوبة الجوية تصل إلى 80 بالمئة, فمن المؤكد أن برج التبريد سيعمل على خفض الحرارة إلى 6 درجات فهرنهايت لتصل إلى 89 فهرنهايت (3.36 درجة مئوية لتصل إلى 31.70).
أما إذا ما كانت نسبة الرطوبة تصل إلى 50 بالمئة, فإن درجة حرارة الماء داخل برج التكييف ستنخفض حوالي 15 فهرنهايت إلى 80 فهرنهايت (8.4 درجة مئوية إلى حوالي 27.7). ولو كانت نسبة الرطوبة الجوية تصل إلى 20 بالمئة فسينخفض معدل درجة حرارة الماء حوالي 28 فهرنهايت إلى 67 فهرنهايت (15.7 درجة مئوية إلى 19.4). وحتى انخفاضات درجة الحرارة الصغيرة قادرةٌ على التأثير بشكل كبير على استهلاك الطاقة.
أنواع المكيفات المتعددة:
تتنوع مكيفات الهواء من حيث سعة تبريدها وأحجامها وأسعارها. ويعد مكيف الهواء الذي يتم تركيبه قرب النافذة هو الأكثر شيوعاً بين هذه المكيفات.
أما بالنسبة للناس الذين يعيشون ضمن الضواحي فمعظهم يمتلك واحداً من هذا النوع الظاهر في الصورة التالية في فنائهم.

وإن كنت تعيش ضمن تجمع شقق فسيكون وجود هذا المكيف شيئاً طبيعياً.

في حين أنّ معظم أسطح مكاتب العمل ومباني الدوائر الرسمية تتواجد عليها وحدات تكثيف. وإذا ما طرت بطائرة فوق تجمعٍ مماثل, ستلاحظ أنّ المخازن والمتاجر تحتوي على أكثر من 20 وحدة تكثيف فوق أسطحها.

وإذا ما عدت أدراجك بالطائرة إلى العديد من المشافي والجامعات وتجمعات مكاتب العمل, فإنك ستجد بالتأكيد أبراج تبريد كبيرة مرتبطة بنظام تكييف الهواء.

وعلى الرغم من اختلاف مظهر هذه المكيفات الجميلة, لكنها كلها تعمل بنفس المبدأ, والآن ليسمح لنا القارئ العزيز بإلقاء نظرة أقرب إلى المكيفات.
الفكرة الأساسية:
بشكل أساسي, يعد مكيف الهواء ثلاجة بدون الصندوق المعزول. ويستخدم تبريد المبخر (الفريون) لتشكيل البرودة. وللتنويه, فإن الآلات الموجودة في دائرة التبخير الخاصة بالفريون المركب ضمن المكيف هي نفسها الموجودة في الثلاجة. ووفقاً لموقع قاموس مريام ويبستر أون لاين, فإنّ مصطلح (فريون) يعني: (الآلات التي تعمل على التبريد, وتعتمد في تكوينها على المواد الفلوروكربونية غير القابلة للاحتراق, لتكون مبردات وآلات تعمل على دفع (تسيير) الذريرات الصلبة أو السائلة).

وهنا نذكر كيف تعمل الدائرة التبخيرية الموجودة ضمن المكيفات:
1-يعمل الضاغط (الكمبراسور) على ضغط غاز التبريد الموجود في الفريون, الأمر الذي يؤدي إلى جعله غاز فريوني حار عالي الضغط (ذو اللون الأحمر في المخطط العلوي).
2-يمر هذا الغاز الحار عبر مجموعة من الأنابيب الالتفافية الحلزونية إلى أن يصل إلى مرحلة توزيع الحرارة وتفريقها, ثم يتحول بعملية التكثيف إلى سائل.
3-يمر السائل الفريوني عبر صمام توسعي, الأمر الذي يجعله يتحول خلال هذه العملية إلى غاز فريوني بارد ومنخفض الضغط (ذو اللون الأزرق في المخطط العلوي).
4-ثم يمر هذا الغاز البارد عبر مجموعة من الأنابيب الالتفافية الحلزونية والتي تسمح للغاز بامتصاص الحرارة وتبريد الهواء ضمن المبنى.
كما يتم مزج مقدار بسيط من زيت خفيف الوزن مع الفريون, الأمر الذي يسمح بتشحيم الضاغط.
وحدات التكييف المركبة بالقرب من النافذة:
تشكل وحدة تكييف الهواء المركبة على النافذة مكيفاً هوائياً كامل لمنطقة صغيرة. ويتم تصنيع هذه الوحدات لتكون صغيرة كفاية لتكون مثالية خلال عملية التركيب على إطار النافذة. وهنا يتوجب عليك إغلاق النافذة وسحب وحدة التكييف إلى الداخل, ثم تشغيلها للحصول على الهواء البارد. وإذا ما قمت بنزع الغلاف الخارجي لوحدة التبريد المركبة على النافذة والمكونة من قطعة واحدة, فستجد أنها تحتوي على: (ضاغط- صمام توسعي- أنبوب التفافي ساخن”في الخارج”- أنبوب التفافي بارد “في الداخل”- مروحتين- وحدة تحكم وسيطرة).
وتعمل المراوح الهوائية على نفخ الهواء على الأنابيب الالتفافية الحلزونية لتطوير قدرتها في فصل الحرارة (من الهواء الخارج) والتبريد (الهواء الموجود في الغرفة).

وحدات (بي تي يو) و(إي إي آر):
تتم عملية تحديد قدرة معظم مكيفات الهواء عن طريق الوحدات الحرارية البريطانية (بي تي يو-BTU). وبشكل عام, يمكن تعريف وحدة الـ(BTU) الواحدة على أنها مقدار الحرارة المطلوب لرفع درجة حرارة باوند واحد (0.45 كغ) من الماء فهرنهايت واحد (065 درجة مئوية). وللدقة, فإن وحدة (BTU) واحدة تساوي 1.055 جول, من ذلك نجد أنّ كل طن يساوي 12 ألف (BTU).
ويمكن تقدير عمل المكيفات الهوائية النموذجية المركبة على النافذة بـ10 آلاف (BTU). وهنا, إذا ما أردنا على سبيل المثال, تكييف منزل تبلغ مساحته 2000 قدم مربع (185.8 م2), فإننا سنحتاج إلى نظام تكييف هوائي قادرٌ على تزويدنا بـ5 طن من الهواء (60 ألف BTU), بمقدار 30 (BTU) في كل قدم مربع (خذ في حسبانك أن هذه التقديرات أولية وتقريبية, الأمر الذي يفرض عليك أن تتصل بشركة متخصصة في التكييف والتبريد لقياس حاجة منزلك من الهواء المكيف).
أما بالنسبة لتقدير فعالية الطاقة (EER) الخاصة بمكيف هوائي, فيحسب عن طريق تقسيم تقدير الـ(BTU) على قدرة الواط. على سبيل المثال, إذا كان مكيف هواء بقدرة 10 آلاف (BTU) يستهلك 1200 واط, فستكون نسبة الـ(EER) 8.3 أي (10 آلاف BTU/1200 واط). وبشكل واضح, فإنك سترغب في زيادة الـ(EER) بالقدر الممكن, لكن ذلك سيرفع من ثمن المكيف بالتأكيد.
نسبية قيمة الـ(إي إي آر) المرتفعة:
لنقل أنك تمتلك خيارين بين وحدتي تكييف بقدرة 10 آلاف (BTU), إحداها تمتلك (EER) بمقدار 8.3 وتستهلك 1200 واط, والأُخرى تمتلك قدرة (EER) بمقدار 10 وتستهلك ألف واط. ولنقل أن الفارق بين وحدتي التكييف سيبلغ 100 دولار. هنا علينا أن نعرف الأمرين التاليين لمعرفة معنى مصطلح (فترة العائد):
-ما هو مقدار الساعات التقديرية التي ستعمل فيها وحدة التكييف؟
-كم تبلغ تكلفة استهلاك الكيلو واط في الساعة في منطقتك؟
لنقل أنك تخطط لشراء مكيف هواء لتكييف الهواء خلال فترة شهور فصل الصيف (أربعة شهور), وسيعمل لمدة 6 ساعات في اليوم. ولنتخيل أيضاً أن قيمة استهلاك الكيلو واط في المنطقة التي تعيش فيها تبلغ (0.10) دولار أمريكي, فإن فرق استهلاك الطاقة بين المكيفين سيبلغ (200) واط, الأمر الذي يعني أن المكيف الأقل ثمناً سيستهلك ساعة إضافية كل خمس ساعات (كيلو واط إضافي) أي (010 دولار) أكثر من الوحدة الأغلى ثمناً. وبتقدير أن الشهر يساوي 30 يوم, فستجد أنك قد استخدمت المكيف في الصيف وفقاً للعملية الحسابية التالية:
(4 شهور*30 يوم في الشهر*6 ساعات في اليوم= 720 ساعة)
والفارق بين المكيف الأرخص والأغلى خلال فترة السنة الواحدة سيكون:
(720 ساعة*200 واط/سا)*(1000 واط/كيلو واط*0.10 دولار/كيلو واط في الساعة)=14.40 دولار.
وبما أن وحدة التكييف الأكثر قيمة تزيد بـ100 دولار عن الأقل تكلفة, فإنّ ذلك سيعني أنه سيحتاج إلى حوالي 7 سنوات لمعادلة الوحدة الأقل ثمناً من حيث التكلفة.
المكيفات المقسمة:
ويعمل هذا نظام هذه المكيفات على تقسيم القسم الساخن عن القسم البارد كالشكل التالي:

ويتألف القسم البارد من أنبوب التفافي بارد وصمام توسعي يتم وضعه فيفرن أو ضمن مقبض (موجّه) هوائي آخر يعمل على إدخال الهواء عبر البناء عن طريق استخدام سلسلة من القنوات. أما القسم الساخن المعروف بوحدة التكثيف, فيتمركز في خارج البناء, وفي معظم التركيبات المنزلية تبدو وحدة التكييف على هذا الشكل تقريباً:

وتتألف الوحدة من التفاف أنبوبي لولبي طويل يشابه شكل الأسطوانة. وتوجد مروحة في داخل الالتفاف الأنبوبي تعمل على نفخ الهواء عبر الالتفاف الأنبوبي. كما يوجد إلى جانب المروحة ضاغط مقاوم للعوامل الجوية إضافةً إلى بعض لوائح التحكم. وقد تم العمل على تطوير هذا النموذج بسبب انخفاض تكلفته ولأنه يحدث ضجة أقل داخل المنزل (بالطبع على حساب زيادة الضجة خارج المنزل).
يذكر أنه لا يوجد أي فرق بين هذا النظام و نظام المكيفات التي يتم تركيبها على النافذة من ناحية أسلوب العمل على الرغم من فصل القسمين الساخن والبارد عن بعضهما البعض. أضف إلى ذلك أن فعالية هذا النظام أكبر من فعالية نموذج المكيفات التي يتم تركيبها على النافذة, وذلك يعود إلى أن أنابيبه والضاغط الخاص به أكبر.
ويتم تركيب وحدة التكثيف على السطح في المخازن ومكاتب العمل, إضافةً إلى مراكز التسوق والمتاجر الكبيرة, ويعود ذلك إلى أنها عادةً ما تكون ضخمةً جداً. وقد يتم تركيب العديد من الوحدات الصغيرة فوق السطح على أن تكون مترابطة بالموجه الهوائي من الداخل (والذي قد يكون صغيراً) وذلك لتبريد منطق معينة من المبنى.
والآن لنلق نظرة على مكيفات الهواء التي تعتمد على الماء البارد.
نظام التكييف عن طريق استخدام الماء البارد:
ويتم استخدامه في المباني الكبيرة, خاصةً في المباني المتعددة الطوابق, وذلك بسبب تعرض نظام المكيفات المقسم إلى العديد من المشاكل ضمن هذه المباني. وتتمثل مشاكل نظام المكيفات المقسم في تركيب الأنبوب بين المكثف والموجه الهوائي, الأمر الذي من شأنه أن يؤدي إلى زيادة مشاكل التشحيم إذا ما كان الأنبوب طويلاً, ناهيك عن مشكلة عدم القدرة في التحكم على الأنابيب التي تحدث جراء العمل الزائد الذي تقوم به إضافةً على طولها, ما يبين لنا أنه من الضروري إيجاد حل لهذه المشكلة وذلك عم طريق استخدام نظام (الماء المبرد).
ويتمركز هذا النظام بكامله على السطح أو خلف البناء, حيث يقوم بتبريد الماء بين 40 و45 فهرنهايت (4.4 و7.2 درجة مئوية) على أن يمر هذا الماء عبر أنابيب يتم تركيبها ضمن البناء ويتم وصلها بالمقبض (الموجه) الهوائي إن احتجنا إليه. وضمن هذا النظام, لا يوجد أي حاجز عملي لطول أنبوب الماء المبرد, شريطة أن يتم عزله بشكل جيد.

من خلال هذا المخطط, يمكنك أن ترى أن المكيف الهواء (في اليسار) ذو مستوىً عالٍ, كما يسمح مبادل الحرارة لفريون التبريد بتبريد الماء الذي يجري عبر جدران المبنى.
أبراج التبريد:
كل الأنظمة السابقة التي عملنا على تغطيتها إلى الآن تعمل على استخدام الهواء بالشكل الذي يسمح بفصل الحرارة عن الالتفاف الأنبوبي الخارجي. أما بالنسبة لأنظمة التكييف الكبيرة, فيمكن زيادة الفعالية بشكل كبير عن طريق استخدام نظام برج التبريد الذي يعمل على تشكيل ماء منخفض الحرارة يتم تمريره عبر مبادل الحرارة ليعمل على تبريد الأنابيب الالتفافية الساخنة الخاصة بوحدة تكييف الهواء. وبشكل أولي, من المؤكد أن ثمن هذا النظام أكبر من الأنظمة الأُخرى, لكن عملية ادخار الطاقة ستكون أكثر فعالية بمرور الوقت (خاصة في المناطق ذات الرطوبة المنخفضة), الأمر الذي سيعدل من ارتفاع تكلفته.

وعلى اختلاف حجم وأشكال أبراج التبريد, لكنها كلها تعمل بنفس المبادئ:
1-يعمل برج التبريد على نفخ الهواء ضمن الأنابيب التي تجري فيها المياه, الأمر الذي من شأنه أن يعمل على تبخير قسم من الماء.
2-وبشكل عام, يتم تقطير الماء عبر شبكة بلاستيكية غشائية ثخينة مفتوحة.
3-يتم نفخ الهواء عبر الشبكة بزاوية صحيحة على مجرى الماء.
4-تقوم عملية التبخير بتبريد مجرى المياه.
5-تعمل أبراج التبريد على إضافة الماء باستمرار إلى النظام لتعديل الاختلاف الذي تحدثه خسارة قسم من الماء جراء عملية التبخير.

الرطوبة والضغط الجوي كعوامل أساسية:
يعتمد مقدار التبريد الناجم عن برج التبريد على رطوبة الهواء النسبية وعلى الضغط الجوي أيضاً. فعلى سبيل المثال, لو قدرنا أن درجة الحرارة تبلغ 95 فهرنهايت (35 درجة مئوية) وكان الضغط الجوي يبلغ 29.92 إنش (ضغط مستوى البحر الطبيعي), وقد بلغت نسبة الرطوبة الجوية إلى 80 بالمئة, فإنّ درجة حرارة الماء الموجودة ضمن برج التبريد ستنخفض حوالي 6 درجات فهرنهايت لتصل إلى 89 فهرنهايت (3.36 درجة مئوية لتصل إلى 31.7 درجة مئوية).
وإذا كانت الرطوبة النسبية تقدر بـ50 بالمئة فإنّ درجة حرارة الماء ستنخفض 15 فهرنهايت لتصل إلى 80 فهرنهايت (8.4 درجة مئوية لتصل إلى 26.7 درجة مئوية).
ولو افترضنا أن نسبة الرطوبة تقدر بـ20 بالمئة, فإنّ درجة حرارة الماء ستنخفض 28 فهرنهايت لتصل إلى 67 فهرنهايت (15.7 درجة مئوية لتصل إلى 19.4 درجة مئوية). يذكر أن انخفاضات درجة الحرارة البسيطة تؤثر بشكل كبير على عمليات استهلاك الطاقة.
وفي الوقت الراهن, يتم استخدام أبراج التبريد ضمن العديد من مكاتب العمل وحرم الجامعات إلى أن أصبحت ضرورية وحيوية ضمن هذه المباني, حيث يتم تمرير الماء البارد عبر أنابيب تجري تحت الأرض لعدة أميال. والآن, من المؤكد أنك ستعرف أنك ترى أمامك برج تبريد عندما تمر خلف مبنىً وتجد وحدة تكييف تحتوي على مقدار كبير من الماء الذي يمر عبر شبكة بلاستيكية.