مقدمة تاريخية حول التكييف والتبريد

مقدمة تاريخية حول التدفئة و التكييف

--------------------------------------------------------------------------------

من مقدمة كناب التكييف المدرس في جامعة دمشق

هندســـة التدفئــــــة د . مروان شرباتي
مقدمـــة تاريخيــــة
هو تدفئة الغرف والأماكن التي يتواجد فيها الناس في فصل الشتاء بحيث يؤدي ذلك إلى رفع درجة حرارة الهواء في الغرف ورفع درجة حرارة الإشعاع الوسطية للسطوح المحيطة بالغرفة .
إن أقدم طريقة للتدفئة المكانية عند مختلف الشعوب ،كانت التدفئة بواسطة موقد يستعمل الخشب كمصدر للطاقة الحرارية , والذي كان يستعمل أيضاً لطهي الطعام . وباعتبار أن هذه الطريقة من التدفئة كانت مصحوبة بتوليد كمية كبيرة من الدخان , فقد استعمل الرومانيون القدماء الفحم الخشبي لهذه الغاية والذي كان يحرق على أطباق معدنية .
حوالي القرن العاشر الميلادي تطورت المواقد المكشوفة إلى مواقد مغلقة بحيث تم سحب الدخان المتولد من الاحتراق بواسطة مدخنة مخصصة لذلك , مصنوعة في الابتداء من الحجر، ثم من الطين ، ثم صنعت من القطع المكعبة ( الآجر) حوالي القرن الرابع عشر,
حوالي القرن السابع عشر , تم استعمال الأفران الحديدية للتدفئة التي تطورت وتحولت , ولا يزال استعمالها وتطورها حتى الوقت الحاضر .
إن أول طريقة تدفئة مركزية استعملها الرومان كانت تسمى التدفئة بطريقة (Hypo Kaust) حيث كانت توضع غرفة الاحتراق تحت المبنى مباشرة , وكان الوقود المستخدم هو الخشب أو الفحم الحجري , أما غازات الاحتراق فكانت تمر تحت المبنى وتسخن أرض المبنى وتنطلق عن طريق فتحات موجودة على طرف المبنى وبدون مداخن (حوالي عام 215) .
حوالي القرن الثاني عشر تم إنشاء عدة أبنية في ألمانيا مدفأة بواسطة أفران حجرية , حيث كانت النار المتولدة من الخشب ترفع من درجة حرارة الأحجار، وبعد انطفاء النار كانت الأحجار تعطي الحرارة المختزنة فيها إلى الغرفة .
حوالي القرن الثامن عشر تمت صناعة أفران لتدفئة الهواء , تحتوي على فتحة لدخول الهواء لخارجي , ومدخنة لسحب غازات الاحتراق الموجودة , وكانت هذه الأفران مصنوعة من الآجر وملبسة بطبقة ملساء وموضوعة في القبو , وزوّدت هذه الأفران بمدخنة لسحب غازات الاحتراق . وتم تسخين الهواء على السطح الخارجي للفرن حيث كان يُدفع بواسطة ثقوب في الأرض إلى الغرفة ، وبعد ذلك تم استعمال أنابيب حديدية تمر خلالها غازات الاحتراق وحولها هواء التدفئة أو بالعكس .
أما التدفئة بالبخار فقد نشأت أول مرة في إنكلترا عام(1750م ) بضغط يتراوح بين (1- 2) بار . والأجسام المشعة كانت الأنابيب الملساء أو الأنابيب ذات الشفرات .
في الولايات المتحدة الأمريكية وفي عام (1870) تم استعمال المراجل من الحديد الصب , وفي عام (1880م ) كان استعمال مدافئ من الحديد الصب . وفي عام (1895م ) تمت صناعة المراجل ذات المقاطع من قبل (ستربل Strbl ) . وبعد ذلك بقليل تحسنت ا لتدفئة بواسطة التحكم بالاحتراق، والتحكم بالصمامات ، وبدئ باستعمال فحم الكوك للاحتراق .
أول تدفئة للبيوت تم تحقيقها حوالي عام (1900م ) في مدينة (درسدن) , حيث تم تدفئة أحد عشر بيتا ًمن مصدر واحد للتدفئة .
في ابتداء القرن العشرين اتسع استعمال التدفئة بواسطة الماء وباستعمال مضخات التسريع في بيوت السكن وفي المؤسسات والمكاتب وغيرها . والتدفئة بالبخار في الأماكن الصناعية , علماً بأن التدفئة بالبخارلاتزال منتشرة وبشكل واسع في الولايات المتحدة الأمريكية , إلى الآن وفي أكثر مجالات الحياة .
أما التدفئة بالماء وبضغط عال فقد ابتدعها ( بيركنز Perkins )عام (1831م ) في إنكلترا , حيث استعمل دارة مغلقة بأنابيب سميكة وضغط لغاية (2) بار لتدفئة المصانع .
إن هدف التطور في هذا المجال في الوقت الحاضر , هو تحسين مردود أجهزة التدفئة , وإنتاج أنواع جديدة من الأجسام المشعة , وتحسين المراجل وخاصة الفولاذية منها , من جهة المردود, ومن جهة التشغيل والصيانة , وتصميم التدفئة الجماعية لعدة أبنية منفصلة بحيث تكون مناسبة من الناحية الاقتصادية ومن الناحية العملية .






هندســـة تكييــف الهــــواء
بشكل عام هو إصلاح الهواء للحصول على درجة الحرارة والرطوبة المطلوبة، وعلى نظافة وسرعة جريان هواء مناسبة ، إوتتضمن وحدة التكييف ووحدة التبريد بأجزائها المتعددة .
إن جسم الإنسان يمكنه أن يتأقلم ويتعوّد على مواصفات مناخية محدودة بدون الشعور بتعب جسمي.
أما عند زيادة درجة الحرارة والرطوبة النسبية للجو المحيط به , وتغيّر سرعة جريان الهواء عن حدود معينة , فإن ذلك يولّد لدى الإنسان شعوراً بالضيق . ومن المعروف أن الإنسان يمكنه حماية نفسه ضد درجات الحرارة المنخفضة , وذلك بارتداء الملابس المناسبة . أما عند ارتفاع درجة الحرارة وارتفاع نسبة الرطوبة , فلا توجد حماية طبيعية , وعليه ايجاد السبل الصناعية لذلك .
عند ارتفاع درجة حرارة المحيط , ترتفع درجة حرارة الجسم وتزداد دقّات القلب ويزداد إفراز العرق , وتنقص بالتالي استطاعة الجسم , من الناحية البدنية , ومن الناحية الفكرية .
كما أنه عند العمل في جوّ حار يصل الإنسان إلى درجة التعب والإنهاك بسرعة , وذلك لسوء في الدورة الدموية ولألم في الرأس , ولعدم ارتياح نفسي , وغير ذلك من الأمور .
لذلك فإن الاهتمام بإصلاح الهواء هو أحد الأسس الرئيسية لرفع المستوى الحياتي والثقافي للناس , كما أنه عامل فعّال في زيادة انتاج الطبقة العاملة .
تقسم هندســة التكييــــف إلى قسمين :
آ- تكييف لأجل راحة الإنسان ب- تكييف لأجل الصناعة (لراحة الآلات)
ومهمة التكييف الصناعي تأمين جو مناسب لزيادة وتحسين الإنتاج والحفاظ على مردود جيد لآلات الإنتاج مثل صناعة التبغ .صناعة الورق . صناعة الغزل والنسيج وغيرها ….. ونستعمل لذلك المرطبات بقصد تبريد الهواء وترطيب الهواء كما نستخدم آلات التبريد التي تعمل على وسيط التبريد مثل غاز النشادر أو الفريون بأنواعه عندما يكون هناك حاجة للتبريد إلى درجات حرارة لايمكن تأمينها عن طريق تبريد الهواء بالترطيب .
ويجب أن يحقق تكييف الهواء ما يلي:
1- التحكم في رطوبة الهواء النسبية .
2- توزيع الهواء وحركته ضمن الحيز المكيف 0
3- نقاوة الهواء من الملوثات (الغبار ،الحشرات ،العفونة )
4- خفض درجة حرارة الهواء او رفعها والسيطرة عليها 0
5- السيطرة على الضوضاء ضمن حدود مقبولة 0
خريطـــة الراحـــــة :
وتبين العلاقة بين درجة حرارة الهواء الجافة ودرجة حرارة الهواء الرطبة والرطوبة النسبية عند سرعة الهواء داخل الأماكن المكيفة (0.075-0.125) م/ ثا
تعبر المناطق المشهورة في الشكل المجاور عن مناطق الراحة صيفاً و شتاءً وهي صالحة لارتفاعات تصل حتى (2100) م فوق سطح البحر ،ولمعدل لبس (CLO) يتراوح بين (0.6-0. درجة الحرارة الفعالة وهي عبارة عن درجة تعبر بقيم عددية واحدة عن درجة حرارة الدفء أو البرودة التي يشعر بها جسم الإنسان نتيجة تأثره بكل من درجة حرارة الهواء ورطوبته وحركته 0
يشعر الرجال والنساء بالراحة طوال العام عندما تكون الرطوبة النسبية للهواء في الحدود من (38%-70%)ودرجة حرارته الجافة تتراوح بين (23-25) م 0ويظهر في الشكل المجاور خطوط ثبات درجة الحرارة الفعالة 0 يلاحظ أنه نفس خطوط درجة الحرارة الفعالة تتناسب كل من الرطوبة النسبية ودرجة الحرارة الرطبة تناسباً عكسيا مع درجة الحرارة الجافة 0ولدرجة تصميم جافة تتراوح بين (38-41) م درجة الحرارة الفعالة حوالي (24) م 0
تتوقف درجة الحرارة الفعالة على :
1- الظـــروف المناخيـــة : يلاحظ أن درجة الحرارة الفعالة للطقس البارد أقل من نظيرتها للجو الحار درجة الحرارة الفعالة للمناطق الشمالية (20) م شتاء ،و(21) م صيفاً
2- فتــرة التواجــــــد : يفضل زيادة درجة الحرارة الفعالة كلما قلت فترة التواجد في الأماكن المكيفة لكي لا يصاب شاغلي المكان بالنزلات الصدرية 0للمناطق الصحراوية والاستوائية درجة الحرارة الفعالة لفترة تواجد كبيرة حوالي (22) م ولفترة تواجد قصيرة حوالي (24) م0
3- الملابـــــس : تتوقف درجة الحرارة الفعالة على المقاومة الحرارية للملابس التي يرتديها شاغلي الأماكن المكيفة 0يعبر عن المقاومة الحرارية للملابس بالواحدة (CLO ) للشخص العريان (0) للشخص المرتدي لباساً عادياً (1) أي أن 1> CLO > O

4-الســن والجنــس : تتوقف درجة الحرارة الفعالة على الجنس فهي للإناث أكبر من نظيرتها للرجال بحوالي (0.5) م،كما تتوقف على سن الإنسان فهي للأعمار فوق الأربعين أكبر من نظيرتها لأقل من الأربعين بحوالي (0.5)
4- نشــاط الإنســـــان: زيادة نشاط الإنسان يتطلب توفير درجة حرارة أقل 0
الشكل يبين خريطة الراحة 0
اعتبارات فيزيولوجيــة : من وجهة النظر الهندسية فالإنسان عبارة عن محرك حراري 0 عند احتراق الغذاء داخل جسم الإنسان تتحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى عمل وحرارة0 نتيجة سريان الدم وتنتقل الحرارة إلى الجلد ومنه إلى الهواء المحيط بالإنسان 0
يمكن تصنيف الحرارة التي يفقدها الإنسان إلى حرارة كامنة وحرارة محسوسة 0تتوقف الحرارة الكامنة على رطوبة الهواء بينما تتوقف الحرارة المحسوسة على درجة حرارة الهواء الجاف 0عند ارتفاع رطوبة الهواء ،يقل معدل فقد الحرارة الكامنة بينما يزداد معدل فقد الحرارة المحسوسة عن طريق اتساع الشعيرات الدموية في الجلد مما يؤدي إلى زيادة درجة حرارة الجلد وبالتالي زيادة معدل درجة الحرارة المفقودة من الجسم 0 عند ارتفاع درجة حرارة الهواء يقل معدل فقد الحرارة المحسوسة ويزداد معدل فقد الحرارة الكامنة عن طريق ازدياد نشاط الغدد العرقية في الجلد ،زيادة العرق ومعدل فقد الحرارة الكامنة 0
زيادة رطوبة الهواء شتاء يجعل الإنسان يشعر بالبرد بينما زيادتهما صيفاً تجعله يشعر بارتفاع درجة الحرارة 0وانخفاض رطوبة الهواء ،وخاصة في حالة الجفاف ،يؤدي إلى تشقق جلد الإنسان وإصابته بالنزلات الصدرية0

يشتمل جسم الإنسان على نظام تحكم معقد يعمل على حفظ درجة حرارة ثابتة (36.9) م لجسم الإنسان مهما كان كبيراً أو صغيراً،ذكر أو 0إذا كان الهواء المحيط بجسم الإنسان مناسباً للحفاظ على اتزان الجسم حرارياً فإن الإنسان سوف يشعر بالراحة .