פענוח תהליך עיצוב תעלות, שיטות ותקנים
כיום, אחת המטרות המשמעותיות בתכנון הנדסי MEP עבור מהנדסי תכנון HVAC היא לשפר את יעילות האנרגיה, לשמור על איכות אוויר ונוחות תרמית. יעילות אנרגטית, איכות אוויר ונוחות בבניין תלויות באופן שבו מתוכננות מערכות החימום, הקירור וחלוקת האוויר, וכאן תכנון תעלות קפדני משחק תפקיד משמעותי. עיצוב צינורות ומערכות HVAC חשובים מכיוון שהם מבטיחים איכות אוויר פנימית, נוחות תרמית ואוורור. אם מערכת ה-HVAC והתעלות לא מתוכננות בצורה מדויקת, זה עלול להוביל לאיכות אוויר ירודה, לאיבוד חום ולהפוך את החלל הממוזג בבניין לא נוח.
התפקיד העיקרי של מערכת התכנון של תעלות הצינור הוא להבטיח תעלה פחות פולשנית שדרכה יכול לעבור אוויר קריר וחם. כאשר מתוכננות בצורה מדויקת, מערכות חלוקת אוויר HVAC ישחקו תפקיד חשוב במניעת הפסדי אנרגיית חום, שמירה על איכות האוויר הפנימית (IAQ) ומתן נוחות תרמית.
כדי להבין כיצד ניתן לעצב תעלות בצורה חסכונית ויעילה, מאמר זה מפענח את תכנון תעלות ומספק מתאר קצר של תהליך התכנון, השיטות והתקנים.
מהי Ductwork?
העיקרון הבסיסי של תכנון תעלות הוא חימום, קירור או אוורור של מבנה בצורה היעילה והמשתלמת ביותר. התפקיד העיקרי של תעלות הוא לתכנן צינורות או מעברים המאפשרים זרימת אוויר לספק חימום, קירור, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC).
בתהליך תכנון הצינור, יש להבין את היסודות של זרימת אוויר. אוויר חוזר נכנס ליחידת מטפל באוויר (AHU), דרך מסנן ואל המפוח ובלחץ הוא עובר דרך סליל A או מחליף חום ואז הוא יוצא למערכת האוויר האספקה. אם מערכת התעלות מתוכננת כהלכה, היא מאפשרת ל-AHU לייצר את הכמות הנכונה של אוויר דרך מחליף החום. במערכת חלוקת אוויר טיפוסית, התעלות חייבות להכיל את זרימת האוויר באספקה, החזרה ופליטה. תעלות אספקה מספקות אוויר הנדרש למיזוג אוויר ואוורור, תעלות חוזרות מספקות אוויר מווסת לשמירה על IAQ ומערכות זרימת אוויר טמפרטורה ופליטה מספקות אוורור.
כדי שתכנון תעלות יהיה יעיל, צוותי התכנון ההנדסיים של MEP צריכים להיות מעצבים עם רקע מכאני והנדסי. מומחי תכנון תעלות או מהנדסי שירות בניין חייבים גם להיות בעלי ידע מעמיק של דיסציפלינות אחרות כגון אדריכלות, אזרחי ותפיסה מבנית כדי להבטיח שמערכות HVAC נקיות מהתנגשויות.
תהליך עיצוב צינורות
תהליך תכנון מערכת התעלות הוא פשוט, בתנאי שהמפרט מוזכר בבירור וסופקו התשומות לגבי יישום, פעילות, אוריינטציה של המבנה וחומר הבנייה. על סמך המידע שסופק ניתן להשלים חישובים ליצירת עיצוב חסכוני באנרגיה וללא התנגשויות. בדרך כלל, מערכות מיזוג אוויר והפצה מתוכננות למלא שלוש דרישות עיקריות כגון:
• הוא אמור לספק זרימת אוויר בקצבים ובמהירות ספציפיים למקומות שנקבעו.
• זה צריך להיות חסכוני באנרגיה וחסכוני.
• הוא צריך לספק נוחות ולא ליצור הפרעות או רעש מעורר התנגדות.
התהליך של תכנון תעלות מתחיל ברגע שהלקוח או יועצי MEP מספקים פריסות אדריכליות ותוכניות עיצוב פנים. מהנדסי שירותי בניין דורשים לאחר מכן דרישות מפרט כגון יישום, מספר אנשים, כיוון הבניין ומאפיינים אדריכליים כדי לבצע חישובים על עומס חום וזרימת אוויר. לפני ביצוע חישובים כלשהם, נרשמים שרטוטי קו בודד כדי להציג את זרימת התעלות בבניין. לאחר אישורם, מתבצעים חישובים לעומס החום ולזרימת האוויר. לאחר השלמת חישובי עומס החום, קצב זרימת האוויר הנדרש ידוע ויציאות האוויר קבועות. עם החישובים, המפרטים והפריסה, פריסת תכנון מערכת התעלות מתוכננת תוך התחשבות בפרטים אדריכליים ומבניים של החלל המותנה והתנגשויות עם שירותי בנייה אחרים כגון שירותים חשמל, אינסטלציה (הידראולית) ומכני.
כדי להתחיל בתהליך תכנון תעלות ישנן תשומות הנדרשות לגבי פרטים על סוג היישום, דרישות המפרט, כיוון המבנה, מאפיין אדריכלי וחומר.
• סוג יישום – עיצוב הצינורות ישתנה בהתאם לסוג היישום אליו ישמש הבניין כגון ייצור, מרכזי נתונים, יישומים רפואיים, מחקר מדעי ויישומי נוחות כגון מסעדות, משרדים, מגורים, בניין מוסדי כגון בתי ספר ואוניברסיטאות.
• דרישת מפרט – כדי ליצור תכנון יעיל של תעלות, מעצבים צריכים לדעת איזה סוג פעילות תתבצע ואת מספר האנשים הממוצע שישתמשו בחלל הממוזג. זה יעזור בחישוב זרימת האוויר, המהירות ועומס החום הנדרשים לשמירה על טמפרטורות ו-IAQ. ביישומי נוחות, למשל, משרד או מסעדה ידרשו עיצוב תעלות ומהירות אוויר שונים מאשר בית מגורים.
• כיוון וחומר המבנה – הכיוון של הבניין והחומר המשמש ממלא תפקיד מפתח במדידת ספיגת החום אשר יעזור לקבוע את דרישות הקירור והאוורור. על סמך האם בניין פונה לצפון, דרום, מזרח או מערב, והיכן הוא ממוקם גיאוגרפית, ניתן לחשב את ספיגת החום. סוג החומר המשמש לבנייה משפיע גם על כמות רווח החום ואובדן המבנה.
האתגרים של תשומות לא שלמות או אי-זמינות של תשומות נדרשות נדונים במאמר הקרוב בנושא אתגרים והמלצות של עיצוב תעלות.
שיטות עיצוב תעלות
שיטות תכנון תעלות נקבעות בדרך כלל על סמך עלות, דרישות, מפרטים ותקני יעילות אנרגטית. בהתבסס על העומס של הצינור מלחץ האוויר, ניתן לסווג מערכות צינור בדרך כלל למערכות מהירות גבוהה, מהירות בינונית ומהירות נמוכה. ישנן שלוש שיטות נפוצות לתכנון תעלות:
1. שיטת מהירות קבועה – שיטה זו, שנועדה לשמור על מהירות מינימלית, היא אחת הדרכים הפשוטות ביותר לתכנון מערכות תעלות לתעלות אספקה והחזרה. עם זאת, נדרש ניסיון להשתמש בשיטה זו, שכן בחירה לא נכונה של מהירויות, גדלי תעלות ובחירת מתקנים עלולים להגדיל את העלות. יתרה מכך, כדי לשמור על אותו קצב ירידת לחץ במסלולי צינור, שיטה זו דורשת סגירה חלקית של בולמים במסלולי צינור (למעט ריצת אינדקס) שעלולה להשפיע על היעילות.
2. שיטת חיכוך שווה – שיטה קונבנציונלית זו המשמשת הן לתעלות אספקה והן לתעלות חוזרות שומרת על אותה ירידת לחץ חיכוך על פני תעלות ראשיות ומסועפות. שיטה זו מבטיחה פיזור של נפילות לחץ כחיכוך במסלולי תעלות ולא בבולמי איזון. עם זאת, כמו שיטת המהירות, נדרשת סגירה חלקית של בולמים וזה עלול להוביל ליצירת רעש.
3. שיטת החזרה סטטית – שיטה זו הנפוצה עבור מערכות אספקה גדולות עם תעלות ארוכות היא מערכת במהירות גבוהה השומרת על לחץ סטטי קבוע לפני כל סניף או מסוף. אמנם זוהי מערכת מאוזנת מכיוון שהיא אינה כרוכה בשיכוך, אך תעלות ארוכות יותר עשויות להשפיע על חלוקת האוויר לחללים ממוזגים.
בעוד ששיטות עיצוב תעלות שונות בהן נעשה שימוש משתנות מיישום ליישום, יש לקחת בחשבון את ביצועי מערכת התעלות ואיזון ואופטימיזציה של המערכת. לאחר התקנת יחידת הטיפול באוויר (AHU), יש לאזן את המערכת ולבצע אופטימיזציה לשיפור הביצועים. באיזון ואופטימיזציה של המערכת, נמדדים קצבי זרימת האוויר של יציאות אוויר אספקה וכניסות אוויר חוזר, ומכוונים בולמים ומהירות המאוורר. בייחוד בבניינים גדולים, איזון מערכות מיזוג אוויר עשוי להיות יקר וגוזל זמן, אך הוא נדרש כיוון שהוא מספק יתרונות העולים על העלות הכרוכה בהתקנת המערכת. כדי למזער את העלות הכוללת ואת העלות התפעולית, נעשה שימוש בשיטות אופטימיזציה רבות כמו אופטימיזציית T-Method המתוארת במדריך היישום DA3 של AIRAH (המכון האוסטרלי למיזוג אוויר לקירור).
כדי לתכנן מערכות חלוקת אוויר יעילות באנרגיה וחסכוניות, תכנוני מערכות HVAC חייבים לכלול הנחיות הנדסיות בסיסיות ולעמוד בתקני עיצוב מסוימים. הבה נבחן כמה מההנחיות והתקנים המשמשים בתעשייה במדינות שונות.
תקני עיצוב תעלות
בעת תכנון מערכות מיזוג אוויר, מהנדסי תכנון HVAC חייב להיות בקיא בשיטות הבסיסיות, ההנחיות והתקנים הישימים, החל מסוג היחידות בהן נעשה שימוש, חישובים נדרשים, שיטות בנייה, סוג החומר, פריסות מערכות תעלות, הפסדי לחץ, דליפת תעלות, שיקולי רעש ועד אופטימיזציה באמצעות בדיקה, התאמה ו איזון (TAB). להלן כמה מארגוני התקנים והאגודות בארה"ב, בריטניה, אוסטרליה והודו, המספקים מדריכים, קודים ותקנים עבור תעשיית HVAC.
לָנוּ
• SMACNA (האגודה הלאומית של קבלני גיליונות ומיזוג אוויר) – הוא מספק מדריך לתכנון תעלות מערכות HVAC הכולל שיטות ונהלים בסיסיים אך בסיסיים עם חשיבות ליעילות ושימור אנרגיה. בעוד שהמדריך אינו כולל חישובי עומס וכמויות אוורור אוויר, הוא משמש בדרך כלל בשילוב עם המדריך היסודי של ASHRAE.
• ASHRAE (האגודה האמריקאית למהנדסי חימום, קירור ומיזוג אוויר) – זוהי עמותה ששמה דגש על קיימות מערכות בניין על ידי התמקדות ביעילות אנרגטית ואיכות אוויר פנימית. המדריך של ASHRAE הוא מדריך בן ארבעה כרכים המספק את היסודות של קירור, יישומים, מערכות וציוד. המדריך מתעדכן כל ארבע שנים וכולל יחידות מדידה בינלאומיות כגון SI (מערכות בינלאומיות) ו-IP (אינץ'-פאונד).
בְּרִיטַנִיָה
• CIBSE (The Chartered Institution of Building Services Engineers) – היא הרשות בבריטניה הקובעת סטנדרטים למערכות הנדסיות לשירותי בנייה. הקודים וההנחיות שפורסמו על ידי CIBSE מוכרים בינלאומיים ונחשבים כקריטריונים לשיטות עבודה מומלצות בתחומי הקיימות, הבנייה וההנדסה.
• BSRIA (איגוד שירותי מחקר ומידע לבנייה) – היא עמותה המספקת שירותים המסייעים לחברות לשפר את העיצובים שלהן כדי להגביר את היעילות האנרגטית תוך הקפדה על תקנות הבנייה, בדיקות דגימות של מערכות ותמיכת BIM.
אוֹסטְרַלִיָה
• AIRAH (המכון האוסטרלי למיזוג אוויר לקירור) – מספק מדריכים טכניים לאנשי מקצוע בתעשיית HVAC ומידע החל מהערכת עומס מיזוג אוויר, צינורות למיזוג אוויר, מידות צינורות, משאבות צנטריפוגליות, בקרת רעש, מאווררים, מסנני אוויר, מגדלי קירור , טיפול במים, תחזוקה, איכות אוויר פנימית ועמלת בנייה.
הוֹדוּ
• BIS (Bureau of Indian Standards) – היא רשות לאומית המספקת תקנים והנחיות לפי הארגון הבינלאומי לתקינה (ISO). ספרי העזר של BIS קובעים את קוד הנהלים החל על תעשיית HVAC כגון קוד בטיחות למיזוג אוויר, מפרט לתעלות אוויר, תרמוסטטים לשימוש במזגנים, עבודות תעלות מתכת, מחליפי חום מקוררים ונתונים לתנאי תכנון חיצוניים עבור מיזוג אוויר לערים הודיות
• ISHRAE (האגודה ההודית של מהנדסי חימום, קירור ומיזוג אוויר) – מספקת תקני איכות סביבתית פנימית והנחיות בדיקה ודירוג המבוססות על תקנים וקריטריונים נפוצים של פרמטרי IEQ לסיווג מבנים על בסיס יעילות אנרגטית.
בעוד שמהנדסי תכנון HVAC חייבים לזכור תקנים רלוונטיים ולהבטיח שקודים מקומיים מיושמים בעיצובים, יעילות אנרגטית היא גם מטרה עיקרית. עיצוב צינורות ממלא תפקיד משמעותי בוויסות איכות האוויר בתוך הבית, נוחות תרמית ואוורור. תפקיד המפתח של תכנון תעלות הוא לספק את התעלה הפחות פולשנית שדרכה יכול אוויר קריר וחם לעבור בצורה היעילה והחסכונית ביותר.
עיצובים לא מדויקים של תעלות עלולים לגרום לאיכות אוויר ירודה בתוך הבית, לאובדן חום ולמרחב ממוזג לא נוח בבניין. מערכת מיזוג אוויר מעוצבת היטב תייעל בסופו של דבר את העלויות. על ידי ויסות אובדן לחץ, בחירת גודל תעלה מתאים, איזון לחץ אוויר ושליטה באקוסטיקה, מתכנני תעלות יכולים לייעל את עלויות הייצור, התפעול, הסביבתיות וההפעלה.
