ما هي أنواع أنظمة المياه المبردة للتبريد وتكييف الهواء؟

باعتبارها مكونًا أساسيًا لأنظمة تكييف الهواء المركزية في المباني، فإن التصميم المعقول والتحكم الدقيق في أنظمة المياه المبردة يمكن أن يعزز كفاءة الطاقة بشكل كبير.

مع تطور تقنيات توفير الطاقة، تطورت أنظمة المياه المبردة من أنماط التدفق الثابت التقليدية إلى أنظمة التدفق المتغير الذكية، مما يحقق وفورات في الطاقة مع تلبية متطلبات الأحمال الديناميكية.

يرتكز تصميم أنظمة المياه المبردة لتكييف الهواء المركزي دائمًا على هدفين أساسيين: مطابقة الأحمال وتحسين استهلاك الطاقة.

تهيمن حاليًا ثلاثة أنظمة رئيسية على مجال أنظمة المياه لتكييف الهواء المركزي: نظام المضخة الأساسية ذو التدفق الثابت، ونظام المضخة الثانوية ذو التدفق المتغير، ونظام المضخة الأساسية ذو التدفق المتغير. وتكمن الاختلافات الأساسية بينها في طرق تنظيم التدفق وكفاءة استخدام الطاقة.

1. نظام التدفق الثابت للمضخة الرئيسية

يُعد نظام التدفق الثابت للمضخة الأساسية أقدم أشكال أنظمة المياه المبردة وأكثرها شيوعًا. وتتمثل ميزته الأساسية في الحفاظ على معدل تدفق ثابت على جانب المبخر من خلال مضخات ثابتة السرعة، والتكيف مع تقلبات الحمل النهائي فقط عن طريق تغييرات في فرق درجة حرارة الماء الداخل والماء العائد.

يتكون النظام من وحدات تبريد، ومضخات تدوير ثابتة السرعة، وأنابيب تحويل. ترتبط وحدات الماء المبرد بالمضخات ارتباطًا مباشرًا، ويعمل صمام تحويل الضغط التفاضلي بين أنابيب الإمداد والعودة الرئيسية على موازنة تقلبات التدفق. عند انخفاض الحمل النهائي، يعود التدفق الزائد عبر أنبوب التحويل لضمان معدل تدفق ثابت للمبخر وتجنب مخاطر التجمد.

من أهم عناصر تصميم هذا النظام مطابقة المعايير بين أنبوب التحويل وصمام التحويل ذي الضغط التفاضلي. يجب أن يساوي معدل التدفق التصميمي معدل التدفق المقنن لوحدة تبريد المياه الواحدة لمواجهة تغيرات الأحمال القصوى.

يعتمد منطق بدء تشغيل الوحدة على انحراف درجة حرارة مياه الإمداد (تجاوز القيمة المحددة لمدة 10 إلى 15 دقيقة متتالية)، بينما يتم إيقاف تشغيل الوحدة عندما يصل تدفق التجاوز إلى 110% إلى 120% من معدل تدفق الوحدة الواحدة لمدة 10 إلى 20 دقيقة متتالية.

يُعاني هذا النوع من الأنظمة من قيودٍ كبيرة: إذ تعمل المضخات بمعدل التدفق المُصنّف طوال الوقت. حتى عندما ينخفض ​​الحمل النهائي إلى 40%، يبقى استهلاك الطاقة عند الحمل الكامل، مما يؤدي إلى هدر الطاقة الذي يتسم بـ "معدل تدفق كبير وفرق طفيف في درجة الحرارة". لذلك، فهو مناسب فقط لأنظمة تكييف الهواء الصغيرة أو في الحالات التي تشهد تقلبات طفيفة في الحمل.

2. نظام التدفق المتغير للمضخة الثانوية

لمعالجة مشكلات استهلاك الطاقة لنظام التدفق الثابت للمضخة الأساسية، يحقق نظام التدفق المتغير للمضخة الثانوية وفورات في الطاقة من خلال تصميم مجزأ "تدفق ثابت على جانب المصدر البارد + تدفق متغير على جانب الحمل".

ينقسم النظام إلى دائرة رئيسية (جانب مصدر التبريد) ودائرة ثانوية (جانب الحمل). تحافظ المضخات الرئيسية على معدل تدفق ثابت للمبخر، بينما تعتمد المضخات الثانوية على التحكم بتحويل التردد، وهي متصلة بالدائرتين عبر أنبوب موازنة. عند تغير معدل تدفق جانب الحمل، ينعكس اتجاه تدفق الماء في أنبوب الموازنة لضمان استقرار تشغيل جانب مصدر التبريد.

في التصميم، يجب أن يتغلب رأس المضخات الأولية على المقاومة من المبخر إلى أنبوب التوازن، بينما تحتاج المضخات الثانوية إلى تغطية مقاومة الحلقة الأكثر سوءًا على جانب الحمل.

تحسب كل من عملية بدء تشغيل الوحدة وإيقافها الحمل الإجمالي من خلال مستشعرات درجة حرارة وتدفق المياه الداخلة والخارجة. عندما يتجاوز الحمل الإجمالي سعة الوحدة الحالية، يتم بدء التشغيل؛ وإلا، يتم الإيقاف بناءً على مبدأ أن "السعة المتبقية لا تزال كافية لتلبية الطلب". تستخدم المضخات الثانوية نظام تحكم ثابت في فرق الضغط لمطابقة متطلبات التدفق النهائية عن طريق ضبط سرعة الدوران.

بالمقارنة مع نظام المضخة الأساسية ذي التدفق الثابت، ينخفض ​​استهلاك الطاقة في الجانب الثانوي لنظام المضخة الثانوية بنسبة تتراوح بين 30% و50%. ومع ذلك، لا يزال يعاني من مشكلة عدم كفاءة استهلاك الطاقة في جانب مصدر التبريد، بالإضافة إلى تعقيد بنيته، وكبر مساحته، وصعوبة التحكم فيه. وهو مناسب لتطبيقات التبريد المركزي في المجمعات السكنية الكبيرة.

3. نظام التدفق المتغير للمضخة الرئيسية

يُعد نظام التدفق المتغير للمضخة الأساسية تصميمًا من الجيل الجديد، نتاجًا لتطورات تقنية تصنيع وحدات المياه المبردة، وهو أيضًا نظام تبريد مناسب لغرف التبريد عالية الكفاءة. ويكمن ابتكاره الأساسي في تحقيق معدلات تدفق متغيرة متزامنة على كلٍ من جانب المبخر وجانب الحمل.

يستبدل النظام المضخات ذات السرعة الثابتة بمضخات ذات تردد متغير، ويتم إقرانه بوحدات مياه مبردة ذات تدفق متغير، مما يسمح بضبط معدل تدفق المبخر بشكل لا نهائي ضمن نطاق 15٪ ~ 100٪، مما يؤدي بشكل أساسي إلى القضاء على هدر الطاقة الناتج عن "معدلات التدفق الكبيرة".

1)يتألف النظام من ثلاثة مكونات رئيسية :

وحدات تبريد المياه ذات التدفق المتغير: يحدد معدل تغير التدفق المسموح به ونطاقه في المبخرات أداء النظام بشكل مباشر. وتستطيع الوحدات عالية الجودة الحفاظ على درجة حرارة مياه المخرج ثابتة أثناء تقلبات التدفق.

جهاز التجاوز: عندما يكون معدل التدفق النهائي أقل من الحد الأدنى المسموح به لمعدل التدفق للوحدة، يفتح صمام التجاوز لضمان سلامة المبخر.

المضخات ذات التردد المتغير: لا يلزم وجود تطابق واحد لواحد مع الوحدات؛ يتم ضبط سرعة الدوران من خلال إشارات الضغط التفاضلي من الحلقة الأكثر سوءًا.

في التصميم، يجب أن يتطابق اختيار المضخة مع المقاومة الكلية لأكثر حلقات النظام غير المواتية، ويتم تحديد معدل تدفق أنبوب التجاوز وفقًا للحد الأدنى المسموح به لمعدل التدفق لوحدة واحدة.

يعتمد منطق بدء تشغيل الوحدة على تيار تشغيل الضاغط (يتجاوز 90٪ من القيمة المقدرة لمدة 10 إلى 15 دقيقة متتالية)، بينما يتم إيقاف التشغيل عن طريق حساب متوسط ​​التيار (متوسط ​​القيمة أقل من 80٪ من القيمة المقدرة).

من خلال إلغاء المضخات الثانوية، يمكن تبسيط هيكل النظام بنسبة 30٪، وتقليل مساحة الأرضية بنسبة 20٪، وخفض استهلاك الطاقة الشامل بنسبة 40٪ إلى 60٪ مقارنة بنظام التدفق الثابت للمضخة الأساسية، مما يجعله الحل المفضل للمباني العامة الكبيرة حاليًا.

تقنيات التحكم الأساسية لنظام التدفق المتغير للمضخة الرئيسية

تعتمد مزايا توفير الطاقة لنظام التدفق المتغير للمضخة الأساسية على استراتيجيات تحكم فعّالة. وتركز تقنيات التحكم السائدة حاليًا على معيارين أساسيين: فرق درجة الحرارة وفرق الضغط، لتحقيق توافق الأحمال واستقرار النظام من خلال التعديل الديناميكي.

2) التحكم في فرق درجة الحرارة

يُحقق التحكم في فرق درجة الحرارة التوافق بين معدل التدفق والحمل من خلال الحفاظ على فرق ثابت في درجة حرارة الماء المُغذّى والماء العائد. ويُعدّ تأثير توفير الطاقة النظري فيه أفضل من التحكم في فرق الضغط، ولكنه يتطلب معايير أعلى لتجانس توزيع الحمل في شبكة الأنابيب.

أظهرت الدراسات أنه عند تركيب صمامات التحكم في التشغيل والإيقاف عند الأطراف، فإن قابلية تطبيق التحكم في فرق درجة الحرارة تعتمد على نقطتين: أولاً، التوزيع المنتظم لحمل شبكة الأنابيب، وثانياً، أنماط تغيير الحمل المتشابهة بين مختلف المستخدمين.

في السيناريوهات ذات التوزيع المنتظم للأحمال (مثل غرف البيانات)، يمكن التحكم في درجة عدم التوازن الهيدروليكي لكل فرع في حدود ±10%، وتلبي تقلبات درجة الحرارة والرطوبة الداخلية متطلبات الراحة (تغير درجة حرارة البصيلة الجافة ≤1 درجة مئوية، وتقلب الرطوبة النسبية ≤0.5%).

ومع ذلك، في حالات توزيع الأحمال المركزة، قد يحدث تيار زائد في الفروع ذات الأحمال المنخفضة، مما يؤدي إلى اختلال كبير في التوازن الهيدروليكي.

يُعدّ التحكم المتغير في فرق درجات الحرارة اتجاهًا إضافيًا لتحسين الأداء. فالطريقة التقليدية لضبط فروق درجات الحرارة في أجزاء مختلفة وفقًا لمعدل الحمل الكلي لها عيوبها: عند الأحمال المنخفضة، تنخفض قدرة مُبرّد السطح على إزالة الرطوبة، مما يؤدي إلى تقلبات مفرطة في الرطوبة الداخلية. ويقترح النظام المُحسّن اعتماد مبدأ "إعطاء الأولوية لقدرة إزالة الرطوبة ودرجة حرارة الهواء الجاف"، باستخدام معامل إزالة الرطوبة ξ كمعامل معروف، والسماح بتقلبات مناسبة في الرطوبة لضمان استقرار درجة الحرارة.

3) التحكم في الضغط التفاضلي

يُعدّ فرق ضغط الماء بين مدخل ومخرج الماء أحد المعايير الأساسية لضمان التوازن الهيدروليكي للنظام. يستخدم نظام التدفق المتغير للمضخة الرئيسية وحدة تحكم PID (التناسبية والتكاملية والتفاضلية) للتنظيم، حيث تُعدّل أخطاء النظام من خلال ثلاث طرق تحكم (التناسبية والتكاملية والتفاضلية) لتحقيق تحكم دقيق.

شركة سوتشو فارما للآلات المحدودة

2026/03/04

جينو