أهلا وسهلا
كل مبنى تدخله — منزلك أو متجر البقالة أو المستشفى أو مركز البيانات — لديه نظام HVAC يعمل خلف الجدران وعلى السقف للحفاظ على درجة حرارة الهواء والرطوبة والجودة في المستوى الصحيح.
HVAC تعني التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. إنها المهنة والانضباط الهندسي المسؤول عن التحكم في المناخ الداخلي. بدون فنيي HVAC، تفسد الأغذية في المستودعات، وت過heat الخوادم في مراكز البيانات، والمستشفيات لا يمكنها الحفاظ على بيئات معقمة، والمنازل تصبح غير صالحة للعيش في الطقس الشديد.
هذه واحدة من أكبر وأسرع المهن الماهرة نموًا في العالم. يجمع العمل بين الأنظمة الميكانيكية والضوابط الكهربائية والديناميكا الحرارية واستكشاف الأخطاء والإصلاح العملي في مهنة لا يمكن نقلها إلى الخارج أو أتمتتها.
في هذا الدرس، سنغطي الديناميكا الحرارية التي تجعل التدفئة والتبريد ممكنة، ودورة التبريد في قلب كل مكيف هواء ومضخة حرارية، وكيف توليد الأفران والغلايات الحرارة، وكيف توزيع القنوات الهواء المكيف، وكيفية البدء في المهنة.
الإحماء
قبل أن نتعمق في الأنظمة، دعنا نرى ما تعرفه بالفعل أو لاحظته.
نقل الحرارة و BTUs
العلم وراء الراحة
HVAC هي الديناميكا الحرارية التطبيقية. كل نظام تدفئة وتبريد يعمل بنقل الحرارة من مكان إلى آخر. يخبرنا القانون الأول للديناميكا الحرارية أن الطاقة لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها — يمكن نقلها فقط. مكيف الهواء لا ينشئ برودة. إنه ينقل الحرارة من داخل المبنى إلى خارجه.
BTU (وحدة حرارية بريطانية) — وحدة الطاقة الحرارية القياسية في مهنة HVAC. واحد BTU هو مقدار الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة رطل واحد من الماء بمقدار درجة فهرنهايت واحدة. نظام AC سكني نموذجي مصنف بـ 24000 إلى 60000 BTU في الساعة. طن واحد من التبريد يساوي 12000 BTU/hr — هذا يأتي من كمية الحرارة المطلوبة لذوبان طن واحد من الجليد في 24 ساعة.
ثلاث طرق لنقل الحرارة:
التوصيل — نقل الحرارة عبر الاتصال المباشر بين المواد. خط مبرد نحاسي ساخن يدفئ يدك هو التوصيل. تتدفق الحرارة عبر جدران مبادل حراري بواسطة التوصيل.
الحمل الحراري — نقل الحرارة بواسطة سائل متحرك (هواء أو سائل). فرن بهواء مجبر يسخن الهواء ومروحة تدفعه عبر القنوات — هذا حمل حراري. المبرد المتدفق عبر النظام يحمل الحرارة بواسطة الحمل الحراري.
الإشعاع — نقل الحرارة بواسطة موجات كهرومغناطيسية بدون وسيط. الشمس تدفئ السقف هي إشعاع. التدفئة الأرضية المشعة تدفئ الأشياء مباشرة دون تسخين الهواء أولاً.
الحرارة المحسوسة مقابل الحرارة الكامنة — الحرارة المحسوسة تغير درجة حرارة المادة ويمكنك قياسها بمقياس حرارة. الحرارة الكامنة تغير حالة المادة (سائل إلى غاز أو غاز إلى سائل) بدون تغيير درجة حرارتها. في HVAC، الحرارة الكامنة حاسمة لأن المبرد يمتص كميات ضخمة من الحرارة عندما يتبخر من سائل إلى غاز داخل ملف المبخر. هذا التغيير في الحالة هو ما يجعل تكييف الهواء ممكناً.
الحرارة المحسوسة مقابل الحرارة الكامنة
في يوم صيفي رطب، تدخل مبنى مكيف الهواء. يشعر الهواء بأنه أبرد وأجف من الخارج. تلاحظ الماء يقطر من خط تصريف المكثفات بالقرب من الوحدة الداخلية.
أربعة مكونات، حلقة واحدة
قلب كل مكيف هواء ومضخة حرارية
دورة ضغط البخار للتبريد هي المحرك الذي يقود كل مكيف هواء ومضخة حرارية وثلاجة ومجمد. إنها تنقل الحرارة من مكان تريد تبريده إلى مكان يمكنك إلقاؤها هناك. الدورة لها أربعة مكونات رئيسية متصلة في حلقة مغلقة.
1. الضاغط — مضخة النظام. يأخذ بخار المبرد منخفض الضغط ومنخفض درجة الحرارة من المبخر ويضغطه إلى بخار عالي الضغط وعالي درجة الحرارة. يضيف الضغط الطاقة إلى المبرد، مما يرفع درجة حرارته بشكل جيد فوق درجة حرارة الهواء الخارجي حتى يتمكن من رفض الحرارة بالخارج. الضاغط هو المكون الأغلى والذي يستهلك معظم الكهرباء.
2. المكثف (ملف خارجي) — بخار عالي الضغط وعالي درجة حرارة يدخل ملف المكثف. مروحة تدفع الهواء الخارجي عبر الملف. لأن المبرد أكثر سخونة من الهواء الخارجي، تنتقل الحرارة من المبرد إلى الهواء. يطلق المبرد حرارته (بما في ذلك الحرارة الكامنة التي امتصها بالداخل) ويتكثف من بخار إلى سائل عالي الضغط. التبريد الإضافي هو تبريد السائل الإضافي أقل من درجة حرارة التكثيف — يضمن أن كل المبرد سائل بالكامل قبل وصوله إلى جهاز التمدد.
3. جهاز التمدد (جهاز المقياس) — السائل عالي الضغط يمر عبر قيد — صمام تمدد حراري (TXV) أو فتحة ثابتة. يسبب انخفاض الضغط المفاجئ درجة غليان المبرد بشكل حاد. جزء من السائل يتحول إلى بخار، وتنخفض درجة الحرارة بشكل كبير. المبرد الآن خليط بارد منخفض الضغط من السائل والبخار.
4. المبخر (ملف داخلي) — المبرد البارد يدخل ملف المبخر. يتم دفع الهواء الداخلي عبر الملف بواسطة محرك المروحة. يمتص المبرد الحرارة من الهواء الداخلي الدافئ ويتبخر من سائل إلى غاز. الحرارة الزائدة هي تسخين إضافي للبخار فوق نقطة الغليان — تضمن أن كل المبرد متبخر بالكامل قبل العودة إلى الضاغط، لأن السائل الذي يدخل الضاغط يمكن أن يدمره.
تتكرر الدورة بشكل مستمر: ضغط وتكثيف وتمدد وتبخر. يتم امتصاص الحرارة بالداخل وتجاهلها بالخارج.
المبردات — السائل العامل في الدورة. R-22 (Freon) كان المعيار لعقود لكنه الآن يتم إيقافه تدريجياً بسبب استنزاف الأوزون. استبدل R-410A في معظم الأنظمة السكنية. R-454B هو الجيل التالي، بإمكانية احترار عالمي أقل. يتطلب التعامل مع المبردات شهادة EPA القسم 608 — إطلاق المبردات إلى الغلاف الجوي هو انتهاك فيدرالي.
تتبع الدورة
يتصل صاحب المنزل ويقول أن مكيف الهواء يعمل ولا يبرد. تصل وتجد أن مروحة الوحدة الخارجية تدور والضاغط يعمل والمروحة الداخلية تحرك الهواء. لكن الهواء الخارج من فتحات التوريد دافئ. تتحقق من خطوط المبرد وتلاحظ أن خط الامتصاص الكبير (الذي يجب أن يكون بارداً ورطباً مع التكثيف) دافئ عند لمسه.
الأفران ومضخات الحرارة والغلايات
كيفية تدفئة المباني
بينما يهيمن تكييف الهواء على عمل الصيف، تحافظ أنظمة التدفئة على فنيي HVAC مشغولين طوال فصل الشتاء. التقنيات الثلاثة الرئيسية للتدفئة لكل منها مبادئ تشغيلية مميزة.
فرن الغاز — يحرق الغاز الطبيعي أو البروبان في حجرة احتراق. تمر غازات الاحتراق الساخنة عبر مبادل حراري — مجموعة من الأنابيب المعدنية أو تجميع بيضاوي. يتم نفخ الهواء الداخلي عبر خارج مبادل حراري، والتقاط الحرارة، وتوزيعها عبر القنوات. تخرج غازات الاحتراق إلى الخارج عبر أنبوب عادم أو أنبوب تهوية PVC. شقة في مبادل حراري هي واحدة من أخطر الأعطال في HVAC — فهي تسمح بدخول أول أكسيد الكربون (CO) إلى إمدادات الهواء الداخلي. العمل التحليلي للاحتراق السنوي (التحقق من مستويات CO وضغط الغاز وارتفاع درجة الحرارة واتجاه العادم) هو عمل أمان حاسم.
مضخة حرارية — نفس دورة التبريد مثل مكيف الهواء، لكن مع صمام عكس يغير اتجاه تدفق المبرد. في وضع التبريد، تنقل الحرارة من الداخل إلى الخارج، تماماً مثل AC العادية. في وضع التدفئة، يقلب الصمام العكسي، وينقل النظام الحرارة من الهواء الخارجي إلى المبنى. ملف خارجي يصبح المبخر (امتصاص الحرارة من الهواء الخارجي) والملف الداخلي يصبح المكثف (إطلاق الحرارة بالداخل). يمكن لمضخات الحرارة استخراج الحرارة من الهواء الخارجي حتى عند درجات حرارة منخفضة، على الرغم من أن الكفاءة تنخفض مع انخفاض درجة الحرارة. تتضمن معظم أنظمة مضخات الحرارة نطاقات حرارة كهربائية احتياطية للأيام الباردة جداً.
غلاية — تسخين الماء (نظام هيدروني) أو توليد البخار وتوزيعه عبر الأنابيب إلى المشعات أو سخانات اللوح القاعدي أو أنابيب الأرضيات الإشعاعية. تحرق الغلايات الغاز أو الزيت أو تستخدم العناصر الكهربائية. تشيع الأنظمة الهيدرونية في المباني الأقدم والتطبيقات التجارية. يتضمن عمل الغلاية فهم كيمياء المياه وصمامات تخفيف الضغط وخزانات التمدد ومضخات الدوران.
تقييمات الكفاءة — يتم تقييم الأفران بناءً على AFUE (كفاءة استخدام الوقود السنوية). يحول فرن 96٪ AFUE 96٪ من طاقة الوقود إلى حرارة. تُقيّم مضخات الحرارة بـ HSPF (عامل الأداء الموسمي للتدفئة) للتدفئة و SEER (نسبة كفاءة الطاقة الموسمية) للتبريد. تعني الأرقام الأعلى كفاءة أعلى.
مضخة حرارية مقابل فرن
يسألك صاحب منزل في مناخ معتدل (فصول شتاء حول 30-40 درجة فهرنهايت) عما إذا كان يجب عليهم استبدال فرن الغاز القديم بمضخة حرارية. يريدون توفير المال على فواتير الطاقة والحد من بصمتهم الكربونية.
القنوات وتدفق الهواء والتصفية
الحصول على الهواء حيث يحتاجه
أفضل فرن أو مكيف هواء في العالم بلا فائدة إذا لم يتمكن نظام توزيع الهواء من توصيل الهواء المكيف إلى كل غرفة. تصميم القنوات وإدارة تدفق الهواء هي مهارات HVAC الأساسية.
أنواع القنوات — الصاج المعدني (مستطيل صلب أو دائري)، القناة المرنة (أنابيب معزولة مرنة)، واللوح القناة (لوحات من الألياف الزجاجية الصلبة). الصاج المعدني هو الأكثر متانة وكفاءة. القناة المرنة أرخص وأسهل تركيباً لكن يجب سحبها بإحكام — القناة المرنة المكسوة أو المضغوطة تقتل تدفق الهواء. كل نوع له تطبيقات محددة بناءً على المبنى والميزانية ومتطلبات الكود.
قياس تدفق الهواء — يتم قياس حجم الهواء بـ CFM (قدم مكعب في الدقيقة). تتطلب كل غرفة CFM محدد بناءً على حجمها وحمل الحرارة وعدد المحتلين. قد تحتاج منزل 2000 قدم مربع نموذجي إلى 800-1200 CFM إجمالياً. يستخدم الفنيون جهاز قياس الرياح أو غطاء التدفق لقياس CFM في كل فتحة تهوية.
الضغط الثابت — المقاومة لتدفق الهواء في نظام القنوات، مقيسة بالبوصات من عمود الماء (بوصة w.c.) مع عداد ضغط. فكر فيه مثل ضغط الدم — إذا كان مرتفعاً جداً فهذا يعني شيء يقيد التدفق (مرشح متسخ وقناة منهارة وقنوات بحجم صغير). إذا كان منخفضاً جداً فهذا يعني تسريبات أو مروحة ضعيفة. الهدف إجمالي الضغط الثابت الخارجي لمعظم الأنظمة السكنية هو 0.50 في. w.c. أو أقل. يفرض الضغط العالي على المروحة للعمل بجدية أكبر، ويهدر الطاقة، ويقلل من تدفق الهواء، ويقصر من عمر المعدات.
التصفية — مرشحات الهواء تزيل الغبار وحبوب اللقاح والجزيئات من الهواء المعاد تدويره. تُقيّم المرشحات بـ MERV (الحد الأدنى لكفاءة الإبلاغ عن القيمة) من 1 إلى 20. المرشحات السكنية القياسية هي MERV 8-11. الدرجة من نوع المستشفى هي MERV 13-16. تعني MERV الأعلى تصفية أفضل لكن أيضاً ضغط ثابت أعلى — مرشح يكون قيد النظام جداً يختنق تدفق الهواء ويمكن أن يجمد ملف المبخر.
هواء العودة — تحتوي معظم الأنظمة على قنوات التوريد (توصيل الهواء المكيف) وقنوات العودة (سحب الهواء مرة أخرى إلى الوحدة لإعادة التكييف). عدم كفاية هواء العودة هو واحد من أكثر مشاكل القنوات السكنية شيوعاً — يخلق عدم توازن في الضغط، يجعل الأبواب تفرقع، ويجبر النظام على العمل ضد نفسه.
تشخيص مشاكل تدفق الهواء
يشتكي صاحب منزل من أن غرف النوم بالطابق العلوي دائماً دافئة جداً في الصيف بينما يبقى الطابق السفلي مريحاً. النظام منطقة واحدة AC مع منظم حرارة واحد يقع في الطابق السفلي. تعمل القنوات عبر علية ساخنة للوصول إلى فتحات الطابق العلوي. تقيس الضغط الثابت وتجد أنه 0.85 في. w.c. — أعلى بكثير من هدف 0.50.
الدخول إلى المهنة
وظائف HVAC والشهادات
HVAC هي واحدة من أعلى المهن الماهرة المطلوبة في البلاد. يتوقع مكتب إحصائيات العمل نمواً أسرع من المتوسط، والفنيون ذوو الخبرة نادرون. العمل لا يمكن نقله للخارج — المباني تحتاج إلى فنيين محليين يمكنهم الظهور وإصلاح النظام.
شهادة EPA القسم 608 — مطلوبة بموجب القانون الاتحادي لشراء أو التعامل مع المبردات. هناك أربع أنواع: النوع الأول (الأجهزة الصغيرة)، النوع الثاني (أنظمة الضغط العالي مثل AC السكني)، النوع الثالث (أنظمة الضغط المنخفض مثل المبردات الكبيرة)، والشامل (جميع الأنواع). يحصل معظم فنيي HVAC على شهادة شاملة في وقت مبكر من تدريبهم. يغطي الاختبار التعامل مع المبردات والاسترجاع والتدوير واللوائح البيئية.
شهادة NATE — تميز الفني في أمريكا الشمالية، الشهادة الموثوقة الرائدة في الصناعة. اختبارات NATE تغطي أنواع أنظمة محددة (تكييف هواء، مضخات حرارية، أفران غازية، إلخ) وتتحقق من مهارات التشخيص في العالم الحقيقي. يفضل الكثير من أصحاب العمل أو يتطلبون فنيين معتمدين من NATE.
التدريب المهني مقابل مدرسة تجارية — برامج المدارس التجارية (6 أشهر إلى سنتين) تعليم الأساسيات في الفصل الدراسي والمختبر. التدريب المهني النقابي (عادة 4-5 سنوات) يجمع بين التدريس الفصلي والتدريب العملي المدفوع تحت إشراف عامل ماهر. كلا المسارين يؤدي إلى مهنة، لكن التدريب المهني يدفعك أثناء التعلم ويعطيك آلاف الساعات من تجربة الحقل تحت الإشراف.
سكني مقابل تجاري — يعمل فنيو سكني على المنازل — أنظمة منفصلة وأفران وقنوات. يعمل فنيو تجاريون على معدات أكبر — وحدات على السقف والمبردات وأبراج التبريد وأنظمة أتمتة المباني وأنظمة حجم الهواء المتغير (VAV). عادة ما يكون العمل التجاري أكثر تعقيداً ويدفع أكثر.
التخصصات — التبريد (محلات البقالة والتخزين البارد وخدمة الطعام)، الضوابط والأتمتة المبنى (أنظمة DDC وBACnet والمتحكمات القابلة للبرمجة)، جودة الهواء الداخلي وتدقيق الطاقة وتصميم النظام. فنيو HVAC الذين يتعلمون الضوابط والأتمتة في طلب عالي بشكل خاص مع ذكاء المباني.
الأرباح — عادة ما يبدأ فنيو HVAC على مستوى الدخول بـ 35,000-45,000 دولار. يكسب فنيو سكني ذوو خبرة 50,000-75,000 دولار. يمكن لفنيي تجاريين وصناعيين مع شهادات وتخصصات أن يكسبوا 75,000-100,000 دولار أو أكثر. لا يوجد حد لأصحاب الأعمال والمقاولين.
تخطيط مسارك
ربط HVAC بمستقبلك
أنت الآن تعرف الديناميكا الحرارية خلف التدفئة والتبريد، دورة التبريد، كيفية أن توليد الأفران ومضخات الحرارة الحرارة، وكيفية توزيع القنوات الهواء المكيف إلى مبنى.