محاسبه دبی آب فن کویل

در دنیای امروز، ایجاد فضایی با آسایش حرارتی مطلوب، چه در محیط‌های مسکونی، چه اداری و تجاری، از اهمیت بالایی برخوردار است. فن کویل (Fan Coil Unit – FCU) یکی از پرکاربردترین تجهیزات در سیستم‌های تهویه مطبوع است که این مهم را بر عهده دارد. فن کویل در واقع یک مبدل حرارتی هوا به آب است که با به گردش درآوردن هوا از روی یک کویل حاوی آب سرد یا گرم، به ترتیب وظیفه سرمایش یا گرمایش محیط را انجام می‌دهد. این دستگاه‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری بالا، ابعاد کوچک و قابلیت کنترل مستقل دما در هر فضا، انتخاب محبوبی در ساختمان‌های مدرن به شمار می‌روند.

اما عملکرد بهینه و صحیح یک فن کویل به عوامل متعددی بستگی دارد که در این میان، دبی آب (Water Flow Rate) ورودی به کویل آن، نقشی حیاتی ایفا می‌کند. دبی آب به میزان حجم آبی اطلاق می‌شود که در واحد زمان از داخل کویل فن کویل عبور می‌کند. این پارامتر مستقیماً بر ظرفیت سرمایش یا گرمایش دستگاه تأثیر می‌گذارد؛ به عبارت دیگر، هرچه دبی آب متناسب با طراحی فن کویل و بار حرارتی فضا باشد، توانایی فن کویل در انتقال حرارت و رسیدن به دمای مطلوب بیشتر خواهد بود. علاوه بر ظرفیت، دبی آب مناسب بر راندمان انرژی سیستم نیز تأثیرگذار است. جریان آب ناکافی یا بیش از حد می‌تواند منجر به کاهش راندمان و در نتیجه افزایش مصرف انرژی شود. همچنین، تنظیم صحیح دبی آب به جلوگیری از مشکلات عملکردی نظیر نویزهای ناشی از سرعت بالای آب یا یخ‌زدگی کویل در شرایط خاص کمک شایانی می‌کند.

به همین دلیل، محاسبه دقیق دبی آب فن کویل امری ضروری است. نادیده گرفتن این موضوع یا انجام محاسبات نادرست می‌تواند پیامدهای ناخوشایندی به دنبال داشته باشد. از جمله این پیامدها می‌توان به عدم تأمین ظرفیت سرمایشی/گرمایشی مورد نیاز و نارضایتی ساکنین، افزایش قابل توجه مصرف انرژی به دلیل عملکرد غیربهینه دستگاه، ایجاد نویزهای مزاحم ناشی از سرعت بالای جریان آب و حتی کاهش عمر مفید دستگاه به دلیل کارکرد تحت فشار یا نامناسب اشاره کرد. بنابراین، درک صحیح و به‌کارگیری روش‌های دقیق برای محاسبه دبی آب، گامی اساسی در طراحی، نصب و بهره‌برداری موفق از سیستم‌های تهویه مطبوع مبتنی بر فن کویل محسوب می‌شود.

فهرست مطالب

ظرفیت سرمایش/گرمایش (Capacity)

ظرفیت (Capacity) در سیستم‌های تهویه مطبوع، به توانایی یک دستگاه (مانند فن کویل سقفی یا فن کویل کانالی) در حذف یا افزودن گرما به یک فضا در واحد زمان اشاره دارد. این مفهوم، هسته اصلی انتخاب و طراحی سیستم‌های HVAC است، زیرا باید تضمین کند که دستگاه قادر به مقابله با تمام بارهای حرارتی (چه گرمایشی و چه سرمایشی) یک محیط خاص باشد.

برای بیان ظرفیت، واحدهای مختلفی در صنعت تهویه مطبوع استفاده می‌شوند که هر یک ریشه در تاریخچه و مناطق جغرافیایی خاص خود دارند:

واحدهای رایج ظرفیت:

BTU/hr (British Thermal Unit per hour – واحد حرارتی بریتانیا در ساعت):
- تعریف: یک BTU مقدار گرمایی است که برای افزایش دمای یک پوند (تقریباً 0.45 کیلوگرم) آب به میزان یک درجه فارنهایت (تقریباً 0.56 درجه سلسیوس) لازم است. وقتی با “در ساعت” ترکیب می‌شود ( $BT U / h r$ )، بیانگر نرخ انتقال حرارت در هر ساعت است.
- کاربرد: این واحد به طور گسترده‌ای در آمریکای شمالی و برخی مناطق دیگر برای بیان ظرفیت سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی، از جمله فن کویل‌ها، استفاده می‌شود. فن کویل‌ها معمولاً با ظرفیت‌های 6,000، 9,000، 12,000 و غیره $BT U / h r$ (که به 0.5 تن، 0.75 تن، 1 تن و غیره تبرید معادل است) مشخص می‌شوند.
Ton of Refrigeration (TR) (تن تبرید):
- تعریف: این واحد یک مفهوم تاریخی دارد و به مقدار گرمایی اشاره دارد که برای ذوب شدن یک تن (2000 پوند) یخ در دمای $0^{\circ} C$ ( $3 2^{\circ} F$ ) در مدت 24 ساعت نیاز است.
- معادل:
  - 1 تن تبرید = 12,000 $BT U / h r$
  - 1 تن تبرید $\approx$ 3.517 کیلووات (kW)
- کاربرد: تن تبرید عمدتاً برای بیان ظرفیت سیستم‌های سرمایشی بزرگ‌تر مانند چیلرها و پکیج یونیت‌ها استفاده می‌شود، اما گاهی در مورد فن کویل‌های با ظرفیت بالا نیز به کار می‌رود.
kW (Kilowatt – کیلووات):
- تعریف: کیلووات یک واحد توان در سیستم بین‌المللی واحدها (SI) است که معادل 1000 وات است. این واحد نرخ انتقال یا تبدیل انرژی را اندازه‌گیری می‌کند.
- معادل:
  - 1 kW $\approx$ 3,412 $BT U / h r$
  - 1 kW $\approx$ 0.284 تن تبرید (TR)
- کاربرد: کیلووات واحد استاندارد بین‌المللی است و به طور فزاینده‌ای در سراسر جهان برای بیان ظرفیت گرمایشی و سرمایشی دستگاه‌ها، از جمله فن کویل‌ها، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این واحد به دلیل سازگاری با سایر واحدهای فیزیکی، در محاسبات مهندسی رایج‌تر است.

نحوه تعیین ظرفیت بر اساس بار حرارتی فضا:

تعیین ظرفیت مناسب یک فن کویل یا هر سیستم تهویه مطبوع دیگر، مستقیماً به محاسبه بار حرارتی (Heat Load Calculation) فضا بستگی دارد. بار حرارتی به مجموع کل گرمایی (در حالت سرمایش) که باید از یک فضا حذف شود یا مجموع کل گرمایی (در حالت گرمایش) که باید به یک فضا اضافه شود، اطلاق می‌گردد تا دمای آن در محدوده آسایش حفظ شود.

بار حرارتی فضا از چندین منبع نشأت می‌گیرد که مهمترین آن‌ها عبارتند از:

انتقال حرارت از طریق دیوارهای خارجی، سقف، کف و پنجره‌ها (Conduction & Solar Gain):
- گرمایش: در فصول سرد، گرما از طریق این سطوح به بیرون از ساختمان نفوذ می‌کند (Heat Loss).
- سرمایش: در فصول گرم، گرما از طریق هدایت از بیرون به داخل ساختمان منتقل می‌شود و تابش خورشیدی (Solar Radiation) از پنجره‌ها و سایر بازشوها نیز به شدت به بار سرمایشی می‌افزاید (Heat Gain).
گرمای تولید شده توسط افراد (Occupants):
- بدن انسان به طور مداوم گرما تولید می‌کند (حدود $400 - 600 BT U / h r$ برای یک فرد در حالت استراحت، و بیشتر برای فعالیت‌های بدنی). این گرما باید در محاسبات سرمایش لحاظ شود.
گرمای تولید شده توسط تجهیزات الکتریکی و روشنایی (Equipment & Lighting):
- کامپیوترها، پرینترها، تلویزیون‌ها، لوازم آشپزخانه و حتی لامپ‌ها، همگی گرما تولید می‌کنند که باید در محاسبات بار سرمایشی در نظر گرفته شود. توان مصرفی آن‌ها (وات) را می‌توان به گرمای تولیدی تبدیل کرد (تقریباً $1 Watt \approx 3.412 BT U / h r$ ).
نفوذ هوا (Infiltration) و تهویه (Ventilation):
- هوای خارج از طریق درزها و شکاف‌ها (نفوذ) یا به صورت عمدی برای تهویه وارد فضا می‌شود. این هوای ورودی، بسته به اختلاف دما و رطوبت با هوای داخل، می‌تواند بار حرارتی (سرمایشی یا گرمایشی) را افزایش دهد.

مراحل کلی تعیین ظرفیت فن کویل بر اساس بار حرارتی:

جمع‌آوری اطلاعات دقیق فضا: شامل ابعاد (طول، عرض، ارتفاع)، نوع مصالح ساختمانی (دیوار، سقف، کف)، تعداد و نوع پنجره‌ها (دو جداره، تک جداره، جهت‌گیری)، تعداد افراد ساکن یا شاغل، نوع و تعداد تجهیزات الکتریکی، نوع روشنایی و کاربری فضا (مسکونی، اداری، تجاری).
انتخاب شرایط طراحی داخلی و خارجی: تعیین دمای مطلوب داخلی در تابستان و زمستان، و همچنین دمای طراحی خارجی (معمولاً بر اساس داده‌های هواشناسی منطقه).
محاسبه بارهای حرارتی مجزا: با استفاده از فرمول‌های مهندسی یا نرم‌افزارهای تخصصی HVAC (مانند Carrier HAP, Trane Trace)، بار حرارتی ناشی از هر منبع (انتقال از دیوارها، پنجره‌ها، افراد، تجهیزات، نفوذ هوا و تهویه) به صورت جداگانه محاسبه و سپس با هم جمع می‌شوند.
تعیین پیک بار حرارتی: بار حرارتی فضا در طول روز و فصول مختلف متغیر است. برای انتخاب دستگاه، پیک بار حرارتی (Peak Heat Load)، یعنی حداکثر بار مورد نیاز در بدترین شرایط (مثلاً گرم‌ترین ساعت تابستان یا سردترین ساعت زمستان)، محاسبه می‌شود.
اعمال ضریب اطمینان (Safety Factor): معمولاً یک ضریب اطمینان (حدود 10-20 درصد) به بار حرارتی محاسبه شده اضافه می‌شود تا از کمبود ظرفیت در شرایط پیش‌بینی نشده یا خطاهای جزئی در محاسبه جلوگیری شود.
انتخاب فن کویل با ظرفیت متناسب: پس از محاسبه نهایی بار حرارتی (به $BT U / h r$ یا $kW$ )، فن کویلی انتخاب می‌شود که ظرفیت سرمایشی (و گرمایشی، در صورت نیاز) آن برابر یا کمی بیشتر از این بار محاسبه شده باشد. اطلاعات ظرفیت فن کویل‌ها معمولاً در کاتالوگ‌های سازنده (Product Data Sheets) موجود است.

نکته مهم: محاسبات دقیق بار حرارتی نیازمند دانش تخصصی و تجربه است. اغلب مهندسین مشاور تأسیسات یا شرکت‌های متخصص HVAC این محاسبات را با دقت و با استفاده از نرم‌افزارهای پیشرفته انجام می‌دهند تا از انتخاب صحیح و بهینه تجهیزات اطمینان حاصل شود. انتخاب نامناسب ظرفیت فن کویل می‌تواند منجر به مشکلاتی نظیر عدم راحتی حرارتی، افزایش مصرف انرژی، یا کارکرد نامناسب سیستم شود.

اختلاف دمای آب ورودی و خروجی (Delta T or ΔT)

اختلاف دمای آب ورودی و خروجی (Delta T یا $Δ T$ ) یکی از حیاتی‌ترین پارامترها در طراحی، بهره‌برداری و پایش عملکرد سیستم‌های انتقال حرارت مبتنی بر مایعات، به ویژه در فن کویل‌ها و سایر مبدل‌های حرارتی، است. این پارامتر به سادگی تفاوت بین دمای آب ورودی به کویل و دمای آب خروجی از آن را نشان می‌دهد و به طور مستقیم با میزان گرمای منتقل شده مرتبط است.

اهمیت $Δ T$ در انتقال حرارت:

محاسبه ظرفیت حرارتی (Heat Transfer Rate):
ΔT جزء اصلی فرمول بنیادی انتقال حرارت جابجایی سیال است:

$Q = m ˙ \cdot C_{p} \cdot Δ T$ که در آن:
- $Q$ : نرخ انتقال حرارت (ظرفیت سرمایش/گرمایش)
- $m ˙$ : دبی جرمی سیال (آب)
- $C_{p}$ : گرمای ویژه سیال (آب)
- ΔT: اختلاف دمای آب ورودی و خروجی
  این فرمول نشان می‌دهد که با فرض ثابت بودن دبی جرمی و گرمای ویژه آب، هر چه ΔT بزرگتر باشد، میزان گرمای بیشتری بین آب و هوا مبادله شده است. به عبارت دیگر، فن کویل ظرفیت سرمایش (یا گرمایش) بالاتری را ارائه داده است.
بهینه‌سازی مصرف انرژی پمپ‌ها:
- در سیستم‌های تهویه مطبوع، چیلرها یا بویلرها وظیفه تأمین آب سرد یا گرم را دارند. پمپ‌ها نیز آب را در مدار به گردش در می‌آورند.
- اگر $Δ T$ کمتر از مقدار طراحی باشد (مثلاً به دلیل گرفتگی کویل یا طراحی نامناسب)، برای تأمین همان ظرفیت حرارتی مورد نیاز، لازم است دبی آب (و در نتیجه کارکرد پمپ) افزایش یابد. این امر منجر به مصرف انرژی بیشتر توسط پمپ‌ها می‌شود.
- هدف در طراحی سیستم‌های کارآمد، دستیابی به $Δ T$ طراحی شده (معمولاً بزرگتر) است تا با کمترین دبی آب، حداکثر انتقال حرارت صورت گیرد و در نتیجه مصرف انرژی پمپ‌ها کاهش یابد.
انتخاب و سایزینگ صحیح تجهیزات:
- سازندگان فن کویل‌ها، چیلرها و بویلرها، مشخصات فنی محصولات خود را بر اساس $Δ T$ معین (مثلاً $1 0^{\circ} F$ یا $5^{\circ} C$ برای سرمایش و $2 0^{\circ} F$ یا $1 0^{\circ} C$ برای گرمایش) ارائه می‌دهند.
- دانستن $Δ T$ مورد انتظار به مهندسان کمک می‌کند تا فن کویل با کویل مناسب و همچنین چیلرها و بویلرهایی با ظرفیت و راندمان متناسب را انتخاب کنند.
نشانگر عملکرد صحیح سیستم:
- یک $Δ T$ غیرعادی (بیش از حد کم یا زیاد) می‌تواند نشانه‌ای از مشکلات در سیستم باشد.
  - $Δ T$ پایین‌تر از حد انتظار: می‌تواند نشانه‌ای از دبی آب بیش از حد، گرفتگی کویل، رسوب در کویل، یا خرابی شیرهای کنترل باشد.
  - $Δ T$ بالاتر از حد انتظار: می‌تواند نشانه‌ای از دبی آب کمتر از حد لازم (کمبود آب) یا بار حرارتی بسیار زیاد باشد (که البته در این صورت فن کویل قادر به تأمین بار نخواهد بود).
- پایش مداوم $Δ T$ به اپراتورها کمک می‌کند تا مشکلات را به سرعت تشخیص داده و اقدامات اصلاحی لازم را انجام دهند.

مقادیر رایج $Δ T$ :

در حالت سرمایش (آب سرد): معمولاً $Δ T$ بین $8^{\circ} C$ تا $1 0^{\circ} C$ (حدود $1 4^{\circ} F$ تا $1 8^{\circ} F$ ) در نظر گرفته می‌شود.
- به عنوان مثال، آب ورودی $7^{\circ} C$ ( $4 4^{\circ} F$ ) و آب خروجی $1 2^{\circ} C$ ( $5 4^{\circ} F$ )، که $Δ T = 5^{\circ} C$ ( $1 0^{\circ} F$ ) را نشان می‌دهد. در برخی طراحی‌ها، ممکن است $Δ T$ برای چیلرها تا $1 0^{\circ} C$ هم برسد.
در حالت گرمایش (آب گرم): معمولاً $Δ T$ بین $1 0^{\circ} C$ تا $2 0^{\circ} C$ (حدود $1 8^{\circ} F$ تا $3 6^{\circ} F$ ) یا بیشتر است، بسته به نوع سیستم گرمایش و دمای آب ورودی.
- به عنوان مثال، آب ورودی $8 0^{\circ} C$ ( $17 6^{\circ} F$ ) و آب خروجی $7 0^{\circ} C$ ( $15 8^{\circ} F$ )، که $Δ T = 1 0^{\circ} C$ ( $1 8^{\circ} F$ ) را نشان می‌دهد.

نحوه اندازه‌گیری $Δ T$ :

اندازه‌گیری $Δ T$ شامل اندازه‌گیری دمای آب ورودی و دمای آب خروجی از کویل فن کویل است. این کار به روش‌های زیر انجام می‌شود:

دماسنج‌های تماسی (Contact Thermometers):
- این دماسنج‌ها که می‌توانند دیجیتال یا آنالوگ باشند، به سطح لوله آب ورودی و خروجی چسبانده می‌شوند یا به صورت گیره‌ای روی لوله نصب می‌شوند.
- اگرچه استفاده از آن‌ها آسان است، اما دقت آن‌ها ممکن است تحت تأثیر دمای محیط اطراف لوله قرار گیرد. برای دقت بیشتر، بهتر است لوله در نقطه اندازه‌گیری عایق‌بندی شود.
سنسورهای دمای سطحی (Surface Temperature Sensors):
- نوع پیشرفته‌تر دماسنج‌های تماسی که به طور خاص برای اندازه‌گیری دمای سطح لوله‌ها طراحی شده‌اند و معمولاً دقت بالاتری دارند.
سنسورهای دمای غوطه‌ور (Immersion Temperature Sensors/Probes):
- دقیق‌ترین روش اندازه‌گیری است. در این روش، سنسور دما مستقیماً در مسیر جریان آب (از طریق یک ترموول – Thermowell) قرار می‌گیرد. ترموول یک محفظه فلزی است که سنسور در آن قرار می‌گیرد و از تماس مستقیم سنسور با آب جلوگیری می‌کند، در عین حال امکان اندازه‌گیری دقیق دمای سیال را فراهم می‌آورد. این روش در سیستم‌های دقیق‌تر و برای پایش مستمر استفاده می‌شود.
- در فن کویل‌ها، نقاطی برای نصب این سنسورها (قبل از ورود به کویل و بعد از خروج از آن) باید در نظر گرفته شوند.
ترمومترهای مادون قرمز (Infrared Thermometers):
- این دماسنج‌ها بدون تماس، دمای سطح لوله را اندازه‌گیری می‌کنند. سریع و آسان هستند، اما دقت آن‌ها به ضریب گسیلندگی (emissivity) سطح لوله و فاصله اندازه‌گیری بستگی دارد. برای اندازه‌گیری دقیق $Δ T$ با این روش، هر دو نقطه باید در شرایط یکسان اندازه‌گیری شوند و لوله‌ها باید عایق باشند.

مراحل اندازه‌گیری:

شناسایی لوله‌های ورودی و خروجی: لوله آب سرد ورودی و لوله آب سرد خروجی از فن کویل را مشخص کنید. (همینطور برای آب گرم).
انتخاب نقطه مناسب: دماسنج را در نقطه‌ای نزدیک به کویل فن کویل، اما قبل از هرگونه انشعاب یا شیر کنترل مهم، روی لوله ورودی و سپس روی لوله خروجی قرار دهید.
قرائت دماها: دمای هر دو نقطه ( $T_{in}$ و $T_{o u t}$ ) را یادداشت کنید.
محاسبه $Δ T$ : اختلاف دو دما را محاسبه کنید: $Δ T = ∣ T_{o u t} - T_{in} ∣$ .

گرمای ویژه آب (Specific Heat of Water – Cp)

گرمای ویژه (Specific Heat) یک ویژگی فیزیکی ماده است که نشان می‌دهد چه مقدار انرژی گرمایی برای افزایش دمای واحد جرم آن ماده به میزان یک درجه نیاز است. به عبارت دیگر، این پارامتر مقاومت یک ماده در برابر تغییر دما هنگام جذب یا دفع گرما را نشان می‌دهد. هر چه گرمای ویژه یک ماده بالاتر باشد، برای گرم کردن یا سرد کردن آن به انرژی بیشتری نیاز است و در نتیجه، دمای آن کندتر تغییر می‌کند.

مقدار ثابت گرمای ویژه آب:

آب به دلیل ساختار مولکولی خاص خود (پیوندهای هیدروژنی)، دارای بالاترین گرمای ویژه در میان بسیاری از مواد رایج است. این ویژگی آب را به یک سیال بسیار مناسب برای انتقال حرارت تبدیل کرده است، زیرا می‌تواند مقدار زیادی گرما را با تغییر دمای نسبتاً کم جذب یا دفع کند.

مقدار گرمای ویژه آب کمی با دما و فشار تغییر می‌کند، اما برای اکثر محاسبات مهندسی در محدوده دمایی معمول سیستم‌های HVAC، آن را به عنوان یک مقدار ثابت و تقریبی در نظر می‌گیرند.

در سیستم SI (متریک):
- $C_{p} \approx 4.184 kJ/(kg \cdot^{\circ} C)$
- یا به عبارت دیگر: $4184 J/(kg \cdot^{\circ} C)$
- این بدان معناست که برای افزایش دمای 1 کیلوگرم آب به میزان 1 درجه سانتی‌گراد، به 4184 ژول انرژی نیاز است.
در سیستم امپریال (BTU):
- $C_{p} \approx 1 BTU/(lb \cdot^{\circ} F)$
- این بدان معناست که برای افزایش دمای 1 پوند آب به میزان 1 درجه فارنهایت، به 1 BTU انرژی نیاز است.
- توجه داشته باشید که رابطه بین BTU و گرمای ویژه آب، این واحد را به یک واحد بسیار شهودی تبدیل کرده است.

نقش گرمای ویژه آب در فرمول‌ها:

گرمای ویژه آب، پارامتری کلیدی در فرمول‌های محاسبه نرخ انتقال حرارت (Heat Transfer Rate) یا ظرفیت حرارتی (Heat Capacity) در سیستم‌هایی است که از آب به عنوان سیال عامل استفاده می‌کنند. مهمترین فرمولی که در آن $C_{p}$ آب نقش محوری دارد، فرمول محاسبه ظرفیت حرارتی (Q) است:

$Q = m ˙ \cdot C_{p} \cdot Δ T$ یا اگر دبی حجمی (Volumetric Flow Rate) را داشته باشیم:

$Q = V ˙ \cdot ρ \cdot C_{p} \cdot Δ T$ که در این فرمول‌ها:

$Q$ : نرخ انتقال حرارت یا ظرفیت حرارتی (واحدها: وات (W) یا BTU/hr). این همان ظرفیت سرمایش یا گرمایش فن کویل است.
$m ˙$ : دبی جرمی آب (Mass Flow Rate) (واحدها: kg/s یا lb/hr).
$V ˙$ : دبی حجمی آب (Volumetric Flow Rate) (واحدها: $m^{3} / s$ ، GPM یا LPM).
$ρ$ : چگالی آب (Density of Water) (واحدها: kg/ $m^{3}$ یا lb/ $f t^{3}$ ).
$C_{p}$ : گرمای ویژه آب (واحدها: J/(kg $\cdot^{\circ}$ C) یا BTU/(lb $\cdot^{\circ}$ F)).
$Δ T$ : اختلاف دمای آب ورودی و خروجی از مبدل حرارتی (Delta T) (واحدها: $^{\circ}$ C یا $^{\circ}$ F).

نقش و اهمیت $C_{p}$ در این فرمول:

رابطه مستقیم با ظرفیت: همانطور که از فرمول پیداست، $C_{p}$ به صورت مستقیم در تعیین ظرفیت حرارتی نقش دارد. هر چه $C_{p}$ یک سیال بالاتر باشد، همان مقدار جرم از آن سیال می‌تواند با تغییر دمای یکسان، مقدار بیشتری گرما را منتقل کند. این همان دلیلی است که آب به عنوان یک سیال انتقال حرارت ایده‌آل در سیستم‌های HVAC شناخته می‌شود.
اساس محاسبات: بدون مقدار دقیق $C_{p}$ آب، امکان محاسبه صحیح دبی آب مورد نیاز برای تأمین ظرفیت حرارتی مشخص یا برعکس، محاسبه ظرفیت حرارتی تولید شده توسط یک دبی آب مشخص، وجود نخواهد داشت.
ثبات و پایداری دما: به دلیل گرمای ویژه بالای آب، سیستم‌های مبتنی بر آب در برابر نوسانات دما مقاوم‌تر هستند. این ویژگی به حفظ پایداری دمای محیط کمک می‌کند و از تغییرات ناگهانی دما جلوگیری می‌کند.
طراحی بهینه سیستم: در طراحی سیستم‌های گرمایش و سرمایش، مهندسان از این مقدار ثابت برای تعیین اندازه لوله‌کشی، پمپ‌ها و تجهیزات تبادل حرارت استفاده می‌کنند تا از انتقال حرارت کارآمد و مصرف انرژی بهینه اطمینان حاصل کنند.

در نهایت، گرمای ویژه آب یک خاصیت بنیادی و اساسی برای این سیال است که آن را به یک واسطه بی‌نظیر برای انتقال انرژی حرارتی در کاربردهای متنوع، از جمله تهویه مطبوع و به طور خاص در فن کویل‌ها، تبدیل کرده است. در محاسبات مربوط به فن کویل، همواره از مقدار مناسب $C_{p}$ آب بر اساس واحدهای انتخابی (متریک یا امپریال) استفاده می‌شود.

فرمول‌های اصلی محاسبه دبی آب در سیستم‌های تهویه مطبوع

در سیستم‌های تهویه مطبوع، به ویژه آن‌هایی که از آب به عنوان سیال انتقال حرارت استفاده می‌کنند (مانند فن کویل‌ها، چیلرها، بویلرها)، دبی آب (Water Flow Rate) یک پارامتر بسیار حیاتی است. دبی آب به مقدار آبی که در واحد زمان از یک نقطه مشخص در سیستم عبور می‌کند، اشاره دارد. محاسبه صحیح دبی آب برای تضمین عملکرد بهینه، انتقال حرارت کافی و راندمان انرژی سیستم ضروری است.

دبی آب را می‌توان به دو صورت اصلی بیان کرد:

دبی جرمی ( $m ˙$ – Mass Flow Rate): مقدار جرم آب عبوری در واحد زمان (مثلاً کیلوگرم بر ثانیه – kg/s یا پوند بر ساعت – lb/hr).
دبی حجمی ( $V ˙$ – Volumetric Flow Rate): مقدار حجم آب عبوری در واحد زمان (مثلاً متر مکعب بر ساعت – $m^{3} / h$ ، لیتر بر ثانیه – L/s، گالن بر دقیقه – GPM).

ارتباط بین دبی جرمی و دبی حجمی از طریق چگالی (ρ) برقرار می‌شود:

$m ˙ = V ˙ \cdot ρ$

فرمول‌های اصلی محاسبه دبی آب:

فرمول اصلی برای محاسبه دبی آب، از رابطه انتقال حرارت جابجایی سیال به دست می‌آید. این فرمول، ظرفیت حرارتی (Q) را به دبی سیال، گرمای ویژه آن ( $C_{p}$ ) و اختلاف دما ( $Δ T$ ) مرتبط می‌کند:

$Q = m ˙ \cdot C_{p} \cdot Δ T$ از این فرمول پایه، می‌توانیم فرمول‌های محاسبه دبی آب را استخراج کنیم:

1. محاسبه دبی جرمی ( $m ˙$ ):

اگر ظرفیت حرارتی مورد نیاز ( $Q$ )، گرمای ویژه آب ( $C_{p}$ ) و اختلاف دمای آب ورودی و خروجی ( $Δ T$ ) مشخص باشند، دبی جرمی آب از فرمول زیر به دست می‌آید:

$m ˙ = C ^{p} \cdot Δ T Q$ توضیح پارامترها و واحدها:

$m ˙$ (دبی جرمی):
- در سیستم SI: کیلوگرم بر ثانیه (kg/s)
- در سیستم امپریال: پوند بر ساعت (lb/hr)
$Q$ (ظرفیت حرارتی):
- در سیستم SI: وات (W) یا ژول بر ثانیه (J/s)
- در سیستم امپریال: BTU بر ساعت (BTU/hr)
$C_{p}$ (گرمای ویژه آب):
- در سیستم SI: تقریباً $4184 J/(kg \cdot^{\circ} C)$
- در سیستم امپریال: تقریباً $1 BTU/(lb \cdot^{\circ} F)$
$Δ T$ (اختلاف دمای آب ورودی و خروجی):
- در سیستم SI: درجه سانتی‌گراد ( $^{\circ}$ C)
- در سیستم امپریال: درجه فارنهایت ( $^{\circ}$ F)

2. محاسبه دبی حجمی ( $V ˙$ ):

از آنجایی که دبی حجمی معمولاً در طراحی و بهره‌برداری سیستم‌ها کاربردی‌تر است (مثلاً برای سایزینگ پمپ‌ها و لوله‌ها)، می‌توانیم فرمول بالا را با استفاده از چگالی ( $ρ$ ) به دبی حجمی تبدیل کنیم:

$V ˙ = ρ m ˙ = ρ \cdot C ^{p} \cdot Δ T Q$ توضیح پارامترها و واحدها:

$V ˙$ (دبی حجمی):
- در سیستم SI: متر مکعب بر ثانیه ( $m^{3} / s$ ) یا لیتر بر ثانیه (L/s)
- در سیستم امپریال: گالن بر دقیقه (GPM)
$ρ$ (چگالی آب):
- در سیستم SI: تقریباً $1000 kg/m^{3}$ (در دمای $4^{\circ} C$ )
- در سیستم امپریال: تقریباً $62.4 lb/ft^{3}$ یا $8.34 lb/gallon$
سایر پارامترها ( $Q, C_{p}, Δ T$ ) همانند قبل هستند.

فرمول‌های پرکاربرد برای دبی حجمی در واحدهای رایج:

با جایگذاری مقادیر تقریبی $C_{p}$ و $ρ$ برای آب در فرمول دبی حجمی، می‌توانیم فرمول‌های ساده‌تری برای کاربردهای عملی به دست آوریم:

الف) برای سیستم SI (واحد $L / s$ ):

اگر Q بر حسب کیلووات (kW) باشد:

Q (kW)=Q (J/s)

Cp=4184 J/(kg⋅∘C)

ρ=1000 kg/m3

$V ˙ (L/s) = 1000 (kg/m ^{3} ) \times 4184 (J/kg \cdot ^{\circ} C) \times Δ T ( ^{\circ} C) Q (kW) \times 1000 (J/kJ) \times 1000 (L/m^{3})$ $V ˙ (L/s) = 4.184 \times Δ T ( ^{\circ} C) Q (kW)$ ب) برای سیستم امپریال (واحد GPM – گالن بر دقیقه):