بازطراحی سیستم سرمایش ساختمان؛ از چیلر جذبی تا معماری یکپارچه CCHP

مزیت برق مصرفی چیلر جذبی

چیلرهای جذبی در ساختمان‌هایی که با محدودیت ظرفیت برق روبه‌رو هستند، انتخابی قابل‌توجه به شمار می‌آیند. این تجهیزات برای تولید سرما به کمپرسور الکتریکی پرقدرت متکی نیستند و بخش عمده انرژی موردنیاز خود را از یک منبع حرارتی، مانند گاز، دریافت می‌کنند.
در نمونه مورد بررسی، ظرفیت چیلر ۱۶۰ تن تبرید، معادل حدود ۵۶۳ کیلووات سرمایش است. این ظرفیت نشان می‌دهد که موضوع فقط یک تجهیز کوچک ساختمان نیست؛ بلکه با یک مصرف‌کننده مهم انرژی و آب روبه‌رو هستیم.
برآورد اولیه نشان می‌دهد برق خود چیلر جذبی می‌تواند در محدوده ۲ تا ۵ کیلووات باشد. در مقابل، یک چیلر تراکمی با ظرفیت مشابه، برای کمپرسور و تجهیزات اصلی ممکن است حدود ۱۴۵ تا ۱۷۵ کیلووات برق نیاز داشته باشد. اما این مقایسه زمانی معنا پیدا می‌کند که پمپ‌ها، فن‌ها و تجهیزات دفع حرارت نیز در محاسبه لحاظ شوند.

پارامتر	چیلر جذبی مستقیم‌سوز + برج تر	چیلر تراکمی + کولر خشک
ظرفیت سرمایش	۱۶۰ TR	۱۶۰ TR
برق خود چیلر	۲ تا ۵ کیلووات	۱۴۵ تا ۱۷۵ کیلووات
پمپ مدار آب سرد	۸ تا ۱۲ کیلووات	۸ تا ۱۲ کیلووات
پمپ مدار دفع حرارت	۸ تا ۱۲ کیلووات	—
فن برج تر	۳ تا ۶ کیلووات	—
فن کولر خشک	—	۳۵ تا ۵۵ کیلووات
مصرف برق کل تقریبی	۲۱ تا ۳۵ کیلووات	۱۹۰ تا ۲۴۰ کیلووات
مصرف برق به ازای هر تن	۰٫۱۳ تا ۰٫۲۲ kW/TR	۱٫۱۹ تا ۱٫۵۰ kW/TR
مصرف گاز در بخش سرمایش	بالا	صفر
مصرف آب برج	دارد	تقریباً صفر
روش دفع حرارت	برج تر	کولر خشک

این مقایسه تقریبی نشان داد که حتی با لحاظ‌کردن تجهیزات جانبی، بار الکتریکی کل سیستم جذبی به‌مراتب کمتر از سیستم تراکمی مرجع باقی می‌ماند. این مزیت، در ساختمان‌هایی که با محدودیت ظرفیت برق یا فشار بار در ساعات اوج مصرف روبه‌رو هستند، اهمیت ویژه‌ای دارد.

اما در همین نقطه، یک واقعیت دیگر خود را نشان داد: برق کمتر به این معنا نبود که انرژی کمتری مصرف شده است. انرژی فقط از یک حامل به حامل دیگر منتقل شده بود. در چیلر تراکمی، انرژی اصلی از برق تأمین می‌شد. در چیلر جذبی مستقیم‌سوز، برق کمتر مصرف می‌شد، اما تأمین حرارت برای ژنراتور به گاز وابسته بود. بنابراین، مزیت الکتریکی سیستم موجود، با یک وابستگی حرارتی همراه شده بود.

---

گاز؛ بخشی از صورت‌مسئله که دیده نمی‌شد

در چیلر جذبی مستقیم‌سوز، گاز مستقیماً برای گرم‌کردن ژنراتور مصرف می‌شد تا سیکل جذبی بتواند فرایند سرمایش را انجام دهد. بنابراین، در یک ساختمان بزرگ، با افزایش ساعات کارکرد چیلر، مصرف گاز نیز به عددی قابل‌توجه تبدیل می‌شد.

برای برآورد اولیه، مصرف گاز چیلر ۱۶۰ تن در محدوده ۳۵ تا ۴۰ مترمکعب در ساعت در نظر گرفته شد. با فرض کارکرد متوسط روزانه ۸ ساعت و فعالیت در ۱۲۰ روز سال، مصرف گاز سالانه در محدوده زیر قرار می‌گرفت:

۳۳٬۶۰۰ تا ۳۸٬۴۰۰ مترمکعب در سال

این عدد یک برآورد مهندسی اولیه بود و برای محاسبه دقیق، باید مدل کامل چیلر، بار واقعی، دمای آب‌ها و اطلاعات کنتور گاز بررسی می‌شد.

با این حال، همین برآورد یک پیام روشن داشت: چیلر جذبی از نظر برق کم‌مصرف بود، اما گاز را به یکی از مهم‌ترین حامل‌های انرژی سیستم سرمایش ساختمان تبدیل می‌کرد.

---

آب؛ هزینه پنهان دفع حرارت

در سیستم جذبی، موضوع فقط گاز نبود. برای دفع گرمای کندانسور و ابزوربر، برج خنک‌کننده مورد استفاده قرار می‌گرفت.

آب در این مدار با دبی بالا گردش می‌کرد، اما دبی گردش را نباید با مصرف واقعی آب اشتباه گرفت. مصرف واقعی از تبخیر، بلودان، تلفات پاشش و دیگر تلفات بهره‌برداری ناشی می‌شد.

برای سیستم ۱۶۰ تن، مصرف آب برج در محدوده ۱٫۵ تا ۲ مترمکعب در ساعت در نظر گرفته شد؛ عددی که به دمای مرطوب محیط، کیفیت آب و تنظیمات برج وابسته بود. با فرض ۹۶۰ ساعت کارکرد سالانه، مصرف آب می‌توانست به حدود زیر برسد:

۱٬۴۴۰ تا ۱٬۹۲۰ مترمکعب در سال

در این مرحله، مسئله از سطح یک مقایسه ساده میان چیلر جذبی و تراکمی عبور کرد. سیستم جذبی بار الکتریکی کمی ایجاد می‌کرد، اما در مقابل، گاز و آب به دو بخش مهم هزینه و بهره‌برداری آن تبدیل شده بودند.

---

سؤال اساسی پروژه

در اینجا یک سؤال مهم شکل گرفت:

اگر چیلر جذبی به‌دلیل مصرف برق پایین انتخاب شده است، آیا می‌توان این مزیت را حفظ کرد، اما مصرف گاز و آب آن را نیز کاهش داد؟

پاسخ پیشنهادی پروژه، جایگزینی کامل چیلر نبود. چیلر جذبی همچنان مزیت مهمی داشت: بار بسیار کمتری به زیرساخت برق ساختمان وارد می‌کرد.
بنابراین، مسئله در خود چیلر نبود؛ مسئله در معماری انرژی اطراف آن قرار داشت. به‌جای حذف تجهیز موجود، مسیر پروژه به‌سمت بازطراحی رابطه میان برق، گاز، حرارت، سرما و دفع حرارت حرکت کرد.

---

راهکار پیشنهادی؛ CCHP در کنار چیلر جذبی

پیشنهاد اصلی، ایجاد یک سامانه تولید هم‌زمان برق، گرما و سرما یا CCHP در کنار چیلر جذبی بود.

در این ساختار، یک موتور گازسوز برای ساختمان برق تولید می‌کرد. اما تفاوت اصلی این رویکرد با ساختار معمول، در ارزش‌دادن به حرارت اتلافی موتور بود. حرارت موجود در اگزوز موتور و آب ژاکت، از طریق یک سامانه بازیاب حرارتی جمع‌آوری می‌شد و به مدار حرارتی چیلر انتقال می‌یافت. در نتیجه، گازی که ابتدا برای تولید برق مصرف می‌شد، حرارت قابل‌استفاده‌ای نیز تولید می‌کرد و بخشی از این حرارت برای تولید سرمایش به کار گرفته می‌شد.

• منطق سیستم به‌صورت زیر تعریف شد:

گاز → برق + حرارت

• و سپس:

حرارت بازیافتی → چیلر جذبی → سرما

در همین نقطه، مفهوم تولید هم‌زمان معنا پیدا می‌کرد: یک منبع سوخت، به‌جای آن‌که فقط برای تولید حرارت مستقیم مصرف شود، برق و حرارت را هم‌زمان در اختیار ساختمان قرار می‌داد.

---

زمانی که خورشید وارد مدار شد

در کنار بازیافت حرارتی موتور، انرژی خورشیدی حرارتی نیز وارد مدار شد. انرژی خورشیدی به‌وسیله کلکتورها جذب می‌شد و به یک منبع ذخیره حرارتی مجهز به کویل منتقل می‌شد.
این مخزن به‌عنوان یک منبع مدیریت انرژی عمل می‌کرد و حرارت خورشیدی و حرارت بازیافتی موتور را در یک مدار گرد هم می‌آورد.

در زمان دسترسی به تابش خورشید، بخشی از نیاز حرارتی چیلر می‌توانست از انرژی خورشیدی تأمین شود. در ساعت‌هایی که تابش کاهش می‌یافت، بازیافت حرارتی موتور سهم بیشتری از بار را بر عهده می‌گرفت.
به این ترتیب، وابستگی چیلر به مشعل مستقیم‌سوز کاهش می‌یافت و انرژی حرارتی موردنیاز سیستم از دو منبع مکمل تأمین می‌شد:
خورشید و حرارت بازیافتی.

---

بازنگری در برج خنک‌کننده

دومین تغییر بنیادی پروژه، به بخش دفع حرارت مربوط می‌شد. در سیستم فعلی، حرارت اضافی از طریق برج خنک‌کننده و با مصرف آب دفع می‌شد.

اما در طرح پیشنهادی، یک مدار بسته تبادل حرارت با زمین تعریف شد. در این روش، آب یا سیال انتقال حرارت مناسب، پس از عبور از مبدل حرارتی، به میدان چاه‌های عمودی با عمق ۵۰ تا ۱۵۰ متر منتقل می‌شد. گرمای کندانسور و ابزوربر نیز از این مسیر به محیط زیرسطحی انتقال می‌یافت.

• مسیر پیشنهادی به این صورت تعریف شد:

چیلر → مبدل حرارتی → مدار زمین → چاه‌های عمودی

• در برابر مسیر متداول:

چیلر → برج خنک‌کننده → تبخیر آب

هدف از این تغییر، انتقال دفع حرارت از یک سامانه وابسته به تبخیر آب، به یک مدار بسته زمین‌پایه بود. این رویکرد، به‌ویژه در مناطق گرم و کم‌آب، از منظر کاهش وابستگی به آب و مدیریت پایدارتر انرژی اهمیت پیدا می‌کرد.

---

درسی که از مرحله طراحی ساختمان باقی ماند

یکی از مهم‌ترین درس‌های پروژه، به مرحله طراحی اولیه ساختمان بازمی‌گشت. بررسی سیستم نشان داد که اگر از همان مرحله طراحی ابنیه و تأسیسات، استفاده از انرژی خورشیدی، بازیافت حرارت و تبادل حرارت با زمین در نظر گرفته می‌شد، مسیر بازطراحی ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر بود.
در آن صورت، می‌شد محل چاه‌های عمودی را از ابتدا مشخص کرد، مسیر لوله‌های حرارتی را در ساختمان پیش‌بینی کرد، فضای مبدل‌ها و مخازن را در نقشه‌ها دید، لوله‌کشی حرارتی بام را اجرا کرد و زیرساخت CCHP را در معماری تأسیسات ساختمان لحاظ کرد.
در چنین حالتی، بام ساختمان فقط یک سطح در معرض تابش و جذب حرارت نبود؛ بلکه می‌توانست بخشی از سامانه مدیریت حرارتی ساختمان باشد.

این موضوع اهمیت زیادی داشت، زیرا بسیاری از هزینه‌ها و پیچیدگی‌های بهینه‌سازی پس از ساخت ساختمان، از جایی ایجاد می‌شوند که زیرساخت لازم در مرحله طراحی اولیه دیده نشده است.

---

جمع‌بندی

این پروژه با بررسی یک چیلر جذبی ۱۶۰ تن آغاز شد؛ تجهیزی که از نظر برق مصرفی مزیت قابل‌توجهی داشت، اما به گاز برای تأمین حرارت و به آب برای دفع حرارت وابسته بود. برسی‌ها نشان داد که مسئله، انتخاب یا تعویض یک تجهیز نیست. مسئله اصلی، نحوه ارتباط میان برق، گاز، حرارت، سرما، آب و دفع حرارت در معماری انرژی ساختمان است.

در نتیجه، چیلر جذبی در کنار CCHP، بازیافت حرارت، انرژی خورشیدی، ذخیره حرارتی و تبادل حرارت با زمین دیده شد. هدف، کنارگذاشتن مزیت برق پایین چیلر نبود؛ هدف، کامل‌کردن آن در یک زنجیره انرژی یکپارچه‌تر بود.

بهره‌وری واقعی از انتخاب یک دستگاه آغاز نمی‌شود؛ از طراحی هوشمندانه کل زنجیره انرژی ساختمان آغاز می‌شود.