از آن‌جا که هدف نهایی تهویه مطبوع ایجاد یک شرایط خاص در هوای محیط و کنترل آن است، درک سایکرومتری (رطوبت‌‌سنجی هوا) در تهویه مطبوع نقش کلیدی ایفا می‌کند. بدون شناخت خواص هوا و رفتار منحصر به‌فرد آن در فرآیندهای مختلفی مثل سرمایش، گرمایش، رطوبت‌زنی و غیره، نمی‌توان به درک درستی از این فرآیندها رسید و تحلیل و راهکار مناسبی برای حل مشکلات ارائه کرد. قوانین حاکم بر سایکرومتری به ما کمک می‌کنند تا هرگونه ادعا درباره فرآیندهای نامتعارف هوا را بدون نیاز به آزمون عملی بسنجیم. از آن‌جا که حفظ و کنترل شرایط آسایش در تهویه مطبوع بسیار مهمتر از صرفا ایجاد شرایط است. علم سایکرومتری کمک می‌کند تا پارامترها، فرآیندها، و شرایط را بهتر درک نماییم و درصورت لزوم راهکار عملیاتی ارائه دهیم.
برای درک بهتر سایکرومتری، لازم است تعاریف پارامترهای اساسی را بدانیم.
دمای حباب خشک
دمای حباب خشک (Dry Bulb Temperature)، یا به طور ساده‌تر «دمای خشک»، دمایی است که یک دماسنج معمولی اندازه‌گیری کرده و نمایش می دهد. وقتی در مباحث و موضوعات مختلف از عبارت «دما» استفاده می‌شود، منظور همین دمای حباب خشک است. واحدهای اندازه‌گیری مرسوم دمای خشک، درجه سلسیوس با علامت ℃ و درجه فارنهایت با علامت ℉ هستند. همچنین از درجه رانکین و کلوین هم برای اندازه‌گیری دما استفاده می شود.
تبدیل واحدهای سلسیوس، کلوین، فارنهایت و رانکین به‌شکل زیر انجام می‌شود:
سایر تبدیل واحدهای مرتبط با این موضوع در بخش تبدیل واحدهای مهندسی آورده خواهد شد.
دمای حباب مرطوب
دمای حباب مرطوب (Wet Bulb Temperature)، یا به‌طور ساده‌تر «دمای مرطوب»، حداقل دمایی است که می‌توان در حضور آب به آن دست پیدا کرد. به همین دلیل، برای پیدا کردن دمای مرطوب یک پارچه مرطوب را روی بخش حباب دماسنج معمولی گذاشته و آن را با سرعت بسیار زیاد از جریان هوا عبور می‌دهیم. هوا به‌خاطر جذب رطوبت از پارچه خیس و البته تبخیر آب، دمای پارچه را پایین می‌آورد. دمایی که در این شرایط به‌دست می‌آید، دمای حباب مرطوب نامیده می‌شود. اگر رطوبت هوا بسیار بالا باشد، دیگر امکان جذب رطوبت وجود نخواهد داشت و به همین دلیل، دمای حباب مرطوب و دمای حباب خشک یکسان می‌شود. بنابراین، دمای هوای مرطوب همواره کوچک‌تر یا برابر با دمای خشک است.
محاسبه دقیق دمای حباب مرطوب به‌کمک روابط ریاضی کار دشواری است که معمولا توسط نرم افزارها و یا روابط بسیار پیچیده محاسبه می‌شود. در ادامه چند رابطه برای محاسبه دقیق دمای حباب مرطوب ارائه خواهد شد.
رطوبت نسبی
برای بیان میزان رطوبت هوا، چند پارامتر با نام‌های شبیه به هم وجود دارد که یکی از آن‌ها رطوبت نسبی (Relative Humidity) است. این پارامتر با علامت اختصاری RH مشخص می‌شود و باید همیشه دقت داشته باشید که آیا برحسب درصد بیان شده، یا عددی بین صفر و یک است. می‌دانیم که هوا در هر دمای مشخص، گنجایش حداکثری مشخصی از رطوبت دارد و نمی‌تواند بیشتر از سقف گنجایشش رطوبت داشته باشد. برای محاسبه این پارامتر، فشار بخار موجود در هوا را نسبت به حداکثر فشار بخار ممکن (فشار بخار اشباع) می‌سنجیم. یعنی:
بدیهی است عبارت فوق عددی بین صفر و یک خواهد بود و بعضاً برحسب درصد بیان می‌شود. بنابراین، درصورتی که رطوبت نسبی به 100% رسیده باشد، نتیجه می‌گیریم که هوا حداکثر میزان رطوبت ممکن را در خود جای داده است.
دمای خشک، دمای مرطوب و فشار محیط، پارامترهای موثر بر محاسبه فشار بخار آب در هوای مدنظر هستند.
لازم به ذکر است که فشار بخار را می‌توان به راحتی توسط نرم افزارهای تحت ویندوز یا اندروید یا سایر سیستم عامل‌ها محاسبه کرد. به همین دلیل، استفاده از روابط ریاضی بالا به‌جز زمانی که قصد برنامه‌نویسی یا انجام محاسبات دقیق داریم، توجیه خاصی ندارد. در هر حال، این روابط می‌توانند برای درک عوامل موثر در پارامترهای مختلف مفید واقع شوند.
برای محاسبه فشار بخار اشباع هم روابط زیر را داریم:
رطوبت مطلق
رطوبت مطلق (Humidity Ratio) یا نسبت رطوبت، میزان رطوبت موجود در هوا را نشان می دهد و بیانگر این است که در جرم مشخصی از هوا، چقدر رطوبت وجود دارد.
رابطه فوق بر اساس روابط گاز کامل اثبات و خلاصه شده است. لازم به توضیح است که طبق تحقیقات انجام شده، اگر فشار بخار کمتر از 12 kPa باشد، می‌توان از روابط گاز کامل استفاده کرد. تقریباً در اکثریت قریب به اتفاق مسائل مورد بررسی در تهویه مطبوع، فشار بخار کمتر از مقدار فوق است.
دمای نقطه شبنم (Dew Point Temperature): اگر در میزان رطوبت ثابت (w=cte) رطوبت نسبی را 100% فرض کنیم به نقطه شبنم می رسیم. برای محاسبه دمای نقطه شبنم از روابطی که در ادامه می‌بینید استفاده می‌شود:
انتالپی هوا
در محاسبات تهویه مطبوع و محاسبه میزان گرما یا سرمای لازم، پارامتر انتالپی هوا (Air Enthalpy) اهمیت بسیار بالایی دارد. به علت وجود رطوبت در هوا، دمای خشک و میزان رطوبت در انتالپی هوا دخیل هستند:
چگالی هوای مرطوب
به علت وجود رطوبت در هوا، چگالی هوا تحت تاثیر میزان رطوبت هم قرار می‌گیرد. چگالی هوای خشک هم بر اساس روابط گاز کامل، تابعی از فشار محیط و ثابت‌های ترمودینامیکی هوا است. رابطه چگالی هوای مرطوب مطابق فرمول زیر محاسبه می‌شود:
در برخی از منابع از هوای استاندارد هم یاد شده است. مقدار چگالی هوای استاندارد در سطح دریا، بدون هیچگونه رطوبت (هوای خشک) و در دمای 21.1 درجه سانتی گراد (70 درجه فارنهایت)، برابر با 1.2 کیلوگرم بر متر مکعب (0.075 پوند بر فوت مکعب) خواهد بود.
در برخی از روابط مرتبط با تهویه مطبوع از حجم مخصوص هم استفاده شده است. حجم مخصوص عبارت است از میزان حجم سیال مورد نظر در واحد جرم آن. با تعریف حجم مخصوص می‌توان دریافت که مقدار آن عکس چگالی است. لذا می‌توان از رابطه زیر استفاده کرد:
بنابراین نیازی به تعریف روابط جدید نیست.
فشار هوای محیط: در اکثر موارد، فشار هوای محیط به‌عنوان داده ورودی پیش‌فرض درنظر گرفته می‌شود. فشار هوای محیط به ارتفاع از سطح دریاهای آزاد و دمای محیط وابسته است و به علت تاثیر بیشتر ارتفاع از سطح دریا از رابطه زیر که از ASHRAE برداشت شده است، استفاده می شود:
در رابطه فوق فرض شده است که دما در ارتفاعات مختلف از سطح دریا به فرم زیر تغییر می‌کند:
برای محاسبه دمای حباب مرطوب روابط تقریبی مختلفی پیشنهاد شده است که چند مورد آن را در ادامه مشاهده می‌کنید:
دما برحسب سانتی گراد و رطوبت نسبی برحسب درصد است.
رابطه زیر بسیار تقریبی بوده و صرفاً به علت سادگی ریاضی در اینجا آورده می‌شود:
همچنین، رابطه همراه با سعی و خطای زیر هم ارائه می‌گردد:
در این روش، ابتدا دمای مرطوب حدس زده می شود. پس از آن، فشارهای اشباع بخار بر حسب kPa براساس دمای خشک، دمای مرطوب و روابط پیش‌گفته محاسبه شده، در رابطه فوق قرار داده می‌شود و تا برقراری تساوی فوق، دمای مرطوب اصلاح و محاسبات دوباره انجام می شود. این روش برای محاسبات نرم افزاری مناسب است.
برای سادگی استفاده از خواص هوا، یک نمودار گرافیکی به نام نمودار سایکرومتریک ایجاد شده است. فهم بسیاری از فرآیندهای تهویه مطبوع از روی این نمودار ساده‌تر و قابل فهم‌تر است.
در بخش بعدی خواص دیگری از هوا مورد بررسی قرار خواهد گرفت. خواصی از قبیل ضریب هدایت حرارتی، لزجت دینامیکی و مواردی که معمولاً برای محاسبه انتقال حرارت در سمت هوا مورد نیاز است.
نویسنده: مهندس بنیامین قُجُقی
