القناة المستديرة مقابل القناة المستطيلة: أيهما أفضل؟

1. الخلفية

نظام مجاري الهواء هو عنصر حاسم في هندسة تكييف الهواء والتهوية. والغرض منه هو نقل الهواء المعدل بكفاءة إلى المعدات النهائية بناءً على التدفق المصمم.

عادةً ما يكون لمجاري الهواء ثلاثة أشكال مقطعية: مستطيلة ودائرية ومستطيلة. وعادةً ما يتم إنتاج القنوات المستطيلة عن طريق تثبيت أربعة ألواح فولاذية معاً، بينما يتم إنشاء القنوات الدائرية عن طريق لفّ قناة بعرض 137 مم صفيحة فولاذية على ماكينة تشكيل حلزونية. الأنابيب المستطيلة غير شائعة نسبياً وعادةً ما يتم تشكيلها عن طريق ضغط الأنابيب الدائرية.

قبل عام 1960، كانت القنوات المستطيلة هي الأكثر استخداماً على نطاق واسع بسبب بساطة عملية التصنيع وصغر مساحة التركيب. ولكن، مع تطوير آلات تشكيل القنوات الدائرية الحلزونية الكبيرة، أثبتت العديد من المشاريع الهندسية أن القنوات الدائرية أكثر اقتصاداً وأفضل أداءً في المعايير الهندسية الأخرى مقارنةً بالقنوات المستطيلة.

العديد من مجاري الهواء المصنوعة من نسيج الألياف المتوفرة حاليًا في السوق هي أنظمة توزيع الهواء التي تجمع بين ميزات مثل فتحات الهواء، وقنوات إمداد الهواء، وصناديق الضغط الساكن، ومواد العزل الحراري، والمخمدات. وقد اكتسبت شعبية بين المستخدمين بسبب مزاياها مثل إمداد الهواء الدقيق والموحد، وكتلة التركيب خفيفة الوزن، والمظهر الجذاب، ومقاومة البكتيريا والعفن الفطري.

تأتي أنابيب الألياف القماشية بأشكال مختلفة بما في ذلك الدائرية وشبه الدائرية وربع الدائرية والبيضاوية وشبه البيضاوية لتلبية متطلبات هياكل المباني المختلفة.

قناة قماشية ليفية مستديرة

الجدول 1: الحصة السوقية للقنوات الدائرية كل عام:

من من منظور التحليل الاقتصادي، يمكن تقسيم التكلفة الإجمالية لنظام مجاري الهواء في المبنى طوال فترة خدمته إلى

• الاستثمار الأولي: يشمل ذلك تكاليف التصميم، وتكاليف المواد والتركيب، وتكاليف المساحة، وتكاليف التشغيل التجريبي، وما إلى ذلك.
• تكاليف التشغيل: يشمل ذلك رواتب الموظفين وتكاليف الطاقة وتكاليف الصيانة.
• تكلفة التجديد: يشمل ذلك تكلفة إصلاح واستبدال الأجزاء البالية.

أظهرت الأبحاث الأجنبية أن أنظمة الأنابيب الدائرية تتفوق على أنظمة الأنابيب المستطيلة في العديد من المعايير.

ستلخص هذه المقالة نتائج هذه الدراسات وتركز على مقارنة الجوانب الاقتصادية لأنظمة مجاري الهواء.

تجدر الإشارة إلى أنه في الظروف العادية، تشكل تكلفة التجديد جزءًا صغيرًا من التكلفة الإجمالية، وبالتالي لن يتم أخذها في الاعتبار في هذه المناقشة.

2. الاستثمار الأولي

فيما يلي الأسباب التي تجعل الاستثمار الأولي المطلوب لنظام الأنابيب الدائرية أقل من نظام الأنابيب المستطيلة:

• الأنابيب الدائرية أسهل في التصنيع والنقل.
• تم توحيد مكونات وتركيبات القنوات الدائرية بشكل كبير.
• القنوات الدائرية أكثر قدرة من الناحية الهيكلية على تحمل الضغط دون تشوه، بينما تتطلب القنوات المستطيلة مسامير ومسامير إضافية ومسامير برشام وعوارض دعم وغيرها من تدابير التقوية.
• بالنسبة للقطر الهيدروليكي نفسه، تتطلب القناة الدائرية معدنًا أقل من القناة المستطيلة. كلما زادت نسبة العرض إلى الارتفاع للقناة المستطيلة، زاد استهلاك المعدن.
• هيكل الشماعات للقنوات الدائرية أسهل في التركيب مقارنة بالقنوات المستطيلة. ووفقاً للرمز GB50243-2002 "كود البناء وقبول أعمال التهوية وتكييف الهواء"، فإن المسافة بين الشماعات للقنوات المستطيلة ذات الجوانب الطويلة التي يزيد طولها عن 400 مم هي 4 أمتار، بينما تزيد المسافة بين الشماعات للقنوات الحلزونية إلى 5 أمتار.
• تكون نقطة القياس لقياس حجم الهواء في القناة الدائرية أصغر من القناة المستطيلة، لذلك عندما يكون نظام القناة متوازناً، ستكون تكلفة التشغيل أقل أيضاً من تكلفة القناة المستطيلة.
• يمكن للقنوات الدائرية أن تقلل بشكل كبير من إدخال الضوضاء منخفضة التردد إلى الغرفة، مما يقلل من الحاجة إلى معدات الحد من الضوضاء.

لقد صممنا اثنين نظام التهوية مخططات لغرفة كبيرة باستخدام قنوات دائرية ومستطيلة الشكل، وقارنت رأس فقدان الضغط في النظام والبارامترات الاقتصادية ذات الصلة. وتظهر النتائج، استنادًا إلى أسعار السوق الاسكندنافية من العام، في الشكل 1.

وأظهرت الحسابات أنه في ظل نفس ظروف المعدات النهائية، كانت التكلفة الإجمالية لتركيب نظام الأنابيب الدائرية نصف تكلفة نظام الأنابيب المستطيلة فقط، وكانت تكلفة المواد لنظام الأنابيب الدائرية 801 ت3 ت3 من تكلفة نظام الأنابيب المستطيلة.

إجمالي فقدان الضغط (باسكال): 150.0 إجمالي تكلفة التركيب: 0.51 روبية إجمالي تكلفة المواد: 0.8 مليون （A）	إجمالي فقدان الضغط (باسكال): 165.4 التكلفة الإجمالية للتركيب: R إجمالي تكلفة المواد: M （B）

الشكل 1: مقارنة بين مخططات تصميم الأنابيب

(أ) القناة الدائرية (ب) القناة المستطيلة

يمثل التحليل الاقتصادي للمساحة التي يشغلها نظام مجاري الهواء تحدياً بسبب اعتماده على هيكل المبنى والغرض منه.

من المعتقد عموماً أن القنوات المستطيلة توفر المساحة، ولكن في الواقع، بالنسبة للقنوات المستطيلة ذات نسبة العرض إلى الارتفاع المتقاربة، تكون المساحة الفعلية التي تشغلها أكبر من تلك التي تشغلها القنوات الدائرية. ويرجع ذلك بشكل رئيسي إلى أن القنوات المستطيلة تتطلب حوافاً للتوصيل، وعادةً ما يكون ارتفاع حواف الحافة أكبر من 20 مم، كما هو موضح في الشكل 2 (أ).

ومع ذلك، يمكن توصيل مجاري الهواء الحلزونية الحديثة بمرونة قياسية، كما هو موضح في الشكل 2 (ب)، والتي لا توفر المساحة فحسب، بل يسهل تركيبها أيضًا. ومن ثم، بالنسبة لمجاري الهواء المستطيلة ذات نسبة عرض إلى ارتفاع قريبة من 1، لا يمكن التغاضي عن مزايا المجاري الدائرية.

(A)	(B)

الشكل 2: مقارنة بين وصلة مجرى الهواء المخطط

 (أ) القناة المستطيلة (ب) القناة الدائرية

بالنسبة للقنوات المستطيلة ذات نسب العرض إلى الارتفاع الكبيرة، يمكن استبدالها بعدة قنوات دائرية، كما هو موضح في الشكل 3. يمكن لهذا البديل أن يجعل التحكم في حجم الهواء أسهل بكثير ويقلل أيضًا من تكاليف التركيب. على الرغم من أن تكلفة المواد قد تزيد، إلا أن دراسة استقصائية أظهرت أنه في ظل هذا المخطط، فإن الاستثمار الأولي هو تقريباً نفس الاستثمار في القناة المستطيلة.

الشكل 3: خطة بديلة لاستبدال قناة مستطيلة مقاس 550 مم × 150 مم بقناتين دائريتين D = 200 مم

3. تكاليف التشغيل

في الظروف العادية، يكون الجزء الأكبر من تكاليف تشغيل أنظمة تكييف الهواء هو استهلاك الطاقة. ويشمل ذلك الطاقة اللازمة لتسخين الهواء أو تبريده وكذلك لنقل الهواء إلى المعدات النهائية. إذا كان نظام مجاري الهواء بأكمله معزولاً بشكل جيد، فإن كمية تسرب الهواء من القنوات تصبح مصدرًا مهمًا لاستهلاك الطاقة الزائدة.

بالنسبة لنظام مجاري الهواء، توفر المروحة طاقة تدوير، ولا يتجاوز ضغط الرياح للمروحة عادةً 650Pa. وباستثناء فقدان الضغط في المعدات الطرفية لوحدة مناولة الهواء، فإن رأس الضغط المتاح لنظام مجاري الهواء بأكمله يتراوح بين 200 و300 باسكال.

لذلك، من الضروري تقليل فقدان الرأس في نظام مجاري الهواء إلى الحد الأدنى. وفي الوقت نفسه، يؤثر مستوى تسرب الهواء أيضًا بشكل مباشر على اختيار طاقة المروحة. وفقًا لنظرية المروحة، تتناسب قوة المروحة مع مكعب حجم الهواء. وهذا يعني أنه إذا كان معدل تسرب مجرى الهواء 6%، فإن طاقة المروحة ستزيد بمقدار 20%. معدل تسرب مجاري الهواء الدائرية أصغر بكثير مقارنةً بمجاري الهواء المستطيلة.

3.1 معدل تسرب الهواء

يمكن حساب معدل تسرب مجرى الهواء بالصيغة التالية:

• f_المرجع = معدل التسرب في المنطقة = معدل التسرب في المنطقة
• q_vl = تسرب الهواء = تسرب الهواء
• A = مساحة سطح القناة
• K = ثابت تسرب الهواء = ثابت تسرب الهواء
• △ p_المرجع = فرق الضغط بين القناة والخارج

في أوروبا، ينقسم إحكام إغلاق مجاري الهواء في أوروبا إلى أربعة مستويات (أ، ب، ج، د) وفقًا لثابت تسرب الهواء.

يوضح الجدول 2 الثوابت القصوى المسموح بها لتسرب الهواء للدرجات المعنية.

الجدول 2: تصنيف ضيق الهواء في أنظمة مجاري الهواء الأوروبية

تُظهر المقارنة مع القنوات الدائرية أن القنوات المستطيلة تتطلب المزيد من المسامير والمسامير للتوصيل، مما يؤدي إلى تسرب هواء أعلى بكثير.

يعرض الشكل 4 البيانات المقاسة من بلجيكا، والتي توضح أن متوسط معدل التسرب في القنوات المستطيلة أعلى بسبع مرات من القنوات الدائرية.

كما ينص "كود البناء وقبول أعمال التهوية وتكييف الهواء" GB50243-2002 على أن تسرب الهواء المسموح به للقنوات الدائرية هو 50% من القنوات المستطيلة.

الشكل 4: قياسات معدلات تسرب الهواء في 21 مبنى بلجيكي (كاريه وآخرون، 1999)

3.2 فقدان الرأس 3.2 فقدان الرأس

يُستخدم المكافئ الهيدروليكي لتقدير فقد ضغط النظام للقنوات المستطيلة ذات القطر المكافئ الهيدروليكي نفسه. على الرغم من اختلاف أشكال مقاطعها العرضية، فإن لها نفس فقدان الضغط على طول المسار.

يقارن الشكل 5 بين فقد الضغط في قناة دائرية (D = 0.5 م، U = 5 م/ثانية، Σ = 0.15 مم) وقناة مستطيلة بنفس المساحة ومعدل التدفق. من الواضح أنه في هذه الحالة، يكون فقدان الضغط في القناة المستطيلة أعلى بكثير من القناة الدائرية، وكلما زادت نسبة العرض إلى الارتفاع للقناة، يزداد فقدان الضغط. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى قوة مروحة أكبر.

الشكل 5: مقارنة بين فقدان الضغط بين القناة المستطيلة والقناة الدائرية مع ثبات التدفق وسرعة التدفق (التدفق = 1 م³/ثانية، v = 5 م/ثانية)

يفترض مفهوم "القطر المكافئ الهيدروليكي" أن متوسط إجهاد القص على طول حدود القناة المستطيلة يجب أن يكون ثابتاً. بعبارة أخرى، يجب أن يكون خط التساوي الحركي موازيًا لحدود مجرى الهواء. ومع ذلك، تُظهر نتائج القياس الفعلية أنه في مجرى الهواء المستطيل، يتحلل تدرج السرعة على طول الخط القطري بشكل أبطأ ويتحلل تدرج السرعة على طول خط الوسط بشكل أبطأ.

لذلك، من الناحية النظرية، يجب استخدام القطر المكافئ الهيدروليكي بحذر في الحالتين التاليتين:

• يكون التدفق صغيرًا جدًا، ولا يمكن أن يصل مجال التدفق إلى حالة الاضطراب الكامل.
• المقطع العرضي للأنبوب بعيد كل البعد عن الدائرية، أي أن المستطيل له نسبة طول إلى عرض كبيرة.

تستدعي البيانات التجريبية أيضًا التشكيك في عالمية القطر المكافئ الهيدروليكي. أجرى JONES سلسلة من التجارب على فقدان الضغط في القنوات المستطيلة الملساء. وتظهر إعادة تحليل بياناته التجريبية في الشكل 6.

على الرغم من عدم وجود بيانات لـ 10 <نسبة الطول إلى العرض <25، لا تزال البيانات في الشكل 6 تشير بقوة إلى التأثير المتزايد الرتيب لنسبة الطول إلى العرض على فقدان الضغط المكافئ الهيدروليكي للقطر المكافئ.

أسفرت تجارب غريغستال على القنوات المستطيلة الخشنة عن نتائج مماثلة.

الشكل 6: مقارنة فقدان الضغط بين القناة المستطيلة الملساء والقناة الدائرية ذات نسبة الطول إلى العرض المختلفة

3.3 تكاليف الصيانة

للوقاية من متلازمة المبنى المريض، من الضروري تنظيف مجاري الهواء بانتظام. تشمل طرق التنظيف الطريقة الجافة (باستخدام مكنسة كهربائية وفرشاة) أو الطريقة الرطبة (باستخدام ممسحة طويلة). في كلتا الحالتين، تنظيف القنوات الدائرية أسهل من القنوات المستطيلة.

4. الاستنتاجات

يعد التحليل الاقتصادي لأنظمة مجاري الهواء مهمة صعبة. يجب أن يأخذ في الاعتبار مجموعة من العوامل، حيث أن عمر نظام مجاري الهواء يمكن أن يتجاوز في كثير من الأحيان عشر سنوات. وفي هذه الحالة، يمكن أن يؤدي التحسين البسيط في التصميم والجودة إلى زيادة ربحية الاستثمار بشكل كبير.

وبالتالي، فإن استخدام القنوات الدائرية هو حل أكثر اقتصاداً. ومع ذلك، من المهم ملاحظة أنه لأسباب مثل الهدوء والمساحة، لا يزال يوصى باستخدام القنوات المستطيلة لبعض مكونات نظام مجاري الهواء ذات التدفق الكبير والحجم الكبير، مثل فتحات سحب الهواء النقي ومنافذ أجهزة معالجة الهواء.