حاسبة أبعاد مجاري الهواء

التحديد الصحيح لأبعاد مجاري الهواء أمر حاسم لأداء نظام التكييف والتبريد.

• المجاري صغيرة الحجم تقيد تدفق الهواء، وتخفض الكفاءة، وتزيد الضوضاء.
• المجاري كبيرة الحجم تهدر المواد ويمكن أن تسبب تدرجًا حراريًا غير متكافئ للهواء.

• التغذية الرئيسية السكنية: 700-900 FPM
• المجاري الفرعية: 600-700 FPM
• هواء الراجع: 500-700 FPM

يمكن للأنظمة التجارية استخدام سرعات أعلى ولكن مع زيادة الضوضاء والاحتكاك.

تتمتع المجاري الدائرية بمسافة سطحية أقل بنسبة 27٪ مقارنة بالمجاري المستطيلة المكافئة، مما يؤدي إلى تقليل فقدان الاحتكاك وتكلفة المواد.

استخدم المجاري المستطيلة عندما تكون المساحة محدودة، مع الحفاظ على نسبة العرض إلى الارتفاع أقل من 4:1.

لحساب حجم مجرى الهواء، اقسم تدفق الهواء المطلوب على سرعة الهواء المستهدفة لإيجاد مساحة المقطع العرضي، ثم حوّل تلك المساحة إلى قطر.

باستخدام وحدات متناسقة، المساحة = CFM ÷ السرعة، حيث CFM تعني قدم مكعب في الدقيقة والسرعة بـ قدم في الدقيقة (FPM)، مما يعطي المساحة بالقدم المربع. وللمجرى الدائري، القطر = √(4 × المساحة ÷ π)، والضرب في 12 يحوّل الأقدام إلى بوصات.

مثال: 400 CFM عند 700 FPM يعطي المساحة = 400 ÷ 700 = 0.571 قدم مربع، وبالتالي D = √(4 × 0.571 ÷ π) = 0.853 قدم ≈ 10.2 بوصة، ويُقرّب إلى مجرى قياسي بحجم 10 بوصات.

تتوافق طريقة السرعة هذه مع إجراءات تصميم مجاري الهواء في دليل ASHRAE.

يعتمد تحديد أبعاد مجاري الهواء في شمال أمريكا على الوحدات الإمبراطورية للتكييف (HVAC)، لذا فإن معرفتها تمنع الأخطاء المكلفة.

• يقاس تدفق الهواء بالقدم المكعب في الدقيقة (CFM)
• والسرعة بالقدم في الدقيقة (FPM)
• وأبعاد مجرى الهواء بالبوصة
• وفقد الاحتكاك بـ بوصة عمود ماء (in. w.c.) لكل 100 قدم

وفي النظام الدولي للوحدات (SI) الذي حدده BIPM وNIST، يكون تدفق الهواء بالمتر المكعب في الثانية (m³/s)، والسرعة بالمتر في الثانية (m/s)، والأبعاد بالملليمتر، والضغط بالباسكال (Pa).

تحويلات مفيدة:

• 1 CFM ≈ 0.000472 m³/s
• 1 FPM ≈ 0.00508 m/s
• 1 in. w.c. ≈ 249 Pa

احرص دائماً على تناسق وحدات الطول، حيث يُعد الخلط بين الأقدام والبوصات المصدر الأكثر شيوعاً لأخطاء الحساب.

يتم مطابقة مجاري الهواء المستطيلة مع الدائرية باستخدام معادلة القطر المكافئ بحيث يحمل كلاهما نفس تدفق الهواء عند نفس فقد الاحتكاك.

وعلاقة هوبشر (Huebscher relation) المنشورة في دليل ASHRAE هي: De = 1.30 × (a × b)^0.625 ÷ (a + b)^0.250، حيث a و b هما ضلعا مجرى الهواء المستطيل و De هو القطر الدائري المكافئ (بذات الوحدات).

لمجرى هواء أبعاده 8 × 8 بوصة: (64)^0.625 ≈ 13.45 و (16)^0.250 = 2.0، بالتالي De ≈ 1.30 × 13.45 ÷ 2.0 ≈ 8.74 بوصة، وهو قريب من مجرى دائري بحجم 9 بوصات.

نظراً لأن القطر المكافئ ليس مجرد ضرب العرض في الارتفاع، احرص دائماً على تحديد أبعاد الخطوط المستطيلة بناءً على De بدلاً من المساحة الإجمالية فقط.

فقد الاحتكاك هو الضغط الذي يجب على المروحة التغلب عليه لدفع الهواء عبر مجرى الهواء، وهو يحدد استهلاك المروحة للطاقة.

التقريب الشائع الاستخدام للصاج المجلفن هو Δp لكل 100 قدم ≈ 0.109136 × Q^1.9 ÷ D^5.02، حيث Q هي تدفق الهواء بـ CFM و D هو القطر بالبوصة، والنتيجة بـ بوصة عمود ماء.

إجمالي الضغط الاستاتيكي للنظام يجمع بين:

• احتكاك مجرى الهواء
• فقد الوصلات والتوصيلات
• مقاومة المعدات

تمتلك معظم مراوح التكييف السكني قدرة تصميمية تقارب 0.5 in. w.c. للضغط الاستاتيكي الخارجي الإجمالي. ويستهدف المصممون عادةً 0.08–0.10 in. w.c. لكل 100 قدم باستخدام طريقة الاحتكاك المتساوي الموضحة في أدبيات ASHRAE.

تعني معدلات الاحتكاك الأقل مجاري هواء أكبر، ولكن بتدفق أهدأ وأكثر كفاءة واستهلاك أقل لقدرة المحرك.

يظهر تحديد أبعاد مجاري الهواء في كل مشروع تدفئة وتكييف تقريباً. وتقتضي القاعدة العامة تخصيص نحو 400 CFM لكل طن تبريد، لذا يحتاج نظام سعة 3 أطنان إلى حوالي 1,200 CFM إجمالاً.

عند سرعة 800 FPM، يحتاج الخط الرئيسي إلى مساحة = 1,200 ÷ 800 = 1.5 قدم مربع، مما يعطي D = √(4 × 1.5 ÷ π) ≈ 1.382 قدم ≈ 16.6 بوصة، أي خط رئيسي بحجم 16–18 بوصة.

يتم تحديد أبعاد مجاري الراجع بحجم أكبر وسرعة أقل لتقليل الضوضاء بالقرب من الجريلات.

يتبع المقاولون معايير ACCA Manual D و SMACNA للأنظمة السكنية، بينما تحكم طرق ASHRAE المباني التجارية والمختبرات وأنظمة التهوية التي تتطلب سرعات أعلى وموازنة دقيقة.

تغير خامة مجرى الهواء من الخشونة الداخلية، لذا قد يتطلب نفس تدفق الهواء مجرى أكبر اعتماداً على مادة التصنيع.

• الصاج المجلفن الأملس هو المعيار الأساسي.
• الدكت المرن (Flex duct) يمتلك السطح الداخلي المموج الذي يزيد من فقد الاحتكاك بنسبة 50–100% تقريباً، لذا يجب زيادة قطره بمقدار 1–2 بوصة أو إبقاؤه قصيراً وممدوداً بالكامل.
• ألواح الألياف الزجاجية (Duct board) تقع بينهما، حيث توفر عزلاً مدمجاً ولكن بسطح أخشَن من الصاج المعدني.

توضح علاقة دارسي-فايسباخ (Darcy–Weisbach)، كما هي مشروحة في HyperPhysics (جامعة ولاية جورجيا)، أن انخفاض الضغط يزداد مع معامل الاحتكاك، لذا تتطلب الجدران الأكثر خشونة قدرة أكبر للمروحة.

طابق دائماً افتراض معدل الاحتكاك مع الخامة الفعلية لتجنب تقليل الأبعاد عن الحد المطلوب.

• الخطأ الأكثر تكراراً هو الخلط بين الوحدات، مثل ترك السرعة بـ FPM مع التعامل مع المساحة بالبوصة المربعة، مما يغير حساب القطر بمقدار 144 ضعفا.
• ومن الأخطاء أيضاً حساب أبعاد مجاري الهواء المستطيلة بناءً على المساحة الإجمالية بدلاً من القطر المكافئ، مما يؤدي لتقليل حجم الخطوط ذات نسبة الباع المتفاوتة. احرص على بقاء نسبة الباع أقل من 4:1، لأن المجاري الأكثر تسطيحاً تزيد من المساحة السطحية والاحتكاك.
• يؤدي إهمال خشونة الدكت المرن أو ترك البطانة غير ممدودة بالكامل إلى حرمان الفروع من تدفق الهواء الكافي.
• ينسى المصممون أيضاً إضافة مفقودات الوصلات والمعدات إلى إجمالي الضغط الاستاتيكي، مما يحمّل المروحة فوق طاقتها.
• وأخيراً، يؤدي المبالغة في زيادة الحجم بداعي الأمان إلى انخفاض السرعة وضعف دفع الهواء وترسب الغبار.

تحقق من النتائج باستخدام مخططات الاحتكاك الخاصة بـ ACCA Manual D و ASHRAE قبل التركيب.

إذا كان مجرى الهواء مركباً بالفعل، يمكنك الحساب بالعكس للتحقق من تدفق الهواء والسرعة.

أولاً أوجد مساحة المقطع العرضي: للمجرى الدائري، المساحة = π × (D ÷ 2)²، وللمستطيل، المساحة = العرض × الارتفاع، مع تحويل البوصات إلى أقدام بالقسمة على 144. ثم السرعة (FPM) = CFM ÷ المساحة، أو بإعادة الترتيب، CFM = السرعة × المساحة.

مثال: مجرى دائري بحجم 10 بوصات مساحته = π × (5)² = 78.5 بوصة مربعة = 0.545 قدم مربع؛ وعند قياس سرعة 700 FPM فإنه يحمل CFM = 700 × 0.545 ≈ 382 CFM.

مقارنة هذه النتيجة مع إرشادات السرعة من ASHRAE ومبادئ تدفق الموائع في Khan Academy تبين ما إذا كان المجرى دون الحجم المطلوب، أو بحجم صحيح، أو مسبباً للضوضاء.