حساب حمل التبريد

جرّبها على غرفتك: تمنحك حاسبة الحمل الحراري لغرف التبريد المجانية لدينا قدرة التبريد المطلوبة في ست خطوات قصيرة.

الغرض من حساب حمل التبريد هو اختيار المعدات في دورة نظام التبريد اختيارًا صحيحًا واقتصاديًا. فإذا اختيرت عناصر نظام التبريد بشكل صحيح، سيعمل النظام بكفاءة ولسنوات طويلة على النحو المتوقع.

سنشرح لكم في هذا المقال كيفية حساب حمل التبريد لغرفة تبريد. سنتناول أولًا مصادر الحرارة، ثم نستعرض مثالًا مبسطًا لكيفية حساب حمل التبريد لغرفة التبريد.

يُحسب حمل التبريد ضمن 4 مجموعات رئيسية

1- الفواقد الحرارية عبر الجدران والأرضية والسقف المحيطة بالحيّز المبرَّد

2- الهواء الساخن الداخل إلى مخزن التبريد أثناء فتح باب غرفة التبريد

3- الحمل الحراري الناتج عن المنتجات المخزنة

4- الحرارة الصادرة عن مصادر الحرارة داخل مخزن التبريد (الأشخاص، الإضاءة، المحركات، إلخ)

عند أخذ جميع هذه الأحمال الحرارية في الحسبان، يُحدَّد سُمك ألواح ساندويتش وفقًا لقيمة U والبلد الذي سيُنشأ فيه مخزن التبريد. وينبغي أن تكون هذه القيمة منخفضة قدر الإمكان. إن زيادة سُمك العزل وخفض معدل النفاذية الحرارية يقللان حمل التبريد، لكنهما يرفعان تكلفة التركيب. ورغم أن ذلك يتغير بحسب الظروف، فإنه يمثل نسبيًا ما بين 5-15 % من احتياج التبريد.

تُدرَج في الحساب أثناء التصميم الفواقد الحرارية التي ستحدث بسبب باب غرفة التبريد أو لأسباب أخرى. ولكي يُجرى الحساب بشكل صحيح، يجب معرفة الاستخدام الفعلي لمخزن التبريد. وتتراوح هذه النسبة بين 10-15% من إجمالي قدرة التبريد.

العامل الرئيسي المؤثر في حمل التبريد هو المنتجات الموضوعة في مخزن التبريد. وينبغي أيضًا مراعاة حمل التبريد الناشئ عن تغليف المنتجات المراد تبريدها. وتشكّل الحرارة الصادرة عن المنتجات 55-70% من إجمالي القدرة.

وأخيرًا، تؤخذ في الحسبان المصادر الأخرى الباعثة للحرارة داخل المخزن. وفي هذا الجزء، يجب عند الحساب مراعاة مدة التشغيل والأشخاص العاملين وإزالة الصقيع والمحركات الكهربائية والحرارة الصادرة عن الإضاءة. ويأتي من هنا 10-15% من إجمالي قدرة التبريد.

مثال على حساب حمل التبريد

لنصمّم مستودعًا نموذجيًا بمخزن تبريد أبعاده 8.0*5.0*4.0 م، يوضع فيه 6 أطنان من المنتجات يوميًا، ويُخزَّن فيه 30 طنًا من التفاح بشكل دائم.

1 -أحمال الانتقال الحراري

• الهواء المحيط (حيث يقع المستودع) 30°C برطوبة نسبية 50%، والهواء الداخلي (حالة الهواء المطلوبة داخل المستودع) 1°C برطوبة نسبية 95%.
• الجدران والسقف والأرضيات معزولة بالبولي يوريثان بسُمك 80 mm وبقيمة U 0.28W / m2.K.
• بما أن استخدام ألواح الأرضية في المستودعات الصناعية لن يكون مناسبًا بسبب مرور الرافعات الشوكية، سنستخدم لوح عزل XPS. السُمك 80 mm وقيمة U 0.42 W / m2.K
• درجة حرارة الأرضية 10°C.

لحساب حمل الانتقال الحراري، سنستخدم معادلة كالتالية:

Q = U x A x (درجة الحرارة الخارجية – درجة الحرارة الداخلية) x 24 ÷ 1000

• Q = الحمل الحراري بوحدة kWh / يوميًا
• U = قيمة العزل U لـألواح ساندويتش (W / m2.K)
• A = مساحة سطح السقف والجدار والأرضية (سنحسبها) (m2)
• درجة الحرارة الداخلية = درجة حرارة الهواء داخل الغرفة (°C)
• درجة الحرارة الخارجية = درجة حرارة الوسط الخارجي المحيط (°C)
• 24 = عدد الساعات في اليوم
• 1000 = التحويل من واط إلى kW.

حساب “A” سهل للغاية:

1. جدار = 8m x 4m = 32 m2
2. جدار = 8m x 4m = 32 m2
3. جدار = 5m x 4m = 20m2
4. جدار = 5m x 4m = 20m2

السقف = 5m x 8m = 40m2

الأرضية = 5m x 8m = 40m2

يجب حساب الأرضية بشكل منفصل عن الجدران والسقف، لأن فرق درجات الحرارة تحت الأرضية مختلف، وبالتالي سيختلف انتقال الحرارة أيضًا.

الجدران والسقف

Q = U x A x (درجة الحرارة الخارجية – درجة الحرارة الداخلية) x 24 ÷ 1000

Q = 0.28W / m2.K x 144 m2 x (30°C – 1°C) x 24 ÷ 1000

Q = 28.06 kWh / يوم

[144m2 = 32m2 + 32m2 + 20m2 + 20m2 + 40m2]

الأرضية

Q = U x A x (درجة الحرارة الخارجية – درجة الحرارة الداخلية) x 24 ÷ 1000

Q = 0.42W / m2.K x 40m2 x (10°C – 1°C) x 24 ÷ 1000

Q = 3.63 kWh / يوم

إجمالي الكسب الحراري اليومي بالتوصيل = 28.06 kWh/يوم + 3.63 kWh/يوم = 31.69 kWh/يوم

2- حمل المنتجات

في هذه الخطوة، سنحسب قدرة التبريد اللازمة بسبب المنتجات الموضوعة في المستودع.

سنخزّن في هذا المثال التفاح. وإذا كنت ستُجري عمليات مثل التجميد والتبريد الإضافي إلى جانب تبريد المنتجات، فيجب عليك أيضًا إجراء حسابات منفصلة للكسب الحراري الخاص بها. في هذا المثال نقوم بالتبريد فقط.

يصل إلى المستودع يوميًا 6,000 kg من التفاح بدرجة حرارة 10 °C وبسعة حرارية 0.87 kcal/kg.

يمكننا استخدام المعادلة التالية لهذا الحساب:

Q = m x Cp x DT (درجة حرارة دخول المنتج – درجة الحرارة داخل المخزن) / 860

• Q = kWh / يوم
• CP = السعة الحرارية النوعية للمنتجات (kJ/kg.°C)
• m = كتلة المنتجات المضافة (kg)
• درجة حرارة دخول المنتج = درجة حرارة المنتج عند الدخول (°C)
• درجة الحرارة داخل غرفة التبريد = درجة الحرارة داخل غرفة التبريد (°C)
• 860 = معامل التحويل بين Kcal وKwh

الحساب

Q = m x C x (درجة حرارة دخول المنتج – درجة الحرارة داخل غرفة التبريد) / 860

Q = 6.000 kg x 0.87 kcal / kg°C x (10°C – 1°C) / 860

Q = 54.6 kWh / يوم

3-حساب حمل التبريد الناتج عن تنفّس المنتج

الخطوة التالية هي حساب حمل التبريد الناتج عن تنفّس المنتج. لنستخدم في هذا المثال متوسط حرارة التنفس البالغ 1.9kJ/kg يوميًا للتفاح المراد تخزينه، علمًا بأن هذا المعدل يتغير مع الزمن ودرجة الحرارة. وفي تصميمنا النموذجي نطبّق قيمة واحدة فقط لتبسيط الحساب، لأن هذا الحمل لا يُعدّ حرجًا. في تصميمنا النموذجي يُخزَّن 30,000 kg من التفاح في المستودع. ولحساب ذلك سنستخدم المعادلة التالية:

Q = m x resp / 3600

• Q = kWh / يوم
• m = كمية المنتج في المستودع (kg)
• resp = resp = حرارة تنفس المنتج (1.9kJ / kg)
• 3600 = التحويل من kJ إلى kWh.

Q = m x resp / 3600

Q = 30.000kg x 1.9kJ/kg / 3600

Q = 15.9 kWh / يوم

أي أنه عند حساب حمل التبريد الناتج عن المنتج الجديد الداخل إلى المستودع وحمل التبريد الناتج عن تنفس المنتج، نحصل على حمل تبريد إجمالي قدره 70.5 kWh/يوم

4 -الحمل الحراري الداخلي – حساب حمل التبريد الناتج عن الأشخاص

تختلف كمية الحرارة التي يبعثها الأشخاص العاملون في مخزن التبريد بحسب درجة حرارة المستودع وحجمه.

إذا أخذنا في الحسبان أن شخصين سيعملان لمدة 4 ساعات في مخزن التفاح الذي صممناه، فستكون المعادلة على النحو التالي.

Q = عدد العاملين x الزمن x الحرارة / 1000

• Q = kWh / يوم
• عدد العاملين = عدد الأشخاص العاملين في المستودع
• الزمن = المدة التي يقضيها كل شخص في المستودع (ساعات)
• الحرارة = الفواقد الحرارية لكل شخص في الساعة (واط)
• 1000 = للتحويل من واط إلى kW فقط

الحساب:

Q = الزمن x عدد العاملين x القدرة الحرارية / 1000

Q = 4 ساعات x 2 شخص x 271 واط / 1000

Q = 2.16 kWh/يوم

الحمل الحراري الداخلي – حساب حمل التبريد الناتج عن الإضاءة

في الخطوة التالية، سنحسب الحرارة الناتجة عن الإضاءة. والمعادلة التي سنستخدمها لهذا الحساب هي:

Q = المصابيح x الزمن x الواط / 1000

• Q = kWh / يوم،
• المصابيح = عدد المصابيح في غرفة التبريد
• الساعات = ساعات استخدام إضاءة غرفة التبريد يوميًا
• الواط = القدرة الاسمية للإضاءة
• 1000 = التحويل من واط إلى Kw

إذا كانت هناك 3 مصابيح قدرة كل منها 120W، تعمل 4 ساعات يوميًا، فسيكون الحساب كالتالي:

Q = المصابيح x الزمن x الواط / 1000

Q = 3 x 4 ساعات x 120W / 1000

Q = 1.44 kWh/يوم

إجمالي الحمل الداخلي: نحصل على إجمالي قدره 3.6 kWh/يوم من الحمل الحراري الناتج عن الأشخاص (2.16 kWh / يوم) والحمل الحراري للإضاءة (1.44kWh / يوم).

حمل المعدات – حساب حمل التبريد الناتج عن محركات المراوح

لنحسب الآن الحمل الحراري الناتج عن محركات مراوح المبخرات.

Q = المراوح x الزمن x الواط / 1000

• Q = kWh/يوم
• المراوح = عدد المراوح
• الزمن = مدة تشغيل المروحة يوميًا (ساعات)
• الواط = القدرة الاسمية لمحركات المراوح (واط)
• 1000 = التحويل من واط إلى kW.

يستخدم المبخر في غرفة التبريد هذه 3 مراوح قدرة كل منها 300W، ونفترض أنها ستعمل 16 ساعة يوميًا.

الحساب:

Q = المراوح x الزمن x الواط / 1000

Q = 3 x 16 ساعة x 300 W / 1000

Q = 14.4 kWh / يوم

حمل المعدات – حساب حمل التبريد الناتج عن إزالة الصقيع

سنحسب الآن الحمل الحراري الناتج عن إزالة الصقيع من المبخر. ولحساب هذا الحمل سنستخدم المعادلة التالية:

Q = الزمن x القدرة x دورات إزالة الصقيع x الكفاءة

• Q = kWh / يوم،
• القدرة = قدرة عنصر التسخين (kW)
• الزمن = مدة تشغيل إزالة الصقيع (ساعات)
• دورات إزالة الصقيع = عدد مرات حدوث دورة إزالة الصقيع يوميًا
• الكفاءة = النسبة % من الحرارة التي ستنتقل إلى الوسط المحيط

في هذا المثال، تُستخدم في غرفة التبريد مقاومات بقدرة 1.5 kW. وهي تعمل لمدة 20 دقيقة، 3 مرات يوميًا، وينتقل 30% من إجمالي الطاقة التي تستهلكها إلى غرفة التبريد.

Q = 1.5kW x 0.33 ساعة x 3 x 0.3

Q = 0.45kWh/يوم

أما إجمالي حمل التبريد للمعدات فهو الحمل الحراري للمراوح (14.4 kWh/يوم) مضافًا إليه الحمل الحراري لإزالة الصقيع (0.45kWh/يوم)، أي ما يساوي 14.85 kWh/يوم.

حساب حمل التبريد الناتج عن تسرّب الهواء

في هذه المرحلة، يجب حساب الحمل الحراري الناتج عن تسرّب الهواء، وذلك باستخدام المعادلة التالية:

Q = الحجم x الطاقة x التبديلات x (درجة الحرارة الخارجية – درجة الحرارة الداخلية) / 3600

• Q = kWh / يوم
• التبديلات = عدد مرات تبديل الحجم يوميًا
• الحجم = حجم مخزن التبريد
• الطاقة = الطاقة لكل متر مكعب لكل درجة مئوية
• درجة الحرارة الخارجية = درجة حرارة الهواء الخارجي
• درجة الحرارة الداخلية = درجة حرارة غرفة التبريد
• 3600= التحويل من kJ إلى kWh.

بافتراض أن الباب سيُحدث 5 تبديلات لحجم الهواء يوميًا بسبب دخول المنتجات إلى المستودع وخروجها منه، يُحسب الحجم بـ 160m3، وكل متر مكعب من الهواء الجديد يساوي 2kJ /°C، والهواء الخارجي 30°C والهواء داخل المستودع 1°C.

Q = التبديلات x الحجم x الطاقة x (درجة الحرارة الخارجية – درجة الحرارة الداخلية) / 3600

Q = 5 x 160m3 x 2kJ /°C x (30°C – 1°C) / 3600

Q = 12.88 kWh / يوم

إجمالي حمل التبريد

لحساب إجمالي حمل التبريد، سنجمع ببساطة جميع القيم المحسوبة.

حمل الانتقال الحراري: 31.69 kWh / يوم

حمل المنتجات: 70.5 kWh / يوم

الحمل الداخلي: 3.6 kWh / يوم

حمل المعدات: 14.85 kWh / يوم

حمل تسرّب الهواء: 12.88 kWh / يوم

الإجمالي = 133.52 kWh / يوم

معامل الأمان

قد تنشأ فروقات بين التصميم والتنفيذ. ورغم أن ذلك يختلف من مشروع إلى آخر، يمكن استيعابها بإضافة هامش انحراف يتراوح بين 5% و25%.

لنستخدم في هذا المثال معامل أمان قدره 10%. وبالتالي عند ضرب حمل التبريد في معامل أمان قدره 1.1، نحصل على حمل تبريد إجمالي قدره 146.87 kWh/يوم.

حساب قدرة التبريد

آخر ما يتعين علينا فعله هو حساب قدرة التبريد اللازمة لإزالة هذا الحمل الحراري المكتسب من الوسط. ولهذا يُقسم إجمالي حمل التبريد المحسوب على 16، لأن الجهاز محسوب ليعمل 16 ساعة يوميًا. وهذا يعني أن القدرة التي ستحتاجها وحدة التبريد لدينا يجب أن تكون 146.87/16= 9.18 kW.