نقش نسل جدید لوله ها در بهینه سازی سیستم های گرمایشی و سرمایشی ساختمان ها

Role of new pipes generation in optimizing building HVAC systems

خلاصه ی مقاله
 

استفاده از نسل جدید لوله های پلیمری مرکب (PEX)، در سیستم های حرارتی و برودتی ساختمان ها روز به روز گسترش می یابد. مزایایی نظیر مقاومت در برابر پوسیدگی و زنگ زدگی، شکل پذیری مناسب، مقاومت در برابر فشار و درجه حرارت بالا به مدت طولانی، ضریب انبساط طولی کم، ایجاد افت فشار کم در سیستم، مقاومت در برابر حلال ها، جلوگیری از رسوب مواد موجود در آب، امکان انتخاب قطر کم تر در طول واحد لوله در هنگام طراحی، حمل و نقل سریع و آسان و کاهش تعداد اتصالات، از جمله مواردی هستند که به بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش هزینه ی سیستم آب رسانی در صنعت ساختمان کمک شایانی نموده است. استفاده از لوله های پلیمری از اوایل دهه ی 1970 میلادی با هدف جایگزینی مناسب برای لوله های مسی و گالوانیزه که در ساختمان به کار می روند مورد توجه قرار گرفته است. از آنجا که لوله های فلزی به تدریج دچار خوردگی و پوسیدگی می شوند، تحقیق برای دستیابی به لوله هایی با عمر زیاد که معایب لوله های فلزی را نداشته باشند در کشورهای صنعتی آغاز گردید که در بدو امر منجر به تولید لوله های پلیمری معمولی گردید ولی با توجه به ایرادات مشاهده شده در لوله های پلیمری معمولی تحقیقات ادامه یافت تا آن که مجر به تولید نسل جدید لوله های پلیمری مرکب (PEX) گردید. لوله های (PEX) که نوع شبکه ای شده ی لوله های پلی اتیلن معمولی هستند به تدریجه جایگزین لوله های رایج فلزی در صنعت ساختمان در کشورهای پیشرفته صنعتی شده اند.
در این مقاله به نقد و بررسی لوله های (PEX) که بهره گیری از آن ها در ایران هم مورد توجه قرار گرفته است پرداخته می شود تا مزایای آن ها در صنعت ساختمان که منجر به بهینه سازی مصرف انرژی در تأسیسات حرارتی و برودتی می شود معرفی گردند.

چکیده
 

کاربرد پلیمرها در سیستم های حرارتی و برودتی ساختمان ها که به تدریج جایگزین لوله های فلزی گشته اند، روز به روز گسترش می یابد. با توسعه ی علم شیمی در بخش پلیمرها و آشکار شدن مزایای آن ها در کشورهایی نظیر فرانسه، انگلستان، ژاپن و ایالات متحده اکنون نسل جدید لوله های پلیمری که به لوله های پلیمری شبکه ای شده (PEX) معروف اند در ایران هم مورد توجه قرار گرفته است. مزایایی نظیر مقاومت در برابر زنگ زدگی و پوسیدگی، شکل پذیری مناسب، مقاومت در برابر فشار و درجه حرارت به مدت طولانی، ضریب انبساط طولی ناچیز، ایجاد افت فشار کم در سیستم، مقاومت در برابر حلال ها، جلوگیری از رسوب مواد موجود در آب، امکان انتخاب قطر کم تر هنگام طراحی، کاهش تعداد اتصالات و حمل و نقل سریع و آسان از جمله مواردی هستند که به بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش هزینه های اقتصادی در تأسیسات حرارتی و بهداشتی کمک شایانی نموده است و لذا شایسته است که لوله های (PEX) مورد نقد و بررسی قرار گیرند.
کلید واژه ها: بهینه سازی (optimize)، سیستم های حرارتی (thermal systems) لوله های پلیمری (polymer pipes)، پلی اتیلن شبکه شده (cross linking polymer)

مقدمه
 

استفاده ی وسیع از فلزات در امر
توزیع و انتقال آب در ساختمان ها، برای مدت های زیادی رواج داشته است. در طی زمان، نقایص و ایراداتی در لوله های فلزی آب رسانی در ساختمان ها، آشکار گردیده است. نقایصی نظیر خوردگی، زنگ زدگی، رسوب گرفتگی، پوسیدگی و عدم مقاومت در برابر حرارت های بالا و فشار مداوم، سبب شده که طراحان تلاش نمایند با ابداع روش ها و مصالح جدید نظیر استفاده از آلیاژهای سبک به فکر حل این مشکلات بیفتند. در دهه ی 1990 میلادی سیستم جدیدی ارئه گشت که نتیجه ی تلاش محققانی بود که از سال 1970 میلادی در مورد پلیمرها به تحقیق پرداخته بودند. این تلاش ها منجر به ابداع سیستمی بر مبنای تولید لوله های پلیمری گشت که امروزه در اغلب کشورهای پیشرفته ی صنعتی جایگزین لوله های فلزی گشته اند.
اگرچه خانواده های لوله های پلیمری مانند پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP) و پی وی سی (PVC) فاقد ایرادات لوله های فلزی هستند، ولی در ابتدای تحقیقات مشخص گردید که این لوله ها دارای نقایص و ضعف هایی مانند محدودیت در انتقال حرارت بالا و عدم تحمل فشار در دمای بالا می باشند. جهت رفع نواقص مورد اشاره و دستیابی به محصولی که دارای مزایای لوله های فلزی و پلیمری و فاقد ایرادات آن ها باشد، تلفیق مواد پلیمری و فلزی مورد بررسی قرار گرفت، به گونه ای که بر مبنای تلفیق این مواد، در سیستم های لوله کشی و آب رسانی در تأسیسات حرارتی، در طی دو دهه ی اخیر، تحولات نوینی پدید آمد. لوله های مسی و گالوانیزه که اولین نسل لوله ها در تأسیسات حرارتی و برودتی بودند به تدریج جای خود را به نسل های جدید لوله های پلیمری سپردند و معایب لوله های فلزی مانند خوردگی، پورسیدگی، بروز فعل و انفعالات شیمیایی در فلز و تشکیل لایه ی رسوب داخل لوله و ایجاد افت فشار بالا در سیستم برطرف گردید و گامی بلند در بهینه سازی اقتصادی و کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها برداشته شد.

لوله های پلیمری
 

از اوایل دهه ی 1970 میلادی که مطالعه بر روی لوله های پلیمری به مرحله ی نوینی رسید، تلاش برای دستیابی به محصولی که عاری از معایب لوله های فلزی باشد بر مبنای اصول اقتصادی شامل قیمت نازل در تولید و سرعت عمل بیش تر در حین کاربرد و مونتاژ، وارد مرحله ی جدیدی گشت. در ابتدای امر، محققان لوله های پلیمری PE، PP و PVC را مورد توجه قرار دادند. [1] ولی لوله های مذکور در آن زمان دارای یک عیب عمده بودند: بر خلاف فلزات که دارای ساختمانی فشرده و غیر قابل نفوذ بودند، پلیمرها در برابر اکسیژن موجود در آب نفوذپذیر بودند و در نتیجه تأسیسات مکانیکی از قبیل پمپ ها، رادیاتورها، شیرآلات و مخازن آب، در صورت اتصال به چنین لوله هایی مورد خوردگی شدید قرار می گرفتند و با گذشت زمان دچار پوسیدگی می شدند. [2] همچنین در لوله های پلیمری، با افزایش دما، تضمینی برای حفظ خواص مکانیکی و فیزیکی وجود نداشت. با توجه به معایب مذکور، تحقیقات برای دستیابی به لوله های پلیمری که دارای خواص فیزیکی و مکانیکی مناسب و حفظ این ویژگی ها در دماهای بالا باشند ادامه یافت که در نهایت منجر به پدید آمدن دو فلسفه در طراحی به ویژه در طراحی با لوله های پلیمری گشت. فلسفه ی اول آن است که لایه ای نفوذناپذیر از پلیمر بر روی لوله ها کشیده شود. چنین راه حلی به دلیل آسیب پذیری در هنگام حمل و نقل، وجود مشکلات در نصب و اتصال لوله ها و نفوذپذیر بودن پلیمر در برابر اکسیژن در دماهای بالا و همچنین هزینه ی گزاف تولید پلیمر جدید، پذیرفته نشد. اگرچه تحقیقات بر روی این فلسفه هم هنوز ادامه دارد. فلسفه ی دوم آن است که روشی ابداع شود که ساختار پلیمرهای موجود تغییر یابد. این فلسفه با پیشرفت علم شیمی محقق گردید. در این روش نوعی جدید از پلیمر به نام پلیمر شبکه ای شده (Cross Linking) تولید گردید که در آن اتصال عرضی بین زنجیره های پلیمری از ساختار خطی به ساختار شبکه ای تبدیل گشت و پلی اتیلنی که از طریق چنین فرآیندی حاصل آمد به پلی اتیلن شبکه ای (PEX) معروف گردید که امروزه نوع جدید این پلیمرها در بازار به نام لوله های (New Pipe) موجود می باشد. شکل 1، مقطع عرضی این لوله ها را ارائه می دهد.
به طور کلی پلی اتیلن شبکه شده از مسیر تحول 30 ساله ای به دست آمد. از آن جا که پلی اتیلن معمولی دارای ویژگی هایی نظیر عایق الکتریکی بودن، خاصیت ورقه شدن و مقاومت شیمیایی بالا را دارا می باشد [4]، گزینه ی مناسبی برای استفاده در صنعت لوله کشی ساختمان بود، ولی نقطه ی ضعف پلی اتیلن معمولی آن است که این ماده در برابر حلال ها به سرعت تغییر شکل می دهد و ممکن است در آب ناخالص در آن ترک به وجود آید. از این رو پلی اتیلن معمولی در طولانی مدت در آب گرم قابل استفاده نیست و کاربرد آن در شبکه ی تأسیسات حرارتی ساختمان مورد سوال قرار می گیرد. برای برطرف نمودن این نقص، پلی اتییلن را به اصطلاح شبکه ای می نمایند تا محصول PEX به دست آید. با شبکه ای شدن پلی اتیلن، مقاومت آن در برابر حلال ها افزایش می یابد، ضمن آن که برخی خواص فیزیکی و مکانیکی آن در دمای بالا هم بهبود می یابد. [3]

لوله های پلیمری مرکب (PEX) دارای ویژگی ها و ساختاری شبکه ای به شرح زیر می باشند:
1- لایه ی آلومینیوم: اگرچه لوله های پلی اتییلن شبکه ای شده در برابر حلال ها پایدارند، ولی دارای دو محدودیت مهم می باشند:
الف) ضریب انبساط حرارتی بالا: به طور کلی ضریب انبساط حرارتی مواد پلیمری نسبت به فلزات بالاتر است. هنگامی که آب گرم در لوله های پلیمری جریان می یابد ابتدا طول لوله ها افزایش می یابد که در صورت بسته بودن شبکه ی لوله کشی، تنش های حرارتی به وجود می آیند.
ب) نفوذ اکسیژن: نفوذ اکسیژن از طریق لایه های پلیمری در سیستم های رایج حرارتی، تخریب دیگر اجزای سیستم را به همراه دارد. برای رفع دو ایراد مشروحه، از لایه ای آلومینیوم بهره می گیرند. [3] مشخصات آلومینیومن مصرفی بر طبق استانداردASTM ارائه می شود [1]، ولی می توان به طور کلی ضخامت آن را بین 0/2 تا 0/3 میلی متر و مقاومت کششی آن را حداقل 100 مگاپاسکال انتخاب نمود. [5]
2- چسب: بین لایه ی آلومینیوم و لایه های خارجی پلی اتیلن شبکه شده، از چسب ویژه ای استفاده می گردد. چسب مورد استفاده باید دارای دو ویژگی مهم باشد:
الف) استحکام بالا به هنگام چسبیدن به آلومینیوم و پلی اتیلن؛ و
ب) مقاومت حرارتی بالا تا دمای 110 درجه ی سانتی گراد به مدت طولانی.

ویژگی ها و مزایای لوله های مرکب (PEX):
 

به طور کلی مزایای پلی اتیلن PEX به شرح زیر هستند:
1- عمر بالای بهره برداری: بر طبق استاندارد ASTM و نیز استاندارد DIN طول عمر لوله های PEX در شرایط استاندارد بهره بردرای حدود 50 سال برآوردمی گردد.
2- تحمل فشار و دمای بالا و نیز دمای زیر صفر درجه ی سانتی گراد: با مراجعه به استاندارد ASTM-F128، لوله های PEX می توانند در دمای 95 درجه ی سانتی گراد با فشار 10 اتمسفر به مدت 50 سال شرایط بهره برداری را فراهم نمایند. همچنین لوله های PEX، قابلیت تحمل دماهای زیر صفر درجه تا حد 40 درجه ی سانتی گراد زیر صفر را دارا می باشند، لذا می توان از این لوله ها در مولدهای سرمایشی هم بهره برد.
3- عدم نفوذ اکسیژن: لوله های PEX به دلیل وجود آلومینیوم، در مقابل نفوذ اکسیژن محفوظ هستند و لذا هیچ گونه خوردگی متوجه اتصالات لوله کشی و مخازن نمی گرددد.

شکل 1: مقطع عرضي لوله هاي پليمري مرکب (PEX)

4- مقاومت سایشی: لایه ی پلیمری که در لوله ی مرکب قرار دارد، مقاومت بالایی در برابر ذرات شن و ماسه و املاح معدنی دارد که این ویژگی به دلیل شبکه ای شدن پلیمر است.
5- مقاومت در برابر رسوبات: جدار داخلی لوله های مرکب PEX، نسبت به جدار داخلی لوله های فلزی صیقلی تر است که این امر امکان رسوب گیری توسط لوله را منتفی می نماید.
6- انتخاب لوله با قطر کم تر در طراحی: به دلیل عدم رسوب گذاری، افت فشار داخل لوله ها بسیار کم است و لذا هنگام طرح، انتخاب لوله هایی با قطر کم تر فراهم می آید.
7- انعطاف پذیری: با توجه به آن که فلزات قابلیت شکل پذیری و پلیمرها قابلیت انعطاف پذیری بالایی دارند، انتظار می رود که لوله های (PEX) که حاوی هر دو مولد مذکورند، هر دو ویژگی را داشته باشند. لوله های (PEX) در مقابل ضربه و تنش های وارده مقاومت بالاتری به دلیل وجود آلومینیوم در مرکز لایه دارند، ضمن آن که به دلیل بدنه ی پلیمری، انعطاف پذیری بالایی در برابر تغییرات فشار و درجه حرارت دارند.
8- کاهش تعداد اتصالات: به دلیل انعطاف پذیر بودن لوله های مرکب (PEX)، امکان تهیه ی کلاف طولی از آن ها فراهم می آید و لذا می توان طول لوله ها را بلندتر طراحی نمود که در نتیجه امکان کاهش تعداد اتصالات فراهم می آید. ذکر این نکته لازم است که در صورت کاهش تعداد اتصالات در طرح، می توان لوله کشی را با هزینه ی کم تری انجام داد و هزینه ی طراحی و اجرا را پایین آورد.

نتیجه
 

با پیشرفت علم در زمینه ی پلیمرها، امکان تولید لوله های مرکب (PEX) فراهم آمده است که با بهره گیری از آن ها می توان گام بلندی در بهینه سازی اقتصادی و بهینه سازی مصرف انرژی در شبکه های حرارتی و برودتی در لوله کشی ها و تأسیسات آب رسانی ساختمانی برداشت. مزایایی نظیر مقاوم بودن در برابر مواد شیمیایی موجود در آب، مقاوم بودن در برابر حلال ها، مقاومت در برابر فشار و درجه حرارت بالا به مدت طولانی، ضریب انبساط طولی ناچیز، عدم ورود اکسیژن به لایه های داخلی، جلوگیری از رسوب گذاری، عدم تغییر رنگ و بو و مزه ی آب داخل لوله، عدم پوسیدگی لوله، قابلیت انعطاف پذیری بالا، ایجاد افت فشار کم در سیستم، امکان انتخاب قطر کم تر در طرح لوله، کاهش تعداد اتصالات و حمل و نقل و نصب سریع و آسان مواردی هستند که به بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش هزینه ی سیستم لوله کشی در صنعت ساختمان کمک شایانی می نمایند.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- استادیار گروه عمران، دانشگاه آزاد اسلامی واحد لاهیجان، عضو پایه ی یک سازمان نظام مهندسی ساختمان استان تهران، عضو انجمن راه و ساختمان ایران، Email: alireza.mordokhpour@yahoo.com
 

منابع و مراجع
[1] ASTM Standards: "Specification for aluminum and aluminum alloy round welded tubes". Vol. 02.02. B313M. (1995).
[2] ASTM Standards: "Specification for polyethylene plastics molding and extrusion materials". Vol. 08.01. D 1248. (1995)
[3] British standard: BS 6920. Subsection. 2.2.2. (2020)
[4] European standard: EN 579. (2003)
[5] U.S. department of energy. (2004)
دانش نما شماره پياپي 166-165