Role of new pipes generation in optimizing building HVAC systems

خلاصه ي مقاله
 

استفاده از نسل جديد لوله هاي پليمري مرکب (PEX)، در سيستم هاي حرارتي و برودتي ساختمان ها روز به روز گسترش مي يابد. مزايايي نظير مقاومت در برابر پوسيدگي و زنگ زدگي، شکل پذيري مناسب، مقاومت در برابر فشار و درجه حرارت بالا به مدت طولاني، ضريب انبساط طولي کم، ايجاد افت فشار کم در سيستم، مقاومت در برابر حلال ها، جلوگيري از رسوب مواد موجود در آب، امکان انتخاب قطر کم تر در طول واحد لوله در هنگام طراحي، حمل و نقل سريع و آسان و کاهش تعداد اتصالات، از جمله مواردي هستند که به بهينه سازي مصرف انرژي و کاهش هزينه ي سيستم آب رساني در صنعت ساختمان کمک شاياني نموده است. استفاده از لوله هاي پليمري از اوايل دهه ي 1970 ميلادي با هدف جايگزيني مناسب براي لوله هاي مسي و گالوانيزه که در ساختمان به کار مي روند مورد توجه قرار گرفته است. از آنجا که لوله هاي فلزي به تدريج دچار خوردگي و پوسيدگي مي شوند، تحقيق براي دستيابي به لوله هايي با عمر زياد که معايب لوله هاي فلزي را نداشته باشند در کشورهاي صنعتي آغاز گرديد که در بدو امر منجر به توليد لوله هاي پليمري معمولي گرديد ولي با توجه به ايرادات مشاهده شده در لوله هاي پليمري معمولي تحقيقات ادامه يافت تا آن که مجر به توليد نسل جديد لوله هاي پليمري مرکب (PEX) گرديد. لوله هاي (PEX) که نوع شبکه اي شده ي لوله هاي پلي اتيلن معمولي هستند به تدريجه جايگزين لوله هاي رايج فلزي در صنعت ساختمان در کشورهاي پيشرفته صنعتي شده اند.
در اين مقاله به نقد و بررسي لوله هاي (PEX) که بهره گيري از آن ها در ايران هم مورد توجه قرار گرفته است پرداخته مي شود تا مزاياي آن ها در صنعت ساختمان که منجر به بهينه سازي مصرف انرژي در تأسيسات حرارتي و برودتي مي شود معرفي گردند.

چکيده
 

کاربرد پليمرها در سيستم هاي حرارتي و برودتي ساختمان ها که به تدريج جايگزين لوله هاي فلزي گشته اند، روز به روز گسترش مي يابد. با توسعه ي علم شيمي در بخش پليمرها و آشکار شدن مزاياي آن ها در کشورهايي نظير فرانسه، انگلستان، ژاپن و ايالات متحده اکنون نسل جديد لوله هاي پليمري که به لوله هاي پليمري شبکه اي شده (PEX) معروف اند در ايران هم مورد توجه قرار گرفته است. مزايايي نظير مقاومت در برابر زنگ زدگي و پوسيدگي، شکل پذيري مناسب، مقاومت در برابر فشار و درجه حرارت به مدت طولاني، ضريب انبساط طولي ناچيز، ايجاد افت فشار کم در سيستم، مقاومت در برابر حلال ها، جلوگيري از رسوب مواد موجود در آب، امکان انتخاب قطر کم تر هنگام طراحي، کاهش تعداد اتصالات و حمل و نقل سريع و آسان از جمله مواردي هستند که به بهينه سازي مصرف انرژي و کاهش هزينه هاي اقتصادي در تأسيسات حرارتي و بهداشتي کمک شاياني نموده است و لذا شايسته است که لوله هاي (PEX) مورد نقد و بررسي قرار گيرند.
کليد واژه ها: بهينه سازي (optimize)، سيستم هاي حرارتي (thermal systems) لوله هاي پليمري (polymer pipes)، پلي اتيلن شبکه شده (cross linking polymer)

مقدمه
 

استفاده ي وسيع از فلزات در امر
توزيع و انتقال آب در ساختمان ها، براي مدت هاي زيادي رواج داشته است. در طي زمان، نقايص و ايراداتي در لوله هاي فلزي آب رساني در ساختمان ها، آشکار گرديده است. نقايصي نظير خوردگي، زنگ زدگي، رسوب گرفتگي، پوسيدگي و عدم مقاومت در برابر حرارت هاي بالا و فشار مداوم، سبب شده که طراحان تلاش نمايند با ابداع روش ها و مصالح جديد نظير استفاده از آلياژهاي سبک به فکر حل اين مشکلات بيفتند. در دهه ي 1990 ميلادي سيستم جديدي ارئه گشت که نتيجه ي تلاش محققاني بود که از سال 1970 ميلادي در مورد پليمرها به تحقيق پرداخته بودند. اين تلاش ها منجر به ابداع سيستمي بر مبناي توليد لوله هاي پليمري گشت که امروزه در اغلب کشورهاي پيشرفته ي صنعتي جايگزين لوله هاي فلزي گشته اند.
اگرچه خانواده هاي لوله هاي پليمري مانند پلي اتيلن (PE)، پلي پروپيلن (PP) و پي وي سي (PVC) فاقد ايرادات لوله هاي فلزي هستند، ولي در ابتداي تحقيقات مشخص گرديد که اين لوله ها داراي نقايص و ضعف هايي مانند محدوديت در انتقال حرارت بالا و عدم تحمل فشار در دماي بالا مي باشند. جهت رفع نواقص مورد اشاره و دستيابي به محصولي که داراي مزاياي لوله هاي فلزي و پليمري و فاقد ايرادات آن ها باشد، تلفيق مواد پليمري و فلزي مورد بررسي قرار گرفت، به گونه اي که بر مبناي تلفيق اين مواد، در سيستم هاي لوله کشي و آب رساني در تأسيسات حرارتي، در طي دو دهه ي اخير، تحولات نويني پديد آمد. لوله هاي مسي و گالوانيزه که اولين نسل لوله ها در تأسيسات حرارتي و برودتي بودند به تدريج جاي خود را به نسل هاي جديد لوله هاي پليمري سپردند و معايب لوله هاي فلزي مانند خوردگي، پورسيدگي، بروز فعل و انفعالات شيميايي در فلز و تشکيل لايه ي رسوب داخل لوله و ايجاد افت فشار بالا در سيستم برطرف گرديد و گامي بلند در بهينه سازي اقتصادي و کاهش مصرف انرژي در ساختمان ها برداشته شد.

لوله هاي پليمري
 

از اوايل دهه ي 1970 ميلادي که مطالعه بر روي لوله هاي پليمري به مرحله ي نويني رسيد، تلاش براي دستيابي به محصولي که عاري از معايب لوله هاي فلزي باشد بر مبناي اصول اقتصادي شامل قيمت نازل در توليد و سرعت عمل بيش تر در حين کاربرد و مونتاژ، وارد مرحله ي جديدي گشت. در ابتداي امر، محققان لوله هاي پليمري PE، PP و PVC را مورد توجه قرار دادند. [1] ولي لوله هاي مذکور در آن زمان داراي يک عيب عمده بودند: بر خلاف فلزات که داراي ساختماني فشرده و غير قابل نفوذ بودند، پليمرها در برابر اکسيژن موجود در آب نفوذپذير بودند و در نتيجه تأسيسات مکانيکي از قبيل پمپ ها، رادياتورها، شيرآلات و مخازن آب، در صورت اتصال به چنين لوله هايي مورد خوردگي شديد قرار مي گرفتند و با گذشت زمان دچار پوسيدگي مي شدند. [2] همچنين در لوله هاي پليمري، با افزايش دما، تضميني براي حفظ خواص مکانيکي و فيزيکي وجود نداشت. با توجه به معايب مذکور، تحقيقات براي دستيابي به لوله هاي پليمري که داراي خواص فيزيکي و مکانيکي مناسب و حفظ اين ويژگي ها در دماهاي بالا باشند ادامه يافت که در نهايت منجر به پديد آمدن دو فلسفه در طراحي به ويژه در طراحي با لوله هاي پليمري گشت. فلسفه ي اول آن است که لايه اي نفوذناپذير از پليمر بر روي لوله ها کشيده شود. چنين راه حلي به دليل آسيب پذيري در هنگام حمل و نقل، وجود مشکلات در نصب و اتصال لوله ها و نفوذپذير بودن پليمر در برابر اکسيژن در دماهاي بالا و همچنين هزينه ي گزاف توليد پليمر جديد، پذيرفته نشد. اگرچه تحقيقات بر روي اين فلسفه هم هنوز ادامه دارد. فلسفه ي دوم آن است که روشي ابداع شود که ساختار پليمرهاي موجود تغيير يابد. اين فلسفه با پيشرفت علم شيمي محقق گرديد. در اين روش نوعي جديد از پليمر به نام پليمر شبکه اي شده (Cross Linking) توليد گرديد که در آن اتصال عرضي بين زنجيره هاي پليمري از ساختار خطي به ساختار شبکه اي تبديل گشت و پلي اتيلني که از طريق چنين فرآيندي حاصل آمد به پلي اتيلن شبکه اي (PEX) معروف گرديد که امروزه نوع جديد اين پليمرها در بازار به نام لوله هاي (New Pipe) موجود مي باشد. شکل 1، مقطع عرضي اين لوله ها را ارائه مي دهد.
به طور کلي پلي اتيلن شبکه شده از مسير تحول 30 ساله اي به دست آمد. از آن جا که پلي اتيلن معمولي داراي ويژگي هايي نظير عايق الکتريکي بودن، خاصيت ورقه شدن و مقاومت شيميايي بالا را دارا مي باشد [4]، گزينه ي مناسبي براي استفاده در صنعت لوله کشي ساختمان بود، ولي نقطه ي ضعف پلي اتيلن معمولي آن است که اين ماده در برابر حلال ها به سرعت تغيير شکل مي دهد و ممکن است در آب ناخالص در آن ترک به وجود آيد. از اين رو پلي اتيلن معمولي در طولاني مدت در آب گرم قابل استفاده نيست و کاربرد آن در شبکه ي تأسيسات حرارتي ساختمان مورد سوال قرار مي گيرد. براي برطرف نمودن اين نقص، پلي اتييلن را به اصطلاح شبکه اي مي نمايند تا محصول PEX به دست آيد. با شبکه اي شدن پلي اتيلن، مقاومت آن در برابر حلال ها افزايش مي يابد، ضمن آن که برخي خواص فيزيکي و مکانيکي آن در دماي بالا هم بهبود مي يابد. [3]

لوله هاي پليمري مرکب (PEX) داراي ويژگي ها و ساختاري شبکه اي به شرح زير مي باشند:
1- لايه ي آلومينيوم: اگرچه لوله هاي پلي اتييلن شبکه اي شده در برابر حلال ها پايدارند، ولي داراي دو محدوديت مهم مي باشند:
الف) ضريب انبساط حرارتي بالا: به طور کلي ضريب انبساط حرارتي مواد پليمري نسبت به فلزات بالاتر است. هنگامي که آب گرم در لوله هاي پليمري جريان مي يابد ابتدا طول لوله ها افزايش مي يابد که در صورت بسته بودن شبکه ي لوله کشي، تنش هاي حرارتي به وجود مي آيند.
ب) نفوذ اکسيژن: نفوذ اکسيژن از طريق لايه هاي پليمري در سيستم هاي رايج حرارتي، تخريب ديگر اجزاي سيستم را به همراه دارد. براي رفع دو ايراد مشروحه، از لايه اي آلومينيوم بهره مي گيرند. [3] مشخصات آلومينيومن مصرفي بر طبق استانداردASTM ارائه مي شود [1]، ولي مي توان به طور کلي ضخامت آن را بين 0/2 تا 0/3 ميلي متر و مقاومت کششي آن را حداقل 100 مگاپاسکال انتخاب نمود. [5]
2- چسب: بين لايه ي آلومينيوم و لايه هاي خارجي پلي اتيلن شبکه شده، از چسب ويژه اي استفاده مي گردد. چسب مورد استفاده بايد داراي دو ويژگي مهم باشد:
الف) استحکام بالا به هنگام چسبيدن به آلومينيوم و پلي اتيلن؛ و
ب) مقاومت حرارتي بالا تا دماي 110 درجه ي سانتي گراد به مدت طولاني.

ويژگي ها و مزاياي لوله هاي مرکب (PEX):
 

به طور کلي مزاياي پلي اتيلن PEX به شرح زير هستند:
1- عمر بالاي بهره برداري: بر طبق استاندارد ASTM و نيز استاندارد DIN طول عمر لوله هاي PEX در شرايط استاندارد بهره بردراي حدود 50 سال برآوردمي گردد.
2- تحمل فشار و دماي بالا و نيز دماي زير صفر درجه ي سانتي گراد: با مراجعه به استاندارد ASTM-F128، لوله هاي PEX مي توانند در دماي 95 درجه ي سانتي گراد با فشار 10 اتمسفر به مدت 50 سال شرايط بهره برداري را فراهم نمايند. همچنين لوله هاي PEX، قابليت تحمل دماهاي زير صفر درجه تا حد 40 درجه ي سانتي گراد زير صفر را دارا مي باشند، لذا مي توان از اين لوله ها در مولدهاي سرمايشي هم بهره برد.
3- عدم نفوذ اکسيژن: لوله هاي PEX به دليل وجود آلومينيوم، در مقابل نفوذ اکسيژن محفوظ هستند و لذا هيچ گونه خوردگي متوجه اتصالات لوله کشي و مخازن نمي گرددد.

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

4- مقاومت سايشي: لايه ي پليمري که در لوله ي مرکب قرار دارد، مقاومت بالايي در برابر ذرات شن و ماسه و املاح معدني دارد که اين ويژگي به دليل شبکه اي شدن پليمر است.
5- مقاومت در برابر رسوبات: جدار داخلي لوله هاي مرکب PEX، نسبت به جدار داخلي لوله هاي فلزي صيقلي تر است که اين امر امکان رسوب گيري توسط لوله را منتفي مي نمايد.
6- انتخاب لوله با قطر کم تر در طراحي: به دليل عدم رسوب گذاري، افت فشار داخل لوله ها بسيار کم است و لذا هنگام طرح، انتخاب لوله هايي با قطر کم تر فراهم مي آيد.
7- انعطاف پذيري: با توجه به آن که فلزات قابليت شکل پذيري و پليمرها قابليت انعطاف پذيري بالايي دارند، انتظار مي رود که لوله هاي (PEX) که حاوي هر دو مولد مذکورند، هر دو ويژگي را داشته باشند. لوله هاي (PEX) در مقابل ضربه و تنش هاي وارده مقاومت بالاتري به دليل وجود آلومينيوم در مرکز لايه دارند، ضمن آن که به دليل بدنه ي پليمري، انعطاف پذيري بالايي در برابر تغييرات فشار و درجه حرارت دارند.
8- کاهش تعداد اتصالات: به دليل انعطاف پذير بودن لوله هاي مرکب (PEX)، امکان تهيه ي کلاف طولي از آن ها فراهم مي آيد و لذا مي توان طول لوله ها را بلندتر طراحي نمود که در نتيجه امکان کاهش تعداد اتصالات فراهم مي آيد. ذکر اين نکته لازم است که در صورت کاهش تعداد اتصالات در طرح، مي توان لوله کشي را با هزينه ي کم تري انجام داد و هزينه ي طراحي و اجرا را پايين آورد.

نتيجه
 

با پيشرفت علم در زمينه ي پليمرها، امکان توليد لوله هاي مرکب (PEX) فراهم آمده است که با بهره گيري از آن ها مي توان گام بلندي در بهينه سازي اقتصادي و بهينه سازي مصرف انرژي در شبکه هاي حرارتي و برودتي در لوله کشي ها و تأسيسات آب رساني ساختماني برداشت. مزايايي نظير مقاوم بودن در برابر مواد شيميايي موجود در آب، مقاوم بودن در برابر حلال ها، مقاومت در برابر فشار و درجه حرارت بالا به مدت طولاني، ضريب انبساط طولي ناچيز، عدم ورود اکسيژن به لايه هاي داخلي، جلوگيري از رسوب گذاري، عدم تغيير رنگ و بو و مزه ي آب داخل لوله، عدم پوسيدگي لوله، قابليت انعطاف پذيري بالا، ايجاد افت فشار کم در سيستم، امکان انتخاب قطر کم تر در طرح لوله، کاهش تعداد اتصالات و حمل و نقل و نصب سريع و آسان مواردي هستند که به بهينه سازي مصرف انرژي و کاهش هزينه ي سيستم لوله کشي در صنعت ساختمان کمک شاياني مي نمايند.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- استاديار گروه عمران، دانشگاه آزاد اسلامي واحد لاهيجان، عضو پايه ي يک سازمان نظام مهندسي ساختمان استان تهران، عضو انجمن راه و ساختمان ايران، 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