ما هي الوحدة التي يتم قياس قدرة التبريد بها حسب النص؟

أساسيات أنظمة البناء: الوقود والتدفئة والتهوية والتكييف والكهرباء

Building Systems Fundamentals: Fuel, HVAC, and Electrical

مقدمة إلى أساسيات أنظمة البناء: الوقود والتدفئة والتهوية والتكييف والكهرباء

يمثل هذا الفصل نقطة انطلاق حاسمة في فهم البنية التحتية الحيوية للمباني الحديثة، وذلك ضمن إطار دورة "أنظمة البناء الأمثل: كفاءة الطاقة والتصميم المستدام". إن أنظمة الوقود والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) والكهرباء ليست مجرد مكونات منفصلة، بل هي أنظمة متكاملة تؤثر بشكل كبير على استهلاك الطاقة، والراحة الحرارية، وجودة الهواء الداخلي، والاستدامة البيئية للمباني.

الأهمية العلمية:

تستمد أهمية دراسة هذه الأنظمة من عدة اعتبارات علمية وهندسية:

1. الديناميكا الحرارية وانتقال الحرارة: فهم مبادئ الديناميكا الحرارية، ووسائل انتقال الحرارة (التوصيل، الحمل، الإشعاع) أمر ضروري لتحليل أداء أنظمة التدفئة والتبريد والتهوية، وتحديد فرص التحسين لتقليل الفاقد الحراري وزيادة الكفاءة.
2. ميكانيكا الموائع: تلعب ميكانيكا الموائع دورًا حيويًا في تصميم شبكات توزيع الهواء والماء في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، مما يؤثر على توزيع درجة الحرارة والرطوبة بشكل متساوٍ، وتقليل استهلاك الطاقة للمضخات والمراوح.
3. علم المواد: اختيار المواد المناسبة لأنظمة البناء، بما في ذلك مواد العزل، والمواسير، والموصلات الكهربائية، له تأثير كبير على كفاءة الطاقة، ومتانة الأنظمة، وتأثيرها البيئي.
4. التحكم الآلي: استخدام أنظمة التحكم الآلي والمستشعرات الذكية في أنظمة البناء يتيح مراقبة وتحسين الأداء بشكل مستمر، وتقليل استهلاك الطاقة، وزيادة راحة المستخدمين.
5. مصادر الطاقة المتجددة: دمج مصادر الطاقة المتجددة، مثل الطاقة الشمسية، في أنظمة البناء يساهم في تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري، وتقليل الانبعاثات الكربونية، وتعزيز الاستدامة البيئية.

الأهداف التعليمية:

يهدف هذا الفصل إلى تزويد المشاركين بالمعرفة والمهارات اللازمة لفهم وتشخيص وتحسين أداء أنظمة البناء الأساسية، وذلك من خلال تحقيق الأهداف التالية:

1. تحديد أنواع الوقود المختلفة: التعرف على أنواع الوقود المستخدمة في أنظمة التدفئة، ومزايا وعيوب كل نوع، مع التركيز على الجوانب الاقتصادية والبيئية.
2. شرح مبادئ عمل أنظمة التدفئة والتهوية والتكييف: فهم المكونات الرئيسية لأنظمة التدفئة والتهوية والتكييف، وكيفية عملها، وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض.
3. وصف أنظمة التوزيع الكهربائي في المباني: التعرف على مكونات النظام الكهربائي في المباني، من نقطة التغذية الرئيسية إلى المخارج الكهربائية، وفهم مبادئ السلامة الكهربائية.
4. تحديد فرص تحسين كفاءة الطاقة: التعرف على الاستراتيجيات والتقنيات التي يمكن استخدامها لتحسين كفاءة الطاقة في أنظمة البناء، وتقليل استهلاك الوقود والكهرباء.
5. تطبيق مبادئ التصميم المستدام: فهم كيفية دمج مبادئ التصميم المستدام في تصميم وتشغيل أنظمة البناء، لتقليل التأثير البيئي وتعزيز الاستدامة.

من خلال تحقيق هذه الأهداف، سيكتسب المشاركون فهمًا شاملاً لأساسيات أنظمة البناء، مما يمكنهم من اتخاذ قرارات مستنيرة لتحسين كفاءة الطاقة والاستدامة في المباني التي يعملون عليها.

Building Systems Fundamentals: Fuel, HVAC, and Electrical

Introduction

The operational efficiency and sustainability of buildings are critically dependent on the integrated performance of their core systems: fuel supply, heating, ventilation, and air conditioning (HVAC), and electrical distribution. This chapter, "Building Systems Fundamentals: Fuel, HVAC, and Electrical," provides a scientific foundation for understanding these essential systems and their interactions. Fuel systems, encompassing diverse energy sources like fuel oil, natural gas, electricity, and coal, underpin the energy input required for building operations. HVAC systems, rooted in thermodynamic principles of heat transfer and fluid mechanics, regulate indoor environmental conditions, impacting occupant comfort and energy consumption. Electrical systems, governed by the laws of electromagnetism and circuit theory, distribute power throughout the building, enabling lighting, equipment operation, and control functions. A thorough understanding of the scientific principles governing each system, including energy conversion efficiencies, heat transfer mechanisms, and electrical load management, is paramount for optimizing building performance. This chapter will explore the scientific basis of various fuel sources, HVAC technologies (including vapor compression cycles, psychrometrics, and ventilation strategies), and electrical system designs (including power distribution, circuit protection, and lighting systems). The educational goals of this chapter are threefold: (1) to elucidate the fundamental scientific principles underlying fuel, HVAC, and electrical systems in buildings; (2) to provide a comprehensive overview of the technologies and components used in each system; and (3) to equip trainees with the knowledge necessary to analyze system performance, identify opportunities for energy efficiency improvements, and contribute to the design of sustainable building solutions. By mastering these fundamentals, participants will be prepared to critically evaluate building system designs and operational strategies, leading to enhanced energy performance and reduced environmental impact.

أساسيات أنظمة البناء: الوقود والتدفئة والتهوية والتكييف والكهرباء

Building Systems Fundamentals: Fuel, HVAC, and Electrical

الفصل: أساسيات أنظمة البناء: الوقود والتدفئة والتهوية والتكييف والكهرباء

مقدمة

يهدف هذا الفصل إلى تزويد المتدربين بفهم شامل لأساسيات أنظمة البناء الحيوية، والتي تشمل الوقود المستخدم في التدفئة، وأنظمة التدفئة والتهوية والتكييف (HVAC)، وأنظمة الكهرباء. سنستعرض الأنواع المختلفة لكل نظام، ونشرح المبادئ العلمية التي تقوم عليها، ونناقش كفاءة الطاقة والتصميم المستدام في كل منها.

1. الوقود المستخدم في التدفئة

يعتبر اختيار الوقود المناسب للتدفئة قراراً حاسماً يؤثر على التكلفة، والكفاءة، والأثر البيئي.

• أنواع الوقود:

  1. زيت الوقود (Fuel Oil): وقود سائل سهل النقل والتخزين، ولكنه قد يكون مكلفًا. يستخدم على نطاق واسع في المنازل والمنشآت التجارية والصناعية.
  2. الغاز الطبيعي (Natural Gas): وقود نظيف نسبيًا، يتميز بتوفره المستمر عبر خطوط الأنابيب، مما يلغي الحاجة إلى خزانات تخزين. يعتبر اقتصاديًا في العديد من المناطق.
  3. غاز البترول المسال (Liquefied Petroleum Gas LPG): مثل البيوتان والبروبان، يستخدم في المناطق الريفية. يتطلب خزانات تخزين ولكنه مشابه للغاز الطبيعي في جوانب أخرى.
  4. الكهرباء (Electricity): يمكن استخدامها لتوليد الحرارة مباشرة أو لتسخين الماء. قد تكون مكلفة في بعض المناطق، ولكن مع العزل الجيد والتحكم الفعال يمكن تقليل الهدر.
  5. الفحم (Coal): كان الوقود الأكثر شيوعًا للتدفئة في الماضي. لا يزال يستخدم في محطات توليد الكهرباء وفي بعض التطبيقات الصناعية والتجارية. يسبب حرق أنواع معينة من الفحم تلوثًا بيئيًا.
  6. الطاقة الحيوية (Biomass): تشمل الخشب، ومخلفات المحاصيل الزراعية، والنفايات العضوية. تعتبر مصدرًا متجددًا، ولكن يجب أخذ الأثر البيئي لعملية الحرق في الاعتبار.
     * العوامل المؤثرة في اختيار الوقود:
  • التكلفة: يجب مقارنة تكلفة كل نوع من الوقود، بما في ذلك تكلفة الشراء، والتخزين، والصيانة.
  • الكفاءة: كفاءة تحويل الوقود إلى طاقة حرارية.
  • التوفر: مدى توفر الوقود في المنطقة.
  • الأثر البيئي: كمية الانبعاثات الناتجة عن حرق الوقود.
  • متطلبات الصيانة: الصيانة المطلوبة لأنظمة التدفئة التي تستخدم أنواع الوقود المختلفة.

2. أنظمة التدفئة

تعتبر أنظمة التدفئة ضرورية للحفاظ على درجة حرارة مريحة داخل المباني خلال المواسم الباردة.

• أنواع أنظمة التدفئة:

  1. الهواء الدافئ (Warm Air Systems): يتم تسخين الهواء في فرن وتوزيعه عبر قنوات بواسطة مروحة ضغط أو بالاعتماد على قوة الجاذبية. قد تشمل هذه الأنظمة منظمات حرارة (Thermostats)، وفلاتر، ومرطبات، ومنظفات هواء، وأجهزة تنقية الهواء.
     • المبدأ العلمي: تعتمد على انتقال الحرارة بالحمل (Convection). الهواء الساخن أقل كثافة من الهواء البارد، لذلك يرتفع الهواء الساخن ويحل محله الهواء البارد.
     • معادلة حساب كمية الحرارة المطلوبة:
       • Q = m * cp * ΔT
       • حيث:
         • Q: كمية الحرارة (بوحدة الجول أو BTU).
         • m: كتلة الهواء (بوحدة الكيلوغرام أو الرطل).
         • cp: الحرارة النوعية للهواء (بوحدة J/kg.K أو BTU/lb.°F).
         • ΔT: التغير في درجة الحرارة (بوحدة الكلفن أو درجة فهرنهايت).
  2. الماء الساخن (Hot Water Systems / Hydronic Systems): يتم ضخ الماء الساخن بواسطة مضخة (Circulator) عبر أنابيب إلى مشعات (Radiators). يعود الماء البارد إلى الغلاية ليتم إعادة تسخينه. في أنظمة التدفئة المشعة (Radiant Heating Systems)، يتم ضخ الماء الساخن عبر أنابيب ضيقة مدمجة في الأرضيات والجدران والأسقف بدلاً من المشعات.
     • المبدأ العلمي: انتقال الحرارة بالتوصيل (Conduction) والإشعاع (Radiation).
     • مثال عملي: يمكن استخدام نظام تدفئة أرضية يعتمد على الماء الساخن.
  3. البخار (Steam): يتم إنتاج البخار بواسطة غلاية (Boiler)، وتوزيعه عبر نظام أنبوب واحد (One-pipe gravity system) ثم يتم نقله عبر مشعات. توجد أيضًا أنظمة أكثر تعقيدًا وأكثر تكلفة ذات أنبوبين (Two-pipe systems) في المباني الكبيرة وعالية الجودة.
  4. الكهرباء (Electric): تشمل المضخات الحرارية (Heat Pumps)، وسخانات الجدار (Wall Heaters)، ووحدات القاعدة (Baseboard Units)، ووحدات تسخين القنوات (Duct Heating Units)، ووحدات التدفئة المثبتة في قنوات تكييف الهواء، والحرارة المشعة التي تنتجها عناصر التسخين الكهربائية المدمجة في الأرضيات والجدران والأسقف.
     • المبدأ العلمي: قانون أوم (Ohm's Law): V = I * R، حيث V هو الجهد، I هو التيار، و R هو المقاومة. الحرارة المتولدة تتناسب مع مربع التيار والمقاومة.
  5. التدفئة المدمجة (Cogeneration): الإنتاج المتزامن للطاقة الكهربائية والحرارة من نفس مصدر الوقود.

• كفاءة الطاقة في أنظمة التدفئة:

  • العزل الحراري: تقليل فقد الحرارة من المبنى.
  • التحكم الآلي: استخدام منظمات الحرارة (Thermostats) وأنظمة التحكم الذكي لضبط درجة الحرارة تلقائيًا.
  • الصيانة الدورية: التأكد من أن جميع مكونات النظام تعمل بكفاءة.
  • استخدام مصادر الطاقة المتجددة: مثل الطاقة الشمسية لتسخين المياه.

3. أنظمة التهوية وتكييف الهواء (HVAC)

تهدف أنظمة HVAC إلى توفير بيئة داخلية مريحة وصحية من خلال التحكم في درجة الحرارة والرطوبة وجودة الهواء.

• أنظمة التهوية:

  1. التهوية الطبيعية: تعتمد على حركة الهواء الطبيعية من خلال النوافذ والمداخل.

  2. التهوية الميكانيكية: تستخدم مراوح لسحب الهواء النقي من الخارج وتوزيعها في المبنى، أو لسحب الهواء الملوث من الداخل وطرده إلى الخارج.

     • المبادئ العلمية: قوانين الديناميكا الحرارية (Thermodynamics) وقوانين حركة الموائع (Fluid Dynamics).
     • أنظمة تكييف الهواء:

  3. نظام التكييف المركزي (Central AC): يتكون من وحدة خارجية تحتوي على ضاغط (Compressor) ومكثف (Condenser)، ووحدة داخلية تحتوي على مبخر (Evaporator). يتم تبريد الهواء وتوزيعه عبر قنوات.

     • المبدأ العلمي: دورة التبريد (Refrigeration Cycle): تعتمد على امتصاص الحرارة عند تبخر سائل التبريد (Refrigerant) وإطلاق الحرارة عند تكثفه.
     • معادلة معامل الأداء (Coefficient of Performance COP):
       • COP = Q_c / W
       • حيث:
         • Q_c: كمية الحرارة الممتصة من الحيز المراد تبريده.
         • W: كمية الطاقة الكهربائية المستهلكة لتشغيل الضاغط.
     • مثال عملي: استخدام مبردات ذات كفاءة عالية (High-Efficiency Chillers) في المباني التجارية.
  4. نظام التكييف المنفصل (Split AC): يتكون من وحدة خارجية ووحدة داخلية لكل غرفة أو منطقة.
  5. نظام التكييف الشباك (Window AC): وحدة واحدة يتم تركيبها في النافذة.
  6. تكييف امتصاص (Absorption Chiller): يستخدم الحرارة كمصدر للطاقة بدلاً من الكهرباء لتشغيل دورة التبريد. يستخدم في الأماكن التي تتوفر فيها مصادر حرارية مثل الحرارة الناتجة من العمليات الصناعية أو الطاقة الشمسية.
     * مكونات أنظمة تكييف الهواء والتهوية:
     * ضاغط (Compressor)
     * مكثف (Condenser)
     * صمام تمدد (Expansion valve)
     * مبخر (Evaporator)
     * مراوح (Fans)
     * قنوات الهواء (Ducts)
     * فلاتر الهواء (Air Filters)
     * كفاءة الطاقة في أنظمة HVAC:
  • استخدام معدات ذات كفاءة عالية: اختيار معدات HVAC ذات كفاءة عالية في استهلاك الطاقة.
  • التحكم الذكي: استخدام أنظمة التحكم الذكي لضبط درجة الحرارة والتهوية تلقائيًا بناءً على الاحتياجات الفعلية.
  • الصيانة الدورية: التأكد من أن جميع مكونات النظام تعمل بكفاءة.
  • التهوية حسب الطلب (Demand-Controlled Ventilation DCV): ضبط معدل التهوية بناءً على عدد الأشخاص الموجودين في الغرفة أو المنطقة.
  • استخدام أنظمة استعادة الطاقة (Energy Recovery Systems): استعادة الحرارة أو البرودة من الهواء الخارج من المبنى لاستخدامها في تسخين أو تبريد الهواء الداخل.

4. أنظمة الكهرباء

توفر أنظمة الكهرباء الطاقة اللازمة لتشغيل جميع الأجهزة والمعدات في المبنى.

• مكونات نظام الكهرباء:

  1. مصدر الطاقة (Power Source): محطة توليد الكهرباء أو الألواح الشمسية.
  2. لوحة التوزيع الرئيسية (Main Distribution Panel): تستقبل الطاقة من المصدر وتوزعها على الدوائر الفرعية.
  3. الدوائر الفرعية (Branch Circuits): توفر الطاقة للأجهزة والمعدات المختلفة في المبنى.
  4. قواطع الدائرة (Circuit Breakers) أو الصمامات (Fuses): تحمي الدوائر من التحميل الزائد.
  5. الأسلاك (Wires): تنقل الطاقة الكهربائية من لوحة التوزيع إلى الأجهزة والمعدات.
  6. المقابس (Outlets) والمفاتيح (Switches): توفر نقاط توصيل للأجهزة وتحكم في الإضاءة.

• أنواع الأسلاك:

  • أسلاك نحاسية (Copper Wires): الأكثر شيوعًا بسبب موصليتها العالية.
  • أسلاك ألومنيوم (Aluminum Wires): أقل تكلفة من النحاس ولكنها تتطلب عناية أكبر في التركيب.

• أنظمة الجهد (Voltage Systems):

  • 120 فولت: يستخدم في المنازل لتشغيل الأجهزة الصغيرة والإضاءة.
  • 220/240 فولت: يستخدم في المنازل والأجهزة الكبيرة مثل الثلاجات والمكيفات.
  • 480 فولت و أعلى: يستخدم في المباني التجارية والصناعية لتشغيل المعدات الثقيلة.

• الإضاءة (Lighting):

  1. المصابيح المتوهجة (Incandescent Lamps): أقل كفاءة وتستهلك الكثير من الطاقة.
  2. المصابيح الفلورية (Fluorescent Lamps): أكثر كفاءة من المصابيح المتوهجة.
  3. مصابيح LED: الأكثر كفاءة وتدوم لفترة أطول.
  4. مصابيح الصوديوم (Sodium Lamps): تستخدم في الإضاءة الخارجية.
  5. مصابيح بخار الزئبق (Mercury Vapor Lamps): تستخدم في الإضاءة الخارجية.
  6. مصابيح الهالوجين (Halogen Lamps): تستخدم في الإضاءة الموجهة.
  7. مصابيح الهاليد المعدني (Metal Halide Lamps): تستخدم في الإضاءة الصناعية.

• كفاءة الطاقة في أنظمة الكهرباء:

  • استخدام مصابيح LED: توفير كبير في استهلاك الطاقة.
  • أنظمة التحكم في الإضاءة (Lighting Control Systems): استخدام أجهزة استشعار الحركة (Motion Sensors) والمؤقتات (Timers) لتقليل استهلاك الطاقة.
  • الأجهزة الموفرة للطاقة (Energy-Efficient Appliances): اختيار الأجهزة التي تحمل علامة "نجمة الطاقة" (Energy Star).
  • الطاقة الشمسية (Solar Energy): استخدام الألواح الشمسية لتوليد الكهرباء.
  • عدادات الشبكة الذكية (Smart Net Meters): من خلال الاتصال بشبكة ذكية واستخدام نظام الاستجابة للطلب (Demand Response DR)، يمكن للمبنى تحديد تلقائيًا من خلال نظام إدارة المباني الخاص به كمية الكهرباء التي يحتاجها في أوقات مختلفة من اليوم.

• الأمان الكهربائي:

  • التأريض (Grounding): توفير مسار آمن للتيار الكهربائي في حالة حدوث عطل.
  • قواطع الدائرة (Circuit Breakers): تفصل الدائرة تلقائيًا في حالة حدوث تحميل زائد.
  • كاشفات أعطال القوس الكهربائي (Arc-Fault Circuit Interrupters AFCIs): تحمي من الحرائق الناتجة عن الأعطال الكهربائية.
  • التفتيش الدوري (Regular Inspection): فحص الأسلاك والمقابس والمفاتيح للتأكد من سلامتها.

5. أنظمة البناء الذكية (Intelligent Buildings)

هي مباني مصممة بأنظمة آلية تكتشف وتضبط معدات التدفئة والتبريد استجابة للظروف البيئية المتغيرة لزيادة كفاءة الطاقة وضمان راحة السكان. وقد يشتمل المبنى أيضًا على تحكم مركزي في أنظمة السلامة من الحرائق، والوصول الأمني، وأنظمة الاتصالات واستخدام التقنيات الأخرى التي تساعد في تلبية الاحتياجات المتغيرة لشاغلي المبنى مع التحكم في التكاليف.

خلاصة

فهم أساسيات أنظمة البناء المتعلقة بالوقود، والتدفئة، والتهوية، وتكييف الهواء، والكهرباء أمر بالغ الأهمية لتصميم وتشغيل المباني بكفاءة واستدامة. من خلال تطبيق المبادئ العلمية واستخدام التقنيات المتقدمة، يمكننا تحقيق أقصى قدر من الكفاءة وتقليل الأثر البيئي.

Chapter: Building Systems Fundamentals: Fuel, HVAC, and Electrical

Introduction

This chapter provides a foundational understanding of the crucial building systems that directly impact energy consumption, occupant comfort, and overall building performance. We will delve into the scientific principles governing fuel sources, heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) systems, and electrical systems. A comprehensive grasp of these fundamentals is essential for optimizing building energy efficiency and promoting sustainable design practices.

1. Fuel Sources for Building Systems

The selection of fuel sources significantly influences a building's operational costs, environmental impact, and overall sustainability. Different fuels possess distinct characteristics that impact their suitability for specific applications.

1.1 Types of Fuel

• Fuel Oil: A petroleum-derived liquid fuel.

  • Characteristics: Relatively easy to transport and store, high energy density.
  • Applications: Residential and commercial heating. Commonly stored in on-site tanks (e.g., 275-gallon for residential, larger tanks for commercial/industrial).
  • Considerations: Cost fluctuations, potential for leaks and spills, emissions during combustion.

  • Natural Gas: Primarily composed of methane (CH4).

  • Characteristics: Convenient due to pipeline delivery, generally economical in many regions.

  • Applications: Heating, water heating, cooking, power generation.
  • Considerations: Greenhouse gas emissions (methane is a potent greenhouse gas), potential for leaks.

  • Liquid Petroleum Gas (LPG): Includes propane (C3H8) and butane (C4H10).

  • Characteristics: Requires on-site storage, typically more expensive than natural gas.

  • Applications: Heating, cooking, in rural areas where natural gas pipelines are unavailable.
  • Considerations: Similar to natural gas, requires careful handling and storage due to flammability.

  • Electricity: Energy source generated from various sources, including fossil fuels, nuclear power, and renewable sources.

  • Characteristics: Versatile, can be used for heating, cooling, lighting, and powering equipment.

  • Applications: Resistance heating, heat pumps, powering HVAC systems.
  • Considerations: Electricity generation sources significantly impact the environmental footprint, cost can be high in some regions, reliance on grid stability.

  • Coal: A solid fossil fuel.

  • Characteristics: Abundant in some regions, historically a primary fuel source.

  • Applications: Electricity generation, industrial processes, residential heating (less common now).
  • Considerations: High greenhouse gas emissions, air pollution, transportation and storage challenges. Burning of certain types of coal creates environmental pollution.

1.2 Fuel Selection Factors

• Cost: Evaluate the price per unit of energy (e.g., $/therm for natural gas, $/gallon for fuel oil, $/kWh for electricity).
• Availability: Consider the accessibility of the fuel in the building's location (e.g., natural gas pipeline availability).
• Environmental Impact: Assess the greenhouse gas emissions and air pollutants associated with each fuel.
• Efficiency: Determine the efficiency of the heating equipment that utilizes each fuel (e.g., furnace efficiency, boiler efficiency).
• Storage Requirements: Evaluate the space and infrastructure required for fuel storage (e.g., fuel oil tanks, LPG tanks).
• Safety: Consider the safety aspects of fuel handling, storage, and combustion.

1.3 Cogeneration (Combined Heat and Power - CHP)

Cogeneration is the simultaneous production of electricity and useful heat (e.g., hot water, steam) from a single fuel source. This process enhances energy efficiency by utilizing waste heat that would otherwise be released into the environment.

2. Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC) Systems

HVAC systems are essential for maintaining comfortable and healthy indoor environments. These systems control temperature, humidity, air quality, and air movement.

2.1 Heating Systems

• Warm Air Systems: Air is heated in a furnace and circulated through ducts using a blower.

  • Working Principle: Combustion of fuel heats a heat exchanger, which warms the air. The heated air is then distributed through ducts using a blower.
  • Components: Furnace, blower, ductwork, registers, thermostat, filters, humidifiers, air cleaners, and air purification devices.
  • Heat Transfer: Primarily convection.
  • Energy Equation: Q = mcpΔT, where Q is heat transfer rate (W or BTU/hr), m is mass flow rate of air (kg/s or lb/hr), cp is specific heat capacity of air (J/kg·K or BTU/lb·°F), and ΔT is the temperature difference (°C or °F).

• Hot Water (Hydronic) Systems: Water is heated in a boiler and circulated through pipes to radiators or radiant floor systems.

  • Working Principle: Fuel combustion heats water in a boiler. A circulator pump moves the hot water through pipes to radiators, where heat is transferred to the room. The cooled water returns to the boiler to be reheated. In radiant systems, pipes are embedded in floors, walls, or ceilings.
  • Components: Boiler, circulator pump, pipes, radiators or radiant floor loops, expansion tank, pressure relief valve.
  • Heat Transfer: Convection (radiators), radiation (radiant systems).
  • Energy Equation: Q = mcpΔT, where Q is heat transfer rate (W or BTU/hr), m is mass flow rate of water (kg/s or lb/hr), cp is specific heat capacity of water (J/kg·K or BTU/lb·°F), and ΔT is the temperature difference (°C or °F).

• Steam Systems: Water is heated to produce steam, which is then distributed through pipes to radiators.

  • Working Principle: Fuel combustion heats water in a boiler, producing steam. The steam is distributed through pipes to radiators, where it condenses, releasing heat. The condensate returns to the boiler.
  • Components: Boiler, pipes, radiators, steam traps, condensate return system.
  • Heat Transfer: Latent heat of condensation.
  • Energy Equation: Q = mhfg, where Q is heat transfer rate (W or BTU/hr), m is mass flow rate of steam (kg/s or lb/hr), and hfg is the latent heat of vaporization of water (J/kg or BTU/lb).
  • One-pipe vs Two-pipe System: One pipe delivers both the steam to the radiator and returns the condensate. Two pipe systems have separate pipes for steam and condensate. Two-pipe systems are more complex and expensive. Licenses might be required for certain classes of steam boilers.

• Electric Heating Systems: Electrical resistance heaters convert electricity directly into heat.

  • Working Principle: Electrical current flows through a resistive element, generating heat.
  • Components: Resistance heaters (e.g., baseboard heaters, wall heaters, duct heaters), heat pumps, thermostats.
  • Heat Transfer: Convection, radiation.
  • Energy Equation: Q = I²R, where Q is heat transfer rate (W), I is current (A), and R is resistance (Ω).

• Heat pumps: Use refrigeration cycle to transfer heat from a cold space to a hot space

  • Working Principle: A compressor circulates a refrigerant, which absorbs heat at a low temperature and releases heat at a high temperature.
  • Components: Compressor, condenser, expansion valve, evaporator.
  • Coefficient of Performance (COP): COP = Heating Output / Electrical Input. A higher COP indicates greater efficiency.

2.2 Air Conditioning and Ventilation Systems

• Air Conditioning Systems: Remove heat and humidity from indoor air.

  • Vapor-Compression Refrigeration Cycle: Most common type of air conditioning system. An electrically powered compressor compresses a refrigerant from gas into liquid outside the area being cooled. The heat released in this process is either blown away or carried away by water. The refrigerant then evaporates inside the area being cooled, absorbing heat.
  • Components: Compressor, condenser, expansion valve, evaporator, refrigerant.
  • Refrigerants: Non-ozone-depleting refrigerants are preferred. Ammonia is used as coolant in some gas-powered compressor systems.
  • Capacity: Rated in tons of refrigeration (1 ton = 12,000 BTU/hr).
  • Energy Equation (Simplified): Qc = mhfg*, where Qc is cooling capacity, m is mass flow rate of refrigerant, and hfg is the latent heat of vaporization of refrigerant.

• Ventilation Systems: Supply fresh air and remove stale air.

  • Natural Ventilation: Relies on natural forces (e.g., wind, buoyancy) to drive airflow.
  • Mechanical Ventilation: Uses fans to force air into and out of the building.
    • Supply Ventilation: Forces fresh air into the building.
    • Exhaust Ventilation: Removes stale air from the building.
    • Balanced Ventilation: Supplies and exhausts air in equal amounts.

  • Heat Recovery Ventilation (HRV): Transfers heat between incoming and outgoing air streams, improving energy efficiency.

  • Energy Recovery Ventilation (ERV): Transfers both heat and moisture between incoming and outgoing air streams, which is more efficient and energy preserving.

• Combined Systems: Some systems integrate heating, cooling, and ventilation functions into a single unit. Some buildings use the same ducts for air conditioning and hot air heating systems. However, air conditioning might require ducts of a different size. Furthermore, heating registers should be placed low on the walls, while air-conditioning registers should be higher up or in the ceiling.

2.3 HVAC System Design Considerations

• Building Load Calculations: Determining the heating and cooling loads of the building based on factors such as climate, building orientation, insulation levels, and occupancy.
• Duct Sizing: Designing ductwork to ensure proper airflow and minimize pressure drop.
• Equipment Selection: Choosing efficient and appropriately sized HVAC equipment.
• Zoning: Dividing the building into zones with independent temperature control for improved comfort and energy efficiency. A multiple-zone system with separate thermostats is more efficient than a single zone system with one thermostat.
• Controls: Implementing automated controls (e.g., thermostats, sensors) to optimize system operation. A thermostat on the outside of the building can help anticipate how much heat the system will need to produce.

3. Electrical Systems

Electrical systems provide power for lighting, equipment, and HVAC systems. A properly designed electrical system is essential for safety, reliability, and energy efficiency.

3.1 Electrical System Components

• Electrical Service Entrance: The point where electricity enters the building from the utility grid.
• Main Distribution Panel: Distributes power to branch circuits.
• Branch Circuits: Wires that supply power to individual outlets and fixtures.
• Circuit Breakers or Fuses: Protection devices that interrupt the flow of electricity in the event of an overload or short circuit. Each branch circuit starts at a distribution box, where it is separated from the main service by a protection device such as a fuse or circuit breaker.
• Wiring: Copper is the most common material.
• Conduit or Cable: Protects and supports wiring. Rigid or flexible conduit is used in commercial and industrial buildings. BX or armored cable is used in most houses. Plastic-coated wire is used in certain areas. Knob-and-tube wiring is considered obsolete.
• Outlets and Switches: Provide points of connection for electrical devices.
• Lighting Fixtures: Provide illumination.

3.2 Electrical System Types

• Residential Systems: Typically single-phase, three-wire systems (120/240 volts).
• Commercial and Industrial Systems: May use three-phase power (e.g., 208/120 volts, 480/277 volts) to power heavy-duty equipment. Large-capacity power wiring may contribute to the value of an industrial improvement. However, if the wiring is an uncommon type and adds to a building’s operating costs or will be expensive to remove, it may result in functional obsolescence. Similarly, any building with insufficient electrical service or wiring suffers from functional obsolescence. Power wiring is usually three-phase or three-phase-four-wire, which allows both lighting and three-phase power loads to be delivered by the same supply. It is carried in conduit or by means of plug-in bus ducts. Overhead bus ducts are frequently found in manufacturing plants where flexible service is needed.

3.3 Electrical Calculations

• Ohm's Law: V = IR, where V is voltage (V), I is current (A), and R is resistance (Ω).
• Power Equation: P = VI, where P is power (W), V is voltage (V), and I is current (A).
• Energy Equation: E = Pt, where E is energy (Wh or kWh), P is power (W), and t is time (h).

3.4 Lighting Systems

• Types of Lighting:

  • Incandescent: Inefficient, produces heat.
  • Fluorescent: More efficient than incandescent, longer lifespan.
  • LED (Light-Emitting Diode): Highly efficient, long lifespan, versatile.
  • Sodium, mercury vapor, halogen, and halide lights: Often installed in industrial buildings.

• Lighting Design Considerations:

  • Illuminance Levels: Recommended light levels for different tasks and spaces.
  • Color Rendering Index (CRI): Measures the ability of a light source to accurately render colors.
  • Energy Efficiency: Selecting energy-efficient lighting fixtures and controls.
  • Switches and lighting fixtures: Because lighting fixtures are stylized and styles change, they are often obsolete before they wear out.

3.5 Power Wiring

• Voltage and Amperage: Electrical power is generally carried at higher voltages (e.g., 240, 480, 600 volts or more) and higher amperages (e.g., 400, 800, 1,200 amperes or more).
• Three-Phase Power: Commonly used in commercial and industrial buildings to operate utility systems, appliances, and machinery.
• Bus Ducts: Electrical distribution systems used in industrial settings, especially in manufacturing plants where flexible service is needed.

4. Building Automation Systems (BAS)

Building Automation Systems are comprehensive automatic control of one or more major building system functions, such as heating, ventilating, and air-conditioning systems.
Intelligent buildings are designed with automated systems that detect and adjust heating and cooling equipment in response to changing environmental conditions to increase energy efficiency and ensure the comfort of occupants. The building may also include centralized control over fire safety, security access, and telecommunications systems and the use of other technologies that help address the changing needs of building occupants while controlling costs. These systems are designed to improve end-user security, control, and accessibility, with the aim of increasing worker productivity and occupant comfort levels.

4.1 Evolution
Since the 1960s, automation has increased in complexity, from simple systems like lighting that turns itself on as daylight fades outside and doors that open automatically (first installed in buildings before 1970) to fire alarm systems that monitor the position of fire and its path within a building (which appeared after 1980).

4.2 Smart Grids and Demand Response
Intelligent building design has also included the idea of connecting to a smart grid, an electricity distribution network based on digital technology that is used to supply electricity to consumers through two-way digital communication.

By connecting to a smart grid and using a demand response (DR) system, a building can determine automatically through its building management system how much electricity it needs at various times of day. A DR system manages a building’s consumption of electricity in response to supply conditions and responds to a utility company’s demand event (such as rolling blackouts) by automatically reducing the amount of power being used or starting on-site power generation.

5. Whole Building Approach

The whole building approach views all of a building’s parts as an integrated system. The goal of the whole building approach is to ensure that the different parts of a building work with, rather than against, one another.

Design concepts in the Whole Building Approach include:
* Front-end loading: Factors examined in the front-loaded design process include possible process simplification (value engineering), a constructability review process, customized standards and specifications, predictive maintenance, and design-to-capacity considerations.
* End-use/least-cost considerations: A focus on designing an end product that provides the user with what they actually want and need, at the least cost to both the owner (or developer) and the environment.
* Teamwork: Collaboration among key professionals is fundamental to planning and designing successful green developments, redevelopments, and building retrofits.

Conclusion

A solid understanding of fuel sources, HVAC systems, and electrical systems is crucial for designing energy-efficient and sustainable buildings. By applying the scientific principles and design considerations discussed in this chapter, professionals can optimize building performance, reduce energy consumption, and create comfortable and healthy indoor environments.

ملخص أساسيات أنظمة البناء: الوقود والتدفئة والتهوية والتكييف والكهرباء

يتناول هذا الفصل الجوانب الأساسية لأنظمة البناء المتعلقة بالوقود المستخدم للتدفئة، وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، وأنظمة الكهرباء. ويهدف إلى توفير فهم شامل لهذه الأنظمة وتأثيرها على كفاءة الطاقة والاستدامة في المباني.

الوقود والتدفئة:

• أنواع الوقود: يناقش الفصل أنواع الوقود المختلفة المستخدمة في أنظمة التدفئة، مع التركيز على خصائصها ومزاياها وعيوبها. تشمل هذه الأنواع زيت الوقود والغاز الطبيعي (بما في ذلك الغاز البترولي المسال مثل البيوتان والبروبان) والكهرباء والفحم. يتم التأكيد على أن اختيار الوقود المناسب يعتمد على عوامل مثل التكلفة وتوافر البنية التحتية والأثر البيئي.
• أنظمة التدفئة: يصف الفصل أنواع أنظمة التدفئة المختلفة، بما في ذلك أنظمة الهواء الدافئ أو الساخن، وأنظمة الماء الساخن (الهيدرونيك)، وأنظمة البخار، وأنظمة التدفئة الكهربائية. يتم شرح كيفية عمل كل نظام ومكوناته الرئيسية، مع التركيز على كفاءة كل نظام وإمكانية التحكم فيه. يتم التأكيد على أهمية وجود منظمات حرارة (ترموستات) لتحسين كفاءة أنظمة التدفئة، مع الإشارة إلى أن الأنظمة متعددة المناطق ذات منظمات حرارة منفصلة أكثر كفاءة من الأنظمة أحادية المنطقة.
• توليد الطاقة المشترك (Cogeneration): يتم تقديم مفهوم توليد الطاقة المشترك، وهو إنتاج الطاقة الكهربائية والحرارة من نفس الوقود، كحل محتمل لتحسين كفاءة الطاقة.

التهوية وتكييف الهواء:

• أنظمة تكييف الهواء: يوضح الفصل كيفية عمل أنظمة تكييف الهواء، والتي تعتمد عادةً على ضاغط كهربائي لضغط مادة التبريد (غاز إلى سائل). يتم التمييز بين الأنظمة الصغيرة المحمولة والأنظمة التجارية والصناعية الأكثر تعقيدًا.
• أنظمة التهوية: يناقش الفصل أهمية أنظمة التهوية في توفير الهواء النقي وإزالة الهواء الفاسد. يتم شرح أنواع أنظمة التهوية المختلفة، من الأنظمة البسيطة التي تجلب الهواء النقي من الخارج إلى الأنظمة المعقدة التي تقوم بتنظيف وترطيب وتبريد أو تدفئة الهواء.
• مواصفات: يتم التأكيد على أن معايير التكييف و التهوية تعتمد على المناخ. يتم قياس قدرة التبريد بوحدة "طن التبريد".

أنظمة الكهرباء:

• توزيع الطاقة: يصف الفصل كيفية توزيع الطاقة الكهربائية في المباني، من محطة الخدمة الكهربائية إلى المنافذ الكهربائية من خلال الدوائر الفرعية. يتم شرح دور صندوق التوزيع وأجهزة الحماية مثل المصهرات وقواطع الدائرة.
• الأسلاك: يتم شرح أنواع الأسلاك المختلفة المستخدمة في المباني، مثل القنوات الصلبة أو المرنة وكابلات BX والأسلاك المطلية بالبلاستيك. يتم الإشارة إلى أن الأسلاك القديمة (مثل أسلاك الأنبوب والمقبض) تعتبر قديمة.
• القدرة الكهربائية: يتم التأكيد على أهمية توفير خدمة كهربائية كافية للمباني، خاصةً عند استخدام التدفئة والتكييف الكهربائيين. يتم شرح الأنظمة الكهربائية أحادية الطور وثلاثية الطور واستخداماتها المختلفة.

الآثار والاستنتاجات:

• تكاليف الطاقة: يوضح الفصل أن تكاليف الطاقة تؤثر بشكل كبير على قيمة العقارات، وأن المشترين والمستخدمين أصبحوا أكثر وعيًا بتقييمات الطاقة وتقارير نمذجة الطاقة.
• كفاءة الطاقة والاستدامة: يؤكد الفصل على أهمية كفاءة الطاقة والاستدامة في تصميم وتشغيل المباني. يتم تشجيع استخدام تقنيات وممارسات تقلل من استهلاك الطاقة وتحسن جودة البيئة.
• مفهوم البناء الذكي: يتم تعريف مفهوم البناء الذكي بأنه بناء مصمم بأنظمة آلية للكشف عن معدلات التدفئة والتبريد وتعديلها استجابةً للظروف البيئية المتغيرة لزيادة كفاءة الطاقة وضمان راحة الركاب.
• نظام الاستجابة للطلب (DR): تم تقديم مفهوم الاستجابة للطلب كطريقة لتقليل استهلاك المبنى للطاقة الكهربائية استجابة لظروف العرض.

بشكل عام، يوفر هذا الفصل أساسًا متينًا لفهم أنظمة البناء المتعلقة بالوقود والتدفئة والتهوية والتكييف والكهرباء. إنه يؤكد على أهمية اختيار الأنظمة المناسبة وتشغيلها بكفاءة لتحقيق أهداف كفاءة الطاقة والاستدامة.

Building Systems Fundamentals: Fuel, HVAC, and Electrical

This chapter provides an overview of fundamental building systems related to fuel, heating, ventilation, and air conditioning (HVAC), and electrical distribution, emphasizing their characteristics, uses, and impact on energy efficiency and sustainability.

Fuel Systems: The chapter outlines various heating fuel types: fuel oil, natural gas (including liquid petroleum gas like butane and propane), electricity, and coal. Fuel oil is easy to transport and store but costly, while natural gas is convenient due to continuous delivery but requires pipelines. Electricity can be used for heating, but costs are typically high unless coupled with good insulation and control. Coal, though historically popular, can cause environmental pollution. The selection of the most economical fuel is emphasized, but it notes that many buildings do not use the most efficient option for their specific needs. Cogeneration, the simultaneous production of electrical energy and heat, is also mentioned as a potentially efficient approach.

HVAC Systems: The document details different types of heating and cooling systems. Heating systems discussed include warm air, hot water (hydronic, including radiant heating), steam (one-pipe and two-pipe), and electric. Air conditioning systems are based on electrically powered compressors using non-ozone-depleting refrigerants. Ventilation systems range from simple fresh air intake to complex systems that filter, humidify, heat, and cool air. Efficiency is improved by using multiple zones with separate thermostats and by implementing outside thermostats to anticipate heating needs. A combination with water-cooled pipes in which gas is compressed is also discussed.

Electrical Systems: The chapter describes how power is distributed from the electrical service station through branch circuits with protection devices like fuses or circuit breakers. Wiring types include rigid/flexible conduit (commercial/industrial), BX/armored cable (residential), and plastic-coated wire, with obsolete knob-and-tube wiring mentioned. Commercial and industrial buildings use higher voltages and amperages, typically three-phase or three-phase-four-wire systems. Lighting options include fluorescent, incandescent, sodium, mercury vapor, halogen, and halide. Other electrical system components discussed include floor outlets, low-voltage switching systems, outside lighting, and power wiring. Insufficient electrical service or wiring can lead to functional obsolescence.

Implications for Sustainability and Energy Efficiency: The chapter implicitly highlights the importance of considering energy costs and ratings when evaluating properties. Buildings with poor insulation, high ceilings, and many openings may be less desirable due to increased energy consumption. Moreover, the discussion of intelligent buildings with building automation systems (BAS) and demand response (DR) systems emphasizes the role of technology in optimizing energy usage and connecting to smart grids. The "whole building approach" emphasizes integrated design of building systems to maximize energy efficiency and minimize environmental impact. This includes considering site factors, constructability, end-use requirements, and teamwork collaboration in green building projects. The solar photovoltaic (PV) systems is also mentioned in the context of renewable energy integration, highlighting factors like lease terms, cost, energy production, azimuth, panel age, warranty, and potential roof considerations. The shift from operational costs to initial capital costs in green buildings is also addressed.