منبع: مجله صنعت تاسیسات شماره 55
از: Ken Olson
ماخذ: Home Power
تولید آب گرم به عنوان دومین عامل مهم مصرف کننده انرژی در منازل شناخته شده است. یک آب گرمکن الکتریکی ۸۰ گالنی که برای یک خانواده چهار نفره مناسب است حدود ۱۵۰ میلیون BTU در طول عمر مفید هفت ساله خود انرژی مصرف میکند. این مقدار انرژی بدون در نظر گرفتن افزایش احتمالی قیمت سوخت هزینه ای معادل ۳۶۰۰ دلار خواهد داشت. با این حال پس از سپری شدن عمر مفید این آب گرمکن ها معمولاً آنها را با انواع مشابه جایگزین میکنیم به نظر میرسد که باید برای این مسئله به فکر چاره اساسی تری بود. صرف هزینه برای آب گرم خورشیدی یک سرمایه گذاری بدون ریسک است.
برگشت سرمایه اولیه به میزان ۱۵ درصد و بدون مالیات بوده و این بازگشت سرمایه با بالا رفتن قیمت گاز و برق افزایش خواهد یافت. در بسیاری از نقاط دنیا انگیزه هایی از قبیل ارائه اعتبارات و تسهیلات مالیاتی برای بیشتر کردن میزان برگشت سرمایه در نظر گرفته شده است. خوشبختانه هم اکنون در ایران چند شرکت معتبر آب گرمکن های خورشیدی را به صورت انبوه عرضه میکنند و دولت نیز بودجه ای را برای گسترش استفاده از انرژی خورشید در تأسیسات ساختمان منظور کرده است.
در این مقاله رایج ترین انتخاب های موجود برای گرمایش آب با استفاده از انرژی خورشیدی و قوانین پایه کاربردی مورد بحث و بررسی قرار میگیرند. این مقاله طی این شماره و شماره آینده ارائه می گردد.
مقدمات
بهترین صرفه جویی در آب گرم را می توان با اقداماتی کم هزینه یا بدون هزینه انجام داد.
قبل از این که آب گرم خورشیدی را بیازمایید این مراحل را انجام دهید:
- ترموستات منزل خود را روی دمای پایین تری تنظیم نمایید. بسیاری از آب گرمکن ها در بین ۶۰ و ۸۲c تنظیم می شوند. ببینید چقدر میتوانید این دما را پایین بیاورید. برای شروع می توانید دمای ۵۲ را امتحان کنید. یک وان آب داغ حدود ۴۱c دما دارد. حال ببینید به چقدر دمای بالاتر نیاز دارید؟
- آب گرمکن خود را به خوبی عایق بندی کنید. روکشهای عایق برای آب گرمکن، معمولاً در محل فروش آب گرمکنها قابل دسترس هستند. در مورد آب گرمکن های گازی مراقب باشید؛ این آب گرمکن ها از شعله مستقیم برای گرم کردن آب استفاده میکنند. در این موارد باید فضایی را برای ورود هوا در قسمت پایین آب گرمکن و همچنین در قسمت بالا، جایی که دودکش وجود دارد در نظر بگیرید. به یاد داشته باشید که ایمنی مهم تر از صرفه جویی است؟
- نشتی ها و چکه کردن آب را در سیستم از بین ببرید. ممکن است چکه کردنها چندان مهم به نظر نرسند، ولی این نشتی ها با همه جزئی بودن دائمی بوده و باعث تحمیل بار گرمایی به سیستم شده موجب هدر رفتن آب نیز می شوند.
- از محدود کننده های جریان و همچنین شیرهای مخلوط کننده هوا با جریان آب برای کاهش مصرف آب گرم استفاده نمایید.
- به دنبال یافتن راه هایی برای کاهش مصرف آب گرم باشید. هنگام استفاده از ماشین لباسشویی یا ظرف شویی از حداکثر ظرفیت این دستگاه ها استفاده کنید.
- لوله های آب گرم خود را عایق بندی نمایید.
شکل1: یک آبگرمکن خورشیدی یکپارچه ۴۰ گالنی
ظرفیت سیستم آب گرم خورشیدی مورد نیاز شما چقدر باید باشد؟
میزان استفاده از آب گرم در ایالات متحده برای مصارف خانگی معمولاً بین ۵۵ تا ۱۱۰ لیتر برای هر نفر در روز است. این رقم شامل استحمام، شستشوی لباس ها و شستشوی ظرف ها میباشد. اما تعهد شما برای صرفه جویی مستلزم آن است که تغییرات زیادی در الگوهای مصرفی ایجاد نمایید.
ظرفیت مخزن آب گرم معمولاً طوری طراحی می شود که مصرف یک روز را تأمین نماید. بدین ترتیب برای یک خانواده چهار نفری استفاده از یک مخزن ۳۰۰ لیتری بر اساس نیازهای روزانه آب گرم به میزان ۷۵ لیتر به ازای هر نفر منطقی به نظر می رسد.
دو تن از متخصصین شرکت AAA Solar در شهر Albuqueruque، قواعد سرانگشتی را برای تعیین اندازه کلکتورهای خورشیدی بر اساس ناحیه آب و هوایی تدوین کرده اند که به شرح زیر میباشند:
- در نواحی کاملاً آفتابگیر از یک فوت مربع (۰/۰۹m) کلکتور به ازای هر ۲ گالن (۷/۶ لیتر) ظرفیت مخزن آب گرم استفاده نمایید (آب گرم روزانه خانگی).
- در نواحی کوهستانی از یک فوت مربع کلکتور به ازای هر ۱/۵ گالن (۵/۷ لیتر) ظرفیت مخزن آب گرم استفاده کنید.
- در نواحی گرمسیر و یا مجاور دریاها از یک فوت مربع کلکتور به ازای ۱ گالن (۳/۸لیتر) ظرفیت مخزن آب گرم استفاده نمایید.
- در نقاط سردسیر از یک فوت مربع کلکتور به ازای هر ۰/۷۵ گالن (۲/۸ لیتر) ظرفیت مخزن آب گرم استفاده کنید.
البته این محاسبات بسیار تقریبی هستند و با عواملی از قبیل دمای آب ورودی، نقطه تنظیم دمای آب گرم در سیستم مصرف واقعی آب و همچنین شدت تابش خورشید در محل ساختمان شما تغییر
خواهند کرد. می توانید این چنین فرض کنید که عموماً این محاسبه باعث تأمین ۱۰۰ درصد آب گرم مورد نیاز در تابستان و حدود ۴۰ درصد آب گرم در طول سال خواهد شد.
دید کلی در مورد گزینه های موجود
نوع سیستمی که انتخاب میکنید بیش از هر چیز بستگی به آب و هوای محیط سکونت شما دارد. مناطقی که در آنها دما به نقطه انجماد نمی رسد طراحی های ساده و کم هزینه ای را می طلبند؛ آب گرمکن های یکپارچه (Batch) از یک مخزن ذخیره به عنوان کلکتور استفاده می کنند. یک سیستم پمپاژ مستقیم آب را از کلکتور به مخزن ذخیره به گردش در می آورد.
یک سیستم ترموسيفون نیاز به پمپ سیرکولاسیون نداشته و در آن جریان تنها در اثر نیروی جاذبه زمین به گردش در می آید.
بسیاری از سیستم ها نیاز به اقداماتی برای حفاظت از یخ زدگی دارند؛ سیستم های پس تخلیه (Drainback) و حلقه بسته با استفاده از ضد یخ و مبدل های حرارتی بهترین انتخاب برای نقاطی هستند که در آنها معمولاً یخ زدگی رخ می دهد. قطعات بیشتر طبیعتاً هزینه را افزایش داده و بازدهی سیستم را پایین می آورد؛ اما از آنجا که یخ زدن سیستم ممکن است منجر به دردسری بزرگ گردد ارزش دارد که این هزینه ها صرف شوند.
سیستم های سيركولاسيون مجدد توسط پمپ مستقیم که آب گرم را در کلکتور به گردش در می آورند، در مناطقی استفاده میشوند که یخ زدگی به طور احتمالی و نه در تمام مواقع رخ میدهد و البته استفاده از این روش مقداری ریسک در بر دارد. سیستم های تخلیه کلکتور به منظور تخلیه کلکتورها از آب برای جلوگیری از یخ زدگی طراحی شده اند.مشکل سازترین طراحی مربوط به همین سیستم ها بوده است و بیشتر آنها حذف شده و یا با سیستم های دیگری جایگزین شده اند. سیستم های تغییر فاز که به طور نظری می توانند گرما را در طول شب با استفاده از مبرد جذب نمایند هیچگاه نتوانستند در بازار دوام بیاورند.
شکل۲: نمایی از سیستم آب گرم خورشیدی یکپارچه
آب گرمکن های خورشیدی یکپارچه (Batch)
قانون ساده سازی و غیر هوشمندسازی طرح ها تا حد امکان در مورد سیستم های گرمایش خورشیدی مصداق دارد. آب گرمکن یکپارچه شکل (۱) ساده ترین سیستم آب گرم خورشیدی است. این سیستم به عنوان منبع ذخیره و کلکتور یکپارچه در بازار شناخته می شود. طراحی ساده این سیستم شکل (۲) شامل یک مخزن آب است که در یک محفظه عایق بندی شده شیشه ای قرار داده شده و به سمت خورشید هدف گرفته شده است. آب سرد که معمولاً به قسمت تحتانی آب گرمکن معمولی می رود، ابتدا به سمت آب گرمکن خورشیدی هدایت می شود. در این نقطه آب در طول روز در معرض نور خورشید قرار گرفته و تا هر دمایی که خورشید بتواند آب را گرم کند عمل گرمایش اولیه روی آب انجام می شود. آب تنها هنگامی جریان می یابد که در حال استفاده باشد. فشار آب خانگی باعث تأمین آب سرد تازه برای جریان یافتن به ورودی آب گرمکن خورشیدی یکپارچه دریچه پایینی میشود. هم زمان با این روند آب داغ از دریچه بالایی خارج می شود. این آب به ورودی آب گرمکن موجود که در حال حاضر به عنوان پشتیبان در سیستم وجود دارد جریان می یابد تا عمل گرمایش را کامل نماید. آب پیش گرم شده خورشیدی در اینجا به عنوان آب سرد ورودی به آب گرمکن موجود وارد میشود. هر قدر که خورشید توانسته باشد آب را گرم کند، در واقع باعث صرفه جویی در مصرف انرژی شده است.
شیرهای بای پس
بای پس خورشیدی، آرایشی از سه شیر مختلف شکل (۳) می باشد که به شما امکان می دهد آب گرمکن معمولی خود را بای پس نمایید. هنگامی که آب گرمکن خورشیدی می تواند به تنهایی آب گرم مورد نیازتان را تأمین نماید مثلاً در تابستان یا در زمان قطع برق آب گرمکن معمولی را از مدار خارج کنید. این پیکربندی در سیستم به صورت دستی انجام میشود و تنها کاری که باید انجام دهید این است که شیرهای ورودی و خروجی به آب گرمکن معمولی را ببندید و شیر مرکزی را باز کنید. این کار به آب گرم امکان میدهد که مستقیماً از آب گرمکن خورشیدی یکپارچه به خانه راه یابد.
مواظب باشید! این سیستم ها آب خیلی داغی تولید میکنند یک شیر متعادل ساز (Tempering Valve) برای حفاظت از سوختگی بر روی لوله نصب میشود. در طول تابستان دما حتی به حدود ۷۱ می رسد که بسیار داغ تر از دمایی است که از آب گرمکن های معمولی که با ترموستات کنترل میشوند انتظار دارید. شیر متعادل ساز، دمای آب خروجی به لوله را در صورت لزوم با مخلوط کردن آب سرد در حد کنترل شده ای نگه می دارد. در صورتی که دما یا فشار بیش از اندازه افزایش یابد باید یک شیر اطمینان دما فشار در خروجی آب داغ آب گرمکن یکپارچه نصب شود. این یکی از اقدامات ایمنی است که توسط دستورالعمل های مربوطه الزام گردیده است. این شیر تنها در مواقع اضطراری عمل کرده و در صورت باز شدن باید تعویض گردد.
شکل۳: پیکربندی شیر بای پس در سیستم خورشیدی
چه مواقعی می توان از آب گرمکن های یکپارچه استفاده نمود؟
آب گرمکن های یکپارچه استفاده دو تا چند نفر (۱۱۰ تا ۱۵۰ لیتر) آب گرم در روز در آب و هوایی که یخ زدگی در آن زیاد رخ نمی دهد، مناسب هستند. اندازه این آب گرمکن ها به علت این که مخزن ذخیره در داخل کلکتور تعبیه می شود، عموماً محدود میباشد. برای دستیابی به ظرفیت های بیشتر میتوان از چند کلکتور مختلف که به طور سری به یکدیگر وصل شده اند، استفاده نمود؛ خروجي اولين کلکتور به منظور تأمین آب گرم تر، به عنوان ورودی کلکتور دوم در نظر گرفته میشود. قبل از این که تعداد زیادی از این کلکتورها را بر روی بام خود نصب کنید این نکته را در نظر بگیرید که یک آب گرمکن یکپارچه با ظرفیت ۱۵۰ لیتر در حدود ۲۲۵ کیلوگرم وزن خواهد داشت. بعضی از آب گرمکن های یکپارچه در سردترین زمستانها بدون یخ زدگی عمل می کنند؛ زیرا مقدار زیاد آب موجود در مخزن مقاومت مناسبی در برابر یخ زدگی از خود نشان میدهد. اما خطوط لوله موجود در سیستم که به مخزن وارد شده و یا از آن خارج می شوند، بسیار آسیب پذیرند. می توانید با استفاده از یک سطح انتخابی خاص برای مخزن استفاده از کلکتورهای صیقلی و عایق بندی شده به کارگیری عایق بندی مناسب (نوع 30-R یا بهتر را امتحان کنید) و نوارهای حرارتی بر روی لوله ها، سیستم خود را در برابر یخ زدگی مقاوم
کنید.
کلکتورها و منابع ذخیره جداگانه
سادگی طراحی آب گرمکنهای یکپارچه باعث کاهش بازدهی عملکرد کلکتور و مخزن ذخیره می شود. گرم کردن تمام آب موجود در مخزن به طور یکجا تا دمای مناسب تمام روز طول خواهد کشید. در صورتی که آب در این سیستم گرم شد بهتر است آن را تا پایان روز استفاده کنید، قبل از این که مخزن با عایق بندی ضعیف خود گرما را به هوای سرد شب منتقل نماید.
بسیاری از طراحی های انجام شده در زمینه آب گرم خورشیدی کلکتور را جدا از مخزن ذخیره در نظر میگیرند. این امر باعث عملکرد بهینه هر در بخش خواهد شد؛ چرا که مخزن ذخیره به داخل ساختمان مستقل و به خوبی عایق بندی می شود و کلکتورها بیرون ساختمان و در معرض نور خورشید که در واقع به آن تعلق دارند، قرار می گیرند.
امتیازات دیگر جداسازی کلکتورها از مخزن ذخیره عبارتند از افزایش سطح کلکتورها در مقایسه با مقدار آبی که گرم میشود و همچنین بالا رفتن سریع تر دما مخزن ذخیره را طوری تعبیه کنید که داغ ترین آب را از سردترین آب کلکتورهای صفحه تخت جدا نگه داشته و به آب گرم تر زودتر دسترسی داشته باشید.
استفاده از این روش همچنین مزایایی در آب و هوای سرد و با احتمال یخ زدگی دارد. با جدا ساختن کلکتور از مخزن می توانید مخزن و لوله های مربوطه را در داخل ساختمان و دور از خطر یخ زدگی حفظ کنید و آنها را برای بازدهی بیشتر به خوبی عایق بندی نمایید.
شکل۴: دو کلکتور از نوع صفحه تخت که بر روی بام نصب شده اند.
شکل۵: یک آبگرمکن خورشیدی با کلکتور صفحه تخت
کلکتورهای صفحه تخت
کلکتورهای صفحه تخت، معمول ترین کلکتورهای خورشیدی میباشند این کلکتورها برای کاربرد در دماهای پایین کمتر از (۶۰) مانند آب گرم مصرفی و گرمایش فضای خانه مناسب ترین انتخاب هستند.
یک کلکتور صفحه تخت خورشیدی معمولاً شامل لوله های مسی است که در یک صفحه جاذب تخت نصب شده اند. معمول ترین حالت لوله های موازی هستند که در هر انتها با دو لوله یکی ورودی و دیگری خروجی به یکدیگر متصل اند (شکل ۵) اجزای کلکتور صفحه تخت در یک جعبه عایق بندی شده نصب گردیده و با شیشه خاصی پوشانده میشوند.کارامدترین طراحی های مربوط به کلکتورها، آنهایی هستند که بهره گرمایی خورشید را به حداکثر و اتلاف دما را به حداقل رسانده و مؤثرترین انتقال حرارت را از صفحة جاذب به لوله های نصب شده انجام دهند. دمای کارکرد این تجهیزات می تواند تا ۱۲۱ بالا رود هر چند که این دما نه معمول است و نه لازم به یاد داشته باشید که شما آب داغ احتیاج دارید، نه بخار.
سطوح انتخابی
یک سطح انتخابی که اغلب به نام کروم سیاه معروف است بازدهی بسیار بیشتری از سطح جاذب سیاه رنگ دارد. با این که سطح سیاه مؤثرترین حالت برای جذب تشعشعات خورشیدی و تبدیل آن به گرما میباشد، اما
سطوح سیاه قابلیت تابش مجدد امواج بلند مادون قرمز را نیز دارند. بدیهی است که این اتلاف دما، بازدهی کلکتور را کاهش خواهد داد. یک سطح کاملاً صیقلی کروم کمترین میزان از اشعه مادون قرمز را منتشر می سازد. البته اگر این سطح، سیاه نباشد، مقدار جذب انرژی در آن بسیار جزئی خواهد بود. سطوح انتخابی، این دو مقوله را با یکدیگر ترکیب میکنند جذب بالا و انتشار پایین این سطوح از حدود دهه پنجاه در بسیاری از کلکتورهای صفحه تخت مورد استفاده قرار گرفته اند. عملکرد عالی این سطوح، ارزش هزینه اضافی آنها را دارد خصوصاً در هوای سرد که اتلاف گرمای تابشی بیشتر است.
اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید در دوره های تاسیسات مکانیکی شرکت کنید.
