ساختار و عملکرد سیستم آبگرمکن خورشیدی - مهندسی و مدیریت انرژی دستگاههای تهویه مطبوع پایپینگ

*بزرگترین کشف نسل امروز این است که انسان می تواند با تغییر ذهنیت خود، زندگی خود را تغییر دهد.ویلیام جیمز*

*موفقیت خیلی دور نیست ،کافی است چشمانمان را باز کنیم*

خورشید سرمنشاء انرژی است ،انرژی خورشیدی عظیم ترین منبع انرژی در جهان می باشد. این انرژی پاک، ارزان و بی پایان بوده و در تمام مناطق کشورمان و جهان قابل مصرف می باشد. آبگرمکن های خورشیدی از طریق جذب انرژی خورشید توسط صفحات جاذب ( کلکتور ) خود عمل می نمایند و راندمان گرمایشی آنها برحسب نوع کلکتور آنها متفاوت می باشد. آبگرم، در تمام ساعات شبانه روز یعنی در شبها و روزهای ابری، در مخزن دوجداره و عایق حرارتی که دمای آب را تا سه روز بدون تغییر حفظ می کند، نگهداری می شود. با استفاده از این سیستم می توان هزینه های مصرف گاز – گازوئیل و برق را بطور چشمگیری کاهش داد.(دیگر نگران هزینه ی قبوض خود نباشید!)

همچنین هزینه های نگهداری و تعمیرات این سیستمها بسیار پائین و در حد صفر است زیرا هیچ قطعه متحرکی نداشته و طول عمر کارکرد سیستمها با کیفیت فنی بالا تا 20 سال می رسد. باتوجه به ظرفیت بالقوه کشورمان از نظر انرژی خورشیدی و تعداد ساعات آفتابی بالایی که در بسیاری از نقاط کشور داریم، همچنین مشکلات زیست محیطی و هزینه بالای سوختهای فسیلی، لازم است تا از این فناوری روز دنیا بهره مند شویم.

آ بگرمکن خانگی خورشیدی

جالب است بدانید که گرمایش آب و فضا مجموعاً بیش از 80% انرژی را در ساختمان‌ها مصرف می‌کند و بنابراین بیش از یک سوم کل انرژی مصرفی جهان در جهت گرمایش مصرف می‌شود. از این میان گرمایش آب به طور متوسط 20 تا 30 درصد کل انرژی مصرفی در خانه را مصرف می‌کند.بنابراین با استفاده از آبگرمکن خورشیدی می‌توان سالیانه 70% انرژی مورد نیاز برای گرمایش آب را تامین کرد.

بخش اصلی یک آبگرمکن خورشیدی کلکتور آن است که خود شامل یک ورق است که به‌وسیله تابش کلی خورشید حرارت یافته و حرارت خود را به یک سیال جذب کننده (مانند آب ) که داخل لوله در حال جریان است، منتقل می‌کند. رنگ این ورق همیشه تیره انتخاب می‌شود و دارای پوشش خاصی است که بتواند ضریب جذب انرژی را به حداکثر و ضریب پخش را به حداقل برساند. برای رسیدن به دمای بالا، مجموعه ورق و لوله‌ها را در داخل یک جعبه عایق با روکش شیشه قرار می‌دهند تا از اثر گلخانه‌ای بتوان استفاده کرد.

آبی که با این روش گرم می‌شود، بر اثر اختلاف دما و با گردش طبیعی وارد یک تانک دوجداره شده و آب مخزن را گرم می‌کند. این آب گرم شده یا به طور مستقیم به مصرف گرمایش خانوار می‌رسد و یا توسط یک مبدل حرارتی دمای آب مصرفی خانواده را افزایش می‌دهد. شکل زیر طرح ساده ای از این آبگرمکن را نشان می‌دهد:

نواع کلکتورهای خورشیدی

کلکتور‌های تخت Flat-plate collectors

این کلکتور ساده‌ترین و پر استفاده‌ترین نوع کلکتور به‌شمار می‌رود. ساختار آن به شکل یک جعبه مستطیل شکل بوده که در داخل آن یک صفحه جاذب فلزی از جنس مس یا آلومینیوم با پوششی به رنگ‌های خاص است. این صفحه، جاذب انرژی حرارتی خورشید است. در زیر صفحه، لوله‌های کوچکی قرار گرفته که آب یا سیال انتقال حرارت در آن‌ها جریان دارد. اطراف کلکتور به منظور کاهش اتلاف حرارتی عایق بندی شده است. روی سطح جعبه نیز از پلاستیک شفاف یا شیشه پوشیده شده است.

کلکتورهای تحت خلا Evacuated-tube collectors

این کلکتور از تعدادی لوله دو جداره شفاف موازی تشکیل شده است که در داخل آن یک تیوب با پوششی از ماده جاذب قرار دارد. هوا از فضای بین دو جداره خارج گردیده وخلا ایجاد شده از اتلاف حرارت جلوگیری می‌کند. مزیت این نوع کلکتور توانایی در ایجاد دمای بالاتر می‌باشد.

کلکتورهای سهموی Concentrating collectors

این کلکتور‌ها سطح آینه ای داشته و برای تجمع انرژی خورشیدی بر روی تیوب جاذب که شامل سیال انتقال حرارت است، به‌کار می‌رود.

ساختار یا ساختمان آب گرمکن خورشیدی

ساده‌ترین آب گرمکن خورشیدی از یک گردآور تخت (کلکتور) و یک مخزن ذخیره آب تشکیل شده است. شرایط لازم نصب این آب گرمکن آن است که قسمت فوقانی گرد آور پایین‌تر از قسمت تحتانی مخزن ذخیره قرار گیرد و حداقل انحراف گرد آور نسبت به سطح افق ، در حدود 20 درجه رو به جنوب انتخاب شود.

طرز کار

ابتدا مخزن آب گرم با آب سرد پر می‌شود و آب داخل لوله‌های گردآور ، هنگامی که خورشید روی سطح گرد آور می‌تابد به تدریج گرم شده و به کندی به طرف مخزن از طرف بالا ذخیره می‌شود، آب سرد مخزن نیز از طریق لوله دیگربه طرف قسمت پایین گردآور جریان یافته تا زمانی که تابش خورشیدی برای گرم کردن آب کفایت کند، این عمل ادامه می‌یابد

اجزاء آبگرمکن خورشیدی

یک آبگرمکن خورشیدی از اجزاء زیر تشکیل شده است:

1- گردآورنده 2- مخزن ذخیره 3- مبدل گرمایی 4- کنترل کننده های اتوماتیک 5- پمپ، لوله ها شیرآلات و اتصالات

آبگرمکن های خورشیدی پمپدار

این دستگاه یک آبگرمکن خورشیدی پمپدار است که به عنوان جبران ساز قابلیت استفاده از سوخت گاز را دارا می باشد. در این آبگرمکن، مخزن ذخیره در پائین و در داخل ساختمان قرار میگیرد و بر روی بام تنها کلکتورهای خورشیدی نصب می شوند.

مهمترین ویژگیهای آن به صورت زیر است:

مخزن دوطبقه

مخزن این آبگرمکن به صورت دو طبقه است که در طبقه اول (مخزن خورشیدی) یک مخزن دوجداره و در طبقه دوم (مخزن گازی) یک مخزن تک جداره دودکش دار قرار دارد. جداره دوم مخزن خورشیدی به وسیله لوله های ارتباطی با یک یا دو عدد کلکتور که در بالای ساختمان نصب می شود مرتبط می گردد و به وسیله یک پمپ سیرکولاتور کوچک، سیال عامل مابین کلکتورها و جدره دوم مخزن به گردش در می آید. این دو مخزن به وسیله لوله های رابط به یکدیگر متصل میباشند.

سیستم جبران ساز (کمکی)

در این آبگرمکن، علاوه بر المنت برقی، در فضای مابین دو مخزن یک مشعل گازی کوچک قرار داده شده است. آب سرد از شبکه لوله کشی شهری ابتدا به مخزن خورشیدی وارد شده و در مجاورت جدار متصل به کلکتورها گرم می شود. هنگام خروج آب گرم از مخزن به مصرف، آب از مخزن خورشیدی بوسیله لوله های ارتباطی وارد مخزن گازی می شود. در این حالت در صورتیکه دمای آب ورودی به مخزن گازی به اندازه کافی توسط بخش خورشیدی گرم شده باشد، سنسور مشعل گازی را گرم نگه داشته و گاز روشن نمیشود. اما در صورت کمبود دمای آب ورودی از قسمت خورشیدی، مشعل گازی به صورت اتوماتیک روشن شده و کمبود دمای مورد نیاز را جبران می نماید.

سیستم تخلیه (بدون نیاز به ضدیخ و منبع انبساط)

سیال عامل در این محصول آب است. در داخل مخزن خورشیدی یک مخزن مخفی به عنوان مخزن تخلیه تعبیه شده است. آب گردش کننده در کلکتورها در داخل این مخزن قراردارد. در زمانیکه پمپ آب با فرمان کنترلر روشن میشود، بخشی از آب مخزن تخلیه به داخل کلکتورها پمپ شده و پس از عبور جداره دوم مخزن، دوباره به مخزن تخلیه باز می گردد. در زمانیکه گردش پمپ با فرمان کنترلر قطع می شود، آب موجود در کلکتورها به صورت ثقلی به داخل مخزن تخلیه باز می گردد و کلکتورهاخالی از آب می شوند. لذا در زمستانها نیازی به ضد یخ نیست و در تابستانها هم سیستم جوش نمی آورد.

ویژگی و مزایا

*حذف بار مخزن از روی پشت بام

*طول عمر بیشتر و اتلاف دمای کمتر

*کارآیی بالا

*زیبایی بیتشر ساختمان (فقط کلکتور بر روی بام است )

*قابلیت استفاده از سیستم جبران ساز گازی

*عدم نیاز به ضد یخ و منبع انبساط

آبگرمکن های خورشیدی ترموسیفونی

اصل ترموسیفون حرارتی

در یک سیکل بسته از سیال، درصورتیکه قسمتی از مدار که در ارتفاع پائینتر قراردارد گرمتر از قسمت بالاتر باشد، به دلیل اینکه چگالی کمتری دارد به سمت بالا حرکت میکند و تداوم این اختلاف دما و ارتفاع، باعث ایجاد جریان سیال در این مدار می شود و سیال به صورت طبیعی و بدون نیاز به پمپ به گردش در می آید. به این نوع جریان سیال، جریان ترموسیفونی می گویند.

از اصل ترموسیفون حرارتی، در آبگرمکن های خورشیدی استفاده می شود. بدین نحو که یک مخزن دوجداره ذخیره آب را در بالای کلکتور خورشیدی قرارداده و مابین جدار دوم مخزن ذخیره و لوله های کلکتور خورشیدی یک مدار بسته تشکیل می شود. با تابش خورشید بر روی سطح کلکتور خورشیدی، سیال داخل آن گرم شده و جریان ترموسیفونی مابین کلکتور و مخزن برقرار می شود. گردش آب گرم در جداره دوم مخزن سبب گرم شدن آب داخل مخزن اصلی می گردد و آب گرم با فشار در شبکه جاری می گردد.

حرکت ترموسیفون تا زمانی که انرژی خورشید موجود باشد ادامه دارد. این حرکت با افول خورشید متوقف می شود.

عایق

مخزن ذخیره در آبگرمکن های ترموسیفونی باید به خوبی عایق شود تا در طول شب، آب گرم ذخیره شده در آن گرم بماند. همچنین لوله های ارتباطی مابین مخزن و کلکتور نیز باید به خوبی عایق شوند.

ضدیخ

در شرایط آب و هوایی سردسیر که روزهایی از سال دمای هوا زیر صفر میرود، باید برای جلوگیری از یخ زدگی در سیکل بسته کلکتورها از ضدیخ مناسب استفاده نمود.

سیستم جبران ساز

آبگرمکن های خورشیدی به منظور جبران کمبود احتمالی انرژی خورشید، باید دارای یک سیستم جبران ساز باشند. سیستم جبران ساز در آبگرمکن های خورشیدی ترموسیفونی یک المنت برقی است که در داخل مخزن اصلی قرار دارد و در مواقع مورد نیاز به صورت اتوماتیک روشن میشود. این المنت برقی دارای یک ترموستات است که میتوان دمای دلخواه را توسط آن تنظیم کرد..

ویژگی ها و مزایای این نوع آبگرمکن ها

ساختار ساده و نصب راحت و سریع

کارآیی بالا با سهم خورشیدی روزانه به طور متوسط 60% دارای المنت برقی با تنظیم دمای دلخواه

این سیستمها به دو دسته مدار باز و بسته تقسیم می شوند. در سیستم مدار باز ( سیستم مستقیم ) آب به صورت مستقیم در میان گردآورنده جاری می باشد. این سیستم بسیار ساده، کارا و قابل اطمینان بوده ولی در شرایط آب و هوایی سرد و دماهای زیر صفر درجه کارایی خوبی ندارد، و یخ زدن آب داخل لوله ها ممکن است منجر به پارگی آنها شود. در سیستمهای مدار بسته ( غیر مستقیم ) معمولا سیالی غیر از آب که نقطه انجماد پایین تری دارد ( مانند مخلوط پروپیلن گلایکول و آب ) بکار گرفته می شود.

این سیستمها دو چرخه جداگانه دارند که از طریق یک مبدل گرمایی به یکدیگر متصل شده اند، و این مبدل گرما را از سیال داخل گردآورنده به آب مصرفی منزل منتقل می کند.

مزایای رقابتی آبگرمکن های خورشیدی

امروزه کیفیت و کارایی برتر سیستم های آبگرمکن خورشیدی براساس میزان قدرت جذب انرژی تابشی وهمچنین مقدار سطح اتصال ورقه های جاذب و لوله های متصل به آنها سنجیده می شود.

*کارایی بالای کلکتورهای خورشیدی

*راندمان بالای کل سیستم آبگرمکن های خورشیدی

*حداقل اتلاف حرارتی در کل سیستم

*تامین آب گرم متوسط 60 درجه سانتیگراد و بالاتر (در صورت نیاز مشتری)

* استفاده از عایق های حرارتی مناسب و مرغوب

*استفاده از المنت برقی جهت گرم کردن آب در روزهای ابری کامل

*امکان طراحی مطابق با انواع ساختمانهای مهندسی ساز

*قابلیت طراحی بهینه توسط نرم افزارهای کامپیوتری

*مقاومت کامل در برابر خوردگی

*داشتن گارانتی برای کل سیستم

دلایل استفاده از سیستم های خورشیدی

*انرژی پاک، ارزان، قابل دسترسی، پایان ناپذیر و ذخیره منابع انرژی تجدیدناپذیر