کاربرد انرژي خورشيدي در ساختمان ها
کاربرد انرژي خورشيدي در ساختمان ها
کاربرد انرژي خورشيدي در ساختمان ها
نويسندگان:مهندس فرزاد بيت اللهي (1)، مهندس افشين عابدي (2)
انرژي خورشيدي: منبع بي پايان انرژي خاک
فن آوري، ساده، آلوده نشدن هوا و محيط زيست و از همه مهم تر ذخيره شدن سوخت هاي فسيلي براي آيندگان، يا تبديل آن ها به مواد و مصنوعات پُر ارزش با استفاده از تکنيک پتروشيمي، از عمده دلايلي هستند که لزوم استفاده از انرژي خورشيدي را براي کشور ما آشکار مي سازد. در متن پيش رو به بررسي وضعيت کنوني انرژي در ايران و جهان و آشنايي با برخي از راه هاي بهره گيري از انرژي خورشيدي مي پردازيم.
وضعيت انرژي در ايران و جهان و لزوم توجه بيش تر به انرژي هاي تجديدپذير
از سوي ديگر در گذشته توانمندي گردآوري هاي خورشيدي در اتحاديه ي اروپايي دست کم گرفته مي شد. طبق سند موسوم به "ورق سبز"، گزارش عرضه ي انرژي در اتحاديه ي اروپايي چاپ سال 2000، مصرف انرژي در بخش ساختمان 40 درصد کل مصرف را تشکيل مي دهد و آژانس بين المللي انرژي IEA مي گويد 75 درصد انرژي مصرفي بخش ساختمان براي گرم کردن آب و فضا مورد استفاده قرار مي گيرد. از سوي ديگر بنا به گزارش انرژي براي آينده ي منابع تجديدپذير انرژي چاپ 1997 هماهنگ با برگه ي سفيد اتحاديه ي اروپايي سهم انرژي خورشيدي تا سال 2010 بايد بيش از ده برابر شود و به رشد 18/1 درصدي برسد. به رغم اين پيش زمينه، سياست اتحاديه ي اروپايي و کمسيون اروپا اينک شاهد استفاده ي فشرده از انرژي حرارتي خورشيدي به عنوان بخشي مهم از تأمين نياز گرمايش در آينده است. براي رسيدن به اين هدف ميانگين رشدي به ميزان 35 درصد در سال مورد نياز است و واضح است که تغيير شرايط سياسي براي انرژي حرارتي خورشيدي جهت دستيابي به هدف سال 2010 پيش نياز فوري است و سياست تأمين مالي براي توسعه ي بازار سيستم هاي حرارتي خورشيدي نقش مهمي ايفا مي کند. به خصوص که اين سيستم ها بازاري نوين و جايگزين انواع سنتي خواهد بود که براي اشاعه ي آن بايد امتيازهاي مالي ويژه اي جهت نوسازي سيستم هاي گرمايشي و آب گرم در نظر گرفته شود. گفتني است يارانه هايي براي خريداري سيستم هاي خورشيدي و امتيازهاي مالياتي در تمام کشورهاي اتحاديه اروپايي به صورت استاندارد وجود دارد که در توسعه يافته ترين اين بازارها نظير آلمان و اتريش از ابزارهاي مختلفي براي سطوح گوناگون استفاده مي کنند و در مقابل کشورهاي توسعه نيافته اي نيز وجود دارند که اغلب فاقد منابع مالي در سطح منطقه اي و محلي، و در اين زمينه با مشکلاتي مواجه هستند.
گذشته از آنچه گفته شد و به رغم تفاوت در سياست هاي تأمين مالي، روند فزاينده ي سياست هاي تأمين مالي در اتحاديه ي اروپايي وجود دارد که از جمله مي توان به کاهش ماليات ارزش افزوده ي سيستم هاي جديد نظير طرح خورشيدي گرمايشي اروپا و يا طرح تامين مالي شده از سوي اتحاديه به نام SDARKEY MARK با هدف دستيابي به شبکه ي واحد اروپايي و يکپارچه سازي بازاريابي، آموزش و ارتقاي کيفيت و استانداردهاي فن آوري حرارت خورشيدي در دست اجرا قرار گرفته است.
سيستم هاي گرما خورشيدي
انفعالي (PASSIVE) و فعال (ACTIVE).
يک سيستم گرم کننده انفعالي (غيرفعال) سييستمي است که در آن گرمايش ساختمان به طور طبيعي و با استفاده از عوامل طبيعي مثل خورشيد انجام گ يرد. به اين معني که چنين سيستمي اين امکان را فراهم مي سازد که ساختمان بدون نياز به انرژي فسيلي يا مصنوعي خارجي، و حداکثر با مصرف انرژي بسيار کمي کار کند.
روش هاي متعددي در زمينه ي استفاده از ان رژي خورشيدي به صورت غيرفعال وجود دارد که متداول ترين آن ها عبارتند از:
1- روش دريافت مستقيم 2- روش گلخانه اي (گرم خانه) 3- ديوار ترومب و ديوار آبي 4- استخر يا حوضچه روي بام 5- هواکش حرارتي (برج هوا)
1- روش دريافت مستقيم
2- روش گل خانه اي (گرم خانه)
3- ديوار ترومب و ديوار آبي
در صورتي که ديوار ذخيره کننده حرارت دادن دريچه هايي در بالا و پايين باشد در ايام روز، هواي گرماي بين پنجره و ديوار آب، با استفاده از حالت ترموسيفون از دريچه بالا وارد اطاق مي شود و هواي سرد اطاق از دريچه ي پايين براي گرم شدن به طرف فضاي گرم حرکت مي کند. در شب نيز تبادل حرارت بين ديوار گرم و هواي اطاق برقرار مي شود. حرکت هوا و انتقال گرما در ساختمان هاي خورشيدي انفعالي به صورت طبيعي و بدون استفاده از پنکه يا ونيلاتور صورت مي گيرد، زيرا که سيالات در اثر گرم شدن سبک تر شده و به طرف بالا حرکت مي کنن و جابه جايي هوا باعث انتقال حرارت مي شود.
4- استخر يا حوض چه ي روي بام
در اين سيستم از روش هاي طبيعي، براي گرم کردن و سرد کردن ساختمان استفاده مي شود. اين سيستم براي شرايط اقليمي گرم و خشک بسيار نامناسب است. بنابراين مسئله ي خنک کر دن ساختمان در تابستان خواسته اصلي طرح مي باشد.
5- هواکش حرارتي (برج هوا)
در مناطق گرم و خشک که اهميت سرمايش ساختمان ها بيش از حد مورد توجه است، طراحي و تعبيه برج هوا (Wind Tower) براي تهويه ي هواي طبيعي ساختمان، مي تواند بسيار مفيد باشد.
شايان ذکر است مزاياي اصلي اين روش ها، سادگي آن هاست ولي عيب اصلي در اين است که تأثير حرارتي عناصر جمع آوري و ذخيره کننده به راحتي قابل کنترل نيست و ممکن است در ايام بعد ازظهر مقدار گرماي خورشيدي بيش تر از مورد احتياج توليد و توزيع شود و باعث ناراحتي ساکنان گردد.
گرمايش خورشيدي فعال (مکانيکي) ACTIVE SOLAR HEATING
همان گونه که يک بويلر عنصري اساسي در سيستم هاي گرمايش محسوب مي شود، کلکتور خورشيدي که خورشيد منبع گرمايي آن است، عنصر اصلي در يک سيستم خورشيدي فعال است. در اين ميان اجزاي مهم نوع کلکتور، سيستم ذخيره سازي و در پي آن يک سيستم مناسب توزيع گرماست. علاوه بر اين سه بخش اصلي، بايد يک منبع گرمايي کمکي جهت تأمين انرژي به سيستم گرمايشي در مواردي که انرژي خورشيدي نتواند نياز گرمايي را برآورده سازد به کار مي رود. همچنين پمپ ها، دمنده ها، ترموستات ها، شيرآلات، دمپرهاي موتوردار و وسايل الکتريکي براي به کار انداختن و کنترل و بهره برداري از سيستم نيز وجود دارند.
سيستم هاي تهيه ي آب گرم خورشيدي براي مصرف
سيستم مذکور با آب سرد پُر مي شود و آب داخل لوله هاي گردآور، هنگامي که خورشيد روي سطح گردآور مي تابد به تدريج گرم مي شود و به کندي به طرف مخزن ذخيره جريان مي يابد. آب سرد مخزن نيز از طريق لوله ي ديگر به طرف قسمت پايين گردآور جريان مي يابد و تا زماني که تابش خورشيدي براي گرم کردن آب کفايت مي کند، اين عمل ادامه مي يابد. توجه داشته باشيد که مقطع گردآور نيز به طور جداگانه در شکل نمايش داده شده است.
در پايان يک روز آفتابي، آزمايش روي آب گرم کن فوق نشان داده است که مخزن در زمستان داراي آب 49 درجه ي سانتيگراد و در تابستان دماي آب به 74 درجه ي سانتيگراد رسيده است. در صورتي که سطح گردآور برابر با 1/5 الي 2 مترمربع باشد و ظرفيت مخزن بين 40 تا 60 گالن انتخاب شود، اين آب گرم کن مي تواند جواب گوي نياز آب گرم مصرفي يک خانواده 3 الي 5 نفري باشد. در مورد استفاده از آب گرم کن هاي ترموسيفوني اقدامات احتياطي ضروري مي باشد، زيرا با وجود بالا بودن سطح مخزن ذخيره، امکان جريان معکوس سيال از مخزن به گردآور در شب هاي سرد وجود دارد. همچنين گردآورهايي که با پوششي از يک لايه ي شيشه ساخته شده باشند، امکان يخ زدن در هواي سرد وجود دارد که اقداماتي براي جلوگيري از اين دو مورد بايد صورت گيرد.
ذخيره سازي انرژي براي ساعاتي از شبانه روز که دسترسي به خورشيد وجود ندارد، از ضرورت هاي سيستم هاي خورشيدي است. در آب گرم کن هاي خورشيدي از مخازن ذخيره ي آب گرم استفاده مي شود و انرژي حرارتي را براي مصارف مختلف جمع آوري و ذخيره مي کنند. مخازن ذخيره معمولاً براي ظرفيت يک تا دو روز مصرف آب گرم طراحي مي شوند. درجه حرارت آب گرم براي مصرف در حمام حدود 40 تا 45 درجه و براي شست و شوي لباس به علت وجود مواد پاک کننده، معادل 60 درجه ي سانتيگراد مناسب است. مخزن ذخيره ي آب گرم را مي توان به طور افقي و يا قائم نصب کرد.
معمولاً يک کويل الکتريکي براي مواقعي که انرژي خورشيدي به گردآور نمي رسد، جهت ايجاد حرارت در روي مخازن ذخيره ي آب گرم نصب مي گردد. اين سيستم بايد مجهز به يک شير فشارشکن نيز باشد.
آب گرم کن خورشيدي در حالت ترموسيفون (جريان طبيعي)، اين محدوديت را دارد که مخزن ذخيره حتماً بايد بالاتر از گردآور نصب شود. اما اگر به هر علت اين امر امکان پذير نباشد، مي توان مخزن را در محل مناسب محل پايين تر از گردآور نصب نمود و براي جريان دادن آب بين گردآور و مخزن ذخيره از يک پمپ جرياني (سيرکولاتور) استفاده کرد. در اين حالت سيستم آب گرم کن خورشيدي را سيستم اجباري مي گويند. ناگفته نماند که پمپ و کنترل قطع و وصل آن، هزينه ي اين نوع آب گرم کن را افزايش مي دهد و علاوه بر آن، لزوم انرژي الکتريکي در محل، و افزايش هزينه هاي جاري، ترموستاتي است که با افزايش دماي آب گردآور، پمپ را به کار مي اندازد و باعث جريان آب بين گردآور و مخزن ذخيره ي آب گرم کن خورشيدي مي گردد.
معمولاً در سيستم هاي اجباري مخازن ذخيره ي آب گرم از نوع مخزن دو جداره و يا کويلي است. از مزاياي اين سيستم آن است که آب گرم کننده که در گردآور و جدار خارجي مخزن ذخيره گردش مي کند، هرگز با آب گرم مصرفي مخلوط نمي شود و به راحتي مي توان آب گرم کننده را آب خالص و يا سيال واسطه ي ديگري که دماي انجماد آن پايين است و گرماي ويژه ي بالايي دارد، انتخاب کرد. پمپ هايي که در اين سيستم ها به کار گرفته مي شوند بايد قادر باشند سيال جرياني را در تمامي سيستم به جريان بيندازند.
در سيستم هاي باز قدرت پمپ برابر است با مجموع اصطکاک داخل لوله ها و اختلاف ارتفاع بين گردآور و مخزن ذخيره، در صورتي که در سيستم هاي بسته قدرت پمپ تنها برابر است با مجموعه ي اصطکاک داخلي لوله ها.
در بعضي از سيستم هاي آب گرم کن خورشيدي معمولاً از يک مخزن اضافي به نام مخزن اوليه (PREHEATER) استفاده مي شود. در اين آب گرم کن مخلوط ضد يخ و آب در مداري است که شامل جدار خارجي مخزن اوليه، پمپ، گردآور و منبع انبساط مي باشد. آب سرد به قسمت پايين مخزن اوليه وارد، و آب گرم از قسمت بالا خارج مي شود.
در قسمت خروجي آب گرم، شير کنترلي وجود دارد و در صورتي که در درجه ي حرارت آب گرم خروجي بالاتر از 50 درجه ي سانتيگراد باشد. نسبت حجم مخزن اوليه به مخزن دوم قابل تغيير است. براي مثال، اگر تانک اوليه در حدود 300 تا 500 ليتر ظرفيت داشته باشد حجم تانک ثانويه در حدود 120 تا 200 ليتر خواهد بود که البته به سطح گردآور نيز بستگي خواهد داشت. به منظور ايجاد يک دبي يکنواخت و همگون در گردآوري معمولاً دو روش مرسوم است که به نام روش جريان معکوس و روش جريان موازي ناميده مي شوند. در جريان معکوس مقاومت در گردآور سمت چپ کم تر است و بيش از 50 درصد دبي را حمل مي کند، ولي در جريان موازي مقاومت ها در هر دو گردآور يکي است و لوله کشي بيش تري مورد نياز است.
سيستم کنترل آب گرم کن ها توسط ترموستات مقايسه اي عمل مي کند. به اين ترتيب وقتي که اختلاف درجه حرارت بين گردآور و مخزن (TC-TS) در حدود 60 درجه ي سانتيگراد باشد ترموستات پمپ را روشن مي کند و سيال جريان مي يابد. پمپ تا زماني کار مي کند که (TC-TS) به حدود 2 درجه ي سانتيگراد برسد که در اين حالت ترموستات پمپ را خاموش مي کند.
آب گرم کن هاي نوع ترموسيفوني و پمپي با يک يا چند گردآور که داراي يک يا دو مخزن ذخيره باشند، هر يک کاربرد خاصي دارند و استفاده از سيستم هاي فوق بستگي کامل به شرايط محيط، محاسبات اقتصادي و سطح تکنولوژي موجود در منطقه خواهد داشت، ولي براي روستاهاي داراي آفتاب مناسب، سيستم هاي ترموسيفوني با مخازن عايق شده توصيه مي شوند.
راه کارهاي ارائه شده به منظور اقتصادي کردن پروژه هاي انرژي خورشيدي
1- ارتقاي سطح علمي و تحقيقاتي در زمينه ي انرژي هاي نو و به ويژه خورشيدي در دانشگاه ها و مراکز علمي و توليد فن آوري هاي لازم در اين راستا.
2- اشاعه ي فرهنگ استفاده از انرژي هاي نو و از جمله خورشيدي، معرفي آن ها از طريق رسانه ها و ارائه ي الگوي مناسب در اين زمينه ها.
3- در نظر گيري سياست هاي تشويقي و مالي مناسب در اين جهت از طرف دولت به منظور روي آوردن به استفاده از سيستم هاي گرمايش خورشيدي نظير يارانه هاي مناسب و کارا.
4- ارائه ي تجهيزات رايگان گردآوري انرژي خورشيدي در مناطقي که ارائه ي خدمات گازرساني و يا برق رساني مقرون به صرفه نيست.
5- در نظر گيري بهاي واقعي سوخت هايي از جمله گاز طبيعي و اختصاص يارانه آن به تحقيقات در جهت بهينه سازي کيفت، وسايل و تجهيزات در بخش انرژي هاي تجديدپذير و همچنين تجديدناپذير.
6- ايجاد و گسترش ساختارهاي زيربنايي جهت افزايش توليد تجهيزات گردآوري انرژي خورشيدي و کاهش هزينه هاي تمام شده توليد اين تجهيزات.
اميد است با ارائه ي اين راه کارها و در عين حال در نظر داشتن مزاياي جانبي حاصل از استفاده اين سيستم ها، که در بالا به آن ها اشاره شد، به تأمين سهمي از انرژي مورد نياز کشور نايل آييم.
پينوشتها:
1- مهندس تأسيسات، دانشگاه آزاد اسلامي شهر مجلسي، Farzad909_beitollahi@yahoo.com
2- کارشناس ارشد مهندسي مکانيک، تبديل انرژي، دانشگاه صنعتي اصفهان، رييس دانشکده ي مکانيک و عضو هيات علمي دانشگاه آزاد اسلامي شهر مجلسي AfshinA197@gmail.com
* حاجي سقطي، اصغر، «اصول و کاربرد انرژي خورشيدي»، مرکز انتشارات دانشگاه علم و صنعت ايران،
* ماهنامه بولتن بين الملل، 1383.
دانش نما شماره پياپي
166-165
/ج
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}