منبع:ماهنامه خانه تاسیسات – شماره ۶ – تیر ماه ۱۳۹۲
استفاده از این مقاله با ذکر منبع مجاز است.
در این مقاله تجربه میدانی خود را در زمینه صنعت گرمایش خورشیدی۱ در اختیار افرادی می‌گذاریم که به دنبال روش‌های بهتری برای به‌کارگیری فناوری خورشیدی در طراحی سیستم‌های گرمایشی هستند. این مقاله به بررسی کاربری‌هایی می‌پردازد که می‌توان با استفاده از آن‌ها، آب گرم تولیدی توسط کلکتور خورشیدی۲ را با استفاده از یک سیستم لوله‌کشی و شیوه‌های کنترلی ساده به کار گرفت. اطلاعات ارائه شده در این مقاله مبتنی بر تجربیات مرتبط با بیش از صد سیستم ترکیبی گرمایش هیدرونیک – سیستم خورشیدی نصب شده و در حال اجرا طی پنج تا شش سال گذشته است. پس از این که طراح سیستم گرمایش خورشیدی بر ملاحظات مرتبط با آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی تسلط پیدا کرد، اولین گام آشنایی کامل با سیستم‌های ترکیبی خورشیدی است. در این سیستم‌ها لوله‌های کلکتور بزرگ‌تر شده و گرما برای کاربردهای متنوع و نه تنها یک مخزن آب تامین و توزیع می‌شود. در یک سیستم ترکیبی، مجموعه بزرگی از کلکتورها می‌توانند گرمای مورد نیاز برای گرمایش فضا، آب گرم مصرفی و سایر مصارف مانند پیش‌گرمایش آب دیگ، تامین آب گرم استخر، سیستم ذوب برف و سیستم ذخیره گرما را فراهم می‌کنند.
تمرکز مباحث این مقاله بر سیستم‌های خورشیدی ترکیبی گلیکولی مدار بسته – هیدرونیک با مدار بسته بوده است چرا که این سیستم‌ها با اکثر شرایط و کاربری‌ها سازگاری بالایی داشته و محدودیت‌های کمتری دارند. نکته دیگر آن که به‌کارگیری یک روش استاندارد برای طراحی، نصب و کنترل سیستم‌های ترکیبی خورشیدی می‌تواند تا حد زیادی سرعت و اعتبار چنین راه‌کارهایی را نزد کارفرمایان افزایش دهد.
علت انتخاب سیستم‌های گرمایش خورشیدی فعال چیست؟
سیستم‌های گرمایش خورشیدی سازگاری خوبی با دیگ‌های آب گرم، رادیاتورها، آب گرم مصرفی و سیستم‌های گرمایش از کف دارند. تجهیزات خورشیدی و سیستم‌های متداول مطابق قواعد مشابهی کار کرده، از دبی و فشار سیال یکسانی استفاده کرده و دامنه دمایی سازگاری دارند. در اکثر مواردی که قرار است از سیستم گرمایش خورشیدی استفاده شود، نیازی نیست تا روش‌های متداول اجرای ساختمان را نسبت به سیستم‌های گرمایشی متداول تغییر داد. کلکتورهای خورشیدی مداربسته را می‌توان به روش‌های مختلفی از جمله زمینی، سقفی یا دیواری نصب کرد، به این ترتیب کاربری آن‌ها انعطاف‌پذیر خواهد بود و بدون نیاز به اعمال تغییرات اساسی با ساختمان‌های موجود و جدید سازگار می‌شوند. علاوه بر آن، سیستم‌های گرمایش خورشیدی مشابه سیستم‌های هیدرونیک متداول اجرا و نگهداری می‌شوند و در نتیجه این سیستم‌ها با توانایی افرادی که سیستم‌های هیدرونیک متداول را نصب می‌کنند سازگار خواهند بود.
فرصت‌های موجود برای گرمایش خورشیدی
در ایالات متحده سالانه هزاران دیگ آب گرم نصب می‌شود. حتی اگر بخش بسیار کوچکی از این دیگ‌ها از کلکتورهای خورشیدی حتی به عنوان سیستم مکمل استفاده کنند، سالانه هزاران فرصت شغلی در زمینه سیستم‌های خورشیدی فراهم می‌شود. علاوه بر این، حجم عظیمی از سیستم‌های هیدرونیک نصب شده طی بیست سال گذشته موقعیت مناسبی را برای به‌روز رسانی و افزودن سیستم گرمایش خورشیدی ارائه می‌کنند. در چنین ساختمان‌هایی می‌توان از سیستم‌های خورشیدی برای بهینه‌سازی مصرف انرژی استفاده کرد.
شکل (۱) نمونه‌ای از سردرگمی و بی نظمی در اجرا توسط پیمانکار (سمت چپ) و نمونه‌ای منظم و استاندارد (سمت راست)
فرآیند طراحی سیستم‌های گرمایش خورشیدی
هنگامی که طراحان درباره افزودن کلکتورهای خورشیدی به یک پروژه کوچک فکر می‌کنند، همواره فرآیند ذهنی مشابهی را پی می‌گیرند. ابتدا به یک آب‌گرم‌کن خورشیدی با یک یا دو کلکتور فکر می‌کنند. سپس امکان اتصال بخشی از سیستم گرمایش از یا سایر نقاطی که به گرمایش نیاز دارند را ارزیابی می‌کنند. اگر این امکان وجود داشته باشد، افزودن چند کلکتور اضافی ارزش خواهد داشت. به عبارت دیگر فرآیند طراحی سیستم خورشیدی تا حد زیادی قابل پیش‌بینی بوده و شامل موارد ذیل می‌باشد:
- طراحی و اجرای کلکتورهای خورشیدی
- طراحی و اجرای مخزن ذخیره آب گرم
- اتصال سیستم خورشیدی به سیستم گرمایش از کف
- طراحی و اجرای رادیاتورها در کنار سیستم خورشیدی
- نیازسنجی استفاده از یک دیگ با سوخت متداول یا سایر منابع گرمایی مورد نیاز
- ارزیابی سایر منابع گرمایی مانند یک کوره هیزمی یا گرمای اتلافی از یک ژنراتور برق
- امکان سنجی برای تامین آب گرم استخر با استفاده از سیستم گرمایش خورشیدی
ملاحظات طراحی سیستم‌های خورشیدی ترکیبی
به طور کلی برای طراحی سیستم‌های گرمایشی مولدهای گرما و بارهای گرمایی را می‌توان به روش‌های مختلفی به یکدیگر متصل کرد. یکی از سیستم‌های متداول پیشنهادی برای مناطق واقع در آمریکای شمالی موارد ذیل را شامل می‌شود:
کلکتور خورشیدی
- دیگ آب گرم با سوخت گاز طبیعی یا پروپان
- آب‌گرم‌کن خانگی با مبدل حرارتی و مخزن ذخیره داخلی
- سیستم گرمایش از کف برای تامین گرمای محیط در بخش‌های مختلف ساختمان
ملاحظه می‌کنید که این مجموعه تنها شامل چهار جز می‌شود؛ دو مولد گرما و دو بار گرمایی. اما اگر همین سیستم را برای اجرا به سه پیمانکار مختلف بسپارید، اغلب سه طرح لوله‌کشی و کابل‌کشی متفاوت خواهید داشت که در هر یک از آن‌ها شیرهای موتوری و پمپ‌ها در قسمت‌های مختلفی بوده و روش‌های کنترل آن‌ها نیز اغلب رمزی است (و یا اصلا وجود ندارد). بنابراین داشتن یک رویکرد مشخص و استاندارد موجب می‌شود تا علاوه بر کارفرما، پیمانکار نیز از سردرگمی رها شود.
در شکل (۱) نمونه‌ای از نصب ناموفق چنین سیستمی نشان داده شده است. در این پروژه چند تامین‌کننده تجهیزات و سه پیمانکار در مراحل مختلف وارد پروژه شدند و تلاش کردند تا سیستم ترکیبی خورشیدی را اجرا کنند. هر یک از آن‌ها ایده متفاوتی درباره کنترل‌ها و اتصالات لوله‌کشی داشت و هر سه نصاب در نهایت گیج شده و کار را رها کردند. نتیجه تلاش آن‌ها یک سیستم گرمایشی ناموفق و لوله‌کشی بسیار نامناسب بود که در سمت چپ این شکل دیده می‌شود.
طراحی و کنترل نامناسب چالش بسیار مهمی برای عملکرد مطلوب تاسیسات مکانیکی به شمار می‌رود. از سوی دیگر، تولیدکنندگان و فروشندگان تجهیزات نیز برای حفظ اعتبار خود، به تمامی راه‌حل‌های احتمالی برای نصب تجهیزات فکر کرده‌اند و گزینه‌ها، پیشنهادها و جایگزین‌های متعددی ارائه می‌کنند تا نصاب سیستم تا حد امکان با محدودیتی رو‌به‌رو نباشد. با این حال چنان که در شکل (۱) نیز نشان داده شد، در برخی موارد این پیشنهادها می‌تواند کاربری سریع و قابل اعتماد سیستم‌های ترکیبی خورشیدی را محدود کند. هر پیکربندی لوله‌کشی پیشنهادی، ترتیب عملکردی و روش کنترلی متفاوتی دارد و نصاب سیستم باید برای عملکرد موفقیت‌آمیز سیستم در درازمدت، پیش از اجرا، طرح پیشنهادی را به خوبی درک کند.
دست‌یابی به راه حلی مناسب برای طراحی سیستم
بیایید برای چند لحظه دست نگه داریم و به این فکر کنیم که قصد داریم با لوله‌کشی سیستم ترکیبی چه کار انجام دهیم؟
در سیستم ترکیبی خورشیدی، مولدهای گرمایی مختلفی وجود دارند که بارهای گرمایی مختلف را تامین می‌کنند. بعضی از این مولدهای گرما با وجود متناوب بودن، هزینه سوخت کمتری داشته و پرطرفدار هستند. تمامی بارهای گرمایی نیز به دمای یکسانی نیاز نداشته و برخی از آن‌ها خاصیت ذاتی برای ذخیره انرژی دارند. مخزن‌های ذخیره آب گرم نیز می‌توانند هم در نقش مولدهای گرما و هم در نقش بارهایی گرمایی ایفای نقش کنند. بنابراین آرایش سیستم لوله‌کشی باید به گونه‌ای باشد که ملاحظاتی این‌چنین را به طور کامل پوشش دهد.
در یک سیستم خورشیدی قصد داریم گرمای خورشید را به تمامی بخش‌هایی که به گرما نیاز دارند برسانیم و به علت هزینه کمتر، به تامین گرما از این روش اولویت ببخشیم. به عنوان یک ایده، اگر گرمای خورشیدی را به جای ذخیره‌سازی، به محض دریافت به طور مستقیم استفاده کنیم، بازدهی سیستم خورشیدی به حداکثر رسیده و اتلاف انرژی مرتبط با ذخیره‌سازی گرما، لوله‌کشی اضافه و مبدل‌های حرارتی متعدد حذف می‌شوند. بنابراین در این روش به نوعی از لوله‌کشی نیاز است که به سیستم خورشیدی امکان می‌دهد تا در صورت کافی بودن دمای آب گرم، سیستم به تمامی بارهای گرمایی متصل شود و اگر دما مطلوب نبوده یا به آن نیازی نباشد به گرما امکان دهد تا از کنار بارهای گرمایی عبور کند. علاوه بر این، پیکربندی سیستم لوله‌کشی باید به راحتی قابل اصلاح باشد و بتوان مولدها و بارهای گرمایی را با روشی استاندارد و به آسانی حذف یا اضافه کرد. به این ترتیب پیمانکار سیستم می‌تواند بدون نیاز به طراحی مجدد سیستم از گرمای خورشیدی، مخزن‌های ذخیره‌سازی و سایر تجهیزات نیز استفاده کند.
ممکن است گنجاندن تمامی این تجهیزات و نیازمندی‌ها در یک پیکربندی لوله‌کشی استاندارد، دشوار به نظر برسد، اما برای این منظور راه حلی وجود دارد که پیش از این مورد استفاده بوده است. در گذشته شیوه پیکربندی با مدار اولیه و ثانویه در ساختمان‌های تجاری نسبت به ساختمان‌های مسکونی کارایی بیشتری داشته است. این روش را می‌توان در سیستم‌های ترکیبی خورشیدی نیز به کار برد. این روش برای ساختمان‌های کوچک تجاری یا مسکونی که دارای چندین سیستم ترکیبی خورشیدی هستند مناسب به نظر می‌رسد (شکل ۲).
مدار اولیه در سیستم گرمایش خورشیدی
برای اتصال تمامی مولدهای گرما به تمامی بارهای گرمایی به قسمت توزیع‌کننده نیاز است که به آب مسیر رفت و برگشت تمامی پمپ‌های گردشی امکان می‌دهد تا بدون تداخل در کنار یکدیگر جمع شوند. به این منظور می‌توان از سیستم لوله‌کشی اولیه/ثانویه۳ استفاده کرد. شکل (۲) کاربری چنین سیستمی را در یک سیستم گرمایش خورشیدی کوچک نشان می‌دهد. به یاد داشته باشید که اگر تعیین ابعاد، نصب و کنترل کلکتورهای خورشیدی متناسب با ظرفیت ذخیره‌سازی سیستم گرمایش از کف و مخزن آب‌گرم‌کن باشد، دیگر به مخزن ذخیره آب گرم نیازی نخواهد بود.
مبدل حرارتی با مدار اولیه دوگانه۴
شکل (۳) یکی دیگر از انواع لوله‌کشی استانداردی را نشان می‌دهد که طی سال‌های اخیر در سیستم‌های ترکیبی خورشیدی استفاده شده است. تمامی اتصالات لوله‌کشی در این نمودار ارائه شدهاند. این اتصالات به دو بخش تقسیم شدهاند. بخش داخلی که از آب به عنوان سیال دیگ استفاده می‌کنند و بخش خارجی که از اتیلن‌گلیکول استفاده می‌کنند. یک مبدل حرارتی اولیه گذرگاهی را فراهم می‌کند تا گرما مطابق با نیاز سیستم کنترل و به داخل یا خارج ساختمان منتقل شود. در پروژه‌هایی که بعضی از بخش‌هایی سیستم به دلیل طرح توسعه سیستم در آینده تغییر می‌کنند، می‌توان اتصالات مربوطه را اضافه یا حذف کرد.
ذخیره‌سازی گرمای خورشیدی از طریق کف ساختمان
از سال ۱۹۵۰ تا به امروز در مکزیک شمالی از گرمایش خورشیدی فعال مستقیم برای ذخیره‌سازی گرما از طریق کف ساختمان استفاده شده است. در سیستم‌های گرمایش از کف این PEX به علت استفاده گسترده از لوله‌کشی فناوری در سال‌های اخیر دوباره محبوب شده است. شیوه کار شامل پمپاژ مستقیم آب گرم از یک کلکتور خورشیدی به مدار لوله‌کشی تعبیه شده داخل کف ساختمان و استفاده از ظرفیت ذخیره‌سازی کف می‌شود. به این ترتیب کف اتاق‌ها به تدریج گرم شده تا چندین ساعت گرم باقی می‌ماند. البته طراحی و اجرای چنین سیستمی تا حدی نیز چالش‌برانگیز است چرا که موفقیت این سیستم تا حد زیادی به ظرفیت ذخیره‌سازی گرما توسط مصالح ساختمانی به کار رفته در کف بستگی دارد که اغلب معادل نیم یا یک سوم ظرفیت ذخیره‌سازی گرمای آب با حجم یکسان است. البته به طور معمول در یک ساختمان مسکونی معمولی، مصالح به کار رفته برای کف‌سازی اغلب به گونه‌ای است که امکان خوبی برای ذخیره‌سازی گرما گاهی معادل با پنج برابر گرمای یک سیستم مجهز به مخزن ذخیره آب گرم فراهم می‌کند. به عبارت دیگر، نوسانات دمایی کف‌های گرم ساختمان در حدود پنج برابر کمتر از نوسانات یک سیستم ذخیره‌سازی گرما مجهز به مخزن ذخیره آب گرم است. نکته دیگر آن که گستره دمای کف ساختمان متناسب با شرایط آسایش حرارتی انسان خواهد بود و دماهای پایین‌تر منجر به اتلاف کمتر گرما و بازدهی حرارتی بیشتر می‌شود. بنابراین اگر گرمای کف در گستره آسایش انسان کنترل شود، اغلب می‌توان نیاز به مخزن‌های بزرگ برای ذخیره‌سازی آب گرم را حذف نمود و به جای مخازن ذخیره آب گرم پرهزینه و سنتی، از این پس کف ساختمان نقش مخزن ذخیره گرمای خورشید را ایفا کند؛ کف ساختمان همواره وجود دارد و در نتیجه تاثیر چندانی در خصوص تحمیل هزینه اضافی به کارفرما ندارد.
روش‌های کنترل سیستم‌های ترکیبی خورشیدی
تا زمانی که روش‌های کنترل معتبر و کارآمدی وجود نداشته باشد، بازدهی بالا، صرفه‌جویی در مصرف سوخت، تامین مطلوب دماهای آسایش و سایر مزایای بالقوه یک سیستم ترکیبی خورشیدی اجرایی نخواهند شد. حتی اگر بهترین تجهیزات نصب شده و لوله‌کشی صحیح باشد، تا وقتی که سیستم کنترلی دیگ را خاموش نکرده و پمپ‌ها و شیرهای مناسب را با ترتیب صحیح روشن نکند، صرفه‌جویی در انرژی خورشیدی صورت نمی‌گیرد. ساختمان باید مانند یک ماشین ترکیبی عمل کند و با دقتی پیوسته و منطقی کارکرد یک سیستم را به سیستم دیگر اولویت دهد. متداول‌ترین روش برای انجام این کار، استفاده از ترموستات‌ها، نقاط تنظیم و کنترل‌های تفاضلی۵ است که تغییرات دمایی را حس کرده و در مقابل یک رله را فعال می‌کنند. هر رله می‌تواند یک پمپ یا وسیله دیگر را روشن یا خاموش کند. حتی می‌توان انواع نرم‌افزارها و حس‌گرها را جایگزین رله‌های قدیمی کرد که این روش سطوح بالاتری از کنترل، ارتباط و منطق هوشمندانه را ارائه می‌کند که با استفاده از روش‌های متداول و قدیمی امکان‌پذیر نیست.
پی‌نوشت:
- Solar Heating Industry
- Solar collector
- Primary/Secondary Piping
- Dual Primary Loop Heat Exchanger
- Differential Controls
منبع:ماهنامه خانه تاسیسات – شماره ۶ – تیر ماه ۱۳۹۲
استفاده از این مقاله با ذکر منبع مجاز است.