مقاله در مورد شیوه های گرمایش خورشیدی

بخشی از مقاله

شيوه هاي گرمايش خورشيدي

2ـ شيوه هاي گرمايش خورشيد ساختمان به دو دسته مستقيم مي شوند :
شيوه هاي فعال و شيوه هاي غير فعال كه در ادامه به توضيح هر يك از آنها مي پردازيم.
2ـ1 شيوه هاي غير فعال گرمايش خورشيدي

يك سيستم حرارتي غير فعال شامل 5 جزوه به شرح زير مي باشد :
1ـ پرتوگير : عبارتست از سطح شفافي كه در نماي جنوبي ساختمان به صورت افقي با شيب دار قرار مي گيرد تا مقداري از پرتو خورشيدي تابيده شده را گرفته و به داخل به طرف جذب كنند. هدايت نمايد.
2ـ جذب كننده : سطحي است مشرف به پرتوهاي آفتابي كه تابش آفتاب را جذب و به انرژي حرارتي تبديل مي نمايد.
3ـ انباره : عبارتست از مصالح متراكمي كه حرارت انتقال يافته و جذب كننده را در خود نگه مي دارد و آن مقدار حرارت را كه بلافاصله مورد استفاده نخواهد بود ذخيره مي نمايد.
4ـ توزيع كننده : وسيله أي كه حرارت جمع شده در انباره را در مواقع ضروري به فضاي مورد نياز منتقل مي كند.
5ـ تنظيم كننده يا كنترل كننده جزئي است كه اتلاف حرارت در زمستان يا جذب حرارت در تابستان را از طريق پرتو گير كنترل مي نمايد. بدين طريق كه بر روي پرتوگير سايه مي اندازد و يا هواي داخل ساختمان را خارج مي كنند. براي معرفي هرچه واضح تر ، شيوه هاي غير فعال را به سه دسته تقسيم كرده ايم : در دريافتهاي "مستقيم" ، "غير مستقيم" و "جداگانه" . اين تقسيمات بر پايه وضعيتهاي مختلف و متقابل خورشيد ، انباشت حرارتي و فضاهاي اصلي انجام شده كه در داخل هر دسته اجزاء مختلفي وجود دارد.
2ـ1ـ1ـ شيوه دريافت هاي مستقيم
شيوه دريافت هاي مستقيم اولين و ساده ترين نوع گرمايش غير فعال خورشيدي است با اين شيوه تشعشعات خورشيدي مستقيماً داخل خانه را گرم كرده و اتاق به صورت جذب كننده عمل مي كند. بنابراين بايد داراي جداره هاي جذب و انباشت كنندة حرارت باشد تا در عرض روز حرارت كافي ، براي جبران هواي سرد شب ، ذخيره كرده باشد. (شكل 2ـ1)
چنين شيوه أي داراي دو جزء مي باشد. اول : يك سطح شيشه أي جنوبي ، دوم : يك جرم جذب كننده به دو حرارت در داخل براي جذب و انباشت حرارت
2ـ1ـ2ـ شيوه دريافتهاي غير مستقيم
در شيوه دريافت غير مستقيم معمولاً از ديوار جذب و انباشت حرارت استفاده مي كنند تمام ديوارهاي جذب و انباشت الزاماً داراي يك جدار شيشه أي رو به جنوب براي دريافت حداكثر انرژي خورشيدي و در زمستان و يك جرم جذب كننده حرارت در پشت شيشه به فاصله 10 سانتي متر پايينتر براي جذب حرارت روي سطح خارجي ، انباشت حرارت در حجم و سپس پخش آن بوسيله سطح داخلي خود مي باشد. (شكل 2ـ2)

به مصالحي كه براي ساخت ديوارهاي جذب و انباشت بكار مي رود به 2 گروه تقسيم مي شو : ديوار نبايد جذب و انباشت و ديوار آب جذب و انباشت.

2ـ1ـ2ـ1ـ ديوار بناي جذب و انباشت
ديوار بناي نما تشعشعات خورشيدي را در روي سطح خارجي خود جذب كرده و سپس حرارت را از طريق هدايت به داخل ديوار منتقل مي كند. معمولاً سطح خارجي ديوار را با رنگ سياه يا تيره مي پوشانند با كيفيت جذب تشعشعات خورشيدي بهتر شود. حرارت منتقل شده به داخل ديوار از طريق سطح داخلي آن بوسيله تابش و جابجايي به داخل اتاقها راه مي يابد . سوراخهاي كه در ديوار تعبيه مي شوند عمل توزيع و حرارت بوسيله جابجايي طبيعي (گردش حرارت طبيعي) را امكان پذير مي كنند.
خانه«ترمب» در اوديو(كوههاي پيرنه شرقي ـ فرانسه) معروفترين نمونه اين شيوه است. اين خانه در سال 1967 بوسيله پروفسور فليكس ترمب و آرشيتكت«ژنار» ساخته شده است. نمايي جنوبي اين ساختمان شامل شيشه دو جداره و يك ديوار بتني به ضخامت 60 سانتي متر مي باشد و براي جذب بهتر تشعشعات رنگ سياه به آن زده اند كه اين ديوار هم اكنون بنام طراح آن به ديوار ترمب معروف است. (شكل 2ـ4)

2ـ1ـ2ـ2ـ ديوار آب جذب و انباشت
اصول عملكرد ديوار آب و بناي يكي است به يك طريق خورشيد را جذب و پخش مي كنند و تنها فرق مهم اين دو در طريقه انتقال حرارت است كه در ديوار آب بيشتر اين انتقال از طريق جابجايي انجام مي شود تا هدايت جدار بيروني ديوار آب معمولاً به رنگ سياه يا تيره و مات بوده تا جذب هرچه بيشتر انرژي خورشيد در سطح جدار خارجي ديوار را امكان پذير كند.
شكل (2ـ5)

2ـ1ـ2ـ3ـ معايب ديوار ترمب
معايب اصلي آن عبارتند از :
الف)مقدار زيادي از انرژي كه وارد ديوار مي شود خيلي زود آن را ترك مي كند.
ب) مقدار زيادي از اين انرژي از شيشه كاري به بيرون رفته و براي هميشه از ساختمان
هدر مي رود.
ج) در مسحهاي سرد آفتابي ، هنگامي كه اتاقها خيلي سرد شده ، مقدار كمي تابش خورشيدي مي تواند مستقيماً وارد اتاق شود (يا به طور مطلق هيچ نوع تابشي نداريم) و در نتيجه گرمايش سريع نخواهد بود.
د) هيچ راه ساده و موثري براي متوقف ساختن جريان حرارت از ديوار به اتاقها ، هنگاميكه اتاق ها ، خود ، بيش از حد دلخواه گرم اند ، وجود ندارد .
هـ) ديوار مانع رسيدن نور به اتاق ها مي شود حتي در روزهاي صاف آفتابي نيز ممكن است اتاقها كم نور باشند ديوار تا اندازة زيادي جلوي ديد منظره خارجي ساكنين اتاق را مي گيرد.
بطور خلاصه ، ديوار چند عمل مطلوب را نسبتاً خوب انجام مي دهد . ولي چندين عمل نامطلوب هم انجام ميدهد « كوشش خوبي» است ولي نه به حد كافي خوب .
2ـ1ـ2ـ4ـ اصلاح عملكرد ديوار ترمب
1ـ اصلاح عملكرد حرارتي بوسيله تعبيه شيارهاي عمودي در وجوه ديوار.
اگر شيارها ، كانالها يا شكافهاي عمودي عميق بسياري در چنين ديواري تعبيه شود ، مساحت تبادل حرارتي ممكن است 2 برابر شده ، و طول مسير متوسط (در

داخل ديوار) براي ورود يا خروج حرارت نصف شود. در نتيجه گرماي دريافت شده بوسيله تابش مستقيم خورشيدي يا بوسيله هواي گرم سريعتر و عميقتر در داخل ديوار نفوذ مي كند حتي داخلي ترين نواحي درون ديوار هم به فوريت در روند ذخيره شركت مي كند. (شكل 2ـ6)

2ـ صفحات عايق منعكس كننده سه حالتي جهت استفاده با ديوارها

ي جذب كننده و ذخيره كنند. هريك از ديوارهاي كوچك نسبت به پنجره جنوبي ، در وضعيت 60 درجه اي قرار
مي گيرند. يك صفحة عايق و منعكس كننده لولايي در سمت شمال شرقي هر ديوار و يك صفحه عايق قابل جداشدن در انتهاي شمال غربي ديوار ، نصب مي شود. در شب صفحه لولايي چرخانده مي شوند ، بطوريكه در مقابل قسمت عظيمي از پنجره جنوبي بسته شده ، آنرا عايق كاري كنند. صفحات قابل جداشدن بايد آنچنان نصب شوند كه شكافها را پر كرده و عايق كاري پنجره را تكميل كنند اكنون تمام سطوح هر يك از ديوارهاي ذخيره كننده بدون پوشش و براي توزيع حرارت به اتاق آزاد است.
در صبح هريك از صفحات لولايي به مقابل سطح شمال شرقي ديوار مربوط چرخانده مي شود تا آنرا عايق كاري كند و بدين ترتيب نور صبحگاهي نيز وارد اتاق شده و آنرا گرم مي كند. شكل 2ـ7

در بعدازظهر ، تقريباً بلافاصله پس از ظهر ، هريك از ضخامت لولايي به زاويه تقريباً 80 تا 90 درجه چرخانده مي شود ، بطوريكه تشكيل منعكس كننده أي را بدهد كه براي هدايت كردن مقدار زيادي تابش خورشيدي بر ديوار مجاور در وضعيت ايده آلي قرار داشته باشد . بدين ترتيب آن ديوار مقدار زيادي تابش به طور مستقيم و مقدار زيادي بطور غير مستقيم دريافت مي دارد و تقريباً هيچ تابشي بر اعماق اتاق ن كه تا اين موقع احتمالاً حد كافي گرم است نفوذ
نمي كند
2ـ1ـ3ـ شيوه دريافتهاي جداگانه
جدايي بين جذب كننده خورشيد و منبع انباشت حرارتي از يك سو و جدايي بين جذب كننده خورشيدي و اتاقهايي كه بايد گرم شوند و انباشت حرارتي معمولاُ از آب استفاده مي شود. آب در مجاورت آفتاب گرم شده و باعث گردش حرارتي بالارونده در داخل جذب كننده خورشيدي مي شوند سيال گرم شده وارد قسمت فوقاني منبع انباشت حرارت شده و در عين حال، سيال خنك از قسمت تحتاني منبع به حركت درآمده و به قسمت مدخل جذب كننده خورشيدي مكيده مي شود. اين مدار بسته «جابجايي طبيعي» تا موقعي كه خورشيد در آسمان مي درخشد به كار خود ادامه مي دهد. ساده ترين نوعي اجراي گردش حرارتي ، تا آبگرمكن خورشيدي
مي باشد كه به مثابه يك سيفون حرارتي عمل مي كند.
مزايا و معايب شيوه هاي غير فعال خورشيدي
غالباً مزاياي تأسيسات غيرفعال خورشيد در سه بخش نام برده مي شوند :
اقتصاد ـ معماري ـ بهداشت و راحتي
تطابق و هماهنگي برنامه ريزي طرح با يكديگر براي بهره گيري هرچه بيشتر از هريك از اين سه بخش بسيار مهم است.
مزايا
1ـ شيوه هاي غير فعال باعث صرفه جويي زيادي در هزينة گرمايش خانه شده و به راحتي قابل تطبيق با ساختمان است و جزئي از سفت كاري ساختمان مصوب شده و هزينه اضافي آن قابل اغماض مي باشد.
2ـ سادگي يكي از مهمترين مزيت هاي شيوه هاي غير فعال مي باشد ، اين سادگي هم در طراحي ، هم در عملكرد و هم در مواظبت سيستم به وضوح ديده مي ش

ود.
3ـ اجزاء تأسيسات غيرفعال خورشيدي از مصالح معمول و رايج ساختماني تشكيل شده اند.
4ـ بطور كلي داراي عمر طولاني هستند.
5ـ با درجه حرارت پاييني كار مي كند و هواكش ، پمپ ، كمپرسور ، لوله كشي و داكت احتياج ندارند.
6ـ اجزاء مشترك آن بسيار كم هستند و چون قسمت مكانيكي ندارند ايجاد صدا نمي كنند.
7ـ اكثر تأسيسات غير فعال از داخل قابل رويت نيستند. چون از وسايلي مانند

رادياتور و غيره استفاده مي كنند.
8ـ در اقليم هاي سرد تأسيسات حرارتي كلاسيك باعث بوجود آمدن اختلاف حرارت زيادي بين كف اتاق و سقف اتاق مي شوند. بطوريكه كف اتاق به طرز نامطلوبي سرد است در خانه هايي كه با شيوه هاي غير فعال خورشيدي گرم مي شوند معمولاُ كف اتاق گرم تر از هواي اتاق است.
معايب
يكي از معايب عمده شيوه هاي غير فعال خورشيدي ، عدم كنترل كامل درجه حرارت است : زيرا تمام تأسيسات غيرفعال خورشيدي داراي يك ظرفيت قوي حرارتي انباشت كننده هستند كه غالباً سفت كاري ساختمان محسوب شده و اطلاعات جوابگوي سريع آنها به تغييرات حرارتي بسيار كم است. از طرفي انباشت حرارت در مصالح مستلزم بالارفتن درجه حرارت مصالح است و چون اين مصالح جزئي از اتاق هستند ، تغييرات درجه حرارت اتاق مطابق با تغييرات درجه حرارت ديوارها و كف اتاق است . اگر تأسيسات غير فعال خورشيدي داراي ابعاد و طراحي نامناسب باشد ، نوسانات درجه حرارت داخلي در عرض روز زياد خلاصه بود و نتيجتاً شرايط راحتي ساكنين خانه فراهم نخواهد شد. خوشبختانه اين مسائل راه حل هاي نسبتاً ساده اي دارند ، در خانه ها كنترل حرارت با باز و بسته كردن پنجره ها ، سايبان و راه انداختن منبع حرارتي كمكي، انجام مي پذيرد. با پيداكردن ابعاد و محل قرارگيري ‌بهتر براي مصالح انباشته كننده حرارت در داخل ساختمان ، مي توان نوسانات درجه حرارت داخلي را كمتر نمود.
2-2 شيوه هاي فعال گرمايش خورشيدي
در سيستم فعال انرژي خورشيدي بوسيله گرد آورنده ها جمع مي شوند . گرماي حاصل در مخزن جداگانهاي دور از خود گرد آورنده نگهداري مي شود ، تفاوت اصلي بين سيستم فعال و غير فعال در اين است كه با استفاده از وسايل مكانيكي نظير باد بزن و پمپ هاي مختلف پخش و ذخيره گرما سيستم فعال را تحت كنترل در مي آورند.
2-2-1 گرد آورنده هاي خورشيدي(ZOLLEZTOR)
گرد آورنده هاي خورشيدي نوعي مبدل گرمايند ، گرمايش خورشيد را جذب مي كنند و سيـالي را مـانند مـايع يا هوا ، با آن گرم مي كنند .
از نظر كاركرد گرد آورنده ها را مي توان به سه دسته تقسيم كرد :
1- گرد آورنده هاي سطحي : در اين دسته نور خورشيد بر گرد آورنده متمركز نمي شود ، گرد آورنده ها در معرض تابش طبيعي آفتاب قرار دارند و عموما ثابت هستد . بازده گرمايي اين دسته تا 95درجه سانتيگراد است .

2- گرد آورنده هاي متمركز شونده : اين دسته خورشيد در آسمان را،تعقيب مي كنند و تنها ازتابش مستقيم آن استفاده مي كنند اين نوع گرد آورنده ها دماي بسيار بالايي توليد مي كنند
3- دسته سوم بين اين دودسته قرار مي گيرند . نور خورشيد در آن به نقطه خاصي متمركز نمي شود و دماهاي با 175 درجه سانتي گراد را توليد مي كنند . دسته اي از اين گرد آورنده ها مي تواتند ثابت باشند و دسته ديگر را در هر فصل كمي تغيير جهت مي دهند . براي توليد گرما يا سرما بهترين نوع گرد آورنده ها نوع مسطح و نيمه ثابت مي باشند يعني گرد آورنده هاي دسته اول و سوم.
2-2-1-1 جهت و شيب مناسب در گرد آورنده هاي مسطح:ين مي گويند كه با 10 درجه چرخش به سمت شرق يا غرب تاثيري در مقدار جمع آوري گرما ندارد با استفاده از يك برنامه كامپيوتري در پلي تكنيك لندن به اين نتيجه رسيده اندكه اگر گرد آورنده ها را 30 درجه به سمت جنوب غربي يا جنوب شرقي قرار دهند از بازده گرد آورنده ها كمتر از %20 كاسته خواهد شد . يكي از دلايل اين امر نسبت تابش پراكنده به تابش مستقيم در محيط است .تابش پراكنده در تمام فضا وجود دارد و تقريبا به طور يكنواخت پخش شده است گرد آورنده هاي سطحي قابل توجهي از گرما را از تابش پراكنده در محيط جذب مي كنند . شيب صفحات گرد آورنده مي تواند برابر با فرض جغرافيايي باضافه 10 درجه باشد . در حالت اخير گرد آورنده مي تواند در زمستان انرژي بيشتري جذب كند .
راه حلهاي فوق تنها توجه به تابش مستقيم دارد ، اگر بخواهيم فقط تشعشع پراكنده را در نظر بگيريم يك سطح افقي بهترين نتايج را در بر دارد زيرا رو به نماي گنبد آسمان خواهد بود . پس شيب مطلوب شيبي به اندازه عرض جغرافيايي بعلاوه 10 درحه يا برابر عرض جغرافيا يا صفر درجه يعني يك سطح افقي است . البته انتخاب شيب كاملا بستگي به تابش افشان دارد . صفحات آن، بايد افتادن سايه بر اين صفحات را بررسي كرد يعني با استفاده از نقاله سايه ياب و دياگرام مسير خورشيد ، عوارض طبيعي محيط نظير درخت ، ساختمانها ي اطراف و عناصر موجود در خود ساختمان مثل شكستگيهاي موجود در نما را بايد مطالعه كرد و گرد آورنده را طوري قرار داد كه سايه اين عناصر در طول روز بر آن نيفتد
دستگاههاي جذب و انباشت
حال پس از بررسي گرد آورنده هاي خورشيدي كه نقش عمده اي در تامين انرژي خورشيدي دارند به بررسي چند نوع دستگاه جذب و انباشت حرارت مي پردازيم.

1- دستگاهي كه در آن يك منعكس كننده مقعر خارجي پايين تر از سطوح پنجره و يك جذب كننده سياه نوع آبي زير پوشش سايبان ، به كار
مي رود