بخشی از مقاله
سرمایش خورشیدی و بهینه سازی مصرف انرژی
چکیده:
درروزگارانی که به تقلید ازمعماری مدرن غربی پرداختیم ومعماری سـنتی خـودرا کنارگذاشـتیم ، افـزایش بـی رویـه
مصرف سوخت های فسیلی برای تنظیم شرایط حرارتی سـاختمان ، عـلاوه بـر اتـلاف منـابع انـرﮊی ، موجـب آلـودگی روزافزون محیط زیست شده است. وهمچنین شناختمان نسبت به آنچه ازدست می رود و آنچه جایگزین می شود بسیار اندک است.
در این میان استفاده بهینه از انرﮊی های تجدید پذیر ضروری به نظر می رسد . که به علت آفتابخیز بـودن کشـورمان سیستمهای مختلف انرﮊی خورشیدی بیشتر از بقیه انرﮊیها، کارا هستند در این نوشتار ضمن پـرداختن بـه روشـهای
استفاده از انرﮊی خورشید یعنی:
۱. سیستمهای فعال. ۲. سیستمهای غیرفعال. ۳. سیستمهای مرکب
به تشریح عمده ترین شیوه های سرمایش خورشیدی در ساختمان خواهیم پرداخت: ( a سرمایش جذبی
( b سرمایش با بخار
( c سرمایش با رطوبت گیری
( d سرمایش با استفاده از انباره سنگی ( e بام حوضچه ای.
لغات کلیدی: سرمایش خورشیدی, سرمایش جذبی, سرمایش با بخار فشـرده, سـرمایش بـا رطوبـت گیـری, انبـار
سنگی, بام حوضچه ای.
۱) مقدمه
همانطور که در مبحث توسعه پایدار گفتیم، دلیل مهمی که منابع انرﮊی قابل تجدید بـه عنـوان جـزﺀ ضـروری توسعه پایدار محسوب میگردد این است که در شرایط خاصی میتوان از آنها به طور مؤثر در محـیط شـهری اسـتفاده نمود و این امر برای طراحی و ایجاد یک شهر پایدار ضروری است. درصد عمده و رو به افزایشی از جمعیت کـره زمـین در شهرها زندگی میکنند، از این رو حیات این مردم و بقای شهرهایی که در آنها زندگی میکنند به جریان گسـترده و دائمی منابع طبیعی از جمله انرﮊی بستگی دارد. در اکثر موارد انرﮊی مورد اسـتفاده در شـهرها توسـط منـابعی تـأمین میگردد که در جای دیگر استخراج، تبدیل و پردازش میشوند. ایـن جـدائی مکـان تولیـد و مصـرف انـرﮊی مشـکلات متعددی به وجود میآورد که توسعه پایدار یک شهر را به تدریج دستخوش اضمحلال مینماید، به عنوان مثال انتقال یا حمل انرﮊی به اشکال گوناگون از مسافتهای طولانی همزمان با افزایش تقاضا در شهر به طور روزافزون با صرف انرﮊی بیشتری همراه است.
در این قسمت سعی شده است تا انواع مختلف انرﮊیهای تجدیدپذیر، حتیالمقدور معرفی شوند. لیکن به علت آفتابخیز بودن کشورمان سیستمهای مختلف انرﮊی خورشیدی بیشتر از بقیه انرﮊیها، معرفی گشتهاند
۲) روشهای استفاده از انرﮊی خورشید
انرﮊی خورشید از طریق تابش بر زمین منتقل میشود؛ پس برای استفاده بایـد تـابش خورشـید را بـه انرﮊی مورد نیاز تبدیل کرد. انرﮊی خورشید به دو صورت مستقیم وغیرمستقیم میتواند مورد اسـتفاده قرار گیرد سالیان متمادی است که انسـان از انـرﮊی خورشـید بـه دو صـورت مسـتقیم و غیرمسـتقیم استفاده میکند، مثل استفاده از سوختهای فسیلی یا آسیابهای بادی، تـابش مسـتقیم خورشـید بـرای گرمایش فضاهای زندگی و ]. … واتسون, دونالد (۰۸۳۱)[
یکی از بخشهایی که میتوان از انرﮊی خورشید بهره برد، بخـش سـاختمان اسـت. اسـتفاده از انرﮊی خورشید در این بخش سالیان متمادی اسـت کـه در اغلـب نقـاط جهـان رواج دارد. اسـتفاده از گرمای خورشید برای تأمین حرارت در زمستان و همچنین اسـتفاده از وزش بـاد و تهویـه بـه منظـور تأمین هوای تازه و ایجاد سرما در تابستان از جمله روشهای متداول استفاده از انرﮊی خورشید در ایـن بخش میباشد.
امروزه با توجه به نـوآوریهـایی تکنولوﮊیـک در اسـتفاده از انـرﮊی خورشـید، سـه روش عمـده شناخته شده است که عبارتند از :
۱) سیستم های فعال. ۲) غیرفعال. ۳) مرکب.
* عناصر مورد نیاز در سیستمهای خورشیدی:
باید توجه داشت که استفاده از سیستمهای خورشیدی در ساختمان نیاز به عوامل اساسـی زیـر
دارد:
الف- عنصر خورشیدی و ملحقات وابسته به آن : به عنوان مبدل انرﮊی تابشی به الکتریکی، حرارتـی و یا شیمیایی.
ب- خازن گرمایی برای ذخیره مازاد انرﮊی تولید شده.
ج- عایق حرارتی برای کاهش اتلاف حرارتی ساختمان.
د- گرمایش کمکی.
۳) سرمایش خورشیدی
کلیـه روشــهایی کــه پـیش از ایـن توضــیح داده شـد مربـوط بــه گرمـایش فضــاهای زنــدگی بــا اســتفاده از انــرﮊی خورشـید بـود. از آنجـا کـه انـرﮊی خورشـید بـه سـادگی قابـل تبـدیل بـه گرماسـت لـذا مـی تـوان بـا روشـهای نـه چندان پیچیده از گرمـای مزبـور اسـتفاده کـرد از طرفـی بـرای ایجـاد سـرمایش نیـز بـه انـرﮊی نیـاز اسـت پـس بـا تمهیــداتی مــی تــوان انـرﮊی مزبــور را هــم از خورشــید تــامین نمــود. تــاکنون روشــهای متعــددی بــرای ســرمایش خورشیدی ابداع شده که در زیر به شرح خلاصه ای از آنها پرداخته می شود.
* عمده ترین شیوه های سرمایش خورشیدی عبارتند از : ( a سرمایش جذبی
( b سرمایش با بخار
( c سرمایش با رطوبت گیری
( d سرمایش با استفاده از انباره سنگی
( e بام حوضچه ای ]مطیع علی, حسن (۳۰۰۲)[Kreider, J.F., kreith, F (1981)] [
۳-۱) سرمایش جذبی :
این سیستم مشابه سیستم های رایج جـذبی اسـت کـه بـا سـوختهای فسـیلی کـار مـی کننـد. تنهـا بـا ایـن تفـاوت که گرمای مورد نیاز از طریق گردآورنـده هـای خورشـیدی تـامین مـی شـود. در شـکل زیـر مـدار سـاده شـده یـک سیســتم ســرمایش جــذبی خورشــیدی نشــان داده شــده اســت. در ایــن سیســتم ســیالی کــه مخلــوط از دو مــاده جذب وخنـک کننـده اسـت، در اثـر گرمـای حاصـل از تابش خورشید تبـدیل بـه دو بخـش مـاده جـاذب و ماده خنـک کـن مـی شـود. مـاده خنـک کـن بـه ﮊنراتــور رفتــه و در آنجــا بــه صــورت بخــار در مــی آید. بخـار حاصـله بـه کندانسـور هـدایت مـی شـود.
در ایــن محــل بخــار تحــت فشــار قرارگرفتــه و بــه مــایع تبــدیل مــی شــود. مــایع حاصــله وارد واحــد تبخیرکننده مـی گـردد. درایـن محـل پـس از عبـور از یک شیر کنتـرل، مـایع بـه بخـار تبـدیل شـده در نتیجــه گرمــای محــیط را جــذب مــی کنــد. جــذب گرما از طریـق اخـذ حـرارت مـدار حـاوی آب انجـام میگیــرد. بنــابر ایــن آب درون مــدار ســرد خواهــدشــد. ازســرمای تولیدشــده بــرای خنــک کــردن فضــای زنــدگی اســتفاده مــی شــود. پــس از ایــن
مرحلـه بخــارگرم وارد جـذب کننـده شــده و مجـدداﹰ بـا محلــول جـاذب مخلـوط میگــردد. گرمـای تولیـد شـده در سیستم ازطریق یـک بـرج خنـک کـن رفـع مـی شـود. بـه ایـن ترتیـب کـه گرمـای سیسـتم بـه مـداری حـاوی آب منتقل شده و آب پس از عبور از برج خنک کن گرما را به محیط پس میدهد.
ســیال مــورد اســتفاده در یــک سیســتم ســرمایش جــذبی محلولهــای متنــوعی ازجملــه آب – آمونیــاک یــا لیتیــوم –برمایـد– آب و یـا لیتیـوم –برومایـد– متـانول مـی توانـد باشـد کـه هرکـدام در دماهـای خاصـی کـار مـی کننـد.
بعنــوان مثــال محلــول آب–آمونیــاک در دمــای C ْ148 C ْ120 و محلــول لیتیــوم – برومایــد – آب در دمــای C ْ40 C – ْ 25 کـار مـی کننـد. بـا توجـه بـه نـوع محلـول و دمـای مـورد نیـاز بـرای جداسـازی محلـول مـی تـوان از انـواع گردآورنــده هــای مســطح، غیرمتمرکـز خطــی و یــا گردآورنــده هــای دارای لولــه خـلاﺀ اســتفاده نمـود. مــثلاﹰ دمـای مـورد نیـاز بـرای محلـول لیتیـوم – برومایـد – آب بـه راحتـی توسـط گردآورنـده هـای مسـطح تـامین مـی شود. گرمای مورد نیاز برای کار سیستم به دوطریق فراهم می شود :
طریـق اول جمـع آوری و ذخیـره حـرارت تولیـد شـده ازگردآورنـده در یـک مخـزن حـرارت اسـت و طریـق دوم استفاده مستقیم ازگرمـای تولیدشـده اسـت. درحالـت اول گرمـای حاصـل ازگرمـای گرداورنـده مـی توانـد پـس از ذخیــره شــدن در وقــت لازم مــورد اســتفاده قرارگیــرد. ازآنجــا کــه دمــای ســیال گردآورنــده بســتگی بــه دمــای مخزن حرارت دارد. ( زیرا سـیال از اینجـا وارد مـدار گردآورنـده مـی شـود) بنـابر ایـن هـر چـه دمـای مخـزن کمتـر باشـد، گردآورنـده گرمـای بیشـتری ازخورشـید جـذب مـی کنـد. از طرفـی ذخیـره حـرارت درمخـزن بـه صـورت دمــای نهــان، از حجــم مخــزن حــرارت نســبت بــه ســایر روشــهای ذخیــره حــرارت مــی کاهــد. اســتفاده از مخــزن حرارت، باعـث افـزایش بـازده سیسـتم مـی شـود و در سـاختمان هـایی کـه 24 سـاعته کـار مـی کننـد و نیـاز بـه سـرمایش در شـبانه روز دارنـد، اسـتفاده میگـردد. بعـلاوه مخـزن حـرارت در روزهـای ابـری کـه نیـاز بـه سـرمایش وجـود دارد، انـرﮊی مـورد نیـاز را تـامین خواهـد کـرد. حالـت دوم یعنـی اسـتفاده مسـتقیم از گرمـای تولیـد شـده توســط گردآورنــده فقــط بــرای منــاطق بیابــانی کــارآیی دارد کــه تــابش روزانــه در آن کــافی و هماهنــگ بــا بــار سرمایشی ساختمان می باشد.
برای انتقال حرارت در سیستم سرمایش جذبی خورشیدی از دو نوع مبدل حرارتی می توان استفاده کرد :
مبدل حرارتی مـایع بـه مـایع و مبـدل حرارتـی مـایع بـه هـوا. مبـدل حرارتـی مـایع بـه مـایع بـر سـر راه گردآورنده به مخزن حـرارت قـرار مـی گیـرد. زیـرا سـیال درون گردآورنـده ممکـن اسـت مـاده ای غیـر از آب و یـا ضـد یـخ و یـا ضـد جـوش باشـد. مثـل محلولهـای گلیکـول، سـیلیکون و یـا روغـن انتقـال دهنـده حـرارت. مبـدل حرارتی مایع به هوا همـان فـن کویـل هـایی هسـتند کـه در هـر سیسـتم سـرمایش جـذبی بـرای انتقـال سـرما بـه کـار مـی رونـد. سیسـتم هـای سـرمایش خورشـیدی ماننـد سیسـتم هـای گرمـایش خورشـیدی بـه یـک سیسـتم پشـتیبانی نیـز نیـاز دارنـد. در اینجـا سیسـتم کمکـی مـی توانـد دیکـی بـا سـوخت فسـیلی باشـد کـه هـم بـرای سرمایش اضطراری کارکند و هم برای گرمایش اضطراری.
بازده سیستم های سرمایش جـذبی مانندسـایر سیسـتم هـای تولیـد حـرارت یـا بـرودت بـه نسـبت سـرمای ایجاد شده گرمای داده شده به سیستم بستگی دارد.
گرمای داده شده / اثر سرمایشی = بازده
]مطیع علی, حسن (۳۰۰۲)[Kreider, J. F., kreith, F (1981)] [
۳-۲) سرمایش با بخار فشرده
در این سیستم سیالی در اثر دمای زیاد تولید شده توسط تابش خورشید به جوش آمده و در اثـر انبسـاط بـه بخار تبدیل می شود. بخار حاصله پس از ورود به یک کمپرسور افرایش فشـار مـی یابـد سـپس همـین بخـار بـه یـک کندانسور هدایت می شود. در اینجا ضمن حفظ همان فشار قبلی با از دست دادن گرما به مایع تبدیل می شـود. مـایع مزبور از یک شیر انبساط عبور کرده و پس از ورود بـه تبخیرکننـده مجدداﹰ تبدیل به بخار میشود. اما در این مرحله برای تغییر حالـت از مایع به بخار، گرمای محیط را می گیرد و ایجاد سرما می نماید. بخار مجدداﹰ به کمپرسور باز می گردد تا تبدیل به بخار فشرده شود.
درشکل زیر نیز تغییرات فشار بخار درون سیستم نشان داده شده است ۱P فشار بخـار درکمپرسـور اسـت کـه پـس از افـزایش درکمپرسور به ۲P تبدیل می شود. درکندانسور Q3 حرارت داده شــده بــه محــیط اســت و P3 فشــار ســیال پــس از عبــور ازکندانسور است کـه معـادل P2 مـی باشـد. پـس از عبـور از شـیر انبساط فشـار مجـدداﹰ کـاهش یافتـه و بـه P4 تبـدیل مـی گـردد.
در اینجا Q4 حرارت جذب شده از محیط است.
بـه علـت اینکـه در ایـن سیسـتم نیـاز بـه حـرارت زیـاد میباشـد لـذا غالبـاﹰ از گردآورنـده هـای متمرکـز و یـا گردآورنـده های دارای لوله های خلاﺀ استفاده می شـود. سیسـتم سـرمایش کمکـی در اینجـا یـک ﮊنراتـور برقـی میبـا شـد کـه نیروی لازم برای کارتوربین – کمپراسور را فـراهم مـی نمایـد. مزیـت ایـن سیسـتم کمکـی جبـران هـر نـوع کـاهش در انرﮊی تابشی خورشید در طول روز است.[Kreider, J.F., kreith, F (1981)]
