بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به افزایش روزافزون مصرف و هزینه انرژيهاي تجدید ناپذیر مانند گازطبیعی و الکتریسیته استفاده از انرژيهاي تجدیدپذیر مانند انرژي گرمایی خورشید موجب کاهش مصرف انرژيهاي تجدید ناپذیر میگردد.
در این مقاله شبیهسازي سیستم سرمایش جذبی خورشیدي متشکل از کلکتور صفحه تخت، چیلر جذبی تک اثره لیتیم بروماید-آب، تانک ذخیره با لایههاي حرارتی و بویلرگازي کمکی براي تامین سرمایش مجتمع مسکونی در شهر تهران با مجموع ظرفیت 220 کیلووات بوسیله نرمافزار TRNSYS انجام میگیرد و در نهایت بهترین مقادیر پارامترهاي طراحی سیستم از نقطه نظر انرژي بوسیله بهینهسازي انتخاب میشوند.
مقدمه
با توجه به هزینه هاي بالا و آلایندگی منابع فسیلی و انرژي الکتریسیته استفاده از انرژيهاي پاك و تجدیدپذیر در سالیان اخیر مورد توجه بسیاري از محققان قرار گرفته و تحقیقات فراوانی در مورد امکان استفاده از انرژي خورشیدي براي تامین سرمایش مکانهاي مختلف انجام گرفته است.
براي مثال فلوریدس1 و همکاران [1] با استفاده از TRNSYS یک سیستم جذبی خورشیدي 10 کیلووات را براي آب و هواي قبرس شبیهسازي کرده و بوسیله بهینه سازي پارامتري سیستم را از لحاظ انرژي و اقتصادي بهبود بخشیدند.
اصیل زاده 2 و همکاران [2] با استفاده از TRNSYS وپیکره بندي یکسان نسبت به کار فلوریدس بهینهسازي پارامتري را براي ظرفیت 3.5کیلووات و اطلاعات آب وهوایی مالزي انجام دادند.
کالیسه 3 و همکاران [3] با استفاده از TRNSYS سه پیکره بندي مختلف را براي سرمایش و گرمایش خورشیدي شبیهسازي کرده و با استفاده از روشهاي معتبر بهینه سازي سیستم را از نظر انرژي و اقتصادي بهبود بخشیدند. درمقاله حاضر ابتدا یک سیستم سرمایش جذبی خورشیدي براي مجموع ظرفیت 220 کیلووات در شهر تهران شبیه-سازي شده و سپس تاثیر پارامترهاي مختلف بر روي عملکرد سیستم از لحاظ انرژي مورد بررسی قرار میگیرد.
شرح سیستم
در تصویر زیر طرح یک سیستم سرمایش جذبی خورشیدي را ملاحضه می کنید - خط پر اطلاعات مربوط به انتقال جریان و خط چین مربوط به کنترلر میباشد - :
شکل:1 طرح یک سیستم سرمایش جذبی خورشیدي
در تابستان با تابش خورشید بر روي سطح کلکتور دماي آب داخل کلکتور بالا میرود - یک تعدیل کننده فشار براي جلوگیري از بخار شدن آب خروجی از کلکتور در سیستم بکار میرود [5] - که میتوان از این آب گرم براي تغذیه ژنراتور چیلر جذبی استفاده نمود اما بدلیل نوسان زیاد دماي آب گرم خروجی از کلکتور و محدودیت بازه دمایی ورودي به چیلر جذبی از یک تانک ذخیره آب گرم استفاده مینماییم.
همچنین استفاده از یک هیتر کمکی گاز طبیعی براي پایداري بیشتر سیستم و تامین حرارت مورد نیاز ژنراتور چیلر جذبی وقتی که حلقه خورشیدي - کلکتور و تانک ذخیره - قادر به تامین آن نیستند مناسب به نظر میرسد. از سوي دیگر استفاده از یک دستگاه کمکی در کنار حلقه خورشیدي از نظر اقتصادي نیز بسیار مفید است .[4] براي جلوگیري از اتلاف انرژي توسط کلکتور وقتی تابش خورشیدي کافی فراهم نیست کنترلر حلقه خورشیدي پمپ P2 را خاموش میکند.
پمپ تا وقتیکه اختلاف دماي خروجی کلکتور و کف تانک ذخیره برابر 0/5 درجه سانتی گراد باشد روشن می ماند و در صورت خاموشی هنگامی روشن می شود که این اختلاف دما به 3درجه سانتی گراد برسد[2]، .[5] همچنین سیستم سرمایشی با کنترلر خاموش-روشن کنترل میشود تا دماي متوسط فضاي مورد تهویه حدود 24 درجه سانتی گراد باقی بماند. این کنترلر به P1 وCT و AHو P3 و P4 وACH متصل است و وقتی دماي ساختمان به 25 درجه برسد آنها را روشن کرده و وقتی دماي ساختمان به 23 درجه سانتی گراد برسد خاموش میکند .[3] کالیسه 4 براي کنترل دماي فضایی با بار سرمایشی ماکزیمم 160کیلووات از این سیستم کنترلی استفاده نموده است
شبیه سازي اجزاي سیستمش با استفاده از نرم افزار TRNSYS
ساختمان: براي شبیهسازي ساختمان از الگوي Type12 استفاده میشود، در این حالت دماي متوسط ساختمان با استفاده از حالت غیر یکنواخت موازنه انرژي بدست می آید.در مورد حاضر نرخ انرژي حاصل از افراد و تجهیزات و روشنایی و نفوذ براي فضایی به مجموع مساحت 1600متر مربع برابر 85 کیلووات بوده و حرارت حاصل از تابش خورشید توسط سطوح انتقال دهنده آن به فضاي داخل ساختمان وارد میشود، در نهایت براي ثابت نگه داشتن دماي ساختمان در 24 درجه سانتی گراد بار ماکزیمم 220 کیلووات محاسبه میشود.
کلکتور صفحه تخت: براي شبیه سازي کلکتور Type1 استفاده میگردد. بازده دمایی کلکتور طبق رابطه زیر محاسبه میشود:
در رابطه فوق T in دماي آب ورودي به کلکتور، T ambدماي هواي محیط و I T تابش کل بر روي سطح شیبدار کلکتور است.
ضرائب a0 وa1 و a2 طبق استانداردهاي آشراء 5 براي کلکتور صفحه تخت از تست کلکتور بدست میآیند. تست کلکتور در شرایط یکنواخت و با ثابت نگه داشتن دماي سیال ورودي به کلکتور، دماي محیط، شدت تابش خورشید، دبی عبوري از کلکتور، تعداد کلکتور قرار گرفته بصورت سري برابر یک و تابش خورشید عمود بر سطح کلکتور انجام میگیرد.
اگر با استفاده از نتایج تست بر حسب شرایط دمایی متغیر و شدت تابش متغیر مقادیر مختلف بازده کلکتور را روي محور عمودي برحسب IT - - Tin - Tamb رسم کنیم بهترین خط راست رابطه بین بازده و IT - - Tin - Tamb را حاصل میدهد، همچنین براي شرایط دبی متغیر وتعداد کلکتور قرار گرفته به صورت سري غیر از یک و تابش غیر عمود خورشید بر روي سطح کلکتور ضرائب a0 وa1 و a2 تصحیح میشوند.درتحقیق حاضر مقادیر این ضرائبa0 = 0/77 و - k.m2 a1 =15/22 - w وa2 = 0 بوده و براي مقادیر ابتدایی مساحت کلکتور برابر 800 متر مربع با شیب 25 درجه - 10 درجه کمتر از عرض جغرافیایی شهر تهران - [6] و دهانه کلکتور به سمت جنوب [6] و نسبت دبی بخش بر مساحت کلکتور برابر - hr.m2 50 - kg در نظر گرفته میشود
شرایط آب و هوایی: براي اطلاعات آب و هوایی از الگوي Type109استفاده میکنیم که ورودي آن بوسیله اطلاعات جامع آب و هوایی تهیه شده در تحقیق حاضر از اطلاعات آب و هوایی شهر تهران استفاده کرده ایم.
تانک ذخیره: براي شبیهسازي تانک ذخیره مدل لایه هاي حرارتی ازالگوي Type4 استفاده میشود. آب موجود در تانک ذخیره براساس اختلاف دما و به تبع آن اختلاف چگالی لایه بندي میشود و به ترتیب از بالا به پایین گرمترین و خنکترین لایه قرار دارد. ورود آب گرم خروجی از کلکتور به بالاي تانک و آب خروجی از ژنراتور چیلر جذبی به پایین تانک به لایه بندي حرارتی آن کمک میکند. در تحقیق حاضر تعداد لایه هاي حرارتی تانک برابر 5 فرض میشود، همچنین حجم تانک برابر 20 متر مکعب، نسبت طول به قطر معادل برابر0/33 و ضریب اتلافحرارتی تانک برابر - hr.m2 3 - kg در نظر گرفته میشود که در محدوده توصیه شده بین 1/8تا 3/24 بر حسب واحد مذکور قرار دارد
هیتر کمکی گازي: براي شبیه سازي هیتر کمکی از Type6استفاده میشود.
از هیتر براي بالا بردن دماي آب خروجی از تانک ذخیره و با کمک کنترلر داخلی و خارجی استفاده میکنیم. در
این مورد با فرمان گرفتن از کنترلر تنظیم کننده دماي ساختمان - کنترلر خارجی - هیتر مانند یک کوره عمل میکند به طوریکه نرخ حرارتی •QAH ,MAX را به جریان سیال میدهد تا وقتیکه دماي سیال از تجاوز نکند و اگر دماي ورودي به هیتر از تانک از بزرگتر باشد کنترلر داخلی هیتر را غیر فعال میکند. در این تحقیق برابر با 76 درجه سانتی گراد در نظر گرفته میشود که کمترین دماي مجاز ورودي به ژنراتور چیلر جذبی میباشد.
در رابطه فوق COPACH ,N به ترتیب ظرفیت اسمی و 4 Calise ضریب عملکرد اسمی چیلر جذبی میباشند.
چیلر جذبی: براي شبیهسازي چیلر جذبی تک مرحله اي با محرك آب گرم لیتیم بروماید-آب از الگوي Type107 استفاده می-کنیم. این مورد یک فایل ورودي داده بر اساس کاتالوگهاي چیلر جذبی دریافت میکند که پارامترهاي ورودي چیلر جذبی را به پارامترهاي عملکرد آن مربوط مینماید. در تحقیق حاضر با استفاده از کاتالوگ چیلر جذبی شرکت yazaki وبا استفاده از روابط زیر فایل ورودي چیلر جذبی را براي تامین ظرفیت اسمی 220کیلووات مقیاس بندي میکنیم. کالیسه 6 از الگوي type107 براي تامین ظرفیت حداکثر 300کیلووات استفاده نموده است.
در روابط قبل M دبی پمپهاي سرمایشی بیشینه فضاي مورد تهویه و DT = 5c0 میباشد که اختلاف دماي اسمی بین آب ورودي و خروجی به فن کویل فضاي مورد تهویه است.
بررسی عملکرد سیستم از نقطه نظر انرژي
براي بهینهسازي پارامتري سیستم علاوه بر COPACH و موارد زیر معرفی میشوند:
که QGEN و QAUX به ترتیب انرژي ورودي به ژنراتور چیلر جذبی و انرژي داده شده به سیال در هیتر کمکی میباشند.
.2براي بررسی سودمندي سیستم از نظر انرژي یک سیستم مرجع انتخاب میکنیم بطوریکه انرژي خورشیدي هیچ نقشی در تحریک آن نداشته باشد، براي سادگی همان سیستم اصلی بدون حلقه خورشیدي را به عنوان سیستم مرجع انتخاب مینماییم به این معنی که تمام انرژي مورد نیاز ژنراتور چیلر جذبی در فصل سرمایش توسط هیتر کمکی تامین میشود - این مقدار را برابر L میگیریم - و انرژي گاز مصرفی توسط سیستم برابر QAUX میباشد.
نتایج
براي بررسی تاثیر پارامترهاي طراحی بر روي عملکرد سیستم تعداد زیادي شبیه سازي توسط TRNSYS انجام میشود. دوره شبیه سازي کل فصل تابستان بوده - ٠۶٢١ ساعت - و فاصله زمانی داخل شبیه سازي برابر0/05ساعت است. این فاصله زمانی براي بدست آوردن دماي واقعی نقاط مختلف و همگرایی مناسب دما در تانک ذخیره ضروري است[4]، .[6] در زیر تاثیر پارامترهاي مختلف را بر روي توابع هدف انرژي بررسی میکنیم. در شکل شماره 2و3 مقادیر بازده کلکتور بر حسب شیب کلکتور براي مساحتهاي مختلف کلکتور وحجم هاي مختلف تانک ذخیره رسم شده است. ملاحظه میشود بهترین مقدار بازده براي شیب 25 درجه بدست میآید.
شکل2 :تغییرات بازده کلکتور بر حسب تغییر شیب کلکتور براي مساحت 800 متر مربع کلکتور وحجم متغیر تانک ذخیره
شکل:3 تغییرات بازده کلکتور بر حسب تغییر شیب کلکتور براي حجم تانک 6 Calise ذخیره 20 مترمکعب و مساحتهاي متغیر کلکتور
