مقاله طراحی یک سیستم چیلر جذبی خورشیدی در شهر تهران و بررسی عملکرد این سیستم در مقایسه با چیلرهای جذبی رایج

word قابل ویرایش
20 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
10700 تومان

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

طراحی یک سیستم چیلر جذبی خورشیدی در شهر تهران و بررسی عملکرد این سیستم در مقایسه با چیلرهای جذبی رایج
کلمات کلیدی:
چیلرجذبی خورشیدی گردآورهای لوله ای خلاء، عملکرد سیستم جذبی، نرخ بازگشت سرمایه
چکیده :
کاربری انرژی خورشیدی به منظور تامین آبگرم مصرفی، گرمایش و سرمایش فضاها در ایران در دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است . در این مقاله ، یک سیستم چیلر جذبی خورشیدی برای یک ساختمان اداری با زیربنای ١٣٠٠ متر مربع در شهر تهران طراحی شده است . همچنین میزان مصرف انرژی چیلر جذبی خورشیدی در مقایسه با چیلرهای جذبی رایج مورد بررسی قرار گرفته است . ساعات کارکرد سیستم سرمایشی از ٨صبح الی ١٧، طی روزهای پانزدهم اردیبهشت الی پانزدهم مهرماه در نظر گرفته شده است . این پژوهش نشان می دهد که سازگارترین نوع چیلر جذبی خورشیدی، چیلر جذبی تک اثره با تغذیه آبگرم و مناسب ترین گردآور خورشیدی جهت کاربری سرمایش ، گردآورهای از نوع لوله ای خلاء می باشد. توان ژنراتور این چیلر جذبی تک اثره ٢٣۶کیلووات می باشد که ۴١درصد آن با استفاده از گردآورنده های لوله ای خلاء تامین می شود. دستیابی به این هدف نیازمند بهره گیری از ١٠۴ گردآورنده ٢٢ لوله ای با مساحت کلی سطح جاذب ١٨۴ متر مربع خواهد بود. با این جایگزینی نرخ بازگشت سرمایه ١٠.۵سال برآورد می شود.
مقدمه
انرژی خورشیدی یکی از پاکترین و بزرگ ترین منابع انرژیهای تجدیدپذیر است که به علت نیاز نداشتن به فن آوریهای پیشرفته و پرهزینه ، به عنوان یک منبع مفید و تأمین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان رو به توسعه است . امروزه بیش از ٩٩.٩ درصد از مجموع انرژیهایی که به زمین منتقل میگردند منشأ خورشیدی دارد که مقدار آنها در حدود Tw ١٠۵ x ١.٨ است . علاوه بر روند رو به رشد قیمت انرژیهای فسیلی، اثرات مخرب زیست محیطی آن ها از قبیل : آلودگیها، افزایش دمای کره زمین و تخریب لایه ی ازن میل به استفاده از این انرژی در دسترس را دو چندان کرده است . Co2 حاصل از فرآیند سوختن سوخت های فسیلی نقش اساسی را در تشدید گرمایش کره زمین ایفا می کند. با استفاده از انرژی خورشیدی علاوه بر کاهش استفاده از سوخت های فسیلی تجدید ناپذیر، افزون بر ٢٠% از میزان انتشار گاز Co2 کاسته خواهد شد[٢].
در ایران ، استفاده از انرژی خورشیدی جهت تأمین سرمایش ساختمان ها از دیرباز مورد توجه بوده و میتوان گفت اولین گردآورنده سرمایش خورشیدی برای به گردش در آوردن هوای خنک در ساختمان نزدیک شهر یزد توسط معماران ایرانی ساخته شده است . واقع شدن ایران در عرض جغرافیایی بین ٢۵٠ تا ۴٠٠ شمالی، میانگین انرژی خورشیدی حدود و میزان ساعات آفتابی بیش از hr ٨٨٠٠ در سال و همچنین سیاست های دولت برای گسترش تولید انرژی از روش های نوین ، همه نشان از پتانسیل بالای ایران در زمینه انرژی خورشیدی است .
سالهاست که استفاده از سیستم های نوین سرمایشی در ایران با سوخت های فسیلی همراه شده و توجه به استفاده از سیستم های تجدیدپذیر در تأمین سرمایش نزد طراحان و متخصصان علوم تأسیسات از درجه پائینی برخوردار شده است . در این پژوهش بر آن شدیم با طراحی تئوری یک چیلر جذبی سازگار با سیستم خورشیدی با رویکرد کاهش سوخت های فسیلی و بررسی عملکرد آن مهندسین ، طراحان و مسئولان کشور را برای استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و بالاخص انرژی خورشیدی، ترغیب کنیم .
طرح سیستم
در این مقاله هدف طراحی یک سیستم خورشیدی برای یک ساختمان اداری با زیربنای M2 ١٣٠٠ و با فضای مفید تهویه شده ی M2 ٨٩۴ در شهر تهران است . ساعات کاری این مجموعه از ٨ صبح تا ۵ بعدازظهر است که سیستم سرمایشی یک ساعت زودتر و قبل از حضور کارکنان شروع به کار خواهد کرد. مدت زمان کارکرد سیستم برای ۵ ماه سال طی روزهای ١۵ اردیبهشت تا ١۵ مهرماه در نظر گرفته میشود.
با توجه به داده های NASA در سال ٢٠٠٩ میلادی شرایط زیر برای شهر تهران در نظر گرفته خواهد شد[٧]:

اجزای سیستم
انتخاب نوع سیستم سرمایشی
افزایش میل برای رسیدن انسان به شرایط آسایش از دیرباز مورد توجه بوده که در سال های اخیر این میل به اوج خود رسیده است . مهمترین عامل در تأمین این آسایش ، سرمایش مطلوب فضای زندگی انسان است . چرا که محققان نشان داده اند که کارایی انسان در دماهای بالای c ٢۴٠ به صورت قابل ملاحظه ای کاهش مییابد. عموما برای تأمین سرمایش فضاها دو نوع سیستم متداول است که یکی سیستم سرمایش تراکمی و دیگری سیستم سرمایش جذبی است . تفاوت عمده این دو سیستم ناشی از وجود متراکم کننده در سیستم تراکمی و جایگزینی ژنراتور و جذب کننده به جای آن در سیستم های سرمایشی جذبی است . هدف از ایجاد این تغییرات کمینه سازی مصرف انرژی الکتریکی است چرا که متراکم کننده موجود در سیستم های تراکمی برای متراکم کردن سیالی با حجم مخصوص بالا، انرژی الکتریکی زیادی را میطلبد در صورتیکه در سیستم های جذبی، تنها منابع استفاده کننده از انرژی الکتریکی پمپ ها هستند که به مراتب مصرف انرژی الکتریکی کمتری نسبت به متراکم کننده دارند. بنابراین به این نتیجه خواهیم رسید که سیستم های جذبی میزان انرژی الکتریکی کمتری نسبت به سیستم های تراکمی مصرف میکنند. حال ممکن است این نظریه مطرح شود که انرژی الکتریکی موردنیاز متراکم کننده را از برق خورشیدی (سلول های فتوولتاییک ) تأمین کنیم ، اما با توجه به دلایل زیر اثبات میکنیم که استفاده از سیستم حرارتی خورشیدی در یک سیکل سرمایش جذبی بسیار بهتر و مفیدتر از این نظریه است .
اولین و مهمترین دلیل اینکه در اکثر نقاط دنیا از جمله ایران تولید برق خورشیدی بسیار پرهزینه تر از سیستم های حرارتی خورشیدی است ، لازم به ذکر است که تولید برق خورشیدی در مقیاس های کوچک (از ١ تا ١٠٠ وات ) منطقیتر به نظر میرسد. دومین دلیل اینکه اگرچه امروزه در سیستم های تراکمی از مبردهایی استفاده میشود که صدمه ی کمتری به لایه ی ازن میزنند اما این مبردها کماکان به صورت قابل ملاحظه ای میزان گازهای گلخانه ای را تشدید میکنند و به طور کلی این مبردها در مقایسه با Co2 صدها برابر نرخ اثرات گلخانه ای را افزایش می دهند و این در حالی است که مبردهای مورد استفاده در سیستم های سرمایش جذبی چنین عیب بزرگی ندارند.
حال که مزیت سیستم های جذبی نسبت به سیستم های تراکمی مشخص گردید با بررسی انواع سیستم های سرمایش جذبی، سازگارترین آنها را با سیستم خورشیدی تعیین خواهیم کرد: از دیدگاه نوع سیال کاری چیلرهای جذبی میتوان آنها را به دو گروه کلی تقسیم بندی نمود که کاربری بیشتری در تامین سرمایش فضاها دارند. گروه اول چیلرهای آب آمونیاک و گروه دوم به چیلرهای لیتیم بروماید آب موسوم اند. اولی برای کاربردهای سرمایشی زیر صفر درجه و دومی برای کاربردهای سرمایشی بالای صفر درجه (بالای c ۵٠) مورد استفاده قرار می گیرند[۶].
چیلرهای جذبی را می توان از لحاظ تعداد ژنراتورهای آنها نیز تقسیم بندی نمود که به دو دسته ی کلی چیلرهای جذبی تک اثره و چیلرهای جذبی دو اثره تقسیم میشوند که تفاوت آنها حاصل از تفاوت تعداد ژنراتورهای آنها است .
همچنبن چیلرهای جذبی تک اثره را نیز میتوان براساس چگونگی عملکرد ژنراتورهای آنها به سه دسته ی کلی تقسیم بندی کرد. در دسته ی اول که به ژنراتورهای شعله مستقیم موسوم اند، شعله مستقیما محلول درون ژنراتور را گرم می کند و در دسته ی دوم آب داغ یا بخار وارد ژنراتور شده و عامل جداسازی مبرد موجود درون سیستم میشود و در دسته ی آخر که به چیلرهای جذبی تک اثره با تغذیه آب گرم موسوم اند، آب گرم حدود c ٨٨٠ وارد ژنراتور شده و فرآیند جداسازی جذب کننده و مبرد (لیتیم بروماید و آب ) را انجام میدهد.
هزینه ی اقتصادی این نوع چیلرها از مدل های دیگر بیشتر است و در صنایع کاربرد کمتری دارند و میتوان گفت تنها در صنایعی استفاده میشوند که دارای واحد بازیافت انرژی و حرات (Cogeneration) هستند. بعنوان مثال در نیروگاه های حرارتی مقدار زیادی انرژی، در بخار خروجی از توربین های بخار وجود دارد که میتوان از آن برای گرم کردن آب ورساندن آن به دمای c ٨٨٠ و انتقال این آب به ژنراتور چیلرهای جذبی استفاده نمود. از این رو این چیلرها در صنایع امروز مصارف خاصی دارند و کاربرد آنها روز به روز در حال کاهش است [٩]. در این مقاله سعی خواهیم کرد که تا با انتقال آب c ٨٨٠ حاصل از یک سیستم خورشیدی به یک چیلر جذبی تک اثره با تغذیه آب گرم نشان دهیم که از این نوع چیلرها میتوان در ایجاد سرمایش خورشیدی بهره برد و میزان انرژی مصرفی در آنها را نیز به میزان قابل توجهی کاهش داد و در آینده ای نزدیک با تلفیق این نوع چیلرهای جذبی با سیستم های خورشیدی بار دیگر کاربرد آنها در صنایع و ساختمان های مسکونی وسعت خواهد یافت .
انتخاب نوع سیستم خورشیدی
مهمترین قسمت و به تعبیری قلب سیستم خورشیدی گردآورنده خورشیدی آن سیستم میباشد که با جذب انرژی تابشی خورشید و تبدیل آن به گرما، این حرارت را به سیالی که در گردآورنده جریان دارد (معمولا هوا، آب یا روغن ) انتقال میدهد. جدول زیر (جدول ١) انواع گردآورنده های خورشیدی موجود را تشریح می کند[١]:

حال این سؤال پیش میآید که در میان انواع گردآورنده های خورشیدی کدامیک از آن ها برای سیستم جذبی تک اثره با تغذیه آب گرم مناسب تر به نظر میرسد.
همان طور که در قسمت های قبلی گفته شد ژنراتور این نوع از چیلرها به آبگرم حدود c ٨٨٠ نیاز دارد و همین طور باید در نظر گرفت که استفاده از کلکتورهای تعقیب کننده هزینه ی گزافی را به سیستم سرمایشی ما تحمیل میکنند، بنابراین باید از گردآورنده های ثابت یکی را انتخاب نماییم .
شکل (١) میتواند در انتخاب نوع گردآورنده کمک زیادی کند[٨].

با توجه به این شکل می توان دریافت که دمای کارکرد هر کدام از این گردآورنده ها نسبت مستقیمی با بازدهی آنها خواهد داشت . به طوریکه با افزایش این دما در گردآورنده های صفحه تخت ، نرخ بازدهی آن ها به شدت کاهش مییابد و با گذر دما از حدود c ٧٠٠ بازدهی این گردآورنده از نصف هم کمتر خواهد شد. در حالیکه در گردآورنده های لوله ای خلاء با رسیدن دما به c ١٠٠٠، بازدهی حدود ۶٠% خواهد شد. همان طور که در شکل مشاهده می کنیم با دمای کارکرد حدود c ٩٠٠ بازده حدود ۶۵% خواهد بود. درصورتیکه در این دما بازدهی کلکتورهای صفحه تخت حدود ۴٢% است .
از سوی دیگر کارایی گردآورنده های خورشیدی صفحه تخت در شرایط نامطلوب آب و هوایی مانند روزهای سرد، ابری و طوفانی کاهش مییابد. ه مچنین تأثیر شرایط جوی مانند تقطیر و رطوبت باعث خرابی زودهنگام قطعات داخلی و در نتیجه کاهش کارایی سیستم میشود در حالیکه گردآورنده های لوله ای خلاء بگونه ای متفاوت از این نوع گردآورنده های خورشیدی هستند و از لوله های شیشه ای که هوای داخل آن تخلیه شده ساخته میشوند ( شکل ٢)[١٠].
به علت تخلیه هوای بین لوله و شیشه و جذب کننده این نوع گردآورنده دارای افت کم انتقال حرارت از طریق جابجایی، حتی در دمای بالا است . این فرآیند تخلیه هوا مهمترین عامل در عملکرد گردآورنده های لوله ای خلاء میباشد و به طور کلی میتوان گفت که خلاء عایق بسیار خوبی است و اگر این عمل به صورت صحیح انجام شود وقتی دمای داخل لوله به ١۵٠ درجه سلسیوس میرسد لایه ی خروجی لوله را می توان با دست لمس کرد و در مجموع این نوع گردآورنده ها ترکیبی از یک سطح انتخابی و یک مانع مؤثر انتقال حرارت جابجایی میباشند و علاوه بر تابش مستقیم خورشید تابش های پراکنده را نیز جذب می کنند.
پس با شرایط فوق میتوان گفت مناسب ترین سیستم سرمایشی خورشیدی یک چیلر جذبی تک اثره با تغذیه آب گرم با گردآورنده های لوله خلاء می باشد.

محاسبه بار سرمایشی
برآورد بار سرمایشی توسط نرم افزار
برآورد بار سرمایشی این پروژه توسط نرم افزار (Hap۴.٣(Carrier که یکی از رایج ترین نرم افزارهای محاسبه و شبیه سازی انرژی و بار حرارتی و برودتی ساختمان ها میباشند صورت گرفته است .
جدول (٢) نتایج بار برودتی ساختمان فوق را نشان میدهد که با احتساب ١٠% ضریب اطمینان توسط نرم افزار، بار برودتی ساختمان kW١۴۵۵٨ به ازای c ٨٩۴ فضای مفید تهویه شده است [۴]

جدول (٣) برای روز دهم تیر ماه یا اول جولای (بحرانیترین شرایط طراحی) به ازای ساعات مختلف کارکرد سیستم و نیز میزان دمای هوای محیط ، مقدار بار سرمایشی سیستم را نشان میدهد و همان طور که در جدول مشاهده می شود برای بیشترین دمای هوای بیرون در ساعت ٣ بعدازظهر میزان سرمایش حداکثر خواهد بود.
جدول ٣: دهم تیر ماه (اول جولای) تغییرات بار سرمایشی در اثر تغییر دما در هر ساعت از روز

طراحی دستگاه سرماساز
همان طور که در قسمت های قبل اشاره شد سیستم مناسب برای تلفیق سیستم خورشیدی و سرمایشی، نوعی چیلر جذبی تک اثره با تغذیه آبگرم است که دمای آب ورودی از سیستم خورشیدی به این چیلرها حدود c ٨٨٠ بوده و با اختلاف دمای حدود c ۵٠ این آب از ژنراتور خارج شده و بار دیگر به سمت گردآورنده های خورشیدی باز میگردد.
بالانس حرارتی یک چیلر جذبی به صورت زیر است :

Qg : توان ژنراتور (kW)
Qe : گرمای جذب شده توسط اواپراتور (kW)
Qc : حرارت جذب شده توسط برج خنک کننده (kW)
با محاسبه بار برودتی توسط نرم افزار که عددی تقریبا برابر با Qe می باشد و همچنین با به دست آوردن حرارت دفع شده توسط برج خنک کن Qc میتوان میزان توان موردنیاز ژنراتور Qg را محاسبه کرد[۶].
برای کارکرد چنین چیلر جذبی محدوده های دمای آب ورودی به ژنراتور باید بین ٩۵ تا ٧٠ درجه سانتیگراد باشد
تا دمای آب سرد حاصل در چیلر به c ٧٠ برسد.
میزان ضریب عملکرد (cop) این چیلر رابطه مستقیمی با دمای آب ورودی جهت خنک کاری (از برج خنک کن ) و همین طور دمای آب ورودی به ژنراتور دارد به طوری که اگر دمای آب ورودی به سیستم از طرف برج خنک کن c ٣٠ و دمای آب ورودی به ژنراتور در دمای c ٩۵ باشد ظرفیت سرمایشی دستگاه به ١.٢ خواهد رسید که میزان مطلوبی است . شکل (٣) صحت این گفته را نمایش میدهد[١٢].

شکل ٣: ظرفیت سرمایشی چیلر خورشیدی در شرایط مختلف
با توجه به اینکه دمای سرمایشی بالای صفر درجه بوده یعنی دمای آب خروجی از اوپراتور c ٧ میباشد از آب و لیتیم بروماید به عنوان مبرد و جذب کننده استفاده میکنیم که ماده ای ایمن ، بیبو و غیرسمی و بدون ضرر برای محیط زیست است . البته این سیال با سیال کاری سیستم خورشیدی متفاوت است و باید گفت که آب ارجح ترین گزینه برای یک سیکل خورشیدی است . دمای موجود در گردآورنده ها در طول سال ممکن است بین c ١۵- تا c ١۵٠ متغیر باشند. درنتیجه آب گزینه مناسبی نمی تواند باشد، بنابراین از ضدیخ که همان پروپیلن گلیکول است استفاده میکنیم .
در طراحی این چیلر باید توجه کرد که محلول آب و لیتیم بروماید با محلول آب و پروپیلن گلیکول نباید با هم در تماس مستقیم باشند و یا با یکدیگر مخلوط شوند. بلکه ژنراتور به عنوان یک مبدل حرارتی بین این دو سیال عمل می کند.
برای جلوگیری از کریستالیزاسیون از یک پمپ محلول و سیستم Drain back استفاده میکنیم که این پمپ محلول بهتر است از نوع هرمتیک باشد. در کنترل این چیلر باید توجه داشت که حداکثر فشار در این چیلر kpa۵٨٨ طراحی شده و فشار جریان آب نباید از این مقدار بیشتر شود.
سؤال دیگری که ممکن است مطرح شود این است که در ٧ ماه مابقی سال که از چیلر جذبی استفاده نمیکنیم این گردآورنده ها چه نقشی خواهند داشت ؟ در پاسخ به این سؤال باید گفت میتوان از چیلر فوق به عنوان چیلر- پمپ حرارتی استفاده کرد تا در زمستان وظیفه گرمایش را به عهده داشته باشد یعنی با ورود آب بین ٩٠ تا ٧٠ درجه سانتیگراد به ژنراتور آب خروجی جهت تأمین گرمایش به درجه c ۵۵٠ خواهد رسید. راه حل دیگر استفاده از آب گرم حاصل از گردآورنده جهت تأمین آبگرم مصرفی ساختمان میباشند که در بحث این مقاله نمی گنجد چرا که بحث ما در این مقاله تأمین سرمایش ساختمان فوق است .
تلفیق سیستم سرمایش با سیستم خورشیدی
محاسبه میزان تابش و جذب
برای محاسبه ی میزان تابش و جذب به داده های Nasa مراجعه میکنیم که یکی از معتبرترین منابع اطلاعاتی است . اطلاعات زیر براساس این منبع اطلاعاتی در ماه جولای (تیر – مرداد) و به صورت میانگین می باشد[٧].

شکل ۴: میزان تابش خورشید در ساعات مختلف روز
میزان تابش ماهانه مستقیم بر سطح افق و همچنین میزان تابش ماهانه پراکنده به سطح افق که با Hb و Hd نشان داده میشود در زیر آمده است :

با فرض تابش حدود ٩ ساعته در این ماه از تابستان مقدار توان ماهانه تابش خورشیدی به روی سطح افق w.m٢ ٨٣۴ است .

برای تعیین شیب بهینه گردآور میتوان از الگوی زیر استفاده کرد:
١. اگر شیب گردآور را بیشتر از عرض جغرافیایی محل موردنظر فرض کنیم ، در زمستان خروجی بیشتری از گردآور خواهیم داشت .
٢. اگر شیب گردآور را کمتر از عرض جغرافیایی محل فرض کنیم ، در تابستان خروجی بیشتری از گردآور خواهیم داشت .
٣. اگر شیب گردآور را مساوی با عرض جغرافیایی محل موردنظر فرض کنیم ، هم در زمستان و هم در تابستان خروجی مناسبی خواهیم داشت .
با توجه به موارد فوق گردآورنده ها را به سمت جنوب و با شیب بهینه ٣۶ درجه که حدودا برابر با عرض جغرافیایی شهر تهران است در تابستان نصب خواهیم نمود.
رابطه ی (٢) میزان تابش کل در ماه جولای روی سطح گردآورنده با شیب بهینه را نشان می دهد[٣]:

میزان تابش کل در ماه جولای روی سطح گردآورنده با شیب بهینه
نسبت زاویه تابش ماهانه بر روی سطح شیبدار به زاویه تابش ماهانه بر روی سطح افق
: شیب گردآورنده (درجه )
: ضریب انعکاس زمین
مؤلفه ای برحسب انرژی است که با فرض تابش نه ساعته در این ماه از سال (Jul)،پارامتر برحسب توان بدست خواهد آمد.
تعیین سطح ، قدرت خروجی و بازدهی گردآورنده
برای محاسبه قدرت خروجی گردآور از رابطه ی (٣) استفاده می کنیم :

q collector : توان خروجی به واحد سطح گردآورنده
FR : ضریب تصحیح یا ضریب برداشت حرارت
: حاصل ضرب ضریب جذب از صفحه جذب کننده و ضریب عبور از شیشه به صورت متوسط

U : میزان اتلاف کلی از گردآور
اختلاف دمای میانگین داخل گردآورنده و دمای محیط (K)
برای گردآورنده لوله ای خلاء مقدار حدود و مقدار حدود ٠.۶٨٩ محاسبه گردیده است .
محاسبه بازدهی گردآور خورشیدی به صورت نسبت قدرت خروجی گردآور به میزان توان تابشی متوسط ماهانه روی سطح شیبدار گردآورنده است :

راندمان گردآورنده

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 10700 تومان در 20 صفحه
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد