بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحي يک سيستم چيلر جذبي خورشيدي در شهر تهران و بررسي عملکرد اين سيستم در مقايسه با چيلرهاي جذبي رايج
کلمات کليدي:
چيلرجذبي خورشيدي گردآورهاي لوله اي خلاء، عملکرد سيستم جذبي، نرخ بازگشت سرمايه
چکيده :
کاربري انرژي خورشيدي به منظور تامين آبگرم مصرفي، گرمايش و سرمايش فضاها در ايران در دهه اخير بسيار مورد توجه قرار گرفته است . در اين مقاله ، يک سيستم چيلر جذبي خورشيدي براي يک ساختمان اداري با زيربناي ١٣٠٠ متر مربع در شهر تهران طراحي شده است . همچنين ميزان مصرف انرژي چيلر جذبي خورشيدي در مقايسه با چيلرهاي جذبي رايج مورد بررسي قرار گرفته است . ساعات کارکرد سيستم سرمايشي از ٨صبح الي ١٧، طي روزهاي پانزدهم ارديبهشت الي پانزدهم مهرماه در نظر گرفته شده است . اين پژوهش نشان مي دهد که سازگارترين نوع چيلر جذبي خورشيدي، چيلر جذبي تک اثره با تغذيه آبگرم و مناسب ترين گردآور خورشيدي جهت کاربري سرمايش ، گردآورهاي از نوع لوله اي خلاء مي باشد. توان ژنراتور اين چيلر جذبي تک اثره ٢٣٦کيلووات مي باشد که ٤١درصد آن با استفاده از گردآورنده هاي لوله اي خلاء تامين مي شود. دستيابي به اين هدف نيازمند بهره گيري از ١٠٤ گردآورنده ٢٢ لوله اي با مساحت کلي سطح جاذب ١٨٤ متر مربع خواهد بود. با اين جايگزيني نرخ بازگشت سرمايه ١٠.٥سال برآورد مي شود.
مقدمه
انرژي خورشيدي يکي از پاکترين و بزرگ ترين منابع انرژيهاي تجديدپذير است که به علت نياز نداشتن به فن آوريهاي پيشرفته و پرهزينه ، به عنوان يک منبع مفيد و تأمين کننده انرژي در اکثر نقاط جهان رو به توسعه است . امروزه بيش از ٩٩.٩ درصد از مجموع انرژيهايي که به زمين منتقل ميگردند منشأ خورشيدي دارد که مقدار آنها در حدود Tw ١٠٥ x ١.٨ است . علاوه بر روند رو به رشد قيمت انرژيهاي فسيلي، اثرات مخرب زيست محيطي آن ها از قبيل : آلودگيها، افزايش دماي کره زمين و تخريب لايه ي ازن ميل به استفاده از اين انرژي در دسترس را دو چندان کرده است . Co2 حاصل از فرآيند سوختن سوخت هاي فسيلي نقش اساسي را در تشديد گرمايش کره زمين ايفا مي کند. با استفاده از انرژي خورشيدي علاوه بر کاهش استفاده از سوخت هاي فسيلي تجديد ناپذير، افزون بر ٢٠% از ميزان انتشار گاز Co2 کاسته خواهد شد[٢].
در ايران ، استفاده از انرژي خورشيدي جهت تأمين سرمايش ساختمان ها از ديرباز مورد توجه بوده و ميتوان گفت اولين گردآورنده سرمايش خورشيدي براي به گردش در آوردن هواي خنک در ساختمان نزديک شهر يزد توسط معماران ايراني ساخته شده است . واقع شدن ايران در عرض جغرافيايي بين ٢٥٠ تا ٤٠٠ شمالي، ميانگين انرژي خورشيدي حدود و ميزان ساعات آفتابي بيش از hr ٨٨٠٠ در سال و همچنين سياست هاي دولت براي گسترش توليد انرژي از روش هاي نوين ، همه نشان از پتانسيل بالاي ايران در زمينه انرژي خورشيدي است .
سالهاست که استفاده از سيستم هاي نوين سرمايشي در ايران با سوخت هاي فسيلي همراه شده و توجه به استفاده از سيستم هاي تجديدپذير در تأمين سرمايش نزد طراحان و متخصصان علوم تأسيسات از درجه پائيني برخوردار شده است . در اين پژوهش بر آن شديم با طراحي تئوري يک چيلر جذبي سازگار با سيستم خورشيدي با رويکرد کاهش سوخت هاي فسيلي و بررسي عملکرد آن مهندسين ، طراحان و مسئولان کشور را براي استفاده از انرژيهاي تجديدپذير و بالاخص انرژي خورشيدي، ترغيب کنيم .
طرح سيستم
در اين مقاله هدف طراحي يک سيستم خورشيدي براي يک ساختمان اداري با زيربناي M2 ١٣٠٠ و با فضاي مفيد تهويه شده ي M2 ٨٩٤ در شهر تهران است . ساعات کاري اين مجموعه از ٨ صبح تا ٥ بعدازظهر است که سيستم سرمايشي يک ساعت زودتر و قبل از حضور کارکنان شروع به کار خواهد کرد. مدت زمان کارکرد سيستم براي ٥ ماه سال طي روزهاي ١٥ ارديبهشت تا ١٥ مهرماه در نظر گرفته ميشود.
با توجه به داده هاي NASA در سال ٢٠٠٩ ميلادي شرايط زير براي شهر تهران در نظر گرفته خواهد شد[٧]:
اجزاي سيستم
انتخاب نوع سيستم سرمايشي
افزايش ميل براي رسيدن انسان به شرايط آسايش از ديرباز مورد توجه بوده که در سال هاي اخير اين ميل به اوج خود رسيده است . مهمترين عامل در تأمين اين آسايش ، سرمايش مطلوب فضاي زندگي انسان است . چرا که محققان نشان داده اند که کارايي انسان در دماهاي بالاي c ٢٤٠ به صورت قابل ملاحظه اي کاهش مييابد. عموما براي تأمين سرمايش فضاها دو نوع سيستم متداول است که يکي سيستم سرمايش تراکمي و ديگري سيستم سرمايش جذبي است . تفاوت عمده اين دو سيستم ناشي از وجود متراکم کننده در سيستم تراکمي و جايگزيني ژنراتور و جذب کننده به جاي آن در سيستم هاي سرمايشي جذبي است . هدف از ايجاد اين تغييرات کمينه سازي مصرف انرژي الکتريکي است چرا که متراکم کننده موجود در سيستم هاي تراکمي براي متراکم کردن سيالي با حجم مخصوص بالا، انرژي الکتريکي زيادي را ميطلبد در صورتيکه در سيستم هاي جذبي، تنها منابع استفاده کننده از انرژي الکتريکي پمپ ها هستند که به مراتب مصرف انرژي الکتريکي کمتري نسبت به متراکم کننده دارند. بنابراين به اين نتيجه خواهيم رسيد که سيستم هاي جذبي ميزان انرژي الکتريکي کمتري نسبت به سيستم هاي تراکمي مصرف ميکنند. حال ممکن است اين نظريه مطرح شود که انرژي الکتريکي موردنياز متراکم کننده را از برق خورشيدي (سلول هاي فتوولتاييک ) تأمين کنيم ، اما با توجه به دلايل زير اثبات ميکنيم که استفاده از سيستم حرارتي خورشيدي در يک سيکل سرمايش جذبي بسيار بهتر و مفيدتر از اين نظريه است .
اولين و مهمترين دليل اينکه در اکثر نقاط دنيا از جمله ايران توليد برق خورشيدي بسيار پرهزينه تر از سيستم هاي حرارتي خورشيدي است ، لازم به ذکر است که توليد برق خورشيدي در مقياس هاي کوچک (از ١ تا ١٠٠ وات ) منطقيتر به نظر ميرسد. دومين دليل اينکه اگرچه امروزه در سيستم هاي تراکمي از مبردهايي استفاده ميشود که صدمه ي کمتري به لايه ي ازن ميزنند اما اين مبردها کماکان به صورت قابل ملاحظه اي ميزان گازهاي گلخانه اي را تشديد ميکنند و به طور کلي اين مبردها در مقايسه با Co2 صدها برابر نرخ اثرات گلخانه اي را افزايش مي دهند و اين در حالي است که مبردهاي مورد استفاده در سيستم هاي سرمايش جذبي چنين عيب بزرگي ندارند.
حال که مزيت سيستم هاي جذبي نسبت به سيستم هاي تراکمي مشخص گرديد با بررسي انواع سيستم هاي سرمايش جذبي، سازگارترين آنها را با سيستم خورشيدي تعيين خواهيم کرد: از ديدگاه نوع سيال کاري چيلرهاي جذبي ميتوان آنها را به دو گروه کلي تقسيم بندي نمود که کاربري بيشتري در تامين سرمايش فضاها دارند. گروه اول چيلرهاي آب آمونياک و گروه دوم به چيلرهاي ليتيم برومايد آب موسوم اند. اولي براي کاربردهاي سرمايشي زير صفر درجه و دومي براي کاربردهاي سرمايشي بالاي صفر درجه (بالاي c ٥٠) مورد استفاده قرار مي گيرند[٦].
چيلرهاي جذبي را مي توان از لحاظ تعداد ژنراتورهاي آنها نيز تقسيم بندي نمود که به دو دسته ي کلي چيلرهاي جذبي تک اثره و چيلرهاي جذبي دو اثره تقسيم ميشوند که تفاوت آنها حاصل از تفاوت تعداد ژنراتورهاي آنها است .
همچنبن چيلرهاي جذبي تک اثره را نيز ميتوان براساس چگونگي عملکرد ژنراتورهاي آنها به سه دسته ي کلي تقسيم بندي کرد. در دسته ي اول که به ژنراتورهاي شعله مستقيم موسوم اند، شعله مستقيما محلول درون ژنراتور را گرم مي کند و در دسته ي دوم آب داغ يا بخار وارد ژنراتور شده و عامل جداسازي مبرد موجود درون سيستم ميشود و در دسته ي آخر که به چيلرهاي جذبي تک اثره با تغذيه آب گرم موسوم اند، آب گرم حدود c ٨٨٠ وارد ژنراتور شده و فرآيند جداسازي جذب کننده و مبرد (ليتيم برومايد و آب ) را انجام ميدهد.
هزينه ي اقتصادي اين نوع چيلرها از مدل هاي ديگر بيشتر است و در صنايع کاربرد کمتري دارند و ميتوان گفت تنها در صنايعي استفاده ميشوند که داراي واحد بازيافت انرژي و حرات (Cogeneration) هستند. بعنوان مثال در نيروگاه هاي حرارتي مقدار زيادي انرژي، در بخار خروجي از توربين هاي بخار وجود دارد که ميتوان از آن براي گرم کردن آب ورساندن آن به دماي c ٨٨٠ و انتقال اين آب به ژنراتور چيلرهاي جذبي استفاده نمود. از اين رو اين چيلرها در صنايع امروز مصارف خاصي دارند و کاربرد آنها روز به روز در حال کاهش است [٩]. در اين مقاله سعي خواهيم کرد که تا با انتقال آب c ٨٨٠ حاصل از يک سيستم خورشيدي به يک چيلر جذبي تک اثره با تغذيه آب گرم نشان دهيم که از اين نوع چيلرها ميتوان در ايجاد سرمايش خورشيدي بهره برد و ميزان انرژي مصرفي در آنها را نيز به ميزان قابل توجهي کاهش داد و در آينده اي نزديک با تلفيق اين نوع چيلرهاي جذبي با سيستم هاي خورشيدي بار ديگر کاربرد آنها در صنايع و ساختمان هاي مسکوني وسعت خواهد يافت .
انتخاب نوع سيستم خورشيدي
مهمترين قسمت و به تعبيري قلب سيستم خورشيدي گردآورنده خورشيدي آن سيستم ميباشد که با جذب انرژي تابشي خورشيد و تبديل آن به گرما، اين حرارت را به سيالي که در گردآورنده جريان دارد (معمولا هوا، آب يا روغن ) انتقال ميدهد. جدول زير (جدول ١) انواع گردآورنده هاي خورشيدي موجود را تشريح مي کند[١]:
حال اين سؤال پيش ميآيد که در ميان انواع گردآورنده هاي خورشيدي کداميک از آن ها براي سيستم جذبي تک اثره با تغذيه آب گرم مناسب تر به نظر ميرسد.
همان طور که در قسمت هاي قبلي گفته شد ژنراتور اين نوع از چيلرها به آبگرم حدود c ٨٨٠ نياز دارد و همين طور بايد در نظر گرفت که استفاده از کلکتورهاي تعقيب کننده هزينه ي گزافي را به سيستم سرمايشي ما تحميل ميکنند، بنابراين بايد از گردآورنده هاي ثابت يکي را انتخاب نماييم .
شکل (١) ميتواند در انتخاب نوع گردآورنده کمک زيادي کند[٨].
با توجه به اين شکل مي توان دريافت که دماي کارکرد هر کدام از اين گردآورنده ها نسبت مستقيمي با بازدهي آنها خواهد داشت . به طوريکه با افزايش اين دما در گردآورنده هاي صفحه تخت ، نرخ بازدهي آن ها به شدت کاهش مييابد و با گذر دما از حدود c ٧٠٠ بازدهي اين گردآورنده از نصف هم کمتر خواهد شد. در حاليکه در گردآورنده هاي لوله اي خلاء با رسيدن دما به c ١٠٠٠، بازدهي حدود ٦٠% خواهد شد. همان طور که در شکل مشاهده مي کنيم با دماي کارکرد حدود c ٩٠٠ بازده حدود ٦٥% خواهد بود. درصورتيکه در اين دما بازدهي کلکتورهاي صفحه تخت حدود ٤٢% است .
از سوي ديگر کارايي گردآورنده هاي خورشيدي صفحه تخت در شرايط نامطلوب آب و هوايي مانند روزهاي سرد، ابري و طوفاني کاهش مييابد. ه مچنين تأثير شرايط جوي مانند تقطير و رطوبت باعث خرابي زودهنگام قطعات داخلي و در نتيجه کاهش کارايي سيستم ميشود در حاليکه گردآورنده هاي لوله اي خلاء بگونه اي متفاوت از اين نوع گردآورنده هاي خورشيدي هستند و از لوله هاي شيشه اي که هواي داخل آن تخليه شده ساخته ميشوند ( شکل ٢)[١٠].
به علت تخليه هواي بين لوله و شيشه و جذب کننده اين نوع گردآورنده داراي افت کم انتقال حرارت از طريق جابجايي، حتي در دماي بالا است . اين فرآيند تخليه هوا مهمترين عامل در عملکرد گردآورنده هاي لوله اي خلاء ميباشد و به طور کلي ميتوان گفت که خلاء عايق بسيار خوبي است و اگر اين عمل به صورت صحيح انجام شود وقتي دماي داخل لوله به ١٥٠ درجه سلسيوس ميرسد لايه ي خروجي لوله را مي توان با دست لمس کرد و در مجموع اين نوع گردآورنده ها ترکيبي از يک سطح انتخابي و يک مانع مؤثر انتقال حرارت جابجايي ميباشند و علاوه بر تابش مستقيم خورشيد تابش هاي پراکنده را نيز جذب مي کنند.
پس با شرايط فوق ميتوان گفت مناسب ترين سيستم سرمايشي خورشيدي يک چيلر جذبي تک اثره با تغذيه آب گرم با گردآورنده هاي لوله خلاء مي باشد.
محاسبه بار سرمايشي
برآورد بار سرمايشي توسط نرم افزار
برآورد بار سرمايشي اين پروژه توسط نرم افزار (Hap٤.٣(Carrier که يکي از رايج ترين نرم افزارهاي محاسبه و شبيه سازي انرژي و بار حرارتي و برودتي ساختمان ها ميباشند صورت گرفته است .
جدول (٢) نتايج بار برودتي ساختمان فوق را نشان ميدهد که با احتساب ١٠% ضريب اطمينان توسط نرم افزار، بار برودتي ساختمان kW١٤٥٥٨ به ازاي c ٨٩٤ فضاي مفيد تهويه شده است [٤]
جدول (٣) براي روز دهم تير ماه يا اول جولاي (بحرانيترين شرايط طراحي) به ازاي ساعات مختلف کارکرد سيستم و نيز ميزان دماي هواي محيط ، مقدار بار سرمايشي سيستم را نشان ميدهد و همان طور که در جدول مشاهده مي شود براي بيشترين دماي هواي بيرون در ساعت ٣ بعدازظهر ميزان سرمايش حداکثر خواهد بود.
جدول ٣: دهم تير ماه (اول جولاي) تغييرات بار سرمايشي در اثر تغيير دما در هر ساعت از روز
طراحي دستگاه سرماساز
همان طور که در قسمت هاي قبل اشاره شد سيستم مناسب براي تلفيق سيستم خورشيدي و سرمايشي، نوعي چيلر جذبي تک اثره با تغذيه آبگرم است که دماي آب ورودي از سيستم خورشيدي به اين چيلرها حدود c ٨٨٠ بوده و با اختلاف دماي حدود c ٥٠ اين آب از ژنراتور خارج شده و بار ديگر به سمت گردآورنده هاي خورشيدي باز ميگردد.
بالانس حرارتي يک چيلر جذبي به صورت زير است :
Qg : توان ژنراتور (kW)
Qe : گرماي جذب شده توسط اواپراتور (kW)
Qc : حرارت جذب شده توسط برج خنک کننده (kW)
با محاسبه بار برودتي توسط نرم افزار که عددي تقريبا برابر با Qe مي باشد و همچنين با به دست آوردن حرارت دفع شده توسط برج خنک کن Qc ميتوان ميزان توان موردنياز ژنراتور Qg را محاسبه کرد[٦].
براي کارکرد چنين چيلر جذبي محدوده هاي دماي آب ورودي به ژنراتور بايد بين ٩٥ تا ٧٠ درجه سانتيگراد باشد
تا دماي آب سرد حاصل در چيلر به c ٧٠ برسد.
ميزان ضريب عملکرد (cop) اين چيلر رابطه مستقيمي با دماي آب ورودي جهت خنک کاري (از برج خنک کن ) و همين طور دماي آب ورودي به ژنراتور دارد به طوري که اگر دماي آب ورودي به سيستم از طرف برج خنک کن c ٣٠ و دماي آب ورودي به ژنراتور در دماي c ٩٥ باشد ظرفيت سرمايشي دستگاه به ١.٢ خواهد رسيد که ميزان مطلوبي است . شکل (٣) صحت اين گفته را نمايش ميدهد[١٢].
شکل ٣: ظرفيت سرمايشي چيلر خورشيدي در شرايط مختلف
با توجه به اينکه دماي سرمايشي بالاي صفر درجه بوده يعني دماي آب خروجي از اوپراتور c ٧ ميباشد از آب و ليتيم برومايد به عنوان مبرد و جذب کننده استفاده ميکنيم که ماده اي ايمن ، بيبو و غيرسمي و بدون ضرر براي محيط زيست است . البته اين سيال با سيال کاري سيستم خورشيدي متفاوت است و بايد گفت که آب ارجح ترين گزينه براي يک سيکل خورشيدي است . دماي موجود در گردآورنده ها در طول سال ممکن است بين c ١٥- تا c ١٥٠ متغير باشند. درنتيجه آب گزينه مناسبي نمي تواند باشد، بنابراين از ضديخ که همان پروپيلن گليکول است استفاده ميکنيم .
در طراحي اين چيلر بايد توجه کرد که محلول آب و ليتيم برومايد با محلول آب و پروپيلن گليکول نبايد با هم در تماس مستقيم باشند و يا با يکديگر مخلوط شوند. بلکه ژنراتور به عنوان يک مبدل حرارتي بين اين دو سيال عمل مي کند.
براي جلوگيري از کريستاليزاسيون از يک پمپ محلول و سيستم Drain back استفاده ميکنيم که اين پمپ محلول بهتر است از نوع هرمتيک باشد. در کنترل اين چيلر بايد توجه داشت که حداکثر فشار در اين چيلر kpa٥٨٨ طراحي شده و فشار جريان آب نبايد از اين مقدار بيشتر شود.
سؤال ديگري که ممکن است مطرح شود اين است که در ٧ ماه مابقي سال که از چيلر جذبي استفاده نميکنيم اين گردآورنده ها چه نقشي خواهند داشت ؟ در پاسخ به اين سؤال بايد گفت ميتوان از چيلر فوق به عنوان چيلر- پمپ حرارتي استفاده کرد تا در زمستان وظيفه گرمايش را به عهده داشته باشد يعني با ورود آب بين ٩٠ تا ٧٠ درجه سانتيگراد به ژنراتور آب خروجي جهت تأمين گرمايش به درجه c ٥٥٠ خواهد رسيد. راه حل ديگر استفاده از آب گرم حاصل از گردآورنده جهت تأمين آبگرم مصرفي ساختمان ميباشند که در بحث اين مقاله نمي گنجد چرا که بحث ما در اين مقاله تأمين سرمايش ساختمان فوق است .
تلفيق سيستم سرمايش با سيستم خورشيدي
محاسبه ميزان تابش و جذب
براي محاسبه ي ميزان تابش و جذب به داده هاي Nasa مراجعه ميکنيم که يکي از معتبرترين منابع اطلاعاتي است . اطلاعات زير براساس اين منبع اطلاعاتي در ماه جولاي (تير – مرداد) و به صورت ميانگين مي باشد[٧].
شکل ٤: ميزان تابش خورشيد در ساعات مختلف روز
ميزان تابش ماهانه مستقيم بر سطح افق و همچنين ميزان تابش ماهانه پراکنده به سطح افق که با Hb و Hd نشان داده ميشود در زير آمده است :
با فرض تابش حدود ٩ ساعته در اين ماه از تابستان مقدار توان ماهانه تابش خورشيدي به روي سطح افق w.m٢ ٨٣٤ است .
براي تعيين شيب بهينه گردآور ميتوان از الگوي زير استفاده کرد:
١. اگر شيب گردآور را بيشتر از عرض جغرافيايي محل موردنظر فرض کنيم ، در زمستان خروجي بيشتري از گردآور خواهيم داشت .
٢. اگر شيب گردآور را کمتر از عرض جغرافيايي محل فرض کنيم ، در تابستان خروجي بيشتري از گردآور خواهيم داشت .
٣. اگر شيب گردآور را مساوي با عرض جغرافيايي محل موردنظر فرض کنيم ، هم در زمستان و هم در تابستان خروجي مناسبي خواهيم داشت .
با توجه به موارد فوق گردآورنده ها را به سمت جنوب و با شيب بهينه ٣٦ درجه که حدودا برابر با عرض جغرافيايي شهر تهران است در تابستان نصب خواهيم نمود.
رابطه ي (٢) ميزان تابش کل در ماه جولاي روي سطح گردآورنده با شيب بهينه را نشان مي دهد[٣]:
ميزان تابش کل در ماه جولاي روي سطح گردآورنده با شيب بهينه
نسبت زاويه تابش ماهانه بر روي سطح شيبدار به زاويه تابش ماهانه بر روي سطح افق
: شيب گردآورنده (درجه )
: ضريب انعکاس زمين
مؤلفه اي برحسب انرژي است که با فرض تابش نه ساعته در اين ماه از سال (Jul)،پارامتر برحسب توان بدست خواهد آمد.
تعيين سطح ، قدرت خروجي و بازدهي گردآورنده
براي محاسبه قدرت خروجي گردآور از رابطه ي (٣) استفاده مي کنيم :
q collector : توان خروجي به واحد سطح گردآورنده
FR : ضريب تصحيح يا ضريب برداشت حرارت
: حاصل ضرب ضريب جذب از صفحه جذب کننده و ضريب عبور از شيشه به صورت متوسط
U : ميزان اتلاف کلي از گردآور
اختلاف دماي ميانگين داخل گردآورنده و دماي محيط (K)
براي گردآورنده لوله اي خلاء مقدار حدود و مقدار حدود ٠.٦٨٩ محاسبه گرديده است .
محاسبه بازدهي گردآور خورشيدي به صورت نسبت قدرت خروجي گردآور به ميزان توان تابشي متوسط ماهانه روي سطح شيبدار گردآورنده است :
راندمان گردآورنده
