بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
نقش موثر رسوب زدایی منابع آب گرم بهداشتی در بهینه سازی مصرف انرژی و قابلیت ممتاز سامانه کنترل هوشمند موتورخانه در تشخیص و کاهش شدت تشکیل آن
چکیده
در بین ا جزاء موتورخانه مبدلهای حرارتی بیشترین رسوب را تولید می کنند . رسوب که به صورت لایه ای سخت در دیواره ها تشکیل می شود همانند عایق از انتقال بهینه انرژی به سیال ناقل حرارت در موتورخانه جلوگیری کرده و در نتیجه انرژی تولید شده در سیستم هدر می رود .
با توجه به بررسی نزدیک به 1000 موتورخانه مشخص گردید یکی از عوامل اصلی در افزایش مصرف انرژی و هزینه های جاری ساختمان عدم توجه بهره برداران موتورخانه به مضرات تشکیل رسوب در مبدلهای حرارتی است . اهمیت این نقیصه زمانی عریان گردید که پس از رسوب زدایی مبدل آب گرم بهداشتی یک ی از موتورخانه های مورد تحقیق که مجهز به سامانه کنترل هوشمند نیز بود مصارف گاز و برق موتورخانه با کاهش %35 مواجه گردید .
رسوب زدایی گرچه تاثیر آشکار خود را به صورت مستقیم در کاهش مصرف سوخت و برق موتورخانه نشان می دهد اما آنچه که از دیدگان پنهان است و ممکن است تاثیر آن در کوتاه مدت قابل لمس نباشد ، کمک به جلوگیری از انتشار آلاینده های زیست محیطی ناشی از اتلاف غیر ضرور انرژی متاثر از رسوب زدایی مبدلهای حرارتی است . تحقق اثرات آشکار و پنهان اجرای این راهکار کم هزینه و پربازده ، زمانی از اهمیت برخوردار است که بتوان رسوب منابع را به موقع و با دقت بالا شناسایی کرد تا در صدد رفع آن بر آمد .
در این مقاله به صورت مستند با تحلیل عملکرد موتورخانه ساختمانی مسکونی ، به بررسی تاثیر رسوب زدایی منابع آب گرم بهداشتی در بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش آلودگی زیست محیطی پرداخته و نقش با ارزش سیستم کنترل هوشمند موتورخانه در کمک به شناسایی رسوب منابع و تاثیر غیر مستقیم و موثر کارکرد این سامانه در کاهش شدت تشکیل رسوب مورد بررسی قرار می گیرد .
کلمات کلیدی : بهینه سازی مصرف انرژی ، رسوب زدایی مبدل آب گرم بهداشتی ، سیستم کنترل هوشمند موتورخانه ، کاهش تولید و انتشار آلاینده های زیست محیطی .
مقدمه
کاهش راندمان گرمایش ساختمان ، کاهش راندمان حرارتی تامین آب گرم مصرفی ، ایجاد خوردگی و فرسایش دربین قطعات و تجهیزات حرارتی و از همه مهمتر اتلاف انرژی و وارد آمدن خسارت سنگین به محیط زیست از مه مترین تبعات حاصل از فرآیند تشکیل رسوب در ادوات حرارتی تاسیسات گرمایشی ساختمان است البته این نقیصه در ساختمانهای خانگی که کمتر مجهز به تجهیزات رسوب گیری هستند بیشتر بروز خواهد کرد .
یکی از عوامل موثر در افزایش مصرف گاز و برق در تاسیسات حرارت مرکزی ، رسوب منابع آب گرم بهداشتی می باشد . رسوب منابع به عنوان عایق از تبادل حداکثری حرارت بین آب دیگ و آب گرم بهداشتی جلوگیری کرده و در نتیجه راندمان حرارتی تامین آب گرم بهداشتی را پایین می آورد . این نقیصه از آنجا که باعث افزایش کارکرد تجهیزات الکتریکی موتورخانه برای جبران تلفات انرژی ناشی از اثرات رسوب می شود با اتلاف غیر ضروری و بسیار زیاد گاز مصرفی مشعلها همراه خواهد گردید . ریشه این نقیصه از اینجا شروع می شود که در این قبیل موتورخانه ها ، ساکنان ساختمان به علت دسترسی به دمای مطلوب آب گرم بهداشتی ، همواره دمای ترموستات دیگ را خصوصاً در دوره گرم سال روی اعداد بالا تنظیم می کنند که طبیعتاً این امر علاوه بر اینکه باعث افزایش مصرف گاز و برق در مشعلها و پمپها می شود سبب افزایش کارکرد آنها و در نتیجه کاهش عمر مفیدشان نیز می گردد .
طبق تحقیقات مستند صورت گرفته از موتورخانه یک ساختمان مسکونی واقع در شهر تهران که توسط سامانه کنترل هوشمند موتورخانه هدایت می شود و با تحلیل نمودارهای عملکردی موتورخانه در زمانهای قبل و بعد از رسوب زدایی منبع آب گرم بهداشتی که داده های آن از حافظه سامانه هوشمند استخراج گردیده است ، در فصل تابستان که موتورخانه فقط جهت تامین دمای آب گرم بهداشتی فعال بوده ، صرفاً با رسوب زدایی مبدل آب گرم بهداشتی ، مصرف گاز و برق موتورخانه این ساختمان نزدیک به %35 کاهش پیدا کرده است . به همین دلیل رسوب زدایی به موقع منابع آب گرم بهداشتی و همچنین دیگها که باعث جلوگیری از اتلاف برق و گاز غیر ضروری در موتورخانه ها می شود به عنوان راهکاری کم هزینه ولی بسیار موثردر حوزه بهینه سازی مصرف انرژی ارزش خود را به رخ بسیاری از راهکارهای بهینه سازی پر هیاهو و پر هزینه در بخش ساختمان می کشد .
در حال حاظر جهت بهینه سازی مصرف انرژی ، راهکارهای متعددی در بخشهای مختلف ساختمان ارائه می گردد که هر کدام با مختصات متفاوتی از لحاظ میزان سرمایه گذ اری ، پتانسیل استحصال صرفه جویی و دوره بازگشت سرمایه برخوردارند اما آنچه که بایستی بیشتر مورد توجه جدی قرار بگیرد هدف گذ اری راهکارهایی است که با صرف کمترین هزینه ، صرفه جویی قابل ملاحضه ای به همراه داشته باشد که از این حیث رسوب زدایی به موقع و مستمر تجهیزات موتورخانه خصوصاً در بخش خانگی که کمتر از تجهیزات رسوب گیری بهره می برند می تواند حائز این امتیاز گردد که انتظار می رود با اطلاع رسانی بیشتر مراجع ذی ربط در حوزه بهینه سازی ، بیش از پیش مورد توجه جدی قرار گیرد .
نگاهی اجمالی به چگونگی تشکیل رسوب و نقش موثر سیستم کنترل هوشمند موتورخانه در کاهش شدت تشکیل آن و در نتیجه صرفه جویی غیر مستقیم در مصرف انرژی موتورخانه
آب باران هنگام نزول مقداری از دی اکسید کربن هوا را در خود حل می کند و به صورت یک اسید ضعیف در می آید این آب که حالا کمی کیفیت اسیدی نیز به خود گرفته است ناخودآگاه بستر مناسبی برای انحلال بعضی املاح موجود درخاک در خود می شود لذا در ادامه مسیر و حین عبور از لایه های زمین خصوصاً محیطهای آهکی مقدار ی کربنات کلسیم ( کلسیت یا سنگ آهک ) را در خود حل می کند و تبدیل به آب سخت می شود . ولی سختی این آب چندان پایدار نیست و به محض دریافت حرارت دچار واکنش شده و به دلیل اینکه گاز دی اکسید کربن در سیال گرم قابلیت فراریت دارد از آب جدا شده و پیامد آن ، کربنات کلسیم نیز مقاومت خود را از دست داده و از آب کنده می شود و در نهایت سختی آب تقلیل پیدا کرده و کربنات کلسیم این بار در نقشی متفاوت و به شکل رسوب خود را ظاهر می کند. [ 1 ]
از آنجا که ضریب هدایت حرارتی کربنات کلسیم بسیار کم است (در دمای متوسط 140 ° F مبدلهای حرارتی موتورخانه های آب گرم ، ضریب هدایت حرارتی کربنات کلسیم برابر 0,055 w/m.k است که بسیار نزدیک به عایقهای حرارتی مرسوم از قبیل پشم شیشه و پشم سنگ با ضریب هدایت حرارتی 0,039 w/m.k است )، در صورت تشکیل رسوب نقش یک عایق را ایفا می کند. [ 2 ]
این نقیصه علاوه بر اینکه باعث خوردگی و فرسایش تجهیزات و در نتیجه تحمیل مشکلات و هزینه های سربار به ساختمان می گردد ، باعث افت شدید بازده انرژی مبدلهای حرارتی موتورخانه و پیامد آن افزایش مصرف انرژی و هزینه های پرداختی ساختمان بابت قبوض گاز و برق خواهد شد .
عمده ترین سیال ناقل حرارت در بخش تاسیسات ساختمان آب می باشد که در مبدلهای حرارتی وظیفه تبادل گرما را بر عهده دارد . در این مبدلها زمانی که دمای آب افزایش پیدا می کند میزان حلالیت املاح موجود در آب (کربنات
کلسیم) کاهش پیدا کرده و باعث ایجاد لایه ای سخت بنام رسوب می شود ، این رسوبات همان سختی آب هستند که با گرفتن گرما ، از آب خارج شده اند. معمولاً مواد حل شدنی با افزایش درجه حرارت سریعتر در آب حل می شوند ولیکن کربنات کلسیم به عنوان یک ماده معدنی از این قائده مستثنی است و حلالیت آن در آب با دما رابطه معکوس دارد ، از طرفی قابلیت حل شدن کربنات کلسیمشدیداً به میزان دی اکسید کربن موجود در آب بستگی دارد به عبارت دیگر کربنات کلسیم کاملا در آب خالص نامحلول می باشد ، اما در آب های حاوی دی اکسید کربن ، در حد قابل ملاحظه ای محلول است ، و از آنجا که دی اکسید کربن موجود در آب گرم کمتر از مقدار آن در آب سرد است لذا آهک در آب گرم زودتر به حد اشباع رسیده و هرچه دما بالاتر می رود با کاهش درصد دی اکسید کربن موجود در آب ، نشست رسوب کربنات کلسیم سرعت بیشتری می گیرد و همه این موارد روی بازدهی و عمر مبدل حرارتی تاثیر منفی خواهند گذاشت .
با توجه به این مطالب روشن می شود که هرچند میزان سختی آب به صورت مستقیم به کربنات کلسیم موجود در آن بستگی دارد ولی شرط لازم برای این وابستگی میزان دی اکسید کربن موجود در آب است . به عبارتی هر قدر درجه خلوص آب از دی اکسید کربن بیشتر باشد ، کربنات کلسیم کمتری می تواند در آن حل شود و این یعنی درجه سختی پائینتر ، رسوب دهی کمتر ، جلوگیری از اتلاف انرژی بابت افت راندمان حرارتی موتورخانه و در نهایت حفاظت از منابع انرژی .
در محیطهای شهری و در فصل سرما یکی از اصلی ترین منابع مولد دی اکسید کربن ، موتورخانه هایی هستند که سوخت احتراقشان گاز طبیعی (متان) است با نگاهی به فرآیند شیمیایی احتراق گاز طبیعی در محفظه احتراق مشعل ، در خواهیم یافت که به ازاء سوختن هر متر مکعب از ا ین گاز ، نزدیک به دو کیلوگرم دی اکسید کربن به عنوان محصول حاصل از احتراق از مسیر دودکش موتورخانه در آسمان شهر منتشر می شود. [ 3 ]
حال ، هر چه از تولید دی اکسید کربن در موتورخانه و انتشار آن در اتمسفر کاسته شود از شدت میل ترکیبی کربنات کلسیم با آب کم و از افزایش درجه سختی آب و در نتیجه نشست رسوب بیشتر در مبدلهای حرارتی موتورخانه کاسته خواهد شد . به عبارتی دیگر هرقدر هوا عاری تر از دی اکسید کربن باشد مضاف بر تاثیر آن در کاهش اثرات گازهای گلخانه ای ، هنگام نزول باران ، آب با خلوص بالاتری به سطح زمین می رسد که همین موضوع سبب جذب کمتر املاح زمین در خود و در نتیجه کاهش نرخ تشکیل رسوب در مبدلها و جلوگیری از هدر رفت م یلیونها تن انرژی معادل نفت خام بابت جبران افت راندمان حرارتی موتورخانه در طی سال خواهد بود .
یکی از موثرترین راهکارها یی که می تواند نقش شایان توجهی در تحقق این مهم ایفا بنماید کنترل بهینه گرما از محل تولید یعنی موتورخانه به عنوان منبع مولد دی اکسید کربن است . یکی از کارآمد ترین ابزارها جهت نیل به این هدف سیستم کنترل هوشمند موتورخانه می باشد .
با آنکه وظیفه اصلی و تعریف شده سامانه کنترل هوشمند ، بهینه سازی عملکرد موتورخانه های سنتی می باشد ، اما آثار و نتایج این بهینه سازی فقط منحصر به کاهش مستقیم مصرف سوخت و برق که نتیجه آن در قبوض انرژی قابل رویت است و یا هزینه های پیامد در موتورخانه نیست بلکه عملکرد این سامانه از آنجا که موجب هدفمند سازی مصرف انرژی موتورخانه و در نتیجه حذف زمانهای غیر مفید فعالیت مشعل و بهینه سازی زمان فرآیند احتراق می شود ، منجر به کاهش تولید دی اکسید کربن حاصل از احتراق گاز طبیعی در موتورخانه و انتشار آن در آسمان می گردد . و از آنجا که جهت تشکیل رسوب در ابتدا نیاز به پیوند شیمیایی دی اکسید کربن و آب (اسید کربنیک ) در آسمان و در ادامه با کربنا ت کلسیم در زمین است به هر میزان از تولید و انتشار دی اکسید کربن بیشتر در آسمان جلوگیری به عمل آید بر اساس فرمول ترکیب شیمیایی بی کربنات کلسیم از میزان انحلال کربنات کلسیم در آب اسیدی که بعدها در مبدلهای حرارتی و در اثر دریافت حرارت مجدداً ولی این بار به شکل رسوب ظاهر می گردد و باعث افت راندمان حرارتی و در نتیجه اتلاف انرژی در موتورخانه می گردد جلوگیری به عمل آمده است .
با توجه به ضعف کنترلی قریب به حداکثر موتورخانه های کشور در تشخیص به اندازه بار حرارتی مورد نیاز ساختمان ، موتورخانه های سنتی به بستری مناسب برای اتلاف بیش از اندازه انرژی و در نتیجه تولید و انتشار بیهوده دی اکسید کربن در فضا تبدیل شده اند . با این اوصاف اگر افسار کنترلی این موتورخانه به یک سامانه هوشمند سپرده شود که حرارت را به صورت تابعی از دمای هوای بیرون و ساعات کاری ساختمان برای ساکنان مهیا نماید ، کارکرد مشعل به عنوان قلب تپنده موتورخانه در طی شبانه روز بهینه خواهد گردید . با توجه به مستندات ارائه شده از ساختمانهای محل نصب سیستم کنترل هوشمند موتورخانه ، این سامانه با توجه به قابلیتهای خود توانسته به طور متوسط %40 مصرف سوخت مازاد موتورخان ه سنتی را کاهش دهد . از آنجا کهمتوسط مساحت زیر بنای سازمانها و ساختمانهای شهری 2000 متر مربع است که برای گرم کردن هر واحد مساحت زیر بنا در ایران 40 متر مکعب گاز در طی سال در موتورخانه سوخته می شود به راحتی می توان نقش موثر این سامانه را در کاهش تولید و انتشار دی اکسید کربن در فضا و در نتیجه افت میل ترکیبی املاح خاک با آب و کاهش شدت تشکیل رسوب در مبدلهای حرارتی اثبات کرد :
لذا با استناد و ضمانت علمی و به طور قطع یقین عملکرد سامانه کنترل هوشمند موتورخانه که هم اکنون در بیش از 15000موتورخانه کاملاً فعال است ، در کاهش شدت تشکیل رسوب در مبدلهای حرارتی بسیار اثرگذار بوده ولی این تاثیر چون با نرخ آرام که تابعی از زمان طولانی است منتج می گردد قائدتاً اثر آن در دراز مدت و در طی سال و به صورت نامحسوس خواهد بود . بنابر این در صورت عدم تولید و جلوگیری از انتشار 940,800 تن دی اکسید کربن در اتمسفر در اثر عملکرد سامانه کنترل هوشمند موتورخانه ، از انحلال 1,960,000 تن کربنات کلسیم در نزولات جوی که بعدها در مبدلهای حرارتی و در اثر دریافت حرارت ، مجدد به شکل رسوب ظاهر می گردد جلوگیری به عمل آمده است .
نمودارهای ذیل (شکلهای 3 و (4 مبین تاثیر رسوب در کاهش ضریب انتقال حرارت مبدلهای حرارتی و همچنین نشاندهنده نقش رسوب در افزایش مصرف انرژی موتورخانه جهت جبران افت راندمان حرارتی است. [ 4 ]
شکل : 3 نمودار کاهش راندمان حرارتی مبدل در اثر تشکیل رسوب[4 ]
شکل : 4 میزان اتلاف سوخت در موتورخانه در اثر تشکیل رسوب در مبدل[ 4 ]
همانطور که از این نمودارها مشخص است در صورت تشکیل فقط 1,5 mm رسوب در مبدلهای حرارتی ، به میزان %15 مصرف سوخت موتورخانه افزایش پیدا خواهد کرد ( البته تاثیر رسوب در افزایش مصرف برق مشعلها و پمپها در این نمودار لحاظ نگردیده که در قسمت بعدی این مقاله به آن پرداخته شده است ) از سوی دیگر در صورتیکه سیستم کنترل هوشمند موتورخانه که نقش آن به صورت غیر مستقیم در کاهش تشکیل رسوب اثبات گردید فقط از همین مقدار نشست کربنات کلسیم (رسوب) در مبدلهای حرارتی 15000 موتورخانه ( مبنای محاسبات این گزارش 15000 موتورخانه محل نصب سامانه هوشمند است ) در طی سال بکاهد ، به صورت غیر مستقیم از اتلاف 180,000,000 m3 گاز طبیعی جلوگیری به عمل آورده است .
مصرف گاز در موتورخانه 15000 ساختمان در صورتیکه مبدل موتورخانه عاری از رسوب باشد به طور تقریبی برابر است با 1,200,000,000 m3 حال اگر مبدل آب گرم این 15000 ساختمان دچار 1.5 میلیمتر رسوب گردد مصرف گاز در طی یکسال 180,000,000m3 افزایش پیدا خواهد کرد .
کاهش قابل ملاحظه مصرف گاز و برق موتورخانه ساختمانی مسکونی با رسوب زدایی مبدل آب گرم بهداشتی و قابلیت ممتاز سامانه کنترل هوشمند موتورخانه در کمک به تشخیص دقیق تشکیل رسوب در مبدل حرارتی
با توجه به طراحی غیر اصولی و خارج از استاندارد اکثر موتور خانه های کشور و همچنین معایب و مشکلات بسیاری ک ه به علت عدم رسیدگی به موقع و سرویس نگهداری مناسب در زمان بهره برداری از موتورخانه بوجود می آید ، باعث گردیده که تاسیسات حرارت مرکزی تبدیل به بزرگترین گلوگاه پرت انرژی و مصرف بالای سوخت و برق در ساختمانها گردد .
یکی از این موارد که بخصوص در ساختمانهای مسکونی رعایت نمی شود لحاظ نکردن دستگاه سختی گیر هنگام طراحی موتورخانه و مضاف بر آن عدم رسوب گیری به موقع مبدلهای حرارتی هنگام بهره برداری از موتورخانه است . نقیصه ای که هر سال میلیونها تن انرژی و میلیاردها ریال هزینه از چرخه این کشور خارج می کند .
یکی از مشکلاتی که بهره برداران از موتورخانه با آن مواجهند عدم آگاهی آنان از وضعیت رسوب مبدلهای آب گرم مصرفی موتورخانه موجود در ساختمانشان است طوریکه با بررسی نزدیک به 1000 موتورخانه مشخص گردید که قریب به حداکثر ساکنان ساختمان از علت اصلی عدم تناسب پائین بودن دمای آب گرم مصرفی با وجود بالا بودن دمای تنظیمی ترموستات دیگ در ساختمانشان واقف نیستند و در این شرایط به جای رفع ریشه ای مشکل ، به موتورخانه رجوع کرده و دمای ترموستات دیگ را بیش از پیش افزایش می دهند و این نقیصه که موجب اتلاف بسیار زیاد انرژی در موتورخانه ها است کماکان در سطح وسیعی از ساختمانهای کشور ادامه دارد .
راه حل برون رفت از این معضل ایجاد سازو کاری است که بتواند با تحلیل هوشمند رفتار حرارتی موتورخانه این آگاهی را به بهره برداران از موتورخانه در هر مقطع زمانی از سال بدهد که آیا علت بروز این نقیصه رسوب منابع است یا خیر؟ چرا که تجربه آنالیز این 1000 موتورخانه نشان داده تا زمانی که بهره برداران با تحلیل منطقی و مستند از وضعیت رسوب مبدل حرارتی موتورخانه ساختمانشان آگاه نشوند نه تنها در صدد رفع آن بر نمی آیند بلکه مشکل را به عدم مناسب بودن ظرفیت مبدل آب گرم ، پایین بودن درجه ترموستات دیگ ، عدم ک ارآیی مشعل و پمپ آب گرم و حتی در موتورخانه های مجهز به سیستم کنترل هوشمند به عدم کارآیی مناسب این سامانه ارتباط می دهند .
