بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
کاهش مصرف انرژي سالن هاي صنعتي با استفاده از انرژي خورشيدي
چکيده
انرژي خورشيدي يکي از منابع تامين انرژي رايگان ، پاک و عاري از اثرات مخرب زيست محيطي است که از ديربـاز به روش هاي گوناگون مورد استفاده بشر قرار گرفته است . بحران انرژي در سال هاي اخير، کشورهاي جهان را بـر آن داشت که با مسائل مربوط به انرژي برخوردي متفاوت نمايند که در اين ميان جايگزيني انرژيهاي فسيلي با انرژي خورشيدي به منظور کاهش و صرفه جويي در مصرف انرژي، کنترل عرضه و تقاضاي انرژي و کاهش انتشار گازهـاي آلاينده با استقبال فراواني روبرو شده است . در کشورما نيز با توجه به هدف مند کردن يارانه ها و افزايش بهاي انرژي که سبب افزايش هزينه هاي توليد در بخش صنعت مي شود، استفاده از انرژي خورشيدي در سيستم هاي گرمايشـي جهت تامين آبگرم مصرفي ، گرمايش هواي ساختمان و يا سالن توليدي به عنوان يک راه کـار مناسـب بـراي صـرفه جويي در مصرف انرژي و کاهش هزينه ها، مي تواند مورد استفاده قرار گيرد. به اين منظور، در اين مقاله محاسبه و طراحي کامل سيستم گرمايش با استفاده از انرژي خورشيدي براي گرمايش سالن هاي صنعتي در شـرايط اقليمـي ايران ، انجام شده است . از آنجا که دماي کاري سيستم هاي گرمايش از کف در مقايسه بـا سـاير سيسـتم هـا کمتـر است ، امکان استفاده از سيستم هاي خورشيدي را آسانتر مي سازد؛ بنابراين در اين تحقيق ، سيستم گرمايش از کف به دليل سازگاري با سيستم گرمايش خورشيدي، انتخاب شده است . استفاده از سيستم گرمايش از کـف در سـالن - هاي صنعتي و ساختمان هاي ايران تا حدود ٦٠ درصد سبب کاهش مصرف انرژي مي شود که بسيار حـائز اهميـت مي باشد. در مقاله ي حاضر، سيستم گرمايشي براي سالن هاي صنعتي به گونه اي طراحي شده اسـت کـه ٤٠ درصـد مصرف انرژي از انرژي خورشيدي تامين شود.
کليد واژه
کاهش مصرف انرژي، گرمايش خورشيدي، گرمايش از کف ، سالن هاي صنعتي ، شرايط اقليمي ايران
١- مقدمه
اســتفاده از انــرژيهــاي تجديدپــذير و بــه خصــوص انــرژي خورشيدي براي تامين انرژي مورد نياز از جملـه روش هـاي اصلاح الگوي مصرف انرژي در کشور مي باشد. خورشيد بـه - طور متوسط ١٠٢٠×١,١ کيلووات ساعت انرژي در هر ثانيـه منتشر مي کند. از کل انرژي منتشر شـده توسـط خورشـيد، حدود ٤٧% آن به سطح زمين مي رسد. اين بدان معني است که زمين در هر ساعت تابشي در حدود ٦٠ ميليون بي تي يـو دريافت مي کند. به عبارت ديگر انرژي ناشي از سه روز تـابش خورشيد به زمين ، برابر با تمام انرژي ناشـي از احتـراق کـل سوخت هاي فسيلي در دل زمـين اسـت . بنـابراين مـي تـوان نتيجه گرفت که در اثر تابش خورشيد بـه مـدت چهـل روز، مي توان انرژي مورد نياز يک قرن را ذخيره نمود. بنابراين بـا به کارگيري کلکتورهاي خورشيدي مـي تـوان تـا حـدودي از اين منبع انرژي بي پايان ، پاک و رايگان استفاده کرد و تا حد بسيار زيادي در مصرف سوخت هـاي فسـيلي صـرفه جـويي نمود [١]. کشور ايران در بـين مـدارهاي ٢٥ تـا ٤٠ درجـه عرض شمالي قرار گرفته است و در منطقه اي واقع شده کـه به لحاظ دريافت انرژي خورشيدي در بـين نقـاط جهـان در بالاترين رده ها قرار دارد. ميزان تـابش خورشـيدي در ايـران بين ١٨٠٠ تا ٢٢٠٠ کيلووات ساعت بـر مترمربـع در سـال تخمين زده شده اسـت کـه البتـه بـالاتر از ميـزان متوسـط جهاني است . در ايران به طور متوسط سـاليانه بـيش از ٢٨٠ روزآفتابي گزارش شده است که بسيار قابل توجـه اسـت . در نتيجه مي توان به وفـور از انـرژي خورشـيدي بـراي تـامين بخشي از نيازهاي انرژي کشور استفاده کرد. در ميان مولفه - هاي مصرف انرژي در سـاختمان هـا و سـالن هـاي صـنعتي ، سيستم هاي گرمايشـي کـه عمـدتا از سـوخت هـاي فسـيلي استفاده مي کنند و از جمله مصرف کنندگان عمده ي انـرژي به شمار مي روند، از اهميت ويژه اي برخوردار هستند، چرا که ٧٠% از گاز طبيعي مصرفي کشـور بـه گرمـايش سـاختمان اختصاص مي يابد [٢]. يکي از بزرگ ترين مصرف هـاي کننده انرژي در صنعت ، صنعت کشاورزي مي باشـد و در ايـن بـين يکــي از بخــش هــاي پرمصــرف انــرژي کشــور در بخــش کشاورزي، صنعت مرغداري اسـت و سـالانه بـيش از ١٤٠٠ مترمکعب نفـت گـاز بـراي گرمـايش سـالن هـاي مرغـداري مصـرف مـي شـود. کليـه ي دامـداري و مرغـداريهـا جهـت گرمايش محل سالن هاي نگهداري دام و طيور خود نيازمنـد انرژي خواهند بود. باتوجه به تهويه ي هواي داخل سـالن هـا که هر از چندگاهي جهت حذف گـازهـاي مضـر، بـاکتري و رطوبت صورت مي گيرد، گـرم نمـودن مجـدد سـالن انـرژي مضـاعفي را مـي طلبـد. در دامـداري و مرغـداريهـا جهـت شستشوي تجهيزات و رعايت بهداشت کارکنان نياز به آبگرم خواهد بود که حدود ٤٠% انرژي مصـرفي اينگونـه واحـدهـا صـرف تـامين آبگـرم آن واحـد مـي گـردد. از سيسـتم هـاي گرمايش خورشيدي جهت تامين آبگـرم مصـرفي ، گرمـايش هواي ساختمان يا سالن توليدي و به منظور کـاهش مصـرف سوخت فسيلي و در نتيجه کاهش هزينه ها مي توان استفاده کرد. از مزاياي مهم سيستم هاي گرمايش خورشـيدي بـراي سالن هاي صنعتي مي توان به اين موارد اشاره کرد: ١- عـدم وجود ادوات متحـرک در سيسـتم ( بـدون صـدا ) ٢- قابـل اطمينان با طول عمر ٢٠ ساله پنل ها وعدم نياز به تعميـر و نگهداري ٣- استقلال در تامين و عدم وابسـتگي بـه شـبکه هاي توزيع محلي و قطعي بـرق شـبکه ٤- برگشـت هزينـه هاي احـداث در يـک دوره ٤ الـي ٥ سـاله ٥- عـدم وجـود آلايندگي و همراهي و همسويي با دوستداران محيط زيست ٦- امن و بي خطـر، رايگـان و در دسـترس بـودن ٧-صـرفه جويي در هزينه و کاهش قيمت تمام شده . از اين رو استفاده از انرژي خورشيدي براي گرمايش ساختمان ها و سـاز هـاي مختلف مورد تحقيق و مطالعه ي محققين زيادي قرار گرفته اســت . از اولــين تحقيقــات در زمينــه ي اســتفاده از انــرژي خورشيدي براي گرمـايش محـيط ، مـي تـوان بـه تحقيقـات استيرايس و همکاران [٣] در سال ١٩٧٦ اشاره کرد کـه در زمينه ي کـاربرد مخـزن خورشـيدي مطالعـه کردنـد. آن هـا گزارش کردند کـه سيسـتم هـاي گرمـايش خـانگي کـه بـه مخازن خورشـيدي (بـراي دريافـت انـرژي) وابسـته انـد، بـا سيستم هاي متداول ديگر قابل رقابت مي باشند. لرد و روتـي [٤] در زمينه ي امکان سنجي استفاده از مخازن خورشيدي براي گرمايش محيط در شرايط جوي بسـيار سـرد و عـرض جغرافيايي بالا (٦٠ درجه ي شمالي ) مطالعه کردنـد. بررسـي آن ها نشان داد که يک مخزن بزرگ براي گرمـايش محـيط مورد نياز مي باشد که نسبت فضاي محيط به فضـاي مخـزن حدود يک سوم گزارش شد. کيلکيس [٥]، استفاده از پانل - هاي گرمايشي و سرمايشي براي محيط با استفاده از انـرژي خورشيدي را مورد مطالعه قرار دادند. او نتيجـه گرفـت کـه اين سيستم ها مي توانند با اسـتفاده از دمـاي معمـولي آب و شدت تابش معمولي خورشـيد مـورد اسـتفاده قـرار گيرنـد.
اتينيتيس [٦] يک مدل عددي براي پيش بيني بار گرمـايش از کف با دريافت ميزان بالايي تابش خورشيد را توسـعه داد.
او دريافت تحت چنين شرايطي ، دماي کف از حدود آسايش فراتر خواهد رفت . براي حل اين مشکل از کنترولـر اسـتفاده شد. الخلايله و همکاران [٧] تحقيق تئوريکي براي عملکـرد يک سيستم گرمايشي بـا کـاربرد انـرژي خورشـيدي انجـام دادند. آن هـا نتيجـه گرفتنـد کـه انـرژي خورشـيدي بـراي گرمايش محيط براي برخي از ماه هاي فصل زمسـتان کـافي اســت . بــادران و همکــاران [٨] بــا مقايســه ي دو سيســتم گرمايش از کـف ، کـه در يکـي از کلکتـور خورشـيدي و در ديگري از مخازن خورشيدي استفاده شده است ، جنبه هـاي اقتصادي و کاربردي دو سيستم را مورد مطالعه قـرار دادنـد.
آن هـا دريافتنـد رانـدمان سيســتم گرمايشـي کـه در آن از کلکتورهاي خورشيدي استفاده مي شود، ٧درصـد بيشـتر از رانـدمان سيسـتمي اسـت کـه در آن از مخـزن خورشـيدي اسـتفاده مـي شـود. همچنـين مصـرف انـرژي الکتريکـي در سيستم با کلکتور خورشيدي از سيستم با مخزن خورشيدي کمتر مـي باشـد. در نتيجـه سيسـتم هـاي گرمايشـي کـه از کلکتورهاي خورشيدي استفاده مي کنند، عملي تر مي باشـند.
هــدف از ايــن مقالــه محاســبه و طراحــي کامــل سيســتم گرمايشي با استفاده از انرژي خورشـيدي بـراي سـالن هـاي صنعتي در شرايط اقليمي ايران مـي باشـد. در ايـن تحقيـق قسمت هاي مختلف يک سيستم کامل گرمايش خورشـيدي مورد مطالعه و طراحي قرار گرفته است . در طراحـي صـورت گرفته ، سيستم گرمايش از کف به دليل سازگاري با سيسـتم گرمايش خورشيدي، انتخاب شده است .
٢- توصيف مساله
يک سالن مرغداري به ابعاد (٣ ×١٠×٤٠) در شهر کاشـان در نظر گرفته شده است . سالن داراي دو در فلـزي بـه ابعـاد ٠.٧) مي باشد. ديوارهاي مشرف بـه خـارج سـالن آجـر معمولي ١٦ايـنچ بـا پوشـش عـايق بـوده و سـالن ٣٠ عـدد پنجره ي تک شيشه اي معمولي دارد کـه ابعـاد هـر کـدام از آن ها (١.٥ ١.٥) مي باشد. سقف سالن از جنس بتن ، شن و ماسه است و در داخل از پلاستر معلق جمعا بـه ضـخامت ٨ اينچ به اضافه ي ٢ اينچ عايق روي بام تشـکيل شـده اسـت .
سالن فاقد زير زمين بوده و کف آن روي سـطح زمـين قـرار دارد و از جنس بتن و ماسه و موزاييـک مـي باشـد. ضـريب انتقال حرارت کلي اجزاي سالن در جدول ١ ارايه شده است .
٢-١- مدلسازي بار حرارتي سالن
همان گونه که ذکـر شـد، سـالن داراي ابعـاد (٣ ×١٠×٤٠) مي باشد. با توجه به ابعاد قسمت هـاي مختلـف سـالن و نيـز ضريب انتقال حرارت کلي آن ها (جدول ١) و همچنين بـا در نظر گرفتن تهويه ي هواي داخل سالن ها که هر از چندگاهي جهت حذف گازهاي مضر، باکتري و رطوبـت صـورت مـي - گيرد، بار حرارتي کل سالن از رابطـه ي زيـر قابـل محاسـبه است [٩]:
که در آن P، طول محيط پيرامون کف سالن بر حسب متر و
F، فاکتور تجربي اتلاف حرارتي محيط بر حسب و دبي هواي مورد نياز براي تهويه ي سـالن مـي باشـد.
البته در عمل ميزان گرماي لازم براي سـالن از مقـدار فـوق کمتر خواهد بود و بخشي از گرماي مورد نياز براي گرمايش سالن از حرارت توليدي توسط طيور تامين مي شود. انتقـال حرارت از کف ساختمان معمولاً ناچيز و در طول سال نسبتاً ثابت است ، چرا که دماي خاک در سراسر سال فقط انـدکي تغيير مي کند[٩]. زمين را بايد ظـرف خيلـي خـوبي بـراي حرارت دانست که مي تواند مقـادير زيـادي حـرارت جـذب کـرده يـا از دسـت بدهـد. تجربـه نشـان داده کـه در مـورد طبقاتي که کف آنها مستقيماً روي سـطح زمـين قـرار مـي گيرد، در فصل تابستان ، اتلاف حرارت بيشتر با محـيط کـف متناسب است تا با سطح کف ؛ از اين رو بار حرارتي مربوط به کف سالن در رابطه ي ١ را به صورت زير مي توان نوشت :
که در آن Qb تلفات حرارتي از کف سالن مـي باشـد. دمـاي زمين بيشتر متأثر از منابع گرمـايي زيـر زمـين مـي باشـد و متأسفانه اطلاعات کاملي از دماهاي زمين اطراف ساختمان - ها در دست نيست ، ولي از آنجاکه ضـريب هـدايت حرارتـي ديوارهاي زيـر زمـين متصـل بـه خـاک مقـدار ٠,١ توصـيه گرديده [٩]، منطقي است فرض شود دماي زمين تأثير قابل ملاحظه اي در محاسبات بار حرارتي ساختمان ندارد. به هـر حال دماي زمين را مي توان برحسب دماي طـرح زمسـتاني خارج ، از جدول زير به دست آورد:
منظور از دماي طرح زمستان خـارج در جـدول ٢، ميـانگين حداقل دماي هواي خارج در زمستان و حداکثر دماي هواي خارج در تابستان مي باشد که توسط سازمان هواشناسي طي چند سال ثبت گرديده است [٩].
٢-٢- مدلسازي کلکتور خورشيدي
شکل شماتيک سيستم گرمايشـي در شـکل ١ نمـايش داده شده است . انـرژي مفيـد کسـب شـده (Qu) از يـک کلکتـور خورشيدي از رابطه ي زير محاسبه مي شود:
که در رابطه ي فوق ، مقدار S عبارت اسـت از تفاضـل تـابش خورشيدي رسيده به گردآورنده و اتلاف هاي اپتيکي در آن . اين انرژي S صرف اتلاف هاي گرمايي در گردآورنده و انـرژي مفيد کسب شده توسط آن مي گردد. همچنـين UL، ضـريب اتلاف کلي گردآورنده و FR، ضريب اخذ گرماي گردآورنده مي باشند. براي به دست آوردن ضريب اخذ گرماي گردآورنده از رابطه ي زير مي توان استفاده کرد:
که در آن ، ضريب بازدهي گردآورنده مي باشد. بـا تعريـف پــارامتر (رابطــه ي٥) مــي تــوان ضــريب اخــذ گرمــاي گردآورنده را از شکل ٢ به دست آورد[١٠].
٢-٣- مدلسازي منبع ذخيره
به دليل آن که انرژي خورشيد فقط در ساعاتي از شـبانه روز توسط کلکتور خورشيدي جمع آوري مي شود و بايد به صورت يکنواخت در طول روز مصرف شود، به يک منبع ذخيره سـاز انرژي نياز است . ظرفيت کل گرمايي مخزن در يـک سـيکل کاري به صورت زير است :
موازنه ي گرمايي با فرض دماي يکنواخت در مخزن به صورت زير مي باشد:
که در آن m، جرم آب درون منبع ذخيره است که با داشتن آن حجم منبع ذخيره به دست مي آيد[١٠].
٢-٤- مدلسازي سيستم گرمايش از کف
سيستم گرمـايش از کـف ، يکـي از راه هـاي بهينـه سـازي و کــاهش مصــرف انــرژي در کشــور مــي باشــد. از مــوثرترين سيستم هاي گرمايشي که در دو دهه ي اخير استقبال بـي - شائبه اي به خصوص در کشـورهاي اروپـايي و صـنعتي از آن شده است ، سيستم گرمايش از کف مـي باشـد، بـه طـوريکـه اکنون سيستم گرمايش کفي در حدود نيمـي از سـاختمان - هاي جديد اروپا استفاده مي شود. يکي از مهم ترين مزايـاي سيستم گرمايش از کف کـه باعـث گسـترش روز افـزون آن شده است ، کاهش موثر مصرف انرژي در مقايسه با سيستم - هاي گرمايشي متداول مي باشد. اين سيسـتم در کشـورهاي صنعتي تـا ٤٠ درصـد و در کشـور مـا بـه دليـل اسـتفاده از تجهيزات با راندمان پايين تر و عدم استفاده از عـايق ، تـا ٦٠ درصد در کاهش مصرف سوخت موثر اسـت [١١]. بـه دليـل سطح وسيع حرارتي تابشي ، گرمايش از کـف در مقايسـه بـا گرمايش سنتي ، با ٣ تا ٥ درجه سـانتيگراد کـاهش در دمـا مي تواند همان شرايط مطلوب هوا در اتاق را فراهم کند. به - ازاي هريک درجه ي سانتيگراد کاهش دما، ٦% مصرف انرژي کاهش مي يابد. از طرف ديگر به علت اين کـه دمـاي متوسـط آب گرم در اين سيستم بين ٤٠ تا ٤٥ درجه ي سانتيگراد، و نسبت به سيستم هاي گرمايشـي متـداول حـدود ٣٠ تـا ٣٥ درجه ي سانتيگراد کاهش دارد، لذا از اين نظر باعـث تلفـات حرارتي کمتر در مـدار و صـرفه جـويي مضـاعف در مصـرف سوخت مي شود. بعد ديگر صرفه جـويي در مصـرف انـرژي، تلفات حرارتي نزديک به صفر از کف و گوشـه هـا، بـه دليـل وجود عايق در تمام کف و کـنج هـا اسـت . در ايـن سيسـتم بيش از ٦٠ درصد انرژي به صورت تابشي به محـيط انتقـال پيدا مي کند. دماي پـايين مـورد نيـاز سيسـتم گرمـايش از کف ، اين امکان مهـم و اساسـي را فـراهم مـي آورد کـه بـه عنوان تنها سيستم تأمين گرمـايش ، بتـوان از انـرژي هـاي پاک، مانند انرژي خورشيدي استفاده نمود. در حـال حاضـر سيستم گرمايش کفي در استفاده از انرژي خورشيد منحصر به فرد مي باشد. هزينه ي انرژي در روستاها علي رغم تقاضاي کمتر انرژي، دو برابر شهرها اسـت زيـرا در روسـتاها از گـاز [١١]. بنـابراين ، اسـتفاده از طبيعي کمتر استفاده مي شـود انرژي خورشيدي در سيستم گرمـايش کفـي مـي توانـد بـه عنوان يک راه مؤثر در زمينه ي کـاهش مصـرف سـوخت در اين مناطق نيز مطرح شود.
براي طراحي سيستم گرمايش از کف مناسب ، بايـد انـرژي مورد نياز در هر متر مربع را حسـاب کـرد. بـه ايـن منظـور، نخست بايد ضريب کلي انتقـال حـرارت بـين سـيال داخـل لوله ها و سطح کف سالن محاسـبه شـود. بـا داشـتن دمـاي سيال خروجي و دبي کل سيستم گرمايش از کـف ، حـرارت منتقل شده قابل محاسبه است :
