نوآوری در استفاده بهینه از سیستم تهویه خورشید
چكيده
در این مقاله به بررسی فرصتهای استفاده از منابع غنی انرژیهای تجدید پذیر و پتانسیل آن پرداخته شده است. انرژی از موارد ضروری برای توسعه اقتصادی، اجتماعی و ارتقای کیفیت زندگی است و انرژی مستمر، پایدار و اقتصادی الزمی هرگونه توسعه و رشد اقتصادی است. فرصتهای بیشمار در رابطه با استفاده از منابع غنی انرژیهای تجدید پذیر نظیر شرایط مناسب برای به کارگیری انرژی باد، انرژی زمین گرمایی، توسعه برق آبی و زمینه ایدئال برای استفاده از انرژی حرارتی خورشیدی وجود دارد که نه تنها کاهش استفاده از منابع محدود انرژی فسیلی را دربر دارد بلکه از اثرات زیان‌بار گازهای گلخانه این نیز می‌کاهد. در این تحقیق کاربرد انرژیهای تجدید پذیر در خصوص انرژی حرارتی خورشید و کاربرد آن در تهویه مطبوع به منظور کاهش استفاده از انرژیهای فسیلی و اثر گلخانه‌ای مورد توجه قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: انرژیهای تجدید پذیر، بهینه‌سازی، سیستم تهویه مطبوع.
1- مقدمه
مصرف روزافزون منابع محدود سوختهای فسیلی و اثرات مخرب آنها بر محیط‌زیست، توجه جهانیان را به استفاده از انرژیهای تجدید پذیر معطوف ساخته است. در 110 سال اخیر، افزایش مصرف سوختهای فسیلی باعث افزایش غلظت اتمسفری دی‌اکسید کربن سوختهای فسیلی در دنیا شده است. همگان به خوبی میدانند که ذخیره سوختهای فسیلی در آینده نه چندان دور، کاهش یافته و به اتمام میرسد. علاوه بر آن اثرات این سوخت‌ها بر اکوسیستم، آب‌وهوا و سلامتی موجودات زنده بخصوص انسان به ویژه از طریق تولید گازهای گلخانه‌ای و پدیده گرم شدن زمین، باران‌های اسیدی و سایر پدیده‌های زیست محیطی باعث شده است که توجه جهانیان به استفاده از انواع دیگری از سوخت جلب شود. در دسترس بودن انرژی ارزان و فراوان با حداقل مخاطرات زیست محیطی و اکولوژی مرتبط با تولید و استفاده از آن، یکی از مهمترین عوامل در بهینه‌سازی کیفیت زندگی مردم در کشورهای درحال‌توسعه است. یکی از سوخت‌هایی که به زودی در دنیا رتبه اول مصرف و استفاده را به خود اختصاص خواهد داد انرژی خورشیدی است. مشکل اساسی در تبدیل و استفاده، از این امر ناشی میشود که هنوز مجبور نشده‌ایم آن را در مقیاس‌های کلان به شکل قابل استفاده برای خود تبدیل کنیم چراکه به سادگی با حفاری زمین منابع انرژی را استخراج میکنیم. به دلیل تغییرات آب‌وهوا و گرمایش جهانی، استفاده از سیستم تهویه، امری ضروری شده است. اگر استفاده از تهویه الکتریکی قدیمی ادامه یابد، ازآنجاکه الکتریسیته از سوختهای فسیلی به دست می‌آید، انتشار کربن ناشی از آن تغییرات آب‌و هوایی را بدتر کرده و درنتیجه نیاز به تهویه نیز شدیدتر میشود. با استفاده مناسب از تهویه خورشیدی میتوان جلوی این چرخه بی‌پایان را گرفت. با افزایش جمعیت جهانی استفاده گسترده‌تر از تهویه خورشیدی، نیاز روزافزون به انرژی را نیز تضمین میکند. هنینگ (1)و اکر(2)محاسبات طراحی در مورد انواع دستگاه‌های تهویه و سردسازی خورشیدی از جمله تهویه جذبی خورشیدی – خنک کاری رطوبت‌زدایی خورشیدی را انجام دادند. در حال حاضر استفاده از چیلرهای جذبی با استفاده از جاذب – سردسازهای آب–لیتیوم برومید libr – h2o رایج است.(3)
2- توسعه انرژی خورشيدی
امروزه موضوع تأمین انرژی از موضوعات قابل تأمل بسیاری از محافل سیاسی و اقتصادی است. نیاز روزافزون بشر ناشی از حس رفاه‌طلبی و افزایش جمعیت، اتمام منابع انرژی و آلودگی‌های زیست محیطی سوختهای فسیلی، محدودیت‌های موجود برای استفاده هر چه بهینه‌تر از انرژی و به‌کارگیری انرژیهای نو می‌باشند. از زمان پیشرفت اروپایی‌ها مخصوصاً، شکل معماری برگرفته از طبیعت کنار گذاشته شد و روشهای مصنوعی برای تأمین شرایط آسایش در
ساختمان‌ها جایگزین آنها گردید و حال دوباره توجه دست‌اندرکاران صنعت ساختمان به سمت بهره‌گیری هرچه بهتر از عوامل طبیعی مانند خورشید برای تهویه مطبوع ساختمان متوجه گردیده است. قدیمی‌ترین کاربرد آگاهانه ایرانیان از انرژی خورشیدی در بناها و ساختمان‌های سنتی، استفاده از سیستم‌های غیرفعال خورشیدی در حد پیشرفته بوده است. منظور از کاربرد انرژی خورشیدی در ساختمان‌ها، بهره‌گیری هرچه بهتر از نور خورشید در جهت تأمین نیازهای گرمایی و سرمایی و در صورت لزوم تأمین الکتریسیته ساختمان‌ها می‌باشد. برای کاهش انرژی موردنیاز یک ساختمان میبایست طراحی آن مطابق با اقلیم منطقه باشد. با داشتن اطالعات ذیل میتوان به اهداف فوق دست یافت.
1. بررسی خصوصیات تابش خورشیدی
2. بررسی وضعیت دما
3. بررسی خصوصیات میزان بارش و رطوبت
4. بررسی میزان و شرایط وزش باد
5. بررسی خصوصیات عایق‌کاری
در یک طرح خورشیدی دو مسئله اصلی مطرح میشود. یکی چگونگی طراحی برای بهره‌وری بیشتر از انرژی خورشیدی و دیگری چگونگی طراحی برای به حداقل رساندن اتلاف‌های حرارتی به منظور استفاده بهتر از انرژی به دست آمده. کاربرد انرژی خورشیدی در ساختمان‌ها به طرق مختلف صورت میگیرد: تأمین آب گرم مصرفی، تأمین گرمای موردنیاز، تأمین سرمای موردنیاز و تأمین الکتریسیته. ارشمیدس در سال 212 ق.م با نصب آیینه‌هایی مربع شکل، کوچک در کنار یکدیگر و روی یک‌پایه‌ی متحرک، نور خورشید را بر روی کشتی‌های مهاجم رومی متمرکز و آنها را به آتش کشید. اولین دستگاه خوراک‌پز خورشیدی در قرن هجده توسط محقق فرانسوی دی ساکسر به‌وسیله یک جعبه سیاه و درپوشی شیشه‌ای ساخته شد. سپس آنتوان الوازیه فرانسوی و خالق شیمی نوین در نیمه دوم قرن هجدهم با ساختن کورهای خورشیدی و استفاده از دو عدسی و کوچک کردن فاصله کانونی مؤثر، به دمای 176 °Cدست یافت .( گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازهای بود که در سال‌های 1930 مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفت‌های قابل توجهی رسید. با افزودن سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های خورشیدی میتوان علاوه بر تهیه آب گرم مصرفی و گرمایش، از این سیستم‌ها در فصول گرم برای سرمایش ساختمان استفاده کرد.(5)سیستم فتوولتائیک، سیستمی است که در آن انرژی خورشیدی بدون بهره‌گیری از مکانیزم مای متحرک و شیمیائی، به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. سلول‌های خورشیدی قادرند انرژی تشعشعی خورشید را با بازدهی معادل 5 تا 20 درصد مستقیماً به الکتریسیته تبدیل کنند.(4)سیستم فتوولتائیک مانند سایر مولدها و نیروگاه‌های برق میتواند در هر ظرفیتی نصب و بهره‌برداری شود. حتی محدودیت آن بسیار کمتر از سایرین است و میتواند به صورت ژنراتورهایی با توان میلی وات تا چندین مگاوات ساخته شوند. لیکن با توجه به راندمان پائین تبدیل انرژی در این سیستم و بالا بودن قیمت تجهیزات آن، برق تولیدی از این سیستم قدری گران‌تر است. روشهای گرما خورشیدی، با استفاده از انواع کلکتورها و روشهای غیرفعال، جهت جذب و جمع‌آوری انرژی حرارتی خورشیدی، طراحی شده و برای منظورهایی از قبیل گرم کردن آب، هوا، تولید بخار و سرد کردن و … بکار برده شده‌اند. برخی سیستم‌های گرما خورشیدی عبارت‌اند از: سیستم‌های آبگرم خورشیدی، سیستم‌های گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها، سیستم‌های تهیه آب شیرین و آب مقطر گیری، سیستم‌های انتقال و پمپاژ، سیستم‌های تولید فضای سبز )گلخانه‌ها)، سیستم‌های خشک‌کن و خوراک‌پز خورشیدی، سیستم‌های سردکننده خورشیدی، برج‌های نیرو و نیروگاه‌های خورشیدی.(6)
3- تهویه مطبوع خورشيدی
تهویه مطبوع خورشیدی (conditioning air solar )یک سیستم تهویه مطبوع است که از انرژی خورشیدی استفاده میکند. این کار میتواند، به وسیله استفاده خنثی از خورشید، تبدیل انرژی گرمایی خورشیدی و تبدیل فتوولتاییک به معنی تبدیل نور خورشید به برق انجام شود. تهویه مطبوع نقش فزایندهای در طراحی ساختمان‌های انرژی صفر و انرژی پالس دارد. در سال 1848 فارادی اثر سرما را ناشی از جذب آمونیاک در کلرید نقره مشاهده نمود، همچنین در سال 1920 در آمریکا از دی‌اکسید سولفید وسیلیکاژن برای تهویه مطبوع واگن‌های سیستم حمل‌ونقل ریلی استفاده گردید. بعدازآن استفاده از تهویه مطبوع برای ایجاد راحتی و آسایش روز به روز در صنعت و ساختمان‌های مسکونی شدت یافت. این تکنولوژی نیاز به انرژی داشته و مصرف انرژی و به‌تبع آن ایجاد گازهای گلخانه‌ای را به دنبال دارد. به‌تازگی تحقیقات درزمینه دستگاه‌های دیسیکنت خورشیدی توسعه یافته است. این تحقیقات بیشتر بر روی مواد جاذب رطوبت که میتواند جذب سطحی، نرخ جذب رطوبت و گرما را بهبود دهند متمرکز شده است. سیستم‌های تهویه مطبوع خورشیدی دارای مزایای بسیاری در صرفه‌جویی مصرف سوخت و حفظ محیط زیست است. این سیستم‌ها دارای ویژگی‌های فنی و اقتصادی خاص خود بوده که گسترش آنها را با مشکالتی روبه‌رو کرده است. با بررسی سیستم‌های مختلف تهویه مطبوع خورشیدی میتوان به این نتیجه رسید که دو سیستم چیلر جذبی خورشیدی ودیسیکنت جامد دارای قابلیت‌های بیشتری نسبت به سیستم‌های دیگر است. (7)
4- سيستمهای دیسيكنت مایع و جامد
در سیستم مایع از سیکل باز استفاده میشود و همچنین اساس کار آن در رطوبت‌زدایی از هوا به‌وسیله جاذب مایع مانند محلول و کلرید کلسیم و یا محلول آب و کلرید لیتیم و خنک کردن با تبخیر آب است. تکنولوژی این سیستم در کشورهای آلمان و آمریکا در حال بررسی و تحقیق است و هنوز تولید صنعتی نشده است. ضریب عملکرد این سیستم کمتر از یک و دمای لازم جهت عملکرد بین 45 تا 70 درجه سانتی‌گراد است که توسط کلکتور خورشیدی تأمین میشود. در سیستم جامد نیز از سیکل باز استفاده میشود و اساس کار در رطوبت‌زدایی از هوا به‌وسیله‌ی جاذب جامد مانند سیلیکاژن و کلرید لیتیم سلولز و خنک کردن با تبخیر آب است. تکنولوژی موجود بر اساس ساخت چرخ آنتالپی جهت رطوبت‌زدایی است. ظرفیت این سیستم از 20 کیلووات تا حدود 350 کیلووات و ضریب عملکرد بین 0.5 تا 1 ساخته شده است دمای لازم جهت عملکرد سیستم بدن 45 تا 95 درجه سانتی‌گراد و توسط کلکتور خورشیدی قابل تأمین است. باید توجه شود سیستم مذکور در آب و هوای دارای کاربرد است و در مناطق بسیار گرم و مرطوب به‌صورت ترکیبی با چیلر تراکمی مورد استفاده قرار میگیرد که به طور چشم‌گیر موجب صرفه‌جویی در مصرف انرژی میشود.
5- تهویه مطبوع مدار باز خورشيدی (loop-open )به وسيله خشک‌کن‌ها
هوا میتواند از مواد رطوبت‌گیر جامد معمولی مانند سیلیکاژن و زیولیت عبور کند تا رطوبت آن جذب شود و امکان انجام یک سیکل خنک کاری تبخیری با کار آیی بالا فراهم شود. پس از آن ماده خشک کننده به وسیله انرژی گرمایی خورشید بازیافت و در یک سیکل تکرارشونده پیوسته با مصرف انرژی پایین و هزینه مناسب، رطوبت آن گرفته میشود. یک سیستم فتو ولتاییک میتواند به یک فن گردش هوای کم‌مصرف انرژی بدهد و یک موتور میتواند یک دیسک بزرگ که حاوی مواد رطوبت‌گیر است را به آرامی بچرخاند. سیستم‌های ونتیلاسیون بازیافت انرژی یک راه کنترل شده برای ونتیلاسیون یک خانه با حداقل کردن تلفات انرژی فراهم می‌کنند. هوا از یک چرخ انتالپی که اغلب از سیلیکاژن استفاده میکند عبور کرده و هزینه گرمایش هوای ونتیلاسیون شده را در زمستان به‌وسیله‌ی انتقال حرارت از سمت گرم هوای داخل که تخلیه میشود به هوای ورودی تازه سرد کاهش میدهد. در تابستان، هوای داخل، هوای ورودی گرم‌تر را خنک میکند تا هزینه‌های سرمایش کم شود. این فن و موتورهای سیستم ونتیلاسیون به‌وسیله‌ی فتوولتاییک و با هزینه کم به حرکت درآید و جابه‌جایی طبیعی هوای تخلیه را از یک دودکش خورشیدی افزایش میدهد. جریان هوای رو به پایین ورودی به‌صورت جابجایی اجباری با دودکش انجام میشود.
شکل 1 -سیستم مدار باز با فن تهویه مطبوع خورشیدی (10)
میتوان یک ماده رطوبت‌گیر همانند کلرید کلسیم را با آب مخلوط و یک آبشار جاذب در چرخش تولید کرد و به‌وسیله انرژی خورشیدی که برای بازیافت مایع به کار می‌رود و یک پمپ کوچک باانرژی فتوولتاییک میتوان رطوبت هوای اتاق را گرفت.(10)
6- سیستم جذبی لوپ بسته (solar closed-loop absorption)
سرمایش خورشیدی فعال برای فراهم کردن انرژی گرمایی برای چیلرهایی با مصرف حرارت از کلکتور گرمایی خورشیدی استفاده می‌کنند. انرژی خورشیدی یک سیال را گرم میکند که این سیال حرارت را برای ژنراتور یک چیلر جذبی فراهم میکند و سپس مجدداً به کلکتورها بازگشت میکند. حرارت فراهم شده در ژنراتور، یک سیکل کولینگ را به راه می‌اندازد که در آن آب سرد میشود. آب سرد تولید شده در سرمایش بزرگ تجاری و صنعتی مورد استفاده است.
شکل 2 – سیستم جذبی لوپ بسته(11)
انرژی گرمایی خورشیدی میتواند برای سرمایش با کار آیی بالا در تابستان و نیز گرم کردن آب گرم خانگی ساختمان‌ها در زمستان به کار رود. در سیستم‌های سرمایش با گرمای خورشیدی از سیکل‌های سرمایشی جذبی تک، دو یا سه اثره در طرح‌های مختلف استفاده میشود. هرچه تعداد سیکل‌ها بیشتر باشد، کارایی آنها بالاتر می‌رود. چیلرهای جذبی کارا نیاز به آب با حداقل دمای 88 درجه سانتی‌گراد دارند. کلکتورهای معمولی صفحه تخت تنها می‌توانند آب را تا 71 درجه سانتی‌گراد گرم کنند، بنابراین به کلکتورهای صفحه تخت دما بالا، تمرکزی و یا با تیوب خلاً برای تولید آب با دمای بالاتر نیاز است.(11)
7- نتيجه گيری
در شرایط کنونی اقتصادی، سیستم‌های گرمایش و سرمایش خورشیدی از منظر یک سرمایه‌گذار برای اشخاص حقیقی به علت ارزان بودن انرژی فسیلی و برق مقرون‌به‌صرفه نیست. در صورتی که با توجه به بررسی‌های انجام گرفته میتوان به این نتیجه رسید که استفاده از سیستم‌های تهویه خورشیدی دارای مزایای بسیاری درزمینه صرفه‌جویی انرژی، اقتصادی و محیط زیست است که سرمایه‌گذاری اولیه را در سطح کلان کشور تنها در چند سال نخست بازگشت میدهد. ازآنجاکه در حداکثر تابش خورشیدی نیازمند سرمایش حداکثر بوده که قابلیت تبرید خورشیدی حداکثر می شود. سرمایش و گرمایش خورشیدی روشی مناسب و کارا است که با نامحدود بودن انرژی خورشیدی قابل سرمایه‌گذاری است.
مراجع
[1] Henning H-M solar- assisted air-conditioning in building Verlag:2004. Ahandbook for planners. Wien new York: springer
[2] Eiker U.solar technologis for buildings.chichestor:Wiley:2003
[3] Mohamad AA. A review on solar cold production through absorption technology Hassan HZ Sustain Energy Rev 2012:16(7):5331-48.,.Renew
[4] Volker Quaschning, “Understanding Renewable Energy Systems”, EarthScan, 1st edition, London, 2005.
[5] Akbarzadeh, “Fundamentals of Remote Area Power Supply Systems”, Energy Victoria, 1PstP edition, Melbourne, 1992.
[6] National Renewable Energy Laboratory, NREL (2000) Solpos 2.0 Documentation, availabl
[7] George O. G. Lof (1993). Active solar systems. MIT Press. P. 682. ISBN-262-0-978.5-12167.
[8] عاملی، نگین (1390). بهینه‌سازی مصرف انرژی با به‌کارگیری سیستم تهویه مطبوع خورشیدی, همایش انرژی.
[9] Otanicar, T., Taylor, R.A., Phelan, P , .Prospects for solar cooling, Solar Energy Volume 86, Issue 5, May 2012.
[10] “Solar Cooling.” www.solid.at. Accessed on 1 July 2008
[11] Mazzei P, Minichiello F, Palma D. Desiccant systems fo commercial buildings. Appl Thermal Engng 2002; 22:545–60