روش انتخاب سیستم های گرمایش خورشیدی

معیارهایی که باید برای تعیین اندازه سیستم های گرمایش خورشیدی استخرها مورد توجه قرار گیرد عبارتند از :

• حجم آب استخر
• دوره زمانی استفاده از استخر در طول سال
• مقدار متوسط دمای هوای منطقه
• وضعیت تابش خورشید در منطقه
• جهت گیری کلکتورهای خورشیدی و شیب آن ها نسبت به سطح تراز
• بازدهی کلکتورهای مورد استفاده
• استفاده یا عدم استفاده از روکش استخر

محاسبه مساحت صفحات خورشیدی

سطح کلکتورها باید حداقل برابر پنجاه درصد سطح استخر باشد. البته در عمل، برای جبران بخشی از کلکتورها که در ساعات مختلف روز در سایه قرار می گیرند یا زمان هایی از روز که هوا ابری است، سطح کلکتورها معمولا بیشتر از این مقدار حداقل در نظر گرفته می شود. در استخرهای سرپوشیده که قرار است در تمام طول سال مورد استفاده قرار گیرند، به منظور تامین انرژی گرمایی مورد نیاز در ماه های سرد سال سطح کلکتورها باید افزایش یابد. به عبارت دیگر اگر قرار است استخری در تمام طول سال مورد بهره برداری قرار گیرد، سطح مورد نیاز کلکتورها باید به حد بالای یاد شده نزدیک باشد. در مقابل هر چه دوره زمانی دایر بودن استخر محدود تر باشد، این سطح را نیز متناسب با شرایط فصلی کوچک تر انتخاب کرد. در صورت استفاده از تمهیداتی مانند روکش استخر، به دلیل کاهش نرخ آب می توان سطح کلکتورها را بر مبنای حد پایین انتخاب کرد.

به عنوان یک قاعده سرانگشتی، برای تقریب زدن سطح صفحات خورشیدی مورد نیاز تقریبا باید 75% از سطح استخر را در نظر گرفت. البته به این منظور گاهی قواعد سرانگشتی پنجاه درصد یا شصت درصد سطح استخر نیز پیشنهاد می شود. ولی تجربه نشان داده است که تقریب 75% معمولا بهترین انتخاب به شمار می رود. به این ترتیب در روزهای ابری یا روزهایی که هوا غبارآلود است، مجموعه با کمبود ظرفیت رو به رو نخواهد شد. در روزهای معمولی نیز زیاد بودن سطح صفحات خورشیدی موجب زودتر گرم شدن آب استخر می شود. بنابراین این ضریب اطمینان ده تا پانزده درصدی مزایای خوبی را به همراه دارد. درست است که هزینه این مقدار صفحات خورشیدی نیز به پروژه تحمیل می شود ولی نتیجه آن عملکرد مطلوب و بدون دغدغه سیستم در تمامی روزها خواهد بود.

البته گاهی اوقات به دلیل محصور بودن ساختمان از طرفین ممکن است امکان جهت گیری پیل های خورشیدی به یک سمت خاص وجود نداشته باشد.

مثال:

برای یک استخر خانگی به ابعاد 4ft*20ft تعداد صفحات خورشیدی مورد نیاز را تعیین کنید.

A=4ft*20ft=80 ft2

مساحت صفحات خورشیدی مورد نیاز با حساب سرانگشتی 75% برابر است با 600ft2 . پیل های خورشیدی معمولا در ابعاد 4ft*8ft یا 4ft*10ft ساخته می شوند. بنابراین تعداد صفحات خورشیدی مورد نیاز برای پوشش دادن سطح نورگیر 600ft2 برابر است با:

4ft*8ft=32 ft2

600 ft2/32 ft2=18.75    19 عدد صفحه خورشیدی مورد نیاز است.

4ft * 10ft ft=40 ft2 

600 ft2/40 ft2 = 15     15 عدد صفحه خورشیدی مورد نیاز است.

 

نکته دیگر محاسبه دبی مورد نیاز برای سیستم های خورشیدی است. البته در بسیاری مواقع می توان دبی مورد نظر آب در سیستم خورشیدی را با استفاده از همان پمپ اصلی مجموعه تامین کرد. البته به این منظور باید محاسبات دقیقی صورت گیرد. به عنواع یک قاعده سرانگشتی به ازای هر 0.9 m2 از سطح صفحات خورشیدی، شدت جریان 3.8 L/min مورد نیاز خواهد بود. لوله کشی صفحات خورشیدی همواره به گونه ای انجام می گیرد که جریان آب از پایین وارد صفحات شده و از بالا خارج شود. در عمل، گرم کردن آب جکوزی ها با استفاده از سیستم های خورشیدی به سادگی امکان پذیر نیست. البته با این سیستم ها می توان بخشی از بار گرمکن های سنتی را کاهش داد.

عامل دیگری که بر کارایی سیستم های خورشیدی تاثیرگذار است، وضعیت وزش باد در منطقه است. اولین مساله ای که باید مورد توجه قرار گیرد آن است که بادهای شدید ممکن است صفحات خورشیدی را از بام های ساختمان جدا کند. دیگر آن که وزش باد به ویژه در مواردی که صفحات خورشیدی بر روی بام ساختمان نصب شده اند خیلی زود می تواند گرمای آن ها را بگیرد و دمای آن ها را کاهش دهد. وزش باد در واقع نرخ انتقال حرارت جابه جایی را افزایش می دهد. بنابراین هر چه وزش باد بیشتر باشد صفحات خورشیدی گرمای بیشتری را از دست می دهند.

تذکر: در هنگام پسشویی فیلترها سیستم خورشیدی را از مدار خارج کنید و حداقل تا بیست دقیقه پس از پایان پسشویی، آن را وارد مدار نکنید. به این ترتیب از ورود رسوبات به کلکتورهای خورشیدی و رسوب گرفتگی آن ها جلوگیری می شود.

ارزیابی اقتصادی سیستم های گرمایش خورشیدی

برای تحلیل اقتصادی بودن یا نبودن سیستم های خورشیدی ابتدا باید هزینه اولیه سیستم های خورشیدی را ارزیابی کرد. برای این کار نیز ابتدا باید سطح کلکتورهای مورد نیاز برای تامین ظرفیت گرمایشی استخر را محاسبه کرد. در مقابل باید مقدار برق یا گازی که در صورت عدم استفاده از سیستم های خورشیدی باید صرف شود را تحلیل کرد. در نهایت با مقایسه این دو هزینه، دوره بازگشت سرمایه با استفاده از سیستم های خورشیدی را مورد بررسی قرار داد. به طور تقریبی دوره بازگشت سرمایه با استفاده از سیستم های خورشیدی بین دو تا پنج سال متغیر است.

از دیگر مزایای سیستم های خورشیدی به عمر مفید بیشتر آن ها در مقایسه با گرمکن های سنتی می توان اشاره کرد. عمر سیستم های خورشیدی به طور متوسط بین ده تا بیست سال است. 

بنا بر توصیه انجمن NSPI سیستم های خورشیدی فعال مورد استفاده برای گرمایش استخرها، بهترین گزینه از نظر صرفه اقتصادی به شمار می روند. البته کارایی این سیستم ها به عوامل متعددی بستگی دارد. هزینه بهره برداری از انرژی خورشیدی در مقایسه با انرژی فسیلی و الکتریکی باید در یک دوره کارکرد چندین ساله مورد ارزیابی قرار گیرد. بنابراین با توجه به وضعیت کنونی جهان از نظر انرژی در تمامی طراحی های استخرها استفاده از انرژی خورشیدی به عنوان یک گزینه می تواند مورد ارزیابی قرار گیرد. به عنوان یک قاعده سرانگشتی، صفحات خورشیدی مورد نیاز برای گرم کردن آب استخر تقریبا به اندازه 75% از سطح کاسه استخر است که این فضا به هیچ وجه نباید در معرض سایه ساختمان ها یا درختان باشد.

عیب یابی سیستم های گرمایش خورشیدی

با تمامی مزایایی که از سیستم های خورشیدی مطرح شد این سیستم ها بی نیاز از تعمیر و نگه داری نیستند. بلکه متناسب با شرایط باید هر دو یا سه ماه یک بار از نظر نشتی به دقت مورد بررسی قرار گیرند.

متداول ترین مشکلاتی که ممکن است برای این سیستم ها به وجود آید را مطرح می کنیم.

• آب استخر به اندازه کافی گرم نمی شود.

اصلی ترین علت بروز این مشکل آن است که مساحت کل صفحات خورشیدی برای کاربرد مورد نظر کافی نیست. البته گاهی مساحت کلکتورها کافی است، ولی مسایل دیگری مانند جهت گیری نامناسب یا سایه اندازی روی آن ها عامل افت ظرفیت سیستم خورشیدی باشد که نتیجه آن گرم نشدن آب استخر به اندازه کافی است. به طور معمول توصیه می شود حداقل سالی یک بار وضعیت سایه اندازی بر روی کلکتورها را در زمان های مختلف روز بررسی کنید. چرا که ایجاد سایه روی کلکتور بازدهی سیستم های خورشیدی را به میزان زیادی کاهش می دهد. ساخت و سازهای دایمی، رشد درختان و عواملی مانند آن ممکن است کلکتورهایی که در هنگام بهره برداری اولیه تمام روز در معرض تابش خورشید بودند را در وضعیتی قرار دهد که در زمان طولانی از روز در سایه باشند.

البته در مواردی مانند پایین بودن نرخ گردش آب در صفحات خورشیدی نیز می تواند موجب کاهش ظرفیت گرمایی این سیستم ها شود. همچنین در صورتی که گردش آب در صفحات خورشیدی در زمان نامناسبی انجام گیرد، انرژی گرمایی کافی به سیال منتقل نمی شود که نتیجه آن گرم نشدن آب استخر تا دمای مورد نظر است. برای مثال اگر آب در هنگام شب در کلکتورها جریان داشته باشد، احتمال آن وجود دارد که آب به جای گرم شدن حتی گاهی سرد نیز شود. البته این مشکل اساسا با وضعیت کارکرد کنترل کننده ها در ارتباط است. بنابراین عملکرد کنترل کننده های خودکار تعبیه شده در مدار نقش به سزایی در صحت کارکرد سیستم و دستیابی به حداکثر بازدهی ممکن را دارد. به منظور دستیابی به حداکثر کارایی ممکن، سطح کلکتورها باید تمیز باشد. گاهی اوقات کثیف بودن صفحات خورشیدی مانع از جذب مقدار کافی نور خورشید می شود که نتیجه آن کاهش ظرفیت گرمایی سیستم و گرم نشدن آب تا دمای مورد نظر است. کثیف شدن صفحات خورشیدی گاهی تا پنجاه درصد بازدهی سیستم را کاهش می دهد.

• در خط برگشت استخر حباب های هوا مشاهده می شود، این حباب ها فقط زمانی که سیستم خورشیدی در مدار است مشاهده می شوند:

علت بروز این مشکل ممکن است کثیف شدن فیلترها یا معیوب بودن شیر اطمینان خلا باشد. در صورتی که مسیر سیستم لوله کشی یا شیر اطمینان خلا مسدود شده باشد نیز احتمال مشاهده حباب در داخل استخر زیاد است.

• بعضی از صفحات گرم و برخی دیگر سرد هستند:

این مشکل اکثرا مرتبط با سیستم گردش آب کلکتورهاست. برای بررسی مساله باید شدت جریان آب عبوری از سیستم خورشیدی را اندازه گیری نموده و آن را با مقادیر متداول کنترل کرد. گاهی اوقات ممکن است بعضی از شیرهایی که در مسیر جریان قرار می گیرند بسته باشد. وضعیت پمپ سیستم خورشیدی، وضعیت لوله کشی و اتصالات مربوطه را به دقت کنترل کنید و از صحت عملکرد آن ها اطمینان حاصل کنید. وضعیت سیال داخل کلکتورها را کنترل کنید. اگر در یک روز گرم و آفتابی سطح کلکتورها سرد باشد تنها دلیل می تواند کم بودن جریان آب در داخل کلکتورها به واسطه ضعیف بودن شدت پمپاژ آب باشد. بنابراین انتخاب دقیق پمپ مناسب برای سیستم های خورشیدی ازاهمیت بالایی برخوردار است. در صورت استفاده از سیستم های حلقه بسته، به خاطر داشته باشید که محلول ضد یخ مدار داخلی باید به صورت دوره ای تعویض شود.

• کلکتورها یا لوله کشی منتهی به سیستم خورشیدی نشتی دارند:

نشتی یکی از متداول ترین مشکلاتی است که برای سیستم های خورشیدی ایجاد می شود. نشتی معمولا به واسطه انبساط و انقباض شدید مواد در اثر تبادل حرارت و تابش مستقیم خورشید رخ می دهد. گاهی اوقات نیز عدم توازن آب از نظر شیمیایی موجب اسیدی شدن آن و خوردگی شدید لوله ها و اتصالات می شود که نتیجه آن فرسودگی زود هنگام و نشتی آن خواهد بود. به طور کلی نشتی یکی از حاد ترین مشکلاتی است که در دراز مدت عملکرد سیستم های گرمایش خورشیدی را تحت تاثیر قرار میدهد. به منظور به حداقل رساندن این مشکل در صورت امکان باید از اتصالات جوشی استفاده شود. ضمن آنکه در صورت استفاده از اتصالات رزوه ای، این اتصالات باید با استفاده از نوارهای آب بندی مناسب کاملا محکم شوند.

به منظور محافظت از اجزای مختلف سیستم های خورشیدی، در کنار تجهیزاتی که برای گرمایش آب یا ذخیره آب گرم مورد استفاده قرار می گیرند، برای محافظت از سیستم در برابر فشار و دمای بیش از حد باید از تجهیزات ایمنی مورد تایید مانند شیر اطمینان فشار و دما استفاده شود. البته تمامی تجهیزات ایمنی مورد استفاده در سیستم های خورشیدی باید با معیارها و الزامات تعیین شده در استانداردهای UL و ASME سازگاری داشته باشد.

منابع و پیوندها