انواع آبگرمکن خورشیدی؛ شرح عملکرد هر کدام

سیستم های آبگرمکن های خورشیدی توجه به نحوه حرکت آب در سراسر سیستم به دو دسته کلی غیرفعال (passive) و فعال (active) تقسیم می شوند. تفاوت اصلی بین این دو این است که سیستم های فعال برای جابجایی آب به پمپ های گردشی (circulating pumps) نیاز دارند و سیستم های غیرفعال برای حرکت آب به جاذبه متکی هستند. سیستم های فعال همچنین برای کار کردن به برق نیاز دارند و ممکن است از ضد یخ بعنوان مایع مبدل حرارتی (heat exchanger fluid) استفاده کنند. در ساده ترین کلکتورهای خورشیدی غیرفعال، آب در لوله ها گرم می شود. سپس در صورت نیاز، مستقیماً به یک شیر آب منتقل می گردد. کلکتورهای خورشیدی فعال یا از ضدیخ استفاده می کنند (که از کلکتور خورشیدی به یک مبدل حرارتی منتقل می شود که آب آشامیدنی را برای ذخیره سازی و مصارف خانگی گرم می کند) یا فقط آب را مستقیماً گرم می کند و سپس به مخزن آب پمپ می شود. هر سیستم آبگرمکن خورشیدی از همان قطعات اصلی تشکیل شده است، اما تفاوت هایی در طراحی سیستم وجود دارد و می بایست بین یک سیستم مستقیم یا غیرمستقیم یکی را انتخاب کرد؛ که بر نحوه گرم شدن سیال در کلکتورها تأثیر می گذارد. هر سه نوع کلکتورهای انرژی خورشیدی به ذخیره آب متکی هستند. سیستم های انرژی خورشیدی صرف نظر از نوع کلکتور، فعال یا غیرفعال هستند که بر نحوه حرکت سیال در سیستم تأثیر می گذارد:

آبگرمکن های خورشیدی فعال (Active Solar Water Heaters)

در یک سیستم آبگرمکن خورشیدی فعال، دارای یک پمپ گردش الکتریکی است که آب را از طریق لوله های سیستم به گردش در می آورد؛ پمپ ها آب (یا سیال تبادل گرما) را از محل ذخیره آب، از طریق کلکتور و به سیستم لوله کشی خانگی منتقل می کنند. ذخیره آب در داخل خانه قرار دارد. اگر آبگرمکن در مناطق سردسیر نصب می شود و زمستان های سردی دارد، مایعات تبادل گرما بهتر است. پروپیلن گلیکول (Propylene glycol) یا مایع تایید شده دیگری به کلکتور گرمایی پشت بام می رود و سپس از طریق لوله های مخزن آب گرم پایین می رود تا آب را گرم کند. هزینه سیستم های فعال کمی بیشتر است و کارکرد آن ها پیچیده تر است، اما وجود یک پمپ به این معنی است که می توانید سیستم آبگرمکن خورشیدی خود را برای یک سال کامل کار کنید، حتی زمانی که هوا سرد است. در نتیجه، راندمان بالاتری نسبت به سیستم های غیرفعال دارند. برای اکثر خریداران ایالات متحده، یک سیستم فعال در دراز مدت پول بیشتری را در قبض آب گرمایش ذخیره می کند. اگر در منطقه ای زندگی می کنید که یخ زدگی مشکلی ندارد، آب خانگی مستقیماً می تواند به کلکتور برود و به مخزن ذخیره آب گرم یا لوله های لوله کشی برمی گردد. پمپ های کنترل کننده (Controller Pomp) فقط در تاسیسات آبگرمکن خورشیدی فعال استفاده می شوند. اگرچه آبگرمکن های خورشیدی فعال گران تر از سیستم های غیرفعال هستند، اما کارآمدتر هستند. دو نوع سیستم گرمایش آب خورشیدی فعال وجود دارد:

• فعال مستقیم (Active Direct)؛ در یک سیستم مستقیم فعال، آب آشامیدنی مستقیماً از کلکتور حرارتی (heat collector) عبور می کند و برای استفاده به مخزن ذخیره می رسد. این نوع برای آب و هوای معتدل که در آن دما به ندرت به زیر صفر می رسد، مناسب هستند.
• فعال غیر مستقیم (Active Indirect)؛ سیستم های فعال غیرمستقیم، یک سیال غیر انجماد را از طریق کلکتور خورشیدی و به یک مبدل حرارتی (heat exchanger) به گردش در می آورند؛ جایی که گرمای سیال به آب آشامیدنی منتقل می شود. سپس آب به یک مخزن ذخیره برای مصارف خانگی () منتقل می شود. سیستم های غیرمستقیم فعال برای آب و هوای سرد که دما بطور مرتب به زیر صفر می رسد ضروری است. بدون یک سیستم غیر مستقیم فعال، لوله ها با خطر یخ زدن و ترکیدن مواجه هستند.

نکته مهم دیگر در این است که تفاوت اصلی آبگرمکن خورشیدی مستقیم و غیرمستقیم در نوع سیال مورد استفاده برای جمع آوری گرما در سیستم می باشد. در یک سیستم غیر مستقیم، انرژی خورشیدی جمع آوری شده و در یک مایع ضد یخ مخصوص نگهداری می شود. ضد یخ به مخزن ذخیره آب گرم منتقل می شود که آب را برای استفاده در خانه گرم می کند. در حالی که در مدل مستقیم، آب مستقیماً از خورشید گرما می گیرد، نه اینکه ابتدا در یک مایع انتقال جمع شود. اکثر تاسیسات آبگرمکن خورشیدی از سیستم های آبگرمکن خورشیدی غیر مستقیم استفاده می کنند. سیستم های غیرمستقیم در برابر دماهای سرد مقاوم تر هستند و انرژی گرمایی را در ماه های سردتر زمستان حفظ می کنند. با این حال، سیستم های غیر مستقیم نیز گران تر از سیستم های مستقیم هستند. رایج ترین نوع سیستم برای استفاده در ساختمان های تجاری و مسکونی، سیستم فعال است. دو لوله در کنار هم قرار می گیرند تا یک لوله بزرگتر ایجاد کنند و فضای بین این دو لوله از هوا تخلیه می شود. همانطور که سیال داخل لوله بزرگتر گرم می شود، به سمت بالا بالا می رود، جایی که یک مبدل حرارتی گرما را به آب منتقل می کند و سپس به مخزن ذخیره پمپ می شود و در صورت لزوم توزیع می شود.

در اقلیم های سردتر با امکان یخ زدگی از سیستم غیر مستقیم استفاده می شود. محلول ضد یخ، مانند پروپیلن گلیکول غیر سمی ()، در کلکتور خورشیدی گرم می شود و از طریق یک مبدل حرارتی به مخزن ذخیره آب گرم منتقل می شود. آب قابل حمل در مخزن ذخیره توسط مبدل حرارتی داغ و پر از ضد یخ گرم می شود و سپس می توان از آب گرم شده در صورت لزوم استفاده کرد، در حالی که گلیکول خنک شده به کلکتور خورشیدی برگشت داده می شود تا دوباره گرم شود. یکی دیگر از انواع متداول طراحی سیستم های گرمایش آب خورشیدی برای آب و هوای سرد، زهکشی () نامیده می شود. این نوع سیستم انرژی خورشیدی معمولاً از آب بعنوان سیال انتقال حرارت استفاده می کند، و به گونه ای طراحی شده است که به تمام آب موجود در کلکتور خورشیدی اجازه می دهد تا به مخزن نگهدارنده در قسمت گرم شده ساختمان که در آن استفاده می شود، تخلیه شود. هنگامی که نور خورشید برای گرمایش در دسترس نباشد، پمپ خورشیدی خاموش می شود و آب به وسیله نیروی جاذبه به مخزن تخلیه جریان می یابد.

آبگرمکن های خورشیدی غیر فعال (Passive Solar Water Heaters)

آبگرمکن خورشیدی غیرفعال، پمپی برای حرکت آب ندارد، لذا گزینه ای ارزان تر و ساده تر هستند؛ چون هیچ انرژی، اجزای الکتریکی یا پانل های خورشیدی اضافی برای راه اندازی سیستم لازم نیست و برای حرکت سیال و آب به گرانش متکی هستند (با تکیه بر ترمودینامیک). به بیان دیگر، این سیستم ها بر همرفت و تمایل آب گرم تر به بالا آمدن تکیه دارند و پانل های جمع کننده برای سیستم های غیرفعال باید در بالا قرار گیرند و معمولاً باید بر روی پشت بام نصب شوند. در حالی که نصب سیستم های غیرفعال پیچیدگی کمتری دارد، اما نسبت به سیستم های فعال کارایی بسیار کمتری دارند. علاوه بر این، برخی از سیستم های غیرفعال برای کار باید مخزن ذخیره سازی خود را بالاتر از کلکتورها نصب کنند، که می تواند فشار زیادی را به پشت بام وارد کند. اکثر سیستم های آبگرمکن خورشیدی در ایالات متحده فعال هستند، به این معنی که آنها یک کنترل کننده دارند که آب یا مایع ضد یخ را از طریق سیستم پمپ می کند. با این حال، آنها می توانند قابل اعتمادتر باشند و دوام بیشتری داشته باشند، بنابراین نباید آنها را بعنوان یک گزینه نادیده بگیرید، به خصوص اگر بودجه کمی دارید. یک سیستم آب گرم غیرفعال به یک مخزن بزرگ متکی است که در بالای پشت بام قرار دارد. خورشید مستقیماً آب را گرم می کند و نیروی گرانش آب را به محل ذخیره آب گرم می فرستد. با این حال، سیستم های فعال قابل اطمینان تر از سیستم های غیرفعال هستند. همچنین ممکن است برای نگهداری یک مخزن آب غیرفعال سنگین، نیاز به سرمایه گذاری در پیشرفت های ساختاری روی پشت بام خود داشته باشید. برای خانه های قدیمی تر یا املاک با پشت بام هایی که نمی توانند وزن زیادی را تحمل کنند، یک سیستم غیرفعال کار را انجام نمی دهد. آنها نسبت به سیستم های فعال کمی ارزان تر هستند، اما برای مناطقی که هوای سرد دارند مناسب نیستند.

همه سیستم های غیرفعال از فشار یا گرانش برای گردش آب استفاده می کنند و به دو صورت هستند:

• ذخیره سازی کلکتور یکپارچه و گرمکن های دسته ای (Integral Collector Storage and Batch Heaters)؛ سیستم های ذخیره سازی کلکتور یکپارچه (ICS) ساده ترین واحدهای گرمایش آب خورشیدی هستند. کلکتور حرارتی (heat collector) همچنین بعنوان مخزن ذخیره آب عمل می کند. آنها کاملاً کارآمد هستند، اما فقط در آب و هوای سرد، برای آنها خطر یخ زدگی وجود دارد. سیستم های ICS می توانند به سادگی یک مخزن سیاه بزرگ یا مجموعه ای از لوله های مسی کوچک تر باشند که به پشت بام بسته شده اند. واحدهای ICS با لوله مسی بدلیل افزایش سطح، سریعتر گرم می شوند؛ اما به همین دلیل گرما را سریعتر از دست می دهند. نکته مهمی که باید در مورد سیستم ICS در نظر گرفت اندازه و وزن است: از آنجایی که مخزن ذخیره سازی را همراه خود دارد، بزرگ و سنگین هستند. یک سازه باید به اندازه کافی قوی باشد تا از سیستم های ICS حجیم پشتیبانی کند، که ممکن است برای برخی از خانه ها غیرعملی یا غیرممکن باشد. یکی دیگر از اشکالات سیستم ICS تمایل آن به یخ زدن و حتی ترکیدن آن در هوای سردتر است که باعث می شود آنها فقط برای آب و هوای گرمتر مناسب باشند یا قبل از شروع هوای سرد تخلیه شوند. سیستم های ICS گاهی اوقات سیستم های دسته ای نامیده می شوند. لوله ها یا مخازن مشکی در یک جعبه ضد آب برای گرم کردن آب با انرژی خورشیدی قرار دارند. آب گرم شده از کلکتور ICS خارج شده و وارد یک آبگرمکن پشتیبان می شود. کلکتورهای خورشیدی لوله خلاء از لوله های شیشه ای مخصوص، لوله های فلزی و باله ها برای جذب انرژی خورشیدی و کاهش اتلاف گرما استفاده می کنند. سیستم کلکتور لوله خلاء به کمک خلاء ایجاد شده بین لوله های شیشه ای و فلزی برای حفظ گرما متکی است.

• آبگرمکن ترموسیفون (Thermosyphon Water Heaters)؛ در اوایل صبح، تابش خورشید باعث گرم شدن آب می شود. آب گرم شده به علت سبک تر بودن با جابجایی طبیعی بالا رفته، به مخزن ذخیره می رسد و آب سرد مخزن که سنگین تر می باشد از پایین آن به داخل لوله های خلأ جاری می گردد. این فرایند چرخش طبیعی آب که به آن ترموسیفون گفته می شود در سیستم دائماً تکرار می شود. با توجه به اینکه هیچگونه پمپ استفاده نمی شود هزینه نگهداری دستگاه بسیار پایین است. کل سیستم عایق حرارتی می باشد بنابراین اتلاف دما بسیار پایین هست بنابراین هم افزایی گرمایی آب دائماً وجود دارد و به دماهای بالا بنا به شرایط جوی ۴۰ تا ۱۰۰ درجه سانتی گراد می رسد. آب گرم در منبع آبگرمکن تا ۷۲ ساعت گرم باقی می ماند. به بیان ساده تر، سیستم ترموسیفون به گردش حرارتی (thermal circulation) متکی هستند. هنگامی که آب گرم بالا می آید و آب خنک پایین می آید، آب به گردش در می آید. آنها دارای یک مخزن مانند یک واحد ICS هستند؛ اما دارای کلکتورهایی هستند که از مخزن شیب دار به سمت پایین متصل شده اند تا گردش حرارتی را امکان پذیر کنند. کلکتورهای ترموسیفون نور خورشید را جمع آوری می کنند و آب گرم شده را از طریق یک حلقه بسته یا لوله حرارتی به مخزن می فرستند. با اینکه ترموسیفون ها کارآمدتر از سیستم های ICS هستند. نکته مهم در مورد آبگرمکن خورشیدی ترموسیفونی این است که باید در بالاترین نقطه ساختمان نصب شوند تا با استفاده از اختلاف ارتفاع آن تا محل مصرف، فشار آب بالا رود. لازم به ذکر که اگر از آبگرمکن های خورشیدی ترموسیفونی استفاده می شود، کل سیستم روی بام خانه قرار گرفته و فقط لازم است امکان عبور یک لولۀ رفت و یک لولۀ برگشت بین بام و مصرف کننده ها وجود داشته باشد.

در کل، باید گفت که مهم نیست از کدام نوع سیستم انرژی خورشیدی استفاده می شود، می توان انتظار داشت که یک سیستم گرمایش خورشیدی به درستی طراحی و نصب شده باشد که درصد قابل توجهی (40 تا 80 درصد) از نیازهای آب گرم ساختمان را تامین کند.