با توجه به بحران زيست محيطي كه حيات بر روي كره زمين را تهديد ميكند و نيز افزايش چشمگير مصرف انرژي كه باعث تشديد اين بحران شده است، لزوم رويكرد به منابع انرژي پاك و تميز بايد با شدت بيشتري مورد توجه قرار گيرد. از اين رو انرژي خورشيد، اين منبع لايزال الهي كه كشور ما به دليل شرايط خاص جغرافيايي و اقليمي، بطور نامحدود از اين موهبت برخوردار است، به عنوان بهترين و اميدبخش‌ترين منبع انرژي شناخته شده است. در اين مقاله سعي شده تا راهكارهاي مناسب جهت صرفه‌جويي در مصرف انرژي و نيز استفاده از انرژي خورشيد در ساختمان معرفي شوند
استفاده از انرژي خورشيدي و ساير انرژي‌هاي تجديدپذير در ساختمان
محمدمهدي دهاقين۱_ علي محمد ميرشمس۲_ سالم بعنوني۳
شركت مهندسي آسياوات _ گروه تحقيق و پژوهش
info@asiawatt.com
تلفن: ۸۸۷۷۸۰۱۴-۰۲۱
چكيده:
با توجه به بحران زيست محيطي كه حيات بر روي كره زمين را تهديد ميكند و نيز افزايش چشمگير مصرف انرژي كه باعث تشديد اين بحران شده است، لزوم رويكرد به منابع انرژي پاك و تميز بايد با شدت بيشتري مورد توجه قرار گيرد. از اين رو انرژي خورشيد، اين منبع لايزال الهي كه كشور ما به دليل شرايط خاص جغرافيايي و اقليمي، بطور نامحدود از اين موهبت برخوردار است، به عنوان بهترين و اميدبخش‌ترين منبع انرژي شناخته شده است. در اين مقاله سعي شده تا راهكارهاي مناسب جهت صرفه‌جويي در مصرف انرژي و نيز استفاده از انرژي خورشيد در ساختمان معرفي شوند و در ادامه به بررسي و شناخت آبگرمكن خورشيدي و نحوه عملكرد و شناسايي بخشهاي مختلف آن، به عنوان راهكاري مناسب جهت بهره‌گيري از انرژي خورشيد پرداخته شده است.
مقدمه:
انرژي مهمترين منبع پيشرفت و تكامل اقتصادي و صنعتي يك كشور ميباشد. استاندارد زندگي هر جامعه اغلب به سرانه مصرف انرژي آن جامعه مربوط ميشود. اگرچه اين مصرف در جوامع صنعتي بالاتر است، اما آهنگ رشد مصرف در كشورهاي در حال توسعه بيشتر ميباشد.
منبع اصلي انرژي هم در كشورهاي صنعتي و هم در كشورهاي در حال توسعه، سوختهاي فسيلي بوده است. بيش از ۸۰% انرژي مصرفي جهان از سوختهاي فسيلي تأمين ميشود. يك چنين مصرف بي‌رويه سوختهاي فسيلي موجب آلودگيهاي آب و هواي كره زمين گرديده است كه حادترين نوع آن تغيير دماي كره زمين ميباشد. براساس پيش‌بيني دانشمندان، چنانچه روند كنوني مصرف سوخت فسيلي و تخريب جنگلها ادامه يابد، درحدود ۳۰ تا ۵۰ سال آينده دماي كره زمين در حدود ۴ درجه سانتيگراد افزايش خواهد يافت. وجود اين افزايش دما در زمين موجب بالا رفتن سطح آب درياها و اقيانوسها به اندازه ۴۰ تا ۶۰ سانتيمتر ميشود. همچنين آلودگيهاي سوختهاي فسيلي موجبات تخريب لايه ازون ميشود كه لايه اوزن در جذب تشعشعات ماوراء بنفش خورشيد مؤثر بوده و افزايش مقدار آن در كره زمين موجب برخي بيماريها مانند سرطان پوست در انسان ميشود و به محصولات كشاورزي لطمه مي‌زند.
بمنظور رهايي از عواقب زيست محيطي فوق، ضرورت روي‌آوري به منابع تميز انرژي را مي‌بايست جدي تلقي نمود، لذا در اين ارتباط انرژي خورشيدي تاكنون اميدبخش‌ترين منبع انرژي است و تكنولوژي آن بخوبي شناخته شده است. بويژه آنكه تمام كشورها از اين منبع انرژي لايزال و موهبت الهي بهره‌مند ميباشند.
مسئله انرژي خورشيدي و استفاده از اين منبع بسيار ارزشمند و لايتناهي در سالهاي اخير در سطح جهاني مطرح بوده است. اين انرژي آزاد، بدون قيمت و قابل گردآوري و استفاده است و جالب آنكه در هنگام استفاده موجب آلودگي محيط زيست نيز نخواهد شد. مقدار انرژي كه زمين از خورشيد دريافت مي‌دارد ۵۰۰۰ برابر بيشتر از آنست كه جمعيت فعلي زمين بتواند آنرا مورد استفاده قرار دهد و مهمتر اينكه اين انرژي در انحصار شركت يا كشوري نيست كه بتواند در مورد آن محدوديتي ايجاد نمايد.
كاربردهاي انرژي خورشيدي ما را مقدور مي‌سازد كه از نفت، اين طلاي سياه، در جهت توليد هزاران فرآورده پتروشيمي كه موجبات تكامل و ترقي و تعالي زندگاني ما را فراهم مي‌سازد استفاده نمائيم و از اين گوهر گرانبها در مصارف سوختي اجتناب نمائيم.
وفور سوختهاي فسيلي و عدم آشنايي و آگاهي كامل آرشيتكتها و مهندسان سيويل و ديگر دست‌اندركاران ساختماني موجب گرديده است كه اين منبع حياتبخش همچنان ناشناخته بماند، ولي قدر عافيت كسي داند كه به مصيبتي گرفتار آيد. مسئله جنگ اعراب و اسرائيل و محدوديت اعراب در عرضه سوختهاي فسيلي جرقه‌اي اساسي در اذهان اروپائيان جهت روي آوردن به انرژي خورشيدي بود. انرژي خورشيدي، برخلاف انرژي فسيلي، يك منبع انرژي پايان ناپذير است. كره زمين فقط ۱۰۰۰۰/۱ ميليونيم از تشعشع خورشيد را جذب ميكند و اين مقدار، با وجود آنكه در برابر كل ا نرژي خورشيد رقمي ناچيز است، ساليانه معادل ۵ تا ۱۰ برابر كل انرژي فسيلي موجود در زمين ميباشد يك مترمربع از سطح خارجي اتمسفر بطور متوسط حدود ۱۳۵۰ وات انرژي دريافت ميكند كه در مسير خود تا سطح زمين به صفر تا ۱۱۰۰ وات افت ميكند.
شناسايي موقعيت جغرافيايي يك نقطه براي تعيين كيفيت و كميت انرژي دريافتي آن نقطه از خورشيد ضروري است تعداد ساعات آفتابي ساليانه در نقاط مختلف سطح كره زمين كمتر از ۱۰۰۰ ساعت تا بيش از ۴۰۰۰ ساعت (از ۸۷۶۰ ساعت ساليانه) متغير است. اما تنها دانستن ميزان ساعات آفتابي در يك نقطه براي تعيين موقعيت خورشيد در آن نقطه كافي نيست. زيرا مشخصات رسيده به يك نقطه به ساعت، روز، فصل سال، و وضعيت اتمسفر بستگي دارد. آمارهاي بدست آمده نشان ميدهد كه قسمتهاي جنوبي خاك ايران، روزانه حدود ۶ كيلووات ساعت بر هر متر مربع و قسمتهاي شمالي آن روزانه حدود ۵ كيلووات ساعت بر هر مترمربع انرژي دريافت ميكنند و از اينرو كشور ما ايران از نظر دريافت انرژي خورشيدي در موقعيت بسيار خوبي است.
تشعشع خورشيد بستگي به چهار عامل مهم دارد كه عبارتند از:
۱- مقدار ثابت خورشيد
۲- شدت تابش
۳- انحراف محور زمين
۴- شرايط اتمسفريك
انواع انرژي مصرفي در ساختمان بطور عمده براي مقاصد ذيل مورد استفاده قرار ميگيرد:
– گرمايش و سرمايش هوا
– گرم كردن و يا سرد كردن مواد
– روشنايي، وسايل صوتي و تصويري و ماشينهاي خانگي
– تهويه
صرفه‌جويي در انرژي مصرفي در ساختمان بر دو پايه استوار است:
اول: استفاده حداكثر از انرژي مصرف شده از طريق انتخاب سيستمهاي كم مصرفتر و پربازده‌تر و طراحي تأسيسات مكانيكي و برقي‌اي كه اتلاف انرژي و گرما و سرماي توليدي در آنها به حداقل برسد.
دوم: رعايت قواعدي در طراحي و اجراي ساختمان و انتخاب مصالح مصرفي كه اولاً نياز به گرمايش و سرمايش را كاهش دهد و ثانياً از هدر رفتن گرما و سرماي توليد شده جلوگيري بعمل آورد.
در طراحي بر روي يك نقطه زمين مشخص، عوامل ذيل بر كاهش ميزان نياز به گرمايش و سرمايش و جلوگيري از هدر رفتن گرما و سرماي توليد شده مؤثرند. اين عوامل بشرح ذيل ميباشند:
۱- مواد و مصالح تشكيل‌دهنده پوسته خارجي ساختمان (در اين مورد بيشترين اثر مربوط به ميزان مقاومت حرارتي لايه‌هاي تشكيل‌دهنده پوسته خارجي و ضريب انتقال حرارتي اين پوسته است).
۲- ميزان نشت هوا از درزها و بازشوهاي پوسته خارجي (دفعات تعويض هوا در ساعت)
۳- نسبت سطح پوسته خارجي ساختمان به حجم فضاي مفيد (فرم كالبدي ساختمان)
۴- نسبت سطح بام به سطح مفيد ساختمان.
۵- نسبت سطح بازشوها در پوسته خارجي (مانند درها و پنجره‌هاي بازشو به هواي آزاد يا فضاي كنترل شده) به سطح مفيد ساختمان.
۶- جهت اسقرار ساختمان نسبت به چهار جهت جغرافيايي
۷- خصوصيات جذب تشعشع سطوح خارجي ساختمان.
۸- استفاده از سيستمهاي غيرفعال خورشيدي شامل:
• پنجره آفتابي
• ديوار آفتابي
• گلخانه
• سقفهاي آفتابي
• سايبانهاي افقي و عمودي
• سايه درختان
• بادگيرها
• گرماي زمين
• حياط
• زير زمين
• غيره
۹- استفاده از سيستمهاي فعال خورشيدي (جمع آورندههاي خورشيدي )
تدابيري كه طراحان با استفاده از عوامل فوق جهت صرفه‌جويي در مصرف انرژي به كار مي‌برند بايستي متناسب با شرايط زير باشد.
الف ) خصوصيات اقليمي منطقه استقرار ساختمان : دما، رطوبت، ميزان نزولات جوي، شدت وجهت وزش باد، شدت ومدت تابش خورشيد، عرض جغرافيايي، ارتفاع از سطح دريا، ساعات گرمايش و سرمايش در سال، پوشش گياهي منطقه ميزان آلودگي هوا.
ب ) بافت شهري محيط بري ساختمان
پ ) وضعيت توپوگرافيك
ضوابط مندرج در اين بحث تنها بر دو عامل رديف ۱ و ۲ يعني مواد و مصالح تشكيل دهنده پوسته خارجي ساختمان و ميزان نشت هوا از درزها و بازشوهاي پوسته خارجي بوده كه جنبه اجباري دارد و استفاده از بقيه عوامل در طراحي بستگي به نظر طراح خواهد داشت اما اكيداً توصيه ميشود تا جائيكه امكانات تكنيكي و صرفه اقتصادي ساخت اجازه ميدهد طراحان از ساير عوامل نيز بهره گيرند، به ويژه اين توصيه ناظر بر تدابيري است كه هيچگونه هزينه‌اي را به سازنده تحميل نمي‌نمايد، نظير انتخاب فرم كالبدي مناسب، نسبت سطح بام به سطح مفيد ساختمان، جهت مناسب استقرار ساختمان و نظاير آنها با توجه به ويژگيهاي اقليمي و توپوگرافي محل ساختمان و بافت شهري.
شرح دستگاه آبگرمكن خورشيدي:
دستگاه آبگرمكن خورشيدي شامل مجموعه‌ايست كه حداقل داراي منبع، كلكتور و لوله‌هاي رابط باشد و در بعضي از انواع آن از پمپ نيز استفاده ميشود. تشعشعات خورشيدي از طريق كلكتور جذب گرديده و حرارت را به مايع درون لوله هاي رابط منتقل مي‌سازد و از آنجا در منبع ذخيره ميگردد.
منبع آبگرمكنهايي كه براي تمام فصول سال محاسبه و ساخته ميشوند بايستي دو جداره انتخاب شوند كه جداره خارجي در ارتباط با كلكتور و جدار داخلي منبع ذخيره آبگرم ميباشد.
كلكتور: جذب‌كننده انرژي
مهمترين قسمت آبگرمكن آفتابي كلكتور ميباشد كه خود شامل اجزاي زير است:
۱- لوله‌ها
۲- صفحات جذب‌كننده
۳- صفحات پوششي
۴- ايزولاسيون
دو عامل ديگر كه در نتيجه كار آبگرمكن آفتابي بسيار مؤثر است، مربوط به جهت و شيب كلكتور ميباشد.
طرز كار دستگاه:
مي‌دانيم كه وزن مخصوص آبگرم از وزن مخصوص آب سرد كمتر بوده و اين اصلي است كه در كار يك آبگرمكن خورشيدي بدون استفاده از پمپ بكار ميرود. در نصب قسمتهاي مختلف به يكديگر، قسمت فوقاني كلكتور توسط لوله‌هاي خرطومي يا لاستيكي به قسمت بالاي جداره دوم منبع بسته شده و قسمت تحتاني بشكه و يا پائين جداره دوم منبع بسته ميشود.
تشعشعات خورشيدي پس از عبور از صفحات پوشش (شيشه) به سطح صفحات جذب‌كننده انرژي كه لوله هايي روي اين صفحه لحيم شده‌اند و براي جذب بهتر به رنگ مشكي درآمده‌اند برخورد نموده و باعث بالا رفتن درجه حرارت ميگردد. ازدياد درجه حرارت باعث گرم شدن آب درون لوله‌ها گرديده و وزن مخصوص آب كاهش يافته، در نتيجه به قسمت بالاي كلكتور حركت نموده و جاي خود را با آب سردي كه قبلاً گرم بوده و حرارتش را درون بشكه يا منبع از دست داده و ضمناً وزن مخصوص آن زياد شده، ميدهد و اين عمل تا زمانيكه نور خورشيد به سطح كلكتور مي‌تابد ادامه خواهد داشت و از اين طريق آب منبع يا بشكه (منبع دوم) گرم ميشود. در مناطق سردسير كه زمستان احتمال يخبندان و درنتيجه آن تركيدن كلكتور وجود دارد، از منابع دوجداره استفاده ميشود و در عين حال ميتوان در داخل كلكتور محلول ضد يخ ريخت كه تاحدودي در مقابل يخ زدن مقاومت مي‌نمايد. ضمن آنكه اين محلول در روزهاي آفتابي عمل گرم كردن آب داخل جداره اول را انجام ميدهد در ساعات يخبندان مانع يخ زدن آب درون كلكتور ميگردد.
افزايش بهره كلكتور خورشيدي (گردآور)
كلكتور معمولاً با يك زاويه مناسب به سطح افق روي زمين يا روي ساختمان نصب ميشود. اين زاويه مناسب برحسب موقعيت مكاني و نوع استفاده از انرژي خورشيدي تغيير ميكند. ثابت بودن اين زاويه موجب پايداري بيشتر است اما اين زاويه بايد طوري انتخاب شود كه در محدوده زواياي مناسب براي كاربرد موردنظر قرار داشته باشد. زاويه انحراف و جهت اپتيمم كلكتور براي گرمايش به ترتيب عبارتند از: عرض جغرافيايي به اضافه ۱۵ درجه در جهتي بسمت جنوب.
براي سرمايش و گرمايش تواماً جهت گردآور ثابت باقي مانده در حاليكه انحراف گردآور به زاويه‌اي معادل عرض جغرافيايي به اضافه ۵ درجه تغيير مي‌نمايد. يكي از راههاي بالا بردن بهره گردآور بكار بردن سيستم دنبال‌كننده است كه دائماً يا متوالياً گردآور را تنظيم ميكند. يكي ديگر از راههاي دستيابي به بهره گردآور بكار بردن صفحات منعكس‌كننده اشعه به روي گردآور بمنظور بالا بردن مقدار انرژي تشعشعي است.
وسايل كنترل براي دستگاههاي خورشيدي
در سيستمهاي سيفون حرارتي، آب گرم شده بطور طبيعي بداخل تانك ذخيره يا سيلندر عايق شده ميرود. حتي در مواقعيكه صفحات ذخيره سردتر ميشوند، اگر يك فاصله حداقل حدود cm60 بين بالاي صفحات و پائين تانك موجود باشد، جهت جريان آب برعكس نخواهد شد. ميتوان از يك شير يكطرفه استفاده نمود تا از جريان آب بطرف پائين جلوگيري شود. در مناطق سردسير كه درجه حرارت هوا تا حد يخ زدن پائين مي‌آيد، بايد ترتيبات لازم براي جلوگيري از يخ زدن سيستم اتخاذ گردد. بستن يا پوشاندن صفحات باعث زحمت ميشود و هميشه محافظ خوبي در مقابل هواي بسيار سرد نمي‌باشد. بهتر است كه از يك سيستم غيرمستقيم استفاده نمود و از طريق تانك انبساط جداگانه به سيستم ضديخ اضافه كرد.
در سيستمهاي گردش با فشار بايد بتوان پمپ را مطابق با احتياج خاموش و روشن نمود. در مناطق گرم ميتوان پمپ را صبح زود روشن نمود و حدود عصر آنرا خاموش كرد. يا اينكه از يك سوئيچ زماني ساده استفاده نمود.
در مناطق سردتر به يك كنترل كننده پيچيده‌تر احتياج ميباشد تا با تغييرات تشعشع خورشيد در طول روز مطابقت كند. هوا ممكن است در روز آفتابي باشد وبعد از آن يك روز ابري باشد وباران ببارد كه نتيجه صفحات بطور محسوسي سرد ميشوند بنابراين وقتي كه آب گرم ميشود بايد آنرا در محل ذخيره نمود و دوباره بداخل صفحات نفرستاد تا سرد گردد ميتوان يك ترموستات ساده را به پمپ و شبكه اصلي برق وصل نمود.
ارتباط معماري ساختمان با طرح آبگرمكنهاي خورشيدي
استفاده هر چه بيشتر از انرژي خورشيدي، رعايت نكات جديدي را براي طراحان ساختمانها الزامي ميكند اين نكات موجب طرحهايي نو توسط معماران و مهندسين شده و رقابت‌هاي جديدي را بر انگيخته است. بالابردن هزينة اوليه گردآور‌هاي خورشيدي سبب ميشود كه طراحان براي حفظ انرژي و جلوگيري از به هدر دادن آن طرحهاي نويي ارائه كرده و چگونگي بهره گيري و فقط انرژي خورشيدي را نيز به عنوان پارمترهايي كه در چگونگي طرحها مؤثرند در نظر بگيرند.
همانطوريكه ايزولاسيون در سقفها و ديوارها و نصب منابع ذخيره حرارتي در ديوارها و كف ساختمان بطور قابل ملاحظه‌اي مي‌تواند در حفظ حرارت داخل ساختمان و جلوگيري از ورود سرماي خارج ساختمان در زمستان مفيد باشد به همان ترتيب نيز سايه‌بان موجب پايين آوردن بار برودتي در تابستان ميشود عواملي كه در طراحي ساختمانها در ارتباط با گردآوري‌هاي خورشيدي مطرح ميشوند عبارتند از:
۱ـ محل
۲ـ جهت
۳ـ انحراف سايه
۴ـ كاهش تلفات حرارتي از طريق كف‌ها وسقف‌ها، ديوارها و پنجره‌ها
۵ـ بهبود اتلاف حرارتي از سيستمهاي آب خانگي مختلف و خروج هوا از سيستم تهويه
۶ـ استفاده منابع انرژي متغير كه مضر نيستند، براي بهبود سيستم مثل حرارت ناشي از فاضلاب و انرژي خورشيدي
۷ـ رشد سيستمهاي انرژي گسترش يافته بهينه شده
پيشگويي‌هاي كامپيوتري مشخص مي‌سازد كه از هر۲ m10 كلكتور ساليانه مابين ۱۰۰۰۰تا kw 12000 انرژي مي‌تواند جمع نمايند كه بيش از مجموع كل حرارت مورد نياز خانه است.
ساختمانها بايد در عين اقتصادي بودن ساخت، به صورت طراحي شوند كه مصرف انرژي در آنها كاهش مي‌يابد.
تدابيري كه براي كاهش مصرف انرژي در ساختمانها به كار گرفته ميشوند اگر چه عموماً در زمان اجرا موجب افزايش هزينه ساخت مي‌گردند اما به ميزان قابل ملاحظه‌اي هزينه مصرف انرژي را كاهش مي‌دهند، به نحوي كه ظرف چند سال اوليه بهره‌برداري از ساختمان، هزينه اضافي مصرفي براي ساخت را جبران نموده و از آن پس كاملاً به نفع بهره‌بردار خواهد بود. علاوه براين صرفه‌جويي در مصرف انرژي در كل كشور به عنوان يك هدف مورد توجه برنامه‌ريزان ملي بوده و منظور از وضع اين مقررات تحقق هدف فوق ميباشد.
نتايج:
• منبع انرژي واحدهاي خورشيدي نامحدود و رايگان ميباشد و استفاده هرچه بيشتر از آن باعث بهبود شرايط زيست محيطي گشته و موجب صرفه‌جويي در مصرف ساير انرژي‌هايي ميگردد كه داراي ارزشهاي افزوده بوده و نيز در مراحل مختلف صنعتي ميتوانند گره‌گشاي مسائل اقتصادي كشور باشد.
• استفاده از اين دستگاهها آرام و بدون صدا و مزاحمت ميباشد و هيچگونه خطري در بر ندارد و از خطرات مسموميت، آتش‌سوزي، انفجار و برق‌گرفتگي كه ناشي از مصرف گاز و سوختهاي مايع، جامد و برق است كاملاً به دور ميباشد.
• به خاطر طبيعت منبع انرژي خورشيدي، مصرف‌كننده مستلزم به رعايت برنامه‌اي كاملاً منظم در زندگي ميشود كه خود اثرات مثبت و ارزنده‌اي در بر دارد.
• از نقطه نظر اقتصادي نيز بواسطه استفاده از منبع انرژي مصرفي رايگان، قيمت تمام شده در يك دوره قابل قبول برگشت مي‌نمايد.
• نصب آبگرمكنهاي خورشيدي و استفاده از آنها بسيار ساده بوده و به هيچ‌وجه نياز به تعميرات وقت‌گير و گران قيمت با تخصص‌هاي بالا ندارد.
• در اين سيستم قابليت استفاده در ظرفيت‌هاي مختلف وجود دارد.
