بررسی جامع چیلر جذبی خورشیدی

در این مقاله به صورت کامل به بررسی چیلر جذبی خورشیدی پرداخته و اصول کلی سرمایش خورشیدی را مورد بررسی قرار می دهیم.

منبع اصلی تامین انرژی چیلرهای جذبی، گرما است و همین موضوع محققان را به صرافت انداخته است تا از هرگونه منبع انرژی گرمایی، از بیوگاز گرفته تا تلفات گرمایی دستگاه ها و دودکش ها برای تامین انرژی سیستم های جذبی استفاده کنند و در این راه به موفقیت های شایان توجه ای هم دست یافته اند.

در این فصل نگاهی خواهیم داشت به سیستم هایی که در آنها به نحوی از چیلرهای جذبی به منظور بهره بردای از انرژی های تجدیدپذیره بازیافت و با صرفه جویی در مصرف انرژی استفاده شده است. اصولا یکی از مهمترین مزایایی چیلرهای جذبی نسبت به انواع چیلرهای تراکمی همین قابلیت انعطاف و امکان کاربری در چنین سیستم هایی است.

سیستم سرمایش جذبی با انرژی خورشیدی از جمله سیستم هایی است که به منظور بهره برداری از انرژی های تجدیدپذیر مورد استفاده قرار می گیرد. سیستم های توان و تبرید یا تولید همزمان به منظور بازیافت انرژی کاربرد دارد و سیستمهای مرکب یا هیبریدی در جهت صرفه جوبی در مصرف انرژی به کار گرفته می شوند.

سیستم سرمایش جذبی با انرژی خورشیدی

یکی از منابع بسیار مناسب برای تامین گرمای ژنراتور چیلرهای جذبی، خورشید است. از این رو طی سالیان اخیر تلاش ها و تحقیقات بسیاری در این زمینه به ویژه در زمینه سیستم های جذبی کم ظرفیت و محلی صورت گرفته است. تحقیقات در این عرصه شامل انواع چیلرهای لیتیمی و آمونیاکی میشود و چه بسا که در زمینه ی سیستم های آمونیاکی تلاش های بیشتری نیز صورت گرفته باشد. توجه به انرژی خورشیدی به ویژه برای کشور ما که از تابش سالیانه نسبتا زیادی برخوردار است میتواند بسیار مهم و چاره ساز باشد. درحالی که در کشورهای اروپایی که چندان هم از نعمت تابش خورشیدی بهره مند نیستند، استفاده از این انرژی تجدید تجدیدپذیر به سرعت رو به گسترش نهاده است. می توانیم بگوییم که در کشور ما نسبت به طرح و توسعه این مورد غفلت های بسیاری صورت گرفته و می گیرد.

نظریه استفاده از تابش خورشید برای گرم کردن آب و استفاده از آن به منظور تغلیظ محلول رقیق سیستم جذبی چندان پیچیده به نظر نمی رسد، اما عملی کردن چنین ایده ای با توجه به ظرایف و پیچیدگی های این نوع سیستم ها و همچنین با توجه به در نظر گرفتن صرفه اقتصادی و برخی محدودیت های دیگر. آن طور که ساده به نظر می رسند، سهل و آسان نیست.

یکی از محدودیت های استفاده از این انرژی، مربوط به ساختار بنا از نظر معماری و سازه است که امکان نصب صفحات خورشیدی را در شرایط دلخواه از نظر سطح اشغال و زاویه تابش محدود می کند. چنانچه به صورت تقریبی به ازای هر تن تبرید نیازمند صفحاتی به مساحت 8 تا 22 مترمربع با بازده 50 تا 60 درصد باشیم، برای تامین 100 تن تبرید؛ سطح موردنیاز حداقل به 800 مترمربع خواهد رسید که تامین آن ممکن است برای ساختمانی که تنها نیازمند 100 تن تبرید سرمایش است امکان پذیر نباشد. البته امروزه با به کارگیری انواع مصالح، بازده صفحات بهود یافته و هر روزه شرایط بهتری برای استفاده از انرژی خورشیدی فراهم می شود. استفاده از صفحات هوشمند که خود زاویه بهینه تابش را یافته و به صورت خودکار در جهت آن قرار می گیرند از جمله امکانات مدرنی است که کاربرد سیستم های خورشیدی را آسان تر کرده است. در هر حال در صورت استفاده از سیستم خورشیدی می باید ملاحظات ویژهای در طرح معماری و سازه ساختمان مورد توجه قرار گیرد. همچنین با ذخیره سازی گرمای روزانه و استفاده از آن در اوقات دیگر و اعمال مدیریت صحیح در بهره برداری از انرژی و توجه کافی به نوع کاربری ساختمان، میتوان تا حدود قابل توجه ای از سطح مورد نیاز صفحات کاست و شرایط بهتر و سهل تری را برای نصب سیستم خورشیدی فراهم آورد.

تصویر زیر طرحواره ساده ای از سیستم جذبی خورشیدی را نمایش می دهد. آب با گردش در لوله های صفحه خورشیدی (SC) گرم و در منبع ذخیره (HS) جمع آوری می شود. منبع  و صفحه خورشیدی مدار بسته ای را به وجود می آورند که در آن آب به طور مرتب توسط یک پمپ در گردش است، بنابراین، ماند آب در منبع موجب سرد شدن آن نمی شود. از سوی دیگر منبع آب گرم مدار بسته ای را با ژنراتور (G) چیلر جذبی تشکیل می دهد تا به طور مرتب آب گرم تولید شده در اختیار ژنراتور قرار گیرد. سایر بخش های سیستم مانند ابزوربر (A) اواپراتور (E)، کندوانسور (C). برج خنک کن (CT) و مدار آب سرد ساختمان (CS) دارای عملکردهاي مشابه با سیستم های متعارف دیگر هستند. در این سیستم یک مولد گرمایی پشتیبان (B) نیز در نظر گرفته شده است.

 تا به هنگام اختلال در کار کلکتور یا صفحه خورشیدی و یا کاهش تابش، وارد مدار شده و آب گرم ژنراتور را تامین کند.

در مورد سیستم های جذبی خورشیدی بد نیست نگاهی داشته باشیم به یک آزمایش تحقیقاتی که در سال 2003 میلادی در شهر مادرید اسپانیا صورت گرفت. در این تحقیقات یک صفحه خورشیدی به مساحت مفید 49.9 متر مربع، آب گرم ژنراتور چیلر جذبی از نوع یک اثره لیتیم بروماید – آب به ظرفیت سرمایی 35 کیلو وات (10 تن تبرید) را تامین می نمود. آب گرم تولیدشده توسط کلکتور خورشیدی در منبعی به ظرفیت 2 مترمکعب ذخیره می شد تا به هنگام کاهش تابش خورشید انرژی گرمایی موردنیاز چیلر تامین شود. دمای آب گرم تولید شده توسط صفحه خورشیدی بین 70 تا 90 درجه سانتیگراد بود. این آزمایش برای سرمایش خانه ای به مساحت 80 متر مربع انجام شد. چیدمان این سیستم در تصویر زیر به نمایش درآمده است.

بیست صفحه خورشیدی هریک به مساحت 2.5 مترمربع با هم موازی شدند تا آب گرم را تأمین کنند. این تعداد کلکتور موجب افت فشار قابل توجه ای می شود. با انجام محاسبات و انتخاب پمپ مناسب که بر این افت فشار غلبه کند، امکان گردش آب بین منبع ذخیره و صفحات خورشیدی به وجود آمد.

قطر و جنس لوله ها مابين صفحات و منبع که مدار گردش آب اولیه را تشکیل می دادند 28 میلی متر و از نوع مسی و همین طور قطر لوله های مدار ثانویه بین منبع ذخیره و ژنراتور چیلر جذبی 22 میلی متر انتخاب شد.

دمای آب ورودی به منبع 90 و دمای میانگین آن 80 درجه سانتیگراد بود. دمای آب سرد رفت  به سمت فن کوئل های ساختمان که کاهش آن نتیجه عملکرد چیلر جذبی بود 8 درجه سانتیگراد تعیین شد. دمای آب برج خنک کن نیز بین 20 تا 25 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شد. این آزمایش برای 20 روز ادامه داشت. تصویر زیر  چیدمان صفحات خورشیدی را نشان می دهد و همچنین نیز نمایش دهنده چیلر جذبی، برج خنک کننده، منبع ذخیره و مبدل صفحه ای مورد استفاده در این آزمایش هستند.

 صفحات خورشیدی با کلکتورهای مسی و پوشش تیتانیومی با قدرت جذب زیاد انتخاب شدند و در چهار ردیف، شش، شش، پنج و سه تایی مورد استفاده قرار گرفتند. طول هر ردیف به ترتیب او 12.15.85 و 19. 7 متر و زاویه آنها حدود 40 درجه در جهت عقربه های ساعت و به سمت جنوب بود. برای هر یک از ردیف ها شیر اطمینان و شیر یک طرفه در نظر گرفته شد تا از برگشت جریان پرهیز و ایمنی صفحات در زمان افزایش فشار غیرمجاز حفظ شود. بازده صفحات خوشیدی براساس دمای آب ورودی و خروجی در روزهای آفتابی با آسمان صاف در روزهای 6 ژوئن تا 18 اگوست سال 2003 اندازه گیری و ثبت شد. تصویر بعدی نمودار بازده صفحات خورشیدی مورد آزمایش را نشان می دهد. بازده کلکتور خورشیدی را در چیلر جذبی خورشیدی می توان با رابطه زیر محاسبه نمود.

 استفاده از منبع ذخیره مابین کلکتور خورشیدی و چیلر جذبی موجب افزایش بازده شده و چرخه سرمایش را با توجه به احتمال بروز شدت و ضعف در تابش خورشید، پایدار می نمود. صبح ها وقتی که فرایند گرماگیری منبع با تابشی بین 500 تا 600 وات بر متر مربع شروع شده و دمای خروجی کلکتور بین 2 تا 3 درجه سانتی گراد بیش از دمای میانگین منبع بود، شیر منبع باز می شد و آب گرم به داخل ژنراتور راه می یافت و شب ها با بستن شیرها  منبع از کلکتور خورشیدی جدا می شد تا گرما ذخیره شود. گردش آب بین منبع و ژنراتور تا زمانی که اختلاف رفت و برگشت به1 درجه سانتیگراد برسد حفظ می شد. در چیلر جذبی خورشیدی برای تعیین انرژی گرمایی ورودی به منبع میتوان از رابطه زیر استفاده کرد:

 به طور مشابه برای تعیین گرمای خروجی از منبع نیز میتوان رابطه زیر را به کار برد:

برای موازنه انرژی در منبع بین گرمای ورودی و گرمای ذخیره شده از یک سو و افت گرمای منبع ناشی از انتقال حرارت به محیط و گرمای خروجی می توان رابطه زیر را نوشت:

 حداقل افت برای منبع با عایق فایبرگلاس به ضخامت 50 تا 60 میلی متر با ضریب انتقال حرارت 0.5 تا 0.9 وات بر متر مربع کلوین درنظر گرفته می شود.

برای این پروژه تحقیقاتی، چیلر جذبی خورشیدی یک اثره آب گرم با ظرفیت سرمایش 35 کیلووات ساخت شرکت یازاکی انتخاب شده بود. محدوده دمای ژنراتور این چیلر بین 65 تا 90 درجه سانتی گراد و دبی آب گرم آن 0.28 لیتر بر ثانیه بود. البته حداکثر نیاز سرمایشی این پروژه 10 کیلووات برآورده شده بود، اما به دلیل عدم دسترسی به چیلری با این ظرفیت از چیلری به ظرفیت نامی 35کیلووات استفاده شد.

برای تعبين مقدار گرمای مورد نیاز ژنراتور میتوان از رابطه زیر استفاده کرد:

برای رسیدن به ظرفیت نامی 35 کيلووات باید شرایط زیر برقرار باشد:

– در دمای آب ورودی و خروجی = 88 و 83 درجه سانتی گراد با دبی4. 2لیتر در ثانیه

– دمای آب رفت و برگشت برج خنک کننده =29.5 و 34.5 درجه سانتیگراد با دبي01. 4لیتر در ثانیه

 – دمای آب سردشده رفت و برگشت از اواپراتور= 9 و 14 درجه سانتیگراد با دبي1.71لیتر در ثانیه

پمپ های آب گرم ژنراتور، برج خنک کننده و آب سرد فن کوئل ها باید 25 درصد ظرفیت نامی را جابه جا می کردند. به عنوان مثال در روز 8 آگوست 2003، دمای آب ورودی ژنراتور 79 درجه سانتیگراد بود. در نتیجه ظرفیت سرمایشی به 7.5 کیلووات رسید که این مقدار 21.4درصد از کل ظرفیت سرمایشی نامی بود.

 واحدهای فن کوئل به ظرفیت 10 کیلووات (28.6درصد ظرفیت نامی )برای تامین هوای خنک آزمایشگاه مورد استفاده قرار گرفت. دمای آب سردشده رفت و برگشت فن کوئل ها به کمک ترموستات در دامنه 7 تا 10 درجه سانتیگراد کنترل می شد. دبی اندازه گیری شده تحت این دامنه دمایی،0.29 ليتر در ثانیه بود. بار اواپراتور را می توان تحت این شرایط از طریق رابطه زیر محاسبه کرد:

برج خنک کننده مورد استفاده در این پروژه تحقیقاتی به صورت موازی ابزوربر و کندانسور با دمای 21 درجه سانتی گراد را خنک می نمود. با اندازه گیری جریان آب برج خنک کننده دبی آن 0.81 ليتر بر ثانیه تعیین شد. گرمای کندانسور و ابزوربر که تعیین کننده ظرفیت برج خنک است از طریق رابطه زیر محاسبه می شود:

 پس از انجام کلیه محاسبات مربوط به اجزای مختلف سیستم، می توان از طریق رابطه زیر نسبت موازنه انرژی بین بخش های مختلف تبادل حرارت مانند ژنراتور، کندانسور، اواپراتور و ابزوربر را مشخص کرد:

حال می توان ضریب کارایی را براساس نسبت انرژی اواپراتور و ژنراتور تعیین کرد:

در این پروژه دامنه ضریب کارایی به نسبت روزها گسترده بود و حداکثر مقدار آن به 0.63 رسید و میانگین آن،0.42 بود.

در این پروژه یک مبدل حرارتی صفحه ای نیز برای جداسازی و تبادل حرارت بین آب اولیه و ثانویه در نظر گرفته شد. وقتی سیستم در حالت گرمایشی قرار می گرفت و در عین حال لازم بود که به آب اولیه و به منظور جلوگیری از یخ زدگی گليکول اضافه شود، مبدل مانع از اختلاط آب اولیه و ثانویه می گردید و به این طریق سلامتی افراد در صورت استفاده مستقیم از آب ثانویه حفظ می شد.

 تاثیر شرایط محیطی مانند دما و رطوبت را بر بازده کارکرد چیلر و کلکتور خورشیدی نشان می دهد. نمودار، کاهش آشکاری در رطوبت نسبی از مقدار 28.2 درصد به 12.3 درصد در ساعت هشت و سی دقیقه و16:40 که در ساعت 17:10 ثابت و کمی افزایش یافته، را نشان می دهد. برعکس این شرایط، نمودار افزایش دمای خشک به میزان 7.4 درجه سانتی گراد را نشان می دهد.

اختلاف دما بين آب خروجی از برج خنک کننده و دمای مرطوب (اپروج)8.2-4.3کلوین از ساعت 09:40 تا 18:20 تعیین شد. در این بازه زمانی، دامنه دمایی بین آب ورودی و خروجی بین 3.3 و 5.5 درجه کلوین تعیین شد. نقطه بهینه ترمودینامیکی برای اپروچ و دامنه برای آب گرم ورودی 90-80 درجه سانتی گراد و دمای مرطوب 21 درجه سانتیگراد به ترتیب، 5 و6 کلوین در نظر گرفته شد. تصویر زیر نشانگر این شرایط بهینه از نظر دمای است.

نمودار زیر دمای آب جاری در چیلر اعم از آب گرم ژنراتور، آب سردشده اواپراتور و آب برج خنک کننده را بر اساس زمان تابش خورشید نشان می دهد.

سیستم سرمایش خورشیدی بین روزهای 25 جولای تا 19 اگوست 2003 مورد آزمایش قرار گرفت. در خلال این روزها آسمان مادرید اغلب صاف و مناسبترین شرایط برای بهره گیری از سیستم خورشیدی را داشت. در گزارش حاضر اطلاعات و شرایط مربوط به یک روز گرم و آفتابی یعنی8 اگوست 2003 مورد توجه قرار گرفته است. اگرچه روزهای گرم و آفتابی شرایط مطلوبی را برای بهره گیری از انرژی خورشیدی فراهم می آورند، اما به همان اندازه نیز موجب افزایش بار سرمایشی سیستم می شوند. جدول بالا کلیه نتایج این سیستم را در ایام یاد شده نشان می دهد.

تاکنون تحقیقات فراوانی در مورد استفاده از چیلر جذبی در سیستم خورشیدی در نقاط مختلف دنیا و براساس کاربردهای گوناگون صورت گرفته است و در خلال این تحقیقات از همه گونه سیستم جذبی اعم از لیتیمی، آمونیاکی و سیلیکاژلی استفاده شده است و حتی رطوبت گیرهای جذبی لانه زنبوری نیز مورد توجه قرار گرفته اند. در این میان کثرت استفاده از چیلرهای لیتیمی بیشتر بوده است و پس از آن سیستم های آمونیاکی و سیلیکازلی قرار می گیرند.

تحریریه تیم خدمات فنی مهندسی به فیکس