ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-جلسه ی چهارم
بررسی آب گرم موردنیاز و آشنا شدن با انواع آب‌گرم‌کن‌ها
اهداف جلسه: بررسی آب گرم موردنیاز و آشنا شدن با انواع آب‌گرم‌کن‌ها
وﺳﺎﯾﻞ موردنیاز: -----
1-1- آب گرم موردنیاز
تابه‌حال در مقدار و دمای آبی که استفاده می‌کنید دقیق شده‌اید؟ فکر می‌کنید چند لیتر در روز آب گرم مصرف می‌کنید؟ دمای حدودی آن چقدر است؟ چطور می‌توان آن را محاسبه کرد؟
1-1-1- دمای آب گرم موردنیاز:
دمای آب گرم موردنیاز با توجه به مورد مصرف آن متفاوت است. برای مثال دمای آب گرم موردنیاز برای مصارف معمولی مانند شیر دستشویی یا ظرف‌شویی در ساختمان‌های مسکونی حدود 50 تا 55 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته می‌شود. این دما برای ماشین‌هایی که کار بخصوصی انجام می‌دهند برحسب نوع کار آن‌ها متفاوت خواهد بود. دستگاه‌هایی مانند ماشین ظرف‌شویی یا رخت‌شویی به آب گرم با دمای بیشتری نیاز دارند.
در برخی صنایع لازم است که آب بالاترین دمای ممکن را داشته باشد. البته با بالا رفتن دمای آب، میزان حرارت اتلافی از لوله‌ها نیز بالا می‌رود و این عامل باعث می‌شود دمای بیشتر از 70 درجه سانتی‌گراد برای آب گرم مصرفی، به‌جز موارد خاص در نظر گرفته نشود.
جدول 4-1 دمای آب گرم موردنیاز
برای انجام محاسبات مربوط به آب گرم ساختمان‌های معمولی، اغلب دمای آب سرد ورودی به آب‌گرم‌کن (آب شهر) برابر 15 درجه سانتی‌گراد و دمای آب گرم خروجی از آن 60 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته می‌شود.
1-1-2- مقدار آب گرم موردنیاز:
این مقدار به تعداد افراد خانواده و شیوه‌های مصرف آنان بستگی دارد. برای تعیین میزان آب گرم مصرفی در ساختمان‌های مختلف از جداولی مانند جدول 4-2 یا 4-3 استفاده می‌شود. این جداول میزان مصرف آب گرم را برحسب نوع ساختمان و مقدار آب گرم لازم برای هر یک از ساکنین یا وسایل بهداشتی مورداستفاده در ساختمان ارائه می‌دهند.
جدول 4-2 ضرایب محاسبه آب گرم موردنیاز
میزان آب گرمی که در جداول برای مصارف مختلف پیشنهاد می‌شود، حداکثر مقداری است که بر اساس استفاده‌ی مستمر موردنیاز می‌باشد. برای به دست آوردن مقدار واقعی مصرف آب گرم در ساعت می‌توانیم از فرمول زیر استفاده کنیم:
حداکثر مصرف آب گرم در ساعت × ضریب تقاضا × ضریب ذخیره منبع = حجم منبع آب گرم
در این فرمول:
1- ضریب تقاضا: میزان آب گرم ارائه‌شده در جداول بر اساس حداکثر مقدار مصرف است، بنابراین برای پی بردن به میزان واقعی مصرف که می‌تواند اساس کار محاسبات قرار گیرد، در جداول ضریبی به نام ضریب تقاضا ارائه‌شده که با ضرب کردن آن در حداکثر آبگرم مصرفی، مقدار آب گرم واقعی ساختمان به دست می‌آید. ظرفیت حرارتی آب‌گرم‌کن عبارت است از مقدار آبی که در یک ساعت توسط آب‌گرم‌کن گرم می‌شود.
2- ضریب ذخیره منبع: برای تعیین حجم منبع آب گرم مصرفی باید مقدار واقعی مصرف آب گرم را در ضریب ذخیره ضرب نمود. این مطلب ازاین‌جهت است که پس از مصرف حدود 75 درصد آبگرم موجود در منبع بقیه آب منبع سرد خواهد شد و بنابراین باید حجم منبع آبگرم را حداقل بین 25 تا 35 درصد بیش از میزان مصرف واقعی آبگرم در نظر گرفت.
برای شروع کار می‌توان با توجه به ابعاد آب‌گرم‌کن هر خانه حدود آب گرم مصرفی را به دست آورد که این روش با توجه به امکانات ابتدایی موجود دقیق‌تر و مطمئن‌تر است.
جدول 4-3 محاسبه سریع حجم منبع آب گرم مصرفی
1-2- انواع آب‌گرم‌کن
آب‌گرم‌کن‌ها به‌طورکلی به دو نوع مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می‌شوند.
1-2-1- آب‌گرم‌کن مستقیم
در این نوع آبگرم کن آب مصرفی به‌طور مستقیم گرم می‌شود و عامل گرم‌کننده‌ی آب مستقیماً در مجاورت آن قرار دارد. آب‌گرم‌کن با سوخت گاز طبیعی، برقی، نفتی نمونه‌هایی از آب‌گرم‌کن مستقیم هستند. در این نوع آب‌گرم‌کن‌ها معمولاً دمای آب شهر را به حدود 60 درجه سانتی‌گراد رسانیده و سپس برای مصرف با آب سرد مخلوط می‌شود. این آب‌گرم‌کن‌ها دارای مخزن ذخیره می‌باشند که کمک می‌کنند آب ذخیره‌شده به‌تدریج مصرف شود.
گرم کردن آب در این آب‌گرم‌کن زمان‌بر است به‌عبارت‌دیگر آب سرد در این آب‌گرم‌کن‌ها فوراً گرم نمی‌شوند. آب‌گرم‌کن‌های مخزن دار استوانه‌ای شکل از سیستم‌های رایج و سنتی است که از سالیان قدیم مورداستفاده قرارگرفته‌اند.
شکل 4-1 آب‌گرم‌کن مستقیم
1-2-2- آب‌گرم‌کن غیرمستقیم
در آب‌گرم‌کن غیرمستقیم آب مصرفی به‌طور غیرمستقیم گرم می‌شود. به‌این‌ترتیب که آب گرم مصرفی توسط انتقال حرارت با آب داغ تهیه‌شده در مبدل حرارتی تولید می‌شود.
شکل 4-2 آب‌گرم‌کن غیرمستقیم
در این آب‌گرم‌کن‌ها به‌جای آب در مبدل حرارتی از دیگر سیالات انتقال‌دهنده حرارت نیز استفاده می‌شود. به این مایع منتقل‌کننده حرارت، HTF می‌گویند. HTF می‌تواند گرما را به طرق مختلف جذب کند و آن را در بخش مبدل گرما بدون اینکه با آب مصرفی مخلوط شود به آن منتقل می‌کند. پس از انتقال گرما، HTF افت دما پیدا می‌کند و این چرخه مادامی‌که دمای مخزن به مقدار لازم بالا نرفته ادامه می‌یابد. این آب‌گرم‌کن‌ها بسیار کارآمد و قابل‌اطمینان هستند و به نگهداری کمتری نیاز دارند.
شکل 4-3 نمونه یک آب‌گرم‌کن غیرمستقیم
آب‌گرم‌کن‌های غیرمستقیم خود به دو نوع تقسیم می‌شود:
از طریق گرم کردن و ذخیره نمودن آب گرم و سپس مصرف کردن
از طریق گرم کردن و استفاده فوری بدون ذخیره
از سیستم ذخیره نمودن آب گرم در مواقعی استفاده می‌شود که تقاضای آب گرم ثابت، یکنواخت و پیوسته نباشد. درنتیجه حجم زیادی آب گرم باید برای یک‌زمان خاص که مصرف حداکثر است در منبع ذخیره گردد. مکانیزم گرم شدن آب منبع بدین قرار است که آب سرد به داخل منبع آمده و با مبدل حرارتی گرم تماس حاصل می‌کند آب سرد از طریق جابه‌جایی طبیعی گرما را دریافت می‌کند و با گرم شدن به سمت بالای منبع می‌رود. سیال گرم‌کننده در مبدل گرمایی به چرخش درمی‌آید تا گرمای را به آب مصرفی منتقل کند در این سیستم نیز دمای آب شهر را به 60 درجه سانتی‌گراد رسانیده و برای مصرف با آب سرد مخلوط می‌شود. گرم کردن آب مخزن نیازمند زمان است.
سیستم غیرمستقیم تولید آب گرم به‌صورت فوری، در مواقعی استفاده می‌شود که تقاضای آب گرم ثابت و یکنواخت و پیوسته است. در این سیستم آب به‌محض عبور از یک مبدل حرارتی گرم می‌شود و آماده مصرف می‌گردد.
1-3- انواع آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی:
کلکتور، مدار لوله‌کشی و مخزن ذخیره‌سازی، سه جزء تشکیل‌دهنده‌ی یک آب‌گرم‌کن خورشیدی می‌باشند. آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی به دودسته‌ی حلقه باز (open loop) و حلقه بسته (close loop) تقسیم می‌شوند که هردوی آن‌ها می‌توانند به دو صورت، یکی با جریان طبیعی مایع (ترموسیفونی) و دیگری با فشار (پمپ) کار کنند که به دسته اول سیستم پسیو و به دسته دوم، سیستم اکتیو نیز می‌گویند.
·سیستم فعال یا پمپی: در آن از یک یا چند پمپ برای به گردش درآوردن مایع موردنظر استفاده می‌شود.
· سیستم غیرفعال یا ترموسیفونی: مایع به‌طور طبیعی جریان میابد و از پمپ استفاده نمی‌شود.
1-3-1- مزایای سیستم پمپی نسبت به ترموسیفونی
سیستم آب‌گرم‌کن خورشیدی پسیو یا ترموسیفون وابسته به لوله‌های گرمایی برای چرخش آب می‌باشند. سیستم‌های آب‌گرم‌کن پسیو، دارای هزینه‌ی کمتری بوده و نگهداری آن‌ها نیز نسبت به آب‌گرم‌کن‌های اکتیو آسان‌تر است. ولی بازده آن‌ها نسبت به آب‌گرم‌کن‌های اکتیو به میزان قابل‌توجهی پایین‌تر است. همچنین، مسائلی مانند یخ‌زدگی یا گرم شدن بیش‌ازحد، دغدغه‌های اصلی در مورد آن‌ها می‌باشد.
به‌طور خلاصه مزایای سیستم‌های اکتیو عبارت‌اند از:
·مخزن ذخیره کننده می‌تواند در مکانی پایین‌تر از کلکتور قرار گیرد درصورتی‌که در سیستم‌های پسیو مخزن حتماً باید بالاتر از کلکتور قرار گیرد.
·مخزن ذخیره کننده می‌تواند همیشه خارج از دید باشد.
·مخزن می‌تواند در یک محفظه‌ی ایزوله شده نگهداری شود تا از تلفات گرما جلوگیری شود.
·می‌توان از مخازن Drainback استفاده کرد.
·بازده بسیار بالاتر از سیستم پسیو است.
· سیستم، کنترل‌پذیری خوبی دارد.
شکل 4-4 استفاده از مخزن Drain back برای جلوگیری از یخ‌زدگی گردآورنده
1-3-2- انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی ساده
آب‌گرم‌کن خورشیدی ساده یکی از ساده‌ترین انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی است که اساساً یک تانک می‌باشد که در معرض تابش خورشید قرار می‌گیرد. این تانک معمولاً در یک جعبه از جنس پلاستیک یا شیشه پوشانده می‌شود. این تانک به‌وسیله لوله‌کشی مستقیماً به واحد مصرف‌کننده آب گرم متصل می‌گردد و از هیچ‌گونه پمپ و تجهیز کنترل‌کننده‌ای در این سیستم استفاده نمی‌شود. ساختن این نوع از آب‌گرم‌کن خورشیدی بسیار ساده است و می‌توان برای ساخت آن‌ها از تانک‌های آب‌گرم‌کن‌های قدیمی استفاده نمود ولی در دمای بسیار سرد عملکرد مناسبی ندارد. اغلب برای جلوگیری از یخ زدن تانک ردیفی از لوله آب گرم به دور آن می‌پیچند و در زمستان آب آن را تخلیه می‌کنند.
شکل 4-5 نمایی از آب‌گرم‌کن خورشیدی ساده
شکل 4-6 یک نمونه از انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی ساده
1-3-3- آب‌گرم‌کن خورشیدی ترموسیفون
آب‌گرم‌کن خورشیدی ترموسیفون یکی دیگر از انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی با سیستم ساده است. سیستم ترموسیفون به‌صورت غیرفعال عمل می‌کند یعنی برای ایجاد جریان در آن از پمپ استفاده نمی‌شود و گردش آبگرم در آب‌گرم‌کن خورشیدی ترموسیفون به‌صورت کاملاً آزاد انجام می‌گیرد؛ بنابراین جریان طبیعی آبگرم را برای مصرف خانگی از کلکتور به داخل تانک منتقل می‌کند. لازم به ذکر است که سیستم‌های ترموسیفون برای اقلیم‌های سردسیر مناسب نیستند.
شکل 4-7 آب‌گرم‌کن خورشیدی ترموسیفون
1-3-4- آب‌گرم‌کن خورشیدی حلقه باز با گردش اجباری
در این سیستم آب مصرفی توسط پمپ در گردآور جریان می یابد و گرم شده به داخل مخزن می‌ریزد. درنهایت همان آبی که در گردآور جریان داشته به مصرف می‌رسد.
شکل 4-8 نمایی از آب‌گرم‌کن خورشیدی حلقه باز با گردش اجباری
1-3-5- سیستم حلقه باز با گردش طبیعی (ترموسیفونی)
این سیستم شاید ساده‌ترین نوع آب‌گرم‌کن باشد آب در گردآور گرم شده و به دلیل جریان همرفت و فشار آب ناشی از مخزن در گردآور بالا می‌رود و گرم می‌شود سپس به داخل مخزن می‌ریزد تا موقع لزوم به مصرف برسد.
4-9 سیستم ترموسیفونی حلقه باز
1-3-6- سیستم حلقه بسته با گردش آب اجباری یا پمپی
این آب‌گرم‌کن‌ها بسیار کارآمد و قابل‌اطمینان می‌باشند و به نگهداری کمتری نیاز دارند. همان‌طور که ذکر شد، این سیستم‌ها از یک مایع جداگانه از آب مصرفی به نام مایع منتقل‌کننده‌ی گرما (HTF) برای انتقال گرما بهره می‌برد. HTF که از طریق کلکتور گرم شده است، به سمت مخزن حرکت می‌کند و در آنجا از طریق یک مبدل حرارتی، گرمای خود را به آب داخل مخزن منتقل می‌کند و پس از انتقال گرما و افت دما، به کلکتور باز می‌گردد. پس بدون اینکه با آب مصرفی مخلوط شود، به‌طور مداوم در این چرخه به گردش درمی‌آید.
4-10 سیستم حلقه بسته با گردش آب اجباری
1-3-7- سیستم حلقه بسته با گردش طبیعی (ترموسیفونی) یا سیستم پسیو
در این سیستم گردآور پایین‌تر از منبع قرار می‌گیرد تا مایع منتقل‌کننده گرما با استفاده از نیروی طبیعی همرفتی جریان یابد.
4-11 سیستم حلقه بسته با گردش آب طبیعی
1-3-8- انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی با سیستم ضد یخ
آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی ضد یخ یکی از پرکاربردترین نوع آب‌گرم‌کن خورشیدی در مناطق با آب‌وهوای سردسیر هستند. در سیستم‌های ضد یخ هیچ‌گونه تانک تخلیه‌ای برای آبگرم در گردش وجود ندارد بنابراین آب داخل کلکتور امکان تخلیه نداشته و برای اینکه در مواقعی خاموشی پمپ آب داخل سیستم یخ نزند از ضد یخ پروپیلن گلیکول در آن استفاده می‌شود؛ بنابراین در مواقعی که پمپ خاموش می‌باشد نیاز به تخلیه آب در گردش از داخل کلکتور نیست.
1-3-9- آب‌گرم‌کن خورشیدی برای تأمین آبگرم استخر
آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی تأمین‌کننده آبگرم استخر آخرین نوع از انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی هستند. از این نوع آب‌گرم‌کن خورشیدی برای تأمین آبگرم مصرفی خانگی استفاده نمی‌شود. کلکتورهای این تجهیزات خورشیدی از مجموعه‌ای از لوله‌های موازی ساخته شده است که بر روی سقف در نزدیک‌ترین نقطه به استخر مستقر می‌گردند. آب داخل استخر توسط پمپ در لوله‌های کلکتور به گردش درمی‌آید. کنترلر به‌وسیله یک شیر، آب ورودی به استخر را تنظیم می‌کند و هنگامی‌که از استخر استفاده نمی‌شود آب داخل کلکتور را به داخل استخر تخلیه می‌نماید.
4-12 سیستم تأمین آبگرم استخر توسط آب‌گرم‌کن خورشیدی
در شکل زیر میزان استفاده از آب‌گرم‌کن‌های پمپی و ترموسیفون در جهان و برخی کشورها در سال 2013 با هم مقایسه شده است. همان‌طور که از شکل پیداست کشور آمریکا بیشترین میزان استفاده از آب‌گرم‌کن‌های پمپی را داراست.
4-13 انواع آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی حرارتی نصب‌شده در جهان تا پایان سال 2013
آزمایش:
تکلیف:
حجم مخزن آب‌گرم‌کن خود را با حجم مخزن آب گرم محاسبه‌شده از فرمول مقایسه کرده و نتیجه را ارسال نمایید.
تفاوت انواع سامانه‌های آب‌گرم‌کن خورشیدی را توضیح داده و برای هرکدام تصاویر جدیدی گردآوری کنید.
محل بازدید/ اردو/ خرید: برای این جلسه می‌توانید از کارخانه‌های سازنده آب‌گرم‌کن و پکیج بازدید نمایید.
منابع مطالعه:
http://www.steam-pot.ir
http://www.toosboiler.com
https://www.homepower.com/articles/solar-water-heating/basics/why-use-solar-water-heating
http://buildingplus.ir
http://ecogeek.ir/1391/05/solar-water-heater/
http://www.avisasolar.ir
دیوید اس فیندل، مترجمین: مجتبی مروج، علیرضا رازقی زاده و فاطمه نامدارنیا، انرژی خورشیدی برای خانه شما، انتشارات آراد کتاب
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش اول
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش دوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش سوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش چهارم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش پنجم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش ششم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هفتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هشتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش نهم
وﺳﺎﯾﻞ موردنیاز: -----
1-1- آب گرم موردنیاز
تابه‌حال در مقدار و دمای آبی که استفاده می‌کنید دقیق شده‌اید؟ فکر می‌کنید چند لیتر در روز آب گرم مصرف می‌کنید؟ دمای حدودی آن چقدر است؟ چطور می‌توان آن را محاسبه کرد؟
1-1-1- دمای آب گرم موردنیاز:
دمای آب گرم موردنیاز با توجه به مورد مصرف آن متفاوت است. برای مثال دمای آب گرم موردنیاز برای مصارف معمولی مانند شیر دستشویی یا ظرف‌شویی در ساختمان‌های مسکونی حدود 50 تا 55 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته می‌شود. این دما برای ماشین‌هایی که کار بخصوصی انجام می‌دهند برحسب نوع کار آن‌ها متفاوت خواهد بود. دستگاه‌هایی مانند ماشین ظرف‌شویی یا رخت‌شویی به آب گرم با دمای بیشتری نیاز دارند.
در برخی صنایع لازم است که آب بالاترین دمای ممکن را داشته باشد. البته با بالا رفتن دمای آب، میزان حرارت اتلافی از لوله‌ها نیز بالا می‌رود و این عامل باعث می‌شود دمای بیشتر از 70 درجه سانتی‌گراد برای آب گرم مصرفی، به‌جز موارد خاص در نظر گرفته نشود.
برای انجام محاسبات مربوط به آب گرم ساختمان‌های معمولی، اغلب دمای آب سرد ورودی به آب‌گرم‌کن (آب شهر) برابر 15 درجه سانتی‌گراد و دمای آب گرم خروجی از آن 60 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته می‌شود.
1-1-2- مقدار آب گرم موردنیاز:
این مقدار به تعداد افراد خانواده و شیوه‌های مصرف آنان بستگی دارد. برای تعیین میزان آب گرم مصرفی در ساختمان‌های مختلف از جداولی مانند جدول 4-2 یا 4-3 استفاده می‌شود. این جداول میزان مصرف آب گرم را برحسب نوع ساختمان و مقدار آب گرم لازم برای هر یک از ساکنین یا وسایل بهداشتی مورداستفاده در ساختمان ارائه می‌دهند.
میزان آب گرمی که در جداول برای مصارف مختلف پیشنهاد می‌شود، حداکثر مقداری است که بر اساس استفاده‌ی مستمر موردنیاز می‌باشد. برای به دست آوردن مقدار واقعی مصرف آب گرم در ساعت می‌توانیم از فرمول زیر استفاده کنیم:
حداکثر مصرف آب گرم در ساعت × ضریب تقاضا × ضریب ذخیره منبع = حجم منبع آب گرم
در این فرمول:
1- ضریب تقاضا: میزان آب گرم ارائه‌شده در جداول بر اساس حداکثر مقدار مصرف است، بنابراین برای پی بردن به میزان واقعی مصرف که می‌تواند اساس کار محاسبات قرار گیرد، در جداول ضریبی به نام ضریب تقاضا ارائه‌شده که با ضرب کردن آن در حداکثر آبگرم مصرفی، مقدار آب گرم واقعی ساختمان به دست می‌آید. ظرفیت حرارتی آب‌گرم‌کن عبارت است از مقدار آبی که در یک ساعت توسط آب‌گرم‌کن گرم می‌شود.
2- ضریب ذخیره منبع: برای تعیین حجم منبع آب گرم مصرفی باید مقدار واقعی مصرف آب گرم را در ضریب ذخیره ضرب نمود. این مطلب ازاین‌جهت است که پس از مصرف حدود 75 درصد آبگرم موجود در منبع بقیه آب منبع سرد خواهد شد و بنابراین باید حجم منبع آبگرم را حداقل بین 25 تا 35 درصد بیش از میزان مصرف واقعی آبگرم در نظر گرفت.
برای شروع کار می‌توان با توجه به ابعاد آب‌گرم‌کن هر خانه حدود آب گرم مصرفی را به دست آورد که این روش با توجه به امکانات ابتدایی موجود دقیق‌تر و مطمئن‌تر است.
1-2- انواع آب‌گرم‌کن
آب‌گرم‌کن‌ها به‌طورکلی به دو نوع مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می‌شوند.
1-2-1- آب‌گرم‌کن مستقیم
در این نوع آبگرم کن آب مصرفی به‌طور مستقیم گرم می‌شود و عامل گرم‌کننده‌ی آب مستقیماً در مجاورت آن قرار دارد. آب‌گرم‌کن با سوخت گاز طبیعی، برقی، نفتی نمونه‌هایی از آب‌گرم‌کن مستقیم هستند. در این نوع آب‌گرم‌کن‌ها معمولاً دمای آب شهر را به حدود 60 درجه سانتی‌گراد رسانیده و سپس برای مصرف با آب سرد مخلوط می‌شود. این آب‌گرم‌کن‌ها دارای مخزن ذخیره می‌باشند که کمک می‌کنند آب ذخیره‌شده به‌تدریج مصرف شود.
گرم کردن آب در این آب‌گرم‌کن زمان‌بر است به‌عبارت‌دیگر آب سرد در این آب‌گرم‌کن‌ها فوراً گرم نمی‌شوند. آب‌گرم‌کن‌های مخزن دار استوانه‌ای شکل از سیستم‌های رایج و سنتی است که از سالیان قدیم مورداستفاده قرارگرفته‌اند.
1-2-2- آب‌گرم‌کن غیرمستقیم
در آب‌گرم‌کن غیرمستقیم آب مصرفی به‌طور غیرمستقیم گرم می‌شود. به‌این‌ترتیب که آب گرم مصرفی توسط انتقال حرارت با آب داغ تهیه‌شده در مبدل حرارتی تولید می‌شود.
در این آب‌گرم‌کن‌ها به‌جای آب در مبدل حرارتی از دیگر سیالات انتقال‌دهنده حرارت نیز استفاده می‌شود. به این مایع منتقل‌کننده حرارت، HTF می‌گویند. HTF می‌تواند گرما را به طرق مختلف جذب کند و آن را در بخش مبدل گرما بدون اینکه با آب مصرفی مخلوط شود به آن منتقل می‌کند. پس از انتقال گرما، HTF افت دما پیدا می‌کند و این چرخه مادامی‌که دمای مخزن به مقدار لازم بالا نرفته ادامه می‌یابد. این آب‌گرم‌کن‌ها بسیار کارآمد و قابل‌اطمینان هستند و به نگهداری کمتری نیاز دارند.
آب‌گرم‌کن‌های غیرمستقیم خود به دو نوع تقسیم می‌شود:
از طریق گرم کردن و ذخیره نمودن آب گرم و سپس مصرف کردن
از طریق گرم کردن و استفاده فوری بدون ذخیره
از سیستم ذخیره نمودن آب گرم در مواقعی استفاده می‌شود که تقاضای آب گرم ثابت، یکنواخت و پیوسته نباشد. درنتیجه حجم زیادی آب گرم باید برای یک‌زمان خاص که مصرف حداکثر است در منبع ذخیره گردد. مکانیزم گرم شدن آب منبع بدین قرار است که آب سرد به داخل منبع آمده و با مبدل حرارتی گرم تماس حاصل می‌کند آب سرد از طریق جابه‌جایی طبیعی گرما را دریافت می‌کند و با گرم شدن به سمت بالای منبع می‌رود. سیال گرم‌کننده در مبدل گرمایی به چرخش درمی‌آید تا گرمای را به آب مصرفی منتقل کند در این سیستم نیز دمای آب شهر را به 60 درجه سانتی‌گراد رسانیده و برای مصرف با آب سرد مخلوط می‌شود. گرم کردن آب مخزن نیازمند زمان است.
سیستم غیرمستقیم تولید آب گرم به‌صورت فوری، در مواقعی استفاده می‌شود که تقاضای آب گرم ثابت و یکنواخت و پیوسته است. در این سیستم آب به‌محض عبور از یک مبدل حرارتی گرم می‌شود و آماده مصرف می‌گردد.
1-3- انواع آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی:
کلکتور، مدار لوله‌کشی و مخزن ذخیره‌سازی، سه جزء تشکیل‌دهنده‌ی یک آب‌گرم‌کن خورشیدی می‌باشند. آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی به دودسته‌ی حلقه باز (open loop) و حلقه بسته (close loop) تقسیم می‌شوند که هردوی آن‌ها می‌توانند به دو صورت، یکی با جریان طبیعی مایع (ترموسیفونی) و دیگری با فشار (پمپ) کار کنند که به دسته اول سیستم پسیو و به دسته دوم، سیستم اکتیو نیز می‌گویند.
·سیستم فعال یا پمپی: در آن از یک یا چند پمپ برای به گردش درآوردن مایع موردنظر استفاده می‌شود.
· سیستم غیرفعال یا ترموسیفونی: مایع به‌طور طبیعی جریان میابد و از پمپ استفاده نمی‌شود.
1-3-1- مزایای سیستم پمپی نسبت به ترموسیفونی
سیستم آب‌گرم‌کن خورشیدی پسیو یا ترموسیفون وابسته به لوله‌های گرمایی برای چرخش آب می‌باشند. سیستم‌های آب‌گرم‌کن پسیو، دارای هزینه‌ی کمتری بوده و نگهداری آن‌ها نیز نسبت به آب‌گرم‌کن‌های اکتیو آسان‌تر است. ولی بازده آن‌ها نسبت به آب‌گرم‌کن‌های اکتیو به میزان قابل‌توجهی پایین‌تر است. همچنین، مسائلی مانند یخ‌زدگی یا گرم شدن بیش‌ازحد، دغدغه‌های اصلی در مورد آن‌ها می‌باشد.
به‌طور خلاصه مزایای سیستم‌های اکتیو عبارت‌اند از:
·مخزن ذخیره کننده می‌تواند در مکانی پایین‌تر از کلکتور قرار گیرد درصورتی‌که در سیستم‌های پسیو مخزن حتماً باید بالاتر از کلکتور قرار گیرد.
·مخزن ذخیره کننده می‌تواند همیشه خارج از دید باشد.
·مخزن می‌تواند در یک محفظه‌ی ایزوله شده نگهداری شود تا از تلفات گرما جلوگیری شود.
·می‌توان از مخازن Drainback استفاده کرد.
·بازده بسیار بالاتر از سیستم پسیو است.
· سیستم، کنترل‌پذیری خوبی دارد.
1-3-2- انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی ساده
آب‌گرم‌کن خورشیدی ساده یکی از ساده‌ترین انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی است که اساساً یک تانک می‌باشد که در معرض تابش خورشید قرار می‌گیرد. این تانک معمولاً در یک جعبه از جنس پلاستیک یا شیشه پوشانده می‌شود. این تانک به‌وسیله لوله‌کشی مستقیماً به واحد مصرف‌کننده آب گرم متصل می‌گردد و از هیچ‌گونه پمپ و تجهیز کنترل‌کننده‌ای در این سیستم استفاده نمی‌شود. ساختن این نوع از آب‌گرم‌کن خورشیدی بسیار ساده است و می‌توان برای ساخت آن‌ها از تانک‌های آب‌گرم‌کن‌های قدیمی استفاده نمود ولی در دمای بسیار سرد عملکرد مناسبی ندارد. اغلب برای جلوگیری از یخ زدن تانک ردیفی از لوله آب گرم به دور آن می‌پیچند و در زمستان آب آن را تخلیه می‌کنند.
1-3-3- آب‌گرم‌کن خورشیدی ترموسیفون
آب‌گرم‌کن خورشیدی ترموسیفون یکی دیگر از انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی با سیستم ساده است. سیستم ترموسیفون به‌صورت غیرفعال عمل می‌کند یعنی برای ایجاد جریان در آن از پمپ استفاده نمی‌شود و گردش آبگرم در آب‌گرم‌کن خورشیدی ترموسیفون به‌صورت کاملاً آزاد انجام می‌گیرد؛ بنابراین جریان طبیعی آبگرم را برای مصرف خانگی از کلکتور به داخل تانک منتقل می‌کند. لازم به ذکر است که سیستم‌های ترموسیفون برای اقلیم‌های سردسیر مناسب نیستند.
1-3-4- آب‌گرم‌کن خورشیدی حلقه باز با گردش اجباری
در این سیستم آب مصرفی توسط پمپ در گردآور جریان می یابد و گرم شده به داخل مخزن می‌ریزد. درنهایت همان آبی که در گردآور جریان داشته به مصرف می‌رسد.
1-3-5- سیستم حلقه باز با گردش طبیعی (ترموسیفونی)
این سیستم شاید ساده‌ترین نوع آب‌گرم‌کن باشد آب در گردآور گرم شده و به دلیل جریان همرفت و فشار آب ناشی از مخزن در گردآور بالا می‌رود و گرم می‌شود سپس به داخل مخزن می‌ریزد تا موقع لزوم به مصرف برسد.
1-3-6- سیستم حلقه بسته با گردش آب اجباری یا پمپی
این آب‌گرم‌کن‌ها بسیار کارآمد و قابل‌اطمینان می‌باشند و به نگهداری کمتری نیاز دارند. همان‌طور که ذکر شد، این سیستم‌ها از یک مایع جداگانه از آب مصرفی به نام مایع منتقل‌کننده‌ی گرما (HTF) برای انتقال گرما بهره می‌برد. HTF که از طریق کلکتور گرم شده است، به سمت مخزن حرکت می‌کند و در آنجا از طریق یک مبدل حرارتی، گرمای خود را به آب داخل مخزن منتقل می‌کند و پس از انتقال گرما و افت دما، به کلکتور باز می‌گردد. پس بدون اینکه با آب مصرفی مخلوط شود، به‌طور مداوم در این چرخه به گردش درمی‌آید.
1-3-7- سیستم حلقه بسته با گردش طبیعی (ترموسیفونی) یا سیستم پسیو
در این سیستم گردآور پایین‌تر از منبع قرار می‌گیرد تا مایع منتقل‌کننده گرما با استفاده از نیروی طبیعی همرفتی جریان یابد.
1-3-8- انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی با سیستم ضد یخ
آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی ضد یخ یکی از پرکاربردترین نوع آب‌گرم‌کن خورشیدی در مناطق با آب‌وهوای سردسیر هستند. در سیستم‌های ضد یخ هیچ‌گونه تانک تخلیه‌ای برای آبگرم در گردش وجود ندارد بنابراین آب داخل کلکتور امکان تخلیه نداشته و برای اینکه در مواقعی خاموشی پمپ آب داخل سیستم یخ نزند از ضد یخ پروپیلن گلیکول در آن استفاده می‌شود؛ بنابراین در مواقعی که پمپ خاموش می‌باشد نیاز به تخلیه آب در گردش از داخل کلکتور نیست.
1-3-9- آب‌گرم‌کن خورشیدی برای تأمین آبگرم استخر
آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی تأمین‌کننده آبگرم استخر آخرین نوع از انواع آب‌گرم‌کن خورشیدی هستند. از این نوع آب‌گرم‌کن خورشیدی برای تأمین آبگرم مصرفی خانگی استفاده نمی‌شود. کلکتورهای این تجهیزات خورشیدی از مجموعه‌ای از لوله‌های موازی ساخته شده است که بر روی سقف در نزدیک‌ترین نقطه به استخر مستقر می‌گردند. آب داخل استخر توسط پمپ در لوله‌های کلکتور به گردش درمی‌آید. کنترلر به‌وسیله یک شیر، آب ورودی به استخر را تنظیم می‌کند و هنگامی‌که از استخر استفاده نمی‌شود آب داخل کلکتور را به داخل استخر تخلیه می‌نماید.
در شکل زیر میزان استفاده از آب‌گرم‌کن‌های پمپی و ترموسیفون در جهان و برخی کشورها در سال 2013 با هم مقایسه شده است. همان‌طور که از شکل پیداست کشور آمریکا بیشترین میزان استفاده از آب‌گرم‌کن‌های پمپی را داراست.
آزمایش:
تکلیف:
حجم مخزن آب‌گرم‌کن خود را با حجم مخزن آب گرم محاسبه‌شده از فرمول مقایسه کرده و نتیجه را ارسال نمایید.
تفاوت انواع سامانه‌های آب‌گرم‌کن خورشیدی را توضیح داده و برای هرکدام تصاویر جدیدی گردآوری کنید.
محل بازدید/ اردو/ خرید: برای این جلسه می‌توانید از کارخانه‌های سازنده آب‌گرم‌کن و پکیج بازدید نمایید.
منابع مطالعه:
http://www.steam-pot.ir
http://www.toosboiler.com
https://www.homepower.com/articles/solar-water-heating/basics/why-use-solar-water-heating
http://buildingplus.ir
http://ecogeek.ir/1391/05/solar-water-heater/
http://www.avisasolar.ir
دیوید اس فیندل، مترجمین: مجتبی مروج، علیرضا رازقی زاده و فاطمه نامدارنیا، انرژی خورشیدی برای خانه شما، انتشارات آراد کتاب
تنظیم کننده: محبوبه همت
مطالب مرتبط:
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش اول
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش دوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش سوم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش چهارم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش پنجم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش ششم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هفتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش هشتم
ساخت آب‌گرم‌کن خورشیدی-بخش نهم
