سیستمهای سرمایش جذبی و تراکمی کمک خورشیدی در تهویه
نرگس صحرانیان MSc
پژوهشکده انرژي، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محيطي، دانشگاه تحصيلات تكميلي صنعتي و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران
سیدمحمدحجت محمدی PhD
پژوهشکده انرژي، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصيلات تكميلي تمتعتي و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران
ابراهیم جهانشاه جواران PhD
پژوهشکده انرژي، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصيلات تكميلي صنعتي و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران
چکیده
کاربرد انرژی خورشید به منظور تامین سرمایش فضاها در ایران و سایر کشورها در دو دهه اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این پژوهشي در سيستم سرمایش ترکیبی کمک خورشيدي مورد مطالعه قرار گرفته است. در یک سیستم ترکیبی از سیستمهای سرمایش جذبی لیتیم برمایدی و کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت و در سيستم دیگر ترکیب چیلر تراکمی و پنل فتوولتائيک حرارتی در نظر گرفته شده است. به این منظور 32% از مساحت پشت بام ساختمان توسط 5-1 كلكتور صفحه تخت خورشیدی هر یک به مساحت 1/591مترمربع با 288 پنل فتوولتائیک حرارتي هر یک به مساحت 0/556مترمربع پوشانده شده است هر دو سیستم از نظر انرژي، اگزرژی و اقتصادی با یکدیگر مقایسه شده اند. این مقایسه برای تامین 70 کيلووات بار سرمایشي مورد نیاز یک ساختمان اداري با مساحت 500مترمربع انجام گرفته است. نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که در دمای اواپراتور 5cو دمای محیط 27c ضريب عملکرد چیلر تراکمی 3/5 و ضريب عملکرد چیلر جذبی برابر 0/71 است .
همچنین راندمان انرژي كل و راندمان انرژی کل به ترتیب در سیستم ترکیبی چیلر تراکمی و پنل های فتوولتائیک حرارتی برای %7/43 و %8/25 و در سیستم ترکیبی چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت برابر %9/16 و % 6/66 است. در تحلیل اقتصادي، متوسط هزینه سالانه سیستم ترکیبی چیلر تراکمي و پل های فتوولتائیک حرارتی برابر ۹۷۱۰ دلار و این هزینه براي سيستم ترکیبی چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه نخست برابر 7649دلار برآورد شده است .
1- مقدمه
با توسعه جامعه بشری، نیاز به مصرف انرژی روز به روز در حال افزایش است. تقاضای روز افزون انرژی از یک سو و انتشار گازهای گلخانه ای از سوی دیگر، گرم شدن زمین را به دنبال دارد. به همین دلیل محققان به دنبال روش های گوناگون کاهش و بهینه سازی مصرف انرژی و استفاده از انرژی های دوستدار محیط زیست، هستند. یکی از راهکارهای مناسب برای نیل به این منظور، استفاده از انرژی خورشید در ترکیب با سیستمهای سرمایش جذبی و تراکمی است.
از آنجایی که بیشینه بار سیستمهای سرمایش ساختمان ها بر ساعات اوج مصرف انرژی منطبق می شود و این ساعات مطابق با ساعات بیشترین تابش خورشیدی است، به همین علت استفاده از انرژی خورشید راه کاری ارزشمند در کاهش و اصلاح الگوی مصرف انرژی خواهد بود. در کاربردهای انرژی خورشیدی برای راه اندازی سیستم های سرمایش با تهویه مطبوع، معمولا از سیستمهای سرمایش جذبی با بستر جذب مایع استفاده می شود. در این سیستمها، بستر جذب، آب است که با مبرد آمونیاک کار می کند (برای دماهای زیر صفر درجه سانتی گراد) یا لیتیم برماید است که با مبرد آب عمل می نماید (برای دماهای بالای صفر درجه سانتی گراد).
با توجه به راندمان بالاتر سیستمهای سرمایش جذبی ، کاربرد آنها در صنعت تهویه مطبوع گسترده تر است همچنین دمای ژنراتور این سیستم ها نیز در مقایسه با سیستم های آمونیاکی کمتر و برای کاربردهای خورشیدی سازگارتر است. الوهی و همکاران و ژایی و وانگ به تفصیل به مطالعه سیستمهای سرمایش خورشیدی پرداختند.
نتایج این محققان نشان داد که سیستمهای سرمایش خورشیدی، سیستم هایی نوآورانه و امیدوارکننده برای کاهش مصرف انرژی هستند. همچنین این پژوهشگران به این نکته اشاره نمودند که استفاده از این سیستم های خورشیدی علاوه بر کاهش مصرف انرژی، سبب کاهش انتشار گاز دی اکسید کربن می شود که از لحاظ زیست محیطی نیز سودمند است.
از سوی دیگر، مونتاكنينو3 نيز در مورد پروژه های اجرا شده در کشورهای مختلف که در زمینه تولید توان سرمایشی با استفاده از تابش خورشید هستند، تحقیق کاملی انجام داده است این سیستم های سرمایشی ، تمام یا بخشی از انرژی مورد نیاز خود را از طریق انرژی تابشی خورشید تامین می نمایند و توان سرمایشی تولید شده تمام یا بخشی از نیاز ساختمان را تامین می کند.
زینیان و نینگ با بررسی چیلرهای جذبی لیتیم بروماید. آب و ترکیب آن با کلکتورهای لوله خلاء به منظور سرمایش در تابستان، گرمایش در زمستان و تامین آب گرم در دیگر فصول سال به این نتیجه رسیدند که این سیستم باعث افزایش سود اقتصادی سیستمهای سرمایش خورشیدی خواهد شد. همچنین راندمان خنک سازی فضا ۴۰% راندمان گرمایش ۳۵% و راندمان سیستم تامین آب گرم مصرفی % ۵۰ گزارش شد. نتیجه حاصل از این تحقیق نشان داد که استفاده از گردآورنده های خورشیدی لوله خلاء برای کاربردهایی است که نیاز به دمای نسبتا بالا دارند و در محیطهای دما پایین، مناسب است۔
در بررسی اقتصادی سیستمهای سرمایش جذبی تک اثره، پانکتورن کواپاتیح و همکاران مطالعاتی روی یک چیلر جذبي تک اثره 10 تن ليتيم بروماید آب در ترکیب با ۷۲متر مربع کلکتور لوله خلاء انجام دادند. ایشان به این نتیجه رسیدند که با پیشرفت تکنولوژی و تولید این دستگاهها در مقیاس های بزرگ، هزينه آنها کاهش پیدا می کند. از این رو می توان گفت که فناوری خنک کننده خورشیدی در آینده نزدیک قابل رقابت با دستگاههای فعلی خواهد بود. مظلومی و همکاران نیز به شبیه سازی یک چیلر جذبی لیتیم بروماید_ آب تک اثره که توسط کلکتور سهموی انرژی خورشید را جذب می کند.
برای ساختمانی در اهواز با حداکثر بار سرمایشی ۱۷ کیلووات (5تن تبرید)، پرداختند. ایشان یافتند که نرخ جریان جرم کلکتور کمترین تاثیر را روی حداقل سطح کلکتور و تاثیر قابل توجهی روی گنجایش تانک ذخیره می گذارد. همچنین حداقل سطح مورد نیاز کلکتور که بتواند این بار سرمایشی را تامین کند، ۷متر مربع با دمای آب ورودی ۱۷ درجه سانتی گراد از خروجی مخزن ذخیره است.
شایان ذکر است که استفاده از انرژی تابش خورشید به منظور تامین الکتریسیته مورد نیاز برای راه اندازی سیستمهای سرمایش تراکمی هم راهکار دیگری است که محققان به آن پرداخته اند که تاثیر تغییر سیال کاری بر بازده کلی سیستم و میزان تولید برق بررسی شده است و نتیجه حاصل حاکی از آن است که عملکرد ترمودینامیکی سیال R245fa بهتر از سیال R134a است. اما همان گونه که بیان شد، بیشترین و متداول ترین سیستمهای سرمایش و تهویه مطبوع خورشیدی (یا کمک خورشیدی) از سیستمهای سرمایش جذبی با بستر جذب مایع بهره می برند. در این مقاله دو سیستم تهویه مطبوع کمک خورشیدی از دیدگاه انرژی، اگزرژی و اقتصادی مورد مقایسه قرار می گیرند.
در سیستم اول از چیلر تراکمی در ترکیب با پنل های فتوولتائیک حرارتی استفاده می شود. در سیستم دوم ترکیب
سیستمهای سرمایش جذبی لیتیم برمایدی تک اثره و کلکتورهای خورشیدی صفحه تخت مورد مطالعه قرار می گیرد. این پژوهش برای ساختمانی اداری با محدودیت فضای پشت بام ساختمان انجام می شود که می تواند تعداد ۲۸۸ پنل فتوولتائیک حرارتی هر یک به مساحت 0/556متر مربع یا ۱۰۵ عدد کلکتور صفحه تخت هر یک به مساحت 1/591 متر مربع را در خود جای دهد. بازه زمانی مورد مطالعه این سیستم از ۱۵ خرداد تا ۱۵ مهر به مدت ۱۲۴ روز و مدت کارکرد سیستم در هر روز ۷ ساعت است. انتظار می رود که با استفاده از نتایج این تحقیق، بتوان سیستمی با کارآیی بالاتر و نیز سیستمی که از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه تر است را معرفی نمود.
2- عملکرد سیستم و معادلات حاکم
1-2سیستم ترکیبی چیلر تراکمی و کلکتورهای فتوولتائیک حرارتی
شماتیکی از سیستم ترکیبی چیلرهای تراکمی و کلکتورهای فتوولتائیک حرارتی در شکل ۱ مشاهده میشود. عملکرد سیستم به گونهای است که کلکتورهای فتوولتائیک حرارتی، توان الکتریکی کمپرسور را تامین کرده و بار سرمایشی مورد نیاز ساختمان توسط اواپراتور تامین میشود. ساختمان اداری بررسیشده در این پژوهش دارای مساحتی برابر ۵۰۰متر مربع است. با توجه به محدودبودن فضای پشت بام ساختمان ذکرشده، بام این ساختمان گنجایش تعداد ۲۸۸ عدد کلکتور هر یک به مساحت 0/556 متر مربع را دارد.
توان الکتریکی هر عدد کلکتور فتوولتائیک حرارتی در این پژوهش برابر 0/04727کیلووات است که مجموع ۲۸۸ عدد کلکتور قادر به تامین 13/62کیلووات توان الکتریکی هستند. این در حالی است که این ساختمان برای تامین ۷۰کیلووات بار سرمایشی، نیازمند توان الکتریکی معادل 18/91 کیلووات است. با توجه به اینکه مجموع کلکتورهای فتوولتائیک حرارتی قادر به تامین تمامی توان مورد نیاز ساختمان نیستند، باقی مانده توان مورد نظر از شبکه خریداری می شود. همچنین در سیستم ترکیبی چیلر تراکمی و کلکتورهای فتوولتائیک حرارتی، از حرارت تولید شده توسط کلکتورها در پیش گرم کردن آب گرم مصرفی ساختمان استفاده می شود و با قراردادن یک بویلر در مسیر آب گرم خروجی از کلکتور، دمای آب به اندازه مطلوب افزایش می یابد.
2-2 سيستم ترکیبی چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت
شماتیکی از سیستم ترکیبی چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت در شکل ۲ مشاهده می شود،
عملکرد سیستم به گونه ای است که کلکتورهای صفحه تخت حرارت مورد نیاز ژنراتور را تامین می کنند و بار سرمایشی مورد نیاز ساختمان توسط اواپراتور تامین می شود. مشابه قسمت قبل، در پشت بام این ساختمان تعداد ۱۰۵ عدد کلکتور هر یک به مساحت 1/591متر مربع را می توان استفاده کرد. حرارت تولید شده توسط هر کلکتور صفحه تخت در این پژوهش 0/767 کیلو وات است که مجموع ۱۰۵ عدد کلکتور قادر به تامین بار حرارتی برابر 13/62 کیلووات هستند. این در حالی است که ژنراتور سیستم سرمایشی این ساختمان برای تامین ۷۰ کیلووات بار سرمایشی، نیازمند حرارت 97/56 کیلووات است. با توجه به اینکه مجموع کلکتورهای صفحه تخت قادر به تامین تمامی حرارت مورد نیاز ساختمان نیستند، باقی مانده انرژی مورد نیاز برای تامین این حرارت از شبکه خریداری می شود. همچنین این ساختمان برای تامین آب گرم مصرفی نیز نیازمند حرارتی افزون بر حرارت مورد نیاز ژنراتور است که انرژی مورد نیاز برای تامین این حرارت نیز از شبکه خریداری می شود.
3-2 آنالیز ترمودینامیکی
1-2-3 آنالیز ترمودینامیکی سیستم ترکیبی چیلر تراکمی و کلکتورهای فتوولتائیک حرارتی
توان تولیدی هر پنل فتوولتائیک حرارتی بر اساس پارامترهای وابسته به نوع پنل، تابش خورشید، مساحت هر پنل و دمای پنل از رابطه (۱) محاسبه می شود. با توجه به تعداد ۲۸۸ عدد پنل موجود
در پشت بام ساختمان برای محاسبه توان کلی پنل ها، توان محاسبه شده در تعداد پنل ها ضرب می شود
برای محاسبه دمای سیال خروجی از پنل های فتوولتائیک حرارتی از رابطه (۲) استفاده می شود که این رابطه وابسته به دمای سیال ورودی به پنل ها است.
با استفاده از رابطه (۳)، راندمان حرارتی پنل ها محاسبه می شود.
با به کارگیری رابطه (1)، تابش خورشید و مساحت پنل فتوولتائیک حرارتی راندمان الکتریکی از رابطه (۴) محاسبه می شود.
راندمان کلی پنل فتوولتائیک حرارتی از مجموع رابطه های (3) و (4) به دست می آید .
کسر خورشیدی در سیستم ترکیبی چیلر تراکمی و پنل های فتوولتائیک حرارتی از رابطه (۶) به دست می آید.
در رابطه فوق، 1 -QDHw مقدار حرارتی است که توسط خورشید برای آب گرم مصرفی قابل تامین است. اگزرژی ورودی به پنل های فتوولتائیک بر اساس دمای محیط، دمای خورشید، تابش و مساحت سطح پنل از رابطه (۷) محاسبه می شود.
با استفاده از دمای خروجی محاسبه شده در رابطه (۲) اگزرژی حرارتی نیز به دست می آید.
اگزرژی الکتریکی با استفاده از توان تولیدی پنل فتوولتائیک حرارتی که در رابطه (۱)محاسبه شد، به دست می آید .
از روابط (۷) و (۸) راندمان حرارتی قانون دوم ترمودینامیک نیز محاسبه میشود.
همچنین از روابط (۷) و (۹) راندمان الکتریکی قانون دوم ترمودینامیک محاسبه میشود.
راندمان اگزرژی کل از مجموع روابط (۱۰)و (۱۱) به دست می آید.
اتلاقات اگزرژی در پنل های فتوولتائیک حرارتی از رابطه (۱۳) به دست می آید.
برای تحلیل انرژی و اگزرژی سیستمهای سرمایش جذبی و تراکمی از قوانین بقای انرژی و بالانس اگزرژی استفاده می شود که صورت کلی این معادلات در روابط (۱۴) و (۱۵) مشاهده می شود.
همچنین ضریب عملکرد سیستم تراکمی از رابطه (۱۶) محاسبه می شود.
راندمان اگزرژی کل سیستم از رابطه (۱۷) محاسبه می شود.
در سیستم ترکیبی چیلر تراکمی و پنل های فتوولتائیک حرارتی اتلافات اگزرژی، اگزرژی ورودی کلی و اگزرژی خروجی کلی به ترتیب به صورت روابط (۱۸)، (۱۹) و (۲۰) محاسبه می شود.
پارامترهای مورد نیاز در محاسبات انرژی و اگزرژی پنل های فتوولتائیک حرارتی در جدول ۱ آورده شده است.
۲ – ۳ – ۲ – آنالیز ترمودینامیکی سیستم ترکیبی چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت در آنالیز ترمودینامیکی کلکتورهای صفحه تخت، انرژی مفید حاصل از هر کلکتور صفحه تخت از رابطه (۲۱) محاسبه می شود. قابل ذکر است با توجه به مجموع ۱۰۵ عدد کلکتور صفحه تخت موجود در پشت بام ساختمان مورد بررسی، مقدار به دست آمده از رابطه (۲۱) در مجموع کلکتورهای موجود ضرب می شود.
لازم به ذکر است n0که ما در رابطه فوق، راندمان مرجع در کلکتورهای صفحه تخت است. در رابطه (۲۱) برای محاسبه ضریب اتلاف حرارتی از رابطه (۲۳) استفاده می شود. مقدار ضریب اتلاف حرارتی در واقع حاصل جمع ضرایب اتلاف حرارت از سطوح بالا و پایین کلکتور است که این دو مقدار با استفاده از روابط (۲۴) و (۲۵) به دست می آید.
در محاسبه نرخ انتقال حرارت از بالای صفحه و دمای آسمان با استفاده از روابط (۲۶) و (۲۷) محاسبه می شود.
با استفاده از رابطه (۲۱) راندمان حرارتی کلکتورهای صفحه تخت از رابطه (۲۸) محاسبه می شود. راندمان اگزرژی و دمای سیال خروجی از کلکتورهای صفحه تخت به ترتیب از معادلات (۲۹) و (۳۰) محاسبه می شود.
کسر خورشیدی در سیستم ترکیبی چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت حرارتی از رابطه (۳۱) محاسبه می شود.
اتلافات اگزرژی در کلکتورهای صفحه تخت از مجموع اتلافات اگزرژی در کلکتورهای صفحه تخت ناشی از اختلاف دمای جاذب کلکتور و درجه حرارت تابش خورشید، اتلافات اگزرژی ناشی از اتلافات حرارتی و اتلاقات اگزرژی ناشی از اتلافات حرارتی بین صفحه جاذب و سیال کاری به دست می آید صفحه جاذب و سیال کاری به دست می آید.
اتلافات اگزرژی در کلکتورهای صفحه تخت ناشی از اختلاف دمای جاذب کلکتور و درجه حرارت تابش خورشید به صورت رابطه (۳۴) است.
اتلافات اگزرژی ناشی از اتلافات حرارتی از رابطه (۳۵) محاسبه می شود.
اتلافات اگزرژی ناشی از اتلافات حرارتی بین صفحه جاذب و سیال کاری از رابطه (۳۶) محاسبه می شود.
پارامترهای مورد نیاز در محاسبات انرژی و اگزرژی کلکتورهای صفحه تخت در جدول ۲ ارایه شده است.
در سیستم ترکیبی چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت اتلافات اگزرژی، اگزرژی ورودی کلی و اگزرژی خروجی کلی به ترتیب
به صورت روابط (۳۸) ،(۳۹ (و (۴۰) محاسبه می شود.
2-4 آنالیز اقتصادی
آنالیز اقتصادی سیستمها در عمر مفيد آنها به صورت مجموع هزينه اوليه، هزینه تعمیر و نگهداری و هزینه عملیاتی است که در این پژوهش هزینه چرخه زندگی سالانه سیستمها محاسبه شده است. در این روش از تقسیم هزینه های به دست آمده در عمر مفید سیستم ها بر فاکتور ارزش فعلی هزینه ها، هزينه چرخه زندگی سالانه به دست می آید.
قابل ذکر است که هزینه عملیاتی در چیلر تراکمی شامل هزینه برق مصرفی و گاز مصرفی است که هزینه گاز مصرفی در هزینه عملیاتی بویلر اعمال شده است. همچنین در چیلر جذبی هزینه عملیاتی شامل گاز مصرفی است که همانند چیلر تراکمی این هزينه در هزینه عملیاتی بویلر اعمال شده است. هزینه تعمیر و نگهداری تجهیزات شامل ۱۰% هزينه اولیه تجهیزات است. در پنل های فتوولتائیک حرارتی و کلکتورهای صفحه تخت، برای به دست آوردن ارزش فعلی سیستم از رابطه (۴۱) استفاده می شود.
همچنین هزینه ساليانه سیستم به صورت رابطه (4۲) محاسبه می شود.
برای تبدیل هزینه های سال های قبل به هزینه های امروز از رابطه های (41) و (42) استفاده میشود.
در جدول های ۳ و ۴ هزینه سرمایه گذاری اولیه، هزينه تعمیر و نگهداری و پمپ به ازای ۲۸۸ پنل فتوولتائیک حرارتی و ۱۰۵ کلکتور صفحه تخت آورده شده است. همچنین نرخ بهره، نرخ تورم و عمر سیستم نیز به منظور محاسبات اقتصادی مشخص شده است.
3- نتایج و بحث
در بررسی هر دو سیستم مورد مطالعه در این مقاله دمای اواپراتور
0 درجه سانتی گراد در نظر گرفته شده است. همچنین دمای ژنراتور در چیلر جذبی مورد مطالعه در این تحقیق برابر با ۸۵ درجه سانتی گراد فرض شده است. این فرض برای سیستم های جذبی ليتيم برمایدی خورشیدی که در آنها امکان تامین دمای بالا وجود ندارد، فرضی قابل قبول است هزينه حامل های انرژی در ایران 0/0088 دلار به ازای هر متر مکعب گاز مصرفی و 0/038 دلار به ازای هر کیلووات ساعت الكتريسيته مصرفی است.
در نمودار 1، میانگین تابش و دمای محیط در ساعات مختلف بر اساس کار دوبی و تیواری نمایش داده شده است. این نمودار برای هر شهر و در ماه های مختلف سال قابل تغییر است. قابل ذکر است که محاسبات در قسمت خورشیدی برای تابش 800w/m2 و دمای محیط ۲۷ درجه سانتی گراد انجام گرفته است.
در نمودار ۲، تغییرات ضريب عملکرد چیلرهای جذبی و تراکمی با تغيير دمای محیط نشان داده شده است. همان طور که انتظار می رود با افزایش دمای محیط ، ضریب عملکرد چیلرها کاهش می یابد. با افزایش دمای محیط، اختلاف دمای بین دو منبع سرد و گرم که سیکل سرمایش بین آن دو کار می کند، افزایش یافته و این افزایش اختلاف دما سبب می شود که ضریب عملکرد آن کاهش یابد. بنابراین، برای تولید میزان ثابتی از بار سرمايش، سیستمهای سرمایش باید توان بیشتری توسط هر دو چیلر مصرف شود.
در نمودار ۳، تغییرات راندمان انرژی کلکتورهای صفحه تخت و پنل های فتوولتائیک با تغييرات تابش خورشید مشاهده می شود. همان طور که در پنل های فتوولتائیک حرارتی انتظار می رود، با افزایش تابش خورشید، انرژی الکتریکی تولیدی سیستم افزایش می یابد. همچنین طبق رابطه (۲) با افزایش تابش، اختلاف دمای سیال ورودی و خروجی از پنل ها نیز افزایش می یابد. به عبارت دیگر، انرژی حرارتی تولیدی PVT نیز افزون می شود. از سوی دیگر، به دلیل افزایش دمای پنل و افزایش اتلافات حرارتی، راندمان الکتریکی پنل های فتوولتائیک حرارتی شیب کاهشی خواهد داشت. در ضمن، تاثیر افزایش اختلاف دمای سیال ورودی و خروجی از پنل ها نسبت به تاثیر افزایش تابش خورشید (مخرج کسر در رابطه ۳) کمتر است .
این امر سبب کاهش راندمان حرارتی سیستم و در نهایت کاهش راندمان انرژی کلی پنل های فتوولتائیک حرارتی می شود. در کلکتورهای صفحه تخت با افزایش تابش حرارت تولیدی افزایش و اتلافات حرارتی سیستم نیز افزایش می یابد. تاثیر افزایش انرژی ورودی در کلکتورهای صفحه تخت بیش از تاثیر افزایش اتلافات حرارتی است که این امر باعث افزایش راندمان انرژی کلکتورهای صفحه تخت خواهد شد.
در نمودار ۴ اثر افزایش تابش خورشید بر راندمان اگزرژی کلکتورهای فتوولتائیک حرارتی و صفحه تخت بررسی شده است. در کلکتورهای صفحه تخت با افزایش تابش دمای سیال خروجی از کلکتور، در حال افزایش است و این امر سبب اختلاف بیشتر دمای سیال ورودی و سیال خروجی از کلکتور و افزایش اگزرژی ورودی به سیستم صورت کسر در رابطه ۲۴) می شود. همچنین راندمان اگزرژی کلکتورهای صفحه تخت بیشتر خواهد شد و در پنل های فتوولتائیک حرارتی با افزایش تابش، بازده اگزرژی الکتریکی به علت افزایش دمای پنل ها و کاهش انرژی تولیدی سیستم کاهش می یابد، در حالی که این امر سبب افزایش راندمان اگزرژی حرارتی پنل ها می شود. با این حال، اثر کاهشی راندمان اگزرژی الکتریکی غالب است که سبب کاهش راندمان اگزرژی کل سیستم می شود.
اثر افزایش تابش خورشید بر انرژی تولیدی کل کلکتورهای صفحه تخت و پنل های فتوولتائیک حرارتی در نمودار ۵ نمایش داده شده
است. همان گونه که انتظار می رود به علت رابطه مستقیم تابش خورشید با انرژی تولیدی در کلکتورهای صفحه تخت و فتوولتائیک حرارتی، شیب نمودار صعودی بوده و انرژی تولیدی در کلکتورها در حال افزایش است.
در نمودار ۶ نسبت انرژی تامین شده توسط تابش خورشید به انرژی مورد نیاز برای تامین بار سرمایشی ساختمان و حرارت مورد نیاز برای تامین آب گرم مصرفی برای سیستم ترکیبی پیشنهادی مورد بررسی قرار گرفته است. این نسبت در دماهای محیط و تابش های مختلف بر اساس نمودار به دست آمده است. همان طور که مشاهده می شود در ساعت ۱۲ ظهر و در دمای محیط ۲۹ درجه سانتی گراد برای سیستم ترکیبی سیستمهای سرمایش جذبی و کلکتورهای صفحه تخت و در ساعت ۱۴ بعد از ظهر و در دمای محیط ۳۶ درجه سانتی گراد برای سیستمهای سرمایش ترکیبی چیلر تراکمی و پنل های فتوولتائیک حرارتی، بیشترین میزان کسر خورشیدی حاصل می شود.
در جدول 5، نتایج حاصل از محاسبات راندمان انرژی، راندمان اگزرژی، اتلافات اگزرژی، COP و ALCC سیستم های ترکیبی چیلر تراکمی و پنل های فتوولتائیک حرارتی و نیز چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت آورده شده است. در حالی که COP سیستم تراکمی به صورت چشمگیری از سیستم جذبی بیشتر است، با این وجود چون هر دو سیستم قادر به تامین توان سرمایشی یکسانی
هستند، بنابراین سیستمی مناسب تر است که هزینه کمتری را در پر داشته باشد. سیستمهای سرمایش جذبی و کلکتورهای صفحه تخت با توجه به هزینه سالیانه کمتری که دارند در حال حاضر سیستم های کارآمدتری خواهند بود. شایان ذکر است که پیشرفت تکنولوژی ساخت سیستمهای PVT که منجر به کاهش هزينه تمام شده این سیستمهای سرمایش می شود، می تواند در نتایج به دست آمده از این تحقیق در سال های آینده تاثیر بگذارد.
در تحلیل اقتصادی سیستمهای بررسی شده در این پژوهش بر اساس قیمت های ارایه شده در جدول ۳ و ۴ و همچنین قیمت حامل های انرژی هزینه ساليانه هر دو سیستم ترکیبی محاسبه شده است. با توجه به روند حذف یارانه های حامل های انرژی و در راستای اصل هدفمندسازی یارانه ها، افزایش قیمت حامل های انرژی، امری اجتناب ناپذیر است.
در نمودار ۷، اثر افزایش قیمت حامل های انرژی از نرخ های کنونی موجود در ایران تا افزایش این قیمت ها تا رسیدن به قیمت های جهانی در آمریکا بر هر دو سیستم، مورد بررسی قرار گرفته است همان گونه که انتظار می رود، با افزایش قیمت حامل های انرژی، هزینه های چرخه زندگی سالانه (ALCC) در هر دو سیستم افزایش می یابد. اما همچنان سیستمهای سرمایش چیلرهای جذبی ترکیب شده با کلکتورهای صفحه تخت اقتصادی تر است.
4- جمع بندی
در این پژوهش دو سیستم سرمایش کمک خورشیدی برای یک ساختمان اداری پیشنهادی با استفاده از نرم افزار EES شبیه سازی شده اند. سیستم اول ترکیبی از چیلر تراکمی و پنل های فتوولتائیک حرارتی است. از سوی دیگر، سیستم دوم ترکیبی از چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت ایجاد شده است. این دو سیستم از نظر قانون اول و دوم ترمودینامیک و نیز از دیدگاه اقتصادی با یکدیگر مقایسه شده اند. در مقایسه صورت گرفته، سیستم ترکیبی چیلر تراکمی و پنل های فتوولتائیک حرارتی اقتصادی تر است. سایر دستاوردهای این پژوهش را به اختصار می توان اینگونه بیان کرد.
– در پنل های فتوولتائیک حرارتی با افزایش تابش، دمای پنل ها نیز افزایش می یابد و این امر سبب کاهش راندمان انرژی در پنل های فتوولتائیک حرارتی می شود. همچنین افزایش تابش سبب افزایش حرارت تولیدی در کلکتورهای حرارتی صفحه تخت می شود که این امر باعث افزایش راندمان انرژی در آنها می شود.
در کلکتورهای صفحه تخت به دلیل افزایش دمای سیال خروجی از کلکتورها در اثر افزایش تابش، اختلاف دمای سیال ورودی و
خروجی از كلتورهای صفحه تخت افزایش می یابد و این امر سبب افزایش راندمان اگزرژی در کلکتورها می شود. همچنین در پنل های فتوولتائیک حرارتی با افزایش تابش، بازده اگزرژی الکتریکی به علت افزایش دمای پنل ها و کاهش انرژی تولیدی سیستم کاهش می یابد. از سوی دیگر، افزایش تابش خورشید سبب افزایش راندمان اگزرژی حرارتی پنل ها می شود. با این حال، اثر کاهشی راندمان اگزرژی الکتریکی غالب است که سبب کاهش راندمان اگزرژی کل سیستم می شود.
در بررسی صورت گرفته روی کسر خورشیدی در سیستم ترکیبی چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت و تیز چیلر تراکمی و پنل های فتوولتائیک حرارتی، مشخص شد بیشترین کسر خورشیدی برای سیستمهای سرمایش ترکیبی چیلر جذبی و کلکتورهای صفحه تخت در دمای ۲۹ درجه سانتی گراد و در سیستم ترکیبی چیلر تراکمی و پنل های فتوولتائیک حرارتی در دمای ۳۶۰ درجه سانتی گراد رخ می دهد.
دیدگاهتان را بنویسید