کاربرد انرژی های نو در تهویه مطبوع و نقش آن در اصلاح الگوی مصرف

کاربرد انرژیهای نو در تهویه مطبوع و نقش آن در اصلاح الگوی مصرف

چکیده

در این مقاله به بررسی فرصتهای استفاده از منابع غنی انرژیهای تجدیدپذیر و پتانسیل موجود در ایران پرداخته شده است. انرژی از موارد ضروری برای توسعة اقتصادی، اجتماعی و ارتقای کیفیت زندگی است و وجود انرژی مستمر، پایدار و اقتصادی لازمة هرگونه توسعه و رشد اقتصادی می باشد. ایران از منابع قابل توجه طبیعی برای مدرنیزه کردن عرضه انرژی و انتقال به یک سیستم پایدار انرژی برخوردار است. فرصتهای بی شمار در رابطه با استفاده از منابع غنی انرژیهای تجدیدپذیر نظیر شرایط مناسب برای بکارگیری انرژی باد، انرژی زمین گرمایی، توسعه نیروی برق آبی و زمینه ایده آل برای استفاده از انرژی حرارتی خورشیدی وجود دارد که نه تنها کاهش استفاده از منابع محدود انرژی فسیلی را دربر دارد بلکه از اثرات زیان بار گازهای گلخانه ای نیز می کاهد. همچنین دراین تحقیق کاربرد انرژیهای تجدیدپذیر و بر اساس مطالعه موردی در خصوص انرژی حرارتی خورشیدی و کاربرد آن در تهویه مطبوع به منظور کاهش استفاده از انرژیهای فسیلی و اثر گلخانه ای مورد توجه قرار گرفته است. از نتایج این تحقیق می توان به همسویی توسعه منابع انرژیهای نو با توسعه اقتصادی ایران از طریق صرفه جویی در هزینه ها و ایجاد فرصتهای شغلی جدید اشاره نمود.

 

مقدمه

هر چند بشر از دیرباز از انرژیهای تجدید پذیر نظیر باد و خورشید در زندگی خود استفاده می نمود، ولی با کشف منابع سوختهای فسیلی نظیر زغال سنگ و نفت و جذابیتهای آن، استفاده از انرژیهای تجدید پذیر بتدریج به فراموشی سپرده شد. تا این که بحران جهانی نفت در دهه 70 میلادی باعث شد کشورهای صنعتی جهان به استفاده مکمل از منابع دیگر انرژی، نظیر انرژیهای تجدید پذیر و هسته ای روی بیاورند. در آغاز، استفاده از انرژیهای تجدید پذیر با موانعی نظیر هزینه سرمایه گذاری بالا و به صرفه نبودن اقتصادی روبرو بود. اما به مرور زمان، پیشرفت تکنولوژی صنعتی و نیز لحاظ کردن مزایای جانبی همچون کاهش آلودگی محیط زیست، باعث گردید تا انرژیهای تجدید پذیر به مرحله اقتصادی بودن برسند و مورد استقبال قرار گیرند. دسترسی کشورهای در حال توسعه به انواع منابع جدید انرژی، برای توسعه اقتصادی آنها اهمیت اساسی دار و پژوهش ها نشان داده است که بین سطح توسعه یک کشور و میزان مصرف انرژی آن، رابطه مستقیمی برقرار است. با توجه به ذخایر محدود انرژی فسیلی و افزایش سطح مصرف انرژی در جهان فعلی، دیگر نمی توان به منابع فعلی انرژی متکی  بود. در سال 2001 از این مقاله برگرفته از طرح پژوهشی با عنوان محاسبه و طراحی سیتم تهویه مطبوع خورشیدی می باشد 7/5 درصد آن انرژیهای تجدید پذیر بوده است که از این مقدار 12 درصد آن توسط انرژی OECD کل انرژی مصرفی در کشورهای عضو 22 درصد انرژی الکتریکی از طریق انرژیهای نو تا سال 2010 می باشند . در آمریکا / خورشیدی و باد تولید شده است. در اروپا بدنبال تولید 1نیز بدنبال کاهش استفاده از انرژیهای فسیلی نسبت به سال 1990 تا 7 درصد در سال 2010 می باشند که با توجه به اینکه یکی از منابع بزرگ

تولید گازهای گلخانه ای احتراق سوختهای فسیلی برای تولید الکترسیته است خود باعث کاهش بیش از 40 درصد آلودگی زیست محیطی خواهد شد. مطابق برنامه پنج ساله چهارم توسعه کشور، 500 مگاوات از برق مصرفی کشور باید از انرژیهای تجدید پذیر تولید شود.

2- سیاست گذاری پایدار انرژی

با توجه به تحقیقات بین المللی در زمینه سیاست گذاری انرژی پایدار، چهار هدف استراتژیک را به عنوان پایه های سیاست گذاری آتی انرژی ایران می توان نام برد که شامل مقبولیت اجتماعی، کارآیی منابع، اثر بخشی زیست محیطی و کارآیی اقتصادی می باشد. در مقایسه با اهداف کلیدی سیستم های انرژی پایدار، سیستم انرژی در ایران دارای کمبودهای ساختاری است که مانع فرآیند مدرنیزه شدن گشته و موجب هزینه های قابل توجه اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی برای نسل کنونی و آتی می گردد. این کمبودها شامل توسعه سریع بخش حمل و نقل در شهرهای پر جمعیت که سهم زیادی را در انرژی مصرفی برای حمل و نقل فردی در محیط شهری دارند، سهم بالا و نامناسب بخش خانگی در کل مصرف انرژی الکتریکی و گرمایی، سهم تقاضای رو به افزایش داخلی نفت و گاز که اثرات قابل توجهی برروی ظرفیت صادرات و درآمد ارزی کشور دارند، سیستم یارانه ای و کاهش مصنوعی قیمت انرژی که موجب تشویق مصرف کنندگان می گردد، شدت بالای انرژی که ناشی از کمبودهای مذکور می باشد و مقدار آن بسیار بالاتر از میزان متوسط آن در کشورهای صنعتی و در حال توسعه است و غیره

3- انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی نتیجه فرآیند پیوسته همجوشی هسته ای در سطح خورشید می باشد. توان تابشی در مدار میانگین کره زمین از شدتی برابر باKW/  36/1 برخوردار می باشد. محیط زمین 40000 کیلومتر و در نتیجه توان رسیده به مدار زمین به TW 17400 می رسد. حداکثر شدت انرژی در سطح دریا KW/ 1 است و در میانگین 24 ساعته در سطح زمین حدود KW/ 2/0 می باشد که این مقدار برابر با TW 102000 انرژی و حدود 10000 برابر مصرف انرژی فعلی جهان است.

متوسط تابش جهانی برای ایران حدود  23/19 است که در مناطق مرکزی ایران این مقدار به بیش از 7/7 ساعت در روز می شود. میزان تابش خورشیدی در ایران یکی از بزرگترین مقادیر در جهان است. به طور مثال در آلمان میزان تابش خورشیدی ( 1000- 800) کمتر از نصف متوسط آن در کشور ایران است. با توجه به مساحت ایران که حدود000/648/1کیلومتر مربع می باشد کل مقدار تابش در ایران حدود 3/3 میلیون تراوات ساعت در سال می باشد که سیزده برابر کل انرژی مصرفی در ایران است. علی رغم شرایط مناسب طبیعی تابش، بکارگیری انرژی خورشیدی در ایران بسیار ناچیز است. برای ایجاد یک سیستم انرژی حرارتی خورشیدی، اجزاء و تجهیزات اندکی شامل کلکتور، سیال حامل گرما، سیال مبدل حرارتی، منبع ذخیره و سیستم کنترل مورد نیاز می باشد. برای سیستم های ساده تر نیازی به مبدل، منبع ذخیره و سیستم کنترل نمی باشد.

4- تهویه مطبوع خورشیدی

در سال 1848 فارادی اثر سرما را ناشی از جذب آمونیاک در کلرید نقره مشاهد نمود. همچنین در سال 1920 در آمریکا از دی اکسید سولفید و سیلیکانژل برای تهویه مطبوع واکنهای سیستم حمل و نقل ریلی استفاده گردید. بعد از آن استفاده از تهویه مطبوع برای ایجاد راحتی و آسایش روز به روز در صنعت و ساختمانهای مسکونی شدت یافت. این تکنولوژی نیاز به انرژی داشته و مصرف انرژی و به تبع آن ایجاد گازهای گلخانه ای را به دنبال دارد. به تازگی تحقیقات در زمینه سیستمهای دیسیکنت خورشیدی توسعه یافته است. این تحقیقات بیشتر بر روی مواد جاذب رطوبت که می توانند جذب سطحی، نرخ جذب رطوبت و گرما را بهبود دهند متمرکز شده است. سیستم های تهویه مطبوع خورشیدی دارای مزایای بسیاری در صرفه جویی مصرف سوخت و حفظ محیط زیست می باشند. ولی این سیستم ها دارای ویژگی های فنی و اقتصادی خاص خود بوده که گسترش آنها را با مشکلاتی روبرو کرده است. با بررسی سیستم های مختلف تهویه مطبوع خورشیدی می توان به این نتیجه رسید که دو سیستم چیلر جذبی خورشیدی و سیستم دسیکنت جامد دارای قابلیتهای تجاری بیشتری نسبت به سیستم های دیگر می باشند و در حال حاضر بکار گیری چیلرهای جذبی خورشیدی با توجه به امکانات ساخت داخل کشور از نظر فنی میسر است.

5- سهم خورشید در تهویه مطبوع

طی بررسی های بعمل آمده در اروپا بطور تقریبی 40 درصد از کل انرژی مصرفی در این قاره به اماکن تجاری و خانه های مسکونی اختصاص دارد. تعداد سیستم های تهویه مطبوع نصب گردیده که بالای kw12 میباشند طی 20 سال گذشته همواره در حال افزایش بوده است. بطوری که تعداد فضاهای طبقاتی دارای تهویه مطبوع از 30 میلیون متر مربع در سال 1980 به 150 میلیون متر مربع در سال 2000 رسیده است و انرژی سالیانه مصرفی جهت تهویه مطبوع در هر خانه در سال 1990 TJ 6 و در سال 1996 TJ 40 می باشد و پیش بینی می گردد که این رقم در سال 2010 به TJ 160 برسد. این خود باعث افزایش هزینه های زندگی بخصوص در مناطق شهر نشین و افزیش گازهای گلخانه­ای گردیده است. یکی از راه های کاهش هزینه، استفاده مناسب از انرژی خورشیدی در سیستم تهویه مطبوع می باشد. سیستم سرمایش خورشیدی معمولا دارای یک کلکتور خورشیدی و تجهیزات سرمایش می باشد. (شکل 1)

شکل 1- شماتیکی از تجهیزات سیستم تهویه مطبوع خورشیدی

6- بررسی سیستم های مختلف تهویه مطبوع خورشیدی

امروزه در کشورهای بسیاری از سیستم های سرمایش و گرمایش خورشیدی بطور وسیعی استفاده می گردد. در اروپا نیز از این سیستم ها بسیار استفاده می گردد که کشورهای آلمان و اسپانیا بیشترین سهم را به خود اختصاص داده اند (شکل 2) در حال حاضر توان مصرفی برای سرمایش سیستمهای مذکور در اروپا حدودMW 3.6 و مساحت کل کلکتور آنها در حدود  500/17 می باشد.

شکل 2- سهم استفاده از سیستم تهویه مطبوع خورشیدی در اروپا

تاکنون سیستمهای مختلفی توسط محققین پیشنهاد گردیده است که بطور کلی می توان بشکل زیر آنها را تقسیم بندی نمود:

1-6- سیستم سرمایش دیسیکنت مایع

در این سیستم از سیکل باز استفاده شده است و همچنین اساس کار آن در رطوبت زدایی از هوا بوسیله جاذب مایع مانند محلول آب و کلرید کلسیم و یا محلول آب و کلرید لیتیم و خنک کردن با تبخیر آب است. تکنولوژی این سیستم در کشورهای آلمان و آمریکا در حال بررسی و تحقیق است و هنوز تولید صنعتی نگردیده است. ضریب عملکرد این سیستم کمتر از یک و دمای لازم جهت عملکرد بین 45 تا 70 درجه سانتیگراد می باشد که توسط کلکتور خورشیدی تامین می گردد.

2-6- سیستم های سرمایش دیسینکنت جامد

در این سیستم از سیکل باز استفاده گردیده است و اساس کار آن در رطوبت زدایی از هوا بوسیله جاذب جامد مانند سیلیکاژل و کلرید لیتیم  سلولز و خنک کردن با تبخیر آب می باشد. تکنولوژی موجود بر اساس ساخت چرخ آنتالپی جهت رطوبت زدایی می باشد. ظرفیت این سیستم از kW20 تا حدود kW350 و ضریب عملکرد بین 5/0 تا 1 ساخته شده است دمای لازم جهت عملکرد سیستم بین 45 تا 95 درجه سانتیگراد و توسط کلکتور خورشیدی قابل تامین است. باید توجه شود سیتم مذکور در آب و هوای مرطوب دارای کاربرد است و در مناطق بسیار گرم و مرطوب بصورت ترکیبی با چیلر تراکمی مورد استفاده قرار می گیرد که به طور چشمگیر موجب صرفه جویی در مصرف انرژی می گردد.

3-6- چیلر خورشیدی از نوع جذب جامد

این چیلرها دارای سیکل بسته مبرد می باشند و برای تولید آب سرد استفاده می شوند. مبرد و جاذب جامد سیکل تبرید به ترتیب آب سیلیکاژل و یا آمونیاک و نمک می باشد. این چیلرها در بازار با ظرفیت های kW50 تا  kW430 موجود می باشد. ضریب عملکرد این چیلر ها3/0 تا 7/0 می باشد. دمای لازم برای گرمایش ژنراتور در محدوده60 تا 90 درجه سانتیگراد است و تکنولوژی خورشیدی لازم گردآورنده های صفحه تخت و گردآورندههای لوله خلاء می باشد.

4-6- چیلر خورشیدی از نوع جاذب مایع

این نوع چیلرها دارای سیکل بسته مبرد می باشند و برای تولید آب سرد استفاده می شوند. مبرد و جاذب سیکل تبرید به ترتیب آب و محلول لیتیم برماید و یا آمونیاک و آب است. این چیلرها با توان های KW35 تا MW 5 در بازار عرضه می گردند. همچنین ضریب عملکرد برای چیلرهای جاذب مایع یک مرحله ای از 6/0 تا 75/0 و برای دو مرحله ای از 1 تا 2/1 می باشد. دمای لازم برای گرمایش ژنراتور چیلر از 75 تا 110 درجه سانتیگراد برای چیلرهای یک مرحله ای و 140 تا 180 درجه سانتیگراد برای چیلرهای دو مرحله ای است و تکنولوژی خورشیدی لازم، گردآورنده های لوله خلاء می باشد.

میزان استفاده از سیتم های مختلف خورشیدی جهت تهویه مطبوع در اروپا در شکل (3) نشان داده شده است.

شکل 3- درصد استفاده از سیستم های مختلف تهویه مطبوع خورشیدی در اروپا

5-6- بررسی عملکرد چیلرهای خورشیدی

نحوه عملکرد چیلرهای خورشیدی برای سه ظرفیت مختلف50، 100 و 300 تن تبرید برحسب سطح کلکتور خورشیدی مورد نیاز، سطح زمین مورد نیاز، گاز پشتیبانی، مقدار صرفه جویی در برق مصرفی در سال و مقدار کاهش انتشار دی اکسید کربن در جدول(1) آورده شده است.

جدول 1- عملکرد چیلرهای خورشیدی

1- برای یک نوع آب و هوای معتدل مدیترانه ای

2- برای یک تقاضای سرمایش 9 ساعت در روز در تابستان

6-6- برآورد مقادیر هزینه ها و صرفه جویی اقتصادی

با توجه به جدول (2) می توان مقادیر هزینه ها و صرفه جویی اقتصادی را در چیلر های خورشیدی با ظرفیت های متفاوت برآورد نمود. مقادیر براساس قیمت های موجود در بازار در نظر گرفته شده است. مقدار سرمایه گذار لازم برای تولید هر وات انرژی الکتریکی 4008 ریال می باشد صرفه جویی در یارانه سالیانه برق بر حسب کیلو وات ساعت 407 ریال می باشد و صرفه جویی در یارانه سالیانه مصرف گاز برحسب مترمکعب 320 ریال در نظر گرفته شده است همچنین هزینه زیست محیطی بر حسب هر تن انتشار دی اکسید کربن 192000 ریال در جدول (2) منظور گردیده است.

جدول 2- ارزیابی چیلرهای جذبی خورشیدی

با توجه به بررسی های بعمل آمده تحت عنوان مقایسه فنی – اقتصادی سیستمهای برودتی رایج در کشور می توان نتیجه گرفت که در مناطق گرم و مرطوب کشور از دیدگاه دولتی و دیدگاه ملی ارزانترین سیستم در بین تمامی گزینه ها سیستم جذبی و گرانترین آن استفاده از کولر گازی می باشد. بنابراین با مقایسه سیستم چیلر جذبی خورشیدی با چیلر جذبی رایج که در این تحقیق صورت گرفته می توان به وضوح نشان داد که استفاده از سیستم چیلر جذبی خورشیدی توجیه اقتصادی دارد. البته با توجه به هزینه راه اندازی اولیه از نظر مشتری مقرون به صرفه نمی باشد. در جدول (3) مقایسه سیستم های چیلر جذبی خورشیدی و معمولی پرداخته شده است این جدول نشان می دهد که در سطح کلان اقتصادی کشور بدون در نظر گرفتن تورم، دوره بازگشت سرمایه سیستمهای چیلر جذبی خورشیدی حدود 5 سال می باشد.

جدول 3- بررسی دور بازگشت سرمایه در چیلر جذبی خورشیدی

7- نتیجه گیری

در شرایط کنونی اقتصادی، سیستمهای گرمایش و سرمایش خورشیدی از منظر یک سرمایه گذار برای اشخاص حقیقی بعلت ارزان بودن انرژی فسیلی و برق مقرون به صرفه نمی باشد درصورتی که با توجه به بررسیهای انجام گرفته می توان به این نتیجه رسید که استفاده از چیلرهای جذبی خورشیدی دارای مزایای بسیاری در زمینه صرفه جویی انرژی، اقتصادی و محیط زیست می باشد که سرمایه گذاری اولیه را در سطح کلان کشور تنها در 5 سال نخست بازگشت می دهد. لذا پیشنهاد می گردد بجای اختصاص یارانه به انرژیهای تجدید ناپذیر کمک به ساخت سیستمهای گرمایش و سرمایش خورشیدی در ساختمانها گردد که ضمن صرفه جویی در مصرف سوخت موجب کاهش آلودگی محیط زیست نیز می گردد.

پیش بینی می شود که نرخ رشد مصرف انرژی برق در ایران سالیانه بین 6 الی 8 درصد برای ده سال آینده خواهد بود. هزینه های مربوط به ساخت نیروگاه های جدید و توسعه شبکه انتقال برق بسیار کلان خواهد بود که با توجه به عدم نیاز سیستم های خورشیدی به شبکه می توان این هزینه ها را کاهش داد.

تسریع حرکت ایران در مسیر آینده پایدار انرژی مزایای فراوانی را برای کشور خواهد داشت. در سطح جهانی توانایی رقابت انرژی های تجدید پذیر به مرور طی سالهای آینده افزایش خواهد یافت. ایجاد سریع تر بسترهای مناسب برای استفاده از انرژی خورشیدی در ایران باعث افزایش سرعت در تولید انبوه تاسیسات و افزایش منافع اقتصادی خواهد شد. از یک طرف تفاوت هزینه ها برای یک کیلو وات ساعت انرژی از

نفت با یک کیلو وات ساعت انرژی خورشیدی در آینده افزایش خواهد یافت و از طرفی دیگر تعداد تاسیسات نصب شده و مقدار انرژی صرفه جویی شده افزایش خواهد یافت.

 

مهندس   محمد  اسماعیلی