دانلود تحقیق شیوه های گرمایش خورشیدی

شیوه های گرمایش خورشیدی 2 شیوه های گرمایش خورشید ساختمان به دو دسته مستقیم می شوند : شیوه های فعال و شیوه های غیر فعال که در ادامه به توضیح هر یک از آنها می پردازیم.

21 شیوه های غیر فعال گرمایش خورشیدی یک سیستم حرارتی غیر فعال شامل 5 جزوه به شرح زیر می باشد : 1 پرتوگیر : عبارتست از سطح شفافی که در نمای جنوبی ساختمان به صورت افقی با شیب دار قرار می گیرد تا مقداری از پرتو خورشیدی تابیده شده را گرفته و به داخل به طرف جذب کنند.

هدایت نماید.

2 جذب کننده : سطحی است مشرف به پرتوهای آفتابی که تابش آفتاب را جذب و به انرژی حرارتی تبدیل می نماید.

3 انباره : عبارتست از مصالح متراکمی که حرارت انتقال یافته و جذب کننده را در خود نگه می دارد و آن مقدار حرارت را که بلافاصله مورد استفاده نخواهد بود ذخیره می نماید.

4 توزیع کننده : وسیله أی که حرارت جمع شده در انباره را در مواقع ضروری به فضای مورد نیاز منتقل می کند.

5 تنظیم کننده یا کنترل کننده جزئی است که اتلاف حرارت در زمستان یا جذب حرارت در تابستان را از طریق پرتو گیر کنترل می نماید.

بدین طریق که بر روی پرتوگیر سایه می اندازد و یا هوای داخل ساختمان را خارج می کنند.

برای معرفی هرچه واضح تر ، شیوه های غیر فعال را به سه دسته تقسیم کرده ایم : در دریافتهای "مستقیم" ، "غیر مستقیم" و "جداگانه" .

این تقسیمات بر پایه وضعیتهای مختلف و متقابل خورشید ، انباشت حرارتی و فضاهای اصلی انجام شده که در داخل هر دسته اجزاء مختلفی وجود دارد.

211 شیوه دریافت های مستقیم شیوه دریافت های مستقیم اولین و ساده ترین نوع گرمایش غیر فعال خورشیدی است با این شیوه تشعشعات خورشیدی مستقیماً داخل خانه را گرم کرده و اتاق به صورت جذب کننده عمل می کند.

بنابراین باید دارای جداره های جذب و انباشت کننده حرارت باشد تا در عرض روز حرارت کافی ، برای جبران هوای سرد شب ، ذخیره کرده باشد.

(شکل 21) چنین شیوه أی دارای دو جزء می باشد.

اول : یک سطح شیشه أی جنوبی ، دوم : یک جرم جذب کننده به دو حرارت در داخل برای جذب و انباشت حرارت 212 شیوه دریافتهای غیر مستقیم در شیوه دریافت غیر مستقیم معمولاً از دیوار جذب و انباشت حرارت استفاده می کنند تمام دیوارهای جذب و انباشت الزاماً دارای یک جدار شیشه أی رو به جنوب برای دریافت حداکثر انرژی خورشیدی و در زمستان و یک جرم جذب کننده حرارت در پشت شیشه به فاصله 10 سانتی متر پایینتر برای جذب حرارت روی سطح خارجی ، انباشت حرارت در حجم و سپس پخش آن بوسیله سطح داخلی خود می باشد.

(شکل 22) به مصالحی که برای ساخت دیوارهای جذب و انباشت بکار می رود به 2 گروه تقسیم می شو : دیوار نباید جذب و انباشت و دیوار آب جذب و انباشت.

2121 دیوار بنای جذب و انباشت دیوار بنای نما تشعشعات خورشیدی را در روی سطح خارجی خود جذب کرده و سپس حرارت را از طریق هدایت به داخل دیوار منتقل می کند.

معمولاً سطح خارجی دیوار را با رنگ سیاه یا تیره می پوشانند با کیفیت جذب تشعشعات خورشیدی بهتر شود.

حرارت منتقل شده به داخل دیوار از طریق سطح داخلی آن بوسیله تابش و جابجایی به داخل اتاقها راه می یابد .

سوراخهای که در دیوار تعبیه می شوند عمل توزیع و حرارت بوسیله جابجایی طبیعی (گردش حرارت طبیعی) را امکان پذیر می کنند.

خانه«ترمب» در اودیو(کوههای پیرنه شرقی فرانسه) معروفترین نمونه این شیوه است.

این خانه در سال 1967 بوسیله پروفسور فلیکس ترمب و آرشیتکت«ژنار» ساخته شده است.

نمایی جنوبی این ساختمان شامل شیشه دو جداره و یک دیوار بتنی به ضخامت 60 سانتی متر می باشد و برای جذب بهتر تشعشعات رنگ سیاه به آن زده اند که این دیوار هم اکنون بنام طراح آن به دیوار ترمب معروف است.

(شکل 24) 2122 دیوار آب جذب و انباشت اصول عملکرد دیوار آب و بنای یکی است به یک طریق خورشید را جذب و پخش می کنند و تنها فرق مهم این دو در طریقه انتقال حرارت است که در دیوار آب بیشتر این انتقال از طریق جابجایی انجام می شود تا هدایت جدار بیرونی دیوار آب معمولاً به رنگ سیاه یا تیره و مات بوده تا جذب هرچه بیشتر انرژی خورشید در سطح جدار خارجی دیوار را امکان پذیر کند.

شکل (25) 2123 معایب دیوار ترمب معایب اصلی آن عبارتند از : الف)مقدار زیادی از انرژی که وارد دیوار می شود خیلی زود آن را ترک می کند.

ب) مقدار زیادی از این انرژی از شیشه کاری به بیرون رفته و برای همیشه از ساختمان هدر می رود.

ج) در مسحهای سرد آفتابی ، هنگامی که اتاقها خیلی سرد شده ، مقدار کمی تابش خورشیدی می تواند مستقیماً وارد اتاق شود (یا به طور مطلق هیچ نوع تابشی نداریم) و در نتیجه گرمایش سریع نخواهد بود.

د) هیچ راه ساده و موثری برای متوقف ساختن جریان حرارت از دیوار به اتاقها ، هنگامیکه اتاق ها ، خود ، بیش از حد دلخواه گرم اند ، وجود ندارد .

ه) دیوار مانع رسیدن نور به اتاق ها می شود حتی در روزهای صاف آفتابی نیز ممکن است اتاقها کم نور باشند دیوار تا اندازه زیادی جلوی دید منظره خارجی ساکنین اتاق را می گیرد.

بطور خلاصه ، دیوار چند عمل مطلوب را نسبتاً خوب انجام می دهد .

ولی چندین عمل نامطلوب هم انجام میدهد « کوشش خوبی» است ولی نه به حد کافی خوب .

2124 اصلاح عملکرد دیوار ترمب 1 اصلاح عملکرد حرارتی بوسیله تعبیه شیارهای عمودی در وجوه دیوار.

اگر شیارها ، کانالها یا شکافهای عمودی عمیق بسیاری در چنین دیواری تعبیه شود ، مساحت تبادل حرارتی ممکن است 2 برابر شده ، و طول مسیر متوسط (در داخل دیوار) برای ورود یا خروج حرارت نصف شود.

در نتیجه گرمای دریافت شده بوسیله تابش مستقیم خورشیدی یا بوسیله هوای گرم سریعتر و عمیقتر در داخل دیوار نفوذ می کند حتی داخلی ترین نواحی درون دیوار هم به فوریت در روند ذخیره شرکت می کند.

(شکل 26) 2 صفحات عایق منعکس کننده سه حالتی جهت استفاده با دیوارهای جذب کننده و ذخیره کنند.

هریک از دیوارهای کوچک نسبت به پنجره جنوبی ، در وضعیت 60 درجه ای قرار می گیرند.

یک صفحه عایق و منعکس کننده لولایی در سمت شمال شرقی هر دیوار و یک صفحه عایق قابل جداشدن در انتهای شمال غربی دیوار ، نصب می شود.

در شب صفحه لولایی چرخانده می شوند ، بطوریکه در مقابل قسمت عظیمی از پنجره جنوبی بسته شده ، آنرا عایق کاری کنند.

صفحات قابل جداشدن باید آنچنان نصب شوند که شکافها را پر کرده و عایق کاری پنجره را تکمیل کنند اکنون تمام سطوح هر یک از دیوارهای ذخیره کننده بدون پوشش و برای توزیع حرارت به اتاق آزاد است.

2ـ صفحات عایق منعکس کننده سه حالتی جهت استفاده با دیوارهای جذب کننده و ذخیره کنند.

در صبح هریک از صفحات لولایی به مقابل سطح شمال شرقی دیوار مربوط چرخانده می شود تا آنرا عایق کاری کند و بدین ترتیب نور صبحگاهی نیز وارد اتاق شده و آنرا گرم می کند.

شکل 2ـ7 در بعدازظهر ، تقریباً بلافاصله پس از ظهر ، هریک از ضخامت لولایی به زاویه تقریباً 80 تا 90 درجه چرخانده می شود ، بطوریکه تشکیل منعکس کننده أی را بدهد که برای هدایت کردن مقدار زیادی تابش خورشیدی بر دیوار مجاور در وضعیت ایده آلی قرار داشته باشد .

بدین ترتیب آن دیوار مقدار زیادی تابش به طور مستقیم و مقدار زیادی بطور غیر مستقیم دریافت می دارد و تقریباً هیچ تابشی بر اعماق اتاق ن که تا این موقع احتمالاً حد کافی گرم است نفوذ نمی کند 2ـ1ـ3ـ شیوه دریافتهای جداگانه جدایی بین جذب کننده خورشید و منبع انباشت حرارتی از یک سو و جدایی بین جذب کننده خورشیدی و اتاقهایی که باید گرم شوند و انباشت حرارتی معمولاُ از آب استفاده می شود.

آب در مجاورت آفتاب گرم شده و باعث گردش حرارتی بالارونده در داخل جذب کننده خورشیدی می شوند سیال گرم شده وارد قسمت فوقانی منبع انباشت حرارت شده و در عین حال، سیال خنک از قسمت تحتانی منبع به حرکت درآمده و به قسمت مدخل جذب کننده خورشیدی مکیده می شود.

این مدار بسته «جابجایی طبیعی» تا موقعی که خورشید در آسمان می درخشد به کار خود ادامه می دهد.

ساده ترین نوعی اجرای گردش حرارتی ، تا آبگرمکن خورشیدی می باشد که به مثابه یک سیفون حرارتی عمل می کند.

مزایا و معایب شیوه های غیر فعال خورشیدی غالباً مزایای تأسیسات غیرفعال خورشید در سه بخش نام برده می شوند : اقتصاد ـ معماری ـ بهداشت و راحتی تطابق و هماهنگی برنامه ریزی طرح با یکدیگر برای بهره گیری هرچه بیشتر از هریک از این سه بخش بسیار مهم است.

مزایا 1ـ شیوه های غیر فعال باعث صرفه جویی زیادی در هزینه گرمایش خانه شده و به راحتی قابل تطبیق با ساختمان است و جزئی از سفت کاری ساختمان مصوب شده و هزینه اضافی آن قابل اغماض می باشد.

2ـ سادگی یکی از مهمترین مزیت های شیوه های غیر فعال می باشد ، این سادگی هم در طراحی ، هم در عملکرد و هم در مواظبت سیستم به وضوح دیده می شود.

3ـ اجزاء تأسیسات غیرفعال خورشیدی از مصالح معمول و رایج ساختمانی تشکیل شده اند.

4ـ بطور کلی دارای عمر طولانی هستند.

5ـ با درجه حرارت پایینی کار می کند و هواکش ، پمپ ، کمپرسور ، لوله کشی و داکت احتیاج ندارند.

6ـ اجزاء مشترک آن بسیار کم هستند و چون قسمت مکانیکی ندارند ایجاد صدا نمی کنند.

7ـ اکثر تأسیسات غیر فعال از داخل قابل رویت نیستند.

چون از وسایلی مانند رادیاتور و غیره استفاده می کنند.

8ـ در اقلیم های سرد تأسیسات حرارتی کلاسیک باعث بوجود آمدن اختلاف حرارت زیادی بین کف اتاق و سقف اتاق می شوند.

بطوریکه کف اتاق به طرز نامطلوبی سرد است در خانه هایی که با شیوه های غیر فعال خورشیدی گرم می شوند معمولاُ کف اتاق گرم تر از هوای اتاق است.

معایب یکی از معایب عمده شیوه های غیر فعال خورشیدی ، عدم کنترل کامل درجه حرارت است : زیرا تمام تأسیسات غیرفعال خورشیدی دارای یک ظرفیت قوی حرارتی انباشت کننده هستند که غالباً سفت کاری ساختمان محسوب شده و اطلاعات جوابگوی سریع آنها به تغییرات حرارتی بسیار کم است.

از طرفی انباشت حرارت در مصالح مستلزم بالارفتن درجه حرارت مصالح است و چون این مصالح جزئی از اتاق هستند ، تغییرات درجه حرارت اتاق مطابق با تغییرات درجه حرارت دیوارها و کف اتاق است .

اگر تأسیسات غیر فعال خورشیدی دارای ابعاد و طراحی نامناسب باشد ، نوسانات درجه حرارت داخلی در عرض روز زیاد خلاصه بود و نتیجتاً شرایط راحتی ساکنین خانه فراهم نخواهد شد.

خوشبختانه این مسائل راه حل های نسبتاً ساده ای دارند ، در خانه ها کنترل حرارت با باز و بسته کردن پنجره ها ، سایبان و راه انداختن منبع حرارتی کمکی، انجام می پذیرد.

با پیداکردن ابعاد و محل قرارگیری ‌بهتر برای مصالح انباشته کننده حرارت در داخل ساختمان ، می توان نوسانات درجه حرارت داخلی را کمتر نمود.

2-2 شیوه های فعال گرمایش خورشیدی در سیستم فعال انرژی خورشیدی بوسیله گرد آورنده ها جمع می شوند .

گرمای حاصل در مخزن جداگانهای دور از خود گرد آورنده نگهداری می شود ، تفاوت اصلی بین سیستم فعال و غیر فعال در این است که با استفاده از وسایل مکانیکی نظیر باد بزن و پمپ های مختلف پخش و ذخیره گرما سیستم فعال را تحت کنترل در می آورند.

2-2-1 گرد آورنده های خورشیدی(ZOLLEZTOR) گرد آورنده های خورشیدی نوعی مبدل گرمایند ، گرمایش خورشید را جذب می کنند و سیـالی را مـانند مـایع یا هوا ، با آن گرم می کنند .

از نظر کارکرد گرد آورنده ها را می توان به سه دسته تقسیم کرد : گرد آورنده های سطحی : در این دسته نور خورشید بر گرد آورنده متمرکز نمی شود ، گرد آورنده ها در معرض تابش طبیعی آفتاب قرار دارند و عموما ثابت هستد .

بازده گرمایی این دسته تا 95درجه سانتیگراد است .

گرد آورنده های متمرکز شونده : این دسته خورشید در آسمان را،تعقیب می کنند و تنها ازتابش مستقیم آن استفاده می کنند این نوع گرد آورنده ها دمای بسیار بالایی تولید می کنند دسته سوم بین این دودسته قرار می گیرند .

نور خورشید در آن به نقطه خاصی متمرکز نمی شود و دماهای با 175 درجه سانتی گراد را تولید می کنند .

دسته ای از این گرد آورنده ها می تواتند ثابت باشند و دسته دیگر را در هر فصل کمی تغییر جهت می دهند .

برای تولید گرما یا سرما بهترین نوع گرد آورنده ها نوع مسطح و نیمه ثابت می باشند یعنی گرد آورنده های دسته اول و سوم.

2-2-1-1 جهت و شیب مناسب در گرد آورنده های مسطح: سمت مطلوب برای گرد آورنده ها مسطح سمت جنوب است .

اما گروهی از محققین می گویند که با 10 درجه چرخش به سمت شرق یا غرب تاثیری در مقدار جمع آوری گرما ندارد با استفاده از یک برنامه کامپیوتری در پلی تکنیک لندن به این نتیجه رسیده اندکه اگر گرد آورنده ها را 30 درجه به سمت جنوب غربی یا جنوب شرقی قرار دهند از بازده گرد آورنده ها کمتر از %20 کاسته خواهد شد .

یکی از دلایل این امر نسبت تابش پراکنده به تابش مستقیم در محیط است .تابش پراکنده در تمام فضا وجود دارد و تقریبا به طور یکنواخت پخش شده است گرد آورنده های سطحی قابل توجهی از گرما را از تابش پراکنده در محیط جذب می کنند .

شیب صفحات گرد آورنده می تواند برابر با فرض جغرافیایی باضافه 10 درجه باشد .

در حالت اخیر گرد آورنده می تواند در زمستان انرژی بیشتری جذب کند .

راه حلهای فوق تنها توجه به تابش مستقیم دارد ، اگر بخواهیم فقط تشعشع پراکنده را در نظر بگیریم یک سطح افقی بهترین نتایج را در بر دارد زیرا رو به نمای گنبد آسمان خواهد بود .

پس شیب مطلوب شیبی به اندازه عرض جغرافیایی بعلاوه 10 درحه یا برابر عرض جغرافیا یا صفر درجه یعنی یک سطح افقی است .

البته انتخاب شیب کاملا بستگی به تابش افشان دارد .

صفحات آن، باید افتادن سایه بر این صفحات را بررسی کرد یعنی با استفاده از نقاله سایه یاب و دیاگرام مسیر خورشید ، عوارض طبیعی محیط نظیر درخت ، ساختمانها ی اطراف و عناصر موجود در خود ساختمان مثل شکستگیهای موجود در نما را باید مطالعه کرد و گرد آورنده را طوری قرار داد که سایه این عناصر در طول روز بر آن نیفتد دستگاههای جذب و انباشت حال پس از بررسی گرد آورنده های خورشیدی که نقش عمده ای در تامین انرژی خورشیدی دارند به بررسی چند نوع دستگاه جذب و انباشت حرارت می پردازیم.

دستگاهی که در آن یک منعکس کننده مقعر خارجی پایین تر از سطوح پنجره و یک جذب کننده سیاه نوع آبی زیر پوشش سایبان ، به کار می رود در خارج ساختمان ، نزدیک به قسمت پایینی دیوار جنوبی عمودی ،یک منعکس کننده ، رو کش آلو منیومی استوانه ای افقی وجود دارد که پرتوهای خورشیید را به طرف بالا به سمت یک جذب کننده سیاه نوع آبی هدایت می کند.

آب گرم از گیرنده بوسیله یک پمپ گریز از مرکز کوچک به مخزن فولادی عایق کاری شده واقعی در زیر زمین ، به گردش به گردش در آورده می شود .

گرمااز این مخزن هر زمان نیاز باشد ، به وسیله هریک از طرق متعارف به اتقعا توزیع می شود ، منعکس کننده استوانه ای در امتداد لبه بالایی اش لوله دارد و شیب منعکس کننده هر ماهه به طور دستی تغییر داده میشود (شکل 2-12 ) جعبه گیرنده شیب دار بیرونی ترموسیفون از نوع هوایی (هواماده گرمایی است ) که در نزدیک پایین پنجره جنوبی نصب می شود .

گیرنده به طور خودکار توسط جابجایی گرانشی کار می کند و مقدار جریان نیز ، خود را با تغییرا ت مقرار تابش خورشیدی تنظیم می کند، به هیچگونه نیروی برقی نیاز نیست ، عمل دستگاه حتی موقع قطع برق نیز ادامه می یابد.شکل ( 2-13) گنجایش گرمای دینامیکی گیرنده آنقدر پایین است که ماشین هوای گرم می تواند ظرف دو دقیقه پس از بیرون آمدن خورشید از پشت یک ابر سنگین آغاز می شود دستگاه ذخیره توماسون دستگاه ذخیره معمولی که توسط توماسون به کار رفته است شامل مخزن فولادی پر از آب افقی بلند تاریکی است که به طور عمده درون مقداری سنگ به قطر 5/7تا5/2 سانتی متر مدفون شده است ، آب گرم از گیرنده به داخل جریان یافته ، آنرا گرم می کند گرمای مخزن سنگ های مجاور را گرم می کنند قسمتی که اتاقها به گرما نیاز دارند هوای اتاق به وسیله پنکه بزرگی از درون صندوق به گردش در آورده می شود این امر مقدار زیادی گرما از سنگهای نزدیک به مخزن و مقدار کمی گرما از خود مخزن می گیرد (شکل 2-16) نتیجه گیری و پیشنهادات : با مطالعه این فصل مطالب زیر قابل ذکر است : در این بخش با شناخت شیوه های مختلف گرایش خورشیدی می توان گفت به کار گیری اینشیوه ها در ساختمان مسکونی هزینه چندانی ندارد زیرا این سیستمها جزء سفت کاری ساختمان محسوب شده ، نیاز به نصب و وسایل اضافی ندارد .

بنابر این با ترکیب شیوه های مختلف غیر فعال گرمایش و همچنین با جهت گیری صحیح ساختمان و با رعایت کامل عایق کاری آن می توان امیدوار بود که هزینه گرمایش خانه تا حدود زیادی کاهش یابد .

گرد آورنده های خورشیدی (collectors) به عنوان ساده ترین و اصلی ترین سیستمهای فعال خورشیدی توضیح داده شده است و دستگاههای مختلف جذب و انباشت حرارت توصیف شده که نتیجه ترکیبی از آینه می تواند در طراحی ساختمان مورد استفاده قرار گیرد.

به طور کلی مطالب این فصل جنبه کاربردی داشته که ارائه یک طرح خورشیدی می تواند ما را یاری نماید.