صفحات 57 – 63
نشریه هنرهای زیبا – معماری و شهرسازی شماره44 زمستان 1389
943395620154

963992-118744

با شیب حالت بهینـۀ نصـب شده رویگردآورهای نمای جنوبی خورشیـدی و درتهـرانمقایسه*
دکتر محمد جواد ثقفی1، دکتر مرتضی اسدی خلجی2،راضیه پوینده3**
دانشیار دانشکدة معماری، پردیس هنرهای زیبا، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
دانشیار واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
3کارشناس ارشد انرژی معماری، دانشکدة معماری، پردیس هنرهای زیبا، دانشگاه تهران، تهران، ایران.
)تاریخ دریافت مقاله: 4/7/89، تاریخ پذیرش نهایی: 18/01/98(
چکیده:
از مواردی كه امروزه در محافل علمی جهان بیشتر مطرح میشود، بحران انرژی و نیز بحران محیط زیست است. یكی از راهكارهای مقابله با این بحرانها، بهك ارگیری انرژیهای پاک و تجدیدپذیر و به خصوص انرژی خورشیدی است. گردآورهای خورشیدی از پركاربردترین سامانههایی هستند كه در ساختمانها برای بهرهگیری مستقیم از انرژی تابشی خورشید و حرارت آن بهكار گرفته میشوند .
در سامانة تركیبی خورشیدی كه از گرمای حاصل از انرژی خورشیدی برای تامین آبگرم مصرفی و گرمایش ساختمان بهره میگیرد نیز از این گردآورها استفاده میشود. یكی از مسائلی كه برای استفادة بهینه از این گردآورها بسیار مهم و حیاتی است، اتخاذ زاویة شیب مناسب رو به جنوب است كه حداكثر تابش دریافتی از خورشید را جذب نماید. آنچه این نوشتار در پی آن است، محاسبة زاویة شیب بهینة گردآورهای خورشیدی برای شهر تهران با استفاده از یک الگوی ریاضی و بحث پیرامون آن است. بدین منظور تابش دریافتی ماهانه گردآور خورشیدی تخت، با زوایای گوناگون محاسبه شده و نتایج جهت انتخاب زاویة شیب بهینه برای سامانة تركیبی خورشیدی مقایسه و بررسی میشوند. در پایان نتایج با حالتی كه گردآور روی نمای جنوبی ساختمان نصب شود، مقایسه و مزایای آن ذكر شده است.
واژ ه های کلیدی:
انرژی خورشیدی، تابش، گردآور خورشیدی، زاویة بهینة شیب، سامانة تركیبی خورشیدی، نمای جنوبی.

* این مقاله برگرفته از پایاننامة کارشناسی ارشد نگارنده سوم تحت عنوان: “طراحی سیستم ترکیبی خورشیدی و جزئیات اجرایی آن برای تامین آبگرم مصرفی و بخشی از گرمایش موردنیاز ساختمان در شهر تهران” در رشتة انرژی معماری، دانشکدة معماری، پردیس هنرهای زیبا، دانشگاه تهران میباشد که تحت حمایت شرکت بهینهسازی مصرف سوخت انجام گرفته است.
.E-mail: razie_pooyandeh@yahoo.com ، 021-88337347 : نویسندة مسئول: تلفن: 021-88337348، نمابر**

3090784342602

مقدمه
جمعیت رو به رشد جهان و محدود بودن ذخایر انرژی شامل سوختهای فسیلی و دیگر سوختِهای فناپذیر، و همچنین پرهزینه بودن و آلودگیهای زیستمحیطی ناشی از مصرف این سوختها ،دانشمندان جهان امروز را بدان واداشته تا به دنبال منابع پایانناپذیر و کمهزینه و پاک مانند انرژیهای تجدیدپذیر باشند.
با توجه به اینکه منابع زیرزمیني انرژي با سرعت فوق العادهاي مصرف ميشوند و در آی ندهاي نه چندان دور چیزي از آنها باقي نخواهد ماند، نسل فعلي وظیفه دارد به آن دسته از منابع انرژي که داراي عمر و توان زیاد است روي آورد و دانش خود را براي بهرهبرداري از آنها گسترش دهد ) فرهمندفر ،1389، 1(. امروزه انسانها پس از وقوع رویدادهایی چون بحران نفتی، حادثة چرنوبیل و پدیدة گلخانهای، مجددا جهت گرمایش منازل و محیط زندگی خود متوجه انرژی خورشیدیً شدهاند )نوربرت ،1388، 9(.
فن آوریهای انرژی خورشیدی، یك منبع انرژی پاک ،تجدیدپذیر و بومی را ارائه میدهند و اجزای ِضروری توسعة پایدار هستند) Gunerhan, 2007, 779(. انرژی خورشیدی علاوه بر اینکه از انواع انرژیهای پاک است، این مزیت را دارد که در تمام نقاط جهان بدون اتلاف در فرآیند انتقال به واحدهای مصرفکننده، در دسترس است (Fraisse, 2009, 232).
در عصر حاضر از انرژي خورشیدي در موارد بسیاری استفاده و بهرهگیري ميشود که عبارتند از:

سامانههاي فتوبیولوژیك1: تغییراتي که در حیات و زیست گیاهان و جانداران به وسیله نور خورشید ایجاد ميگردد؛ مانند فرآیند تجزیة کود حیوانات و استفاده از گاز آن.
263774087910

سامانههاي فتوشیمیایي2: تغییرات شیمیایي در اثر نور خورشید؛ مانند تاسیسات تهیه هیدروژن.
سامانههاي فتوولتائیك3: تبدیل انرژي خورشیدي به انرژي الکتریکي؛ مانند سلولهاي خورشیدي.
سامانههاي حرارتي و برودتي: آب گرمکنها، تاسیسات گرمایشی و سرمایشی، آبشیری ن کنها، گلخانهها، خشكک نها و اجاقهاي خورشیدي ) فرهمندفر ،1389، 2(.
ایران کشوري آفتابي است و از نظر مقدار دریافت انرژي تابشي خورشید از جملة بهترین کشورها به شمار ميآید. با عنایت به محدودیت منابع فسیلي و آلودگيهاي ناشي از آنها و همچنین افزایش تقاضاي انرژي، بهکارگیري تمهیداتي جهت بهرهبرداري بهینه از منبع سرشار انرژي خورشیدي در کشورمان امري ضروري به نظر ميرسد ) حقپرست کاشاني ،1388، 1(. ایران کشوری است با 240 الی250 روز آفتابی در هر سال که تقریباً چهار پنجم از مساحت آن، دارای میانگینِ سالانة تابش خورشیدی در حدود 5/4 تا 4/5 کیلو وات ساعت بر متر مربع میباشد؛ لذا مجال گستردهای برای استفاده از انرژی خورشیدی را در اختیار دارد (Moghadam, 2011, 108).
1162183312129

کاربرد انرژی خورشیدی
در حال حاضر از انرژی خورشیدی در سامانههای مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده میشود که به طور کلی عبارتند از:
استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروِگاهی )مستقیم(
تبدیل پرتوهای خورشید به الکتریسیته به وسیلة سلول فتوولتائیك )غیرمستقیم( )سانا ،1387، 3(.
در ساختمانها نیز اصولاً 2 روش دستیابی به گرمایش خورشیدی وجود دارد: فعال4 و غیرفعال5 )مازریا ،1385، 43(. یکی از عمدهترین روشهای ِفعال استفاده از انرژی خورشیدی که در ساختمانها بهکار میرود، استفاده از گردآورهای خورشیدی6 است. گردآور در سامانة حرارتی خورشیدی، دریافت تابش
خورشید و تبدیل آن به انرژی حرارتی را به عهده دارد. گردآورهای خورشیدی با جذب نور خورشید، حرارت را به یك سیال منتقل نموده و درجة حرارت آن را تا حد دلخواه بالا میبرند. سپس حرارت این سیال، برای تامین آبگرم مصرفی، گرمایش، سرمایش و غیره بهکار میرود ) رئوفیراد ،1385، 32(.
گردآور مسطح، متداولترین گردآور مکانیکی خورشیدی است .این گردآور، شامل یك صفحة جاذب است که انرژی خورشیدی را جذب و به انرژی حرارتی تبدیل نموده و گرم میشود. به وسیلة لوله و یا کانال این حرارت توسط سیال واسط از صفحه به محل مصرف منتقل میشود. معمولاً یك یا چندین صفحة شفاف )پلاستیك یا شیشه( روی صفحةِ جاذب و یك صفحة عایق در پشت گردآور قرار میگیرد تا از اتلاف حرارت جلوگیری شود. با این نوع گردآور میتوان به درجه حرارتی تا 125 درجة سانتیگراد دست یافت ) رئوفیراد ،1385، 42(.
اهمیت گردآورهای مسطح از این جهت است که نه تنها تابش مستقیم، بلکه تابش پراکنده و تابش بازتاب شده را نیز جذب مینماید .آنها معمولاً با شیبی به سمت جنوب به طور ثابت نصب میشوند تا زاویة بین شعاع تابش و صفحة جاذب در وقت ظهر حداقل شود .این شیب موجب افزایش انرژی جذب شده در وقت ظهر و در کل روز میشود ) رئوفیراد ،1385، 42(.
به طور کلی، آب گرمکن های خورشیدی خانگی، برای تامین انرژی مورد نیاز برای تولید آب گرم نصب می شوند و می توانند 90 تا 95 درصد از انرژی مورد نیاز در آب و هوای گرم و بسیار گرم را تامین نمایند(Shariah et al, 2002, 588). برای تهیة آب گرم مصرفی خانگی یك خانوار معمولی به 3 تا 5 متر مربع گردآور نیاز است. مساحت گردآور برای سامانه های ترکیبی برای تهیة آب گرم مصرفی خانگی و گرمایش فضا به طور قابل ملاحظهای بزرگتر است(Henden, 2002, 299). سامانه های ترکیبی، سامانه های گرمایشی خورشیدی هستند که گرمای لازم را هم برای تامین آب گرم مصرفی و هم گرمایش فضاها فراهم میکنند(Bales, 2003, 193).
412176760561

دریافت انرژی، تبدیل آن و تحویل به مصرفکننده در سامانۀ ترکیبی خورشیدی7
سامانة ترکیبی خورشیدی را میتوان به تاسیسات گرمایش محیط افزود. حرارت حاصله از گردآورهای خورشیدی به منبع آبگرم مصرفی، که به عنوان یك منبع کوچك کمکی برای گرمایش محیط عمل میکند، وارد میشود. نمونة این سامانه در تصویر 1 نمایش داده شده و اجزای آن عبارتند از:
1- گردآور خورشیدی 2- سامانة حرارتی کمکی 3- مخزن ذخیره 4- حسگر حرارتی جداری 5- سامانة کنترل 6- شیر دروازهای 7- شیر موتوری دوراهه 8- پمپ مدار گرمایش محیط 9- شیـــر موتوری سهراهــــه 10- شیر برقـــی و ترموستات 11 -سامانة توزیع آبگرم مصرفی 12 – سامانة گرمایش رادیاتوری 13- سامانة گرمایش از کف 14- پمپ مــدار محلول ضدیخ 15 – سامانة کنترل مرکزی 16 – حسگر حرارتـــی(Weiss, 2003, 57).

تصویر 1- مدار شماتیک یک سامانۀ ترکیبی خورشیدی برای تامین آبگرم و گرمایش محیط.
(Weiss, 2003, 57) :ماخذ
در مدار این سامانه، سیالِ واسط وارد گردآورها شده و حرارت را از خورشید جذب میکند، سپس وارد منبع ذخیره میگردد و آب ورودی را توسط یك مبدل حرارتی داخلی پیشگرم میکند. در مرحلة بعد آب برگشتیِ حلقة گرمایش محیط )در حالتی که دمای آن پایین باشد( وارد منبع شده و توسط کویل میانی تا حدی گرمای مورد نیاز را از حرارتی که توسط خورشید تأمین شده به دست میآورد، سپس وارد سامانة کمکی شده و در خروج از آن با حرارت اضافی وارد منبع ذخیره میشود و آبگرم مصرفی را در مرحلة دوم گرم میکند. بدین ترتیب آبگرم مصرفی مورد نیاز از بالاترین نقطة منبع )که بیشترین دما را دارد( تأمین میگردد. آب در خروج از مبدل بالایی منبع وارد حلقة گرمایش محیط میگردد. در این سامانه طبقهبندی حرارتی نسبتاً مناسبی درون منبع ایجاد میشود که این امر به بازدهی بیشتر آن میانجامد (Weiss, 2003, 57).
742000329903

شیب گردآورهای خورشیدی
دستیابی به حداکثر کارایی در گردآورهای خورشیدی با جهتگیری، نصب، ساخت و طراحی مناسب امکانپذیر است .با این وجود، کارایی یك گردآور خورشیدی، به موقعیت آن )با توجه به خط استوا( و زاویة شیب آن با سطح افق )با توجه به زمین( مرتبط است؛ زیرا هم جهتگیری و هم زاویة شیب، مقدار تابش خورشیدی که به سطح گـــــردآور میرســــد را تغییــــر میدهـــند (Skeiker, 2009, 2439).
زاویة پرتوهای خورشید با یك سطح تعیین کنندة مقدار انرژی است که آن سطح دریافت میکند. از آنجایی که تشعشعات خورشیدی به شکِل اشعههای موازی به زمین میرسند، سطحی که نسبت به امتداد آنها قائم باشد، بیشترین مقدار انرژی را دریافت خواهد کرد. سطحی که 25 درجه نسبت به امتداد قائم انحراف داشته باشد، هنوز میتواند بیش از 90 درصد تابش مستقیم را دریافت کند )مازریا ،1385، 72(.
عامل دیگری که در بازدهی و کارآیی گردآور موثر است ،میزان تابش دریافتی در واحد سطح است. میزان تابش دریافتی از خورشید در واحد سطح افقی، در ماه های مختلف سال، توسط کارشناسان و با دستگاههای ویژه اندازهگیری شده؛ اما معمولاً گردآورهای خورشیدی به دلایل ذکر شده، نسبت به افق به صورت شیبدار نصب میشوند.
زاویة شیب بهینه برای یك آب گرمکن خورشیدی، زاویهای است که سهم خورشیدی سالیانه برای سامانه را بیشینه میکند (Shariah, 2002, 588). این زاویه برای طیف گستردهای از سامانهها به کار میرود، مانند گردآورهای تخت یا سهمیگون، سامانههای فتوولتائیك، خانههای خورشیدی و گلخانههای خورشیدی که در یك موقعیت ثابت قرار داده میشوند. علاوه بر موارد پیش گفته، این زاویه در تبیین طول عناصر سایهانداز که در بالای پنجرهها قرار داده میشوند، تعیین کننده است(Gunerhan, 2007, 779).
روش محاسبۀ میزان تابش دریافتی

برای محاسبة میزان دریافت انرژی در واحد سطح از گردآوری که در روز nامُ از اول ژانویه و در عرض جغرافیایی ϕ با زاویة β نسبت به افق و رو به جنوب قرار دارد، به صورت زیر عمل میشود (Duffie, 2003, 3-47):
ابتدا باید میزان تابش متوسط روزانه در ماه)

H( را معین نمود .این مقادیر برای شهرهای مختلف در تمام ماههای سال اندازهگیری و محاسبه شده است. در این نوشتار مقدار فوق از )صفایی ،3831( استخراج شده است. در گام اول شدت تابش خورشید در خارج از جو) oH( از فرمول زیر محاسبه میگردد:
-3019842-1069926

که در آن ثابت خورشیدی و مقدار آن برابر با 2731 وات بر مترمربع میباشد . زاویة انحراف خورشید و زاویة ساعت خورشید در طلوع و غروب است که به ترتیب از فرمولهای زیر به دست میآیند:
در گام دوم، پس از محاسبة شدت تابش خورشید در خارج از
1354215-77472

جو، با استفاده از رابطة مقدار ضریب روشنایی برای هر ماه محاسبه میشود. با توجه به عدد محاسبه شده، باید نسبت

5292471781470

0-51307

به

زیر

فرمول

از

را

کل

تابش

شدت

به

پراکنده

تابش

شدت

:
آورد

دست

به

زیر

فرمول

از



قیمت: تومان

دسته بندی : معماری و شهرسازی

دیدگاهتان را بنویسید