© KT Aoul و همکاران، منتشر شده توسط EDP Sciences، 2018

1. معرفی

دبی، در امارات متحده عربی (امارات متحده عربی) تقاضای انرژی خود را از 33 742 به 43 093 گیگاوات ساعت بین سال‌های 2010 و 2016 افزایش داد، در حالی که ظرفیت برق 2639 مگاواتی را در مدت مشابه از 7361 به 10 000 مگاوات اضافه کرد (شکل 1 ) افزایش شدید تقاضای انرژی آن [1 ]. ظرفیت اضافه ارائه شده در اینجا صرفاً از نیروگاه های گازی و نفتی است و انرژی های تجدیدپذیر را شامل نمی شود. منحنی نشان می دهد که تا سال 2015، نیروگاه های سنتی صرفاً تقاضا را برآورده می کردند. پس از آن، تقاضا از عرضه پیشی گرفت. از نظر مصرف انرژی، بخش تجاری با 47.5 درصد پیشتاز است و پس از آن ساختمان های مسکونی با 28.5 درصد همانطور که در شکل 2 در سال 2016 نشان داده شده است [ 1 ]. این انرژی قابل توجه مورد نیاز در ساختمان ها به انتشار دی اکسید کربن کمک می کند و اثر گرمایش جهانی را افزایش می دهد.2 ] که صرفاً می توان با ادغام ابزارهای پایدار تامین انرژی به آن پرداخت. از مجموع انرژی مصرف شده در ساختمان ها، نیاز به گرمایش فضا و آب از 81 درصد در آب و هوای سرد متغیر است.3 ] تا 30 درصد در آب و هوای گرم [4 ] که سرمایه گذاری در راه حل های گرمایشی جایگزین را برای کاهش ردپای محیطی توجیه می کند. پتانسیل تابش عظیم خورشیدی گزارش شده در امارات متحده عربی با متوسط ​​تابش روزانه 4.98 کیلووات ساعت بر متر ^مربع و اوج شدت بین 900 تا 1100 وات بر متر ^مربع در فصول مختلف سال گزارش شده است.5 ،6 ،7 ]. این آمار منبع امیدوارکننده ای برای تامین گرما از طریق سیستم های خورشیدی برای پاسخگویی به تقاضای آب گرم در امارات متحده عربی با اندازه و پیکربندی سیستم مناسب است.

عملکرد سیستم‌های گرمایش و سرمایش با کمک خورشیدی (SHC) با سیستم سرمایش معمولی برای دو پیکربندی ساختمان در امارات مقایسه شد تا سهم بهینه حرارت خورشیدی در ترکیب انرژی ساختمان تعیین شود. این یافته ها حداکثر نفوذ خورشیدی 20 درصد را نشان می دهد که منجر به صرفه جویی در انرژی و CO ₂ 176 کیلووات ساعت در سال و 140 تن در سال با دوره بازگشت 4 سال می شود.8 ]. در مطالعه دیگری، منطقه کلکتور حرارتی خورشیدی و حجم مخزن آب گرم برای یک چرخه جذب انرژی خورشیدی تحت شرایط آب و هوایی امارات بهینه شد. یافته ها نشان می دهد که یک منطقه جمع کننده خاص 6 متر مربع ^/ کیلووات _c و یک حجم مخزن خاص 0.1 متر ^مکعب / کیلووات _c طراحی بهینه ارائه می دهد که مصرف انرژی را تا 47٪ و انتشار CO ₂ را 12 تن / سال در مقایسه با یک کاهش می دهد. سیستم خنک کننده فشرده بخار معمولی [9 ]. این مطالعات تجربی محدود انجام شده در امارات نشان داد که سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی (SWHS) کارآمد هستند و گزینه‌ای مقرون‌به‌صرفه برای برآوردن نیاز آب گرم در ساختمان‌ها هستند.

با این حال، اطلاعات کمی در مورد پارامترهای بهینه که بر عملکرد SHW تأثیر می‌گذارند شامل تعیین زاویه شیب بهینه ( Φ ) برای شهرهای اصلی امارات (ابوظبی و دبی) گزارش شده است.10 ،11 ]. این مطالعه پایتخت، ابوظبی را که در عرض جغرافیایی 24 درجه قرار دارد، در نظر گرفت  . یک بررسی دقیق بهینه‌سازی پارامتریک با در نظر گرفتن الگوهای مختلف تقاضای آب گرم در انواع ساختمان‌های مختلف بسیار مورد نیاز است. مطالعه حاضر سعی دارد پارامترهای کلکتور را به صورت عددی بررسی کند تا عملکرد کلکتور را با توجه به انواع ساختمان ها و نیازهای آب گرم با استفاده از مدل حرارتی TRNSYS بهینه کند.12 ]. پارامترهای در نظر گرفته شده شامل زاویه شیب کلکتور، زاویه آزیموت و سرعت جریان سیال ورودی کلکتور می باشد. علاوه بر این، اثر دمای آب ورودی، ردیابی کلکتور و غلظت تابش خورشیدی مورد بررسی قرار گرفت. هدف از این مطالعه تعیین پارامترهای طراحی نشان‌داده‌شده توسط نسبت سطح دهانه کلکتور به سطح ساختمان برای هر یک از انواع ساختمان‌های مورد مطالعه در حین ارزیابی قابلیت اقتصادی و عملکرد سیستم آن است.

عکس. 1رشد مصرف و تولید برق در دبی، امارات متحده عربی (امارات متحده عربی) [ 1 ].

شکل 2مصرف برق در بخش های مختلف دبی، امارات متحده عربی (امارات متحده عربی) [ 1 ].

2 روش شناسی

مدل حرارتی گذرا توسعه یافته در TRNSYS از یک کلکتور حرارتی خورشیدی و یک منبع گرمایش کمکی تشکیل شده است. شبیه‌سازی‌ها برای ارزیابی سهم و اثربخشی SWHS در برآوردن نیازهای خاص آب گرم در انواع ساختمان‌ها انجام شد. انواع ساختمان های در نظر گرفته شده شامل مسکونی، مدارس، بیمارستان ها، ادارات و کارخانه ها می باشد. ^{برای این بررسی و مقایسه، تمامی انواع ساختمان ها 1000 متر مربع} در نظر گرفته شده است . بناهایی با بار ساکنین فضایی متفاوت، مانند بیمارستان ها و مدارس، بر این اساس در نظر گرفته شده اند که نیمی از مساحت ساختمان به هر یک اختصاص داده شده است. بار سرنشین، نیاز آب و دمای آب مورد نیاز از کدهای مربوطه محاسبه می شود [13 ،14 ]. جدول 1 پارامترهای داده ورودی را خلاصه می کند.

2.1 راه اندازی مدل شبیه سازی

کلکتور خورشیدی صفحه تخت با استفاده از مدل حالت پایدار Hottel-Whillier [16 ] که افزایش گرما را به عنوان تابعی از سطح دهانه کلکتور ( Ac )، تعداد کلکتورهای یکسان ( nc ₎ و شرایط آب و هوایی همانطور که در رابطه (1) ارائه شده _است ، پیش بینی می کند .(1)

این مدل از ضریب بهره وری کلی انرژی ( fr , k )، تابش خورشیدی کل برخوردی ( Iti )، تلفات جمعی ( _Uc ، k ) ، _دمای سیال ورودی به کلکتور ( Ti ₎ و دمای محیط ( Ta _{) استفاده می کند .} برای محاسبه افزایش حرارت کلکتور ( Q _c ). fr , k تابعی نمایی از سطح دیافراگم کلکتور و ظرفیت حرارتی ( C _pc ) است که در رابطه (2) _ارائه شده است .(2)

حاصلضرب گذر و جذب صفحه جذب کننده کلکتور برای تابش پرتو ( τα ) _b ، تابش پراکنده ( τα ) _d ، و بازتاب زمین ( τα ) _g توسط رابطه مثلثاتی با در نظر گرفتن موقعیت نسبی کلکتور به خورشید ورودی محاسبه می شود. تابش داده شده در رابطه ( 3 )؛(3)( Uc , k ) ضریب تلفات کلی توسط کلاین است که از تابش و همرفت از سطوح کلکتور بالا و پایین تشکیل شده است [ ₁₆ ] . این تلفات تابعی از تعداد روکش‌های شیشه‌ای ( ng)، راندمان باله کلکتور (fc)، تعداد کلکتورها (nc ₎ ، _ثابت استفان بولتزمن ( _σ ) ، انتشار پوشش شیشه‌ای ( εg )، انتشار صفحه جاذب هستند _. ( ϵ _p ) و ضرایب تلفات برای لبه ها و پایین ( U _be ) همانطور که در رابطه (4) نشان داده شده است .(4)

مخزن ذخیره حرارتی طبقه بندی شده با شرایط ورودی متغیر با داشتن یک مبدل حرارتی سیم پیچ غوطه ور، با پنج بخش برای لایه بندی حرارتی استفاده می شود. دمای مخزن آب گرم در سمت بیرونی ( Thw2 ) و دمای متوسط ​​در ضلع داخلی ( _Thwa ) با استفاده از معادلات (5) _و ( 6) محاسبه _شد .17 ].(5)(6)در جایی که Q _{داخل، مخزن} و خروج Q _{، مخزن} به دمای مبدل حرارتی، دمای محیط و تابش خورشیدی بستگی دارد. Q _{in، HX} و Q _{out، HX} به دمای سیال ورودی و دمای مخزن بستگی دارد . دماهای T _hw 2 و T _hwa با انتخاب معادلات (7) و (8) محاسبه می شوند .(7)(8)که در آن a و b ضرایب معادله دیفرانسیل به شکل dT / dt  =  aT  +  b و b _ave  =  bT _ave هستند .

شکل 3 نمودار جریان اطلاعات برای شبیه سازی میکرو گرمایش آب خورشیدی و شکل 4 نمودار جریان TRNSYS برای SWHS را نشان می دهد. اجزای SWHS در نظر گرفته شده عبارتند از کلکتور خورشیدی صفحه تخت، پمپ آب، مخزن ذخیره و بخاری برقی کمکی. این سیستم از یک کلکتور صفحه تخت 2 متر مربعی با پمپ آب 1HP و مخزن آب 325 گالن ^{تشکیل شده است.} یک مدل شبیه سازی عملکرد حرارتی بلند مدت FPC را پیش بینی کرد.

یافته های ادبیات نشان می دهد که بازده کلکتور خورشیدی از 40 تا 60 درصد متغیر است.18 ] به عنوان تابعی از شرایط ورودی و محیطی که در شکل 5 نشان داده شده است [ 19 ]. ورودی های شبیه سازی شامل الگوی مصرف آب گرم، مشخصات سیستم و داده های آب و هوا می باشد. داده های آب و هوای مورد علاقه حل شده در زمان در بلوک “آب و هوا” پردازش می شود تا به مدل حرارتی ارائه شده توسط “کلکتور” وارد شود. _{یک حلقه کنترل ON-OFF بازخورد بین خروجی کلکتور و دمای سمت تقاضا ( مخزن} T ) که توسط بلوک “کنترل کننده” نشان داده شده است وجود دارد تا با سنجش دمای مخزن و در دسترس بودن منبع (تابش خورشیدی) آب را از کلکتور عبور دهد.

شکل 3نمودار جریان اطلاعات میکرو شبیه سازی برای SWHS [19 ].

شکل 4نمودار جریان اطلاعات TRNSYS برای SWHS.

شکل 5منحنی کارایی کلکتور خورشیدی [ 19 ].

2.2 نوع شناسی ساختمان

نوع شناسی ساختمان با الگوی مصرف آب گرم و دمای نقطه تنظیم در مطالعه حاضر تعریف شده است. در ادبیات، چندین الگوی استاندارد استفاده از آب گرم برای ایالات متحده و اروپا گزارش شده است.20 ،21 ]، در حالی که از امارات متحده عربی در مورد آب و هوای گرم بسیار کمی در دسترس است. الگوی نشان داده شده در شکل 6 برای برآورد تقاضای استاندارد برای ساختمان های مسکونی، بیمارستانی و اداری استفاده می شود.22 –24 ] در امارات. در شبیه سازی های فعلی، دمای استفاده نهایی برای ساختمان های مسکونی، مدرسه و اداری 45 درجه سانتی گراد و برای ساختمان های بیمارستانی 65 درجه سانتی گراد تعیین شده است.

شکل 6الگوی مصرف آب گرم برای (الف) مسکونی (ب) بیمارستان (ج) اداری [ 22-24 ] تحت شرایط آب و هوای گرم در امارات متحده عربی .

3. نتایج و بحث

مدل حرارتی توسعه‌یافته در TRNSYS با داده‌های تجربی اندازه‌گیری شده از یک کلکتور صفحه تخت نصب شده در همان محل تأیید می‌شود. شبیه‌سازی‌ها با استفاده از داده‌های آب و هوای میانگین سال (TMY-2) برای ابوظبی انجام می‌شوند. پارامترهای عملیاتی کلکتور زاویه شیب، نرخ جریان سیال انتقال حرارت و ضرایب تلفات حرارتی در مدل TRNSYS تنظیم شده‌اند که تنظیم تجربی و شرایط محیط را نشان می‌دهد. دماها در سطح جلویی و آب خروجی از کلکتور اندازه گیری شد و با پیش بینی مدل همانطور که در شکل 7 نشان داده شده است مقایسه شد.. نتایج نشان‌دهنده تطابق معقول بین دماهای تجربی و شبیه‌سازی شده با انحراف کمتر از 5 درصد حداکثر است. مدل معتبر برای پیش‌بینی اثرات پارامترهای عملیاتی کلکتور بر روی انرژی تولید شده از کلکتور استفاده می‌شود که در بخش‌های زیر ارائه شده است.

شکل 7دمای آزمایشی و شبیه سازی شده سطح جاذب و آب خروجی از کلکتور.

3.1 زاویه شیب کلکتور

عملکرد کلکتور خورشیدی به زاویه تمایل آن بستگی دارد [25 ،26 ]. طراحان عموماً کلکتورها را بر روی سقف ساختمان (شیبه‌دار یا مسطح) یا روی نما (دیوار عمودی) قرار می‌دهند. همین امر با تغییر زاویه شیب ماهانه کلکتور ( Φ ) از 0 درجه (نماینده سقف صاف) تا 90 درجه (نماینده نمای جنوبی) با افزایش 5 درجه که نشان دهنده زوایای مختلف شیب سقف است در حالی که در 0 درجه آزیموت نماینده یک کلکتور رو به جنوب در نیمکره شمالی. میانگین بهره حرارتی ( Qc ) در برابر Φ همانطور که در شکل 8 _نشان داده شده است ترسیم می شود تا ف بهینه برای هر ماه تعیین شود. Qc برای ژانویه (زمستان) _1.95 (kWh/m2 ⁾ در Φ بود0 درجه که همچنان افزایش می یابد تا به 3.25 (کیلووات ساعت بر متر ^مربع ) در Φ 50 درجه (سقف شیبدار) برسد. فراتر از 50 درجه، کاهش یافت تا به 2.2 (kWh/m2 ⁾ در Φ 90 درجه (دیوار عمودی) برسد. می توان نتیجه گرفت که 50 درجه زاویه گام بهینه برای کلکتور رو به جنوب در ژانویه برای ابوظبی است. به طور مشابه، برای ماه‌های تابستان یعنی می، میانگین Qc 4.11 (kWh/m ² ) در Φ 0 درجه بود که با افزایش Φ کاهش می‌یابد تا به 0.75 (kWh/m ^{2 ) در 90 درجه} _{می‌رسد} ، که نشان می‌دهد 0 درجه است. بهینه Φ در ماه مه. به طور مشابه، ف بهینه برای هر ماه بر اساس حداکثر تعیین شدQ _c در جدول 2 ارائه شده است .

برای تعیین زاویه گام ثابت بهینه سالانه، شیب کلکتور از 12 تا 36 درجه تغییر کرد تا عملکرد کلکتور خارج از عرض جغرافیایی تا 12± درجه شبیه‌سازی شود. حداکثر Qc سالانه 1207.47 (kWh/m2 ⁾ در 24 درجه به دست آمد، عرض جغرافیایی مکان همانطور که در شکل 9 نشان داده شده است ، که با یافته های قبلی مطابقت دارد _.27 ]. یافته‌ها نشان می‌دهند که عملکرد کلکتور می‌تواند تا حد زیادی با تنظیم ماهانه Φ به جای ارزش ثابت سالانه با هزینه‌های کم یا بدون هزینه اضافی و در عین حال مزایای قابل‌توجهی را بهینه کند.

معماران ممکن است برای نصب کلکتورها به صورت دیواری (برای ساختمان‌های مرتفع) یا سقف (شیب‌دار یا مسطح) با موقعیت‌های دیکته‌شده طراحی مواجه شوند. از این رو، دانستن مصالحه بین ترجیحات طراحی و تولید انرژی آینده نگر آموزنده خواهد بود. بنابراین، عملکرد حرارتی سالانه کلکتور نصب شده در سقف شیبدار (24 درجه)، سقف صاف (0 درجه) و دیوار عمودی (90 درجه) در شکل 10 مقایسه شده است . نتایج نشان می‌دهد که کلکتور نصب‌شده روی سقف شیب‌دار (زاویه عرض جغرافیایی) بهترین عملکرد را داشته و پس از آن سقف صاف قرار دارد. عملکرد کلکتور با نوع ساختمان عمدتاً به دلیل تأثیر نرخ جریان آب کمی متفاوت بود.

شکل 8میانگین ماهانه انرژی حرارتی ( Qc ) تولید شده توسط کلکتور خورشیدی در زوایای مختلف شیب (Φ).

شکل 9افزایش انرژی حرارتی سالانه ( Qc ) کلکتور در زوایای شیب مختلف (Φ) برای تعیین تلفات انرژی در سناریوهای عرض جغرافیایی بهینه .

شکل 10بهره انرژی حرارتی ( Qc ) کلکتور نصب شده در سقف شیبدار (24 درجه)، سقف صاف (0 درجه) و دیوار عمودی (90 درجه) .

3.2 زاویه آزیموت

جهت گیری بهینه به صورت رو به جنوب در آزیموت صفر ( β ) تعیین می شود . با این حال، گاهی اوقات، طراحان ملزم به استفاده از کلکتورهایی هستند که از جنوب منحرف می شوند که ممکن است _بر Qc [28 ]. تأثیر متغیر β از 90 درجه (شرق) تا 90- درجه (غرب) با افزایش 30 درجه، بنابراین، در Qc به صورت ماهانه و سالانه همانطور که در شکل 11A و B نشان داده شده _است ، تعیین شد . نتایج نشان می دهد که Qc در β  = 0 درجه برای تمام ماه ها به اوج خود رسید. یک مشاهدات جالب اشاره کرد که در ماه های تابستان (آوریل تا آگوست) عملکرد کلکتور تحت تأثیر تغییرات آزیموت قرار نگرفت در حالی که در طول بقیه سال (سپتامبر تا مارس) عملکرد هنگام دور شدن از جهت جنوبی به شدت کاهش یافت. از این رو، سالانه Q _cکلکتور رو به جنوب به ترتیب 30 و 22 درصد بیشتر از کلکتور رو به غرب و شرق است.

شکل 11(الف) تأثیر زاویه آزیموت ( β ) بر میانگین انرژی تولید شده از کلکتور خورشیدی ( Qc ) به طور متوسط ​​ماهانه. (ب) تأثیر زاویه آزیموت ( β ) بر انرژی تولید شده از کلکتور خورشیدی ( Qc ) به صورت سالانه.

3.3 نرخ جریان ورودی

مصرف روزانه آب برای هر نوع ساختمان بر اساس کد مورد نیاز برای اندازه مخزن کلکتور محاسبه می شود و برای کل سال ثابت نگه داشته می شود. از آنجایی که کلکتور فقط انرژی حرارتی را در طول روز بازیابی می کند، شدت و ساعات مختلف نور روز بر مقدار انرژی حرارتی موجود در کلکتور تأثیر می گذارد. انرژی متغیر موجود در جاذب به سرعت جریان آب متغیر برای بازیابی بهینه انرژی نیاز دارد. ورودی دبی آب به کلکتور به نوبه خود برای ماه های مختلف باید بهینه شود. کل تقاضای آب روزانه از طریق کلکتور در طول روز (که با ساعات روشنایی روز نشان داده می شود) با نرخ های جریان مختلف برای تعیین نرخ جریان بهینه برای هر ماه و نوع ساختمان به گردش در می آید. ماه های تابستانی می و ژوئن با میانگین 13 ساعت بیشترین تعداد ساعات روشنایی روز را داشتند.29 ]. از سوی دیگر، تقاضای گرمایش به طور طبیعی در ماه های زمستان در مقایسه با ماه های تابستان به اوج خود رسید. علاوه بر این، هر نوع ساختمان دارای بارهای ساکنین مختلف و نقاط تنظیم دما است که بر نرخ جریان آب بهینه برای حداکثر بازیابی انرژی حرارتی تأثیر می گذارد. نرخ جریان آب ورودی برای هر یک از بخش های ساختمانی در نظر گرفته شده (مسکونی، بیمارستان، مدرسه، ادارات، کارخانه ها) برای هر ماه با در نظر گرفتن تمام عوامل ذکر شده در بالا بهینه می شود. نرخ جریان آب ورودی در ماه‌های زمستان بیشتر و در ماه‌های تابستان پایین‌تر بود که حداکثر استخراج انرژی حرارتی را به همراه داشت همانطور که در شکل 12 نشان داده شده است در حالی که ساختمان بیمارستان به بالاترین و متغیرترین نرخ جریان آب نیاز داشت.

شکل 12میانگین نرخ جریان آب ورودی ماهانه برای انواع مختلف ساختمان.

3.4 دمای آب ورودی

از آنجایی که دمای آب ورودی شهرداری به کلکتور یک پارامتر کنترل نشده است، تأثیرات آن بر عملکرد کلکتور به طور خاص در امارات متحده عربی مورد توجه است زیرا در فصول مختلف به طور قابل توجهی متفاوت است. آب ورودی با توجه به تأثیر دمای محیط و شار خورشیدی بر مخازن ذخیره‌سازی در معرض 3 تا 4 درجه سانتی‌گراد بالاتر از میانگین دمای محیط روزانه ( T _{avg-amb-day ) فرض می‌شود.}30 ]. میانگین _روز در امارات متحده عربی در ماه می (42 درجه سانتیگراد) و کمترین آن در ژانویه (26 درجه سانتیگراد) بود [ 7 ] . Qc برای هر نوع ساختمان (محور چپ) با T _{avg-amb-day (} خط قرمز روی محور راست) همانطور که در شکل 13 ارائه شده است رسم شده است . در پایین‌ترین میانگین _{ورودی آب} ، Qc ، بالاترین است و بالعکس که با منحنی راندمان کلکتور نشان داده شده در _شکل 5 مطابقت دارد . نتایج نشان داده شده در شکل 13تأیید می کند که کلکتور انرژی حرارتی بالاتری را از سپتامبر تا آوریل تحویل داده است که همزمان با ماه های اوج تقاضای آب گرم است. وقوع پیک تقاضا و عرضه در یک فصل، ذینفعان را قادر می سازد از حداکثر ظرفیت جمع آوری کننده استفاده کنند.

شکل 13سهم انرژی متوسط ​​از کلکتور خورشیدی با دمای آب ورودی متغیر.

3.5 ردیابی خورشیدی

کلکسیونرهای ساختمانی معمولی برای بخش های اداری، مسکونی و تجاری ردیابی نشدند در حالی که ردیابی برای بیمارستان ها در نظر گرفته شد. با این حال، تشعشعات قوی و پایداری که در چندین ساعت نور روز در امارات متحده عربی و زمینه‌های مشابه پخش می‌شود، فرصتی برای تعیین افزایش بالقوه در بازده کلکتور از طریق ردیابی خورشیدی فراهم می‌کند. اثر ردیابی خورشیدی با استفاده از سه حالت ردیابی بررسی می‌شود، یعنی، سطح حول یک محور عمودی (تک محور) برای ردیابی خورشید (مسیر-1) می‌چرخد، سطح حول محور افقی (تک محور) برای ردیابی عرض جغرافیایی می‌چرخد. تغییر می کند (Track-2)، مسیرهای سطح در محور افقی و عمودی (دو محور) به گونه ای است که تابش پرتو همیشه به سطح نرمال است (Track-3). Q _c _کلکتور ردیابی شده با کلکتور ایستا رو به جنوب در زاویه شیب بهینه (24 درجه) مقایسه می شود. خالص Qc تولید شده توسط کلکتور در هر حالت ردیابی پس از کسر انرژی مورد نیاز برای ردیابی کلکتور محاسبه شده و در شکل 14 ارائه شده _است . Qc خالص  برای track-1، track-2 و _track -3 به ترتیب 5.6%، 10.3% و 13.4% بالاتر از کلکتور استاتیک بود که نشان دهنده پتانسیل معرفی گزینه ردیابی است. مطالعات شبیه‌سازی، مقایسات انرژی خالص هستند و الزامات ساختاری و ویژه سیستم‌های ردیابی را شامل نمی‌شوند که نیاز به تحلیل بیشتری دارد و از حوصله این مقاله خارج است.

شکل 14میانگین ماهانه سهم انرژی از کلکتور خورشیدی با حالت های مختلف ردیابی خورشیدی.

3.6 غلظت خورشیدی

تابش خورشیدی که به سطح کلکتور می رسد (به اصطلاح تک سونگ) دماهای پایین تری را برای کاربردهای ساختمانی که به آب در دمای 45 درجه سانتی گراد نیاز دارند، ایجاد می کند. با این حال، برای بیمارستان ها و فرآیندهای صنعتی، دمای مورد نیاز بین 75 تا 110 درجه سانتیگراد متغیر است و بعید است که توسط جمع کننده های خورشیدی معمولی به دست آید. برای دستیابی به چنین دمای بالاتری، تغییراتی مانند افزودن آینه یا عدسی برای تمرکز تابش خورشید مورد نیاز است. تأثیر غلظت خورشید با استفاده از نسبت غلظت ژئو متریک (نسبت عدسی ها یا مساحت آینه به سطح کلکتور) از 1 تا 5 برابر در ماه های زمستان (دسامبر و ژانویه) برای تعیین اثربخشی آنها در بدترین حالت بررسی می شود. سناریو یعنی فصل تقاضای آب بیشتر با بهره های خورشیدی کمتر.شکل 15 . مشاهده شد که بدون غلظت خورشیدی (1x)، دمای آب زیر 60 درجه سانتی‌گراد باقی ماند که تنها می‌تواند به ساختمان‌های خانگی با دمای سمت تقاضا 45 درجه سانتی‌گراد خدمت کند. دمای مورد نیاز برای ساختمان های بیمارستانی (65 درجه سانتی گراد) با نسبت غلظت 2 برابر و دمای مورد نیاز برای ساختمان های صنعتی (70 درجه سانتی گراد تا 110 درجه سانتی گراد) با نسبت غلظت 3-5 برابر به دست می آید. برای دستیابی به چنین دماهایی، کلکتور نیاز به اصلاحاتی مانند عناصر نوری، سیستم های ردیابی و پشتیبانی ساختاری دارد که شامل فضا و هزینه اضافی است که در این مرحله در نظر گرفته نمی شود. بنابراین، این مطالعه به منظور تعیین دماهای قابل دستیابی در نسبت‌های غلظت معین انجام می‌شود و تنها مقایسه دقیق ورودی-خروجی منابع را برای مطالعات آینده باقی می‌گذارد.

شکل 15تغییرات دما در مقابل غلظت تابش خورشیدی

4 عملکرد کلی سیستم

در نهایت، کلکتور با استفاده از پارامترهای کلکتور بهینه زاویه شیب، زاویه آزیموت و سرعت جریان آب که در بخش‌های قبل مورد بحث قرار گرفت، شبیه‌سازی می‌شود تا اثربخشی آن در ارائه مقدار مورد نیاز آب گرم [14] و در دمای مورد نظر [ 15 ] تعیین شود. انرژی حرارتی تولید شده توسط کلکتور با انرژی حرارتی مورد نیاز هر نوع ساختمان برای مقدار مورد نیاز تولید آب گرم مقایسه می شود. در نهایت، نسبت مساحت کلکتور به مساحت چاپ پای ساختمان برای ارائه تقاضای آب گرم مورد نیاز برای هر نوع ساختمان همانطور که در جدول 3 نشان داده شده است محاسبه می شود.. نتایج نشان می دهد که ساختمان بیمارستان به بالاترین سطح جمع کننده در هر منطقه ساختمان مرتبط با تراکم بالاتر ساکنین و همچنین تقاضای آب گرم برای فعالیت های خاص مانند استریل کردن تجهیزات نیاز دارد.

نسبت‌های محاسبه‌شده باید به متخصصان و صاحبان ساختمان کمک کند تا با کمترین تلاش و در عین حال دقیق، یک کلکتور حرارتی خورشیدی بهینه را برای ساختمان‌های مربوطه اندازه‌گیری کنند. با این حال، از نظر طراحی، فرصت‌ها ممکن است گاهی محدود باشد، زیرا می‌دانیم که SWHS به طور سنتی بر روی پشت بام‌ها نصب می‌شوند، ممکن است فضای در دسترس به دلیل طراحی ساختمان (مثلاً در ساختمان‌های بلند) یا وجود تجهیزات ساختمانی دیگر مانند سیستم‌های HVAC محدود باشد. . دماهای بالاتر گزارش شده به دست آمده توسط ردیابی خورشیدی و تمرکز خورشیدی می‌تواند ادغام انرژی خورشیدی را در مناطق جدیدی مانند صنایع گسترش دهد، با این وجود این به هزینه فضای اضافی توسط متمرکز کننده‌ها و سیستم‌های ردیابی منجر می‌شود.

5 تحلیل اقتصادی سیستم

تحلیل اقتصادی با محاسبه دوره بازپرداخت ساده با در نظر گرفتن سود انرژی تولید شده و هزینه سیستم های نصب شده انجام می شود. انرژی با اعمال تعرفه برق مبتنی بر امارات 0.32 درهم بر کیلووات ساعت به هزینه و سود پولی تبدیل می شود.31 ]. برای اعمال تعرفه های انرژی الکتریکی، انرژی حرارتی با در نظر گرفتن 70 درصد کاهش کیفیت انرژی به انرژی الکتریکی معادل تبدیل می شود. ردیابی اضافی، شامل سیستم ردیابی و انرژی، هزینه به ازای هر وات نصب شده 0.36 دلار محاسبه می شود [32 ] با در نظر گرفتن سیستم های حرارتی معادل سیستم های PV از نظر ردیابی. انرژی مصرف شده توسط پمپ برای گردش آب از طریق کلکتور با فرض 10 متر هد آب اضافی با دبی 0.18 L / محاسبه می شود. این منجر به قدرت شفت اضافی 30 وات برای پمپاژ شد. دریافت انرژی الکتریکی معادل برای استاتیک، تک محوره (عمودی)، ردیابی تک محور (افقی)، ردیابی دو محوره، و مورد متمرکز 35.3 مگاوات ساعت در طول عمر، 37.5 مگاوات ساعت در طول عمر، 39.2 مگاوات ساعت در طول عمر، 40.6 مگاوات ساعت در طول عمر و 40.6 مگاوات ساعت در طول عمر است. به ترتیب 50.6 مگاوات ساعت در طول عمر. هزینه ها و منافع در نظر گرفته شده در جدول 4 گردآوری شده است .

دوره بازپرداخت ساده با تقسیم هزینه کل سیستم (سرمایه گذاری اولیه و همچنین هزینه عملیاتی) بر سود اقتصادی انرژی تولید شده در سال اول با اعمال مقادیر انرژی برداشت شده و نرخ برق محاسبه می شود. کیس استاتیک طولانی ترین دوره بازپرداخت تقریباً 3 ساله را دارد. دوره بازپرداخت به تدریج با بهبود بهره حرارتی از طریق روش های مختلف ردیابی و/یا تمرکز کاهش می یابد. در حالت بهینه شده، دوره بازپرداخت تقریباً به 2 سال کاهش می یابد.

6. نتیجه گیری

این مطالعه عملکرد انرژی SWHS را در انواع ساختمان‌های مختلف تحت آب و هوای گرم امارات از طریق مدل شبیه‌سازی TRNSYS بررسی کرد. شبیه‌سازی پارامتری پارامترهای بهینه کلکتور زاویه شیب، زاویه آزیموت و دبی آب ورودی کلکتور را با توجه به فصول مختلف، انواع ساختمان‌ها و تقاضای آب تعیین کرد. یک زاویه شیب بهینه هر ماه برای بهره برداری از حداکثر پتانسیل سیستم در ابوظبی، امارات متحده عربی شناسایی شد که از 50 درجه در حداکثر برای ژانویه تا 0 درجه برای ماه مه متغیر بود. زاویه آزیموت بهینه 0 درجه (رو به جنوب) است که باعث کاهش 22٪ و 30٪ در بازده حرارتی هنگامی که کلکتور به ترتیب دقیقاً شرق و غرب قرار می گیرد، می باشد. مشاهده شد که کلکتورهای سقفی (هم تخت و هم شیبدار) موثرتر از کلکتورهای دیواری هستند. در نهایت، سطح کلکتور مورد نیاز در هر منطقه ساختمان برای هر نوع ساختمان تعیین شد که بیمارستان در بهترین حالت به بالاترین مقدار نسبت نیاز دارد. سپس ردیابی کلکتور خورشیدی به عنوان وسیله ای برای کاهش مساحت اختصاص داده شده برای نصب کلکتورها در بالای سقف یا نما مورد ارزیابی قرار گرفت. نیاز به غلظت تابش خورشیدی برای برخی از انواع ساختمان ها تعیین می شود تا دمای مورد نیاز بالاتر را ارائه دهد. همچنین مشهود بود که با افزایش محور ردیابی تعداد کلکتورهای مورد نیاز برای هر ساختمان کاهش می یابد. در نهایت، امکان‌سنجی سیستم برای دوره بازپرداخت محاسبه می‌شود و مورد بهینه‌سازی شده می‌تواند هزینه خود را تقریباً در ۲ سال برگرداند. سپس ردیابی کلکتور خورشیدی به عنوان وسیله ای برای کاهش مساحت اختصاص داده شده برای نصب کلکتورها در بالای سقف یا نما مورد ارزیابی قرار گرفت. نیاز به غلظت تابش خورشیدی برای برخی از انواع ساختمان ها تعیین می شود تا دمای مورد نیاز بالاتر را ارائه دهد. همچنین مشهود بود که با افزایش محور ردیابی تعداد کلکتورهای مورد نیاز برای هر ساختمان کاهش می یابد. در نهایت، امکان‌سنجی سیستم برای دوره بازپرداخت محاسبه می‌شود و مورد بهینه‌سازی شده می‌تواند هزینه خود را تقریباً در ۲ سال برگرداند. سپس ردیابی کلکتور خورشیدی به عنوان وسیله ای برای کاهش مساحت اختصاص داده شده برای نصب کلکتورها در بالای سقف یا نما مورد ارزیابی قرار گرفت. نیاز به غلظت تابش خورشیدی برای برخی از انواع ساختمان ها تعیین می شود تا دمای مورد نیاز بالاتر را ارائه دهد. همچنین مشهود بود که با افزایش محور ردیابی تعداد کلکتورهای مورد نیاز برای هر ساختمان کاهش می یابد. در نهایت، امکان‌سنجی سیستم برای دوره بازپرداخت محاسبه می‌شود و مورد بهینه‌سازی شده می‌تواند هزینه خود را تقریباً در ۲ سال برگرداند. همچنین مشهود بود که با افزایش محور ردیابی تعداد کلکتورهای مورد نیاز برای هر ساختمان کاهش می یابد. در نهایت، امکان‌سنجی سیستم برای دوره بازپرداخت محاسبه می‌شود و مورد بهینه‌سازی شده می‌تواند هزینه خود را تقریباً در ۲ سال برگرداند. همچنین مشهود بود که با افزایش محور ردیابی تعداد کلکتورهای مورد نیاز برای هر ساختمان کاهش می یابد. در نهایت، امکان‌سنجی سیستم برای دوره بازپرداخت محاسبه می‌شود و مورد بهینه‌سازی شده می‌تواند هزینه خود را تقریباً در ۲ سال برگرداند.

این نتایج به متخصصان ساختمان یک ارزیابی سریع از امکان ادغام منطقه مورد نیاز یا تعداد کلکتورهای SWHS برای پاسخگویی به تقاضای آب گرم در ساختمان‌های جدید یا مقاوم‌سازی شده ارائه می‌دهد.

نامگذاری

A _c : ناحیه دیافراگم کلکتور ( ^m2 )

C _HX : ظرفیت حرارتی مبدل حرارتی سیم پیچی (kJ/K)

C _pc : گرمای ویژه سیال کلکتور (kJ/(kg K))

_مخزن C : ظرفیت حرارتی مخزن ذخیره (kJ/K)

DHW: آب گرم خانگی

f _c : ضریب کارایی کلکتور-باله

f _r : ضریب راندمان کلی حذف حرارت کلکتور

I _b : تابش پرتو فرودی در واحد سطح (kWh/ ^m2 )

I _d : تابش پراکنده در واحد سطح (kWh/ ^m2 )

I _t : تابش جهانی در سطح افقی در واحد سطح (kWh/ ^m2 )

I _ti : مجموع تابش تابشی روی یک سطح صاف در واحد سطح (kWh/ ^m2 )

mc : نرخ جریان جرمی سیال کلکتور (کیلوگرم در ساعت ₎

n _c : تعداد کلکتورهایی که به صورت سری نصب شده اند

n _g : تعداد روکش های شیشه ای

Q _c : نرخ آرایه جمع کننده افزایش گرما (کیلووات)

Q _{in، HX} : نرخ افزایش حرارت مبدل حرارتی سیم پیچ (کیلووات)

Q _{in، مخزن} : نرخ افزایش حرارت مخزن ذخیره (کیلووات)

Q _{out، HX} : نرخ از دست دادن حرارت مبدل حرارتی سیم پیچ (کیلو وات)

Q _{out، مخزن} : نرخ اتلاف حرارت از مخزن ذخیره (کیلو وات)

r _g : بازتاب زمین

SWHS: سیستم های گرمایش آب خورشیدی

SHC: سیستم های گرمایش و سرمایش خورشیدی

T _a : دمای محیط ( ^° C)

T _av : دمای متوسط ​​کلکتور-سیالات ( ^° C)

T _hwa : میانگین دمای آب گرم ( ^° C)

T _hw1 : دمای اولیه آب گرم ( ^° C)

T _hw2 : دمای نهایی آب گرم ( ^° C)

T _HX : دمای مبدل حرارتی سیم پیچی ( ^° C)

T _i : دمای سیال ورودی به کلکتور ( ^° C)

T _p : دمای صفحات جمع کننده در حالت سکون ( ^° C)

_مخزن T : دمای مخزن ذخیره سازی ( ^° C)

U _be : ضریب تلفات حرارتی سطح زیرین کلکتور (kWh/m ²  K)

U _c : ضریب تلفات حرارتی کل کلکتور (kWh/m2 ^K  )

نمادها

α : جذب صفحه جاذب

ε _g : انتشار پوشش های شیشه ای

ε _p : انتشار صفحه جاذب

σ : ثابت استفان-بولتزمن (5.6697 × 10 ^-8  W/ (m ²  K ⁴ ))

τ : ضریب عبور صفحه جاذب

Δ t : گام-زمان شبیه سازی (h)

φ : زاویه عرض جغرافیایی کلکتور (°)

β : زاویه آزیموت کلکتور (°)

Φ : زاویه شیب کلکتور (°)

قدردانی

نویسندگان با قدردانی از حمایت مالی دانشگاه امارات متحده عربی از طریق پروژه سرمایه‌گذاری شده در مرکز امارات برای تحقیقات انرژی و محیط زیست (31R054) تشکر می‌کنند.

منابع