استفاده از انرژی های خورشیدی در صنعت ساختمان
چکیده
افزایش هزینه تولید انرژی برق،محدودیت منابع فسیلی و پیامدهای زیست محیطی،
فرصت رقابت انرژی خورشیدی با انرژیهای فسیلی خصوصا در کشورهایی با پتانسیل بالای تابش
سیستمهای انرژی خورشیدی، فن آوریهای جدیدی
برای تامین گرما، الکتریسیته و حتی سرمایش منازل مسکونی، مراکز تجاری و صنعتی
در این تحقیق با مدلسازی کامپیوتری، بررسی و ارزیابی راه اندازی سیستمهای خورشیدی به عنوان تامین کننده تهویه (یک سیستم ترکیبی سرمایشی و گرمایشی)
این مدل با استفاده از برنامه شبیه سازی Arenaایجاد شده
سپس با استفاده از تکنیک بهینه سازی شبیه سازی بررسی و امکان سنجی اقتصادی
گامی اثربخش و کارآمد جهت تحلیل وتوسعه فن آوری های نوین و بومی سازی آنها
2
مقدمه
3
از آنجا که در راه اندازی سیستم های تهویه خورشیدی بالاترین هزینه مربوط به خرید کلکتورها می باشد ، بر آن شدیم تا از کلکتورهای خریداری گردیده بیشترین استفاده را نموده و با تغییر در تجهیزات جانبی با توجه به نیاز در فصول مختلف، سیستم تهویه را بصورت گرمایشی وهم سرمایشی تبدیل کرد.
در این تحقیق به بررسی یک سیستم دو منظوره سرمایشی-گرمایشی پرداختیم و بدلیل جدید بودن ایده تامین سرمایش از انرژی خورشید، در این تحقیق در باره سیستم سرمایشی به تفصیل سخن گفته خواهد شد.
جهت جلوگیری از اطاله کلام ، صرفا به بیان فرایند و نتایج شبیه سازی در مورد سیستم سرمایشی پرداخته و از توضیحات مجدد جهت شبیه سازی برای سیستم گرمایشی صرف نظر خواهد گردید.
سیستم مذکور صرفا جهت تهویه می باشد و نه تهیه آبگرم و … .
مقدمه
4
آنچه که در این تحقیق دنبال می شود، بررسی این نکته است که با توجه به این که هزینه اولیه راه اندازی سیستم های خورشیدی بالاتر از هزینه اولیه استفاده از سیستم های گرمایشی و سرمایشی دیگر است ، و با در نظر داشتن اینکه ایران در زمینه استفاده از انرژی خورشیدی قابلیت زیادی دارد، (به علت موقعیت جغرافیایی و قرار گرفتن در عرض جغرافیایی جنوب کمتر از 40 درجه)، آیا استفاده از این سیستمها به صرفه هست و یا خیر؟
در آخر لازم به ذکر است که هر یک از این سیستم ها نیازمند سوخت کمکی هستند تا کمبود تابش خورشید را در بعضی روزها مانند روزهایی که گرد و غبار زیاد یا هوا ابری است، را جبران کنند.
توصیف سیستم
5
دو نوع چیلر وجود دارد، چیلر تراکمی ( سیستمهای متداول موجود ) و چیلر جذبی
چیلر های جذبی نیز به دو دسته چیلر جذبی با جاذب جامد و چیلر جذبی با جاذب مایع
در این تحقیق، سیستم جذبی با جاذب مایع لیتیم برومید مورد مطالعه قرار گرفته است.
مزایای چیلرهای جذبی خورشیدی :
کاهش مصرف برق
کاهش تولیدگازگلخانه ای
عدم وابستگی به سوخت های فسیلی(تا حد زیادی، با در نظر گرفتن سوخت کمکی)
کاهش مصرف مبردهای مضر برای محیط زیست مانند CFC
توصیف سیستم
6
اجزای اصلی این سیستم عبارتند از :
صفحه مسطح جمع کننده خورشیدی
مخزن ذخیره سازی آب گرم
چیلر جذبی
برج خنک کننده
گرم کننده کمکی
7
چهار چرخه اصلی این سیستم :
یک چرخه جذب کننده انرژی خورشیدی، که مسئول جذب انرژی خورشیدی از طریق یک سیال است و در مخزن حرارتی ذخیره می شود؛
یک چرخه برای پشتیبانی چیلر جذبی است که قلب سیستم است، به خاطر انرژی موجود در مخازن آب واکنشهای شیمیایی لازم برای تولید آب سرد را انجام می دهد،
چرخه خنک کننده آب، که برای پراکنده کردن انرژی فرایند جذب و تبخیر که در داخل چیلر رخ می دهد لازم است،
یک چرخه شارژر که تقاضای ایجاد سرما برای تولید تهویه مطبوع را تحویل می دهد.
توصیف سیستم
8
توصیف سیستم
در تحقیق با کمک روش شبیه سازی-بهینه سازی، اهداف زیر را دنبال می شود:
کاهش هزینه ها
افزایش راندمان
ویژگی ها ثابت و غیر قابل تغییر
میزان تابش انرژی خورشید در هر شهر وتابع توزیع آن
تعداد ساعات تابش انرژی خورشید در هر شهر وتابع توزیع آن
تعداد روزهای آفتابی هر شهر و تابع توزیع آن
فضای مورد نیاز (که در هر ساختمانی محدودیتی وجود دارد)
بودجه محدود برای راه اندازی ( این مورد و مورد قبلی برای هر مصرف کننده متمایز است و مقدار ثابت دارد ) و …
9
توصیف سیستم
اهداف کمی
10
اهداف کمی بصورت زیر است:
تعیین تعداد بهینه کلکتور با توجه به تابش آفتاب و میزان دما در هر شهر
حداقل نمودن استفاده از انرژی کمکی
افزایش راندمان
حداقل نمودن هزینه راه اندازی
در پی این اهداف، تعداد بهینه کلکتور ، راندمان، هزینه ها و سود تعیین می گردد.
تحقق تمامی این اهداف بوسیله بهینه سازی شبیه سازی
امکان پذیر خواهد بود.
11
به منظور ارزیابی عملکرد سیستم ، در هر زمانی نیاز به یک پایگاه داده ، برای بررسی امکان سنجی فنی سیستم است.
در این کار ، پایگاه اطلاعات آب و هوا با استفاده از اطلاعات ارائه شده توسط :
اداره هواشناسی جمهوری اسلامی ایران به نشانی www.irimo.ir
سایت پایگاه داده جهانی تابش خورشید www.meteonorm.com
داده های شبیه سازی
مراحل شبیه سازی به کمک نرم افزار Arena
12
13
داده های ورودی برای شبیه سازی عبارتند از:
دمای هوا
تعداد ساعات آفتابی
میزان تابش آفتاب
پس از تهیه داده های اولیه ، به کمک بخش Input analyzer نرم افزار Arena، تابع توزیع هر بخش تخمین زده می شود.
داده های شبیه سازی
نکاتی درباره مدل
14
میزان ورودی و خروجی بر حسب بسته های انرژی بیان می شود که تصور می گردد با فاصله های زمانی بسیار کوچک به سیستم وارد می شوند.
تابع توزیع داده هایی که لازم است وارد سیستم شوند در ابتدا باید تخمین زده شود.
تعداد کلکتور ها، مستقیما درجذب انرژی، موثر است .واضح است که با افزایش تعداد کلکتورها، مقدار انرژی جذب شده افزایش مییابد.
تعداد ساعات آفتابی، مدت زمان شبیه سازی را تعیین می کند.
با داشتن دمای هوا و میزان تابش آفتاب انرژی ورودی به سیستم تعیین می شود؛
نکاتی درباره مدل
15
در ابتدا با داشتن دمای هوا و میزان تابش آفتاب می توان انرژی ورودی به سیستم را تعیین کرد، از طرفی درباره هزینه ها هم محدودیت زیر وجود دارد
(عمر مفید سیستم 6 سال در نظر گرفته شده)
برای یافتن جواب مورد نظر از الگوریتم صفحه بعد استفاده می شود
(البته منطق مذکور شد برای زمانی است که بخواهیم از کلکتورها، تنها برای تامین سرمایش استفاده کنیم؛ اما از آنجایی که هدف ما، دو منظوره کردن استفاده از کلکتورهاست، این منطق به تنهایی کافی نیست. در ادامه به این موضوع خواهیم پرداخت.)
16
منطق
شبیه سازی
17
بخشی از مدل Arena
بخشی از مدل طراحی شده در نرم افزار Arena
18
منطق
شبیه سازی
بطور مثال اگر بخواهیم شهر مورد نظر خود را تهران انتخاب کنیم، همانطور که از شکل 5 پیداست، 2 ماه انتهایی سال و 3 ماهه اول سال دمای هوا پایین بوده و بالطبع به سیستم گرمایشی نیاز داریم و از ماه چهارم تا انتهای ماه دهم نیاز به سیستم های خنک کننده می باشد (ماهها میلادی هستند). می توان داده های خود را در جدول زیر دسته بندی کرد؛
19
منطق
شبیه سازی
همانطور که در جدول 1 دیده می شود، اگر بتوان کلکتورهایی را همواره در ساختمان مورد نظر داشته و متناسب با نیاز، لوازم جانبی آنرا تغییر داده و به صورت سرمایشی و هم گرمایشی تبدیل نمود، آنگاه می توان به صورت بهینه از این کلکتورها ، که با هزینه بالایی تهیه می شوند استفاده کرد. در ادامه، منطق انتخاب تعداد کلکتورها خواهد آمد. (لازم به یاد آوری است که منظور از سیستم سرمایشی، سیستم سرمایشی تهویه است.)
همانطور که نحوه ی شبیه سازی سیستم خنک کننده تشریح شد، می توان تعداد بهینه کلکتور های مورد نیاز برای سیستم گرمایشی را نیز به دست آورد
مطابق با منطق نمودار 2 حالات زیر رخ می دهد:
20
منطق
شبیه سازی
در حالت 1: تعداد کلکتور مورد نیاز عبارتست از :
در حالت 2: از رابطه زیر استفاده می گردد:
21
منطق
شبیه سازی
حال تعداد حداکثر کلکتور محاسبه می گردد،آیا هنوز هم این سیستم ها، تهویه مناسب را فراهم نمی کنند؟
اگر جواب هر دو، یا یکی از این سیستم ها هم خیر باشد، این سیستم به صرفه نیست.
در حالت 3: اگر جواب سیستم گرمایشی منفی باشد، از منطق ذکر شده در صفحه بعد استفاده می شود.
(در مورد سیستم سرمایشی نیز همین منطق بکار می رود.)
22
منطق
شبیه سازی
23
تجزیه و تحلیل نتایج
به جهت درک بهتر نتایج شبیه سازی، خروجی های مورد نظر در جدول زیر ارائه شده است . با توجه به این داده ها دریافت می شود که هر سیستمی برای راه اندازی چه مقدار هزینه دارد و چه میزان راندمان به دست می دهد، حال با توجه به این نتایج می توان هزینه راه اندازی و کارکرد چند ساله سیستم را تخمین زد.
بدین صورت به آسانی می توان تصمیم گیری جهت راه اندازی یا عدم راه اندازی سیستم اتخاذ نمود .
نتیجه
24
در این تحقیق سعی شد تا با کمک روش شبیه سازی- بهینه سازی، رویکردی جهت ارزیابی اقتصادی سیستم گرمایشی و سرمایشی خورشیدی ، و با بررسی کارایی سیستم ، متناسب با شرایط اقلیمی کشور، طراحی گردد
تا تحلیلگران و مدیران سیستم با صحت و دقت بیشتر ، هزینه های جانبی کمتر، به راحتی قدرت تجزیه و تحلیل در شرایط مختلف را دارا باشند.
حاصل این بررسی، اتخاذ بهترین و با صرفه ترین تصمیم خواهد بود،
چرا که هر چند راه اندازی سیستم تهویه خورشیدی مزایای بسیاری را در پی دارد اما ممکن است که در بعضی از شهرها و مناطق آب و هوایی، استفاده از یک، یا هر دو این سیستم ها، توجیه اقتصادی و همچنین راندمان مطلوب در رابطه با راه اندازی آنان وجود نداشته باشد.
بدین صورت علاوه بر تعیین بهترین پیکره بندی سیستم تهویه خورشیدی ، توجیه اقتصادی طرح ، بدون هر گونه ریسک نامطلوب فراهم خواهدگردید.
25
[1]عربی،مهسا و دهقانی، محمودرضا. 1389. بررسی فنی و اقتصادی سیستم های چیلر جذبی خورشیدی در ایران ، مجله مهندسی شیمی ایران،دانشگاه علم و صنعت، دانشکده مهندسی شیمی، سال 9، شماره 46، صفحه 72-60 .
[2] فیلی، حمیدرضا و مقدسی، فاطمه و نادری پور، پریسا. 1390 . مدلسازی کامپیوتری سیستم تهویه هوای خورشیدی در ایران به کمک تکنیک بهینه سازی- شبیه سازی، اولین همایش رویکردهای نوین درمهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات، رودسر.
[3] سایت سازمان انرژی های نو ایران (سانا) به نشانی www.suna.org.ir.
[4] سایت سازمان هواشناسی جمهوری اسلامی ایران به نشانی www.irimo.ir.
[5] Climasol , 2005.Guidelines for Solar Cooling Feasibility Studies and Analysis of the Feasibility Studies, ALTENER Project. ALTENER Project Number 4.1030/Z/02-121/20 Eicker .U, 2003.Solar Technologies for Buildings, Wiley.
[6] Fong K.F, Chow T.T, Lin. Z, Chan L.S, 2010. Simulation–optimization of solar-assisted desiccant cooling system for subtropical Hong Kong, Applied Thermal Engineering 220–228.
مراجع
26
[7] Mavrotas N George,2009. Effective implementation of the ε-constraint method in Multi-Objective Mathematical Programming problems, Applied Mathematics and Computation, Volume 213, Issue 2, 15 July 2009, Pages 455-465.
[8] Syberfeldt Anna, Amos Ng, I.John Robert, Moore Philip, 2009. Multi-objective evolutionary simulation-optimization of a real-world manufacturing problem, Robotics and Computer- Integrated Manufacturing, Volume 25, Issue 6, December 2009, Pages 926-931.
[9] Vidal H, Escobar.R , Colle.S, 2009. Simulation and Optimization of a Solar Driven Air Conditioning System for a house in Chile, Proceeding of the ISES Solar World Congress:Renewable Energy Shaping Our Future.
[10] www.meteonorm.com
[11] Zhai X.Q,Wang R.Z, Dai Y.J, Wu J.Y, Xu Y.X, Ma. Q, 2007. Solar integrated energy
مراجع
از حسن توجه شما سپاسگزاریم
27