طراحي سيستم سرمايش جذبي – تبخيري خورشيدي متناسب با شرايط اقليمي در ايران

[MTHAMID2]

چكيده
مقايسه وضعيت انرژي ايران در سال 1386 با ارقام مشابه در سال 1366 نشان مي دهد كه كل مصرف نهايي انرژي از 307/7 به 975/2 ميليون بشكه معادل نفت خام افزايش يافته است (رشد ساليانه 5/9 درصد) اين افزايش چشمگير در مصرف انرژي، مصرف انرژي، ضرورت تداوم و شتاب در اقدامات بهينه سازي مصرف انرژي را بيش از پيش نمايان مي سازد. چرا كه ادامه روند جاري باعث خواهد شد كه علاوه بر كاهش سالانه توانايي صادرات انرژي، كشور ما در ميان مدت به وارد كننده انرژي نيز تبديل شود. سيستم سرمايش جذبي تبخيري – تبخيري خورشيدي از سه بخش اصلي خشك كن، منبع گرمايي و سرمايش تشكيل شده است. نحوه عملكرد آن بدينگونه است كه هواي گرم و مرطوب وارد بخش خشك كن شده و توسط مواد جاذب رطوبت خود را از دست مي دهد. سپس هواي گرم و خشك وارد بخش سرمايش (كه عمدتاً تبخيري مي باشد) شده و خنك مي گردد. سپس اين هواي خنك به فضايي كه بايستي تهويه گردد هدايت مي شود. مواد جاذبي كه رطوبت هوا را جذب نمودند جهت احيا به منبع گرمايي نياز دارند كه در اين قبيل سيستمها معمولاً از كلكتورهاي صفحه تخت خورشيدي استفاده مي گردد. در اين مقاله با انجام برآورد اقتصادي مشخص گرديد كه در صورت جايگزيني سيستمهاي سرمايش تراكمي متداول مانند كولر گازي، حدود 63 درصد در مصرف انرژي صرفه جويي حاصل گرديده و نرخ بازگشت سرمايه آن با استفاده از روش محاسباتي پويا حدود 3 سال و 8 ماه بدست مي آيد.
مقدمه
كشور ما از وسعت قابل ملاحظه اي برخوردار است كه تنوع آب و هوايي گسترده اي در درون خود دارد. بي هيچ ترديدي در كشور پهناور ما كه داراي مناطق با شرايط آب و هوايي گوناگون مي باشد ، هر منطقه نيازمند سيستمهاي تهويه اي خاص خود مي باشند.ابتدا بايد اطمينان حاصل كنيم هر منطقه اي نيازمند چه نوع سيستم تهويه اي مي باشد و ميزان نياز آن چقدر است سپس اقدام به بكارگيري آن نمائيم. در ابتدا به تعريف دماي خنثي مي پردازيم. دماي خنثي دمايي است كه افراد در هنگام قرار گيري در آن احساس سردي و يا گرمي خاصي نمي كنند. دماي خنثي طبق استاندارد بين المللي ASHRAE بين 24 تا 26 درجه سانتيگراد مي باشد.
با توجه به اينكه حدود 8 % شهرهاي ايران (طبق جدول شرايط طراحي تابستاني شهرهاي ايران كه توسط دفتر تدوين ضوابط و معيارهاي فني سازمان مديريت و برنامه ريزي كشور ارائه گرديده است) دمايي بيش از 30 درجه سانتيگراد دارند، لذا بر اساس دماي خنثي تعريف شده نيازمند سيستم سرمايش مي باشند. سيستمهاي سرمايش متداول در ايران بر سه گونه سيستم سرمايش تبخيري ( كولرآبي، ايرواشر و زنت )، سيستم سرمايش با آب خنك شده بوسيله چيلر جذبي و چيلر تراكمي، سيستم سرمايش توسط انبساط ماده مبرد در كويلهاي سرمايش ( كولر گازي، پكيج تراكمي ) مي باشند. سيستمهاي سرمايش تبخيري مقرون به صرفه ترين، قديمي ترين و شناخته شده ترين سيستمهاي سرمايش متداول در ايران است كه بطور گسترده مورد استفاده قرار مي گيرد ولي از اين سيستم در مناطق با هواي مرطوب نمي توان استفاده نمود.
دستگاه چيلر جذبي كه در قديم از سيكل آب – آمونياك استفاده مي نموده و اخيراً بدليل مشكلات زيست محيطي از سيكل آب – ليتيوم برمايد استفاده مي نمايد، سيستمي است كه بجاي استفاده از انرژي الكتريكي جهت تامين سرمايش از انرژي حرارتي حاصل از سوخت گاز طبيعي بهره مي گردد كه با اين امر در مصرف برق صرفه جويي قابل ملاحظه اي را ايجاد مي نمايد ولي اين دستگاه نيز بدليل نياز به برخ خنك كننده آبي در مناطق با هواي مرطوب كارايي لازم را ندارد.
سيستمهاي سرمايش تراكمي شامل چيلر تراكمي، پكيج تراكمي و كولر گازي تنها دستگاههاي موجود در ايران بوده كه در كليه مناطق كشور مورد استفاده قرار مي گيرند ولي بدليل نياز مندي به انرژي الكتريكي مشكلاتي را جهت شبكه توزيع برق سراسري كشور در فصل تابستان پديد مي آورند.
بنابراين نياز به يافتن راه مناسبي براي جايگزيني يك سيستم سرمايش كه علاوه بر امكان صرفه جويي در مصرف انرژي، امكان استفاده در مناطق با هواي شرجي ( مانند شهرهاي جنوبي و شمالي ايران) را دارا باشد، به شدت احساس مي گردد.
در دهه هاي 1930 و 1940 زمانيكه Thomas Midgley و همكارانش در شركت شيميايي Kinetic مشغول به . كار بودند، انقلابي در زمينه بكارگيري از سيالات شيميايي جهت صنعت تبريد پديد آوردند Alexis Berestneff مشغول توسعه و بهبود سيستم هاي جذبي ليتيوم برمايد-آب جهت شركت Carrier ، بو Edmund Altenkirch و Francis Bichowsky در حال يافتن راه حل هاي فني و اجرايي جهت سيستم هاي جذبي باز بودند. اين قبيل سيستم ها اكنون پس از گذشت 80 سال است كه به عنوان سيستم هاي موفق جهت تهويه مطبوع و صرفه جويي انرژي و هم چنين دوستدار محيط زيست مورد استفاده قرار مي گيرند.ولي بكارگيري از سيكل سرمايش تبخيري در كنار سيكل جذبي، سيستمي را پديد مي آورد كه مي تواند جايگزين بسيار مناسبي از لحاظ اقتصادي و سازگاري با محيط زيست براي سيستمهاي تبريد تراكمي متعارف باشند. از همه مهمتر با استفاده از انرژي خورشيدي و يا بازيافت گرمايي در اينگونه سيستم ها مي توان كاهش قابل توجهي در مصرف سوخت ايجاد نمود.
اولين سيستم سرمايش جذبي – تبخيري (Desiccant) توسط Lof پيشنهاد شد كه مايع خشك كن آن تري اتيلن گليكول بوده و منبع گرمايي آن هم انرژي خورشيدي بوده است.
بطور كلي سيستمهاي سرمايش جذبي – تبخيري بر حسب نوع ماده جاذب به دو گونه جامد (Desiccant Air Condition System Solid ) و مايع (Liquid Desiccant Air Condition System) تقسيم مي گردند كه در اين مقاله به شرح طراحي سيستم سرمايش جذبي – تبخيري خورشيدي با جاذب مايع مي پردازيم.

شرح اوليه طرح

سيستم سرمايش جذبي – تبخيري از انواع سيستم هاي جذبي باز بوده كه به لحاظ تئوري داراي اين خصوصيات هستند:
-1 جهت ساخت سيستم ساده اي دارند.
-2 جهت احياء سيكل خود به انرژي با دماي پاييني نياز دارند كه براي اين منظور مي توان از كلكتورهاي خورشيدي صفحه تخت، توليد همزمان، گرمايش با لوله هاي آب گرم و... استفاده نمود.
-3 راندمان مناسبي جهت جذب رطوبت هوا دارند. بخشهاي اصلي يك سيستم سرمايش جذبي - تبخيري كه شامل منبع گرمايي جهت احياء، بخش رطوبت زدايي (خشك كن) و واحد سرمايش (تبخيري يا تبريدي) مي باشد را در شكل 1 مشاهده مي كنيد. انتخاب نوع و نحوه قرارگيري سه بخش اصلي اين دستگاه كه در بالا عنوان شد بسيار متنوع مي باشد و به آيتمهاي مختلفي وابسته بوده كه در زير به شرح طراحي انجام شده در اين مقاله مي پردازيم.



















اجزا و چيدمان بخشهاي مختلف در نظر گرفته شده جهت طراحي انجام گرفته را شكل شماره 2 مشاهده مي نمائيد.

















اين سيستم شامل سه بخش اصلي مي باشد:
1 - بخش خشك كن (Dehumidifier)
يكي از مهمترين قسمتهاي اين سيستم بخش خشك كن آن مي باشد كه توسط مواد جاذب رطوبت هواي ورودي به دستگاه را جذب مي نمايد. در يك سيستم سرمايش جذبي – تبخيري، ماده جاذب بعنوان عامل اصلي سيستم شناخته مي شود.
مواد جاذب يا جامد هستند و يا مايع كه تري اتيلن گليكول، ليتيوم برمايد، ليتيوم كلرايد و كلسيم كلرايد از جمله مواد جاذب مايع و انواع سيليكاژل ها، زئوليت و كربن ها جزء جاذب هاي جامد هستند. در اين مقاله محلول ليتيوم كلرايد با غلظت 43 % بعنوان ماده جاذب انتخاب گرديده است كه در زير خواص مربوط به نمك ليتيوم كلرايد آمده است:
رنگ: سفيد - فرمول شيميايي Licl : نقطه جوش - 1325°c - نقطه ذوب: 612°c
دانسيته: 2.07 -( Water = 1 ) وزن مولكولي: 42.394 - حلاليت: قابل حل در آب -تبخير: بسيار ناچيز

جهت افزايش راندمان عمل رطوبت گيري بايستي سطح تماس هوا را با محلول جاذب به حداكثر ميزان ممكن رساند لذا براي اين منظور از پدهاي پليمري استفاده شده كه محلول جاذب توسط نازل بر روي اين صفحات پاشيده شده و هوا از ميان مجراهاي موجود داخل پدها عبور مي نمايد.
نكته ديگري كه بر راندمان رطوبت گيري تاثير گذار مي باشد دماي محلول جاذب است كه هر چه اين دما پائين تر باشد ميزان جذب رطوبت از هوا افزايش خواهد يافت. بدين منظور از يك عدد مبدل حرارتي صفحه اي مايع – مايع (Plate Heat Exchanger) بين قسمتهاي احياء و خشك كن استفاده شده است. نحوه عملكرد اين مبدل حرارتي مياني بدين گونه است كه محلول جاذب ليتيوم كلرايد خروجي از خشك كن در تماس با محلول جاذب خروجي از بخش احيا قرار گرفته وبدين گونه هم در مصرف انرژي گرمايي در بخش احيا صرفه جويي نموده و هم محلول جاذب ورودي به بخش خشك كن را خنك نموده تا راندمان بخش خشك كن نيز افزايش يابد.
2. بخش احياء (Regenerator)
يكي ديگر از بخشهاي اصلي سيستم سرمايش جذبي – تبخيري بخش احياء مي باشد.جهت احياي محلول جاذب رقيق شده كه بدليل جذب رطوبت از هوا غلظت آن پائين آمده است، نياز به انرژي گرمايي داريم. محلولهاي جاذب مايع رطوبت جذب شده را از دست مي دهند ( 25 )و به غلظت مناسب مي رسند لذا امكان °c 60 الي °80c در دماي بين استفاده از انرژيهاي گرمايي متنوع جهت اين منظور فراهم مي باشد. يكي از مطلوب ترين انرژيهاي موجود انرژي خورشيدي مي باشد كه با توجه به دماي پائين مورد نياز امكان استفاده از كلكتورهاي تخت كه هزينه اوليه پائين تري نسبت به ديگر كلكتورهاي خورشيدي موجود دارند وجود داشته و همين موضوع اين پكيجهاي سرمايش را بسيار مورد توجه قرار داده است.
بنابراين جهت احياي محلول جاذب آبگرم تامين شده توسط كلكتور خورشيدي به سمت كويل حرارتي (بخش REGENERATOR ) كه در تماس با محلول جاذب مي باشد رفته و محلول را تا دماي حدود 70 درجه سانتيگراد گرم مي نمايد و محلول مجدداً احيا شده و وارد سيكل رطوبت گيري مي شود.

3. بخش سرمايش (Conditioner)
در سيستم هاي سرمايش جذبي – تبخيري بمنظور خنك نمودن هواي اصلي از فرآيند تبخيري بهره مي گيريم. مزيت اين سيستم فراهم نمودن امكان استفاده از سيستم تبخيري در مناطق با هواي شرجي مي باشد. همانگونه كه مي
دانيم در مناطقي كه رطوبت هواي بالايي دارند نمي توان از دستگاههايي مانند Air Washer و يا كولر آبي استفاده نمود و عمدتاً بايستي از سيستمهاي سرمايش تراكمي بهره گرفت ولي در سيستم سرمايش جذبي – تبخيري پس از آنكه زني كه ماده مبرد آن نيز آب مي باشد هوا سرد مي گردد. در اينجا براي اين منظور از يك دستگاه Air Washer استفاده گرديده است.
بمنظور افزايش راندمان پكيج و رسيدن به هوا با دماي پائين تر بايستي از يك سيستم سرمايش كمكي كه عمل پيش سرمايش هواي محيط را انجام مي دهد بهره گرفت. لذا بمنظور صرفه جويي در مصرف انرژي و افزايش ضريب عملكرد دستگاه از هواي برگشتي محيطي كه تهويه شده استفاده نموده و عمل پيش سرمايش هواي ورودي به پكيج را انجام مي دهيم.

محاسبات بخشهاي مختلف سيستم سرمايش جذبي – تبخيري خورشيدي و مقايسه فني - اقتصادي
بمنظور كسب اطلاعات لازم جهت طراحي و انتخاب تجهيزات مربوطه بايستي ابتدا يك مورد مطالعاتي (study case ) تعريف نمائيم. به اين منظور يك اتاق با ابعاد صد متر مربع واقع در طبقه چهارم يك ساختمان با كاربري اداري در شهر بندر انزلي را درنظر گرفتيم. دماي هواي شهر بندر انزلي جهت طراحي تابستاني 30 درجه سانتيگراد و رظوبت نسبي آن 60 درصد مي باشد.
سپس بار سرمايش مورد نياز آنرا توسط نرم افزار Hourly Analysis Program محاسبه نموده و در ادامه با تعيين مفروضات اوليه به انجام محاسبات تك تك اجزاي سيستم پرداختيم كه خلاصه نتايج آنرا در جدول شماره 1 مشاهده مي نمائيد.


جدول شماره 1 – نتايج حاصل از محاسبات بخشهاي مختلف سيستم فلودياگرام سيستم بهمراه نتايج حاصل از محاسبات در شكل شماره 3 قابل مشاهده است.
شكل شماره 3- فلودياگرام سيستم سرمايش جذبي – تبخيري خورشيدي بهمراه نتايج حاصل از محاسبات
تجهيزات بكار رفته در اين سيستم (شكل شماره 3) شامل بخشهاي زير مي باشد:
-1 دستگاه Air Washer با دبي حجمي 3086 cfm
-2 مبدل حرارتي هوا – هوا جهت پيش سرمايش هواي اصلي
-3 مبدل حرارتي صفحه اي محلول جاذب
-4 كويل گرمايي با ظرفيت حرارتي 76500 btu/hr
-5 كلكتور خورشيدي صفحه تخت با مساحت 2 m²
-6 پمپ سيركولاسيون جهت گردش مايع جاذب با دبي 1 gpm
-7 پمپ سيركولاسيون جهت گردش آب گرم با دبي 8 gpm
بمنظور انجام مقايسه فني – اقتصادي اين سيستم با سيستم هاي سرمايش متداول، توان مصرفي وضريب عملكرد اين دستگاه محاسبه و با چيلر تراكمي، پكيج تراكمي و كولر گازي طبق جدول شماره 2 مقايسه گرديده است.














بر اساس توان مصرفي محاسبه شده و همچنين با فرض كاركرد ساليانه 4 ماه و نيم در سال و 12 ساعت در شبانه روز (كاربري اداري ساختمان در مورد مطالعاتي تعريف شده) اين دستگاهها و همچنين قيمت برق مصرفي هر كيلو وات ساعت 773 ريال، مقايسه اقتصادي طبق جدول شماره 3 انجام يافته است.
همانگونه كه در جدول ديده مي شود و با توجه به اينكه هزينه سرمايه گذاري سيستم چيلر تراكمي بيشتر از قيمت سيستم سرمايش جذبي – تبخيري بوده و همچنين قيمت پكيج تراكمي تقريباً نزديك به اين سيستم مي باشد، لذا جهت محاسبه نرخ بازگشت سرمايه اين دو سيستم را با سيستم سرمايش جذبي – تبخيري مقايسه نمي كنيم. در ادامه به محاسبه نرخ بازگشت سرمايه در صورت استفاده از سيستم سرمايش جذبي – تبخيري بجاي كولر گازي خواهيم پرداخت.













با توجه به محاسبات انجام يافته كل صرفه جويي سالانه انرژي در صورت بكارگيري از سيستم سرمايش جذبي – تبخيري خورشيدي بجاي كولر گازي برابر خواهد بود با 2298590 ريال، ضمناً اختلاف هزينه سرمايه گذاري بين اين دو سيستم 8.000.000 ريال مي باشد. محاسبات مربوط به محاسبه نرخ بازگشت سرمايه با استفاده از روش پويا در زير آمده است:





در اين معادله g ، ميزان صرفه جويي انرژي ساليانه e نرخ رشد ساليانه ΔKo اختلاف هزينه سرمايه گذاري دو سيستم است. همچنين n نرخ بازگشت سرمايه است كه با حل معادله بدست مي آيد.
بحث و نتيجه گيري
بر اساس ترازنامه انرژي كشور منتشر شده در سال 1386 حدود 33/4 خانگي بوده و ظرفيت اسمي نيروگاههاي وزارت نيرو در اين سال معادل 49424 مگاوات بوده است.
سيستمهاي سرمايش جذبي – تبخيري با توجه به اينكه رطوبت هوا را توسط مواد جاذب مي گيرند، امكان استفاده از سرمايش تبخيري را در مناطق با هواي مرطوب فراهم مي نمايند. لذا قابليت جايگزيني اين سيستم با سيستمهاي سرمايش تراكمي در اين قبيل مناطق وجود دارد. بنابراين در صورت جايگزيني، در مناطق شرجي كشور مانند شهرهاي واقع در سواحل جنوب درياي مازندران و سواحل شمالي درياي عمان و خليج فارس مصرف انرژي الكتريكي بطور قابل ملاحظه اي در فصل تابستان كاهش خواهد يافت.
پس از انجام برآورد اقتصادي سيستمهاي مذكور، با توجه به هزينه سرمايه گذاري اوليه فقط دستگاه كولر گازي از نظر قيمت تمام شده اختلاف قابل توجهي با سيستم سرمايش جذبي – تبخيري داشته كه با محاسبه انرژي مصرفي ساليانه اين دو سيستم، سيستم سرمايش جذبي – تبخيري صرفه جويي انرژي ساليانه حدود 63 درصد داشته كه معادل 2298590 ريال مي باشد. نرخ باز گشت سرمايه اين سيستم با استفاده از روش پويا 3 سال و 8 ماه مي باشد.

[RM10]

عالی بود جناب مهندس