تحلیلی بر کاربرد حرارتی آبشاریِ انرژی خورشیدی در گرمایش ساختمان بر اساس ذخیره‌ساز حرارتی تغییر فاز‌دهنده

انرژی خورشیدی جزو انرژی پاک و تجدید‌پذیر برای گرمایش ساختمان و فناوری دوست‌دار محیط‌زیستی است که نقشی مؤثر در کاهش مصرف انرژی ساختمان دارد. با وجود این، یکی از ویژگیهای انرژی خورشیدی تراکم توزیع کم، عدم پیوستگی و بی‌ثباتی به‌دلیل شرایط جوی متغیر است. از این گذشته، بین زمان نیاز به گرمایش ساختمان در شب و گرد‌آوری انرژی خورشیدی در روز تناسب برقرار نیست. از این رو، در مطالعۀ حاضر کاربرد آبشاری انرژی خورشیدی با فرآیند گردآوری حرارت خورشیدی، فرآیند ذخیره‌سازی حرارت تغییر فاز‌دهنده و فرآیند گرمایش تابشی مویی ارائه شده است. ابتدا، مادۀ تغییر فاز‌دهنده دمایی آزموده و در قالب ظرف ذخیره‌ساز انرژی به‌کار گرفته شد. دوم، حرارت تابشی مویی به‌خاطر داشتن ویژگیهایی نظیر وضعیت فعالیت در دمای پایین، ناحیۀ بزرگ انتقال گرمایی و راحتی حرارتی بیشتر، در قالب مود حرارتی بیرونی به‌کار بسته شد. در پایان، عملکرد سیستم مذکور محاسبه و تحلیل شد. نتایج حاکی است کاربرد آبشاریِ سیستم انرژی خورشیدی می‌تواند از عهدۀ ذخیره‌سازی و انتقال انرژی خورشیدی از روز به شب برآید و در مقایسه با مود ستنی هیت سینک از بهره‌وری بالاتری برخوردار است.

مصرف انرژی ساختمانی در مقیاس مصرف انرژی کل چین به میزان %27.6 [1] رسیده است که در این بین، گرمایش ساختمان، تهویۀ ساختمان و آب گرم در نسبت توزیع مصرف انرژی ساختمان تا %60 می‌رسد. این در حالی است که در مناطق شمالی چین، انرژی گرمایشی ساختمان تا %40 از مصرف انرژی کل ساختمان را به خود اختصاص داده است [2]. انرژی خورشیدی جزو انرژی پاک و تجدید‌پذیر است و از 2005 تاکنون، استفاده از آب داغ خورشیدی در کشورهای عضو اتحادیۀ اروپا رشد سریعی داشته است [3]. در 2010، کاربرد حرارتی خورشیدی، در قالب صنعت توسعۀ کلیدی مرتبط با صنعت انرژی جدید، در قالب یکی از هفت صنعت راهبردی چین عنوان شده است. در 2015، مناطق ملی تحت پوشش انرژی خورشیدی به 400 میلیون متر مربع رسید و کاربرد حرارتی خورشیدی %10 از انرژی تجدیدپذیر را به خود اختصاص داده است [4]. مطابق با نقشۀ منطقه‌بندی حرارت ساختمانی چین که در شکل 1 (الف) نشان داده شده است، غالب سرزمین چین جزو مناطق سرد و بسیار سرد دسته‌بندی می‌شود که ساختمان باید در فصل سرما گرم شود. از سوی دیگر، طبق نقشۀ توزیع تابش خورشیدی چین که در شکل 1 (ب) نشان داده شده است، توزیع منابع تابش خورشیدی در مناطق مذکور نسبتاً خوب است، ساعات آفتابی سالانه به شکل معمول بیش از 3000 ساعت است و میزان کل تابش سالانه نیز از 5800 مگاژول بر متر مربع فراتر می‌رود. در نتیجه، آشکارا می‌توان دید که پتانسیل استفاده از انرژی خورشیدی تا چه حد گسترده است [5]. حال آنکه توزیع تراکم انرژی خورشیدی به‌دلیل چرخش زمین و تغییرات اقلیمی کم است و تابش خورشید پیوستگی ندارد و شدت تابش نیز پایدار نیست. از این مهم‌تر، تفاوت دمایی میان فضای داخلی و فضای بیرونی در مناطق سرد‌خیز نسبتاً زیاد است، تقاضای گرمایی در شب بیشتر از روز است و این در حالی است که تابش خورشیدی در شب به صفر می‌رسد. به همین روی، در صورتی که بخواهیم از انرژی خورشیدی به طور مناسب استفاده کنیم باید تأخیر زمانی و نبود تناسب بین جذب انرژی خورشیدی در طول روز و استفاده از آن در طول شب را حل کرد. از این گذشته، با استفاده از کاربرد تجاری آب داغ خورشیدی که به شکل گسترده در مناطق سرد‌خیز متداول است می‌توان به‌سادگی با دمای بالاتر از شصت درجه سانتیگراد آب داغ به‌دست آورد که مناسب برای استفادۀ مستقیم برای حمام و آب پاک است. ولی دما در این مناطق برای مود حرارتی سنتی پایین محسوب می‌شود و انرژی خورشیدی به‌خاطر تأثیر عوامل اقلیمی ناپایدار است. همانطور که در بالا ذکر شد، به‌منظور استفادۀ مناسب از انرژی خورشیدی در گرمایش ساختمان، لازم است فرآیند گردآوری انرژی خورشیدی، فرآیند ذخیره‌سازی گرمای انرژی خورشیدی و فرآیند عرضۀ انرژی خارجی بار دیگر با توجه به تفاوت دمای انتقال حرارتیِ مناسب باز‌طراحی شوند.