گرمایش خورشیدی (Solar Thermal) انرژی خورشید را برای تأمین آب گرم و گرمایش فضا در خانه‌ها و ساختمان‌ها به کار می‌گیرد و جایگزینی پاک و تجدیدپذیر برای روش‌های گرمایشی سنتی ارائه می‌دهد. در سال ۲۰۲۵، فناوری گرمایش خورشیدی (Solar Heating) یا سیستم‌های حرارتی خورشیدی (Solar Thermal Systems) به طور قابل توجهی کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر شده است، به طوری که این سیستم‌ها قادرند ۵۰ تا ۸۵ درصد نیاز آب گرم یک خانوار را در طول سال تأمین کنند.

برخلاف پنل‌های خورشیدی که برق تولید می‌کنند (سیستم‌های فتوولتائیک – Photovoltaic Systems)، سیستم‌های گرمایش خورشیدی انرژی حرارتی را مستقیماً از نور خورشید دریافت کرده و برای گرم‌کردن آب یا هوا استفاده می‌کنند. این تفاوت اساسی باعث می‌شود سیستم‌های حرارتی خورشیدی برای کاربردهای گرمایشی بسیار کارآمدتر باشند و نرخ تبدیل انرژی گرمایش خورشیدی اغلب بیش از ۷۰ درصد باشد، در حالی که سیستم‌های فتوولتائیک معمولاً بین ۱۵ تا ۲۵ درصد کارایی دارند.

در ادامه‌ی این مقاله از رسانه خورشیدی اکو مهر قرار است اطلاعات کافی و ارزشمندی در مورد سیستم‌های گرمایش خورشیدی ارائه دهیم.

اصول پایه گرمایش خورشیدی

گرمایش خورشیدی بر اساس اصولی ساده اما مؤثر جمع‌آوری و انتقال انرژی حرارتی عمل می‌کند. زمانی که نور خورشید به جمع‌کننده خورشیدی (Solar Collector) برخورد می‌کند، سطح جاذب تیره‌رنگ، تابش خورشیدی را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند. سپس این حرارت به سیال انتقال‌دهنده (آب یا مخلوط ضد یخ) منتقل می‌شود که در سیستم گردش می‌کند.

اصول اساسی جمع‌آوری انرژی حرارتی خورشیدی

این فرآیند با قرارگیری جمع‌کننده‌های خورشیدی در موقعیتی که بیشترین مواجهه با خورشید را داشته باشند (معمولاً سقف‌های رو به جنوب) آغاز می‌شود. این جمع‌کننده‌ها شامل صفحات یا لوله‌های جاذب هستند که تابش خورشیدی را به طور مؤثر جذب می‌کنند. انرژی جذب‌شده‌ی سیال انتقال‌دهنده را گرم می‌کند و سپس به مخزن ذخیره یا مبدل حرارتی پمپ می‌شود تا انرژی حرارتی به آب گرم قابل استفاده منتقل شود.

سیستم‌های فعال در مقابل سیستم‌های غیرفعال

• سیستم‌های فعال (Active Solar Heating Systems): از پمپ، فن و کنترل‌ها برای گردش سیال و انتقال حرارت استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها کارایی و کنترل بیشتری ارائه می‌دهند اما به برق برای کارکرد اجزای گردش نیاز دارند.
• سیستم‌های غیرفعال (Passive Solar Heating Systems): بر اساس همرفت طبیعی و اثر thermosiphon عمل می‌کنند و بدون کمک مکانیکی سیال را گردش می‌دهند. هرچند کارایی کمتری نسبت به سیستم‌های فعال دارند، اما به برق نیاز ندارند و قطعات متحرک کمتری برای نگهداری دارند.

انواع سیستم‌های گرمایش خورشیدی

سیستم‌های گرمایش آب خورشیدی

رایج‌ترین کاربرد فناوری حرارتی خورشیدی برای تولید آب گرم مسکونی و تجاری است که به سه دسته‌ی زیر تقسیم می‌شود.

• سیستم‌های مستقیم (Direct / Open-Loop Systems): در این سیستم‌ها، آب قابل شرب مستقیماً از مخزن ذخیره به جمع‌کننده‌ها گردش می‌کند. آب از مخزن ذخیره به جمع‌کننده‌ها جریان یافته، توسط خورشید گرم می‌شود و سپس به مخزن بازمی‌گردد. این سیستم‌ها در آب‌وهوای با یخبندان کم بهترین عملکرد را دارند و عملیات ساده و ارزان ارائه می‌دهند.
• سیستم‌های غیرمستقیم (Indirect / Closed-Loop Systems): از سیال انتقال حرارت (معمولاً مخلوط پروپیلن گلیکول و آب) در یک حلقه بسته استفاده می‌کنند. این سیال گرم‌شده از مبدل حرارتی داخل مخزن ذخیره عبور کرده و حرارت خود را به آب قابل شرب منتقل می‌کند. این سیستم‌ها حفاظت در برابر یخ‌زدگی فراهم می‌کنند و برای آب‌وهوای سرد مناسب هستند.
• گردش فعال در مقابل گردش غیرفعال (Active vs Passive Circulation): گردش فعال از پمپ‌های الکتریکی کنترل‌شده توسط ترموستات‌های تفاضلی استفاده می‌کند تا سیال را زمانی که شرایط گرمایشی مفید وجود دارد، حرکت دهد. گردش غیرفعال بر اساس اثر thermosiphon عمل می‌کند که در آن سیال گرم به طور طبیعی به سمت مخزن بالا می‌رود.

سیستم‌های گرمایش فضا خورشیدی

سیستم‌های گرمایش خورشیدی برای گرم‌کردن فضای داخلی ساختمان از انرژی حرارتی خورشیدی استفاده می‌کنند و به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند.

• سیستم‌های مبتنی بر مایع (Liquid-Based Systems): از آب گرم یا محلول ضد یخ برای توزیع حرارت از طریق گرمایش کف تابشی، رادیاتورهای پایه‌ای یا مبدل‌های هوای اجباری استفاده می‌کنند.
• سیستم‌های مبتنی بر هوا (Air-Based Systems): هوا را مستقیماً در جمع‌کننده‌ها گرم کرده و از طریق کانال‌ها یا مستقیماً به فضاهای زندگی توزیع می‌کنند. این سیستم‌ها برای گرمایش مکمل مناسب هستند و می‌توانند مستقل از سیستم‌های تهویه مطبوع موجود عمل کنند.
• گرمایش کف تابشی (Radiant Floor Heating): آب گرم از لوله‌هایی که در کف بتنی یا زیر پوشش کف قرار گرفته‌اند، عبور می‌کند. این روش گرمایش یکنواخت و راحت با دماهای نسبتاً پایین (32-49 سانتی‌گراد) فراهم می‌کند و برای کاربردهای حرارتی خورشیدی ایده‌آل است.

بیشتر بخوانید: کاربردهای انرژی خورشیدی

گرمایش استخر خورشیدی

از جمع‌کننده‌های بدون شیشه (Unglazed Collectors) برای افزایش فصل شنا و حفظ دمای مناسب آب استخر استفاده می‌کند.

سیستم‌های گرمایش استخر معمولاً از جمع‌کننده‌های ساخته‌شده از پلاستیک‌ها یا مواد لاستیکی مقاوم به UV استفاده می‌کنند. این جمع‌کننده‌ها در دماهای پایین‌تری نسبت به سیستم‌های آب گرم خانگی کار می‌کنند و می‌توانند آب استخر را که اغلب خنک‌تر از دمای هوا است، به طور مؤثر گرم کنند.

انواع فناوری‌های کلکتور خورشیدی

کلکتور صفحه تخت

جمع‌کننده‌های صفحه تخت (Flat Plate Collectors) رایج‌ترین فناوری حرارتی خورشیدی هستند که با طراحی مستطیل شکل، دوام بالا و عملکرد اثبات‌شده ارائه می‌شوند.

• ساختار و مواد: یک جمع‌کننده صفحه تخت معمولی شامل صفحه جاذب تیره (معمولاً مس یا آلومینیوم) با کانال‌های سیال یکپارچه، پوشیده‌شده با شیشه سکوریت کم‌آهن و قرارگرفته در قاب عایق‌دار است. صفحه جاذب دارای پوشش انتخابی است که جذب خورشیدی را به حداکثر رسانده و اتلاف حرارت از طریق تابش را به حداقل می‌رساند.
• فرآیند جذب و انتقال حرارت: تابش خورشیدی از شیشه عبور کرده و به صفحه جاذب برخورد می‌کند که انرژی نوری را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند. سیال انتقال حرارت از لوله‌های مسی یا کانال‌های متصل به صفحه جاذب عبور کرده و انرژی حرارتی را جذب می‌کند و به سیستم ذخیره منتقل می‌نماید.
• ویژگی‌های کارایی: جمع‌کننده‌های صفحه تخت مدرن در شرایط بهینه به کارایی اوج بین ۵۰ تا ۷۰ درصد می‌رسند. کارایی با افزایش تفاوت دما بین جمع‌کننده و هوای محیط کاهش می‌یابد، بنابراین اندازه‌گیری صحیح سیستم برای عملکرد بهینه حیاتی است.

کلکتور لوله خلأ

از فناوری عایق خلأ برای کارایی بالاتر به‌ویژه در شرایط سرد استفاده می‌کنند.

• فناوری عایق خلأ (Vacuum Insulation Technology): هر لوله شامل دو لوله شیشه‌ای هم‌مرکز با خلأ بین آن‌هاست که مانند فلاسک عمل می‌کند و اتلاف حرارت همرفتی را حذف می‌کند.
• عملکرد لوله حرارتی: بسیاری از جمع‌کننده‌های لوله خلأ شامل لوله‌های حرارتی حاوی مقدار کمی سیال هستند که هنگام گرم‌شدن تبخیر می‌شود. بخار به کندانسور بالای لوله رفته و حرارت را به سیال گردش‌کننده منتقل کرده و سپس به حالت مایع برمی‌گردد.
• عملکرد در آب‌وهوای مختلف: جمع‌کننده‌های لوله خلأ در آب‌وهوای سرد و ابری عملکرد عالی دارند و حتی در دمای منفی ۴۰ سانتی‌گراد نیز کار می‌کنند و در روزهای ابری نیز حرارت مفید تولید می‌کنند.

بیشتر بخوانید: راهنمای پنل خورشیدی برای هتل‌ها

کلکتور Batch/ICS

آخرین نوع، سیستم‌های Integrated Collector-Storage هستند که جمع‌کننده و ذخیره را در یک واحد ترکیب می‌کنند.

اجزای سیستم گرمایش خورشیدی

• سیالات انتقال حرارت: آب خواص انتقال حرارت عالی دارد و در سیستم‌های مستقیم و drain-back (تخلیه برگشتی) استفاده می‌شود. مخلوط‌های گلیکول (معمولاً ۵۰٪ پروپیلن گلیکول) حفاظت در برابر یخ‌زدگی فراهم می‌کنند.
• مخازن ذخیره و جرم حرارتی: مخازن ذخیره خورشیدی معمولاً بین ۸۰ تا ۱۲۰ گالن برای کاربردهای مسکونی هستند.
• مبدل‌های حرارتی (Heat Exchangers): شامل انواع کویل غوطه‌ور، صفحه‌ی خارجی و دورپیج.
• پمپ‌ها و سیستم‌های گردش: پمپ‌های مدرن با سرعت متغیر و مصرف کم انرژی.
• کنترل‌کننده‌ها و سنسورها: کنترل‌کننده‌های دمایی تفاضلی با ویژگی‌های پیشرفته مانند حفاظت از یخ‌زدگی و ثبت داده.
• ادغام گرمایش پشتیبان: شامل المان‌های الکتریکی، آب‌گرم‌کن پشتیبان و ادغام با سیستم‌های ذخیره انرژی.

بیشتر بخوانید: اجزای سیستم خورشیدی

نحوه کارکرد گرمایش خورشیدی

در زیر نحوه عملکرد سیستم گرمایش خورشیدی از مرحله دریافت نور تا تبدیل آن به حرارت به صورت گام به گام ارائه شده است.

1. مرحله جمع‌آوری انرژی خورشیدی: این فرآیند زمانی آغاز می‌شود که نور خورشید به کلکتورهای خورشیدی که معمولاً روی سقف یا دیوار رو به جنوب نصب می‌شوند، برخورد می‌کند. سطح جاذب تیره، تابش خورشیدی را به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند و صفحه جاذب را به سرعت تا دمای ۵۰ تا ۱۰۰ درجه فارنهایت بالاتر از دمای هوای محیط گرم می‌کند.
2. فرآیند انتقال حرارت: سیال انتقال حرارت که از طریق کلکتور در گردش است، انرژی حرارتی را از سطح جاذب گرم شده جذب می‌کند. در کلکتورهای صفحه تخت، سیال از طریق لوله‌های مسی متصل به صفحه جاذب جریان می‌یابد. در سیستم‌های لوله خلاء، لوله‌های حرارتی یا لوله‌های جریان مستقیم، انرژی را به سیال در گردش منتقل می‌کنند.
3. ذخیره‌سازی و توزیع: سیال گرم شده به یک مبدل حرارتی (در سیستم‌های غیرمستقیم) یا مستقیماً به ذخیره‌سازی (در سیستم‌های مستقیم) منتقل می‌شود. در سیستم‌های غیرمستقیم، مبدل حرارتی انرژی حرارتی را از سیال کلکتور به آب آشامیدنی در مخزن ذخیره‌سازی منتقل می‌کند. سیال کلکتور خنک شده برای تکرار چرخه به کلکتورها باز می‌گردد.
4. کنترل‌ها و اتوماسیون سیستم: یک کنترل‌کننده دمای دیفرانسیلی به طور مداوم دما را در خروجی کلکتور و در مخزن ذخیره‌سازی کنترل می‌کند. وقتی دمای کلکتور ۸ تا ۱۰ درجه فارنهایت از دمای ذخیره‌سازی بیشتر شود، کنترل‌کننده پمپ گردش را فعال می‌کند. وقتی اختلاف دما به ۳ تا ۵ درجه فارنهایت کاهش یابد، پمپ متوقف می‌شود و از اتلاف گرما از ذخیره‌سازی به کلکتورها جلوگیری می‌کند.
5. محافظت در برابر یخ‌زدگی و گرمای بیش از حد: کنترل‌کننده‌های پیشرفته با گردش سیال گرم از ذخیره‌سازی از طریق کلکتورها در هنگام نزدیک شدن دما به نقطه انجماد، محافظت خودکار در برابر یخ‌زدگی را فراهم می‌کنند. محافظت در برابر گرمای بیش از حد با متوقف کردن گردش یا فعال کردن سیستم‌های تخلیه گرما در هنگام رسیدن دمای ذخیره‌سازی به حداکثر دمای ایمن، از افزایش بیش از حد دما جلوگیری می‌کند.

عوامل عملکرد و کارایی سیستم‌های حرارتی خورشیدی

عملکرد سیستم‌های گرمایش خورشیدی تحت تأثیر آب‌وهوا، تغییرات فصلی، اندازه سیستم و نگهداری قرار دارد. این سیستم‌ها در تابستان تولید بیشتری دارند و در زمستان کمتر.

ملاحظات اقلیمی

عملکرد گرمایش خورشیدی به طور قابل توجهی با شرایط آب و هوایی محلی متفاوت است. سیستم‌های موجود در آب و هوای آفتابی و معتدل می‌توانند ۷۰ تا ۹۰ درصد از نیاز سالانه به آب گرم را تأمین کنند، در حالی که سیستم‌های موجود در مناطق ابری و سردسیر ممکن است ۴۰ تا ۶۰ درصد از نیاز سالانه به آب گرم را تأمین کنند.

عوامل کلیدی آب و هوایی عبارتند از:

• میزان تابش سالانه خورشید
• تغییرات دمای فصلی
• تعداد دفعات ابری بودن هوا
• قرار گرفتن در معرض باد و دمای محیط
• تغییرات عملکرد فصلی

سیستم‌های گرمایش خورشیدی تغییرات عملکرد فصلی قابل توجهی را نشان می‌دهند. تولید تابستان اغلب از تقاضای آب گرم فراتر می‌رود، در حالی که خروجی زمستان ممکن است تنها ۲۵ تا ۴۰ درصد از نیازهای گرمایش را برآورده کند. اندازه مناسب سیستم، عملکرد در تمام طول سال را با ملاحظات اقتصادی متعادل می‌کند.

اندازه‌گیری و بهینه‌سازی سیستم

اندازه‌گیری بهینه سیستم معمولاً ۴۰ تا ۸۰ درصد از نیاز سالانه به آب گرم را تأمین می‌کند. سیستم‌های کوچک‌تر از اندازه مورد نیاز، نمی‌توانند سهم کافی از انرژی خورشیدی را تأمین کنند، در حالی که سیستم‌های بزرگ با کاهش بازده و افزایش هزینه‌ها مواجه می‌شوند.

دستورالعمل‌های اندازه‌گیری موارد زیر را توصیه می‌کنند:

• 1.4 تا 1.9 متر مربع مساحت کلکتور برای هر نفر برای آب گرم خانگی
• 5.7 تا 7.6 لیتر فضای ذخیره‌سازی برای هر فوت مربع مساحت کلکتور
• زاویه شیب کلکتور برابر با عرض جغرافیایی ± ۱۵ درجه

الزامات نگهداری

نگهداری مناسب، عملکرد بهینه و طول عمر سیستم را تضمین می‌کند. وظایف نگهداری سالانه عبارتند از:

• بازرسی چشمی کلکتورها و سخت‌افزار نصب
• بررسی سطح و فشار سیال در سیستم‌های حلقه بسته
• آزمایش حسگرهای دما و عملکرد کنترل‌کننده
• بازرسی عایق و اتصالات لوله
• شستشو و تعویض سیال انتقال حرارت هر ۳-۵ سال

جمع‌بندی مهم‌ترین نکات مقاله

گرچه گرمایش خورشیدی نمی‌تواند ۱۰۰٪ نیاز آب گرم را تأمین کند (چون مقرون به صرفه نیست) اما بیشتر سیستم‌ها ۵۰-۸۰٪ را پوشش می‌دهند. همچنین می‌توانند در زمستان و روزهای ابری هم به کار خود ادامه دهند (اما با کارایی کمتر) و این عملکرد مفید خود را معمولاً 20 تا 30 سال ارائه خواهند کرد (با نگهداری مناسب).

• راندمان برتر برای کاربردهای گرمایشی: سیستم‌های حرارتی خورشیدی برای کاربردهای گرمایشی به راندمان ۶۰ تا ۸۰ درصد می‌رسند که به طور قابل توجهی از پنل‌های فتوولتائیک (۱۵ تا ۲۵ درصد) بهتر است، زمانی که هدف تولید گرما به جای برق باشد.
• بازده مالی بالا: با مشوق‌های مالیاتی و دوره‌های بازگشت سرمایه معمول ۶ تا ۱۲ سال، سیستم‌های گرمایش خورشیدی می‌توانند هزینه‌های گرمایش آب را سالانه ۵۰ تا ۸۰ درصد کاهش دهند و آنها را به سرمایه‌گذاری‌های جذاب‌تری تبدیل کنند.
• سازگاری با آب و هوا: کلکتورهای لوله‌ای تخلیه مدرن می‌توانند در دماهای پایین تا -۴۰ درجه سانتی‌گراد به طور مؤثر کار کنند و حتی در روزهای ابری نیز به تولید گرمای مفید ادامه دهند و گرمایش خورشیدی را در آب و هوای متنوع فراتر از مناطق آفتابی، قابل اجرا کنند.
• ادغام هوشمند و آینده‌نگر: سیستم‌های گرمایش خورشیدی به طور فزاینده‌ای با پلتفرم‌های خانه هوشمند ادغام می‌شوند و نظارت از راه دور، نگهداری پیش‌بینی‌کننده و بهینه‌سازی خودکار را بر اساس پیش‌بینی‌های آب و هوا ارائه می‌دهند و هم عملکرد و هم تجربه کاربری را بهبود می‌بخشند. (بخوانید: هوش مصنوعی در انرژی خورشیدی)

منبع: solartechonline.com