فصل الشتاء لسخان المياه بالطاقة الشمسية: كيفية منع الأنابيب المجمدة والأضرار

حماية من التجمد لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية

غالبًا ما تتضرر المجمعات وأنابيبها الخارجية في أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية نتيجة تمدد المياه المتجمدة خلال أشهر الشتاء القارسة، وخاصةً في المناطق الباردة ذات خطوط العرض المرتفعة. لذلك، يجب مراعاة تدابير الاستعداد لفصل الشتاء لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية. فيما يلي بعض التدابير الشائعة لحماية أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية من التجمد.

اختيار مجمعات الطاقة الشمسية المقاومة للتجمد

يُعدّ المُجمّع المائي جزءًا أساسيًا في نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية، ويجب وضعه في الهواء الطلق. اختيار مُجمّع مقاوم للتجمد يُجنّبك القلق بشأن أضرار التجمد خلال أشهر الشتاء القاسية.

مجمع الأنابيب المفرغة الحرارية، ومجمع الأنابيب المفرغة الزجاجية بالكامل المزودة بأنابيب داخلية، والمذكوران في الفصل الأول من هذا الكتاب، كلاهما مقاومان للتجمد. ولأن الماء الساخن لا يدخل مباشرةً إلى الأنابيب المفرغة، فإن أنابيب الغطاء الزجاجي للأنابيب المفرغة لا تتلامس مع الماء. علاوة على ذلك، تتميز الأنابيب الحرارية نفسها بسعة سائل عمل منخفضة جدًا، مما يجعلها محمية من التجمد حتى في درجات حرارة تصل إلى عشرات الدرجات المئوية تحت الصفر.

نوع آخر من المجمعات الحرارية المزودة بخاصية مانع التجمد هو المجمع الحراري ذي اللوحة المسطحة. بخلاف المجمعات الحرارية التقليدية ذات اللوحة المسطحة، يستخدم هذا النوع أنابيب حرارية بدلاً من الأنابيب الموجودة في أنبوب الممتص. تستخدم هذه الأنابيب وسطًا منخفض درجة الغليان والتجمد كسائل عامل، مما يمنع الممتص من التجمد. ومع ذلك، نظرًا لضعف الأداء التقني والاقتصادي لمجمعات الأنابيب الحرارية ذات اللوحة المسطحة مقارنةً بمجمعات الأنابيب المفرغة المذكورة سابقًا، فإنها لا تُستخدم على نطاق واسع حتى الآن.

نظام الدورة المزدوجة باستخدام مانع التجمد

يُدمج نظام الدورة المزدوجة (أو نظام الدائرة المزدوجة) مبادلًا حراريًا في نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية. يُشكل المُجمِّع والجانب الساخن من المبادل الحراري الدائرة الأولى (أو الحلقة الرئيسية). يُستخدم سائل مضاد للتجمد منخفض نقطة التجمد كوسيط لنقل الحرارة، مما يُوفر مانع تجمد النظام. يُمكن استخدام أنظمة الدورة المزدوجة في أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية ذات الدورة الطبيعية والدوران القسري.

في أنظمة الدورة الطبيعية، على الرغم من استخدام مانع التجمد في الدورة الرئيسية، إلا أن خزان تخزين المياه يقع في الخارج، كما أن خزان الماء البارد وأنابيب إمداد الماء الساخن مثبتتان جزئيًا في الخارج. حتى مع العزل، لا تضمن هذه الأنابيب الخارجية عدم تجمد الماء فيها في ليالي الشتاء الباردة. لذلك، عند تصميم النظام، من المهم مراعاة وسائل لتصريف الماء الساخن من الأنابيب بعد الاستخدام. على سبيل المثال، يمكن استخدام أنبوب سحب الماء الساخن على شكل سيفون كأنبوب إمداد بالماء البارد، مع تركيب صمام جوي في أعلاه للتحكم في فتحه وإغلاقه، وبالتالي تصريف الماء.

نظام العودة مع التصريف التلقائي

في نظام الدورة القسرية أحادي الحلقة، يُستخدم عادةً فرق درجة الحرارة للتحكم في تشغيل مضخة المياه الدائرية، ويكون خزان المياه عادةً داخل المنزل (في الطابق الأرضي أو القبو). خلال النهار في الشتاء، عندما يكون الإشعاع الشمسي كافيًا، يُفعّل مُتحكم فرق درجة الحرارة مضخة المياه الدائرية، مما يسمح للمجمع بالعمل بشكل طبيعي. أما في الليل أو في الأيام الغائمة، عندما يكون الإشعاع الشمسي غير كافٍ، فيُوقف مُتحكم فرق درجة الحرارة مضخة المياه الدائرية، مما يسمح بتدفق الماء من المجمع والأنابيب إلى خزان المياه بفعل الجاذبية، مما يمنع الضرر الناتج عن التجمد. في اليوم التالي، أو عندما يعود الإشعاع الشمسي إلى مستويات كافية، يُعيد مُتحكم فرق درجة الحرارة تشغيل مضخة المياه الدائرية، ويضخ الماء من خزان المياه إلى العاكس، مما يسمح للنظام بمواصلة العمل. يتميز نظام منع التجمد هذا بالبساطة والموثوقية، ولا يتطلب أي معدات إضافية. ومع ذلك، يجب أن يكون لمضخة المياه الدائرية في النظام ضغط عالٍ.

في السنوات الأخيرة، بدأت الدول الأجنبية بتطبيق إجراءات مانع التجمد الارتجاعي على أنظمة الدائرة المزدوجة. في هذا النظام، لا تستخدم الدائرة الأولى سائل مانع التجمد، بل تستخدم الماء كوسيط لنقل الحرارة في المجمع. في الليل أو في الأيام الغائمة، عندما يكون الإشعاع الشمسي غير كافٍ، تتوقف مضخة الماء الدائرية تلقائيًا، ويتدفق الماء في المجمع عبر آلية سيفون إلى خزان تخزين صغير مصمم خصيصًا. ثم يُعاد ضخ الماء إلى المجمع في اليوم التالي أو عندما يصبح الإشعاع الشمسي كافيًا، مما يسمح للنظام بمواصلة العمل.

استخدام نظام الصرف لتفريغ المياه المخزنة

في نظام أحادي الدائرة، سواءً كان دورانه طبيعيًا أو قسريًا، يُدمج مستشعر درجة حرارة في الأنابيب أسفل ماص المجمع أو عند أدنى درجة حرارة محيطة خارجية، متصلًا بوحدة تحكم. عندما تقترب درجة حرارة الماء في المجمع أو الأنبوب الخارجي من درجة التجمد (3-4 درجات مئوية)، تفتح وحدة التحكم، بناءً على إشارة من مستشعر درجة الحرارة، صمام التصريف وصمام تنفيس الهواء. ثم يُصرف الماء الموجود في المجمع والأنابيب الخارجية بفعل الجاذبية خارج النظام، مما يمنع إعادة استخدامه ويحقق تأثير منع التجمد المطلوب.

تدوير الماء الساخن تلقائيًا ليلاً من خزان التخزين

في نظام أحادي الدائرة مع دوران قسري، يُدمج عنصر استشعار درجة الحرارة في الأنابيب أسفل ماص المجمع أو عند أدنى درجة حرارة محيطة خارجية، متصلاً بوحدة تحكم. عندما تقترب درجة حرارة الماء في المجمع أو الأنبوب الخارجي من درجة التجمد (مثلاً، 3-4 درجات مئوية)، تُشغّل وحدة التحكم الطاقة، وتُشغّل مضخة الدوران، التي تضخ الماء الساخن من خزان التخزين إلى المجمع، مما يرفع درجة حرارة الماء في المجمع والأنابيب. عندما تصل درجة حرارة الماء في المجمع أو الأنبوب إلى قيمة مُحددة (أو عند تشغيل المضخة لفترة مُحددة)، تُطفئ وحدة التحكم الطاقة، مُوقفةً مضخة الدوران. ولأن هذه الطريقة المُضادة للتجمد تستهلك قدرًا مُعينًا من الطاقة لتشغيل مضخة الدوران، فهي مُناسبة للمناطق التي تشهد تجمدًا مُتقطعًا، ولكن ليس البرد القارس.

في نظام أحادي الدائرة، سواءً كان دورانه طبيعيًا أو قسريًا، يُركّب شريط تسخين ذاتي التنظيم في أكثر أجزاء الأنابيب الخارجية عرضة للتجمد. تعتمد هذه الطريقة على مقاوم حراري (ثرمستور) يقع بالقرب من شريط التسخين، ومتصل بدائرة شريط التسخين. عند تنشيط شريط التسخين، يُسخّن الماء في الأنابيب، ويرفع في الوقت نفسه درجة حرارة المقاوم الحراري، مما يزيد بدوره من مقاومته. عندما تصل مقاومة المقاوم الحراري إلى قيمة معينة، تُقطع الدائرة، ويُفصل شريط التسخين، وتنخفض درجة الحرارة تدريجيًا. تُكرّر هذه العملية مرات لا تُحصى، مما يمنع تجمد الماء في الأنابيب الخارجية، ويمنع في الوقت نفسه ارتفاع درجة حرارة شريط التسخين، مما يُسبب خطرًا. تستهلك هذه الطريقة المضادة للتجمد قدرًا معينًا من الكهرباء، لكنها فعّالة في المناطق شديدة البرودة.