بررسی فنی و اقتصادی دیگ‌های چگالشی و مقایسه‌ی آن با دیگ‌های فولادی برای یک مجتمع مسکونی در تهران

بررسی فنی و اقتصادی دیگ‌های چگالشی و مقایسهی آن با دیگ‌های فولادی برای یک مجتمع مسکونی در تهران


 

چکيده

انرژی و بهبود بازدهی آن در تجهیزات مختلف همواره از مباحث مورد توجه محققان در زمینه‌های مختلف بوده و هست. بخش ساختمان با سهم 40% از مصرف کل انرژی در دنیا ضمن اختصاص تحقیقات زیاد به خود، شاهد ارائه‌ی تجهیزات جدید و پربازده بوده است. دیگ چگالشی یکی از تجهیزات جدیدی است که در سال‌های اخیر با توجه به مزیت‌هایی که ارائه داده و مشکلات انرژی و زیست محیطی، با اقبال خوبی رو به رو شده است. تحقیقات زیادی در کشورهای مختلف در زمینه‌ی این دیگ‌ها انجام شده و اقتصادی بودن آن‌ها را اثبات کرده‌اند اما با‌توجه به تفاوت هزینه‌ی حامل‌های انرژی در ایران، برای روشن شدن وضعیت اقتصادی استفاده از این سیستم‌ها برای یک پروژه نمونه‌ی هزینه‌های سالانه‌ی دیگ چگالشی با یکی از رقبای سنتی آن یعنی دیگ فولادی مقایسه شده است.  نتایج نشان می‌دهند که در کنار مزایای متعدد، این دیگ‌ها قابلیت کاهش هزینه ­ها تا سقف 28% را نیز دارا می‌باشند، لذا انتظار می‌رود که در سال‌ها پیش‌رو مانند سایر نقاط دنیا این دیگ‌ها در ایران نیز به‌دلیل مسائل مربوط به انرژی و زیست محیطی با اقبال عمومی رو به رو شوند.

کلمات کليدی: دیگ چگالشی، گرمایش، تهویه مطبوع، توجیه اقتصادی

مقدمه

بحرانی انرژی و مشکلات زیست‌محیطی در قرن جدید همواره از مباحث روز بوده و توجهات زیادی را به خود معطوف نموده است. به‌همین دلیل همواره محققان در تلاش بوده‌اند تا در بخش‌های مصرف‌کننده‌ی انرژی با ایجاد بهبود‌هایی موثر به کاهش مصرف انرژی و آلاینده‌ها کمک نمایند. یکی از بخش‌هایی که سهم بسیار زیادی در مصرف انرژی و تولید آلاینده‌ها در دنیا دارد، ساختمان‌ها با سهم تقریبی 40% از مصرف کل انرژی می‌باشند[1]. با توجه به سهم بالای مصرف انرژی در ساختمان‌ها، این بخش همواره در سال‌های اخیر تحقیقات زیادی را در زمینه‌های مختلف به خود اختصاص داده است[2-4]. در کنار تحقیقات تئوری مختلف برای بهینه‌سازی مصرف انرژی در سال‌های اخیر همواره محصولاتی با بازدهی بالا به بازار ارائه شده که توانسته‌اند سهم قابل توجهی در کاهش مصرف انرژی در دنیا داشته باشند. یکی از تجهیزات جدیدی که در سال‌های اخیر مطرح شده و توانسته در کنار عملکرد مناسب و اقتصادی بازار زیادی را نیز به خود اختصاص دهد دیگ چگالشی می‌باشد. با توجه به تفاوت محسوس هزینه‌ی حامل‌های انرژی در ایران نسبت به سایر نقاط دنیا، یکی از دغدغه‌های کارفرمایان و مشاوران فعال در زمینه‌ی ساختمان‌ها اقتصادی بودن استفاده از تجهیزات جدید در شرایط ایران است. بنابراین در این تحقیق به بررسی توجیه اقتصادی استفاده از دیگ‌های چگالشی در شرایط ایران ( در شهر تهران) و مقایسه‌ی آن با دیگ‌های فولادی پرداخته شده است.

تشریح عملکرد دیگ‌های چگالشی

در دیگ‌ها برای تولید گرمایش معمولا از گاز متان به‌عنوان سوخت تحت واکنش زیر استفاده می‌شود.

CH4+2O2→2H2O+CO2+Q (1)                                   

آب موجود در محصولات احتراق با توجه به مقدار گرمای استحصال شده از محصولات احتراق می‌تواند به صورت مایع و یا بخار باشد. در صورتی که آب موجود در محصولات احتراق به صورت مایع درآید با اکسیدهای گوگرد و کربن‌دی‌اکسید موجود ترکیب شده و به تشکیل اسید منجر خواهد ‌شد. اسید قابلیت خورندگی بسیار بالایی داشته و می‌تواند در زمان کوتاهی باعث خرابی دیگ گردد، به‌همین دلیل در دیگ‌های مرسوم همواره تلاش می‌شود تا با محدود کردن دمای گازهای خروجی از تشکیل آب و در نتیجه ایجاد اسید جلوگیری شود. در واقع در دیگ‌های مرسوم گرمای نهان تبخیر آب که معادل 10.2% از کل انرژی سوخت[1] است قابل استفاده نبوده و تمام گرمای در دسترس همان گرمای محسوس یا ارزش حرارتی پائین سوخت[2] می‌باشد (شکل 1).

شکل 1: نسبت گرمای نهان و گرمای محسوس برای گاز طبیعی

 بنابراین بازدهی در این دیگ‌ها بر اساس ارزش حرارتی پایین و به‌صورت زیر تعریف می‌شود.  

ηLv =G(hout-hin)/B.QLv                                                 (2)

در دیگ‌های چگالشی به‌دلیل طراحی مناسب و استفاده از مواد خاص برای مبدل‌ها (‌آلومینیوم سیلیکون)، مقاومت بالایی در برابر خوردگی ناشی از تشکیل اسید ایجاد شده[3] وجود داشته  و بدون نگرانی می‌توان عمده‌ی گرمای موجود در محصولات احتراق شامل گرمای نهان تبخیر آب را نیز مورد استفاده قرار داد[6،5]. هر‌چند که گرمای نهان تبخیر در دیگ‌های چگالشی قابل استحصال است،  برای ایجاد قابلیت مقایسه‌ای، رابطه‌ای که برای بازدهی دیگ‌های مرسوم استفاده می‌شده در دیگ‌های چگالشی هم حفظ شده است. بنابراین با این تعریف در‌حالی که بازده‌ی دیگ‌های مرسوم به 94% محدود می‌شود، دیگ‌های چگالشی می‌توانند به بازدهی بالا تا حدود 110% برسند.  

دیگ‌های چگالشی اولین بار در سال 1970 مطرح شدند. با گذشت زمان این دیگ‌ها بیش­تر مورد توجه قرار گرفته وتحقیقات زیادی روی آن‌ها انجام شد. امروزه نیز این نوع دیگ‌ها در برخی از کشورها (به‌خصوص کشورهاي اروپایی) به‌طور گسترده‌اي مورد استفاده قرار می‌گیرند[7]. قوانین اتحادیه اروپا در زمینه‌ی حداقل بازدهی برای دیگ‌ها، کمپانی‌های سازنده را بیش از پیش به سمت دیگ‌های چگالشی سوق داده است[8]. گزارشات موسسه BSRIA Inc. نشان می‌دهد که سهم بازار دیگ‌های چگالشی در آمریکا در بخش تجاری از 30% در سال 2012 به 60% در سال 2016 رسیده است[9].

ديگ‌ها‌ی چگالشی به‌طور معمول با حالت جريان مخالف و دماي آب برگشتي پايين ­تر از دماي تقطير آب پيكره‌بندي مي‌شوند و همان‌طور که در شکل 2 دیده می‌شود در آن‌ها مشعل در قسمت بالایی دیگ قرار می‌گیرد.

شکل 2: تصویری از دیگ چگالشی بوش و محل قرار گیری مشعل[5]

دیگ‌های چگالشی در صورتی به بالاترین بازده می‌رسند که در آن‌ها چگالش رخ دهد. برای این کار باید دمای آب برگشت زیر دمای نقطه‌ی شبنم گازهای خروجی (55 درجه سانتی­گراد) و به‌صورت ایده‌آل 52 سانتی­گراد باشد. در دیگ‌های غیرچگالشی معمولا دمای رفت و برگشت در طیف 71 تا 82 درجه سانتی­گراد می‌باشد[6]. در صورتی که بر اساس استاندارد اشره[4] براي بازدهي مناسب ديگ‌هاي گرمايشي، دماي منبع آب گرم و آب گرم برگشتی باید به ترتیب 140 و 120 فارنهایت (60 و 49 درجه سانتی‌گراد) در‌نظر گرفته شود[10]. البته حتی در‌صورتی که چگالش در دیگ‌های چگالشی رخ ندهد، این دیگ‌ها بازدهی بالاتر از دیگ‌های غیرچگالشی دارند[11]. چرا که در این دیگ‌ها بهبود‌های دیگری نیز ایجاد شده است که از آن جمله می‌توان به‌وجود مشعل پیش اختلاطی[5] تابشی یک‌نواخت و عایق­ بندی بسیار مناسب‌تر اشاره نمود [5]. در ضمن در کنار بازدهی بالای انرژی نباید از مزایای دیگر دیگ‌های چگالشی مانند عملکرد بدون صدا، عدم محدودیت حداقلی برای حجم آب در گردش و … غافل شد.

مرور منابع

در سال 1985 رناتور و همکاران[6] به بررسی اثر دیگ­ های چگالشی بر روی بازدهی سیستم‌های گرمایشی پرداختند[12]. در سال 1990 سیریلو و همکاران استفاده از دیگ چگالشی در سیستم گرمایشی ساختمان را بررسی نمودند[13]. لازارین و همکارانش ضریب عملکرد یک سیستم گرمایشی را در صورت استفاده از دیگ ­های چگالشی مورد بررسی قرار دادند[14] و نشان دادند که در صورت استفاده از دیگ ­های چگالشی حداقل می‌توان 15% بازده‌ی سیستم حرارتی را افزایش داد. حسن و همکاران در سال 2009 به بررسی تاثیر استفاده از دیگ­های چگالشی در سیستم گرمایش از کف ساختمان پرداختند[15]. در این پژوهش به ازاي دماهاي مختلف محیط، دماي آب برگشتی بهینه و همچنین سطح انتقال حرارت لازم براي رادیاتورها محاسبه شده است. در سال 2012 چن و همکاران به بررسی کاربردهای صنعتی دیگ­های چگالشی پرداختند[6]. ویگنالی تاثیرات زیست‌محیطی دو دیگ گاز سوز چگالشی و معمولی در کشور ایتالیا را برای شرایط آب و هوایی و کلاس انرژی مختلف بررسی کرده و به این نتیجه رسید که دیگ‌های چگالشی 23% تاثیرات زیست محیطی کم‌تری نسبت به دیگ‌های مرسوم دارند [16]. بالانسکو در تحقیقی به بررسی تجربی بهینه ­سازی سیستم احتراق در دیگ‌های چگالشی با ظرفیت 36 کیلووات پرداخته است[17]. طایفه و همکاران سه سیستم گرمایشی مختلف شامل دیگ‌ معمولی، دیگ چگالشی و پمپ حرارتی را جهت گرمایش یک دفتر کار مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان دادند که علاوه بر مزایای اصلی و سایر مزایای جانبی استفاده از دیگ‌های چگالشی، حدود ۳۰ درصد صرفه جویی در مصرف گاز و کاهش قابل توجه انتشار آلاینده ­ها را به ارمغان می‌آورد[18].

محاسبات هزینه سالانه انرژی

در این پروژه یک ساختمان 8 طبقه 16 واحدی واقع در منطقه‌ی زعفرانیه‌ی تهران که متراژ مفید هر واحد آن 100 متر‌مربع است به‌عنوان نمونه‌ی مطالعاتی در نظر گرفته شده است. بار گرمایشی و بار گرمایی مربوط به آب گرم مصرفی برای این پروژه به شرح زیر محاسبه می‌شود. 

برای تعیین مقدار آب گرم مصرفی و بار گرمایی مربوط به آن به ترتیب از رابطه‌های زیر استفاده می‌شود[19].

Gph = ضریب تقاضا × حداکثر مصرف آب گرم در ساعت             (3)

Q=Gph×8.33×∆T                                                     (4)

برای ساختمانی با 5 نفر ساکن و 100 مترمربع مساحت آب گرم مصرفی برابر 30 گالن بر ساعت محاسبه می‌شود، لذا با در‌نظر گرفتن اختلاف دمای 80 درجه فارنهایت و استفاده از معادله (4)، بار گرمایی برای هر واحد و در نتیجه مجموع 16 واحد به ترتیب برابر Btu/hr 20،000 و Btu/hr 320،000 محاسبه می‌شود. برای بار گرمایشی نیز به ازای هر متر‌مربع Btu 400 بار گرمایی در‌نظر گرفته می‌شود[20]. بنابراین برای ساختمان با 16 واحد و متراژ کلی 1600 متر‌مربع بار گرمایشی برابر Btu/hr 640،0000 به‌دست می‌آید. در‌نتیجه بار مجموع ساختمان برابر Btu/hr 960،000 می‌شود. 

این مقدار محاسبه شده بار حداکثر ساختمان است و انتخاب مدل بر اساس آن انجام می‌گردد، لذا برای این ساختمان دیگ فولادی مدل Uni3000F-300 و دیگ چگالشی GB402-320 از برند بوش به ترتیب با بازدهی 93% و 110% انتخاب می‌شوند[5].

برای محاسبه هزینه 5 ماه نیاز به گرمایش و آب گرم مصرفی و هفت ماه نیاز به تامین آب گرم مصرفی را در‌نظر می‌گیریم. کارکرد دیگ را به‌صورت 15 ساعت کار 100% ظرفیت در هر روز فرض می­کنیم[7]. چون اساس بازدهی هر دو دیگ یکسان است قبل از انجام محاسبات نسبت بازدهی دو دیگ چگالشی و فولادی نسبت به‌یک‌دیگر را تعیین مینماییم تا تنها با محاسبه سوخت مصرفی یکی از دو دیگ بتوان به‌راحتی سوخت مصرفی دیگری را نیز محاسبه کرد. بنابراین نسبت بازدهی دیگ فولادی به دیگ چکالشی به صورت زیر می‌باشد.

نسبت بازدهی  =(93/110)×100=84.5%                         (5)

بنابراین در شرایطی که دو دیگ بتوانند در بهترین شرایط کار کنند، دیگ چگالشی 15.5% سوخت کم‌تری مصرف خواهد کرد. برای دیگ فولادی Uni3000F-300 مصرف سوخت ماهانه با توجه به ارزش حرارتی پائین گاز طبیعی [21] (47.14 مگاژول بر کیلوگرم یا 36000 کیلوژول بر مترمکعب) به صورت زیر محاسبه می شود..

              

برای محاسبه هزینه، سهم هر واحد که برابر 907.3 مترمکعب در ماه است را در‌نظر می‌گیریم تا بتوانیم تعرفه‌های پله‌ای را به آن اعمال نماییم. بنابراین با در نظر گرفتن تعداد 16 واحد و تعرفه‌های پله‌ای شرکت ملی گاز [22] هزینه مصرفی هر واحد به‌صورت زیر به‌دست می‌آید.

 

با افزودن 10% مالیات هزینه کل ساختمان (16 واحد) برای 5 ماهه سرد سال برابر 23446460ریال در ماه به‌دست خواهد آمد.

برای دیگ چگالشی نسبت سوخت مصرفی برابر 84.5% سوخت مصرفی دیگ فولادی است، بنابراین مصرف سوخت دیگ چگالشی برابر 766.7 مترمکعب محاسبه می‌شود. هزینه گاز مصرفی هر واحد در 5 ماهه سرد برای دیگ چگالشی مشابه حالت قبل برابر 16134870 ریال محاسبه می‌شود.

برای هفت ماهه‌ی گرم سال تنها به آب‌گرم مصرفی معادل 35%  بار کل نیاز است. بنابراین برای دیگ فولادی و چگالشی به ترتیب مقدار مصرف ماهانه برابر 317.5 و 268.3 مترمکعب خواهد بود و هزینه گاز مصرفی در هفت ماهه‌ی گرم سال به ترتیب برای دیگ فولادی و چگالشی برابر11،289،960 و 8،726،784 ریال در ماه خواهد شد. مجموع هزینه‌های دیگ فولادی و دیگ چگالشی در دوره یک ساله به ترتیب برابر 196,262,020 و 141,761,838ریال می‌باشد. بنابراین می‌بینیم که استفاده از دیگ چگالشی هزینه‌های سوخت را سالانه 28% کاهش می‌دهد.

نتیجهگیری

دیگ‌های چگالشی که در سال‌های اخیر با محبوبیت زیادی رو به رو بوده و در عمده کشورهای صنعتی و پیشرفته دنیا به وفور استفاده می‌شوند، پتانسیل بالایی در کاهش مصرف انرژی و کاهش آلاینده‌ها دارند. این دیگ‌ها باعث کاهش 15.5 درصدی سوخت می‌شوند. در ضمن با توجه به تعرفه‌های انرژی در ایران دیگ‌های چگالشی توانایی کاهش 28 درصدی هزینه‌ها به صورت سالانه را دارند. البته این محاسبات برای شرایطی است که طراحی مناسبی صورت گرفته و بتوان از تمام پتانسیل دیگ چگالشی و بالاترین مقدار بازدهی آن بهره‌مند شد. با توجه به این موضوع و مزایای دیگری که دیگ‌های چگالشی ارائه می‌­دهند مانند کاهش آلاینده‌ها به‌نظر می‌رسد که راه کار بسیار مناسبی برای شرایط ایران بوده و در صورتی که به خوبی به مشاوران و مهندسین مرتبط شناسانده شده و طراحی‌های مناسبی برای استفاده از این نوع دیگ‌ها در نظر گرفته شود، بتوانند در آینده نزدیک سهم بالایی از بازار دیگ‌ها در ایران را به خود اختصاص دهند.

 

 

فهرست علائم

راندمان دیگ

ηLv

دبی آب عبوری از دیگ

G

آنتالپی ورودی و خروجی

hin/hout

دبی گاز مصرفی

B

ارزش حرارتی پائین سوخت

QLv

بار حرارتی آب گرم مصرفی (Btu/hr)

Q

آب گرم مصرفی در ساعت (گالن بر ساعت)

Gph

اختلاف دمای آب ورودی و خروجی به منبع گرمایش (فارنهایت)

∆T

مترمکعب سوخت

m3Fuel

 

 

 

مراجع

 

[1] Recast, E., Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council of 19 May 2010 on the energy performance of buildings (recast). Official Journal of the European Union, 2010. 18(06): p. 2010.

[2] Kim, D., et al., Evaluation of energy savings potential of variable refrigerant flow (VRF) from variable air volume (VAV) in the US climate locations. Energy Reports, 2017. 3: p. 85-93.

[3] رضایی عزیز آبادی حامد، ضیابشرحق مسعود، عباسی زهرا، معرفی سیستم تهویه مطبوع VRF و بررسی توجیه اقتصادی این سیستم در شرایط ایران، کنفرانس ملی تحقیقات بین رشته ای در مهندسی کامپیوتر، برق، مکانیک و مکاترونیک، 1396

[4] Rocha, P., A. Siddiqui, and M. Stadler, Improving energy efficiency via smart building energy management systems: A comparison with policy measures. Energy and Buildings, 2015. 88: p. 203-213.

[5]  http://boschhvac.com/product/بویلر-چگالشی.

[6] Chen, Q., et al., Condensing boiler applications in the process industry. Applied Energy, 2012. 89(1): p. 30-36.

[7] Comakli, K., Economic and environmental comparison of natural gas fired conventional and condensing combi boilers. Journal of the Energy Institute, 2008. 81(4): p. 242-246.

[8] Antonescu, N. and P.-D. Stănescu, Computational Model for a Condensing Boiler with Finned Tubes Heat Exchanger. Energy Procedia, 2017. 112: p. 555-562.

[9] https://www.achrnews.com/articles/133510-commercial-market-embraces-condensing-boilers.

[10] Method of Testing for Annual Fuel Utilization Efficiency of Residential Central Furnaces and Boilers. ASHRAE Standard 103-1993 American Society of Heating, Refiigeration and Air Conditioning Engineers, Inc. Atlanta, Ga. , 1993.

[11] Lazzarin, R.M., Condensing boilers in buildings and plants refurbishment. Energy and Buildings, 2012. 47: p. 61-67.

[12] Lazzarin, R.M. and L. Schibuola, Performance analysis of heating plants equipped with condensing boilers. Journal of heat recovery systems, 1986. 6(4): p. 269-276.

[13] Cirillo, E., et al., Energy analysis of a central domestic hot water heating system equipped with condensing boilers. International Journal of Energy Research, 1990. 14(1): p. 73-81.

[14] Lazzarin, R., F. Busato, and F. Minchio. Performance analysis of different applications for condensing boiler on residential buildings in several climatic areas. in Proc. of the 3rd International Conference on Sustainable Energy Technologies. 2004.

[15] Hasan, A., J. Kurnitski, and K. Jokiranta, A combined low temperature water heating system consisting of radiators and floor heating. Energy and Buildings, 2009. 41(5): p. 470-479.

[16] Vignali, G., Environmental assessment of domestic boilers: A comparison of condensing and traditional technology using life cycle assessment methodology. Journal of Cleaner Production, 2017. 142: p. 2493-2508.

[17] Bălănescu, D.-T. and V.-M. Homutescu, Experimental Study on the Combustion System Optimization in the Case of a 36 kW Condensing Boiler. Procedia Engineering, 2017. 181: p. 706-711.

[18] طایفه ستاری, عطا و علیرضا رستمزاده خسروشاهی، ۱۳۹۵، مدلسازی ترمودینامیکی گرمایش فضاهای ساختمانی از دیدگاه انرژی و اگزرژی، سومین کنفرانس نوآوری های اخیر در مهندسی صنایع و مهندسی مکانیک، تهران، موسسه آموزش عالی نیکان

[19] طباطبایی سید مجتبی، محاسبات تاسیسات ساختمان، چاپ چهاردهم، تهران، نشر روزبهان 1389

[20] سلطان دوست محمد رضا، مراجعات سریع، نشر یزدا، ویرایش سوم، 1393

[21] http://www.nigc.ir

Device rotate

لطفاً برای تجربه کاربری بهتر دستگاه خود را ۹۰ درجه بچرخانید.