آنالیز هزینه های اقتصادی و محیط زیستی جایگزینی آبگرمکن های گازی و برقی با آبگرمکن های خورشیدی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار گروه انرژی‌های نو و محیط زیست، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران *(مسوول مکاتبات)

2 استادیار گروه انرژی‌های نو و محیط زیست، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران

3 دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی انرژیهای تجدیدپذیر، دانشکده علوم و فنون نوین دانشگاه تهران.

چکیده

زمینه و هدف : به دنبال بحران نفت در دهه هفتاد میلادی و افزایش قیمت سوخت­های فسیلی، استفاده از انرژی­های تجدید‌پذیر
رونق گرفت. به دنبال کشف مشکلات و موارد محیط­زیستی پدیده گرمایش جهانی و تغییرات آب و هوایی، مسألهحفاظت از محیط زیست و تامین انرژی پایدار و پاک جوامع حایز اهمیت شد.  به کارگیری انرژی­های نو و تجدید­پذیر به ویژه انرژی خورشید، این منبع لایزال الهی به دلیل دریافت آسان­تر و در دسترس­ بودن آن، در طی سال­های اخیر بیش­تر مورد توجه دانشمندان و دانشجویان مرتبط با رشته­های انرژی قرار گرفته است. روش­های گوناگونی برای استفاده از این انرژی پاک و لایزال الهی وجود دارد، اما گرم­کردن آب با استفاده از آبگرمکن­های خورشیدی، شاید از آسان­ترین و اقتصادی­ترین روش­های موجود باشد.
روش بررسی: دراین تحقیق امکان­سنجی اقتصادی و محیط­زیستی استفاده از سیستم­های آبگرمکن خورشیدی در ساختمان مسکونی
6 واحدی (خانوارهای 4 یا 5 نفره)  در تهران با استفاده از اطلاعات واقعی و در محیط نرم افزار Retscreen مورد بررسی قرار گرفته و مدلسازی شده است.
یافته ها و نتایج: نتایج این تحقیق نشان می­دهد که با جایگزینی آبگرمکن­های گازی با آبگرمکن­های خورشیدی، میزان صرفه­جویی سالیانه در مصرف گاز طبیعی برای کل خانوارها برای تامین آب گرم مصرفی مورد نیاز 5820 مترمکعب می­باشد و میزان صرفه­جویی اقتصادی سالیانه برابر با 6،402،000  ریال خواهد بود و در اثر جایگزینی آبگرمکن­های برقی با آبگرمکن­های خورشیدی، میزان صرفه­جویی سالیانه در انرژی الکتریکی 22995 کیلو­وات ساعت و میزان صرفه­جویی اقتصادی سالانه 120،244،000  ریال می­باشد.

کلیدواژه‌ها


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورههجدهم، شماره سه، پاییز 95

 

آنالیز هزینه­های اقتصادی و محیط زیستی جایگزینی آبگرمکن­های گازی و برقی با آبگرمکن­های خورشیدی   

 

حسین یوسفی[1]

Hosseinyousefi@ut.ac.ir

یونس نوراللهی1

 سمیه طغیانی[2] 

تاریخ دریافت:14/3/92

تاریخ پذیرش:20/5/93

 

چکیده

زمینه و هدف : به دنبال بحران نفت در دهه هفتاد میلادی و افزایش قیمت سوخت­های فسیلی، استفاده از انرژی­های تجدید‌پذیر
رونق گرفت. به دنبال کشف مشکلات و موارد محیط­زیستی پدیده گرمایش جهانی و تغییرات آب و هوایی، مسألهحفاظت از محیط زیست و تامین انرژی پایدار و پاک جوامع حایز اهمیت شد.  به کارگیری انرژی­های نو و تجدید­پذیر به ویژه انرژی خورشید، این منبع لایزال الهی به دلیل دریافت آسان­تر و در دسترس­ بودن آن، در طی سال­های اخیر بیش­تر مورد توجه دانشمندان و دانشجویان مرتبط با رشته­های انرژی قرار گرفته است. روش­های گوناگونی برای استفاده از این انرژی پاک و لایزال الهی وجود دارد، اما گرم­کردن آب با استفاده از آبگرمکن­های خورشیدی، شاید از آسان­ترین و اقتصادی­ترین روش­های موجود باشد.

روش بررسی: دراین تحقیق امکان­سنجی اقتصادی و محیط­زیستی استفاده از سیستم­های آبگرمکن خورشیدی در ساختمان مسکونی
6 واحدی (خانوارهای 4 یا 5 نفره)  در تهران با استفاده از اطلاعات واقعی و در محیط نرم افزار Retscreen مورد بررسی قرار گرفته و مدلسازی شده است.

یافته ها و نتایج: نتایج این تحقیق نشان می­دهد که با جایگزینی آبگرمکن­های گازی با آبگرمکن­های خورشیدی، میزان صرفه­جویی سالیانه در مصرف گاز طبیعی برای کل خانوارها برای تامین آب گرم مصرفی مورد نیاز 5820 مترمکعب می­باشد و میزان صرفه­جویی اقتصادی سالیانه برابر با 6،402،000  ریال خواهد بود و در اثر جایگزینی آبگرمکن­های برقی با آبگرمکن­های خورشیدی، میزان صرفه­جویی سالیانه در انرژی الکتریکی 22995 کیلو­وات ساعت و میزان صرفه­جویی اقتصادی سالانه 120،244،000  ریال می­باشد.

واژه های کلیدی: انرژی­های تجدیدپذیر، آبگرمکن­های خورشیدی، هزینه های محیط­زیستی.

 

J.Env. Sci. Tech., Vol 18, No.3, autumn 2016

 

 

 

 

 


Economical and Environmental Costs Analysing of Replacing Gas and Electric Water Heaters with the Solar Water Heaters

 

 

Hossein Yousefi [3]٭

Hosseinyousefi@ut.ac.ir

 Younes Noorollahi1

 Somayeh Toghyani [4]

 

Abstract

Bachground and Objective: Following the oil crisis in the seventies and the rising cost of fossil fuels, the use of renewable energies flourished. Applying of new and renewable energies, especially solar energy, the divine eternal source due to its easy availability and, in recent years more attention has been scientists and students of the energy. A variety of methods exist for the use of clean energy and eternal God, but heating water using solar water heaters, as perhaps is the easiest and most economical method.

Method: In this study, environmental and economic feasibility of using solar water heater systems in residential buildings, 6 units (households with 4 or 5 persons) using real data in the environment of Retscreen software has been studied.

Findings and Conclusion: Results of this research show that the replacement of gas water heaters with the solar water heaters, the annual savings in natural gas consumption to supply hot water for the entire households is consuming 5,820 cubic meters. And the rate of annual economic savings equals 6402000 rials will be replace the electric water heaters the solar water heaters, electrical energy savings of 22,995 kWh annually and annual economic savings of 120,244,000 Iranian Rials.

 

Key words:energy crisis, renewable energy, solar water heaters, reducing CO2 emissions.

 

 

مقدمه


مسأله تأمین انرژی مورد نیاز از دیر­باز از دغدغه­های فکری بشر بوده و با پیشرفت صنایع و تکنولوژی، این مسأله به تدریج حادتر گردیده است. با محدودیت منابع تأمین­کننده کنونی انرژی و مسایل محیط­زیستی توجه به منابع دیگر انرژی طی دو دهه گذشته بیشتر شده و در این راستا، استفاده از انرژی­های تجدیدپذیر به منظور جایگزین نمودن آن­ها با سوخت­های فسیلی و کاهش آلودگی به تدریج افزایش یافته است.

یکی از مهم ترین منابع انرژی­های تجدیدپذیر، انرژی خورشیدی می­باشد که با توسعه نگرش­های محیط­زیستی و راهبردهای صرفه­جویانه در بهره­وری از انرژی­های تجدید­ناپذیر، استفاده از آن در بسیاری از کشورهای جهان رو به فزونی گذاشته است (1).

کشور ایران در بین مدارهای 25 تا 40 درجه عرض شمالی قرار گرفته است و در منطقه­ای واقع شده که به لحاظ دریافت انرژی خورشیدی در بین نقاط جهان، در بالاترین رده­ها قرار دارد. متوسط تابش انرژی خورشیدی در ایران بین 5/4 تا 5/5­­­­­­ کیلووات ساعت بر مترمربع در روز تخمین زده شده است که البته بالاتر از میزان متوسط جهانی است. در ایران به طور متوسط سالانه بیش از 280 روز آفتابی گزارش شده است که بسیار قابل توجه است.

انرژی خورشیدی می­تواند هم به شکل حرارت مانند آبگرمکن خورشیدی و هم به شکل الکتریسیته مانند پیل­های خورشیدی تبدیل شود. آبگرمکن­های خورشیدی از طریق جذب انرژی خورشید و تابش نور بر صفحات جاذب (کلکتور) عمل می­نمایند و راندمان گرمایشی آن­ها در فصول مختلف سال، برحسب موقعیت­های جغرافیایی هر شهر متفاوت می­باشد. اقتصادی‌ترین روش تولید آبگرم مصرفی ساختمان­ها، استفاده از انرژی خورشیدی است.

می‌توان از انرژی حرارتی خورشید جهت تهیه آبگرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی بخصوص در مکان­هایی که مشکل سوخت‌رسانی وجود دارد، استفاده کرد. چنانچه ظرفیت
این سیستم­ها افزایش یابد، می‌توان از آن­ها در حمام­های خورشیدی نیز استفاده نمود، همچنین بررسی­های علمی و محاسبات دانشمندان نشان می­دهد که یک دستگاه آبگرمکن خورشیدی بیش از 2 تن از آلودگی دی‌اکسید­کربن را در سال کاهش می­دهد (2).

 استفاده این سیستم­ها از منبع انرژی بی­پایان و ارزان خورشیدی، یکی از مزایای سیستم­های خورشیدی می­باشد و
از همه مهم­تر، این سیستم­ها برخلاف سوخت­های فسیلی تهدیدی برای محیط زیست به شمار نمی­روند و بابت گرم­کردن آب مورد نیاز، گرم­کردن فضای ساختمان و یا هتل، تا سال­ها هیچ هزینه­ای پرداخت نخواهد شد.                     

برای تهیه آبگرم در تمام ساعات شبانه­روز، یعنی در شب­ها و روزهای ابری، آبگرم در مخزن دو جداره و عایق حرارتی که دمای آب را تا 72 ساعت با کم­ترین افت دما حفظ می­کند، نگهداری می­شود. با استفاده از این سیستم می­توان هزینه­های مصرف گاز، گازوییل و برق را به­طور چشم­گیری کاهش داد که این امر در پروژه­های بزرگ ملموس­تر خواهد بود، به­طوری که بعد از گذشت زمان کوتاهی با صرفه­جویی در مصرف سوخت، سرمایه­گذاری اولیه مستهلک شده و بعد از آن بخاطر عمر بالای دستگاه­ها سود­آوری خواهد داشت. هزینه­های نگهداری و تعمیرات این سیستم­ها بسیار پایین و در حد صفر است؛ زیرا هیچ قطعه متحرکی نداشته و طول عمر کارکرد سیستم­های استاندارد و با کیفیت فنی بالا تا 20 سال می­رسد (3).

مهم ترین مانع برای توسعه استفاده از سیستم آبگرمکن خورشیدی، سرمایه­بر بودن اولیه این سیستم خورشیدی است که بر روی انتخاب مشتریان تأثیر منفی می­گذارد. برای
این مسأله لازم است، راه­کارهای اساسی اندیشیده شود. در مناطقی که هزینه­های انرژی و حامل­های انرژی زیاد است و دسترسی به شبکه گاز و برق مشکل و یا اساساً دسترسی به آنها وجود ندارد، کاربرد این محصول از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است. معمولاً ابعاد بهینه مولدهای خورشیدی را به گونه­ای انتخاب می­کنند که در کنار تأسیسات حرارتی حدود 75 درصد نیاز سالانه آبگرم مصرفی ساختمان را برآورده نماید و یا به عبارتی دیگر، سیستم­های خورشیدی حدود 9 ماه از سال صد درصد نیاز آبگرم مصرفی ساختمان را تامین و در سه ماه فصل زمستان به صورت سیستم کمکی در کنار تأسیسات مرکزی ساختمان عمل  می­نماید (4).

با داشتن دانش کافی درباره تابش خورشید، به­راحتی و به صورت بسیار مؤثرتر می­توان انرژی خورشید را برای گرم­ کردن آب مصرفی منازل و حتی کاربردهای صنعتی به کار برده و کاهشی چشم­گیری درمیزان هزینه آبگرم مصرفی داد. برای تحقق این اهداف، مطالعه دقیق اقتصادی -­­ اجتماعی و
محیط­زیستی مزایا و موانع به کارگیری این فناوری امری الزامی است. در این مورد، پژوهش­های متعددی در داخل و خارج از کشور صورت گرفته است که می­توان به موارد زیر اشاره نمود:

ساتریس[5] درسال 2004 در کشور قبرس به مقایسه استفاده از آبگرمکن معمولی با آبگرمکن خورشیدی پرداخت، و به این  نتیجه دست یافت که استفاده از آبگرمکن خورشیدی نسبت به آبگرمکن معمولی در حدود 80 درصد صرفه­جویی در مصرف انرژی الکتریکی را سبب می­شود (5).

­هانگ[6] در سال 2012، در مقاله­ خود به تحلیل اقتصادی و محیط زیستی استفاده از آبگرمکن خورشیدی در آمریکا در سه منطقه­ی آتلانتا، شیکاگو و لس­آنجلس پرداخت. آقای هانگ در تحلیل خود، از دو نوع سیستم آبگرمکن خورشیدی متفاوت (صفحه­ای و لوله خلا) استفاده کرد که با دو سیستم گرمایش کمکی (یعنی گاز طبیعی و الکتریسیته) کار می­کردند و به این نتیجه دست یافت که، سیستم آبگرمکن خورشیدی که از گاز طبیعی به عنوان گرمایش کمکی استفاده می­کند و کلکتور آن از نوع صفحه­ای است، بالاترین عملکرد را در میان سیستم­های دیگر دارد. زمان بازگشت سرمایه برای سیستم آبگرمکن خورشیدی با توجه به موقعیت و منطقه­ی مورد نظر بین 4-13 سال را پیش­بینی نمود (6).

محمد ساتکین در سال 1380 به تحلیل اقتصادی- اجتماعی بکارگیری انرژی خورشیدی در تامین آبگرم مصرفی خانواده­های 4 الی 5 نفره در ایران پرداخت. میزان مصرف انرژی و آلایندگی حاصل از روش­های سنتی را تعیین و دوره بازگشت سرمایه اولیه بکارگیری آبگرمکن را 4 سال اعلام نمود (7).

مجتبی هراتیان در سال 1382 به تحلیل فنی و اقتصادی کاربرد آبگرمکن خورشیدی برای یک ساختمان دولتی در اصفهان پرداخت و با بررسی شرایط اقلیمی منطقه، تاسیسات موجود و میزان آبگرم مصرفی مورد نیاز ساختمان، ظرفیت سیستم آبگرمکن خورشیدی مناسب را تعیین کرد. همچنین با در نظر گرفتن هزینه­ها­ی محیط زیستی، طول عمر سیستم آبگرمکن، پارامترهای اقتصادی مرتبط با وضعیت اجرای طرح برای ساختمان مذکور از دیدگاه­های متفاوت اقتصادی مورد ارزیابی قرار داد (8).

  فریده عتابی در سال 1390 با استفاده از نرم­افزار RETScreen به امکان­سنجی فنی، اقتصادی و محیط زیستی استفاده از سیستم­های آبگرمکن خورشیدی در ساختمان­های شهر یزد برای ساختمان مسکونی ویلایی و مجتمع آپارتمانی مسکونی پرداخته است. به این نتیجه دست یافت که، چنان­که تعداد ساختمان­های مسکونی شهر یزد حدودا 200,000 واحد (شامل 120,000 آپارتمان و 80,000 واحد ویلایی) باشند، میزان صرفه­جویی سالیانه در مصرف گازطبیعی در ساختمان­های مسکونی ویلایی و مجتمع­های آپارتمانی شهر یزد به ترتیب برابر با6696000 مترمکعب و 168240000 مترمکعب  و میزان صرفه­جویی اقتصادی سالیانه به ترتیب برابر با 16,560,000 دلار و 41,520,000 دلار خواهد بود و سالانه 240,000 تن معادل CO2 از انتشار گازهای گل­خانه­ای کاسته خواهد شد (9).

بررسی تحقیقات گذشته نشان می­دهد که تاکنون پژوهش­های زیادی در زمینه امکان­سنجی بکارگیری آبگرمکن خورشیدی صورت گرفته است؛ اما اکثر قریب به اتفاق آن­ها بیشتر بر مزیت­ها و مسایل اقتصادی استفاده از آبگرمکن خورشیدی تاکید داشته­اند و به مزایای محیط­زیستی و اجتماعی استفاده از این فناوری کم­تر توجه نموده­اند که این امر منجر به نتایج متفاوت و بعضاً دور از واقعیت در برآورد هزینه­های اولیه استفاده از آبگرمکن خورشیدی به منظور تامین آبگرم مصرفی شده است.

در پژوهش حاضر به منظور تحلیل اقتصادی و محیط زیستی مزایای بکارگیری آبگرمکن خورشیدی، سیستم ساده آبگرمکن خورشیدی، برای تهیه آبگرم خانوارهای 4 و 5 نفره در ساختمان مسکونی (ساختمان مسکونی6 واحدی با 25 نفر ساکن) مورد بررسی قرار گرفته است. میزان کاهش آلاینده­ها و همچنین میزان صرفه­جویی در مصرف گاز طبیعی و انرژی الکتریکی در اثر جایگزینی آبگرمکن خورشیدی به جای آبگرمکن گازی و برقی محاسبه شده است و برای مدل­سازی آن از نرم­افزار RetScreen  استفاده شده است.

 

 مواد و روش­ها

در این مطالعه استفاده از انرژی خورشیدی به صورت
آبگرمکن­خورشیدی به منظور استفاده بهینه از انرژی خورشیدی مورد بررسی قرار گرفته است. به منظور انجام این پژوهش اقدام به گردآوری اطلاعاتی همچون میزان مصرف آبگرم روزانه
 به ازای هر نفر، متوسط دمای ورودی و خروجی به آبگرمکن و بهای انرژی مصرفی بعد از حذف یارانه­های دولتی از کتب، نشریات و سایت­­های اینترنتی شد.

بدین صورت که بار آبگرم مصرفی سالانه در مجتمع آپارتمانی محاسبه شده و میزان سوخت مورد نیاز برای تأمین بار آبگرم مجتمع آپارتمانی با در نظر گرفتن منابع انرژی (گاز طبیعی و الکتریسیته) محاسبه شده است، سپس با توجه به میزان سوخت مصرفی میزان انتشار گازهای گل­خانه­ای محاسبه شده و هزینه اجتماعی این آلاینده­ها و هزینه سوخت مصرفی محاسبه گردیده است.

 

 

 

شکل 1- شماتیکی از سیستم گرمایش خورشید

 Figure1- Schematic of a solar heating system

 

2-1- معرفی آبگرمکن­های خورشیدی

 

دستگاهی است که انرژی خورشید (نور مستقیم و
غیر مستقیم) را به انرژی گرمایی تبدیل و آن را به آب انتقال می­دهد. انواع آبگرمکن خورشیدی را می­توان بر اساس تفاوت آن­ها در نوع کلکتور جاذب انرژی خورشیدی طبقه­بندی کرد که عبارتند از:  آبگرمکن­های خورشیدی با کلکتور تخت آبگرمکن­های خورشیدی با کلکتورهای لوله­ای تحت خلا.

 

2-2- اجزای آبگرمکن خورشیدی

اجزای تشکیل دهنده­ی یک آبگرمکن خورشیدی عبارتند از:

سطح جاذب (کلکتور): جنس آن بر اساس شرایط اقلیمی متفاوت بوده و تعداد آن بر اساس میزان مصرف آبگرم روزانه تعیین می­شود. به طور کلی کلکتورهای خورشیدی در دو نوع صفحه­ای و لوله­ای هستند کلکتورهای صفحه تخت پر­استفاده­ترین نوع کلکتور­های خورشیدی می­باشند. با توجه به شکل (2)، کلکتورهای صفحه تخت در آبگرمکن­های خانگی در شرایطی که آّب و هوای منطقه مورد نظر سرد نباشد، استفاده می­شود و بازدهی بالاتری دارند.

 

 

شکل 2- شکل بازدهی کلکتورها برای دماها و کاربردهای مختلف گرمایشی (10)

Fig 2- Efficiency of collectors for different temperatuers and various applications heating

 

 

  • · مخزن ذخیره آبگرم: معمولا به­صورت مخزن دو جداره یا مخزن کویل­دار می­باشد.
  • · پمپ سیرکولاسون: جهت گردش آب درون کلکتورها و تبادل حرارتی با تانک­ها
  • · منبع انبساط: جلوگیری از نوسانات حجمی و یکنواخت کردن فشار سیال
  • · نگهدارنده فلزی جهت مخزن و صفحه جاذب 
  • · لوله و اتصالات مربوطه

 

2-3- هزینه اجتماعی

هزینه­هایی است که، اثرات تخریب­کننده یا سوء یک آلاینده یا فعالیت بر محصولات کشاورزی، اکوسیستم­ها، مواد و سلامت انسان را برآورد می­کند و اغلب هزینه­های است که در قیمت تمام شده در نظر گرفته نمی­شود. در تعریف دیگر به مجموع پولی که بتواند صدمات ناشی از انتشار مواد آلاینده و گازهای گلخانه­ای را جبران نماید، هزینه تخریب یا هزینه­های اجتماعی گفته می­شود خواهد شد(9).  جهت محاسبه هزینه­های تخریب نیاز به کمی کردن اثر آلاینده­ها و فعالیت­ها در محیط­های اثرپذیر (انسانی و طبیعی) می­باشد.

 

نتایج و یافته­ها

3-1- محاسبهکلبارآبگرممصرفیسالانهدر مجتمع مسکونی

در پژوهش حاضر به منظور تحلیل اقتصادی و محیط زیستی مزایای بکارگیری آبگرمکن خورشیدی، سیستم آبگرمکن خورشیدی صفحه تخت پمپدار برای تهیه آب­گرم خانوارهای 4 و 5 نفره، در  ساختمان مسکونی 6 واحدی در تهران مد نظر قرار گرفته است. با توجه به استانداردهای موجود در زمینه مصرف آبگرم در ایران، به ازای هر نفر معادل 60 لیتر آبگرم برای مصرف در روز، دمای آب سرد ورودی به آبگرمکن، متوسط سالیانه دمای ورودی آب شهر به منازل مسکونی در سال حدود 5/15درجه سیلیسیوس و دمای آب خروجی از آبگرمکن 60 درجه سیلیسیوس در نظر گرفته می شود  .بار آبگرم مصرفی به ازای هر نفر با معادله 1 محاسبه می گردد: (11)

 

(1)

Q = ρ V C (T2-T1)

Q: بار حرارتی آبگرم مصرفی (kJ)

V:  مقدار واقعی آبگرم مصرفی در روز بر حسب لیتر

C:  گرمای ویژه آب ((kJ/kgC 18/4

: T1 دمای آب­گرم ورودی به آبگرمکن (°C 5/15)

: T2 دمای آب­گرم خروجی از آبگرمکن (°C 60)

ρ  : وزن مخصوص آب (1 kg/L)

با توجه به رابطه بالا، بار حرارتی آب­گرم مصرفی در روز برای
هر نفر برابر خواهد بود با:

 (2)

60 × 18/4 × (60-5/15) =  161/11   kJ  ≈ کیلووات ساعت در روز            107/ 3

 

و این میزان آبگرم در طول یک روز برای یک خانوار 4 الی 5 نفره برابر است با:   

(3)

270 × 18/4 × (60-5/15) =  7/50222kJ  ≈14   کیلووات ساعت در روز

 

در صورتی­که 75 درصد این میزان از انرژی توسط
یک آبگرمکن خورشیدی در طول یک سال تامین گردد، میزان کل انرژی حاصل با به کارگیری از این سیستم­ها در طول یک سال برای یک خانواده 4 الی 5 نفره به صورت زیر خواهد بود:

(4)

5/3832 =365× 75/0 × 14   کیلووات ساعت

و میزان انرژی حاصله در طول یک ماه برابر است با:

(5)

کیلووات ساعت      320  ≈12÷ 5/3832

 

با توجه به قیمت پلکانی برق که در جدول 1 نمایش داده شده است، تقریبا 320 کیلووات ساعت مصرف ماهانه انرژی برق بعد از حذف یارانه­ها، ارزش ریالی این میزان انرژی در سال 1391 برای یک ماه برابر با 167000 ریال خواهد بود.

 

 

 

جدول1- محاسبه پلکانی هزینه ماهانه برق صرفه­جویی شده توسط آبگرمکن خورشیدی

Table1- Staircase calculation of monthly cost savings of electricity by solar water heater

 

مصرف 30 روزه (Kwh)

نرخ (ریال)

مصرف 30 روزه (Kwh)

مبلغ (ریال)

100-0

300

100

30000

200-100

350

100

35000

300-200

750

100

75000

400-300

1350

20

27000

مقدار مصرف انرژی و مبلغ ماهانه

320

167000

 

 

 

این رقم در یک سال برابر با 2004000 ریال خواهد شد که این مبلغ در صورت استفاده از آبگرمکن خورشیدی در طول یک سال برای یک خانوار 4 الی 5 نفره صرفه­جویی پولی خواهد داشت. در مطالعه­ی موردی، ساختمان مورد نظر 6 واحد دارد، پس کل صرفه­جویی ناشی از استفاده از انرژی خورشیدی در طول یکسال 22995 کیلووات ساعت که ارزش ریالی این میزان انرژی 12024000 ریال می­باشد.

هزینه آبگرمکن خورشیدی که توانایی تامین این میزان
بار حرارتی در طول روز برای هر خانوار را داشته باشد، با توجه به اینکه در این پژوهش از آبگرمکن­های صفحه­ای پمپ­دار استفاده شده، طبق اعلام شرکت سازنـده18000000 ریال می­باشد. حال با توجه به میزان صرفه­جویی پولی حاصل از مصرف این آبگرمکن­ها به جای آبگرمکن­های برقی، زمان بازگشت سرمایه به­صورت زیر می­باشد:

(6)

83/8  =  2004000÷18000000سال

اگر بار آبگرم به­دست­ آمده به معادل مترمکعب گاز طبیعی، تبدیل گردد، می­توان مقدار انرژی را در صورت بکارگیری گاز طبیعی به­دست آورد، که برای محاسبه میزان مصرف گاز طبیعی برای تامین آبگرم مصرفی از فرمــول زیـر استفـاده می­کنیم:

(7)

ضریب تبدیل × ارزش حرارتی سوخت (kJ/m3 36000) × بازده سوخت / میزان انرژی گرمایی مورد نیاز در یک­سال (kJ) = مصرف گاز سالیانه

با توجه به رابطه­ی بالا میزان صرفه‌جویی در گاز طبیعی به­واسطه­ی استفاده از آبگرمکن خورشیدی به جای آّبگرمکن گازی برای یک خانوار 4 الی 5 نفره در طول یکسال  با توجه به بار حرارتی آبگرم مصرفی در یک سال و راندمان انواع سیستم­های آبگرم مصرفی میزان حامل انرژی بصورت زیر به دست می­آید. اگر فرض کنیم، واحدها از سیستم­های گرمایش با سوخت گاز طبیعی با راندمان 75% استفاده کنند، و حدود 70% از میزان گاز طبیعی هر واحد مسکونی برای گرمایش آب با سیستم­های خورشیدی جبران شود، در این صورت مصرف گاز طبیعی (مترمکعب) در طول یکسال برای یک خانوار 4 الی 5 نفره به صورت زیر خواهد بود:

(8)

kJ  105 × 3/183 =  365× 7/50222

(9)

970) = 36000 × 75/0× 7/0) ÷ 105 × 3/183

با توجه به این که قیمت هر متر مکعب گاز طبیعی بطور متوسط 1100 ریال در نظر گرفته می­شود، گاز طبیعی صرفه جویی شده در یکسال برای خانوار 4 الی 5 نفره  1067000ریال خواهد بود. که این مبلغ در صورت استفاده از آبگرمکن خورشیدی در طول یک سال برای یک خانوار 4 الی 5 نفره صرفه­جویی پولی خواهد داشت. در مطالعه­ی موردی، ساختمان مورد نظر 6 واحد دارد، پس کل صرفه­جویی ناشی از استفاده از انرژی خورشیدی در طول یکسال 5820 مترمکعب که ارزش ریالی این میزان انرژی معادل 6402000 می­باشد. با احتساب تنها هزینه به دست آمده از طریق صرفه­جویی و یا تولید انرژی در سال 1067000، دوره بازگشت سرمایه اولیه این محصول برابر با سال خواهد بود.

(10)

سال       86/16 =  1067000 ÷18000000

 

3-2-کاهش هزینه­های اجتماعی با استفاده از آبگرمکن­های خورشیدی

در بخش انرژی کشور، هزینه‌های خارجی در واقع هزینه‌هایی هستند که به جامعه و محیط زیست در اثر تولید، انتقال، تبدیل و مصرف انرژی تحمیل می‌گردند ولی در قیمت کالا یا خدمات منظور نمی‌گردند. عدم توجه به هزینه‌های محیط زیستی تولید برق‌ باعث ایجاد آثار مخرب بر منابع مورد استفاده می‌گردد و به عنوان نیرویی محرک، سیستم تولید برق را به سوی ناپایداری سوق‌ می‌دهد. به نظر می‌رسد برآورد هزینه‌های محیط زیستی و لحاظ کردن آن در هزینه نهایی تولید برق گامی است به سوی‌ شفاف‌سازی فرایند قیمت‌گذاری کالا و خدمات در بخش انرژی که زمینه علمی لازم برای حرکت به سوی قیمت‌گذاری مبتنی بر بازار در مورد مصرف برق کشور فراهم می‌شود.

این هزینه­ها زمانی شکل می­گیرد که فعالیت­های اقتصادی،
با ایجاد اثراتی چون آثار سوءمحیط زیستی مستقیم (نظیر انتشار آلاینده­ها)، تخریب اکوسیستم­ها و گروه­های دیگر اثر منفی بگذارد. به عبارت دیگر در علم محیط زیست برای کمی نمودن اثرات سوء محیط زیستی - بهداشتی از این واژه استفاده می­شود. برای محاسبه دقیق هزینه­های اجتماعی باید ارزش واحدهای محیط زیستی شناخته شود و میزان تاثیر
انواع آلاینده­ها بر واحدهای محیط زیستی برآورد گردد.
هزینه­های اجتماعی ناشی از مصرف حامل­های انرژی فسیلی در کشور برای آلاینده­های مختلف در ترازنامه انرژی سالانه بیان می­گردد.

افزایش سهم سیستم‌های خورشیدی در بخش انرژی باعث کاهش انتشار مواد آلاینده متعارف (NOx، SO2 و غیره) می‌گردد. همچنین کاهش انتشار گازهای گل­خانه‌ای، هزینه‌ خارجی سیستم انرژی را کاهش خواهد داد. استفاده از
آبگرمکن خورشیدی به دلیل کاهش استفاده از انرژی­های فسیلی، منجر به کاهش میزان هزینه­های اجتماعی می­گردد.

در جدول 2 میزان انتشار گازهای آلاینده و گل­خانه­ای به ازای هر کیلووات ساعت برق مشخص شده است. در کشور بیش­ترین انتشار در بین گازهای آلاینده، گاز  CO224/678
گرم بر کیلووات ساعت، NOx با شاخص انتشار 67/2 گرم بر کیلووات ساعت و  SO2با شاخص انتشار 24/2 گرم بر کیلووات ساعت در رده ­بعدی قرار دارند.  با در نظر گرفتن میزان انتشار گازهای آلاینده به ازای هر کیلووات و با توجه به عدد به دست آمده از راه صرفه­جویی برق در یک خانوار 4 الی 5 نفره به واسطه استفاده از آبگرمکن خورشیدی، امکان محاسبه مقدار کاهش گازهای آلاینده میسر خواهد شد (12).

با توجه به جدول زیر میزان کاهش انتشار گاز CO2 به­واسطه استفاده از آبگرمکن خورشیدی به جای آبگرمکن برقی برای هر خانوار 4 الی 5 نفره 6/2 تن و برای کل خانوارها 6/15 می­باشد.

(13)

کیلوگرم در سال    3/2599= 24/678× 5/3832

(14)

کیلوگرم در سال            15596  = 6 × 3/2599

با توجه به اینکه میزان انتشار CO2 نسبت به انتشار SO2 و NOx بسیار بیشتر است، در محاسبه­ی هرینه­های محیط زیستی از آن­ها صرف­نظر می­گردد. هزینه حذف و کنترل گاز دی­اکسید­کربن حاصل از آبگرمکن­های برقی حدود 36 دلار
به ازای هر تن می­باشد (3).


 

جدول 2- میزان کاهش انتشار گازهای گلخانه­ای توسط آبگرمکن خورشیدی با ازای هر خانوار 4 و 5 نفره

Table2- The reduction of greenhouse gas emissions per household by solar water heater with 4 and 5-seater

گاز آلاینده

مقدار انتشار به ازای یک کیلووات ساعت (گرما)

مقدار کاهش به واسطه آبگرمکن

خورشیدی (کیلوگرم در سال)

CO2

24/678

3/2599

SO2

24/2

6/8

NOx

67/2

2/10

جمع

15/683

3/2611

 

 

 


با  توجه به برابری نرخ ارز، هر دلار معادل 25000 ریال در نظر گرفته شد. ارزش ریالی پول صرفه­جویی شده حاصل از کاهش حجم گاز دی­اکسید­کربن در نتیجه بکارگیری آبگرمکن خورشیدی برای هر خانوار در طول یکسال 2339370 و برای کل خانوارها 14036220 می­باشد. با در نظر گرفتن هزینه­ی محیط زیستی، زمان بازگشت سرمایه برای آبگرمکن خورشیدی  به صورت زیر می­باشد:

(15)

سال          14/4 = 4343370 ÷  18000000

 

3-3- محاسبه میزان دی­اکسید کربن تولیدی به­واسطه مصرف گاز طبیعی

میزان دی­اکسید­کربن برای هر سوخت از واکنش آن با اکسیژن حاصل می­شود (13).

گاز طبیعی :

(16)

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

(17)

(g)  36 + 44 → 64 + 16

بر اساس رابطه فوق به ازای هر گرم گاز طبیعی 75/2 گرم CO2 تولید می­شود. از طرفی هر 35/1 مترمکعب گاز معادل 1 کیلوگرم گاز طبیعی فشرده شده است. پس در طول یک سال میزان CO2 تولیدی به­واسطه استفاده از آبگرمکن گازی برای هر خانوار بصورت زیر می‌باشد:

(18)

 کیلوگرم گاز طبیعی         5/718 = 35/1 ÷ 970

(19)

   کیلوگرم CO2           1975 =  75/2 × 5/718 

با توجه به رابطه­ی بالا میزان CO2 تولیدی برای کل خانوارها در یک­سال 82/11 تن می­باشد. با توجه به اینکه هزینه اجتماعی هر تن CO2 بر اساس مطالعات بانک جهانی و سازمان محیط زیست 36 دلار می­باشد. (3). هزینه اجتماعی آلاینده­های ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی در تامین گرمایش آب را می­توان، حساب کرد. حال با در نظر گرفتن هزینه­های محیط زیستی صرفه­جویی شده به ازای یک خانوار به مقدار محاسبه شده از طریق تولید انرژی توسط آبگرمکن خورشیدی در یک خانوار 4 الی 5 نفره  در طول یک سال، بازگشت سرمایه اولیه بصورت زیر می­باشد:

(20)

ریال               1778333= 25000×  97/1 × 36

(21)

سال                 32/6 = 2845333÷18000000

به منظور صحه­گذاری محاسبات مربوط به جایگزینی آبگرمکن برقی با آبگرمکن خورشیدی از نرم­افزار RETscreen در این پژوهش استفاده گردید. کلکتوری که در این پروژه استفاده شده از شرکت سولار پلار است که مشخصات آن در قسمت پیوست ذکر شده است. همان­طور که در شکل (3) نشان داده شده است پس از مدت زمان 1/4 سال سرمایه­گذاری اولیه بازیافت شده و از آن سال به بعد منجر به صرفه جویی اقتصادی در مصرف انرژی می­گردد.

 

 

 

شکل 3- جریان نقدینگی

 Fig 3- Cash flow

 

بحث و نتیجه­گیری

 

هم­زمان با کاهش ذخایر سوخت­های فسیلی و مصرف بی­رویه آن، شاهد افزایش دمای کره زمین هستیم، که بخش عمده این افزایش به سبب استفاده از سوخت­های فسیلی است. در نتیجه، در طول چند دهه اخیر استفاده از انرژی­های نو و تجدیدپذیر  به­خصوص انرژی خورشیدی مورد توجه قــرار گرفته است که، نه تنها پایان­ناپذیر است، بلکه به طور فراوان در طبیعت موجود می­باشد. در این مقاله، جایگزینی آبگرمکن خورشیدی با آبگرمکن برقی و گازی بررسی اقتصادی و محیط زیستی گردید. قیمت هر کیلووات ساعت انرژی الکتریکی با توجه به جدول پلکانی برق که در متن ذکر شده و قیمت هر متر مکعب گاز طبیعی 1100 ریال در نظر گرفته شد. با این فرضیات به این نتیجه رسیدیم که بازگشت سرمایه به­واسطه جایگزینی آبگرمکن خورشیدی با آبگرمکن برقی با در نظر گرفتن هزینه‌های محیط زیستی، در حدود 6/3 سال می­باشد که این جایگزینی صرفه اقتصادی دارد. و بواسطه جایگزینی آبگرمکن گازی با  آبگرمکن خورشیدی با در نظر گرفتن هزینه­های محیط زیستی، بازگشت سرمایه 32/6 سال می­باشد. پس در کل زمان بازگشت سرمایه جایگزینی آبگرمکن­های برقی با آبگرمگن­های خورشیدی کوتاه­تر می­باشد و صرفه­ی اقتصادی زیادی دارند. اگر عمر متوسط آبگرمکن خورشیدی را 20 سال در نظر بگیریم، حدود 4/16 و 68/13 سال (به ترتیب با جایگزینی آن با آبگرمکن برقی و آبگرمکن گازی) این محصول انرژی رایگان و سازگار با محیط زیست در اختیار ما قرار خواهد داد. این امر نه تنها از تولید مقدار عظیمی از گازهای آلاینده خواهد کاست، بلکه ما را از تولید مقدار چشم­گیری از انرژی که طبیعت به طور رایگان و پاک در اختیار ما قــرار می­دهــد، بهره­مند خواهد ساخت.

 

منابع

  1. یعقوبی محمود،­ کناری علی، عزیزیان کیان (1381). " نیروگا­ه­های گرمایی خورشیدی"، مجله مهندسی مکانیک، دوره یازدهم، شماره ٢٦.
  2. عتابی فریده، کعبی نژادیان عبدالرزاق، موسی زاده نمینی المیرا (1390). " آنالیز فنی، اقتصادی و محیط زیستی استفاده از آبگرمکن­های خورشیدی در ساختمان­ها­ی مسکونی"، نشریه انرژی ایران، دوره14، شماره4.
  3. عزیزی علی، فریادی شهرزاد، (1391). " تحلیل اقتصادی اجتماعی و محیط زیستی مزایای بکارگیری آبگرمکن خورشیدی (مطالعه موردی شهر شیراز)"، نشریه انرژی ایران، دوره 15 شماره 1.
  4. سرمستی امامی محمد رضا (1390). "بررسی دستگاه­های گردآوری­کننده انرژی خورشیدی و کاربردهای آن­ها"، نخستین همایش ملی انرژی باد و خورشید.
  1. Soteris A. (2003). "Environmental benefits of domestic solar energy systems", Energy Conversion and Management: 45, 3075–3092
  2. Hang Y., Qu M., Zhao F. (2012). "Economic and environmental life cycle analysis of solar hot water systems in the United States", Energy and Buildings: 45, 181–188.
  1. ساتکین محمد (1380). " تحلیل اقتصادی- اجتماعی بکار­گیری انرژی خورشیدی در تامین آبگرم مصرفی خانوارهای 4 الی 5  نفره در ایران"، سومین همایش ملی انرژی، تهران.
  2. هراتیان مجتبی، آخوندی نادر (1382). " تحلیل فنی و اقتصادی کاربرد آبگرمکن خورشیدی برای یک ساختمان دولتی در اصفهان"، مجموعه مقالات سومین همایش بهینه­سازی مصرف سوخت در ساختمان.
  3. عتابی فریده، صلحی زاده مونا، موسی­زاده نمینی المیرا (1390). " بررسی امکان­سنجی استفاده از سیستم­های آبگرمکن خورشیدی در شهر یزد"، نخستین همایش ملی انرژی باد و خورشید.
  4. Soteris A. (2009). "Solar Energy Engineering Processes and Systems book", publisher   Elsevier.
  5. عیوضی زهرا (1384). " استفاده از آبگرمکن خورشیدی در مناطق مسکونی/ تجاری منطقه 22 شهرداری تهران و اثرات آن در بهسازی محیط زیست"، چهارمین همایش بهینه سازی مصرف سوخت در ساختمان.
  6. معاونت امور انرژی وزارت نیرو(1389). ترازنامه انرژی سال 1389.
  7. خلجی اسدی مرتضی، عابدی زهرا، شرعی نیما (1388). " سیستم­های ترکیبی خورشیدی راه حلی نوین برای گرمایش در ساختمان­ها ‌"، علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره 11، شماره3.

 

 

 

 



1- استادیار گروه انرژی­های نو و محیط زیست، دانشکده علوم و فنون نوین، دانشگاه تهران *(مسوول مکاتبات)   

2- دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی انرژیهای تجدیدپذیر، دانشکده علوم و فنون نوین دانشگاه تهران.

[3]- Faculty of New Sciences and Technologies, University of Tehran*(Corresponding Auther).

[4]- Assistant Professor, Department of Renewable Energies and Environment, Faculty of New Sciences and Technologies, University of Tehran

[5]- Soteris

[6]- Hang

  1. یعقوبی محمود،­ کناری علی، عزیزیان کیان (1381). " نیروگا­ه­های گرمایی خورشیدی"، مجله مهندسی مکانیک، دوره یازدهم، شماره ٢٦.
  2. عتابی فریده، کعبی نژادیان عبدالرزاق، موسی زاده نمینی المیرا (1390). " آنالیز فنی، اقتصادی و محیط زیستی استفاده از آبگرمکن­های خورشیدی در ساختمان­ها­ی مسکونی"، نشریه انرژی ایران، دوره14، شماره4.
  3. عزیزی علی، فریادی شهرزاد، (1391). " تحلیل اقتصادی اجتماعی و محیط زیستی مزایای بکارگیری آبگرمکن خورشیدی (مطالعه موردی شهر شیراز)"، نشریه انرژی ایران، دوره 15 شماره 1.
  4. سرمستی امامی محمد رضا (1390). "بررسی دستگاه­های گردآوری­کننده انرژی خورشیدی و کاربردهای آن­ها"، نخستین همایش ملی انرژی باد و خورشید.
  1. Soteris A. (2003). "Environmental benefits of domestic solar energy systems", Energy Conversion and Management: 45, 3075–3092
  2. Hang Y., Qu M., Zhao F. (2012). "Economic and environmental life cycle analysis of solar hot water systems in the United States", Energy and Buildings: 45, 181–188.
  1. ساتکین محمد (1380). " تحلیل اقتصادی- اجتماعی بکار­گیری انرژی خورشیدی در تامین آبگرم مصرفی خانوارهای 4 الی 5  نفره در ایران"، سومین همایش ملی انرژی، تهران.
  2. هراتیان مجتبی، آخوندی نادر (1382). " تحلیل فنی و اقتصادی کاربرد آبگرمکن خورشیدی برای یک ساختمان دولتی در اصفهان"، مجموعه مقالات سومین همایش بهینه­سازی مصرف سوخت در ساختمان.
  3. عتابی فریده، صلحی زاده مونا، موسی­زاده نمینی المیرا (1390). " بررسی امکان­سنجی استفاده از سیستم­های آبگرمکن خورشیدی در شهر یزد"، نخستین همایش ملی انرژی باد و خورشید.
  4. Soteris A. (2009). "Solar Energy Engineering Processes and Systems book", publisher   Elsevier.
  5. عیوضی زهرا (1384). " استفاده از آبگرمکن خورشیدی در مناطق مسکونی/ تجاری منطقه 22 شهرداری تهران و اثرات آن در بهسازی محیط زیست"، چهارمین همایش بهینه سازی مصرف سوخت در ساختمان.
  6. معاونت امور انرژی وزارت نیرو(1389). ترازنامه انرژی سال 1389.
  7. خلجی اسدی مرتضی، عابدی زهرا، شرعی نیما (1388). " سیستم­های ترکیبی خورشیدی راه حلی نوین برای گرمایش در ساختمان­ها ‌"، علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره 11، شماره3.