دمج الطاقة الشمسية الحرارية: حماية صمامات التحكم في درجة الحرارة من التخزين عالي الحرارة في أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية

تُنتج المجمعات الحرارية الشمسية عادةً درجات حرارة ماء تكفي لتدمير الصمام المنزلي القياسي. ففي يوم صافٍ صيفي، يمكن لمجموعة حرارية شمسية مُصمَّمة جيدًا أن ترفع درجة حرارة خزان التخزين إلى ما يتجاوز ٨٥ °م — بل وقد تصل درجة حرارة المجمع نفسه، في ظروف التوقف الحراري، إلى ٢٠٠ °م.
وهذا يعني، بالنسبة لمُهندس الأنظمة الميكانيكية والكهربائية والمائية (MEP) والمنصبِّ، أن كل صمام يقع بعد خزان التخزين الشمسي يجب أن يُحدَّد وفقًا لدرجات الحرارة والصدمات الحرارية التي لم تُصمَّم المكونات الصحية التقليدية أصلًا لتحملها.

الواقع الحراري للأنظمة الحرارية الشمسية

فلنُعرِّف أولًا الظروف التشغيلية الفعلية قبل مناقشة مواصفات الصمامات:

أخطر سيناريو بالنسبة للصمامات: ظل النظام في حالة ركود صيفي عند ٩٥ °م، ثم دخل ماء شبكي بارد فجأةً إلى الدائرة عند فتح الحنفية. يؤدي الصدمة الحرارية — وهي هبوط في درجة الحرارة بمقدار ٧٥ °م خلال أقل من ثانية واحدة — إلى تشقق الأقراص السيراميكية، وانحناء المكونات البلاستيكية الداخلية، وتشوه ختم الإيثيلين بروبيلين ثنائي المونومر (إيبدم) القياسي تشويهاً دائماً.

الصمامات في دائرة الطاقة الشمسية الحرارية

تتطلب نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية وجود صمامات في ثلاث مواقع مختلفة، ولكل منها متطلبات حرارية مميزة:

١. صمامات حلقة المجمع

هذه هي الصمامات الأكثر عُرضةً للإجهاد الحراري في النظام. وتنقل حلقة المجمع سائل نقل الحرارة (عادةً خليط من الجليكول والماء) بين المجمّعات المركّبة على السطح ومبدّل الحرارة الخاص بالخزان التخزيني. ويجب أن تتحمل الصمامات الموجودة في هذه الحلقة — وهي صمامات العزل وصمامات الفحص وصمامات تفريغ الهواء — ما يلي:
• نطاق درجة الحرارة: من ٣٠- درجة مئوية إلى ٢٠٠ درجة مئوية (لتحمل حالة التوقف الحراري)
• السائل: خليط من بروبيلين جليكول/ماء، وهو أكثر عدوانيةً من الماء تجاه الأختام
• الضغط: ضغط ضاغطة المضخة بالإضافة إلى الضغط الثابت الناتج عن ارتفاع المجمّع
لعزل حلقة المجمع، حدد صمامات كروية كاملة الفتح ذات مقاعد من مادة البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) وحشوات جذع من الجرافيت. الصمامات الكروية النحاسية القياسية ذات مقاعد من مادة البولي تترافلوروإيثيلين (PTFE) مُصنَّفة لدرجة حرارة تصل إلى نحو ١٨٠ °م، وهي تغطي ظروف التشغيل العادية لكنها لا تكفي في حالات التوقف القصوى. أما في المنشآت الواقعة في المناطق ذات الإشعاع الشمسي العالي (مثل الشرق الأوسط وأوروبا الجنوبية وأستراليا)، فنوصي باستخدام صمامات كروية من الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع ٣١٦ في حلقة المجمع.

٢. صمامات خزان التخزين (للإغاثة من ارتفاع الحرارة)

يجب أن يحتوي كل خزان تخزين شمسي على صمام إغاثة من الضغط ودرجة الحرارة (T&P) مُصنَّف ليتحمل أقصى ظروف تشغيل مسموحة للخزان. وتشترط المواصفة الأوروبية EN 12897 ما يلي:
• نقطة ضبط إغاثة الحرارة: ٩٥–٩٩ °م (أقل من درجة غليان الماء عند الضغط الجوي)
• سعة التفريغ: يجب أن تكون متناسبة مع أقصى طاقة تدخل من المصفوفة الشمسية
• أنبوب التفريغ: معدني، ويجب أن يهبط باستمرار نحو نقطة تفريغ مرئية وآمنة
صمام التفريغ والضغط (T&P) الذي يتسرب عند درجة حرارة ٨٥ °م مُحدَّد بشكل خاطئ. يجب أن تكون نقطة التفريغ أعلى من أعلى درجة حرارة تشغيل طبيعية (عادةً ٨٥ °م أثناء التوقف الصيفي)، ولكن أقل من درجة الغليان. وتبلغ القيمة المعيارية لنقطة التفعيل ٩٥ °م مع هامش تحمُّل ±٣ °م لأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية.

٣. صمامات خلط حرارية في جانب التوزيع

وهنا تصبح الهندسة مثيرة للاهتمام. ويؤدي صمام الخلط الحراري (TMV) الموجود في جانب توزيع المياه الساخنة في نظام الطاقة الشمسية الحرارية وظيفتين:
١. خلط ماء التخزين عالي الحرارة (من ٦٥ إلى ٩٥ °م) لتقليل درجة حرارته إلى درجة آمنة للتسليم (من ٣٨ إلى ٤٦ °م)
٢. حماية نفسه من درجات حرارة دخول مستمرة قد تتسبب في تدهور خرطوشة صمام الخلط الحراري القياسي

تحديد مواصفات صمامات الخلط الحراري (TMVs) لأنظمة الطاقة الشمسية الحرارية

يُختبر صمام الخلط الحراري القياسي من الفئة TMV2 لتحمل درجات حرارة دخول مياه ساخنة متواصلة تصل إلى ٨٥ °م. أما في خزان التخزين المشحون بالطاقة الشمسية، فقد تتعرض مدخلات الصمام الساخنة لدرجات حرارة تتراوح بين ٩٠ و٩٥ °م لساعات متواصلة في فصل الصيف. وينتج عن تحديد مواصفات صمام غير مُصنَّف لتحمل هذه الظروف ما يلي:
• إجهاد العنصر الحراري: تفقد كبسولة الترموستات المليئة بالشمع استجابتها بعد التعرض الطويل لدرجات حرارة تفوق أقصى درجة حرارة مُصمَّمة لها
• تدهور الختم: تتصلّب واختراق حلقات O المصنوعة من مطاط EPDM والأغشية
• استرخاء النابض: ينخفض توتر نابض الإرجاع المسؤول عن إغلاق منفذ الماء الساخن، ما يؤدي إلى انحراف في درجة الحرارة
قائمة مواصفات صمام خلط حراري مخصص للطاقة الشمسية:

تُصنِّع شركة شيندونغ صمامات خلط حرارية معتمدة وفق معياري تي إم في ٢ وتِي إم في ٣، ومزوَّدة بخزّانات م rated لدرجات الحرارة العالية لتطبيقات الطاقة الشمسية الحرارية. ويمكن لفريق هندستنا توفير منحنيات تخفيض درجة الحرارة ومنشأ المواد الخاصة بمتطلبات التشغيل الشمسي، مما يدعم استشاريي الميكانيكا والكهرباء والسباكة بتقديم الحزم الفنية للمشاريع المتعلقة بالطاقة المتجددة.

استراتيجية التبريد المبدئي

في الأنظمة التي تتجاوز فيها درجات حرارة خزان التخزين بشكل روتيني التصنيف المستمر لصمام الخلط الحراري، فإن الحل الأكثر متانةً هو استخدام مبادل حراري للتبريد المبدئي بين خزان التخزين وصمام الخلط الحراري. ويُركَّب مبادل حراري لوحي صغير على خط إمداد المياه الباردة ليقوم بتبريد المياه الساخنة جزئيًّا قبل وصولها إلى مدخل صمام الخلط الحراري:
• تمر مياه الشبكة الباردة عند درجة حرارة تقارب ١٥ °م عبر أحد جانبي المبادل اللوحي
• يمر الماء الساخن من خزان الطاقة الشمسية عند درجة حرارة ٩٠ °م عبر الجانب الآخر
• يستقبل مدخل الصمام الحراري المزدوج (تي إم في) الماء الساخن عند درجة حرارة مبردة مسبقاً تبلغ نحو ٧٠ °م
• يصبح الماء البارد الذي قام بالتخفيض المبدئي لدرجة الحرارة الآن مسخناً مسبقاً إلى نحو ٣٥ °م، ما يقلل من عبء خلط الصمام الحراري المزدوج (تي إم في)
ويؤدي هذا الترتيب إلى إطالة عمر خدمة الصمام الحراري المزدوج (تي إم في) بشكل كبير، ويقلل من خطر الحروق الناتجة عن ارتفاع درجة الحرارة عبر تضييق مدى الخلط الذي يجب أن يتعامل معه الصمام، كما أنه يستعيد الحرارة المهدرة إلى تيار الإمداد البارد — وهي مكافأة طاقية بسيطة.

تشغيل نظام الطاقة الحرارية الشمسية

يتطلب تشغيل نظام الطاقة الحرارية الشمسية نفس إجراءات اختبار الصمام الحراري المزدوج (تي إم في) المطبَّقة في الأنظمة التقليدية (انظر مقالتنا المرافقة حول تشغيل الأنظمة وفقاً للمعيار البريطاني ٧٩٤٩)، مع الإضافات التالية:
1. الاختبار عند أعلى درجة حرارة تخزين ممكنة: شغِّل جهاز التسخين الاحتياطي (إن وُجد) لرفع درجة حرارة خزان التخزين إلى أقصى درجة حرارة تصميمية له، ثم نفِّذ كامل سلسلة تشغيل الصمام الحراري المزدوج (تي إم في). فقد ينجح الصمام الحراري المزدوج (تي إم في) في الاختبار عند ٦٥ °م ولكنه يفشل عند ٨٥ °م.
2. تحقق من تصريف الضغط ودرجة الحرارة: ارفع ذراع اختبار صمام التفريغ الحراري والضغط يدويًّا وتأكد من أن التفريغ يحدث بحرية. افعل ذلك عندما يكون النظام باردًا — ولا تحاول أبدًا رفع صمام التفريغ الحراري والضغط على خزان ساخن أو تحت ضغط.
3. محاكاة حالة التوقف عن التدفق: أثناء التشغيل الأولي في فصل الصيف، عزل مضخة حلقة المجمع وراقب درجات حرارة المجمع والخزان لمدة ثلاثين دقيقة. تأكَّد من أن أنظمة الحماية من ارتفاع الحرارة في النظام تفعِّل نفسها قبل أن تتجاوز أي صمام درجة الحرارة المُحدَّدة له.
4. وثِّق القراءات الخاصة بالنظام الشمسي: وبجانب بيانات التشغيل الأولي القياسية لصمامات خلط درجة الحرارة، سجِّل درجة حرارة توقف المجمع الشمسي، وأقصى درجة حرارة مسموح بها في خزان التخزين، وتركيز الجليكول، وتصنيف صمام التفريغ الحراري والضغط ودرجة الضغط التي تم ضبطه عليها.

بناءٌ يدوم طويلاً

الطاقة الشمسية الحرارية استثمارٌ مدته خمس وعشرون سنة. وقد تدوم المجمِّعات الموجودة على السطح طوال هذه المدة مع صيانةٍ بسيطة جدًّا، لكن الصمامات الموجودة في غرفة المعدات ستحتاج إلى الاستبدال مرة واحدة على الأقل — ما لم تُحدَّد مواصفاتها بدقة منذ اليوم الأول. والتكلفة الإضافية الضئيلة لترقية الصمام الحراري القياسي إلى صمام حراري مُصنَّف للحرارة العالية المستخدمة في أنظمة الطاقة الشمسية لا تُذكر مقارنةً بتكلفة استبدال الكارtridge وتكاليف إرسال الفنيين للصيانة وانقطاع الخدمة عن المستأجرين طوال عمر النظام.

شركة تشجيانغ شيندونغ لأدوات الحمام المحدودة تصنع الصمامات لقطاع السباكة العالمي منذ عام ١٩٩٩. وبفضل أكثر من ٦٥ براءة اختراع، وشهادات التصديق من WRAS/CE/ACS/NSF، وقدرتها الإنتاجية الشهرية التي تتجاوز ٢٠٠٬٠٠٠ مجموعة، نورد صمامات الخلط الحراري وصمامات التخفيف من الحرارة وصمامات العزل المصمَّمة خصيصًا لتلبية المتطلبات الحرارية لأنظمة الطاقة المتجددة. ويقدِّم فريقنا التقني الدعم للمهندسين المختصين في تصميم الأنظمة الميكانيكية والكهربائية والسباكة (MEP) عبر توفير شهادات المواد ووثائق تصنيف درجات الحرارة وجداول الصمامات الخاصة بكل مشروع.
دمج الطاقة الحرارية الشمسية ليس مجالاً متخصصاً — بل هو الاتجاه الذي تسير فيه أنظمة السباكة التجارية. وتحديد الصمامات القادرة على تحمل درجات الحرارة العالية يُعَدّ قراراً هندسياً صامتاً يحمي النظام لعقودٍ عديدة.

للحصول على مواصفات الصمامات ودعم التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية، يُرجى التواصل مع شيندونغ عبر [ www.cn-xindong.com ](https://www.cn-xindong.com).