تصميم نظام الطاقة الحرارية الشمسية ذي الدائرة الجليكولية لتوفير المياه الساخنة للأغراض التجارية
دليل تصميم أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية ذات الدائرة الجليكولية للحماية من التجمد، وتركيز البروبيلين جليكول، وخزانات التمدد، والتحكم في الركود، وطلبات عروض الأسعار.
بواسطة فريق SOLETKS الهندسي — المجموعة التجارية للطاقة الشمسية الحرارية في إحدى الشركات الخمس الرائدة عالميًا في تصنيع المجمعات الشمسية المسطحة، والتي تتمتع بـ 117 براءة اختراع وأكثر و أكثر من 160 خطوة فحص أثناء الإنتاج. وقد حددنا حلقات الجليكول عبر 4 نطاقات مناخية, ، من مخاليط البروبيلين 35% من أجل فندق قمة آبيك (بكين، 2014، 50 طنًا في اليوم، توفير 150,000 كيلوواط/ساعة سنويًّا) عبر 40% من أجل كنيسة هارز (ألمانيا، 2021، 22 طنًا في اليوم) إلى تركيزات تبلغ حوالي 50% بالنسبة لـ محطة التدفئة المركزية في مقاطعة ساغا (التبت، 2019، 107,000 م²، توفير 2,424 طنًا من الفحم سنويًّا) على ارتفاع يزيد عن 4,000 متر.
TL;DR — إجابة موجزة
A نظام الطاقة الحرارية الشمسية ذو حلقة الجليكول ينبغي تصميمه عندما يحتاج مشروع تجاري لتوفير الماء الساخن إلى:
- الحماية من التجمد (الحد الأدنى لتصميم الموقع ≤ +5 درجة مئوية)
- فصل حلقة التجميع عن مياه المشروع
- كيمياء السوائل الخاضعة للتحكم
- المبادل الحراري بين المصفوفة المثبتة على السطح ووحدة التخزين
حلقة الجليكول هي لا مجرد تفصيل شتوي. ويؤثر ذلك على:
- تحديد حجم المضخة (تصحيح اللزوجة)
- حجم التمدد (معامل التمدد الحراري)
- أداء المبادل الحراري (تصحيح السعة الحرارية)
- سلوك الركود (معدل الأكسدة)
- تخفيف الضغط (هامش الضغط عند درجات الحرارة العالية)
- التشغيل والصيانة السنوية (الرقم الهيدروجيني، نقطة التجمد، اللون، الهواء)
النقاط الرئيسية:
1. اختر السائل بناءً على درجة الحرارة الدنيا المحددة في التصميم المحلي — وليس من الإعدادات الافتراضية لكتالوج المورد.
2. حساب الحجم الإجمالي للحلقة قبل اختيار خزان التمدد.
3. مضخات بأحجام مختلفة مع مراعاة لزوجة الجليكول — منحنيات التدفق التي تعتمد على الماء فقط تقلل من قيمة انخفاض الضغط.
4. حماية الحلقة من الركود — كل حالة ركود تستنزف طاقة الحياة.
5. اختبر قيمة الرقم الهيدروجيني ونقطة التجمد والضغط واللون ومحتوى الهواء كل عام.
بالنسبة للمشاريع غير المباشرة ذات الدورة المغلقة، استخدم سخان مياه شمسي منفصل مزود بنظام دوران متوسط كإعداد مرجعي. بالنسبة للمصانع التجارية الكاملة، قم بتوصيل الحلقة بـ نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية التجاري/الصناعي نطاق العمل بحيث يتم تصميم أنظمة التخزين، والتدفئة الاحتياطية، وأنظمة التحكم بشكل متكامل.[1]
1. متى يتم استخدام حلقة الجليكول
تعمل حلقة الجليكول على حماية حقل المجمعات من خلال تدوير سائل نقل الحرارة بدلاً من مياه المشروع غير المعالجة عبر المجمعات المثبتة على السقف والأنابيب المكشوفة. وتصف وزارة الطاقة الأمريكية أنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية غير المباشرة بأنها أنظمة يمر فيها سائل نقل الحرارة المقاوم للتجمد عبر المجمعات، ثم يقوم مبادل حراري بنقل الحرارة إلى الماء.[2] كما يتناول «دليل تطبيقات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء» الصادر عن جمعية ASHRAE (الفصل الخاص بتسخين مياه الخدمة) موضوعات الحماية من التجمد، وكيمياء السوائل، وسلوك الركود على النحو التالي: قرار هندسي متعلق بالنظام, ، وليس اختيارًا من جانب المورد.[9]
استخدم تصميم حلقة الجليكول في الحالات التالية: واحد على الأقل إذا كان أي من هذه الشروط صحيحًا:
| الحالة | قرار حلقة الجليكول |
|---|---|
| الحد الأدنى للتصميم الخارجي هو +5 درجة مئوية أو أقل | يُشترط استخدام دائرة مغلقة مع سائل مقاوم للتجمد[2] |
| لا يمكن للأنابيب الموجودة على السقف تصريف المياه بشكل موثوق | استخدم الجليكول بدلاً من الدائرة المائية المباشرة |
| يلزم فصل مياه الشرب | استخدام مبادل حراري + سائل مجمع خاضع للتحكم |
| جودة المياه غير معروفة أو خطر تكوّن الترسبات مرتفع | تجنب دخول المياه المحلية إلى حقل التجميع |
| تكلفة توقف المبنى عن العمل مرتفعة | فصل مخاطر التجمد + السوائل عن مياه الاستخدام |
تزيد حلقة الجليكول من عبء التشغيل، لكنها تقلل من احتمال أن تتلف المجمعات والمشعبات وأنابيب السقف بسبب ليلة باردة واحدة أو مشكلة واحدة في جودة المياه.
2. البروبيلين مقابل الإيثيلين جلايكول — أيهما يجب استخدامه
| العقارات | البروبيلين جليكول (PG) | الإيثيلين جلايكول (EG) |
|---|---|---|
| السمية | منخفض (مصنف من قبل إدارة الغذاء والدواء الأمريكية (FDA) ضمن فئة GRAS فيما يتعلق بالتلامس مع الأغذية) | مادة سامة — يجب ألا تلامس مياه الشرب أبدًا |
| كفاءة نقل الحرارة | ~5–10% أقل من المجموعة الضابطة (EG) عند نفس التركيز | سعة حرارية أعلى |
| اللزوجة في درجات الحرارة المنخفضة | أعلى (أداء المضخة أسوأ) | أقل |
| التكلفة المعتادة | سعر أعلى لكل لتر | أقل لكل لتر |
| الاستخدام في مجال الطاقة الشمسية التجارية | الخيار الافتراضي لأنظمة الماء الساخن (سلامة مياه الشرب) | يُستخدم فقط عندما يكون تلوث حدود مياه الشرب مستحيلاً، وفي حال سمح القانون بذلك |
| متطلبات الكود المشتركة | مطلوب في معظم التطبيقات المجاورة لمياه الشرب | تخضع لقواعد مياه الشرب الصادرة عن مؤسسة العلوم الوطنية (NSF) والاتحاد الأوروبي (EU) |
لماذا يُحظر استخدام الإيثيلين جلايكول في معظم أنظمة الطاقة الشمسية التجارية
في أمريكا الشمالية، تنظم شهادة NSF/ANSI 61 المواد التي تتلامس مع مياه الشرب — ويُعتبر الإيثيلين جلايكول غير مطابق للمعايير بسبب سميته، لذا يجب على أي نظام شمسي تجاري توجد فيه حتى احتمالية للتلوث المتبادل (مثل المبادل الحراري أحادي الجدار، أو جدار الخزان المشترك، وما إلى ذلك) أن يستخدم البروبيلين.[9] في أوروبا، تُطبق قيود مماثلة بموجب توجيهات الاتحاد الأوروبي المتعلقة بمياه الشرب. وفي الصين، تعكس معايير GB/T هذا النهج. والنتيجة: البروبيلين هو الخيار الافتراضي الوحيد الآمن لأعمال توزيع المياه الساخنة التجارية، بغض النظر عن المنطقة.
قاعدة SOLETKS الميدانية: بالنسبة لأنظمة المياه الساخنة التجارية،, البروبيلين جليكول هو الخيار الافتراضي. لا تستخدم الإيثيلين جلايكول إلا في عمليات التسخين الصناعية، شريطة التأكد من عزلها تمامًا عن مياه الشرب، وفقط في الحالات التي تسمح فيها اللوائح المحلية بذلك صراحةً. وتستخدم جميع مشاريع SOLETKS الأربعة المشار إليها (APEC بكين، هارز بألمانيا، ساغا في التبت، تيانجين PVT) البروبيلين الجليكول.
3. تركيز الجليكول حسب النطاق المناخي
الـ جدول التركيز هو جوهر تصميم الجليكول. إذا كان مخففًا جدًّا → يتجمد. وإذا كان مركّزًا جدًّا → يؤدي إلى انخفاض اللزوجة، وتسريع عملية الأكسدة، وارتفاع التكلفة.
| الحد الأدنى لتصميم الموقع | تركيز البروبيلين جليكول | نقطة التجمد (تقريبًا) | الحماية من الانفجارات | مثال متعلق بالمناخ |
|---|---|---|---|---|
| > +5 درجة مئوية | غير مطلوب | — | — | فلوريدا (يُفضل استخدام النظام المباشر بدلاً من ذلك) |
| من 0 إلى −5 درجة مئوية | 25–30% | ~−10 درجة مئوية | ~−15 درجة مئوية | الساحل المتوسطي |
| من −5 إلى −15 درجة مئوية | 35–40% | ~−18 درجة مئوية | ~−25 درجة مئوية | بكين، شمال الصين، وسط ألمانيا |
| من −15 إلى −25 درجة مئوية | 40–45% | ~−25 درجة مئوية | ~−35 درجة مئوية | موجة برد في شمال ألمانيا، أوروبا الشرقية |
| < −25 درجة مئوية (جبال الألب/الهضبة) | 45–50% | ~−33 درجة مئوية | ~−45 درجة مئوية | هضبة التبت، شمال اسكندنافيا |
| متطرفة (صناعية / عملية) | 50–55% | ~−40 درجة مئوية | ~−50 درجة مئوية | يُستخدم نادرًا؛ ويؤدي إلى انخفاض شديد في اللزوجة |
قاعدة هامش الأمان: يجب تحديد تركيز الجليكول حتى يتسنى تقع درجة التجمد عند ما لا يقل عن 5–8 درجات مئوية أقل من الحد الأدنى التصميمي للموقع، وهو 1 في كل 10 سنوات. أما درجة حرارة الحماية من الانفجار فهي أقل من ذلك — حيث يمكن لمخاليط الماء والجليكول أن تتحول إلى مزيج من الماء والجليد دون أن تتسبب في انفجار الأنابيب، ولهذا السبب تكون درجة حرارة “الحماية من الانفجار” عادةً أقل بـ 10 درجات مئوية من نقطة التجمد.
مجالات التركيز الفعلية لمشروع SOLETKS
| المشروع | تصميم الموقع (الحد الأدنى) | التركيز | نقطة التجمد | لماذا هذا التركيز؟ |
|---|---|---|---|---|
| قمة آبيك (بكين، 2014) | ~−12 درجة مئوية | 35% PG | ~−16 درجة مئوية | نادرًا ما تتجاوز درجة الحرارة في بكين في فصل الشتاء −15 درجة مئوية؛ ويمنح 35% هامشًا يبلغ 4 درجات مئوية مع انخفاض طفيف في اللزوجة |
| كنيسة هارز (ألمانيا، 2021) | ~−12 درجة مئوية | 40% PG | ~−18 درجة مئوية | موجات البرد القارية التي تشهدها ألمانيا تبرر فارقًا يبلغ 6 درجات مئوية عن متوسط درجات الحرارة الشتوية المعتادة |
| مدرسة تيانجين PVT Pro+ (2024) | ~−10 درجة مئوية | 35% PG | ~−16 درجة مئوية | أقصى درجة حرارة ركود لوحدة PVT ~80 درجة مئوية؛ كما أن التركيز الأقل يقلل من التأثير السلبي على اللزوجة في قنوات PVT الأقل سمكًا |
| مقاطعة ساغا (التبت، 2019) | < −20 درجة مئوية | ~50% PG | ~−33 درجة مئوية | تتطلب فصول الشتاء في الهضاب + انخفاض الأداء بسبب الارتفاع تركيزًا شديدًا؛ ويُقبل انخفاض اللزوجة من أجل السلامة |
ملاحظة ميدانية (مقاطعة ساغا، التبت، 2019): على ارتفاع يزيد عن 4,000 متر،, يبلغ الضغط الجوي حوالي 60% عند مستوى سطح البحر, ، مما يؤدي إلى خفض درجة غليان السائل. وقد استخدم التصميم ضغط تعبئة على البارد أعلى (1.8 بار مقابل 1.2 بار في الحالات العادية) و تركيز جليكول أعلى. الدرس: لا تقم أبدًا بنقل تصميم نظام الجليكول المصمم لمستوى سطح البحر إلى المواقع المرتفعة — حيث يتغير كل من نقطة التجمد ومنطق الضغط. وتؤكد البيانات الميدانية طويلة الأمد الصادرة عن معهد فراونهوفر ISE أن الارتفاع والركود هما من بين أهم المتغيرات التي تؤثر على العمر التشغيلي الفعلي لنظام الجليكول.[10]
4. حساب حجم الحلقة
ينبغي أن يقدّر الحساب التصميمي الأول حجم الدائرة، لأن حجم خزان التمدد وكمية سائل التعبئة وتكلفة الصيانة وتصميم محطة الضخ تعتمد جميعها على ذلك.
ملاحظة بشأن المصدر: هذا حساب أولي؛ ويجب أن تستند القيم النهائية إلى البيانات التي توفرها الشركة المصنعة للمجمع، بما في ذلك الحجم الداخلي، ومواصفات الأنابيب، والتجهيزات، والمبادل الحراري، ومحطة الضخ.[1]
مثال على المدخلات
| معامل | القيمة |
|---|---|
| الحجم الداخلي لحقل المجمع | 28 لترًا |
| أنابيب الإمداد + العودة | 48 مترًا إجمالاً |
| الحجم الداخلي للأنبوب | 0.31 لتر/متر |
| المبادل الحراري + محطة الضخ | 9 لتر |
| هامش التعبئة + التفريغ | 10% |
الصيغة
حجم الدائرة = حجم المجمع + حجم الأنابيب + حجم المكونات
حجم التعبئة = حجم الدائرة × (1 + الهامش)الاستبدال
حجم الأنبوب = 48 × 0.31 = 14.9 لتر
حجم الدائرة = 28 + 14.9 + 9 = 51.9 لتر
حجم الملء = 51.9 × 1.10 = 57.1 لترالتوصية: اقتبس على الأقل 58 لترًا من سائل نقل الحرارة المُعدّ لهذه الدائرة. ثم حدد حجم خزان التمدد بناءً على الحجم الإجمالي للسائل، والارتفاع الساكن، وضغط التعبئة البارد، ودرجة الحرارة القصوى للدائرة، وإعداد صمام التنفيس. إذا كان الموقع يحتوي على منطقتان في السقف بارتفاعات مختلفة, ، قم بحساب الضغط الساكن لكل منطقة قبل طلب محطة الضخ.
5. شجرة قرارات تصميم حلقة الجليكول
[البداية: موقع المشروع + درجة الحرارة الدنيا المعروفة لتجميد التصميم]
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 1. هل يلزم تحديد حدود مياه الشرب؟ │
└──────────────────────────────────────────────────┘
│
├─ نعم → يجب استخدام البروبيلين جليكول
└─ لا (عملية صناعية)
└─ البروبيلين أو الإيثيلين (تحقق من اللوائح المحلية)
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 2. اختر التركيز وفقًا للنطاق المناخي │
└──────────────────────────────────────────────────┘
│
├─ من 0 إلى −5 درجة مئوية → 25–30%
├─ من −5 إلى −15 درجة مئوية → 35–40%
├─ من −15 إلى −25 درجة مئوية → 40–45%
└─ 2,000 م؟ │
└──────────────────────────────────────────────────┘
│
├─ نعم → إضافة تخفيض السعة حسب الارتفاع:
│ • ضغط التعبئة على البارد +0.3–0.6 بار
│ • التحقق من هامش الغليان
│ • النظر في زيادة التركيز
│
└─ لا → التصميم القياسي عند مستوى سطح البحر مناسب
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 4. حساب حجم الدائرة + خزان التمدد │
└──────────────────────────────────────────────────┘
│
├─ المجمعات + الأنابيب + المبادل الحراري + محطة الضخ
├─ +10% احتياطي التعبئة
└─ خزان التمدد = حجم الدائرة × التمدد %
+ احتياطي للأمان
│
▼
┌──────────────────────────────────────────────────┐
│ 5. التحقق من أداء المضخة مع لزوجة الجليكول │
└──────────────────────────────────────────────────┘
│
├─ منحنى التدفق بالماء فقط → إضافة تصحيح انخفاض الضغط الناتج عن الجليكول
└─ إعادة اختيار منحنى ارتفاع الضغط للمضخة إذا لزم الأمر
│
▼
[النتيجة: نوع السائل + التركيز + الأحجام + مواصفات المضخة]قاعدة الخدمة: لا تطلب أبدًا الجليكول دون في الوقت نفسه التحقق من التركيز، والحجم الإجمالي للحلقة، والشحن المسبق لخزان التمدد. هذه القيم الثلاث مرتبطة ببعضها البعض — فإذا تغيرت إحداها، يجب إعادة فحص القيمتين الأخريين.
6. خزان التمدد ونظام التحكم في الضغط
يحمي خزان التمدد الدائرة المغلقة من تمدد الجليكول أثناء التشغيل في درجات حرارة عالية. وإذا كان الخزان صغيرًا جدًّا أو تم شحنه مسبقًا بشكل غير صحيح، يرتفع الضغط، فينفتح صمام التنفيس، وتفقد الدائرة السائل. أما إذا كان الضغط منخفضًا جدًّا عند السقف، فإن الهواء يدخل أو يزداد خطر الغليان.
| القيمة | السجل المطلوب | نتيجة التصميم |
|---|---|---|
| الارتفاع الثابت | م من محطة الضخ إلى أعلى مجمع | يضبط ضغط التعبئة على البارد |
| حجم الحلقة | L | يحدد سعة خزان التمدد |
| أقصى درجة حرارة للحلقة | درجة مئوية | تحديد بدل التوسع |
| ضبط صمام التنفيس | حانة | يحدد الحد الأقصى للضغط الآمن |
| الشحن المسبق لخزان التمدد | حانة | يجب أن يتوافق مع منطق التعبئة على البارد |
| موقع جهاز فصل الهواء | غرفة المرافق أو أعلى نقطة | التحكم في عملية التطهير + مخاطر الضوضاء |
ما أهمية خزان التمدد من الناحية الميكانيكية؟
يتوسع الجليكول لأن كثافة السائل تتغير مع تغير درجة الحرارة. وتؤدي هذه الزيادة في الحجم إلى الضغط على الدائرة المغلقة، مما يتسبب في تفريغ صمام التنفيس عندما يتعذر على خزان التمدد استيعاب هذا التمدد. عادةً ما يعاني النظام الذي يفقد السائل بعد أيام مشمسة حارة من مشكلة في التمدد أو الركود — وليست مشكلة تتعلق بمنطقة المجمع.
مثال عملي (فندق قمة آبيك، بكين، 2014): في أول صيف حار منذ بدء التشغيل، انخفضت قيمة الشحن المسبق لخزان التمدد من 1.5 بار (مواصفات التعبئة على البارد) إلى 1.1 بار (قُيست عند الصيانة التالية). في اليوم الأكثر حرارة، تجاوزت ضغط الدائرة لفترة وجيزة 4 بار، فتفتح صمام التنفيس، مما أدى إلى فقدان حوالي 4 لتر من الجليكول. تم حل المشكلة بإعادة ضبط الشحن المسبق لمرة واحدة لمدة 30 دقيقة — ولكن لو فاتت هذه الخطوة لموسم آخر، لكانت حوادث التنفيس المتكررة قد أدت إلى استنزاف الدائرة. الدرس: تسجيل التمدد قبل الشحن عند كل الصيانة السنوية.
للحصول على التفاصيل المتعلقة بتحديد أبعاد محطة الضخ وخزان التمدد، انظر تحديد أبعاد محطة المضخات الحرارية الشمسية وخزان التمدد.
7. الحماية من الركود وارتفاع درجة الحرارة
الركود يحدث ذلك عندما تتلقى المجمعات الإشعاع الشمسي، لكن الدائرة لا تستطيع نقل الحرارة إلى وحدة التخزين. الأسباب:
- خزانات ممتلئة
- انقطاع التيار الكهربائي
- عطل في المضخة
- الصمامات المغلقة
- إيقاف التشغيل التلقائي عند بلوغ الحد الأقصى للمراقب
يؤدي الركود إلى ارتفاع درجة حرارة الجليكول، مما يُسرّع عملية الأكسدة ويقصر من عمر السائل. وتُعد حادثة كنيسة هارز في عام 2024 مثالاً نموذجياً على ذلك:
حالة ميدانية (كنيسة هارز، ألمانيا — قداس عام 2024): أدى إصلاح السقف المقرر إجراؤه لمدة 6 أيام في شهر يوليو إلى ترك صمامات العزل مغلقة دون تصريف جزء من مياه حقل التجميع. وحدثت حالات ركود متعددة خلال تلك الأيام الستة. وفي الصيانة السنوية التالية:
| القياس | قبل الحدث | بعد الحدث | الإجراء |
| — | :—: | :—: | — |
| الرقم الهيدروجيني | 8.4 | 7.1 | أقل من الحد الأدنى للمورد |
| اللون | أصفر فاتح | العنبر الداكن | الأكسدة الظاهرة |
| حمأة في المصفاة | لا شيء | مرئي | يؤكد حدوث تدهور |
| نقطة التجمد | −18 درجة مئوية | −16 درجة مئوية | مقبول |
كان السائل ضمن مواصفات الحماية من التجمد، لكن خارج المواصفات الكيميائية. العلاج: تفريغ كامل، شطف النظام، إعادة التعبئة بمزيج 40% PG جديد. التكلفة: حوالي 600 يورو للمواد + 4 ساعات من العمالة. الدرس: يجب دائمًا تصريف جزء من المياه من المجمعات أو تظليلها أثناء فترات التوقف المخطط لها التي تزيد عن 48 ساعة في فصل الصيف, ، أو تركيب نظام تجميع مقاوم للركود.
قواعد الحماية من الركود
- إضافة التحكم في الحد الأقصى وبالتالي تتوقف المضخة قبل أن يتجاوز مستوى السائل في الخزان الحد المحدد في المشروع.
- أضف خزان التمدد الذي يتحمل التغيرات الحجمية الناتجة عن درجات الحرارة العالية.
- الحفاظ على صمامات العزل فتح أثناء التشغيل؛ قم بوضع علامات واضحة على مواقع الخدمة.
- تسجيل حالات الركود في سجل الصيانة.
- سائل الاختبار بعد موسم ارتفاع درجات الحرارة الأول وبعد أي حالة متكررة من ارتفاع درجة الحرارة.
مذكرة بشأن الركود الخاص بـ PVT
تتميز أنظمة PVT (الكهروضوئية الحرارية) بـ خفض الحد الأقصى لدرجة حرارة الركود (عادةً ما تكون حوالي 80 درجة مئوية، مقابل أكثر من 130 درجة مئوية في المجمعات المسطحة التي تعمل بالطاقة الحرارية فقط) لأن الخلايا الكهروضوئية تتلف عند درجات الحرارة المرتفعة. ويستخدم مصنع PVT Pro+ التابع لمدرسة تيانجين (2024، 3,000 متر مربع) 35% PG مزود بنظام ذكي للتحكم في التحميل والتفريغ وبالتالي، لا تصل درجة حرارة حقل التجميع أبدًا إلى مستويات قد تسبب تلفًا. الخبر السار: انخفاض درجات حرارة الركود يعني تكون عملية أكسدة الجليكول أبطأ في أنظمة الطاقة الكهروضوئية (PVT) مقارنةً بالأنظمة الحرارية البحتة — حيث يمتد العمر التشغيلي النموذجي لمركب PG إلى 6–10 سنوات، مقابل 3–5 سنوات التي تُعد أكثر شيوعًا في الأنظمة الحرارية البحتة ذات الألواح المسطحة التي سبق أن تعرضت لظاهرة الركود.
8. تأثيرات المضخة والمبادل الحراري
يؤدي الجليكول إلى تغيير أداء المضخة لأن مخاليط الجليكول عادةً ما تختلف في اللزوجة والسعة الحرارية عن الماء. قد يؤدي حساب المضخة المخصصة للمياه فقط إلى التقليل من انخفاض الضغط بنسبة تتراوح بين 20 و40% عند تركيز 40% PG.
سلسلة السبب والنتيجة التي يجب على المشترين الانتباه إليها:
لزوجة أعلى (الجليكول)
↓
انخفاض أكبر في الضغط
↓
مضخة ذات سعة أقل من المطلوب → انخفاض تدفق الدائرة
↓
انخفاض تدفق الدائرة → ارتفاع درجة حرارة مخرج المجمع
↓
ارتفاع درجة حرارة المجمع → زيادة فقدان الحرارة إلى البيئة المحيطة
↓
ارتفاع درجة الحرارة + انخفاض التدفق → يتأكسد الجليكول بشكل أسرع
↓
تقادم الجليكول → تراكم الحمأة → انسداد المصفاة → انخفاض التدفق بشكل أكبريؤدي ضعف التدفق إلى الإضرار بالأداء وعمر السائل في آن واحد. ولهذا السبب تتعطل المضخات ذات السعة غير الكافية في دوائر الجليكول على دفعات — حيث تظهر الأعراض في السنة الثالثة أو الرابعة، وليس في السنة الأولى.
معامل تصحيح حجم المضخة (قاعدة عامة)
| تركيز الجليكول | مضاعف انخفاض الضغط (مقارنةً بالماء) |
|---|---|
| 25% PG | × 1.10 |
| 35% PG | × 1.20 |
| 45% PG | × 1.35 |
| 50% PG | × 1.45 |
احرص دائمًا على تطبيق هذا التصحيح عند أدنى درجة حرارة تشغيل متوقعة — ترتفع لزوجة الجليكول ارتفاعًا حادًّا مع انخفاض درجة حرارة السائل.
للاطلاع على التفاصيل الكاملة لتحديد أبعاد المبادل الحراري، انظر تحديد أبعاد المبادل الحراري الشمسي لنظام المياه الساخنة ذي الدائرة المغلقة.
9. مصفوفة دورة الحياة وصيانة السوائل
ينبغي مقارنة تكلفة حلقة الجليكول على مدار عمر الخدمة — وليس فقط بناءً على سعر الشراء الأولي.
ملاحظة بشأن المصدر: الفترات المذكورة أدناه هي قيم تخطيطية للمشتريات؛ أما الحدود النهائية فتستند إلى مورد السائل، واللوائح المحلية، ودرجة حرارة التشغيل في الموقع.
| عنصر | الفاصل الزمني الأساسي | عتبة الإجراء |
|---|---|---|
| اختبار درجة الحموضة ونقطة التجمد | 12 شهرًا[2] | معالجة أو استبدال السوائل التي لا تدخل ضمن نطاق المورد |
| سجل الضغط | 3 أشهر بعد بدء التشغيل، ثم 12 شهرًا[1] | تحقق مما إذا كان الضغط البارد يتغير بمقدار 0.3 بار |
| حالة جهاز فصل الهواء + فتحة التهوية | 6 أشهر[1] | قم بالتنظيف في حالة ظهور ضوضاء في المضخة أو عدم استقرار التدفق |
| تنظيف المصفاة | 3 أشهر بعد بدء التشغيل، ثم 12 شهرًا[1] | قم بالتنظيف إذا انخفض التدفق بمقدار 15% عن مستوى التشغيل الأولي |
| التخطيط لتعويض السوائل | 3-5 سنوات كالمعتاد،, 5–8 سنوات إذا لم يكن هناك ركود[1] | يُقصر بعد ركود متكرر أو وجود سائل حمضي |
| الشحن المسبق لخزان التمدد | 12 شهرًا[1] | إعادة الضبط عندما يختلف الشحن المسبق بمقدار 0.3 بار عن المواصفات |
للاطلاع على إجراءات الصيانة الكاملة، انظر خطة التشغيل والصيانة للأنظمة الحرارية الشمسية التجارية.
10. المعايير والوثائق
ينبغي أن تحدد إجراءات شراء «حلقة الجليكول» أساس اختبار المجمع، وحدود لوحة التحكم، ونظام الجودة، ومعدات الضغط، وحدود مياه الشرب، ومتطلبات الاعتماد.
| المعيار / الشهادة | حيثما ينطبق ذلك | قاعدة طلب عرض الأسعار |
|---|---|---|
| ISO 9806:2017 | طرق اختبار المجمعات الحرارية الشمسية | يُستخدم في تصميم حلقة تغذية بيانات أداء المجمع.[3] |
| علامة الشمس المفتاحية | شهادة الجامع الأوروبي | الطلب الذي يشترط فيه المشتري الحصول على شهادة أوروبية.[4] |
| ISO 9001 | نظام إدارة الجودة | يُستخدم كدليل على سير العمل لدى المورد.[5] |
| UL 508A | لوحات التحكم | يُستخدم في حالة توفير مضخة أو لوحة تحكم مخصصة لسوق UL.[6] |
| ASME BPVC | معدات الضغط | يُطبق هذا في الحالات التي تخضع فيها الخزانات/الأوعية لقواعد الضغط.[7] |
| NSF/ANSI 61 | المواد التي تتلامس مع مياه الشرب | يُستخدم في الحالات التي تتطلب اعتمادًا للتلامس مع مياه الشرب (مما يجعل البروبيلين جليكول الخيار الوحيد في معظم الحالات).[8] |
| تطبيقات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) وفقًا لمعايير ASHRAE | هندسة تسخين مياه الخدمة | مرجع لاتخاذ القرارات المتعلقة بالحماية من التجمد وكيمياء السوائل.[9] |
11. مدخلات طلبات عروض الأسعار (RFQ) الخاصة بـ SOLETKS
اطلب الدعم الهندسي من خلال صفحة الاتصال بـ SOLETKS عندما يتعين اختيار حلقة الجليكول والمبادل الحراري وخزان التخزين ونظام التدفئة الاحتياطي معًا.
المناخ + الموقع
- مدينة المشروع + البلد
- أدنى درجة حرارة للتصميم في الأماكن المفتوحة
- ارتفاع الموقع (م) — مطلوب إذا كان الارتفاع > 2,000 م
- ارتفاع السقف فوق محطة الضخ
أجهزة Loop
- نوع المجمع، العدد، الحجم الداخلي
- طول الأنبوب + القطر الاسمي
- نوع المبادل الحراري المفضل (لوحى / لولبي / غلاف وأنبوب)
- موقع محطة الضخ
مواصفات السائل
- نوع السائل المفضل (البروبيلين / الإيثيلين) — البروبيلين هو الإعداد الافتراضي
- درجة الحرارة المستهدفة للحماية من التجمد
- أقصى درجة حرارة مسموح بها للحلقة
الامتثال
- المعايير المطلوبة: ISO 9806، أو Solar Keymark، أو UL 508A، أو ASME BPVC، أو NSF/ANSI 61، أو اللوائح المحلية
- خطة الصيانة: خدمة داخلية، أو خدمة الموزع، أو متعاقد سنوي
12. قائمة مراجعة المواصفات
استخدم قائمة المراجعة هذه قبل الموافقة على دائرة الجليكول:
| عنصر | القيمة المطلوبة |
|---|---|
| السائل | النوع (PG/EG)، التركيز، نقطة التجمد، نطاق الرقم الهيدروجيني |
| حجم الحلقة | المجمع + الأنبوب + المبادل الحراري + محطة الضخ + احتياطي التعبئة |
| خزان التمدد | الحجم، الشحن المسبق، ضبط صمام التنفيس |
| مهام المضخة | التدفق، الارتفاع، تصحيح الجليكول، التحكم في السرعة |
| المبادل الحراري | الحمل، درجة الحرارة عند المدخل، انخفاض الضغط |
| عناصر التحكم | الحد الأقصى، منطق التجميد، فرق ضغط المضخة، نقاط الإنذار |
| الصيانة | اختبار السوائل، سجل الضغط، تنظيف المصفاة، خطة الاستبدال |
| تخفيض القدرة بسبب الارتفاع (إذا كان الارتفاع > 2,000 م) | ضغط تعبئة أعلى في حالة البرودة + تركيز أعلى |
الأسئلة الشائعة
لماذا يُستخدم الجليكول في النظام الحراري الشمسي؟
يُستخدم الجليكول لحماية دائرة التجميع من التجمد وفصل المعدات المثبتة على السطح عن مياه المشروع. ويكون استخدامه إلزاميًا عندما تصل درجة الحرارة التصميمية في الهواء الطلق إلى +5 درجة مئوية أو أقل، أو عندما لا يمكن تصريف المياه من الأنابيب المثبتة على السطح بشكل موثوق، أو عندما يكون فصل مياه الشرب ضروريًا.[2]
البروبيلين أم الإيثيلين جلايكول — أيهما الأنسب لأنظمة الطاقة الشمسية التجارية؟
البروبيلين جليكول وهو المعيار الافتراضي لأنظمة تسخين المياه بالطاقة الشمسية التجارية، لأنه غير سام ومقبول للاستخدام بالقرب من مصادر مياه الشرب. يخضع الإيثيلين جلايكول لقيود معيار NSF/ANSI 61 وقواعد الاتحاد الأوروبي الخاصة بمياه الشرب — أي نظام توجد فيه حتى احتمالية التلوث المتبادل (المبادل الحراري أحادي الجدار، جدار الخزان المشترك) يجب أن يستخدم البروبيلين. تستخدم جميع مشاريع SOLETKS الأربعة المشار إليها (APEC بكين، هارز بألمانيا، ساغا في التبت، تيانجين PVT) البروبيلين جليكول.
ما هي التركيز الذي ينبغي أن أستخدمه وفقًا لمناخ منطقتي؟
يتم ضبط التركيز بحيث تقع نقطة التجمد 5–8 درجات مئوية أقل من الحد الأدنى التصميمي للموقع، وهو 1 في كل 10 سنوات. النطاقات التقريبية: 25–30% بالنسبة للسواحل المتوسطية (من 0 إلى −5 درجة مئوية)،, 35–40% بالنسبة لبكين / وسط ألمانيا (من −5 إلى −15 درجة مئوية)،, 40–45% بالنسبة للمواقع القارية الشمالية (من −15 إلى −25 درجة مئوية)، و 45–50% بالنسبة للمواقع الجبلية/الهضابية (أقل من −25 درجة مئوية).
هل يؤثر الارتفاع على تصميم الجليكول؟
نعم. عند ارتفاع يزيد عن 2,000 متر، ينخفض الضغط الجوي بشكل ملحوظ، مما يؤدي إلى انخفاض درجة غليان السوائل. وقد استخدم المصنع الواقع في مقاطعة ساغا في التبت (على ارتفاع يزيد عن 4,000 متر) ~50% بروبيلين + ضغط تعبئة على البارد يبلغ 1.8 بار بدلاً من القيمة المعتادة البالغة 1.2 بار — يجب إعادة حساب كل من نقطة التجمد ومنطق الضغط وفقًا للارتفاع.
ما هي الفترة الزمنية المناسبة لإجراء اختبار الجليكول في الأنظمة التجارية؟
A فترة 12 شهراً تناسب الأنظمة الحرارية الشمسية التجارية العادية. قم بتسجيل قيمة الرقم الهيدروجيني، ونقطة التجمد، والضغط، واللون، والرائحة، ومحتوى الهواء. أضف 6 أشهر اختبار موسمي عندما يكون الموقع معرضًا لخطر الركود الشديد، أو يعمل في ظروف قاسية، أو يقدم خدمة حساسة للتجمد.
ماذا يحدث عندما ترتفع درجة حرارة الجليكول بشكل مفرط أثناء فترة الركود؟
يتأكسد الجليكول عند ارتفاع درجة حرارته بشكل أسرع، مما يؤدي إلى انخفاض درجة الحموضة (pH) وتكوين نواتج ثانوية حمضية أو حمأة. انخفض الرقم الهيدروجيني في مصنع هارز من 8.4 إلى 7.1 بعد حالة ركود واحدة استمرت 6 أيام في يوليو 2024 — على الرغم من أن درجة التجمد ظلت في المستوى المقبول. تعمل الحمأة على انسداد المرشحات والمبادلات الحرارية، مما يخلق حلقة تغذية مرتدة حيث يؤدي انخفاض التدفق إلى تسريع عملية الأكسدة بشكل أكبر.
كم مرة يجب استبدال الجليكول؟
الاستبدال النموذجي هو 3-5 سنوات في الأنظمة التي لا تحدث فيها حالات ركود، وتمتد إلى 5–8 سنوات في حلقات تمت صيانتها جيدًا ولا يوجد تاريخ من ارتفاع درجة الحرارة فيها. وغالبًا ما تمتد أنظمة PVT إلى 6–10 سنوات لأن الحد الأعلى لدرجة حرارة الركود يؤدي إلى إبطاء عملية أكسدة الجليكول. ويُعد إجراء اختبار درجة الحموضة سنويًّا الطريقة الأقل تكلفةً لتحديد موعد الاستبدال.
هل يمكنني خلط الجليكول القديم بالجديد؟
بشكل عام لا. يؤدي خلط السائل المتحلل جزئيًا مع الجليكول الجديد إلى تقصير عمر الشحنة الجديدة، لأن الأحماض المتبقية والحمأة ومثبطات التآكل المستنفدة تنتقل إلى الخليط الجديد. والإجراء الصحيح هو: تصريف، شطف، إعادة التعبئة بسائل جديد من النوع والتركيز المذكورين في الوثائق. إذا دعت الحاجة إلى تعبئة إضافية في منتصف العمر التشغيلي (فقدان بسيط للسائل نتيجة حدث تفريغ)، فاستخدم من نفس العلامة التجارية وبنفس التركيز وأعد اختبار درجة الحموضة (pH) في غضون 30 يومًا. لا تخلط أبدًا البروبيلين مع الإيثيلين، ولا تخلط أبدًا سائل منع تجمد محركات السيارات (الذي يحتوي على مثبطات سيليكاتية تدمر الأنظمة الشمسية) مع الجليكول المخصص للأنظمة الشمسية.
كم تبلغ تكلفة تعبئة الجليكول لنظام تجاري؟
تبلغ تكلفة عملية التعبئة التجارية ذات الدورة المغلقة بسعة 58 لترًا وتركيز PG 40% عادةً 150–400 دولار أمريكي في السائل وحده (تباين إقليمي). وتُشكل العوامل التالية الجزء الأكبر من تكلفة الاستبدال المخاض + التخلص من السوائل, ، وليس السائل — حيث تتراوح التكلفة عادةً بين 600 و1,500 دولار أمريكي لكل عملية صيانة لنظام تجاري صغير. ويؤدي تجنب الركود إلى إطالة فترة الاستبدال، وهو أكثر وسائل التحكم فعالية من حيث التكلفة.
ما هي البيانات المطلوبة للحصول على عرض أسعار لحلقة الجليكول؟
أدنى درجة حرارة في الموقع،, الارتفاع (إذا كان > 2,000 م), ، وعدد المجمعات، وطول الأنابيب، وارتفاع السقف، وحجم الدائرة، وحجم خزان التخزين، وحمل المبادل الحراري، وموقع المضخة، وحد الضغط، وخطة الصيانة. وبدون هذه القيم، لا يمكن اختيار خزان التمدد ومحطة المضخة بشكل موثوق.
هل يختلف تصميم حلقة الجليكول في الأنظمة الكهروضوئية الحرارية (PVT)؟
نعم. تتميز أنظمة PVT بـ خفض الحد الأقصى لدرجة حرارة الركود (حوالي 80 درجة مئوية مقابل أكثر من 130 درجة مئوية في المجمعات الحرارية فقط)، لذا فإن أكسدة الجليكول تكون أبطأ، وتبلغ مدة صلاحية السائل عادةً 6–10 سنوات بدلاً من 3–5 سنوات. كما تحتاج حلقات PVT أيضًا إلى درجات حرارة أقرب إلى درجة حرارة المعالجة على المبادل الحراري (3–5 °C) للحفاظ على انخفاض درجات حرارة المجمعات وحماية الخلايا الكهروضوئية. تستخدم محطة PVT Pro+ التابعة لمدرسة تيانجين (2024) نظام 35% PG المزود بنظام ذكي للتحكم في الحمل الزائد. انظر الألواح الشمسية من PVT المزودة بمضخة حرارية.
المصادر
[1] SOLETKS،, ضمان الجودة — أكثر من 160 خطوة فحص، وشهادات Solar Keymark / CE / TÜV / UL / IEC / ISO.
[2] وزارة الطاقة الأمريكية، سخانات المياه بالطاقة الشمسية.
[3] ISO، ISO 9806:2017 الطاقة الشمسية – المجمعات الحرارية الشمسية – طرق الاختبار.
[4] «سولار كي مارك»، نظام شهادات «سولار كي مارك».
[5] ISO، ISO 9001:2015 أنظمة إدارة الجودة.
[6] UL Solutions،, لوحات التحكم الصناعية – UL 508A.
[7] ASME،, قانون الغلايات وأوعية الضغط.
[8] NSF، معايير أنظمة معالجة المياه، بما في ذلك سياق معيار NSF/ANSI 61.
[9] ASHRAE، دليل ASHRAE — تطبيقات أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، الفصل الخاص بتسخين مياه الاستخدام المنزلي.
[10] معهد فراونهوفر لأنظمة الطاقة الشمسية (ISE)،, أبحاث أداء الأنظمة الحرارية الشمسية.
تاريخ آخر مراجعة: 3 أغسطس 2026 بواسطة فريق الهندسة في SOLETKS. تاريخ المراجعة المقررة التالية: 3 أغسطس 2027. بيانات المشروع المشار إليها: فندق قمة آبيك (بكين، 2014، 35% PG، توفير 150,000 كيلوواط ساعة/سنة)، كنيسة هارز (ألمانيا، 2021، 40% PG، حادثة انحراف درجة الحموضة في عام 2024)، نظام التدفئة المركزية في مقاطعة ساغا (التبت، 2019، ~50% PG، تجنب استهلاك 2,424 طن من الفحم/سنة، انخفاض الكفاءة في المرتفعات)، مشروع PVT Pro+ في مدرسة تيانجين (2024، 3,000 م²، 35% PG، خفض سقف الركود).
هل تحتاج إلى مراجعة هندسية خاصة بمشروع معين؟
يرجى إرسال المعلومات المتعلقة بالمناخ في الموقع، والحمل اليومي، والقيود المتعلقة بالسقف أو غرفة المعدات، ونطاق المنتج، ومتطلبات التوثيق المستهدفة إلى SOLETKS، حتى يتمكن فريق الهندسة من تقديم توصية تجارية عملية.
اتصل بشركة SOLETKS