نکاتی درباره طراحی بهتر بخاری و سیستم های گرمائی

باسمه تعالی

چند ماهی بود که قصد داشتم مقاله ای درباره طراحی بهتر بخاری و سیستم های گرمائی خانه بنویسم و صبر کردم تا مهلتی به دست آید که بتوانم نکات طراحی بیشتری را با جزئیات ارائه کنم. اما چنین فرصتی را نیافتم و با نزدیک شدن فصل سرما برآن شدم که تا همین جا آنچه را که میدانم بنویسم، شاید که مورد استفاده دوستانی که ذوقی و دستی در طراحی دارند، قرار گیرد.

مقدمه

کشف ذخائر فراوان نفت در قرن گذشته و بهره برداری هرچه بیشتر از ذغال سنگ و انرژی هسته ای و دیگر منابع انرژی، این توهم را در بشر به وجود آورد که میتواند به هر نحوی که مایل باشد، در مصرف انرژی اسراف کند. در نتیجه عادتهای غلط زیاد شد و الگوی زندگی همه مردم تغییر کرد. اگر در قدیم مردم پای پیاده به دشت و جنگل و کوه برای تفرج و کار میرفتند، حالا باید با ماشین بروند. بعد که به خانه برگشتند برای اینکه تحرکی داشته باشند و سلامتی خود را حفظ کنند، باید روی Treadmill برقی راه بروند. شخصا این مطلب را زیاد دیده ام که بسیاری از خانه ها در شب زحمت خاموش کردن چراغهای اضافی را به خود نمیدهند. در این سالهای اخیر هم روند مسافرت هوایی به کشورهای دیگر شدت گرفته است و میلیونها نفر ایرانی در سال به چنین سفرهایی میروند. طبیعتا حجم بالایی سوخت هواپیما برای این کار صرف میشود و جدا از هزینه های تولید آن، عواقب زیست محیطی هم به دنبال دارد. اکثر کسانی که به بهانه دیدن مناظر طبیعی به کشورهای دیگر میروند، از مناظر طبیعی که در چند کیلومتری محل سکونت خودشان قرار دارد و میتوانند پای پیاده به آنجا بروند، بیخبرند.

این روند بیرویه و غیر مسئولانه مصرف انرژی قابل دوام نیست.

آنچه که تا کنون در این سالهای عمر از نحوه گردش کار عالم فهمیدم این است که این روند تا اینجا ناکارآمدی خود را نشان داده و نهایتا به بن بست خواهد خورد و هر چه دیرتر جلوی آن گرفته شود، صدمات بیشتری وارد خواهد شد. زمین جای بزرگی است و ظرفیت پذیرش صد برابر جمعیت کنونی انسانها را هم دارد. اما این به این معنی نیست که ما بتوانیم در مصرف منابع طبیعی اسراف کنیم.

بنابراین بهتر است آدم عاقلانه تر و مسئولانه تر با امور برخورد کند و به علاوه یک برنامه جایگزین و یا به قول غربیها یک Plan B داشته باشد که اگر سیستم کنونی از کار افتاد، بشود زندگی سالم و طبیعی را ادامه داد. بهترین روش این است که آدم سعی کند عوامل اصلی وابستگی به سیستم کنونی را محدود و کنترل کند. مثلا سعی کند تولید محصولات غذایی اولیه مانند سیب زمینی را با امکانات محدود خانه خود تجربه کند و یاد بگیرد. انتخاب محل سکونت و کار هم باید تا جایی که امکان دارد، به نحوی باشد که هرچه کمتر به مصرف انرژی وابسته باشد. پخت و پز غذا و گرمایش منزل هم باید به بهینه ترین وجه انجام شود تا در صورت در دسترس نبودن سوخت، زندگی عادی مختل نشود.

درباره بازدهی سیستم های گرمایی موجود

روش معمول نصب بخاری، چه نفتی و چه چوبی، در خانه مطابق شکل زیر است:

در این روش سوخت به بخاری وارد میشود و میسوزد و دود حاصله بلافاصله از طریق دودکش به خارج از اتاق میرود. این روش معمول چند نقطه ضعف از نظر ایمنی دارد:

• اولا خروجی دود به شدت داغ است و اگر دودکش مناسبی برای آن طراحی نشود، میتواند باعث آتش سوزی خانه شود.
• دوما اگر به هر دلیلی سوخت زیادی به بخاری وارد شود، میتواند بیش از حد داغ شود و یا به خانه صدمه بزند و یا خود بخاری صدمه ببیند.

جدا از مشکلات ایمنی بخش عمده حرارت تولید شده از طریق دودکش به خارج از خانه هدایت میشود. بررسی هایی که درباره بازدهی بخاری های چوبی انجام شده نشان داده است که بخاری های چوبی معمولی، بافرض سالم بودن آنها و وجود دودکش مناسب و استفاده از چوب خشک، حدود 30 تا 40 درصد بیشتر بازدهی ندارند. با جمع شدن دوده و یا به اصطلاح انگلیسی Creosote در دودکش، مسیر خروج دود تنگتر میشود و به همین دلیل بازدهی به تدریج پائین می آید. دوده های جمع شده هم به شدت آتش زا هستند و در صورت پاک نشدن میتوانند باعث آتش سوزی شوند. استفاده از چوبهایی که خوب خشک نشده اند و پاک نکردن لوله ها و دودکش باعث میشوند که بازدهی واقعی خیلی پائین تر از 30 درصد باشد.

برای جبران ضعف بخاری های چوبی، بخاری هایی با بازدهی تا حدود 70 درصد طراحی شده اند که اساس کار آنها این است که در مسیر خروج دود از بخاری، گازهایی که به دلیل بد سوختن چوب تولید میشوند را با تولید جرقه، دوباره آتش میزنند و بنابراین دود خروجی منجر به جمع شدن دوده در دودکش نمیشود.

بازدهی بخاری های نفتی هم حداکثر حدود 80 درصد است. یکی از ضعفهای اساسی این بخاری های بازدهی بالا، وابستگی آنها به مصرف برق برای تولید جرقه، هرچند به مقدار کم است. یعنی در صورت قطعی برق، بخاری نمیتواند بازدهی بالایی داشته باشد.

سیستم های گرمایش مرکزی مانند شوفاژ نیز، به این دلیل که از آب به عنوان واسطه انتقال گرما استفاده میکنند، طبیعتا نمیتوانند بازدهی بالایی داشته باشند. اضافه کردن هر عامل اضافی در انتقال گرما و ذخیره سازی آن، باعث میشود که تلفات گرمایی بالا برود.

همه این بحثها درباره بازدهی فقط به بازدهی تولید گرما مربوط بود. یعنی فقط بحث تا اینجا بر سر این بود که چند درصد از گرمای تولید شده قابل مصرف خواهد بود. بحث بازدهی مصرف باید بطور مجزا بررسی شود. فرض کنید بهترین سیستم گرمایی با بازدهی 80 درصد را برای گرم کردن آب طراحی کنیم و بعد به جای اینکه فرد در حمام 5 دقیقه زیر دوش آب گرم بایستد، 15 دقیقه توقف کند و آواز بخواند؛ در این صورت بازدهی کلی سوخت مصرف شده 25 درصد خواهد بود.

نقطه ضعف طراحی دیگر در نصب بخاری نفتی و چوبی در اتاق، محل نصب آن است. برای کم کردن احتمال آتش سوزی، این بخاری ها در کنار دیوار و نزدیک به محل دودکش نصب میشوند. بنابراین نحوه گردش هوای گرم در اتاق به نحوی خواهد بود که جریان هوای گرم از بالای بخاری در سقف اتاق حرکت میکند. در چنین شرایطی اختلاف دما بین نقاط نزدیک به سقف و کف اتاق خیلی زیاد خواهد بود. برای همین اگر در چنین اتاقی قدم بزنید، سرتان عرق خواهد کرد و انگشتان پا سردی را احساس خواهند کرد. تختخوابها هم معمولا به کف اتاق نزدیکتر هستند تا به سقف. بنابراین در شب که ساکنین میخواهند بخوابند، سرما را بیشتر احساس خواهند کرد و همین عامل باعث تشویق آنها به مصرف بیشتر سوخت میشود.

اساس همه این بخاری ها این است در ارتفاعی بالاتر از کف اتاق کار گذاشته میشوند و هوای سرد از پائین به بخاری وارد میشود و پس از سوخت گرمای حاصله به طرف بالا جریان پیدا میکند و یا از دودکش خارج میشود. این به این معنی است که جریان هوای سرد در کف اتاق جاری خواهد بود.

چنین روشی تنها راه ایجاد عمل سوختن نیست. بلکه میشود بخاری را به نحوی طراحی کرد که هوای سرد از بالا وارد شود و پس از سوختن چوب و یا نفت، هوای داغ از پائین خارج شود. مسئله اصلی که باعث شده بخاریها نزدیک به دودکش نصب شوند و خروجی آنها سریعا به دودکش هدایت شود، مسئله ایمنی است. فرض کنید اگر طول لوله های بخاری در اتاق زیاد باشد و در اثر یک حادثه، مثل بازی کودکان در اتاق، این لوله ها بیافتند، احتمال آتش سوزی در اتاق وجود دارد. همین ضرورت باعث شده تا چیزی بین 30 تا 70 درصد گرمای تولید شده دور ریخته شود و به خارج از اتاق هدایت شود. حال اگر خروجی هوای گرم بخاری از پائین آن باشد، میشود لوله های بخاری را در کف اتاق به نحوی طراحی کرد که احتمال فروریختن و یا قطع شدن آن در اثر اتفاق وجود نداشته باشد. این کار سه منفعت دارد:

• اولا میشود بسته به میزان حجم بخاری، طول لوله ها را به اندازه ای قرار داد که قسمت عمده گرمای دودهای خروجی از بخاری، در همان محیط اتاق پخش شود و به خارج از اتاق نرود.
• دوما چریان هوای گرم در اتاق فقط محدود به حرکت در نزدیک به سقف نخواهد بود. بلکه هوای گرم از کف به طرف بالا جریان خواهد داشت. همین عامل باعث میشود که احساس سرما و نیاز به تولید گرمای بیشتر به شدت کاهش پیدا کند.
• گازهای خروجی از بخاری در جایی که باید از اتاق خارج شوند، دیگر به شدت داغ نخواهند بود و به صرف هزینه های بالا برای نصب دودکش ایمن نیازی نیست.

همین بهبود در طراحی به ساختن نسل جدیدی از بخاری هایی با بازدهی بالا منجر شده که به Rocket Mass Heater معروف هستند. اضافه کردن امکاناتی به این قبیل طرحها، مانند آنچه که در طراحی بخاری های با بازدهی بالا در نظر گرفته میشد، باعث شده که این قبیل بخاری ها تا حدود 90 درصد در تولید انرژی بازده داشته باشند و به علاوه انرژی تولید شده به بهترین نحو مصرف شود. خروجی این بخاریها نیز به دلیل اینکه دوده زیادی ندارد، میتواند از نزدیک سطح زمین از اتاق خارج شود و هیچ نکته ایمنی خاصی لازم نیست برای آن در نظر گرفته شود.

اساس کار این بخاریها در این شکل نشان داده شده است.

ورودی چوب و یا نفت در این بخاریها میتواند از بالا به پائین باشد و هر مقدار که چوب بسوزد، بقیه چوبها پائین تر میروند و سوختن ادامه پیدا میکند. به این دلیل که هوا در مخزن سوخت، فقط میتواند از بالا به پائین جریان داشته باشد، احتمال آتش گرفتن یکباره چوبها و خطر آتش سوزی نیز وجود ندارد. محفظه اصلی دو لایه است و به نحوی طراحی شده که اگر دود ناشی از سوختن، خوب نسوخته باشد، با نزدیک شدن دوباره به مرکز آتش و تماس با آن در لایه بیرونی، دوباره آتش میگیرد و موجب تولید گرمای بیشتر میشود و دود خروجی کمتر آلوده کننده خواهد بود.

برای ساخت محفظه اصلی میتوان از یک بشکه خالی فلزی استفاده کرد و لازم نیست مصالح گران قیمتی برای این کار استفاده شود. قسمتی که در عکس فوق با thermal Mass نشان داده شده، میتواند فقط با خاک و سنگ پر شود و روی آن را با چیزی مثل آجر پوشاند. خاصیت این کار این است که اولا لوله های خروجی محفوظ میماند و احتمال اینکه کودکان در تماس مستقیم با لوله های داغ قرار بگیرند، وجود نخواهد داشت. دوما خود این خاک و سنگ گرمای لوله ها را جذب کرده و به تدریج به اتاق منتقل خواهد کرد.

اگر قبلا با بخاریها کار کرده اید، بر این نکته واقف هستید که در زمستان فقط با گذشت زمان کمی از خاموش کردن بخاری، اتاق شروع به سرد شدن میکند. اما در روش فوق اتاق ساعتها پس از خاموش شدن بخاری گرم میماند. برای همین اگر در شب فراموش کنید که چوب در بخاری قرار دهید، صبح که بیدار میشوید، با اتاق سرد روبرو نخواهید شد. بسته به اندازه اتاق و حجم بخاری میشود به تجربه طول مناسب برای لوله های خروجی قبل از خروج از اتاق را پیدا کرد. بعد از آن محل نصب بخاری و نحوه گردش لوله ها در اتاق را تعیین کرد.

خاصیت اصلی این روش ساخت بخاری این است که با ارزان ترین مواد اولیه میشود بهینه ترین بخاری را ساخت. تولید و مصرف بهینه انرژی گرمایی باعث میشود که مصرف سوخت پایین بیاید و با روشهای ساده ای بشود آن را تهیه کرد.

در اینجا چند نمونه از ساخت این بخاریها را می آورم. علاوه بر اینکه میشود این بخاریها را با کمترین امکانات ساخت، میشود طراحی های مدرن و باشکوهی را نیز انجام داد.

[caption id="attachment_2094" align="aligncenter" width="720"] در این نمونه لوله های خروجی بخاری، قبل از خروج از اتاق، کل یک ضلع اتاق را طی میکنند. روی آن هم به شکلی پوشیده شده که میشود از آن به عنوان مبل و یا تختخواب استفاده کرد. گرما همانجایی که تولید میشود، به مصرف میرسد.[/caption]

[caption id="attachment_2093" align="aligncenter" width="720"] این هم یک مدل ساده که با ساده ترین امکانات و کمترین خرج ممکن ساخته شده است.[/caption]

[caption id="attachment_2098" align="aligncenter" width="720"] این بخاری هم متعلق به خانه ای در بروکسل است که در کمال مدرن بودن، بهینه نیز هست. اطراف بخاری آجری و صفحه بالایی هم سیمانی است.اجاق پخت و پز هم روی محفظه بخاری است.[/caption]

[caption id="attachment_2099" align="aligncenter" width="720"] این بخاری متعلف به خانه ای در استونی است. لوله خروجی بخاری قبل از خروج از اتاق یک مسیر رفت و برگشت را طی میکند. دریچه های اضافی تعبیه شده هم برای پاک کردن سالانه لوله ها قرار داده شده است.[/caption]

[caption id="attachment_2100" align="aligncenter" width="720"] از این بخاریها میشود برای پخت و پز و گرم کردن آب هم استفاده کرد.[/caption]

با کمی ذوق طراحی میشود این بخاریها را به نحوی طراحی کرد که کل گرمایش آب گرم منزل نیز با این بخاری انجام شود. فقط نکته ای که در اینجا لازم است ذکر کنم این است که به علت خروجی گرمای بالای این بخاری ها ، احتمال اینکه تانک آب قرار داده شده بر بالای محفظه بخاری خیلی سریع به نقطه جوش برسد، وجود دارد. بنابراین میزان حجم مخزن آب بالای بخاری باید به اندازه ای باشد که زود به نقطه جوش نرسد و همچنین تمهیداتی برای جلوگیری از جوشیدن آن در نظر گرفته شود.

در خاتمه

هر چند مثالهای فوق درباره بخاری های چوبی بود، اما نکات طراحی اصلی را برای طراحی بهینه بخاری های دیگر مثل نفتی و گازی میشود بکار برد.