דוד שמש וקולטים- מערכת תרמוסיפונית

עיקרון הפעולה של זרימה תרמוסיפונית ידוע ומפורסם בקרב אנשי מדע ופיזיקאים, נוזל חם פחות צפוף ועל כן יותר קל מנוזל קר, מה שמאפשר מעבר חום (בהסעה) מנקודה חמה לנקודה קרה. אולם מי שפיתח את הרעיון לכדי מוצר שימושי שקיים כיום ברוב הבתים בישראל לחימום מים היה מר צבי תבור במימון של ממשלת ישראל בראשית שנותיה של המדינה.

אחרי שמבינים את עיקרון הפעולה התרמוסיפונית בדוד שמש אי אפשר שלא להתפעל מהגאונית מחד והפשטות מאידך, של מוצר שבו שולבו להם יחדיו עיקרון הזרימה של נוזלים חמים עם הרעיון של ניצול השמש כמקור לאנרגיית חום- כל זאת ללא כסף. מדובר במערכת פשוטה עם מעט מאוד מרכיבים פיזיים אבל ניתן לקבל בעזרתה חימום מים יעיל, מהיר, והכי חשוב ללא הוצאות כספיות. רק תנו לי שמש בשמיים.

וזו אכן נותנת עבודה, 270 ימים בשנה בהם הדוד יעיל ועוד 50 ימים בהם הוא נותן מענה חלקי, נכון לישראל.

במאמר זה על דודי שמש לא אתן סקירה הסטורית של מערכת חימום מים דירתית ומצד שני לא אגע בדגשים של התקנת מערכת שכזו, אלו שאינסטלטור חייב לדעת, אלא אתמקד במתן הסבר על איך עובדת מערכת חימום מים סולארית בהתאם לסדרת תקנים 579 החלים בין היתר על דודי שמש.

מערכות תרמוסיפוניות

הדוד והקולטים מלאים מים ומחוברים זה לזה בצנרת. הקולט בנוי לפי עיקרון שמאפשר לנצל את קרינת השמש לחימום המים בצורה אופטימלית- בצנרת שחורה ובתוך חממה עשויה זכוכית (קרינה עוברת את מסך הזכוכית, הופכת לחום על גבי המצע השחור, הזכוכית לוכדת את החום ומונעת יציאתו לאויר הפתוח). המים שבקולטים מתחממים מהשמש ומבקשים לנוע כלפי מעלה. כיון שאין בטבע וואקום, המים יכולים לעלות מהקולטים רק במקביל למים שיורדים מהדוד. צינור המזרים מחבר את הקולט בצידו העליון לדוד. צינור המחזיר מחבר את הדוד לצידו התחתון של הקולט (הרחבה מיד). כך מתבצעת סרקולציה של מים דרך צינורות הקולטים לדוד והפוך, כלומר מים חמים עולים לדוד ויורדים ממנו לקולטים.

אותו עקרון שולט גם בתוך הדוד: המים החמים מתרכזים בחלקו העליון של הדוד והקרים יחסית מתרכזים בחלקו הנמוך. לכן צינור המזרים שמזרים מים חמים תמיד יהיה בחלקו העליון של הדוד וצינור המחזיר שמחזיר מים קרים מהדוד יצא מתחתיתו של הדוד.

זוהי פעולה תרמוסיפונית, בה המים זזים ללא צורך במשאבה.

מי שמפקפק ביכולת השמש לחמם מים צריך לדעת שבקיץ טמפרטורת המים בדוד יכולה להגיע ל-90 מעלות ומעלה! וטמפרטורת הקולט עצמו מגיעה אף ל-130 מעלות, ואמנם נגיעה ממושכת בקולט עלולה לגרום כוויה קשה.

לכן מובן שהדוד חייב להיות ממוקם רק מעל הקולטים. לפי התקן יש למקם את הדוד כך שתחתיתו תהיה מעל מוצא צינור המזרים, אחרת יש להתקין אמצעים מיוחדים למניעת זרימה תרמוסיפונית חוזרת מהדוד לקולטים, דבר שעלול לקרות בלילה, בו היוצרות נהפכות- המים החמים נמצאים בדוד והקרים בקולטים.

כמה רחוק יכול הדוד להיות מהקולט ועדיין תמשך זרימה תרמוסיפונית ? תשובה מדויקת כנראה שלא תהיה כאן אבל התקן מאפשר עד 15 מטרים במקרה שהדוד כולו נמצא מעל הקולט ו-8 מטרים במקרה שהדוד כן מעל הקולט אבל לא לגמרי, קרי לא מעל מפלס המחבר של הצינור המזרים.

כיון שזרימת המים התרמוסיפונית היא אך ורק כלפי מעלה צריך לדאוג שהצינור המזרים יהיה לכל אורכו מופנה כלפי מעלה בלבד, סיבוב או אפילו תנועה ישרה יכולים לשבש את תנועת המים ולסכל את פעולת החימום.

מערכות מאולצות

דוד צילינדר - מבט מבפנים

בשנים האחרונות ישנן מגבלות של גופי התכנון על הצבת דודי שמש בגגות בניינים ולכן נגלה שדודי השמש בדירות החדשות נמצאים במסתור דודים או בארון שבחדר המדרגות. הקולטים יהיו על גג המבנה חשופים לשמש אולם ללא הפרעה חזותית לסביבה. אלו מערכות מאולצות שנקראות כך כיון שאת זרימת המים החמים מהקולט לדוד ובחזרה מבצעת משאבת סחרור, העיקרון התרמוסיפוני לא יכול לעבוד במערכות הללו. בדר"כ מערכות מאולצות יהיו במעגל סגור.

פירושו של מושג זה הוא שהמים שמחממים את הדוד אינם המים שצורכת הדירה, אלא אלו מים שתפקידם הינו רק לחמם את הדוד (הולכה). בדוד יש צילינדר- מחליף חום, בו עוברים מים חמים (בזרימה מאולצת או זרימה תרמוסיפונית) שהתחממו בקולט ובעברם ליד המים שבדוד הם מחממים אותם וממשיכים חזרה לקולט.

עוד דבר שחשוב לדעת הוא המושג 'חוות קולטים', במערכת חימום המים בבניינים משותפים יהיו מספר קולטי שמש מחוברים אחד לשני, מהם יצאו המים החמים לכל הדודים בבניין, בשיטת המעגל הסגור ובאמצעות משאבת סיחרור, עד שיחזרו חזרה לקולטים וחוזר חלילה. במקרה זה כל בעל דירה מחזיק בדוד פרטי עם צריכת מים פרטית אבל המתקן כולו שייך לכלל הדיירים.

מערכת חימום במעגל סגור כוללת מרכיבים נוספים על הרכיבים שבמערכת חימום במעגל פתוח. היא גם יותר מורכבת ועל כן עולה קצת יותר כסף.

מערכת חימום תרמוסיפונית יכולה לעבוד הן במעגל פתוח והן במעגל סגור (דוד צילינדר), העדיפות של מעגל סגור מתבטאת בפחות אבנית בקווים. לכן, אם ידועה לכם בעיית אבנית באזוריכם יש לשקול דווקא התקנה של דוד צילינדר.

בכל השיטות שאוזכרו כאן נכון לומר שניתן לראות 2 מעגלים: האחד מעגל של מי צריכה, מהשעון לדוד (דרך צינור מבוא) ומהדוד לדירה (דרך צינור מוצא) והשני מעגל חימום, מהקולט לדוד (דרך צינור מזרים) ולהיפך (דרך צינור מחזיר).

בכל השיטות חייב להיות דוד שיאגור את המים החמים, בניגוד לשיטות אחרות בהן המים מתחממים במתקן קומפקטי ללא צורך בדוד אגירה. יש להקפיד שהמרחק בין הדוד לנקודות צריכת המים לא יעלה על 25 מטרים.

אילו המרכיבים של מערכת חימום תרמוסיפונית:

דוד (אוגר)

קולט שמש

צנרת המחברת בין הקולט לאוגר (צינור מזרים וצינור מחזיר)

צנרת חמים מהדוד לבית וקרים מהבית לדוד (צינור מבוא וצינור מוצא)

אביזרי בטיחות (פורק לחץ ומערבל מים)

שסתומים (ברז אל חזור, ברז ידני)

איגונים ומעמדים

צינור מבוא וצינור מוצא

צינור מבוא מביא מים קרים מרשת המים לדוד, לכן הוא ממוקם בתחתיתו של הדוד. צינור המוצא מוציא מים חמים לדירה ולכן פתח הצינור בתוך הדוד יהיה בחלקו העליון של הדוד, כיון שהמים החמים ביותר נמצאים בחלקו העליון של הדוד. דוד שוכב (מאוזן) מיוצר בצורה אחרת, צינור מוצא המים החמים נמצא באמצע הדוד צמוד לדופן ובהתקנתו יש להקפיד למקם את הדוד כשצינור החמים למעלה, היכן שהמים החמים ביותר מתאספים.

קולטים

קולטי שמש הם הנפוצים ביותר במערכת תרמוסיפונית, יחד עם זאת קיימות שיטות חימום מים נוספות שלעיתים ישמשו כגיבוי או כתחליף לקולטים: משאבת חום, גוף חימום חשמלי, חימום על גז. עד כמה שידוע לי כל דוד שמש מחויב להיות גם דוד חשמל.

קולטי שמש צריכים להיות מופנים כלפי צד דרום ובזוית של בין 30 ל-50 מעלות מציר האופק. כל סטיה נוספת מכיון דרום או מציר האופק תחליש את תפוקת החום של הקולט, ויש לפצות על כך בהגדלת שטח הקולט.

למה בדיוק 30 עד 50 מעלות? ובכן זה תלוי בשמש, בקיץ השמש נמצאת נמוך יחסית בשמים ובזוית 30 מעלות מדרום, בחורף השמש גבוהה ונעה בזוית של 50 מעלות מדרום. למעשה לכל עונה תתאים זוית אחרת של הקולטים.

והנה קצת מספרים: כל ליטר מים בדוד צריך בין 41 ל- 51 קק"ל ליום כדי להתחמם (זה תלוי בדוד שוכב או עומד וכן בדוד מעגל סגור או פתוח) כלומר דוד 150 ליטר עומד מעגל פתוח יצטרך לקבל 6,150 קק"ל ליום. לכל יצרן יש נתונים טכניים לקולט אותו הוא מייצר ולפי תפוקת הקולט של היצרן (תפוקה יומית שנבדקה במעבדה) נדע אם הוא מספיק חזק לחמם את הדוד. למשל, קולט מסוג CR11 (עשר מובילים) של חברת כרומגן נותן (לפי נתוני יצרן) 6,160 קק"ל ליום ועל כן הוא מתאים לדוד של 150 ליטר.

אלא שהנתונים הללו נכונים במצב אידיאלי, כלומר במצב שהדוד נמצא בזוית האולטימטיוית אל מול זוית השמש, סטיה של הקולט מכיוון דרום או מציר האופק תצריך אותנו לפצות על אבדן התפוקה באמצעים אחרים, כלומר נצטרך לבצע חישוב של הפסד אנרגטי ולהגדיל בהתאם לקולט בעל תפוקה המתאימה לחישוב.

בהתאמת קולט למערכת יש לודא עם המוכר שהקולט מתאים לסוג המערכת- מעגל פתוח או סגור, ושהוא מתאים למערכת תרמוסיפונית או גם למאולצת, וכן שתפוקת הקולט מתאימה לגודל הדוד.

הצללה, על פי התקן אסורה התקנה במקום מוצל שכתוצאה מהצל יגרום לאבדן תפוקה של מעל 15%. כדי למנוע הצללה התקן מחייב התרחקות של 1.1 מטר לכל 1 מטר מצליל חזיתי ו- 1.35 מטר לכל 1 מטר מצליל צדדי.

נפח דוד הרצוי לנו

נפח הדוד הרצוי משתנה מבית לבית ומאדם לאדם. החישוב הוא שאדם ממוצע צורך בכל מקלחת 40 ליטר מים חמים, ולכן דוד של 120 ליטר יתאים למשפחה בת 3 נפשות לכל היותר. מעבר לזה יש צורך בדוד גדול יותר וכן הלאה.

אכן בתקנות התכנון והבניה מופיעה הוראה בדבר גודל הדוד הנדרש בהתאם למספר החדרים בדירה. ליחידת דיור בת 3 חדרים נקבע דוד 120 ליטר, ליחידת דיור בת 4 חדרים נקבע דוד של 150 ליטר. אם אתם גרים בבית עם הרבה נפשות ישנה אפשרות לרכוש דוד של אפילו 500 ליטר, בדירות מגורים נוהגים בדר"כ אינסטלטורים לחבר 2 דודים יחדיו (ובהתאמה להגדיל את הקולט).