سخان مياه تخزيني

سخان الماء ذو ​​الخزان ، أو نظام الماء الساخن ، هو جهاز منزلي لتسخين المياه يستخدم خزانًا لتخزين الماء الساخن لزيادة سعة التسخين وتوفير الماء الساخن بشكل فوري. ^{[ 1 ]} قد تستخدم سخانات الماء التقليدية ذات الخزان مصادر طاقة متنوعة، بما في ذلك الكهرباء والوقود مثل الغاز الطبيعي أو البروبان أو زيت الوقود . كما يمكن تصنيف تقنيات تسخين المياه الأقل شيوعًا، مثل سخانات المياه التي تعمل بمضخات الحرارة وسخانات المياه الشمسية ، ضمن فئة سخانات الماء ذات الخزان.

الفرق الأساسي بين سخان التخزين وسخان الماء الفوري هو أن سخان التخزين يقوم بتسخين الماء وتخزينه لاستخدامه لاحقًا، بينما يقوم سخان الماء الفوري بتسخين الماء عند الطلب.

توفر سخانات المياه الفورية، كما يوحي اسمها، الماء الساخن بشكل فوري تقريبًا. لا يستغرق تسخين الماء سوى دقيقة أو دقيقتين، وغالبًا بضع ثوانٍ فقط، قبل أن يصبح الماء الساخن جاهزًا للاستخدام. ويبلغ متوسط ​​عمر هذه السخانات من 15 إلى 20 عامًا. توفر سخانات المياه الفورية الماء الساخن حسب الحاجة، مع فقدان أقل للحرارة، وغالبًا ما تكون أرخص من سخانات المياه التقليدية. ^{[ 2 ]}

سخانات المياه ذات الخزانات ليست بنفس سرعة السخانات الفورية، إذ تتطلب تسخين خزان من الماء وتخزينه للاستخدام لاحقًا. تتسع خزانات سخانات المياه ذات الخزانات الكبيرة لحوالي 280 لترًا (75 جالونًا أمريكيًا ) ، وهي شائعة نظرًا لانخفاض تكلفتها الأولية وعمرها الافتراضي الطويل الذي يتراوح بين 10 و15 عامًا. إلا أن هذه الأنظمة هي الأقل كفاءة في استهلاك الطاقة، مما يجعل تشغيلها مكلفًا على المدى الطويل. كما أنها تتطلب مساحة أكبر للتركيب. 

الطاقة الشمسية نظيفة ومتجددة، وهي أحدث الأنظمة. ويتزايد استخدام سخانات المياه التي تعمل بالطاقة الشمسية . تُركّب مُجمّعات الطاقة الشمسية الحرارية خارج المنازل، عادةً على السطح أو الجدران أو بالقرب منها، ويكون خزان تخزين الماء الساخن الصالح للشرب عادةً سخان مياه تقليدي موجود مسبقًا أو جديد، أو سخان مياه مُصمّم خصيصًا للطاقة الشمسية الحرارية.

أبسط نماذج الطاقة الشمسية الحرارية هي نماذج التسخين المباشر، حيث يُضخ الماء الصالح للشرب مباشرةً إلى المُجمِّع. يُقال إن العديد من هذه الأنظمة تستخدم نظام تخزين مُدمج في المُجمِّع (ICS)، لأن أنظمة التسخين المباشر عادةً ما تحتوي على وحدة تخزين مُدمجة داخل المُجمِّع. يُعد تسخين الماء مباشرةً أكثر كفاءةً من تسخينه بشكل غير مباشر عبر مُبادلات حرارية، لكن هذه الأنظمة توفر حماية محدودة للغاية من التجمد، إن وُجدت، ويمكنها بسهولة تسخين الماء إلى درجات حرارة غير آمنة للاستخدام المنزلي، كما تُعاني أنظمة التخزين المُدمجة من فقدان كبير للحرارة في الليالي الباردة والأيام الباردة الغائمة.

على النقيض من ذلك، لا تسمح الأنظمة غير المباشرة أو ذات الدائرة المغلقة بمرور مياه الشرب عبر الألواح الشمسية ، بل تضخ سائلاً ناقلاً للحرارة (إما ماءً أو خليطاً من الماء ومضاد التجمد) عبر الألواح. بعد تجميع الحرارة في الألواح، يتدفق السائل الناقل للحرارة عبر مبادل حراري ، ناقلاً حرارته إلى مياه الشرب الساخنة. عندما تكون درجة حرارة الألواح أقل من درجة حرارة خزان التخزين، أو عندما يصل خزان التخزين إلى أقصى درجة حرارة له، يقوم جهاز التحكم في الأنظمة ذات الدائرة المغلقة بإيقاف مضخات الدوران . في نظام التصريف العكسي ، تُصرف المياه إلى خزان تخزين موجود في مكان مكيف أو شبه مكيف، محمي من درجات الحرارة المتجمدة. أما في أنظمة مضاد التجمد، فيجب تشغيل المضخة إذا ارتفعت درجة حرارة الألواح بشكل كبير (لمنع تدهور مضاد التجمد) أو انخفضت بشكل كبير (لمنع تجمد خليط الماء ومضاد التجمد).

تُستخدم الألواح المسطحة عادةً في أنظمة الدوائر المغلقة. وتُعدّ الألواح المسطحة، التي تُشبه في كثير من الأحيان المناور ، أكثر أنواع الألواح متانةً، كما أنها تُقدّم أفضل أداء للأنظمة المصممة للعمل في درجات حرارة لا تتجاوز 38 درجة مئوية (100 درجة فهرنهايت) من درجة حرارة المحيط. وتُستخدم الألواح المسطحة بانتظام في أنظمة المياه النقية وأنظمة مانع التجمد.  

يُعدّ مُجمّع الأنابيب المُفرّغة نوعًا آخر من مُجمّعات الطاقة الشمسية ، وهو مُصمّم للمناطق الباردة التي لا تشهد تساقطًا كثيفًا للبرد، أو للتطبيقات التي تتطلب درجات حرارة عالية (أي أكثر من 93 درجة مئوية ) . تُوضع مُجمّعات الأنابيب المُفرّغة في رفوف، مُشكّلةً صفًا من الأنابيب الزجاجية، يحتوي كل منها على زعانف امتصاص مُتصلة بقضيب مركزي ناقل للحرارة ( نحاسي أو يعمل بالتكثيف ). يشير مصطلح "مُفرّغة" إلى الفراغ المُتكوّن داخل الأنابيب الزجاجية أثناء عملية التصنيع، مما يُقلّل من فقد الحرارة بشكل كبير، ويُمكّن أنظمة الأنابيب المُفرّغة من الوصول إلى درجات حرارة عالية جدًا، تتجاوز بكثير درجة غليان الماء.  

تعمل سخانات المياه التي تعمل بالغاز الطبيعي والبروبان بنفس الطريقة، حيث يوجد موقد غاز أو بروبان في أسفل خزان التخزين لتسخين المياه. أما سخانات المياه التي تعمل بزيت الوقود، فتُصمم بطريقة مماثلة، إذ تُشعل رذاذًا متصاعدًا من الزيت والهواء بشرارة كهربائية . ^{[ 3 ]}

تُطرد الانبعاثات من سخانات المياه التي تعمل بالوقود الأحفوري باستخدام تقنيات تهوية متنوعة. تستخدم أنظمة التهوية الجوية هواء الغرفة كهواء احتراق وهواء عادم. يُطرد هواء العادم عبر مدخنة العادم بفعل قوى الطفو الناتجة عن الاحتراق. تعمل نماذج التهوية الآلية بشكل مشابه لأنظمة التهوية الجوية، ولكن مع إضافة مروحة عادم للمساعدة في طرد غازات الاحتراق. أما أنظمة التهوية المباشرة فلا تستخدم هواء الغرفة للاحتراق؛ بل تدفع قوى الطفو الهواء من الخارج عبر نظام احتراق سخان المياه، ثم تُخرج غازات الاحتراق إلى الخارج. تتضمن أنظمة التهوية المباشرة الآلية مروحة عادم للمساعدة في طرد غازات الاحتراق. ^{[ 4 ]}

اخترع كارتر دبليو آدامز سخانات المياه الكهربائية، ومعظمها يستخدم عناصر تسخين كهربائية لتسخين الماء في خزان التخزين. يحتوي سخان المياه الكهربائي ثنائي العناصر على عنصر تسخين في أعلى الخزان وآخر في أسفله. ويتحكم منظم حرارة مستقل بكل عنصر . يوفر العنصر السفلي تعويضًا عن فقدان الحرارة في وضع الاستعداد، بينما يوفر العنصر العلوي تسخينًا إضافيًا عند استخدام كميات كبيرة من الماء الساخن. بعض السخانات تحتوي على عنصر تسخين سفلي فقط. ^{[ 3 ]}

تُعدّ سخانات المياه الكهربائية التي تخزن الماء الساخن خيارًا مناسبًا للشبكات الذكية ، حيث تقوم بتسخين المياه عند انخفاض الحمل الكهربائي وتتوقف عن العمل عند ارتفاعه. ويمكن تحقيق ذلك من خلال السماح لمزود الطاقة بإرسال طلبات تخفيف الأحمال ، أو باستخدام تسعير الطاقة في الوقت الفعلي. انظر إلى الاقتصاد 7 .

تستخدم سخانات المياه التي تعمل بمضخة حرارية مضخة حرارية هوائية لنقل الطاقة الحرارية من الهواء المحيط بالوحدة إلى خزان التخزين. ويُضاف إليها عادةً عنصر تسخين كهربائي احتياطي لتوفير التدفئة في حال عدم قدرة المضخة الحرارية على توفير قدرة تسخين كافية. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

كما هو الحال مع الوقود الأحفوري ، يتسبب حرق الخشب في انبعاث غازات الاحتباس الحراري . مع ذلك، يُعدّ الخشب مصدراً متجدداً للطاقة. يتمثل نظام التدفئة المستدام في استخدام الطاقة الشمسية في الصيف، والحد الأدنى من استخدام الخشب في الشتاء.

تُصنع خزانات سخانات المياه عادةً من الفولاذ المبطن بالزجاج من الداخل. فالماء يُسبب تآكل الفولاذ المكشوف، لذا فإن البطانة الزجاجية تمنع أو تؤخر التآكل.

تحتوي الخزانات أيضًا على قضبان أنود من الألومنيوم أو المغنيسيوم ، أو أنودات من التيتانيوم تعمل بتيار كهربائي مُطبق، تُستخدم في أنظمة الحماية الكاثودية ^{[ 7 ]} . يُبطئ قضيب الأنود من تآكل الخزان الفولاذي عن طريق التآكل في مكانه ^{[ 8 ]} . وعندما يتآكل قضيب الأنود تمامًا، يتآكل الخزان الفولاذي بسرعة أكبر بكثير.

نظراً للتلامس المستمر مع الماء، يحدث التآكل في نهاية المطاف. إذا تسبب تآكل الخزان في إحداث ثقوب فيه، فهناك بعض الحلول المؤقتة لمحاولة إصلاحها، لكن الحل الأمثل على المدى الطويل هو استبدال الخزان بالكامل.

يؤدي انخفاض درجة حموضة الماء إلى تآكل قضبان الأنود وخزان الفولاذ بشكل أسرع. ولصيانة الخزان بشكل سليم، يجب معرفة درجة حموضة الماء المخزن، ومراقبة تآكل قضيب الأنود، واستبداله عند تآكله بشكل كبير.

• سخان مياه فوري