خزان تخزين الماء الساخن

خزان تخزين الماء الساخن (يسمى أيضًا خزان الماء الساخن ، وخزان التخزين الحراري ، ووحدة التخزين الحراري للماء الساخن ، وخزان تخزين الحرارة ، وأسطوانة الماء الساخن ، والسخان ) هو خزان مياه يستخدم لتخزين الماء الساخن لتدفئة المساحات أو للاستخدام المنزلي.

يُعدّ الماء وسيطًا ممتازًا لتخزين الحرارة نظرًا لسعته الحرارية النوعية العالية وسعته الحرارية الحجمية العالية أيضًا . وهذا يعني أنه، مقارنةً بالمواد الأخرى، يستطيع تخزين كمية أكبر من الحرارة لكل وحدة حجم، وكمية أكبر بكثير لكل وحدة وزن. كما أن الماء غير سام ومنخفض التكلفة للغاية.

يمكن لخزان معزول جيدًا الاحتفاظ بالحرارة المخزنة لأيام أو شهور، وذلك حسب حجمه وسماكة العزل. ^{[ 1 ]} قد تحتوي خزانات الماء الساخن على نظام موقد غاز أو زيت مدمج، و/أو سخانات كهربائية غاطسة . تستخدم بعض الأنواع مبادلًا حراريًا خارجيًا، مثل نظام التدفئة المركزية ، أو الماء الساخن من مصدر طاقة آخر. أما الأكثر شيوعًا في الاستخدام المنزلي، فهي موقد الوقود الأحفوري، أو عناصر التسخين الكهربائية الغاطسة، أو نظام التدفئة المركزية . ^{[ 2 ]}

تحتوي سخانات المياه المستخدمة في الغسيل والاستحمام وغسل الملابس على منظمات حرارة لتنظيم درجة الحرارة، في نطاق 40 إلى 60 درجة مئوية (104 إلى 140 درجة فهرنهايت) ، وهي متصلة بإمدادات المياه الباردة المنزلية.  

عندما تحتوي مصادر المياه المحلية على نسبة عالية من المعادن الذائبة، مثل الحجر الجيري ، يؤدي تسخين الماء إلى ترسب هذه المعادن في الخزان (الترسبات الكلسية). وقد يُصاب الخزان بالتسربات نتيجة التآكل بعد بضع سنوات فقط، وهي مشكلة تتفاقم بسبب الأكسجين المذاب في الماء، مما يُسرّع تآكل الخزان والتجهيزات. وعندما لا يتم تغيير الماء في الخزان، كما هو الحال في أنظمة التدفئة، تتوقف الترسبات الكلسية والتآكل بمجرد استهلاك الأكسجين والمعادن الموجودة في الماء.

عادةً ما تُغلّف خزانات تخزين الماء الساخن بعازل حراري لتقليل استهلاك الطاقة، وتسريع عملية التسخين، والحفاظ على درجة حرارة التشغيل المطلوبة. كما يُقلّل العزل الحراري السميك من فقدان الحرارة في وضع الاستعداد . تتوفر سخانات المياه بمستويات عزل مختلفة، ولكن يُمكن إضافة طبقات عازلة إضافية على السطح الخارجي للسخان لتقليل فقدان الحرارة. في الظروف القاسية، قد يُغلّف السخان نفسه بالكامل في حيز معزول مُصمّم خصيصًا.

أكثر أنواع عزل سخانات المياه شيوعًا هو الألياف الزجاجية ، التي تُثبّت في مكانها بشريط لاصق أو أربطة أو الغلاف الخارجي للسخان. يجب ألا يعيق العزل تدفق الهواء أو خروج غازات الاحتراق، في حال استخدام موقد.

من مواد العزل الشائعة الأخرى المستخدمة في خزانات تخزين المياه عزل رغوة البولي يوريثان (PUF). عندما يكون الوصول إلى الخزان الداخلي أولوية (في حالات وجود معادن أو مستويات أكسجين عالية في إمدادات المياه المحلية)، يمكن تطبيق رغوة البولي يوريثان بشكل مغلف، مما يسمح بإزالة طبقة العزل لإجراء فحوصات دورية للتأكد من سلامة الخزان، ولإجراء الإصلاحات اللازمة عند الحاجة.

تتيح تقنية العزل الفراغي الآن إمكانية تخزين الطاقة الحرارية في أنظمة صغيرة إلى متوسطة الحجم لأسابيع دون أي خسائر حرارية كبيرة.

في نظام تسخين المياه بالطاقة الشمسية ، يخزن خزان تخزين المياه الساخنة الحرارة من مُجمِّعات الطاقة الشمسية الحرارية . ^{[ 3 ]} يحتوي الخزان على مُبادل حراري مُدمج لتسخين المياه الباردة للاستخدام المنزلي. في المناخات المعتدلة نسبيًا، مثل مناخ البحر الأبيض المتوسط، غالبًا ما تُركَّب خزانات التخزين (المُعزولة جيدًا والمُغلَّفة بالمعدن) على أسطح المنازل. تُعاني جميع هذه الخزانات من نفس مشاكل الخزانات المُسخَّنة صناعيًا، بما في ذلك ترسبات الحجر الجيري والتآكل، وتُعاني من انخفاضات مماثلة في الكفاءة الإجمالية ما لم تتم صيانتها بدقة.

قد تُصنع خزانات سخانات المياه من الفولاذ الكربوني المبطن بالمينا الزجاجية ، أو الفولاذ المقاوم للصدأ ، أو النحاس .

بينما تُعدّ خزانات المياه الساخنة المنزلية المصنوعة من النحاس والفولاذ المقاوم للصدأ أكثر شيوعًا في أوروبا، فإن خزانات الفولاذ الكربوني أكثر شيوعًا في الولايات المتحدة، حيث يُهمل الفحص الدوري عادةً، مما يؤدي إلى تسرب الخزان واستبدال الجهاز بالكامل. ^{[ 4 ]} وحتى مع الإهمال، تميل خزانات الفولاذ الكربوني إلى أن تدوم لبضع سنوات أطول من فترة ضمان الشركة المصنعة، والتي تتراوح عادةً بين 3 و12 عامًا في الولايات المتحدة.

تتميز الخزانات المبطنة بالزجاج بانخفاض تكلفتها الأولية، وغالبًا ما تتضمن قضيبًا أو أكثر من قضبان الأنود التضحية المصممة لحماية الخزان من الثقوب الناتجة عن التآكل ^{[ 5 ]،} وهو أمر ضروري نظرًا لأن الماء المعالج بالكلور شديد التآكل للفولاذ الكربوني. ولأنه من شبه المستحيل تطبيق أي طبقة واقية بشكل مثالي (دون وجود تشققات مجهرية أو ثقوب دقيقة في الطبقة الواقية) ^{[ 6 ]،} فقد يوصي المصنعون بإجراء فحص دوري لأي أنود تضحية، واستبداله عند الضرورة.

تقدم بعض الشركات المصنعة مجموعة ضمان ممتد تتضمن قضيب أنود بديل. ونظرًا لأن خزانات تخزين المياه الساخنة التقليدية معرضة للتسرب كل 5 إلى 15 عامًا، فإن التركيبات عالية الجودة تتضمن، كما تشترط معظم قوانين البناء والسباكة الأمريكية حاليًا، حوضًا ضحلًا من المعدن أو البلاستيك لتجميع التسرب عند حدوثه.

تقوم هذه الطريقة بتخزين الحرارة في خزان باستخدام مبادلات حرارية خارجية (ملفات) يمكن الاستفادة منها مباشرة أو استخدامها لتشغيل مبادلات حرارية أخرى (خارجية).

تتمثل الفائدة الرئيسية في أنه من خلال تجنب سحب المياه الساخنة المنزلية مباشرة، لا يتم تغذية الخزان باستمرار بالمياه الباردة، مما يقلل في المناطق ذات المياه "العسرة" من ترسبات الكلس إلى ما هو مذاب في الشحنة الأصلية للمياه بالإضافة إلى كميات ضئيلة نسبيًا تضاف لتعويض الفاقد الناتج عن التسرب.

ومن الفوائد الإضافية انخفاض مستويات الأكسجين في مثل هذا النظام المغلق، مما يسمح ببعض التخفيف في متطلبات المواد المستخدمة في خزان تخزين المياه الساخنة ودوائر المياه المغلقة والمبادلات الحرارية الخارجية والأنابيب المرتبطة بها.

في حين أن نظام المبادل الحراري الخارجي المستخدم لتسخين المياه المنزلية سيحتوي على رواسب معدنية، فإن عوامل إزالة الترسبات تطيل عمر هذا النظام.

هناك طريقة أخرى لتخزين الحرارة في خزان تخزين المياه الساخنة ولها أسماء عديدة: خزان تخزين المياه الساخنة الطبقي ذو الدائرة المائية المغلقة ، والتخزين الحراري الطبقي ، وخزان الطبقة الحرارية ، وتخزين المياه الطبقي ، ولكن في جميع الحالات يكون الاختلاف الكبير هو بذل الجهود للحفاظ على التطبق الرأسي لعمود الماء، بمعنى آخر، إبقاء الماء الساخن في الجزء العلوي من الخزان بينما يكون الماء في الأسفل عند درجة حرارة أقل بشكل ملحوظ.

يُعد هذا الأمر مرغوباً فيه في الأماكن ذات النطاق المناخي الواسع حيث يكون التبريد الصيفي بنفس أهمية التدفئة في الشتاء، ويتضمن واحداً أو أكثر من التدابير التالية:

• يجب أن تُرسل حلقات التسخين والتبريد المختلفة الماء الساخن أو المبرد بأقل سرعة ممكنة. (يتطلب هذا بالضرورة أن تحتوي حلقات التسخين والتبريد على مضخات يتم التحكم في سرعتها ومنافذ أنابيب بأكبر قطر ممكن).
• بالنسبة لتطبيقات التبريد، يتم إرسال الماء البارد من الأسفل ويتم إدخال الماء الدافئ (العائد) من الأعلى.
• تستخدم تطبيقات التدفئة الماء الساخن من الأعلى وتعيد الماء البارد إلى الأسفل.
• أجهزة "تعزيز الطبقات" داخل خزان تخزين المياه الساخنة (ولكن إذا كانت سرعة دخول المياه منخفضة قدر الإمكان، فقد لا تكون هناك حاجة لذلك).
• يلزم نظام تحكم حراري أكثر تطوراً ^{[ 7 ] .}

عندما يحتوي خزان تخزين الماء الساخن ذو الطبقات على دوائر مائية مغلقة، قد تصل درجة حرارة الماء إلى 90-95  درجة مئوية في الأعلى و20-40 درجة  مئوية في الأسفل. ويُعتبر الماء الساكن غير المضطرب موصلاً ضعيفاً للحرارة نسبياً مقارنةً بالزجاج والطوب والتربة .

(يوضح ذلك بحيرة ساكنة، حيث يمكن أن تكون المياه السطحية دافئة بشكل مريح للسباحة ولكن الطبقات الأعمق تكون باردة لدرجة أنها تشكل خطراً على السباحين، وهو نفس التأثير الذي يؤدي إلى ظهور إشعارات في أحواض مدينة لندن تحذر من "خطر المياه الباردة العميقة").

وبناءً على ذلك، يمكن تخزين أي كمية من الماء الساخن، شريطة الحفاظ على الطبقات الحرارية سليمة. في هذه الحالة، يجب تجنب استخدام الصفائح أو الأنابيب المعدنية الرأسية لأنها ستنقل الحرارة عبر طبقات الماء، مما يُفقد الطبقات الحرارية جدواها. عند استخدام هذه التقنية بفعالية، يمكن الحفاظ على درجة حرارة الماء عند 95  درجة مئوية (أي أقل بقليل من درجة الغليان)، مما يُنتج كثافة طاقة أعلى ، ويمكن تخزين هذه الطاقة لفترة طويلة بشرط بقاء الماء الساخن مركزًا دون تخفيف.

بحسب الغرض من المنشآت، تسمح عمليات تبادل المياه التي تستخدم مستويات مختلفة باختيار درجات حرارة المياه المناسبة للاستخدام المطلوب. ^{[ 8 ]}

في العديد من أنظمة التسخين الشمسي، يمكن قراءة معايير الطاقة كدالة للوقت، بدءًا من وقت "البقاء" اللازم لتحويل ضوء النهار إلى حرارة، وصولًا إلى ذروة درجة حرارة الماء الساخن القصوى بالقرب من أعلى الخزان. ^{[ 1 ]}

عند بدء تدفق الماء من المخرج العلوي، يدخل الماء البارد إلى الخزان من الأسفل. يؤدي هذا الانخفاض في درجة الحرارة إلى تشغيل منظم الحرارة لعنصر التسخين الكهربائي في أسفل الخزان. عند سحب الماء من أعلى الخزان، يحل الماء البارد محل الماء الساخن، فيقوم منظم الحرارة العلوي بتشغيل عنصر التسخين العلوي. وعند توقف التدفق، تبقى عناصر التسخين قيد التشغيل حتى يتم ضبطها على درجة الحرارة المطلوبة. ^{[ 9 ]}

على الرغم من أنه من الشائع ضبط منظمي الحرارة العلوي والسفلي بشكل مختلف لتوفير الطاقة، إلا أن حقيقة أن الماء الساخن يرتفع تعني أن منظم الحرارة الذي يتحكم في العنصر العلوي يجب أن يغذي الإمداد الأكثر سخونة، بينما يغذي العنصر السفلي الإمداد الأكثر دفئًا.

إذا تم عكس منظمات الحرارة في مثل هذا النظام - تغذية دافئة من الأعلى، وساخنة من المركز - فقد لا يؤثر ذلك فقط على كفاءة الطاقة للنظام، بل قد يكون تغذية المياه الساخنة إلى مخرج المياه الساخنة المنزلية أمرًا خطيرًا، أو إذا تم توجيهها إلى غسالات ذات تغذية دافئة، فقد تتلفها بشكل لا يمكن إصلاحه.

قد يتسبب الماء الساخن بحروق مؤلمة وخطيرة ، خاصةً لدى الأطفال وكبار السن. يجب ألا تتجاوز درجة حرارة الماء عند المخرج 49 درجة مئوية. وتحدد بعض السلطات المحلية حدًا أقصى لدرجة حرارة خزان الماء عند 49 درجة. من جهة أخرى، قد يسمح الماء المخزن عند درجة حرارة أقل من 60 درجة مئوية بنمو البكتيريا، مثل تلك المسببة لداء الفيالقة ، الذي يُشكل خطرًا خاصًا على الأشخاص ذوي المناعة الضعيفة. يتمثل أحد الحلول التقنية في استخدام صمامات خلط عند مخارج الأحواض أو أحواض الاستحمام أو الدش، والتي تقوم تلقائيًا بخلط الماء البارد للحفاظ على درجة حرارة قصوى أقل من 49 درجة مئوية. وقد رُفض اقتراح إضافة هذا البند إلى قانون البناء الكندي. ^{[ 10 ]}

• قانون الميكانيكا الموحد
• قانون السباكة الموحد
• قانون الطاقة الشمسية والهيدرونية الموحد