איך דוד שמש עובד – המדריך המלא למערכת חימום המים הסולארית

עקרון הפעולה הבסיסי של דוד שמש

דוד שמש פועל על בסיס עיקרון פיזיקלי פשוט אך מתוחכם. המערכת מורכבת בעיקרה מדוד אגירה וקולטי שמש המותקנים על הגג. קולטי השמש קולטים את קרינת השמש והופכים אותה לאנרגיית חום, וזו מועברת למים שזורמים בצינורות הקולטים. המים המתחממים עולים באופן טבעי לדוד האגירה בשל צפיפותם הנמוכה יותר, בתהליך הידוע כזרימה טרמוסיפונית.

עיקרון הטרמוסיפון הוא המפתח להבנת פעולת דוד השמש. כשהמים מתחממים, הם מתפשטים ונעשים קלים יותר. מים חמים עולים למעלה ומים קרים יורדים למטה. כך נוצרת זרימה טבעית של מים: המים החמים עולים מהקולטים לחלקו העליון של הדוד, והמים הקרים יורדים מחלקו התחתון של הדוד אל הקולטים, שם הם מתחממים שוב, וחוזר חלילה.

יתרון משמעותי של שיטה זו הוא שהיא אינה דורשת משאבה חשמלית או כל מקור אנרגיה חיצוני אחר כדי להניע את המים במערכת. הזרימה מתרחשת באופן טבעי, בזכות חוקי הפיזיקה, כל עוד יש הפרשי טמפרטורה במערכת. לכן מדובר במערכת יעילה מאוד מבחינה אנרגטית, שמנצלת משאב טבעי ומתחדש – אור השמש.

המבנה והמרכיבים של מערכת דוד שמש מודרנית

מערכת דוד שמש מודרנית מורכבת ממספר חלקים עיקריים, כאשר כל אחד מהם ממלא תפקיד חיוני בפעולתה התקינה של המערכת. הבנת התפקיד של כל מרכיב תסייע לכם להבין טוב יותר איך פועלת מערכת חימום מים סולארית ולזהות תקלות אפשריות.

קולטי השמש – הלב של המערכת

קולטי השמש הם המרכיב המרכזי במערכת. תפקידם לקלוט את קרינת השמש ולהעביר את האנרגיה למים. קיימים מספר סוגים של קולטים:

• קולטים שטוחים – הנפוצים ביותר בישראל, מורכבים מלוח זכוכית שמתחתיו צינורות שחורים בהם זורמים המים
• קולטי ואקום – יעילים יותר אך יקרים יותר, בנויים מצינורות זכוכית עם ואקום שמבודד את החום
• קולטים סלקטיביים – קולטים מתקדמים עם ציפוי מיוחד שקולט יותר חום

קולטי השמש ממוקמים בדרך כלל על גג הבית, בזווית ובכיוון שמבטיחים חשיפה מקסימלית לשמש. בישראל, הכיוון האופטימלי הוא לכיוון דרום ובזווית של כ-30 מעלות, כדי לקלוט את מרב קרינת השמש לאורך השנה.

דוד האגירה – מחסן המים החמים

דוד האגירה, או “בויילר” כפי שהוא מכונה לעתים, הוא מיכל מבודד שתפקידו לאגור את המים החמים ולשמור על חומם. דוד אגירה איכותי מורכב משכבות שונות:

• מיכל פנימי – בדרך כלל עשוי מפלדה מצופה אמייל או מנירוסטה, המיועד למגע עם המים
• שכבת בידוד – לרוב מפוליאוריטן מוקצף, שתפקידה לשמור על חום המים
• מעטפת חיצונית – עשויה מפח מגולוון או אלומיניום, להגנה מפני פגעי מזג האוויר

הדוד מותקן על גבי הקולטים או בסמוך להם, כאשר חלקו התחתון נמצא מעל לחלקם העליון של הקולטים. סידור זה מאפשר את תופעת הטרמוסיפון – המים החמים עולים מהקולטים אל הדוד, והמים הקרים יורדים מהדוד אל הקולטים.

צנרת וחיבורים במערכת דוד השמש

מערכת הצנרת מחברת בין חלקי דוד השמש ומאפשרת את זרימת המים במערכת. היא כוללת:

• צינור כניסה – מוביל מים קרים מהרשת העירונית אל הדוד
• צינור יציאה – מוביל מים חמים מהדוד אל נקודות הצריכה בבית
• צינורות קישור – בין הדוד לקולטים, המאפשרים את הזרימה הטרמוסיפונית
• שסתום אל-חוזר – מונע זרימה הפוכה של המים בלילה, מה שהיה גורם לקירור המים

מרכיב חשוב נוסף הוא הפלאנג’, חיבור מיוחד שדרכו מותקן גוף החימום החשמלי בדוד. גוף החימום משמש כגיבוי בימים מעוננים, כאשר אין מספיק קרינת שמש. הוא מופעל באמצעות מתג חשמלי ומחמם את המים בשיטה דומה לקומקום חשמלי.

תהליך חימום המים בדוד שמש צעד אחר צעד

הבנת שלבי תהליך חימום המים בדוד שמש תעניק לכם תמונה מלאה של כיצד מערכת האנרגיה הסולארית מחממת את המים. נעקוב אחר מסלול המים במערכת, מרגע הכניסה ועד ליציאתם כמים חמים הזמינים לשימוש.

שלב 1: כניסת המים הקרים למערכת

התהליך מתחיל עם כניסת מים קרים מרשת המים העירונית אל הדוד. כאשר אנו פותחים ברז מים חמים בבית, לחץ המים בצנרת גורם למים חדשים להיכנס למערכת. המים הקרים נכנסים לחלקו התחתון של הדוד, דרך צינור המגיע עד לנקודה זו.

בתוך הדוד עצמו קיימת שכבתיות טמפרטורה טבעית: המים החמים נמצאים בחלקו העליון של הדוד, והמים הקרים יותר בחלקו התחתון. הבידוד של הדוד מסייע בשמירה על הפרדה זו, ומונע ערבוב שהיה מקרר את המים החמים.

שלב 2: זרימת המים לקולטים וחימומם

המים הקרים מחלקו התחתון של הדוד זורמים באופן טבעי דרך צינור היורד אל הקולטים. זרימה זו מתאפשרת הודות לכוח הכבידה ולהפרשי הלחץ במערכת. בתוך הקולטים, המים עוברים דרך מערכת של צינורות דקים, הממוקמים מתחת ללוח זכוכית שקוף.

קרינת השמש חודרת דרך הזכוכית ונקלטת על-ידי משטחים שחורים שמחממים את הצינורות והמים שבתוכם. תהליך זה, המכונה “אפקט החממה”, יוצר חום רב שנאגר בקולטים. הזכוכית והבידוד של הקולט מונעים את בריחת החום החוצה.

שלב 3: עליית המים החמים בחזרה לדוד

כשהמים בקולטים מתחממים, הם מתפשטים ונעשים קלים יותר. בהתאם לחוק הפיזיקלי הבסיסי של ציפה, המים החמים עולים באופן טבעי דרך צינור חוזר אל חלקו העליון של הדוד. תנועה זו היא לב תופעת הטרמוסיפון.

בזמן שהמים החמים עולים לדוד, מים קרים חדשים יורדים לקולטים, וכך נוצר מעגל זרימה טבעי. מעגל זה ממשיך כל עוד יש הפרשי טמפרטורה במערכת, כלומר, כל עוד השמש מחממת את הקולטים.

שלב 4: אגירת המים החמים ושימוש בהם

המים החמים נאגרים בדוד, כאשר הבידוד הטוב של הדוד מאפשר שמירה על חום המים למשך שעות רבות. כשפותחים ברז של מים חמים בבית, המים החמים יוצאים מחלקו העליון של הדוד ומגיעים אל נקודת הצריכה.

במקביל, מים קרים חדשים נכנסים לחלקו התחתון של הדוד, דוחפים את המים שכבר נמצאים שם אל הקולטים, וכך המחזור ממשיך. בדרך זו, מערכת דוד השמש מספקת מים חמים באופן רציף, כל עוד יש די שמש וצריכת המים אינה עולה על קיבולת המערכת.

גיבוי חשמלי – איך עובד דוד שמש בימים מעוננים

אחד האתגרים של מערכת דוד שמש היא התלות במזג האוויר. בימים מעוננים או גשומים, כאשר קרינת השמש חלשה, יעילות המערכת יורדת. לכן, כמעט כל דודי השמש בישראל מצוידים בגיבוי חשמלי, שמאפשר חימום המים בימים שבהם השמש אינה מספקת.

מבנה ופעולת גוף החימום החשמלי

גוף החימום החשמלי מותקן בדוד דרך פתח מיוחד (פלאנג’), ומורכב בדרך כלל מהחלקים הבאים:

• אלמנט החימום – לרוב עשוי מחוט ניקרום, המתחמם כאשר זרם חשמלי עובר דרכו
• תרמוסטט – מודד את טמפרטורת המים ומכבה את החימום כשהמים מגיעים לטמפרטורה הרצויה
• מתג בטיחות – מנתק את החימום במקרה של התחממות יתר

כאשר מפעילים את הדוד החשמלי, זרם חשמל מועבר לגוף החימום, שמתחמם ומחמם את המים סביבו. חימום זה יוצר זרימה מקומית בתוך הדוד – המים החמים עולים למעלה, וכך נוצרת הפרדה בין שכבת המים החמים העליונה לשכבת המים הקרים התחתונה.

יתרונות וחסרונות של השימוש בגיבוי החשמלי

השימוש בגיבוי החשמלי מספק פתרון לימים ללא שמש, אך הוא כרוך בצריכת חשמל ועלויות נוספות. להלן היתרונות והחסרונות של השימוש בגיבוי החשמלי:

יתרונות	חסרונות
אספקת מים חמים בכל תנאי מזג אוויר	צריכת חשמל וגידול בחשבון החשמל
חימום מהיר יחסית של המים (1-2 שעות)	השפעה סביבתית שלילית בהשוואה לחימום סולארי
אפשרות לחימום מים גם בשעות הלילה	צורך בתחזוקה (החלפת גוף חימום כל כמה שנים)

כדי למקסם את יעילות דוד השמש ולהפחית את התלות בחשמל, מומלץ להפעיל את החימום החשמלי רק כאשר יש צורך אמיתי בכך, ולכבותו בסיום השימוש. כמו כן, כדאי לתזמן את הפעלת החימום החשמלי לשעות שבהן תעריף החשמל נמוך יותר, אם קיים תעריף דיפרנציאלי.

החלקים המתקדמים במערכות דוד שמש מודרניות

עם התפתחות הטכנולוגיה, גם מערכות דוד השמש השתכללו והפכו ליעילות יותר. כיום, מערכות מתקדמות כוללות מרכיבים נוספים שמשפרים את ביצועי מערכת חימום המים הסולארית. נכיר את החידושים העיקריים בתחום.

ציפויים סלקטיביים וטכנולוגיות קליטה מתקדמות

קולטי שמש מודרניים משתמשים בציפויים סלקטיביים מיוחדים, שמגדילים את יכולת קליטת החום. ציפויים אלה בולעים את רוב הקרינה הסולארית אך פולטים מעט מאוד קרינת אינפרא-אדום, וכך משמרים את החום בצורה יעילה יותר.

טכנולוגיות קליטה מתקדמות כוללות:

• קולטי ואקום – צינורות זכוכית כפולה עם ואקום ביניהן, שמבודד את החום בצורה יעילה במיוחד
• קולטים סלקטיביים – עם ציפוי מיוחד שקולט יותר מ-95% מהקרינה הנופלת עליו
• קולטים משולבי PVT – משלבים ייצור חשמל (פוטו-וולטאי) עם חימום מים

קולטים אלה מאפשרים ניצול יעיל יותר של קרינת השמש, גם בימים שאינם שטופי שמש. בחלק מהמקרים, הם יכולים לספק מים חמים גם בימי חורף מעוננים, ובכך מפחיתים את התלות בגיבוי החשמלי.

מערכות בקרה ובידוד מתקדמות

מערכות דוד שמש מודרניות עשויות לכלול גם רכיבי בקרה מתקדמים, כגון:

• בקרי טמפרטורה דיגיטליים – מאפשרים כיוון מדויק של טמפרטורת המים הרצויה
• מערכות חימום חכמות – מתוכנתות להפעיל את החימום החשמלי בשעות מסוימות או כשהטמפרטורה יורדת מתחת לסף מסוים
• חיישני זרימה – מזהים את צריכת המים ומתאימים את פעולת המערכת בהתאם

גם בתחום הבידוד חלו שיפורים: דודים מודרניים משתמשים בחומרי בידוד מתקדמים, כגון פוליאוריטן מוקצף בצפיפות גבוהה או ג’ל סיליקה, שמאפשרים שמירה על חום המים למשך זמן ארוך יותר.

תקלות נפוצות במערכות דוד שמש ופתרונן

למרות אמינותן הגבוהה יחסית, גם מערכות דוד שמש עלולות לסבול מתקלות. הכרת התקלות הנפוצות תעזור לכם לזהות את הבעיה ולפעול לתיקונה. במקרים רבים, הבנת אופן פעולת דוד השמש תאפשר לכם לאבחן נכון את הסיבה להיעדר מים חמים.

אין מספיק מים חמים למרות שמש חזקה

אחת התלונות הנפוצות היא חוסר במים חמים למרות שמש חזקה. הסיבות האפשריות לכך הן:

• הצטברות אבנית – אבנית בצינורות הקולטים או בדוד מפחיתה את יעילות העברת החום
• בעיות בזרימה הטרמוסיפונית – חסימה בצינורות או בעיה בשסתום האל-חוזר
• תנוחה לא אופטימלית של הקולטים – הצללה, כיוון לא נכון או זווית לא מתאימה
• דליפה במערכת – גורמת לאיבוד מים חמים ולכניסת מים קרים

פתרונות אפשריים כוללים ניקוי אבנית באמצעות חומצה מיוחדת, בדיקה ותיקון של צינורות ושסתומים, שינוי מיקום הקולטים אם אפשר, ואיתור ותיקון נזילות.

גוף החימום החשמלי אינו מחמם

כאשר גיבוי החשמל אינו פועל, הסיבות השכיחות הן:

• נתיך שרוף – בלוח החשמל או במפסק המיוחד של הדוד
• תקלה בתרמוסטט – אינו מודד נכון את הטמפרטורה או אינו מפעיל את החימום
• גוף חימום שרוף – לרוב בגלל גיל, הצטברות אבנית, או פעולה ללא מים
• חוסר במתח חשמלי – בעיות חיווט או ניתוק מהחשמל

הפתרונות כוללים החלפת נתיך, תיקון או החלפת תרמוסטט, החלפת גוף חימום, ובדיקת החיבורים החשמליים. במקרים של תקלות חשמליות, מומלץ להזמין חשמלאי מוסמך.

נזילות ובעיות לחץ במערכת

נזילות ובעיות לחץ הן תקלות נפוצות נוספות:

• נזילה מהדוד או מהחיבורים – בגלל קורוזיה, אטמים פגומים או חיבורים רופפים
• לחץ מים נמוך – עלול לנבוע מחסימה בצנרת או מבעיה בלחץ המים בבניין
• שסתום בטיחות דולף – לחץ גבוה מידי בדוד או תקלה בשסתום עצמו
• רעשים חריגים – לרוב מעידים על אוויר בצנרת או על תופעת “הלם מים”

הטיפול כולל איטום נזילות, החלפת אטמים, ניקוי צנרת חסומה, התקנת מפחית לחץ אם לחץ המים גבוה מדי, והחלפת שסתום בטיחות לפי הצורך.

יתרונות דוד השמש לעומת חלופות אחרות

דוד שמש הוא אמנם הפתרון הנפוץ ביותר לחימום מים בישראל, אך קיימות גם חלופות אחרות. הבנת היתרונות והחסרונות של כל שיטה תעזור לכם לקבל החלטה מושכלת לגבי מערכת חימום המים האידיאלית עבורכם.

דוד שמש מול דוד חשמל

להלן השוואה בין דוד שמש לדוד חשמל טהור:

מאפיין	דוד שמש	דוד חשמל
עלות רכישה והתקנה	גבוהה יותר	נמוכה יותר
עלות הפעלה שוטפת	נמוכה מאוד (בעיקר בקיץ)	גבוהה (צריכת חשמל קבועה)
תלות במזג אוויר	תלוי בשמש (עם גיבוי חשמלי)	אינו תלוי במזג אוויר
חיסכון בחשמל	חיסכון של 70%-90% בצריכת החשמל	אין חיסכון
אורך חיים	15-20 שנה	10-15 שנה
טביעת רגל אקולוגית	נמוכה (אנרגיה מתחדשת)	גבוהה (תלוי במקור החשמל)

דוד השמש מציע חיסכון משמעותי לטווח ארוך, למרות העלות הראשונית הגבוהה יותר. ההחזר על ההשקעה מגיע בדרך כלל תוך 3-5 שנים, ולאחר מכן המערכת מניבה חיסכון נטו.

דוד שמש מול משאבות חום

משאבות חום לחימום מים הן טכנולוגיה חדשה יחסית בישראל, שעושה שימוש בעקרון פעולה שונה. הנה השוואה בין השתיים:

מאפיין	דוד שמש	משאבת חום
מקור האנרגיה	קרינת שמש ישירה	חום מהאוויר + חשמל
תלות בתנאי מזג אוויר	תלות גבוהה בשמש	תלות נמוכה יותר (פועלת גם בעננות)
יעילות אנרגטית	גבוהה מאוד בימי שמש	יעילות גבוהה ויציבה יותר
מיקום ההתקנה	בעיקר על הגג	גמישות רבה יותר במיקום
עלות רכישה	בינונית	גבוהה
שילוב עם מערכות נוספות	מוגבל	ניתן לשלב עם חימום/קירור הבית

משאבות חום מציעות יתרונות משמעותיים במקומות עם פחות ימי שמש או כאשר אין אפשרות להתקין קולטים, אך עלותן הגבוהה והצורך בתחזוקה מקצועית מהווים חסמים לאימוץ נרחב שלהן בישראל.

חסכון באנרגיה וטיפים לשימוש יעיל בדוד השמש

כדי למקסם את היתרונות של דוד השמש, חשוב להשתמש בו בצורה חכמה ויעילה. הנה מספר טיפים שיגבירו את יעילות מערכת דוד השמש שלכם ויפחיתו את התלות בחשמל:

זמני שימוש מומלצים

תזמון נכון של צריכת המים החמים יכול להשפיע דרמטית על החיסכון באנרגיה:

• השתמשו במים חמים בסוף היום – בשעות אחר הצהריים או בערב, המים בדוד יהיו בטמפרטורה הגבוהה ביותר לאחר יום שלם של חימום סולארי
• קצרו את זמני המקלחת – זה לא רק חוסך מים אלא גם מאפשר למים החמים להספיק ליותר אנשים
• תזמנו את הפעלת מכונת הכביסה והדחת הכלים – הפעילו אותן בזמנים שבהם יש די מים חמים בדוד

אם בכל זאת יש צורך להשתמש בחימום החשמלי, הפעילו אותו רק כשבאמת צריך, וכבו אותו מיד לאחר השימוש. כדאי להתקין טיימר שיפעיל את החימום החשמלי זמן קצר לפני הזמן שבו אתם זקוקים למים חמים.

תחזוקה שוטפת לביצועים אופטימליים

תחזוקה נכונה של מערכת דוד השמש חיונית לפעולתה היעילה ולהארכת חיי המערכת:

• ניקוי קולטים – נקו את הקולטים מאבק ולכלוך לפחות פעמיים בשנה (בתחילת החורף ובתחילת הקיץ)
• בדיקת נזילות – בדקו את המערכת באופן סדיר לאיתור נזילות ותקנו אותן בהקדם
• ניקוז אבנית – פעם בשנה, נקזו מעט מים מתחתית הדוד כדי לסלק משקעי אבנית
• בדיקת אל-חוזר – ודאו שהשסתום האל-חוזר פועל כראוי ומונע זרימה הפוכה
• בדיקת גוף החימום – החליפו את גוף החימום כל 5-7 שנים, או מוקדם יותר אם יש בעיות

בדיקה שנתית על ידי טכנאי מוסמך יכולה לאתר בעיות מבעוד מועד ולמנוע תקלות גדולות יותר בעתיד. עלות הבדיקה מתקזזת עם החיסכון בתיקונים ובחשמל.

העתיד של טכנולוגיות חימום מים סולאריות

טכנולוגיות חימום מים סולאריות ממשיכות להתפתח, ומציעות פתרונות יעילים ומתקדמים יותר. הכרת מגמות עתידיות בתחום מערכות דוד השמש יכולה לעזור לכם להבין לאן הולך השוק ומה עשויים להיות הפתרונות של מחר.

חידושים טכנולוגיים בתחום

מספר התפתחויות טכנולוגיות מובילות את התחום קדימה:

• מערכות היברידיות PV-T – משלבות ייצור חשמל (פוטו-וולטאי) וחימום מים באותו קולט, ומנצלות את שטח הגג ביעילות
• מערכות אגירת אנרגיה תרמית – מאפשרות שמירה על חום המים לתקופות ממושכות יותר
• חומרים משני פאזה – חומרים מיוחדים שאוגרים אנרגיה תרמית ומשחררים אותה בהדרגה
• בקרה חכמה מבוססת IoT – מאפשרת שליטה מרחוק וניטור של המערכת באמצעות הסמארטפון

מערכות אלה מציעות יעילות גבוהה יותר, אמינות משופרת, ואינטגרציה טובה יותר עם מערכות הבית החכם. הן גם מאפשרות ניטור בזמן אמת של ביצועי המערכת, וזיהוי מוקדם של בעיות וחריגות.

אינטגרציה עם מערכות בית חכם

העתיד של מערכות דוד השמש כולל אינטגרציה הדוקה יותר עם מערכות הבית החכם:

• בקרה אוטומטית – המערכת לומדת את הרגלי השימוש ומתאימה את עצמה אוטומטית
• ניטור צריכת אנרגיה – מאפשר למשתמשים לעקוב אחר החיסכון והיעילות
• התראות תחזוקה – המערכת מזהה בעיות ומודיעה עליהן לפני שהן מחריפות
• אופטימיזציה מבוססת מזג אוויר – שימוש בתחזיות מזג אוויר להחלטה מתי להפעיל את החימום החשמלי

אינטגרציה זו עם מערכות חכמות מאפשרת שיפור משמעותי ביעילות הכוללת של מערכת דוד השמש, וחיסכון נוסף באנרגיה. בעתיד, נראה יותר ויותר מערכות שמשלבות חימום מים עם מערכות חימום וקירור הבית ועם ייצור חשמל סולארי.

סיכום: המפתח למקסום יעילות דוד השמש שלכם

דוד השמש הוא מערכת פשוטה יחסית שמבוססת על עיקרון פיזיקלי בסיסי, אך בו-זמנית הוא פתרון מתוחכם וחסכוני לחימום מים. הבנת איך דוד שמש עובד מאפשרת לכם למקסם את יעילותו, לזהות תקלות בשלב מוקדם, ולקבל החלטות מושכלות בנוגע לתחזוקה ולשדרוג שלו.

בישראל, שנהנית מקרינת שמש שופעת במשך רוב ימות השנה, דוד השמש הוא פתרון אידיאלי שחוסך כסף רב ומפחית את טביעת הרגל האקולוגית. עם התחזקות המגמה העולמית לעבר אנרגיה נקייה ומתחדשת, חשיבותן של מערכות אלו תמשיך לגדול, ואיתה גם הטכנולוגיות שמשפרות את יעילותן.

איך דוד שמש עובד – שאלות נפוצות

מקורות נוספים למידע על דודי שמש:

• משרד האנרגיה – חימום מים סולארי
• כרומגן – איך עובד דוד שמש