דוד שמש

דוד שמש הוא דוד חימום המשתמש באנרגיה סולארית לחימום מים. הדוד נועד לשימוש ביתי, תעשייתי וכן לשימושים נוספים. שיטת חימום זו נפוצה מאוד במשקי בית במדינת ישראל בחודשי הקיץ.

היסטוריה

המתקן הראשון לחימום על ידי השמש היה תנור שמש, שניראה כי שפותח לראשונה על ידי בוטנאי שווייצרי בשם הוראס דה-ססר , בשנת 1777. המתקן הורכב מקופסת עץ שהכילה קולט ומכל שבו ניתן היה לחמם מרק. דוד השמש הנפוץ כיום הוא פיתוח ישראלי של דוקטור צבי תבור, מחלוצי השימוש באנרגיה סולארית בישראל.

מבנה

הדוד מורכב משני חלקים עיקריים - מכל המים, וקולטני השמש.

גוף חימום

גוף חימום חשמלי לדוד עשוי מצינורית שמיוצרת מנחושת או מנירוסטה בקוטר של כ-8 מ"מ. בתוך הצינורית מושחל חוט להט בצורה ספירלית אשר מבודד ממגע בצינורית על ידי אבקה דחוסה. בקצות חוט הלהט מותקנים קצוות מוליכים עם ראשי הברגה שאליהם מחברים את כבלי הזינה המגיעים לדוד. כל דודי השמש בישראל מכילים גוף חימום. כיום, רובם המכריע של גופי החימום הם גופי חימום טבולים, כלומר: באים במגע עם המים. עקב קשיות המים בישראל, נוצרת על גוף החימום שכבת אבנית (כדוגמת גוף החימום בקומקום), אשר גורמת עם הזמן להתנגדות גוברת והולכת של חוט הלהט והוא נשרף (בדומה לחוט להט של נורת ליבון).

מכל המים

המכל הוא בדרך כלל בצורת גליל מוארך העשוי מפלדה עמיד בפני לחץ מים שסביבו גליל פח מגולוון כאשר ביניהם קיים חומר בידוד תרמי מפוליאוריתן מוקצף (בעבר השתמשו לצורך הבידוד בצמר סלעים). חלקו הפנימי של דוד הפלדה מצופה בחומר מבודד שנועד למנוע התפתחות קורוזיה וחלודה. מצויים בשוק מספר ציפויים: ציפוי צבע (פנולי או אפוקסי), ציפוי מלט (פוליטון) וציפוי אמייל. רב דודי השמש בישראל הם בעלי ציפוי מלט שהוא זול יותר מאמייל. על פי התקן הישראלי מותר השימוש בציפוי בטון בעובי של לפחות מילימטר אחד. במדינות אחרות ציפוי בטון אסור לגמרי, מכיוון שהוא סובל מבלייה ועם הזמן מתפתחות קורוזיה וחלודה. אלו עשויות להפריש למים בדוד מתכות כבדות כעופרת, ניקל וקדמיום, ברמות הגבוהות מהתקן המותר ובכך לסכן את בריאות השותים את המים מהדוד. ביוני 2014 המליצה ועדה של מכון התקנים הישראלי לאסור מכירת דודי שמש מבוּטָנים, אך המליצה לתת שנה לאיסור על שיווק בדודים אלו, כדי שיצרנים יוכלו להיערך לשנות את קווי הייצור. לעומת זאת משרד הבריאות התנגד לאשר ציפוי מלט מסיבות בריאותיות.
בנוסף לדודי פלדה, יש יצרנים המציעים דודי נירוסטה, שאינם סובלים כלל מקורוזיה, אך עלותם גבוהה משמעותית מעלות דודי הפלדה.

הקולטנים

קולטן שמש הוא תיבה מלבנית, שעשויה רובה ממתכת, פרט לדופן הקדמית העשויה זכוכית או מפלסטיק שקוף. בתוך קולטן השמש עובר צינור מים מפותל הצבוע בצבע שחור. בצמוד מאחורי הצינור המפותל לוח פח צבוע בצבע שחור שתפקידו להעביר (באמצעות הולכת חום) את החום הנוצר מבליעת קרני השמש שאינן נבלעות בדופן הצינור עצמו.
באזורים בעלי קרינה נמוכה ניתן להתקין קולטן עשוי מצינורות זכוכית עם דופן כפולה. בין שתי הדפנות יש ואקום המשמש לבידוד (כדוגמת תרמוס). הדופן הפנימית מצופה בשכבה שחורה הקולטת חום ומעבירה אותו למים הנמצאים בחלק הפנימי של הצינור. הצינורות מחוברים לסעפת המהווה גם דוד. סוג זה של קולט נפוץ בסין.
הקולט מותקן בדרך כלל על גג הבית, או במקום אחר החשוף לשמש. הקולט מותקן בשיפוע, כשהוא פונה דרומה (בחצי הצפוני של כדור הארץ), לשם חשיפה מרבית לקרני השמש.
שימוש מעניין קיים לעיקרון זה, ומומלץ על ידי מדריכי הישרדות] כאמצעי ניווט כאשר אדם נמצא במדינה שמצפון לקו המשווה (כישראל) הכיוון ההפוך לפני הקולטנים הוא צפון.(בהנחה שמתקיני הדודים פעלו ביעילות) ולהפך מדרום לקו המשווה.

צנרת מים

בדוד סטנדרטי קיימת מערכת צינורות הכוללת 4 צינורות, 2 צינורות בהם מועברים מים קרים ו2 צינורות בהם מועברים מים חמים.
צינור מס' 1 [הזנה ראשית] מזין מים קרים ממערכת המים הכללית אל הדוד, כניסתו ממוקמת בתחתית הדוד ושיעור אורכו בתוך הדוד כ10 ס"מ [בפתח הצינור הנמצא בתוך הדוד מותקנת כעין כיפה אשר תפקידה לווסת את לחץ המים ובכך לגרום שזרם המים הנכנס ממערכת המים הכללית לא יתפרץ כלפי מעלה אלא יתפשט לצדדי הדוד, התקנת כיפה זו מוכרחת על מנת להשאיר את כמות המים שבתוך הדוד כשהיא מחולקת לרמות חום שונות דבר הכרחי לתפעול הדוד באופן תקין ולחויות המשתמש, ראה להלן אופן הפעולה שלב ג',]
צינור מס' 2 מזין מים קרים מן הדוד אל תחתית הקולטנים, מיקומו: בתחתית הדוד עד הקצה התחתון במערכת הקולטים,
צינור מס' 3 מספק מים חמים מן הקולטנים אל הדוד, מיקומו: תחילתו בקצה העליון במערכת הקולטנים, ובסופו במרבית הדוודים מתחבר אל צדו החיצוני של הדוד בחלקו העליון, אולם בחלק מן הדוודים חיבורו לדוד כשאר הצינורות בתחתית הדוד ואורכו לכל גובה הדוד. [אספקת המים החמים לראש הדוד מוכרחת לפי צורת ההפעלה של דוד השמש]
צינור מס' 4 [אספקה ראשית] מספק מים חמים מן הדוד אל מערכת המים הביתית, מיקומו: בתחתית הדוד, שיעור אורכו בגוף הדוד עד קצהו העליון. [מיקומו הפנימי של צינור מס' 4 בראש הדוד נועד להבטיח שכמות המים הראשונה שמגיעה מן הקולטים ומזינה את הדוד בקצהו העליון היא אשר תגיע ראשונה אל צרכן המים]
צינור פריקת לחץ: בתחתית הדוד ישנו צינור נוסף שבראשו מותקן שסתום חד כיווני אשר תפקידו לווסת את לחץ החום הפנימי, פריקת לחץ החום הפנימי מוכרחת על מנת למנוע את פיצוץ מיכל הדוד, מערכת זו באה לידי שימוש בעיקר בדוודים אשר מותקנת בהם מערכת גיבוי חשמלית לחימום המים.

אופן הפעולה

שלב א' מילוי המים: מערכת המים בדוד ובקולטנים הנה מערכת סגורה, צינור מס' 1 מזין במים קרים את כל מיכל הדוד ולאחר שהדוד התמלא לחץ המים מצינור ההזנה דוחק את המים לצינור מס' 2 אל מערכת הקולטנים, כעת מערכת הדוד והקולטנים מלאים במים קרים.
שלב ב' חימום המים: חימום המים נעשה על פי חוק טבע הקובע שחום שואף לעלות כלפי מעלה בעוד הקור שואף לרדת כלפי מטה, כאשר המים שבתוך הקולטנים מתחממים באנרגיית השמש ממילא נדחקים הם כלפי מעלה לקצה הקולטן העליון שם ממוקם צינור מס' 3 ונכנסים לתוך הדוד בקצהו העליון כעת לחץ המים הפנימי דוחק את המים הקרים שבתחתית הדוד אל מערכת הקולטנים אשר בתורם הם דוחקים את המים שנמצאים בתוך הקולטנים כלפי מעלה, אופן הנעת המים בצורה הנ"ל ללא שימוש בעזרים שונים נקרא "תנועה תרמוסיפונית" תנועה זו תימשך ללא הפסקה כל עוד המים שבתוך הקולטנים יהיו חמים יותר מן המים שבתוך הדוד.
שלב ג' אספקת המים: כאשר האדם בבית פותח את ברז המים החמים, נכנסים המים אל צינור מס' 4 אשר פתחו ממוקם בתוך הדוד בקצהו העליון וכנגד כמות המים החמים היוצאת נכנסת כמות שווה של מים קרים ממערכת המים הכללית ואז מתחילה שוב התנועה התרמוסיפונית של המים וחוזר חלילה, חוק טבע נוסף הקובע שמים חמים קלים יותר ממים קרים מבטיח שלא יהיה ערבוב בין המים הקרים שבתחתית הדוד אל המים החמים שבראש הדוד, כך שיוצא שבזמן השימוש דוד המים מחולק ל 3 רמות חום: מים חמים מאוד בראש הדוד, מים פושרים באמצעו, ומים קרים בתחתית הדוד.
מערכת זו מבוססת על כך שדוד המים ממוקם מעל מערכת הקולטים ואז המים החמים יעלו במעלה הצינור כלפי מעלה ותיווצר הסירקולציה אולם כשהמכל ממוקם נמוך יותר מן הקולטים, יש ליצור תנועת מים מאולצת באמצעות מנוע חשמלי זעיר. תחלופה מאולצת מצויה בבתים שבהם מסיבות ארכיטקטוניות הדוד ממוקם מתחת לקולטנים או בבניינים שבהם מערכת סולארית משותפת.
במקרים רבים מותקן בתוך המכל גוף חימום חשמלי, המשמש לחימום מים כאשר החימום על ידי קרני השמש אינו מספק. סביב גוף החימום ניתן להתקין "שרוול", שמבודד כמות מים קטנה יחסית משאר נפח הדוד ומאפשר חימום של שכבת הדוד העליונה בלבד. בדרך זו נחסכת אנרגיה וזמן בחימום מיותר של כל נפח הדוד. התקן זה מכונה "מאיץ". בשל העלייה המהירה בטמפרטורה שבשרוול מצטברת כמות רבה יותר של אבנית ביחס לגוף חימום שאין סביבו מאיץ.

מערכת סולרית מאולצת/משותפת

במקומות בהם מסיבות ארכיטקטוניות ואחרות אין אפשרות להתקין את הדוודים מעל קולטי השמש ישנה אפשרות להפריד בין המערכות, באופן כזה קולטי השמש מחממים מים שעוברים בתוך צינורות אטומים בתוך הדוד ויוצרים מעין גוף חימום. במערכת זו יש הפרדה בין המים שבקולטי השמש (מעגל החימום) למים שבדוד (מעגל הצריכה), תנועת המים מתאפשרת הודות למשאבת סחרור הפועלת ברציפות ומאפשרת את חשיפת המים לקרני השמש.
השימוש באמצעי זה נפוץ בעיקר בבנייני מגורים רבי קומות כאשר הדוודים מוצבים בתוך הדירה ומתחממים על ידי צינורות מים המזרימים מים שהוחמו באמצעות חוות קולטנים משותפת שמותקנת על הגג, מערכת כזו נקראת גם מערכת סולרית משותפת, היתרון בשיטה זו הוא חיסכון בשטח הגג שאינו יכול להכיל את מספר הדוודים הגדול, יתרון נוסף על פני הדוד הרגיל הוא בטמפרטורת מים גבוהה יותר בצנרת הביתית שאינם מאבדים מחומם בעקבות זרימה בצינורות ארוכים מהדוד שבגג עד בית הדייר.
החסרון באמצעי זה הוא בימים בהם הטמפרטורה באוויר נמוכה מסתחררים לדוד מים קרים מאד ומקררים את המים כך שחימום המים באמצעות גוף החימום החשמלי עלול להיות ארוך יותר, ניתן לפתור את הבעיה הזו על ידי כיבוי משאבת הסחרור לכלל הדוודים או על ידי סגירת ברזי הצינורות המובילים את המים לקולטים ובחזרה.

דוד השמש בישראל

דודי השמש נכנסו לשימוש בישראל באמצע שנות ה-50. בשנת 1955 ייצר מפעל מירומית באשקלון דודי שמש, על פי פיתוח של המהנדס לוי ישר  וחברת אולימפיה מכרה גם היא דודי שמש. כבר בשנת 1957 דיווח עיתון דבר שהשימוש בדודי שמש רווח בישראל. באותה שנה התאחדו מירומית ואולימפיה ולשוק נכנסו יצרנים נוספים. בראשית שנות השישים התבסס מעמדו של דוד השמש כסמל להצלחה כלכלית המתנוסס על גג הבית. במחצית הראשונה של שנות ה-60 שילבה מירומית בקולטים שלה את המשטח הסלקטיבי של צבי תבור.
הממשלה לא עודדה שימוש בדודי שמש. חברת החשמל סירבה להעניק מחיר נמוך לצרכני חשמל עבור דודי שמש, כפי שנתנה לבעלי דודי חשמל. חברת שיכון עובדים התנגדה לשימוש בדודי שמש בטענה שהם מביאים לכיעור הנוף העירוני. החברה פעלה להסיר דודי שמש מדירותיה וספקה עם כל דירה שמכרה דוד חשמל.
מחקר שנעשה בשנת 1973 מצא שהשימוש בדוד שמש יקר מהשימוש בדוד חשמל.
בעקבות משבר האנרגיה של שנות השבעים נקבעה בחוק בשנת 1976 החובה להתקין דודי שמש לכל דירה הנבנית בישראל, מלבד לדירות בבתים גבוהים מאוד, שבהם שטח הגג אינו מספיק לחימום מים אפקטיבי. חריג ייחודי בתקנה האזרחית היא שכונת הרובע היהודי בירושלים שבה קיימת תקנה נופית האוסרת על הצבת מתקנים על הגגות, ובכללם נאסרת הצבת דודי שמש.
בישראל נעשה באנרגיה סולארית שימוש רב באמצעות דודי השמש לחימום מים. עד לאחרונה נהוג היה לחשוב שיש דודי שמש בכ-95% מבתי האב, ודודי שמש מספקים 4% מצריכת האנרגיה של המדינה. בדיקה חדשה העלתה שהחוק המיושן, והגידול המשמעותי בבניית בניינים גבוהים, הביאו לירידה מהירה במספרם היחסי של דודי השמש. לפי נתוני מרכז המחקר והמידע של הכנסת בשנת 2012 היו דודי שמש בכ-85% ממשקי הבית ואלו הביאו לחיסכון של כ-8% בצריכת החשמל.
מפעלי תעשייה אינם מחויבים על פי החוק בישראל לחמם מים באמצעות קולטי שמש ומעדיפים את הפתרון הנוח יותר של שימוש במזוט.
בישראל קיימים כעשרה יצרנים מאושרים על ידי מכון התקנים הישראלי של דודי שמש. במגזר הערבי קיים יצרן אחד של דודי שמש.

היתרים

על פי החוק, כל תוספת על הגג חייבת ברישיון, וכך גם דוד השמש, אך לרוב לא בקשו תושבים רישיונות כאלו. באשקלון נדרשו תושבים לבנות מעקה על הגג שיסתיר את הכיעור של דוד השמש.
החל משנות התשעים נוהגות הוועדות המקומיות לתכנון ולבניה לאסור התקנת דודי שמש על גגות רעפים אלא קולטנים בלבד בצמוד לגג המשופע וזאת לשם שמירת חזות העיר. בבתים אלה מותקן הדוד בתוך חלל הגג במקום נמוך יחסית אשר מחייב לעיתים התקנת משאבה לסחרור המים ופוגע במידת מה ביעילות הדוד.

דוד שמש בהלכה

השימוש בדוד שמש בשבת מעורר שאלה הלכתית, מפני שכאשר מוציאים מים מן הדוד נכנסים לדוד במקומם מים קרים, שכעת מתחממים מן השמש או מן המים החמים שנשארו בדוד. נמצא שהאדם גורם לחימום המים בשבת, וחימום נוזלים (לחום ש"היד סולדת בו" ונכווית ממנו. מקובל לאמוד זאת ב-45 מעלות צלזיוס) נחשב כבישול.
הנושא נדון בין פוסקי ההלכה בדור האחרון, יש שנטו להתיר זאת. ברקע הדיון עומדת סוגיה בתלמוד הקובעת שמותר לבשל בשבת ישירות מחום השמש, אך לא בעזרת מתווך שהתחמם על ידי השמש ("תולדות חמה", כגון הטמנת ביצה בחול רותח). הפוסקים המתירים את השימוש בדוד שמש מחשיבים את חימום המים בצינור של הקולט כחימום ישיר מן השמש, למרות התיווך של הצינור, כי אם הצינור יוסתר מן השמש - לא ירתיח את המים. אמנם המים החדשים עשויים להתחמם גם מן המים החמים שנשארו בדוד, והם "תולדות חמה" שהבישול בעזרתם אסור, אבל הדבר אינו הכרחי, מאחר שבדרך כלל יש שכבה של מים פושרים בין המים הקרים למים הרותחים. ומאחר שהאדם הפותח את הברז מעוניין במים שכבר רתחו, ואין לו עניין ברתיחת המים החדשים בשבת עצמה (בשבת אין מתקלחים במים חמים, ובדרך כלל די במים שהתחממו ביום שישי לכל צורכי השבת) - הרי זה דבר שאינו מתכוון. יש שאסרו זאת מחשש שישתמשו בדוד גם בימות החורף, כאשר החימום מבוסס על גוף החימום, ובמקרה זה אין ספק שכניסת המים החדשים ורתיחתם נחשבת כבישול. לעומת זאת, ישנם האוסרים כמו דוד חשמל.