تدفيه بطاقه شمسيه

Solar heating -

 التدفئة بالطاقة الشمسية

التدفئة بالطاقة الشمسية

فوائد التدفئة بالطاقة الشمسية

الاستطاعة الحرارية للتدفئة الشمسية

منظومات التدفئة بالطاقة الشمسية

التدفئة بالطاقة الشمسية solar space heating هي أحد تطبيقات الهندسة الميكانيكية الحرارية التي توفر جزءاً من الدفء للمنازل، إضافة إلى الماء الساخن بالطاقة الشمسية.

تنبهت الأقوام القديمة على ضرورة توجيه نوافذ المساكن نحو الجنوب في نصف الكرة الشمالي للاستفادة من حرارة الشمس في فصل الشتاء، واستخدم اليونان المرايا العاكسة لأشعة الشمس لإحراق سفن الأسطول الفارسي، وكذلك استُخِدم الزجاج لسد النوافذ حفاظاً على الدفء. غير أن مفهوم الطاقة الحرارية الشمسية علمياً ترافق مع ابتكار السويسري هوراس دي سوسور Horace de Saussure -في عام 1767- الطباخ الشمسي solar oven أو الصندوق الحار hot box الذي استخدمه الفلكي جون هيرشل John Herschel لطبخ الطعام إبان رحلته إلى جنوب إفريقيا في عام 1830.

بدأت أولى خطوات التدفئة بالطاقة الشمسية باختراع اللاقط الشمسي الحراري thermal solar collector في عام 1908 من قبل الأمريكي وليَم بايلي William J. Bailey. وفي منتصف الخمسنيات من القرن العشرين شيَّد المعمار الأمريكي فرانك بريدجرز Frank Bridgers أول مكتب تجاري مدفأ بالطاقة الشمسية. وفي أوربا أدت الدول الاسكندينافية دوراً رئيسياً في تطوير منظومات التدفئة بالطاقة الشمسية بعد عام 1973 نتيجة حظر تصدير النفط العربي في أثناء الحرب العربية الإسرائيلية الرابعة. وقد شُيِّدت أولى المنظومات في لينكوبنغ Linköping في السويد، وفي كيرافا Kerava في فنلندا، وفي غرونينغن Groningen في هولندا. ثم شُيِّدت أول منظومة كبيرة الحجم في تورفال في السويد في عام 1982 بلغت مساحة لواقطها الشمسية 2000 م2، وشُيِّدت بعدها منظومة أخرى في مالونغ Malung مساحة لواقطها الشمسية 640 م2، في حين شُيِّدت منظومة في نايكفارن Nykvarn في عام 1985 مساحة لواقطها 4000 م2، وثلاث منظومات مشابهة في الدنمارك بين عامي 1987 و1989. وفي بداية التسعينيات من القرن العشرين نشطت أعمال تطوير هذه المنظومات في ألمانيا وسويسرا.

فوائد التدفئة بالطاقة الشمسية

1- توفير ملموس في الوقود الأحفوري.

2- تخفيض الاعتماد على استيراد المشتقات النفطية.

3- تخفيف آثار تقلبات أسعار النفط والغاز.

4- تخفيض كبير في انبعاث ثنائي أكسيد الكربون الضار بالبيئة وبالكائنات الحية.

5- رفع نسبة الأمان في التزود بالطاقة.

6- إيجاد فرص عمل جديدة.

7- تطبيق تقانة مطورة جيداً وجذابة؛ مما يسهل بيعها والترويج لها.

الاستطاعة الحرارية للتدفئة الشمسية

ثمة عدم توافق بين متطلبات الاستهلاك وتطبيقات الطاقة الشمسية المنفذة، فمثلاً تتركز حاجة المنازل الكبرى على التدفئة، في حين تستخدم معظم المنظومات الشمسية الحرارية القائمة اليوم لغرض تسخين المياه، وفي منازل منفردة في كثير من الأحيان، مع أن معظم السكان يقطنون في أبنية مشتركة الخدمات. ثم إن معظم المنظومات الموجودة مركبة في القطاع السكني، في حين يتركز الاستهلاك الأعظم للطاقة في القطاع الصناعي.

تعتمد مساحة اللواقط الشمسية الحرارية اللازمة للتدفئة على عوامل كثيرة، أهمها:

1- كمية الطاقة الشمسية المتاحة في الموقع.

2- نوع اللاقط الشمسي المستخدم ومردوده.

3- الحمل الحراري heat load للمنزل الذي يتعلق بمستوى العزل الحراري.

تقدر مساحة اللواقط الشمسية الحرارية بـ 10-30% من مساحة المنزل المراد تدفئته، أو بتقدير وسطي قدره 1 م2 من مساحة اللواقط الشمسية الحرارية لكل 5م2 من مساحة المنزل. ويوضح الشكل (1) مقارنة نموذجية على مدار العام بين الطاقة الحرارية المنتجة من منظومة شمسية والحمل الحراري للتدفئة وتسخين الماء.

الشكل (1) مخطط نموذجي للطاقة الحرارية المنتجة من منظومة شمسية (المنحني ب)، والحمل الحراري للتدفئة وتسخين الماء (المنحني أ) على مدار السنة

منظومات التدفئة بالطاقة الشمسية:

تُصَّنف منظومات التدفئة بالطاقة الشمسية بأنها منظومات فعَّالة active systems تتطلب طاقة ميكانيكية (مضخة أو مروحة) لنقل حرارة الماء أو الهواء من اللواقط الشمسية إلى الأماكن المراد تدفئتها، أو إلى خزانات حفظ الطاقة الحرارية، ومنظومات منفعلة (أو محرَّضة) passive systems تعتمد على طرائق ثلاث لنقل الحرارة هي التوصيل conduction، والحمل convection، والإشعاع radiation خلال الفراغات والنوافذ والجدران. يمكن استخدام كل منظومة من هاتين المنظومتين على حدة أو مجتمعتين معاً. وفي هذه الحالة تسمى المنظومة منظومة هجينة hybrid، وتُعد منظومة التدفئة المنفعلة أقل تكلفة وتعقيداً من منظومة التدفئة الفعَّالة.

1- المنظومات الفعالة: تُصنف طبقاً لنوع دارة العمل: منظومات بِدارَة مغلقة closed-loop، ومنظومات بِدارَة مفتوحة open- loop، وتُصنف أيضاً تبعاً لنوع مائع التشغيل: منظومات مائية water systems، وفيها ينقل مائع التشغيل (الماء) الحرارة من اللواقط الشمسية إلى شبكة التدفئة مباشرة أو إلى خزانات حفظ الطاقة، ومنظومات هوائية air systems تعمل بلواقط شمسية هوائية، حيث ينقل مائع التشغيل (الهواء) الحرارة من اللواقط الشمسية إلى شبكة التدفئة مباشرة أو إلى حجرة تخزين الحرارة. تعمل المنظومات المائية على تسخين المياه للأغراض المنزلية، أما المنظومات الهوائية فيستخدم فيها مبادل حراري بين الهواء والماء لتسخين الماء.

ثمة تصاميم عديدة للمنظومات المائية، تعمل معظمها على تخزين الحرارة وحفظها في خزانات كبيرة الحجم نسبياً للاستفادة منها ليلاً. تختلف سعة التخزين الحراري باختلاف نوع التخزين، وتساوي 70 kWh/m³ تقريباً للتخزين بالحرارة المحسوسة بفارق درجات حرارة 60° س، وتساوي 150-300 kWh/m³ للتخزين بالحرارة الكامنة (تغير الطور)، و650 kWh/m³ للتخزين الحراري الكيميائي.

تحوي معظم المنظومات مصدراً تقليدياً مساعداً (مرجلاً أو سخاناً كهربائياً مثلاً) لاستخدامه في الأيام الغائمة (الشكل 2)، أو تدمج بمضخة حرارية على التسلسل (الشكل 3) أو على التفرع (الشكل 4).

الشكل (2) منظومة تدفئة بالطاقة الشمسية مع تخزين حراري.

الشكل (3) منظومة تدفئة بالطاقة الشمسية وبمضخة حرارية على التسلسل مع التزويد بماء ساخن.

الشكل (4) منظومة تدفئة بالطاقة الشمسية وبمضخة حرارية على التفرع.

إذا كان المنزل مزوداً بشبكة توزيع هواء للتدفئة والتكييف فإنه يمكن استخدام منظومة فعالة مائية تعمل بلواقط شمسية حرارية مسطحة مع مبادل حراري بين الماء والهواء بحيث يضخ الهواء الساخن الخارج من هذا المبادل إلى شبكة توزيع الهواء.

تتألف المنظومة الهوائية الفعالة من لواقط شمسية هوائية وتخزين حراري ومروحة. يدخل الهواء الخارجي البارد (أو الهواء البارد العائد من شبكة الهواء) إلى اللواقط الشمسية فيسخُن ويتجه مباشرة لتدفئة البناء، أو تُخزَّن حرارته إما في خزان عن طريق مبادل حراري بين الهواء والماء، وإما في حجرة تحوي وسائط تخزين حراري للهواء (كتل صخرية أو إسمنتية).

تتطلب التدفئة الفعالة بالطاقة الشمسية أن تكون زاوية ميل اللواقط الشمسية مناسبة لاستقبال أشعة الشمس وكسب أكبر كمية طاقة ممكنة منها في فصل الشتاء، وأن تكون درجة حرارة الماء العائد من شبكة التدفئة أقل من درجة حرارة الماء الخارج من اللواقط الشمسية الحرارية، وكلما ازداد هذا الفارق ارتفع مردود هذه اللواقط. ولما كان معظم اللواقط الشمسية يعمل عند درجات حرارة منخفضة يُحبَّذ استخدام مشعات حرارية تعمل عند درجات منخفضة مثل التدفئة الأرضية radiant floor heating.

تُعد التدفئة الأرضية أكثر الطرق توافقاً مع المنظومات الشمسية الفعالة؛ لأن تشغيلها يتطلب درجات حرارة منخفضة تقل عن 40°س، وعند هذه القيمة المنخفضة لدرجة الحرارة تعمل اللواقط الشمسية الحرارية بمردود عالٍ. تشكل شبكة الأنابيب اللدائنية (البلاستيكية) جزءاً لا يتجزأ من أرضية الغرف الخرسانية، وعند تمرير الماء الساخن عبرها فإن الأرضية تسخن أولاً ثم تبدأ بإشعاع حرارتها نحو الغرفة، وعند توقف تدفق الماء الساخن عبر الشبكة يستمر إشعاع الأرضية للحرارة فترة زمنية تعتمد على سمك الأرضية ونوعيتها، وأفضل الأنابيب استخداماً هي المصنوعة من البولي إيتيلين polyethylene (PEX) لتمتعها بالمرونة، وقابليتها للانحناء عند الزوايا، وتحملها للقيم التشغيلية لدرجات الحرارة والضغوط، وقصر المدة الزمنية اللازمة لتركيبها، وعدم حاجتها إلى قطع تركيب fittings كالوصلات التي يمكن أن يتسرب الماء منها.

قُدِّرت مساحة اللواقط الشمسية الحرارية المركبة في أوربا في عام 2006 بنحو 22 مليون متر مربع، ويُقدر الوفر السنوي الناتج منها بنحو 1375 مليون لتر من النفط. في حين تراوح نسبة نمو تسويق المنظومات مزدوجة الطاقة (طاقة شمسية وطاقة تقليدية) solar combisystems في أوربا بين 10% و 20% سنوياً.

يظهر الشكل (5) تطور التكاليف النوعية للمنظومات الشمسية الحرارية القسرية صغيرة الحجم في وسط أوربا. يكمن الهدف في تخفيض هذه التكاليف إلى نحو 3-6 سنتات/ يورو لكل كيلو واط ساعي. ويوضح الشكل (6) منظومة تدفئة فعالة لمنزل في سويسرا استطاعتها الحرارية 193 كيلو واط (حراري)، ومساحة اللواقط الشمسية المركبة 276 م2، وحجم التخزين الحراري 205 م3.

الشكل (5) تطور التكاليف النوعية للمنظومات الشمسية الحرارية الفعالة (القسرية) صغيرة الحجم في وسط أوربا.

الشكل (6) منظومة تدفئة فعالة بالطاقة الشمسية لمنزل في سويسرا.

2- المنظومات المنفعلة: تسمح المنظومة المنفعلة للشمس بتدفئة كاملة، وخير مثال على مبدأ عملها هو استشعار الحرارة المخزنة في داخل سيارة متوقفة تحت أشعة الشمس عند فتح بابها، أي إن السيارة تعمل في يوم مشمس عمل اللاقط الشمسي الحراري، وبالتالي تعمل المنظومة المنفعلة- أي كامل المنزل- عمل اللاقط الشمسي الحراري، ولتحقيق ذلك تصمم بعض عناصر البناء وتوجَّه بحيث تكتسب حرارة الشمس مباشرة، و/أو توليد جريان طبيعي لهواء الغرفة لدى التعرض لأشعة الشمس. تُعد هذه المنظومات بسيطة، ولا تحوي عادة أجزاء متحركة كالمضخات، كما أن صيانتها سهلة.

توجد طرائق عديدة للتدفئة المنفعلة، كالكسب الحراري المباشر direct gain لأشعة الشمس (الشكل 7)، والكسب الحراري غير المباشر لأشعة الشمس. تعد طريقة الكسب المباشر سهلة، حيث تخزن الحرارة مباشرة في مواد البناء كالخرسانة والقرميد، ثم تتحرر هذه الحرارة ببطء لتدفئة الغرفة. أما الطريقة غير المباشرة فهي تشابه الطريقة المباشرة في استخدام مواد لتخزين الحرارة وتحريرها ، لكن هذه المواد (جدار عادة) تتوضع بين أشعة الشمس وغرف المعيشة. والمثال على ذلك الجدار الإسمنتي المسمى باسم مخترعه الفرنسي ترومب Trombe (الشكل 8). يحوي جدار ترومب السميك فتحتين، ففي النهار المشمس يخرج الهواء البارد من الفتحة السفلية فيسخن نتيجة تعرضه لحرارة الشمس، ويتجه نحو الأعلى ليدخل من الفتحة العلوية باتجاه الغرفة. يخزن الجدار الحرارة الفائضة في أثناء النهار للاستفادة منها في أثناء الليل، حيث تغلق الفتحتان ويتحرك هواء الغرفة البارد بالقرب من سطح الجدار الساخن فيسخن ويتجه نحو الأعلى، وتتشكل تيارات هوائية تنقل الحرارة من الجدار بالحمل الطبيعي natural convection currents.

الشكل (7) الكسب الحراري الشمسي المباشر.

الشكل (8) الكسب الحراري الشمسي غير المباشر (جدار ترومب).

يجتمع الكسب الحراري المباشر مع الكسب الحراري غير المباشر في حال تلاصق الغرفة المراد تدفئتها بدفيئة شمسية sunspace or greenhouse خارجية كما هو موضح في الشكلين (9 و10). تسمى هذه الطريقة بالكسب المعزول isolated gain حيث تلتقط حرارة الشمس بعيداً عن غرفة المعيشة، وينتقل الهواء المسخن بالحمل الحراري الطبيعي إليها.

الشكل (9) بيت زجاجي مع جدار تخزين حراري (جدار ترومب).

الشكل (10) بيت زجاجي مع جدار تخزين حراري (جدار مصمت).

يتطلب التصميم الأمثل لمنظومة منفعلة أن يكون الجدار الجنوبي أطول ما يمكن مع نسبة مساحة لنوافذه لا تقل عن 25-35% من مساحة الجدار، وأن تشكل بعض الجدران والأرضيات كتلة حرارية thermal mass كبيرة أي ذات سماكات كبيرة لتتمكن من تخزين الطاقة الحرارية، وأن يكون البناء معزولاً حرارياً ولا يتعرض لأي ظل من الأبنية المحيطة به، ويوضح الشكل (11) منظومة تدفئة منفعلة لمخبر الطاقة المتجددة الوطنيNational Renewable Energy Laboratory (NREL) في ولاية كولورادو الأمريكية.

الشكل (11) منظومة تدفئة منفعلة بالطاقة الشمسية لمخبر الطاقة المتجددة الوطني في ولاية كولورادو الأمريكية.

3- اللاقط الشمسي الهوائي الارتشاحي transpired solar air collector: تبين بعد بحوث عديدة أن لاقطاً شمسياً مؤلفاً فقط من صفيحة ماصة معدنية رقيقة وسوداء ومثقبة بثقوب صغيرة من دون غطاء زجاجي يمتاز بفعالية عالية وبتكلفة أقل من اللواقط الهوائية المزججة التقليدية. تُركَّب هذه الصفيحة الماصة شاقولياً بحيث تبعد عن الواجهة الجنوبية للبناء مسافة تراوح بين 15 و 25 سم، وتسمى المنطقة الفاصلة بين جدار الواجهة الجنوبية والصفيحة الماصة بالحيز الهوائي air space. يكثر استخدام اللاقط الشمسي الهوائي الارتشاحي (الشكل 12) في الأبنية الصناعية والتجارية، ويعمل على النحو الآتي: تسخن الصفيحة الماصة عند سقوط أشعة الشمس عليها، فيسخن الهواء الخارجي الملاصق لها، ونتيجة لارتفاع درجة حرارة الصفيحة الماصة تنشأ طبقة حدية ريحية (هوائية) wind boundary layer على الوجه الداخلي للصفيحة الماصة داخل الحيز الهوائي. يعبر الهواء الخارجي البارد الثقوب الصغيرة فيسخن وتنخفض كثافته ويتحرك داخل الطبقة الحدية نحو أعلى البناء، ثم يندفع الهواء الساخن بوساطة مروحة منظومة توزيع الهواء الساخن نحو الأماكن المراد تدفئتها.

الشكل (12) مبدأ عمل اللاقط الشمسي الهوائي الارتشاحي.

في الأبنية المزودة بوحدة معالجة للهواء والمركبة على سطح البناء يمر الهواء الساخن داخل هذه الوحدة فتدفعه وتوزعه على الأماكن المراد تدفئتها (الشكل 13).

الشكل (13) مبدأ عمل اللاقط الشمسي الهوائي الارتشاحي في فصل الشتاء.

يعمل اللاقط الشمسي الهوائي الارتشاحي في فصل الصيف واقياً من أشعة الشمس؛ لأنه يحول دون تسخين جدار الواجهة بحرارة الشمس أو أي حرارة تتشكل طبيعياً داخل الحيز الهوائي، وفي هذه الحالة يجري التخلص من هذه الحرارة في أعلى اللاقط الشمسي نحو الجو المحيط (الشكل 14).

الشكل (14) مبدأ عمل اللاقط الشمسي الهوائي الارتشاحي في فصل الصيف.

واستناداً إلى ما سبق يجب مراعاة الأمور التالية في مشاريع التدفئة الفعالة بالطاقة الشمسية:

- العزل الحراري الجيد للمنزل أو للبناء إن لم يكن منفذاً، والاستفادة ما أمكن من التدفئة المنفعلة.

- لا تحقق منظومة التدفئة الفعالة بالطاقة الشمسية وحدها الجدوى الاقتصادية، لعدم الاستفادة منها في فصل الصيف، ويفضل أن تكون مصممة للتدفئة والتكييف وتسخين المياه المنزلية، ومياه المسبح إن وجد، أو أن يلحظ تصميمها إمكان التخزين الحراري الفصلي من فصل الصيف إلى فصل الشتاء.

عبد الهادي الزين

مراجع للاستزادة: - J. Duffie, W. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes. John Wiley & Sons, 2006. - C. F. Kutscher, J. B. Milford, F. Kreith, Principles of Sustainable Energy Systems,CRC Press 2018. - I. Sarbu, C. Sebarchievici, Solar Heating and Cooling Systems: Fundamentals, Experiments and Applications,Academic Press 2016. - D. Yogi Goswami, Principles of Solar Engineering, CRC Press 2015. - X. Zhao, X. Ma, Advanced Energy Efficiency Technologies for Solar Heating, Cooling and Power Generation (Green Energy and Technology),Springer 2019.

---

- التصنيف : العلوم الهندسية وتقاناتها - النوع : العلوم الهندسية وتقاناتها - المجلد : المجلد السابع، طبعة 2021، دمشق مشاركة :