مشكلة التدفئة في المناخات الباردة تتلقى إجابة أكثر تكاملاً
درس باحثون في جامعة كالغاري تكوينًا للتدفئة مصممًا للأماكن التي تجعل فيها ظروف الشتاء التدفئة الفعالة للمساحات صعبة للغاية. يجمع النظام المقترح بين مضخة حرارية من نوع الهواء ومجمّع شمسي هوائي وتدفئة أرضية، وتشير المحاكاة إلى أن هذا الترتيب قد يحسن الأداء مع خفض استهلاك الطاقة السنوي.
يركز العمل، كما نقلته pv magazine، على قضية تقع في صميم إزالة الكربون من المباني. يُنظر إلى المضخات الحرارية على نطاق واسع بوصفها مسارًا رئيسيًا بعيدًا عن التدفئة المباشرة بالوقود الأحفوري، لكن الطقس البارد يمكن أن يقلل من كفاءتها. واختبر الفريق الكندي ما إذا كان ربط المضخة الحرارية بالتسخين المسبق للهواء المدعوم بالطاقة الشمسية ونظام توزيع بالتدفئة الأرضية يمكن أن يساعد في سد هذه الفجوة.
لماذا يهم هذا المزيج
يعالج كل جزء من النظام قيدًا مختلفًا. توفر المضخة الحرارية من نوع الهواء وظيفة التدفئة الأساسية، لكن كفاءتها قد تنخفض مع هبوط درجات الحرارة الخارجية. ويمكن للمجمّع الشمسي الهوائي رفع درجة حرارة هواء السحب قبل وصوله إلى المضخة الحرارية. وفي الوقت نفسه، يمكن للتدفئة الأرضية أن توفر الحرارة بدرجات تشغيل أقل من بعض الأنظمة التقليدية، ما قد يحسن الكفاءة الكلية للنظام.
والنتيجة ليست مجرد تكديس للمكونات، بل استراتيجية ترموديناميكية منسقة. قام الباحثون بمحاكاة النظام في TRNSYS تحت ظروف كالغاري البيئية، مستخدمين مدينة معروفة بشتائها البارد كحالة اختبار. وهذا يجعل الدراسة ذات صلة بالمناطق التي يكون فيها التشكيك في أداء المضخات الحرارية الأكبر عادة.
ما الذي وجدته المحاكاة
وفقًا لملخص pv magazine، يمكن للتكوين المقترح أن يحسن معامل الأداء من نطاق يتراوح بين 2 و4 إلى نطاق يتراوح بين 2 و6. كما يمكنه أن يقلل استهلاك الطاقة السنوي بشكل كبير. وتشير هذه النتائج إلى أن المساعدة الشمسية يمكن أن تفعل أكثر من مجرد تحسينات هامشية طفيفة. فمع منطق تحكم وظروف تشغيل مناسبة، يمكنها تحسين أداء مضخة حرارية من نوع الهواء في الشتاء بصورة ملموسة.
وقد فحص الباحثون تحديدًا دور إعادة تدوير الهواء ومنطق التحكم المرتبط بها، وهو مجال يقولون إنه لم يُدرس على نطاق واسع بالنسبة للمجمّعات الشمسية المقترنة بالمضخات الحرارية من نوع الهواء. وهذه نقطة مهمة لأن الأنظمة الهجينة لا تنجح بالاعتماد على العتاد وحده. فطريقة توجيه الهواء وإعادة استخدامه أو تجاوزه قد تحدد ما إذا كانت المساهمة الشمسية ذات معنى أم هامشية.
وبعبارة أخرى، فهذه دراسة عن أنظمة التحكم بقدر ما هي دراسة عن العتاد. تعتمد المباني بشكل متزايد على البرمجيات والتشغيل المعتمد على المستشعرات لتحويل الكفاءة النظرية إلى وفورات فعلية. ويبدو أن عمل كالغاري يدعم فكرة أن التصميم الدقيق للتحكم أمر أساسي إذا أُريد للأنظمة الهجينة منخفضة الكربون أن تحقق إمكاناتها.
لماذا تساعد التدفئة الأرضية
تعد التدفئة الأرضية شريكًا مفيدًا في هذا الإعداد لأنها يمكن أن تعمل بدرجات حرارة تغذية أقل من الأنظمة التي تعتمد على توصيل هواء أو ماء أكثر سخونة. ويتوافق توصيل الحرارة عند درجات أقل عمومًا بشكل جيد مع أداء المضخات الحرارية. وتتحول الأرضية نفسها إلى باعث حرارة بطيء ومتوازن، ما قد يقلل الضغط على المعدات الرئيسية.
وهذا مهم في المناخات الباردة، حيث يمكن لانخفاضات الحرارة الخارجية الحادة أن تدفع أنظمة التدفئة نحو أوضاع تشغيل أقل كفاءة. فالنظام القادر على تسوية الطلب والاستفادة الفعالة من الحرارة متوسطة الحرارة يتمتع بميزة بنيوية على نظام يتطلب خرجًا عالي الحرارة للحفاظ على راحة المساحات الداخلية.
من المحاكاة إلى الاعتماد
الدراسة محاكاة وليست نشرًا تجاريًا واسع النطاق، لذا فهي لا تثبت وحدها ما سيختبره أصحاب المنازل أو البناؤون في كل تركيب واقعي. لكنها تضيف دليلًا على أن الدمج قد يكون أحد أقوى المسارات لتحسين كهربة المباني في المناخات الأشد قسوة.
ولهذا تداعيات تتجاوز مدينة كندية واحدة. فإذا أمكن جعل المضخات الحرارية من نوع الهواء أكثر فاعلية في المناطق الباردة من خلال المساعدة الشمسية واستراتيجيات التحكم الذكية، فإن السوق القابل للوصول إليها يصبح أكبر، ويغدو دورها في تخطيط التحول الطاقي أكثر عملية. وهذا مهم لإزالة الكربون من القطاع السكني، وتخطيط الشبكات، واقتصاديات استبدال أنظمة التدفئة التقليدية.
والإشارة الأوسع من هذا العمل هي أنه لا توجد تقنية واحدة يجب أن تتحمل العبء كله بمفردها. فقد يأتي نظام التدفئة الأفضل منخفض الكربون من دمج تقنيات راسخة بطريقة أكثر تعمدًا. وبهذا المعنى، فإن تصميم كالغاري أقل شبهاً بقفزة مستقبلية وأكثر شبهاً بخطة عملية: استخدام الطاقة الشمسية حيث تفيد، والاستفادة من نقاط قوة التدفئة الأرضية، وتحسين الظروف التي يجب أن تعمل فيها المضخة الحرارية.
بالنسبة إلى كهربة المناخات الباردة، فهذا اتجاه مهم. وهو يشير إلى أن السؤال ليس ما إذا كانت المضخات الحرارية تعمل في الشتاء، بل إلى مدى ذكاء تصميم النظام المحيط بها لدعمها.
هذه المقالة تستند إلى تغطية PV Magazine. اقرأ المقال الأصلي.
Originally published on pv-magazine.com
