استخدام الطاقة الشمسية في تدفئة المباني

استخدام الطاقة الشمسية في تدفئة المباني

الواجهه الامامية لمعهد التدريب وخدمات الحريق والطوارئ لمطار تورنتو بيرسون الدولي ... حيث ان يستخدم في واجهة هذا المبنى نظام تدفئة المباني باستخدام الطاقة الشمسية بواسطة مجمعات الطاقة الشمسية المفرغة ( الغير مزججة ) .

استخدام الطاقة الشمسية لتدفئة المباني هي عبارة عن تكنولوجيا لاستخدام الطاقة الحرارية للشمس لتدفئة الهواء حيث يتم فيها التقاط الطاقة من الشمس،) الإشعاع الشمسي)، بواسطة وسط ماص للاشعة الشمسية حيث تستخدم الطاقة الممتصة لتسخين الهواء و يستخدم جهاز يسمى مجمع الطاقة الشمسية الحرارية لتجميع ضوء الشمس. استخدام الطاقة الشمسية في تدفئة الهواء هي عبارة عن طاقة متجددة مستخدمة بشكل فعال في تدفئة الهواء للمباني او لتطوير تطبيقات تدفئ الهواء . بشكل عام .. .. استخدام الطاقة الشمسية في تدفئة الهواء تعتبر مقارنة بالوسائل الاخرى أفضل وارخص الوسائل المستخدمة في تدفئة الهواء وخاصة في التتطبيقات الصناعية والتجارية ... ومن المتعارف علية ان أكبر استخدام للطاقة في المباني يحدث في تدفئة الفراغات ( مساحات البناء المستخدمة ) وعمليات التدفئة الصناعية .... ويمكن تقسيم مجمعات الهواء باستخدام الطاقة الشمسية إلى فئتين : 1- مجمعات الهواء الغير مزججة او مجمعات الهواء المفرغة (تستخدم في المقام الأول لتسخين الهواء المحيط في التطبيقات التجارية والصناعية والزراعية) . 2- مجمعات الهواء المزججة (اعادة توزيع الهواء التي عادة ما تستخدم لاغراض التدفئة داخل المباني ) .

مجمعات الهواء الغير مزججة

مصطلح " مجمعات الهواء الغير مزججة " يشير إلى تدفئة الهواء باستخدام الطاقة الشمسية التي تتالف من معدن يمتص الاشعة الشمسية من غير استخدام الواجهات الزجاجية او استخدام الزجاج على الاسطح

- النوع الأكثر شيوعا في مجمعات الهواء الغير مزججة في السوق هو مجمع الهواء المفرغ ... تم اختراع هذة التقنية بواسطة conserve engineering inc في عام 1990 وقد عملوا مع وزارة الطاقة في الولايات المتحدة ( المختبر الوطني ) وقد شارك في تسويق هذة التقنية معهد الدراسات والموارد الطبيعية في كندا وقامو بدراسة جدوى لوضع نموذج لتوفير الطاقة الشمسية المستخدم فيها مجمعات الهواء الغير مزججة ومنذ ذلك الوقت، وقد تم تركيب عدة آلاف من مجمعات الهواء المفرغة والتي تبين نظم تجميع الطاقة الشمسية في مجموعة متنوعة من المباني التجارية، والتطبيقات الصناعية والمؤسسية، والزراعية في في أكثر من 30 بلدا حول العالم . كانت في الأصل تستخدم هذه التكنولوجيا في المقام الأول في التتطبيقات الصناعية مثل الصناعات التحويلية ومصانع التجميع حيث كانت هناك متطلبات التهوية عالية جدا، والضغط السلبي هو الضغط السائد في هذه المباني . وقد تم تركيب أول جامع غير مزجج في العالم من قبل شركة فورد للسيارات في مصنع التجميع في أوكفيل، كندا . مع الطلب المتزايد لتثبيت نظم الطاقة المتجددة في المباني، تستخدم مجمعات الهواء المفرغة الآن لتجميع الطاقة الشمسية عبر المبنى بأكمله بسبب إنتاجها طاقة عالية (تصل إلى 500 - 600 واط حراري بالذروة / متر مربع( ، وتحويل الطاقة الشمسية بدرجة عالية (تصل إلى(% 80 ) ، وانخفاض تكاليف رأس المال عند مقارنتها مع تسخين المياه بالطاقة الشمسية باستخدام الخلايا الشمسية .

مبدا عملة

الرسمة اعلاه تيبن مبدأعمل مجمعات الطاقه الشمسية المفرغة ( الغير مزججة )

تقوم مجمعات الهواء الغير مزججة بتجميع الهواء الخارجي بدلا من استخدام الهواء الموجود في الغرفة .وعادة ما تكون مجمعات الطاقة الشمسية مركبة على الحائط الخارجي لالتقاط زاوية سقوط اشعة الشمس المنخفضة في أشهر الشتاء الحارة فضلا عن انعكاس أشعة الشمس عن الثلوج. السطح الخارجي لمجعات الطاقة الشمسية المفرغة يتكون من آلاف من الثقوب الصغيرة جدا التي تسمح لطبقة من الحرارة المجاورة لتلتقط وتدخل بانتظام وبشكل موحد إلى تجويف الهواء الموجود خلف الألواح الخارجية. ويوجه هذا الهواء الساخن ويسحب لداخل المبنى تحت ضغط سلبي في نظام التهوية للمبنى حيث يتم توزيعها بعد ذلك عن طريق الوسائل التقليدية أو باستخدام نظام الطاقة الشمسية عبر الأنابيب. وأظهرت عملية رصد واسعة النطاق من قبل معهد الموارد الطبيعية في كندا، والمختبر الوطني التي بينت ان نظام تجميع الطاقة الشمسية بواسطة مجمعات الهواء المفرغة تقلل بين 10-50٪ من الحمولة التدفئة التقليدية . لا يوجدانظمة للصيانة بالشكل المطلوب لنظمة الطاقة الشمسية المستخدمة في تدفئة الهواء وعمر المتوقع لهذة الانظمة هو عبارة عن 30 عام. الاشكال المختلفة من المجمعات الطاقة الشمسية المفرغة : ممكن ان توضع مجمعات الطاقة الشمسية المفرغة على السطح للحالات التي تكون غير مناسبة اذا وضعت على الواجهة الجنوبية او انها غير مناسبة للمضهر المعماري . في مثل هذة الحالات توضع المجمعات على السطح ويمر الهواء خلال انبوب حراري على طول السطح حتى يصل إلى اقرب وحدة معالجة . وممكن ان نجمع بين نظام ال PV ( الخلايا الشمسية ) مع نظام تدفئة المباني بواسطة الاشعة الشمسية لخلق نظام هجين لاستفادة قدر المستطاع من الطاقة الشمسية . تتم نقل الحرارة من الجزء الخلفي من الوحدات الكهروضوئية )والذي هو في كثير من الأحيان 4 مرات أكثر من الطاقة الكهربائية المنتجة من وحدة( PV وتنقل هذه الحرارة بواسطة نظام تدفئة الهواء الشمسي ( الذي يضاعف من قبل نظام ال ( PV ويستخدم في البناء لاغراض التدفئة . في الحالات التي يكون فيها هناك حاجة للتدفئة، وتتضمن استخدام عنصر الهواء بالطاقة الشمسية بمساعدة نظام الخلايا الكهروضوئية وتنتج اثنين من المزايا التقنية: فإنه يزيل حرارة الخلايا الكهروضوئية ويسمح للنظام الكهروضوئي للعمل بكفاءة تصنف ضمن ( 25مئوي ) . ويقلل من إجمالي طاقة فترة الاسترداد المرتبطة بالنظام الموحد لأنه تم الحصول على الطاقة الحرارية واستخدامها لتعويض طرق التدفئة التقليدية. كما أن الأبحاث التي تقوم بها معهد الدراسات في كندا قد بينت ذلك .

مجمعات الهواء المزججة

مجمعات الطاقة الشمسية المزججة

تعمل بطريقة مماثلة لفرن الهواء التقليدي القسري، النظام يوفر الحرارة من اعادة توزيع الهواء المكيف من خلال بناء مجمعات الطاقة الشمسية – مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية. من خلال استخدام طاقة السطح المتجمعة لامتصاص الطاقة الشمسية الحرارية ، وتجهيزات لتوجيه الهواءليكون باتصال مباشر مع المجمعات .

مجمعات الطاقة الشمسية

مجمعات الهواء المسخنة بالطاقة الشمسية يتكون من مواد مساعدة على الامتصاص ، ويحتوي أحيانا على سطح انتقائي، لالتقاطالإشعاع من الشمس، ونقل هذه الطاقة الحرارية إلى الهواء عن طريق نقل الحرارة بالتوصيل .ومن ثم ضخ هذا الهواء الساخن على مساحة المبنى أو إلى المنطقة المطلوبة بواسطة شبكة انابيب حيث يستخدم الهواء الساخن للتدفئة أو احتياجات عملية التسخين. نظرا لاختلاف مجاري الهواء فان مجمعات الهواء تصنف على ثلاثة انواع : 1- مرور الهواء عبر المجمعات 2- تجميع امامي للهواء 3- تجميع خلفي للهواء 4- تجميع مشترك للهواء خلفي وامامي

مرور الهواء عبر المجمعات

في هذه الطريقة يمر الهواء باتجاه واحد عبر مجمعات الهواء ويمر من خلال المواد المثقبة او المواد ذات التركيب الليفي ويسخن الهواء بواسطة خواص التوصيل لهذه المواد وبواسطة الحمل الحراري للهواء المتحرك . وفي هذه الطريقة يمتلك المجمع أكبر مساحة امتصاص للهواء واللي تساعد نسبيا على زيادة معدلات التوصيل الحراري ولكن هبوط الضغط الملحوظ والهام يؤي إلى زيادة الحاجة إلى مراوح كبيرة وايضا تدهور مواد المجمع بمرور السنين نتيجة تعرضه للاشعاع الشمسي كل هذا يؤدي إلى خلق مشاكل في نوعية الهواء وطريقة اداءه .

مرور الهواء من الامام او من الخلف او من كلا الجانبين

في هذه الطريقة يمر الهواء من الامام او من الخلف او من كلا الجانبين في المجمعات حيث يسخن الهواء بواسطة العودة إلى انابيب التجميع الرئيسية . وبالرغم من ان مرور الهواء بكلا الجانبين في المجمع سوف يخلق مساحة عالية للنقل الحراري إلى ان الاتربة ( القاذورات ) المتولدة من مرور الهواء من الجهه الامامية سوف تقلل من كفاءة المجمع وذلك عن طريق الحد من كمية اشعة الشمس المستلمة . وفي المناخات الباردة فان الهواء المار بجانب الزجاج سوف يسبب فقدان كبير في الحرارة مما يؤدي إلى انخفاض في الاداء العام للمجمع .

تطبيقات الهواء الحار

يمكن الاستفادة من تقنية تسخين الهواء بواسطة الشمس في تطبيقات عديدة للتقليل من كمية الكاربون المنبعثة من مصادر التدفئة التقليدية مثل الوقود الاحفوري ( المتحجر ) لخلق وسائل مستدامة لانتاج الطاقة الحرارية . وفي بعض التطبيقات مثل تدفئة فضاءات المباني و الحرارة الناتجة من الاحتباس الحراري والتهوية المصطنعة لايمكن معالحتها من قبل اجهزة تسخين الهواء بالطاقة الشمسية . وفي حقل الطاقة الشمسية وتكنولوجيا التسخين بواسطة الطاقة الشمسية واللتي تقترن مع الخلايا الشمسية ( PV ) لزيادة كفاءة النظام بواسطة تبريد الالواح الكهروضوئية لتحسين ادائها الكهربائي عند ارتفاع درجة الحراة في الجو بوقت واحد .

تطبيقات في التدفئة

تتم تدفئة المجمعات السكنية والتجارية بواسطة استخدام الالواح الشمسية المستخدمة لتدفئة الهواء . حيث يتم سحب الهواء من غلاف المبنى او البيئة الخارجية المحيطة وتمريره خلال المجمع حيث يكتسب الهواء الحرارة بواسطة خواص التوصيل الحراري للمجمع ومن ثم يتم نقل الهواء الحار إلى فضاءات المعيشة او العمل بواسطة مراوح او وسائل معينة .

التهوية والهواء النقي والهواء المصطنع مطلوبه في الابنية التجارية والصناعية والمؤسسات لتحقيق المواصفات المطلوبة . ومن خلال سحب الهواء عبر مجمعات الهواء غير المزججة او عبر مسخنات الهواء فان الطاقة الشمسية تسخن الهواء وتقلل من الحمل الحراري خلال عملية النهار . والان كثير من التطبيقات يتم تركيبها حيث ان المجمع يقوم باعادة تسخين الهواء الداخل إلى جهاز التهوية الاصطناعي لتقليل زمن ذوبان ال HVR .

تطبيقات عملية الحرارة

تسخين الهواء بالطاقة الشمسية يمكن ان يستخدم ايضا في بعض التطبيقات مثل تجفيف الغسيل وتجفيف المحاصيل مثل ( الشاي والذرة و القهوة ) وبعض تطبيقات التجفيف الاخرى . الهواء المسخن يمر خلال مجمع الطاقة الشمسية ومن ثم يمرر فوق المادة المراد تجفيفها حيث يتم التقليل من الرطوبة الموجودة في المواد .

المراجع

^ http://tonto.eia.doe.gov/energyexplained/index.cfm?page=solar_thermal_collectors ^ http://www.eere.energy.gov/de/transpired_air.html ^ "Survey of Active Solar Thermal Collectors, Industry and Markets in Canada". August 2010. Retrieved 3 August 2011. ^ US patent 4899728, HOLLICK JOHN C; PETER ROLF W, "Method and apparatus for preheating ventilation air for a building", published 1998-07-17 ^ "Solar Energy Use in U.S. Agriculture Overview and Policy Issues". United States Department of Agriculture. Retrieved 4 August 2011. ^ Siegele, Lindsey. "SolarWall Solar Air Heating Technology". Mother Earth News. Retrieved 4 August 2011. ^ a b "Transpired Collectors (Solar Preheaters for Outdoor Ventilation Air)". Federal Technology Alert. National Renewable Energy Laboratory (Federal Energy Management Program). April 1998. DOE/GO-10098-528. Retrieved July 25, 2010. ^ Brown, David. An Evaluation of Solar Air Heating at United States Air Force Installations. Air Force Institute Of Technology. Retrieved 4 August 2011. ^ "Solar-Heated Fresh Air Cuts Heating Costs". NREL. 1994. Retrieved 4 August 2011. ^ "Solar Preheated Ventilation". Naval Facilities Engineering Service Center. Naval Facilities Engineering Service Center. Retrieved 3 August 2011. ^ "Solar Savings: An inside look at solar metal walls". Metal Architecture Magazine. Retrieved 1 September 2011. ^ Lombardi, Candace. "Roof-mounted solar assists in cooling too". CNET. Retrieved 1 September 2011. ^ Rural Renewable Energy Alliance. "Solar Air Heat Basics". Retrieved 07/05/2011.