كيف يمكننا تحسين أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء للاستجابة للاستخدام الحقيقي في الحياة، وتوفير الطاقة وتوفير بيئة صحية ومريحة لسكان المبنى؟
الطاقة داخل المباني
يُعد توفير الطاقة من أهم المواضيع لدى العديد من الشركات في قطاع البناء. ونظرًا لأن أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء تُمثل نسبة كبيرة من استهلاك الطاقة في المباني طوال عمرها الافتراضي، ينبغي أن تكون التكنولوجيا المُستخدمة في المباني في طليعة طرق توفير الطاقة. وتشهد منتجات التهوية والتدفئة والتبريد تزايدًا تدريجيًا في الكفاءة، مدفوعةً بالتشريعات وتطوير تقنيات جديدة في مكوناتها. ولكن مع التوجه نحو تقنيات جديدة فعّالة، يجب ضمان استخدام التقنيات الحالية بذكاء وكفاءة عالية.
عادةً ما تُصمَّم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء للاستخدام الأمثل للمبنى. أما أنظمة التبريد، فتُصمَّم لدرجات حرارة الصيف القصوى وأشعة الشمس الساطعة، بينما تُصمَّم أنظمة التدفئة لأبرد أيام السنة، وتُصمَّم أنظمة التهوية بناءً على أقصى مستويات الإشغال. يُعدُّ هذا مثاليًا لتصميم مبانٍ مرنة وجاهزة لجميع الظروف. ولكن، هل هذه هي طريقة استخدامها؟
نادرًا ما تُستخدم الأنظمة المصممة لأحمال الذروة عند هذه المستويات التصميمية، إن استُخدمت أصلًا. ستعمل هذه الأنظمة طوال معظم عمرها التشغيلي بجزء بسيط من الحمل التصميمي. هذا التفاوت بين أحمال الذروة التصميمية وأحمال التشغيل الفعلية كبير جدًا، وكما سنرى، فهو يتزايد باستمرار.
فجوة الأداء الحالية والمستقبلية
هناك عاملان من شأنهما أن يتسببا في أن يصبح الفارق بين تصميم الذروة ونقاط التشغيل أكثر تطرفا.
تُستخدم المباني اليوم بمرونة أكبر، لا سيما في التطبيقات المكتبية والتجارية، إذ تُتاح للشركات والموظفين فرص عمل مرنة. نظام تهوية وتبريد مبنى مكتبي مُصمم للإشغال الكامل في عام ٢٠٢٠، نادرًا ما يشهد نفس معدل الإشغال في عام ٢٠٢٣ وما بعده.
يؤثر الاحتباس الحراري بالفعل على الظواهر الجوية المتطرفة، وحتى مع التغييرات الكبيرة في العوامل المساهمة، من المتوقع حدوث ظواهر جوية أكثر تطرفًا في المستقبل. من المرجح أن تشهد أوروبا صيفًا أكثر حرارة وجفافًا. هذا، بالإضافة إلى تأثير "جزيرة الحرارة الحضرية" الذي يضاعف درجات الحرارة الصيفية مع ارتفاع درجات الحرارة في المناطق التي تضم العديد من المكاتب والمباني التجارية، بالإضافة إلى دراسة كيفية تصميم أنظمة تخفيف الحرارة على مستوى المدينة والشارع، من المرجح أن يعني أن أحمال الذروة التي صُممت أنظمة المباني لتتحملها ستكون أبعد عن التشغيل اليومي للمباني.
يتعين على مصممي المباني دمج الطريقة الجديدة لاستخدام المباني بالإضافة إلى المخاطر المستقبلية للطقس القاسي في تصميم المباني الحالية، سواء في مرحلة التطوير أو التجديد.
إيجاد الكفاءات في فجوة الأداء
عندما يعمل نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء بحمل جزئي، فإنه عادةً ما يعمل بكفاءة أعلى. وحدات معالجة الهواء (AHUs) التي تعمل بنصف سرعة المروحة تستهلك أقل من ربع طاقة الإدخال. أما المبرد أو مضخة الحرارة التي تعمل بحمل جزئي، فتستغل المبادل الحراري على أكمل وجه لتمكينها من العمل بكفاءة أعلى. ولكن، هل هذا ما توفره التكنولوجيا المتاحة لدينا؟
إذا تمكنا من التحكم في وحدات معالجة الهواء لدينا لتوفير كمية الهواء التي نحتاجها فقط لشاغلي المبنى داخله، من خلال استخدام التهوية التي يتم التحكم فيها حسب الطلب (DCV)، فإن ملفات التبريد والتدفئة التي تم تصميمها لتعمل بكامل طاقتها يمكنها التحكم في درجة حرارة الهواء النقي باستخدام طاقة أقل بكثير.
لا تحتاج الملفات داخل ملفات المروحة أو الحزم المبردة التي تخدم المساحات الداخلية إلى العمل بكامل طاقتها أيضًا نظرًا لأن هذه الوحدات يتم اختيارها عادةً للعمل بكامل طاقتها وفي ذروة ظروف الصيف أو الشتاء.
علينا اتخاذ قرار بشأن هذه الملفات التي لا تحتاج إلى سعة كاملة. الطريقة التقليدية هي تقليل تدفق سائل التبريد أو التسخين باستخدام صمام. هذه طريقة بسيطة للتحكم محليًا، وهي قياسية في جميع الأنظمة تقريبًا. ولكن، إذا حسّنا الاتصال بين المبرد/مضخة الحرارة والملف، يُمكننا، بالإضافة إلى ذلك، تحسين درجة حرارة السائل المُغذّي للملف. ملف تبريد مُصمم لاستخدام ماء بدرجة حرارة 6 درجات مئوية، بسعة 100%، لا يحتاج إلى هذه الدرجة من الحرارة عند 50% من السعة.
الهدف من تغيير درجة حرارة الماء في الملفات هو زيادة كفاءة المبرد/مضخة الحرارة. فزيادة درجة حرارة الماء المتدفق من المبرد درجة واحدة تزيد كفاءته بنحو 3%. كما أن تشغيل مضخة الحرارة بدرجة أقل يزيد كفاءتها بنفس القدر.
لذا، عند تحليل الطلب على الملفات التي تتحكم في راحة الغرف، سواءً في وحدة مناولة الهواء أو في المساحة، يمكن تشغيلها بدرجة حرارة مياه مُحسّنة في معظم الأوقات. في الواقع، تُظهر الحسابات الحديثة لوحدات مناولة الهواء المتصلة بمضخات الحرارة أنه يمكن تحسين درجات حرارة المياه لأكثر من 95% من وقت التشغيل، مما يوفر أكثر من 20% من طاقة التبريد وأكثر من 30% من طاقة التدفئة. هذا ببساطة عن طريق التحكم في النظام بذكاء أكبر.
لا يزال هذا النوع من التحكم في السعة يوفر راحة كبيرة للغرفة بالإضافة إلى فوائد الطاقة، مما يقلل من تقلبات درجات الحرارة والتيارات الهوائية في الغرفة، عندما يتم التحكم فيه بشكل صحيح.
التبريد السلبي والتبريد الحر
إذا توفرت خاصية التبريد الحر في المبرد، فإن تحسين درجات حرارة الماء له تأثير أكبر على الكفاءة. التبريد الحر هو تبريد دائرة ماء التبريد مباشرةً بواسطة الهواء الخارجي بدلاً من استخدام دائرة تبريد DX للمبرد. عادةً ما يتوفر بعض التبريد الحر عندما تكون درجة حرارة الهواء المحيط أقل بدرجة مئوية واحدة من درجة حرارة ماء العودة. تزداد كمية التبريد الحر كلما زاد الفرق بين درجة حرارة الهواء المحيط ودرجة حرارة الماء، حتى يتمكن المبرد من توفير التبريد المطلوب باستخدام وظيفة التبريد الحر. مع كل درجة حرارة ماء التبريد، تزداد ساعات التبريد الحر بشكل ملحوظ، مما يوفر كميات هائلة من الطاقة.
يمكننا أيضًا استخدام التبريد الطبيعي المتوفر من الأرض عند استخدام مضخة/مبرد حراري أرضي. تجمع أنظمة المصدر الأرضي الحرارة منخفضة الدرجة في الأرض باستخدام حلقة من السائل الموصول بالأنابيب، وتضاعفها باستخدام مضخة حرارية لإنتاج تدفئة فعالة وكفؤة لمساحاتنا. يمكن أيضًا تشغيل العديد من مضخات الحرارة في وضع التبريد، مما يوفر تبريدًا فعالًا عن طريق رفض الحرارة في الأرض من خلال حلقة السائل الأرضي. يُعد هذا النوع من الأنظمة مثاليًا للتبريد السلبي في حالة الحمل الجزئي، حيث يُعد تجاوز مضخة الحرارة وتبريد النظام مباشرةً باستخدام درجة حرارة الأرض المنخفضة طريقة تبريد فعالة للغاية. وكما هو الحال مع التبريد الحر، فإن تحسين درجات حرارة الماء في عملية الحمل الجزئي يسمح للنظام بأن يكون في وضع التبريد السلبي لأقصى قدر من الوقت، مما يوفر أكبر قدر من الطاقة.
السيطرة والذكاء
لتحقيق ذلك، نحتاج إلى نظام تحكم قادر على تحديد الحمل المطلوب على الملفات واستخدام هذه المعلومات لتحسين درجات حرارة المبرد/مضخة الحرارة وفقًا لذلك. يتطلب الأمر ذكاءً مدمجًا في المبردات والمضخات الحرارية ووحدات معالجة الهواء ووحدات الغرف. يُعد فهم حدود أداء كل منتج على حدة، بالإضافة إلى حدود أدائها، ومعرفة متى لا ينبغي تحسينها، أمرًا أساسيًا. علاوة على ذلك، يتطلب نظام تحكم عالي المستوى التواصل الفعال بين جميع أجزاء النظام. علاوة على ذلك، يتم تحقيق وفورات الطاقة باستخدام أجزاء النظام التقليدية، وليس الاستثمار في معدات أكثر كفاءة على وجه الخصوص، بل التحكم في ما لدينا بطريقة أكثر ذكاءً.
سواء كانت الأنظمة التي نعمل بها عبارة عن نظام مثبت موجود في مشروع تجديد أو تطوير جديد باستخدام منتجات جديدة فعالة ومتطورة، فإن مبادئ توفير المزيد من الطاقة في تشغيل التحميل الجزئي لا تزال تنطبق كطريقة فعالة ومستدامة لتقليل تكاليف التشغيل.
وقت النشر: ٢٦ أبريل ٢٠٢٣
