مقدمة
تشهد المضخات الحرارية توسعًا سريعًا كوسيلة فعالة للحد من الاحتباس الحراري وتعزيز الحياد الكربوني، كمعدات تدفئة بديلة لمعدات احتراق الوقود الأحفوري. وقد تحسنت كفاءة المضخات الحرارية، إلا أن وتيرة ارتفاعها تباطأت. ولتحسين كفاءتها بشكل أكبر، يمكن أن يوفر استخدام نقل الحرارة وتخزينها بكفاءة، بالإضافة إلى تحسين كفاءة المعدات نفسها، تبريدًا وتدفئة فعالين، بالإضافة إلى توفير الماء الساخن عند الحاجة وبالكمية المطلوبة.
مزايا تخزين الحرارة
تخزين الحرارة هو تخزين الطاقة الحرارية، ويمكن اعتبار الأسطح الأرضية والمائية مواد تخزين حرارية عالية السعة، إذ تخزن الطاقة الشمسية والغلاف الجوي. ويتميز تخزين الحرارة بالعديد من المزايا، منها:
يمكن تقليل سعة معدات مصدر الحرارة، ومن الممكن تعويض الخلل الزمني في استخدام الحرارة، وذلك بفضل استخدام كمية كبيرة من الحرارة، والتي يتم تخزينها بسعة صغيرة، في وقت الطلب الأقصى.
يمكن تسوية استهلاك الكهرباء بين الليل والنهار، وذلك بفضل تخزين الحرارة باستخدام الكهرباء في الليل عندما يكون استهلاك الكهرباء منخفضًا، واستخدام الحرارة أثناء التشغيل في النهار لتقليل استهلاك الكهرباء.
يمكن تحقيق كفاءة التشغيل بفضل استغلال فرق درجات الحرارة بين الليل والنهار، بالإضافة إلى تخزين الحرارة. على سبيل المثال، في الصيف، عندما تكون درجة الحرارة ليلاً أقل من النهار، تُخزَّن حرارة الجليد بكفاءة، ثم تُستخدم للتبريد نهاراً لخفض درجة حرارة التكثيف، مما يضمن كفاءة التشغيل.
يمكن تحسين الراحة بفضل تركيب مُجمِّع حراري في الوحدة الخارجية لمضخة الحرارة. على سبيل المثال، يُمكن استخدام الحرارة لمنع انخفاض درجة حرارة الغرفة أثناء التدفئة نتيجةً لعمليات إزالة الجليد، ولدفع الهواء الدافئ بسرعة عند بدء عملية التدفئة.
أصبح استخدام الطاقة المتجددة مثل الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية والحرارة الناتجة عن نفايات المصانع أسهل، وذلك بفضل استخدام تخزين الحرارة.
أنواع تخزين الحرارة
هناك طرق مختلفة لتخزين الحرارة.
التخزين الحراري الحسي هو طريقة لتخزين الطاقة الحرارية بالاستفادة من تغيرات درجة حرارة السوائل كالماء والمواد الصلبة كالطوب والخرسانة، وهو شائع الاستخدام. على سبيل المثال، تُستخدم طريقة التخزين الحراري الحسي بالماء في مضخات الحرارة من الهواء إلى الماء (ATW) لتسخين المياه وتدفئة المساحات. وإذا أخذنا المباني الخرسانية كمثال على طريقة التخزين الحراري الحسي بالخرسانة، فإن أسقفها وأرضياتها وجدرانها، وما إلى ذلك، تُستخدم كمواد لتخزين الحرارة. ونظرًا لانخفاض كثافة تخزين الحرارة الحسي نسبيًا، تزداد كمية تخزين الحرارة بتوسيع فرق درجة حرارة مادة التخزين.
تخزين الحرارة الكامن أو تخزين الحرارة المتغيرة الطور هو طريقة لتخزين الحرارة باستخدام الطاقة الحرارية المتبددة أو الممتصة عند تحول المادة إلى صلبة أو سائلة، وتتميز بكثافة تخزين حرارة أعلى من التخزين الحراري المحسوس. ومن أمثلة استخدامات تخزين الحرارة المتغيرة الطور أنظمة تكييف الهواء الحرارية التي تستخدم الحرارة الكامنة الناتجة عن تغير طور الماء والجليد. ومن الأمثلة الأخرى معدات التدفئة التي تستخدم البارافين بكمية كبيرة من الحرارة الكامنة كمادة لتخزين الحرارة لتحسين الأداء. بالإضافة إلى ذلك، تُستخدم البوليمرات الوظيفية لتخزين الحرارة المتغيرة الطور، وهي راتنجات ذات خصائص تخزين حرارة، كمواد عازلة لتدفئة الأرضيات في المنازل.
التخزين الكيميائي للحرارة هو طريقة لتخزين وتبديد الحرارة الناتجة عن تفاعل كيميائي يحدث عند تلامس وسط التفاعل ومادة تخزين الحرارة. عند فصل وسط التفاعل عن مادة تخزين الحرارة، يمكن الحفاظ على حالة تخزين الحرارة لفترة طويلة. ومع ذلك، نظرًا لأن درجة حرارة التفاعل لتوليد الحرارة أعلى من 200 درجة مئوية، يجري البحث والتطوير حاليًا للاستفادة من حرارة المصانع المهدرة ذات درجات الحرارة العالية.
الأنظمة التي تستخدم تخزين الحرارة
تتوفر أنظمة تخزين الحرارة بأشكال وأساليب متنوعة، مثل مضخات الحرارة ATW لتسخين المياه وتدفئة المساحات، وأنظمة تخزين الحرارة الجليدية، وأنظمة تكييف الهواء بالتخزين الحراري للمباني. ويجري العمل بنشاط على تطوير أنظمة استغلال تخزين الحرارة، إلى جانب استخدام الطاقة الشمسية، والطاقة الحرارية الأرضية، وطاقة غازات عوادم المصانع، وغيرها، وقد أُعلن عن العديد من أنظمة تخزين الحرارة الجديدة.
قضايا تخزين الحرارة
لتخزين الحرارة مزايا عديدة، إلا أنه يُواجه تحديات أيضًا. أولها فقدان الحرارة. ثانيها الفرق في درجة حرارة التبادل الحراري بين فترات التخزين وإزالة الحرارة، وهو أمر ضروري ولكنه يُقلل من الكفاءة. ثالثها الحاجة إلى معدات ومساحات لتخزين الحرارة، مثل خزانات التخزين والمسابح. من المهم معالجة هذه التحديات لتسهيل استخدام تخزين الحرارة وزيادة فعاليته.
على سبيل المثال، لتقليل فقدان تبديد الحرارة المذكور كأول مشكلة، من الضروري عزل خزانات تخزين الحرارة. لذلك، طُوّرت مواد عزل حراري متنوعة، مثل الصوف الصخري، والصوف الزجاجي، ورغوة البولي إيثيلين، ورغوة اليوريثان، والعزل الفراغي. وتشترط هذه المواد العازلة للحرارة أن تتمتع بمقاومة للحرارة والرطوبة والمتانة، بالإضافة إلى أدائها العازل للحرارة. ومن بينها، يُعدّ العزل الفراغي مادة عزل مثالية، ويُستخدم في خزانات المياه الساخنة، وخزانات تخزين الحرارة، والمنازل، نظرًا لانخفاض سماكته وانخفاض تكلفته. كما يُعدّ العزل الحراري للمنازل والمباني مسألةً مهمةً تتعلق بالحمل الحراري لتكييف الهواء.
خاتمة
يستهلك المجتمع الحديث كميات هائلة من الطاقة، وما يصاحب ذلك من حرارة مهدرة يُسبب الاحتباس الحراري. ولمواجهة ذلك، من الضروري تطوير نظام يستغل طاقة الحرارة المهدرة المُولّدة، مع تحسين كفاءة الطاقة وتقليل استهلاكها. وتُعدّ المضخات الحرارية وتخزين الحرارة تقنياتٍ تُحقق هذه الأهداف، ومن المتوقع إجراء المزيد من الأبحاث والتطوير.
من أهم محاور التطوير سرعة نقل الحرارة أثناء تخزينها في حاوية، وتبديدها من الحاوية مع ضياع أقل، وزيادة كثافة الحرارة المخزنة. إذا أمكن ابتكار نظام تخزين حراري صغير الحجم، كبير السعة، وغير مكلف، فستتوسع تطبيقاته بشكل كبير. وإذا ما طُوِّرت مضخات حرارية تستخدم أنظمة تخزين حرارية مُحسَّنة كهذه، فقد تُطوَّر أنظمة جديدة، تمامًا كما طُوِّرت المركبات الكهربائية والطائرات بدون طيار باستخدام بطاريات عالية الكثافة.
وقت النشر: ٢٨ يونيو ٢٠٢٣
