يُعدّ التسخين الشمسي، من حيث المبدأ، الحل الأمثل للطاقة المتجددة للمباني. فهو نظيف، وفير، ومتاح مجاناً. ومع ذلك، ولعقود من الزمن، حال خلل جوهري دون بلوغ الطاقة الحرارية الشمسية كامل إمكاناتها:لا تشرق الشمس عند الطلبتصل الطاقة الشمسية بوفرة خلال ساعات النهار، ثم تختفي تحديداً عندما يبلغ الطلب على التدفئة ذروته - في المساء وطوال الليل. وتزيد الأيام الغائمة وأشهر الشتاء من تفاقم المشكلة، مما يجعل شاغلي المباني تحت رحمة أنظمة الوقود الأحفوري الاحتياطية.

سعت طرق التخزين الحراري التقليدية، ولا سيما خزانات المياه الساخنة، إلى سد هذه الفجوة، لكنها تعاني من قيود كبيرة. فالماء يخزن الحرارة بشكل محسوس، أي أن درجة حرارته يجب أن ترتفع بشكل ملحوظ لتخزين كميات ذات قيمة من الطاقة. وهذا يعني خزانات ضخمة تستهلك مساحة قيّمة من المبنى، وتعاني من خسائر حرارية كبيرة في وضع الاستعداد، وتُنتج حرارة أقل جودة تدريجيًا مع تفريغها. بالنسبة للمباني متعددة الطوابق والمجمعات السكنية الحضرية حيث المساحة محدودة للغاية، فإن هذه الأنظمة غير عملية ببساطة.

والآن، ظهر حل ثوري من مختبرات شركة Glacier Coolant:مبادلات حرارية لتخزين الطاقة الحرارية ذات أنابيب مزودة بزعانف لتغيير الطورتستفيد هذه التقنية من السعة الحرارية الكامنة الاستثنائية لمواد تغيير الطور المتقدمة، مما يُعيد تعريف إمكانيات أنظمة التسخين الشمسي بشكل جذري.

علم تخزين الحرارة الكامنة

يكمن جوهر هذا الابتكار في سائل التبريد الجليديLM-XR-53، وهو وسط خاص لتغيير الطور مصمم لتخزين وإطلاق كميات هائلة من الطاقة الحرارية عند درجة حرارة يتم التحكم فيها بدقة53 درجة مئويةعلى عكس المواد التقليدية التي تسخن تدريجياً، تمتص مواد تغيير الطور الطاقة عن طريق تغيير حالتها الفيزيائية - الانتقال من الحالة الصلبة إلى السائلة - وبذلك، فإنها تلتقط طاقة أكبر بكثير لكل وحدة كتلة مقارنة بأي وسيط تخزين معقول.

الأرقام تحكي قصةً مقنعة. يوفر سائل التبريد Glacier Coolant LM-XR-53 سعة حرارية كامنة تبلغ268.9 جول/غرامولتوضيح ذلك، فإن الطاقة اللازمة لصهر كيلوغرام واحد من هذه المادة تعادل تسخين نفس الكتلة من الماء بأكثر من 64 درجة مئوية. هذه الكثافة الهائلة للطاقة هي ما يجعل تخزين الطاقة الحرارية عالي الأداء وصغير الحجم ممكناً.

هندسة ميزة الأنابيب ذات الزعانف

لا تقتصر روعة نظام التبريد الجليدي على مادة تغيير الطور نفسها، بل تتعداها إلى تكاملها معLM-XR-53إلىبنية مبادل حراري ذو أنابيب مزودة بزعانفيُطلق هذا التصميم كامل إمكانات الأداء. فهو يدمج مادة تغيير الطور داخل مبادل حراري صغير الحجم يتميز بأسطح زعانف ممتدة تزيد بشكل كبير من مساحة نقل الحرارة بين سائل نقل الحرارة المتداول ووسط التخزين.

لم يكن هذا الخيار المعماري عشوائياً. فقد أجرى فريق هندسة التبريد في شركة Glacier Coolant بحثاً دقيقاً حدد العلاقة بين معايير التشغيل وأداء النظام. وتُعدّ النتائج مفيدة وقابلة للتطبيق لمصممي الأنظمة.

التفريغ متساوي الحرارة: الفائدة الخفية

إحدى أهم مزايا التخزين الحراري بتغيير الطور التي لا تحظى بالتقدير الكافي هيإطلاق الحرارة المتساوي الحرارةعند استخدام سائل تبريد جلاسيرLM-XR-53عند تفريغ الطاقة المخزنة، يتم ذلك عند درجة حرارة ثابتة تقريبًا تبلغ 53 درجة مئوية. وهذا يختلف اختلافًا جوهريًا عن التخزين القائم على الماء، حيث تنخفض درجة حرارة المخرج بشكل مطرد مع تبريد الخزان.

في تطبيقات تدفئة المباني، يُترجم هذا السلوك متساوي الحرارة إلى راحة فائقة وكفاءة عالية للنظام. تتلقى المشعات وأنظمة التدفئة الأرضية درجة حرارة ثابتة طوال دورة التفريغ، مما يُغني عن الحاجة إلى صمامات خلط معقدة وأجهزة تحكم في تعويض درجة الحرارة. يمكن لأنظمة المضخات الحرارية، عند اقترانها بوحدات تخزين مواد تغيير الطور، أن تعمل عند نقطة كفاءتها المثلى بدلاً من زيادة أو خفض درجة الحرارة بشكل متذبذب لتلبية الطلب المتغير.

من نطاق الأسرة إلى نطاق المنطقة

يتميز مبادل الحرارة ذو الأنابيب المزودة بزعانف من نوع "غلاسير كولانت" بتقنية تغيير الطور (PCM) بقابلية التوسع. بالنسبة للمنازل الفردية، يمكن لوحدة مدمجة تتكامل مع مجمعات الطاقة الشمسية الحرارية على السطح أن توفر معظم احتياجات التدفئة والمياه الساخنة المنزلية على مدار العام. وبفضل انخفاض المساحة بنسبة 74% مقارنةً بأنظمة تخزين المياه المكافئة، يمكن تركيب هذه الأنظمة في غرف المرافق أو الأقبية أو حتى دمجها في واجهات المباني.

على نطاق التدفئة المركزية، يمكن لمصفوفات المبادلات الحرارية المصنوعة من مواد تغيير الطور أن تخفف من انقطاعية حقول الطاقة الشمسية الحرارية الكبيرة، مما يفصل توليد الحرارة عن الطلب عليها في الأحياء السكنية بأكملها. يُعد هذا الفصل بالغ الأهمية للجدوى الاقتصادية للتدفئة المركزية بالطاقة الشمسية، إذ يسمح للمشغلين بتحديد حجم حقول المجمعات الشمسية بناءً على إجمالي الطاقة السنوية المُوَصَّلة بدلاً من ذروة الطلب اللحظية.

أثر خفض الكربون

تشكل المباني ما يقارب40% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية المرتبطة بالطاقةحيث يُمثل تدفئة المساكن الاستخدام النهائي الأكبر. ففي الصين وحدها، يستهلك تدفئة المباني ما يزيد عن 200 مليون طن من مكافئ الفحم سنويًا. وبفضل تمكين أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية من تلبية نسبة أعلى بكثير من الطلب على التدفئة بكفاءة، تُساهم تقنية تخزين مواد تغيير الطور من Glacier Coolant بشكل مباشر في الاستغناء عن استهلاك الوقود الأحفوري على نطاق واسع.

لنفترض مبنى سكنيًا متوسط ​​الارتفاع يضم 50 وحدة سكنية. يمكن لنظام الطاقة الشمسية الحرارية المقترن بوحدة تخزين غاز التبريد من نوع Glacier Coolant PCM أن يقلل استهلاك الغاز الطبيعي للتدفئة بنسبة 60-70% مقارنةً بنظام التدفئة التقليدي الذي يعتمد على الغلايات فقط. وعلى مدار عمر النظام البالغ 20 عامًا، يُترجم هذا إلى توفير مئات الأطنان من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون لكل مبنى.

الطريق أمامنا

مع تشديد الحكومات في جميع أنحاء العالم لقوانين كفاءة الطاقة في المباني وتوسيع نطاق استخدام مصادر التدفئة المتجددة، سيزداد الطلب على أنظمة تخزين حراري صغيرة الحجم وعالية الكفاءة. ويُسهم كلٌ من توجيه الاتحاد الأوروبي المُعدَّل بشأن أداء الطاقة في المباني (EPBD) وسعي الصين المتواصل نحو مبانٍ ذات استهلاك شبه منعدم للطاقة في خلق بيئة تنظيمية داعمة لتقنيات مثل مبادل حرارة Glacier Coolant PCM.

التكنولوجيا جاهزة، والجدوى الاقتصادية مُغرية، والضرورة البيئية ملحة. بالنسبة للمهندسين المعماريين، ومطوري المباني، ومهندسي أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء الساعين إلى تقديم حلول تدفئة مستدامة حقًا، فإن تخزين الطاقة الحرارية بتقنية تغيير الطور في الأنابيب ذات الزعانف لا يُمثل مجرد تحسين تدريجي، بل نقلة نوعية في الإمكانيات المتاحة. لم يعد التدفئة الشمسية مُقتصرة على الأجواء المعتدلة، فمع وسائط التبريد من Glacier Coolant، تُصبح شريكًا موثوقًا به على مدار العام في التحول نحو بيئة مبنية منخفضة الكربون.