تكييف جو المركبة (التحكم في -)
تكييف جو مركبه (تحكم في )
Automotive climate control -
تكييف جو المركبة (التحكم في -)
عبد الهادي الزين
تُجهّز معظم المركبات بوظائف لتكييف جوها والتحكم فيه Vehicle air conditioning control، وقد تكون قياسية أو اختيارية لتوفير الراحة والأمان، وقد تصل تكاليفها إلى عدة آلاف من الدولارات. تتسرب الحرارة إلى داخل المركبة في أثناء قيادتها أو توقفها من مصادر مختلفة كالشمس والهواء الخارجي وحرارة المحرك وحرارة الطريق وحرارة العادم وغير ذلك. ويمكن أن تصل درجة الحرارة الداخلية في مركبة متوقفة ونوافذها مغلقة إلى 65- 70°س حين تكون درجة حرارة الجو المحيط 37°س.
تُصمّم منظومة التدفئة وتكييف الهواء heating/air-conditioning system في معظم المركبات على غرار منظومة التحكم في درجة حرارة الماء. وللتحكم في جو المركبة تُضبط درجة حرارة الهواء وجريانه وتوزيعه، حيث يتحكم مكيف هواء المركبة automotive air conditioner في أربع وظائف هي: تبريد الهواء وتوزيعه وتنقيته وتخليصه من الرطوبة. وتعد هذه الوظائف ضرورية للمحافظة على راحة الركاب حين تكون درجة حرارة الجو الخارجي مرتفعة والرطوبة مرتفعة.تُجهّز بعض المركبات بمنظومة تحكم مؤتمتة automatic control systems تنظم درجة الحرارة داخل المركبة تلقائياً، تتألف هذه المنظومة من حاسوب يرصد درجة الحرارة المحددة من قبل المستخدم ويضبطها. وتتحقق درجة الحرارة المطلوبة بمزج الهواء البارد القادم من مكيف الهواء بالهواء الساخن القادم من المسخن، ثم التحكم في سرعة محرك منفاخ الهواء blower بوساطة وحدة تحكم في السرعة.
لمحة تاريخية
عُرض لأول مرة في العام 1933في مدينة نيويورك في الولايات المتحدة الأمريكية سيارات فاخرة مزودة بأجهزة تكييف الهواء، وتعد شركة باكارد لصناعة محركات السيارات Packard Motor Car Company أول من استخدم وحدات تكييف الهواء في سياراتها بدءاً من العام 1939 . وقد جرى تصنيع هذه المكيفات في شركة بيشوب وبابكوك Bishop and Babcock Co. في كليفلاند بأوهايو؛ لم ينجح تسويق هذا المنتج الذي حققته شركة باكارد لأسباب فنية عديدة أهمها كبر حجم المكيفات إضافة إلى ارتفاع تكلفتها. وفي العام 1954 كانت السيارة ناش أمباسادورNash Ambassador أول سيارة أمريكية تزوَّد بمنظومة متكاملة للتدفئة والتهوية وتكييف الهواء.
انتشر هذا الابتكار بسرعة، وبحلول العام 1960كان نحو 20% من جميع السيارات المصنعة في الولايات المتحدة قد زُوّد بمنظومات تكييف الهواء، وارتفعت هذه النسبة إلى 80% في المناطق الحارة في الجنوب الغربي من الولايات المتحدة الأمريكية. وعلى خلاف مكيفات الهواء في السيارات الحديثة استخدم في البداية مكيف الهواء التبخيري evaporative air cooler الذي عُرف باسم مكيف السيارة car cooler، وكان يركب على نافذة المركبة (الشكل1). يعمل مكيف الهواء التبخيري على الاستفادة من حرارة التبخر الكامنة، أو بعبارة أخرى التبريد بتبخر الماء، حيث يتبخر الماء داخل المكيف ويوجه الهواء البارد المحمل بالرطوبة إلى داخل السيارة، وكلما انخفضت رطوبة الجو الخارجي يعمل المكيف بصورة أفضل. انتشرت هذه المكيفات بكثرة في الولايات الجنوبية الغربية من الولايات المتحدة الأمريكية (كاليفورنيا وأريزونا وتكساس ونيو مكسيكو ونيفادا) بسبب الهواء الصحراوي الجاف السائد فيها.
![]() |
الشكل (1) مكيف الهواء التبخيري. |
أكثر موائع التبريد refrigerants استخداماً في المركبات حتى العام 1995 هو أحد مركَّبات الكلوروفلوروكربون chlorofluorocarbons (CFC s) ورمزه R12، وتبين في العام 1974 أن لهذه المركَّبات تأثيراً ضاراً بطبقة الأوزون. وفي العام 1987فرضت اتفاقية مونتريال قيوداً على تصنيع هذه المركَّبات واستخدامها، وأوصت اتفاقية مونتريال الثانية في العام 1990 بالتخلص التدريجي التام من هذه الموائع المستنفذة لطبقة الأوزون بحلول العام 2000 . ومنذ العام 1993 بدأت صناعة السيارات في الدول المتقدمة باستخدام الهدروفلوروكربون A134HFCمائع تبريد غير مستنفد لطبقة الأوزون بديلاً من المائع R12، واسمه الكيميائي تيترا فلورو إتان tetrafluoroethane ودرجة حرارة غليانه – 26,3°س، ويرمز إليه بالاسم المختصر R134a.
تتألف منظومة تكييف الهواء Air Conditioning (AC) System من دارة مغلقة يَضُخ فيها الضاغط مائع التبريد باستمرار، وتشترك جميع منظومات تكييف الهواء في المركبات بالعناصر نفسها كالضاغط والمبخِّر والمكثِّف وصِمام التمدد (الشكل2 )؛ لكنها تختلف فيما بينها في شكل هذه العناصر ونوعيتها؛ فعلى سبيل المثال يمكن استخدام صمام تمدد expansion valve أو صمام حصر التمدد الحراري thermal expansion block valve أو أنبوب بفوهة orifice tube، كما يمكن استخدام مكثِّفات من النوع الحلزوني serpentine أو من نوع الجريان المتوازي parallel flow، ويمكن استخدام مبخِّرات من نوع الصفائح والزعانف plate and fin أو من النوع الحلزوني.أما الضواغط فيختلف تصميمها الداخلي؛ كالنوع المكبسي piston أو اللولبي scroll أو القرص المتراوح wobble plate أو المتغير الشوط variable stroke أو ذو الريَش الدوارة rotary vane.أما مبدأ عمل منظومة تكييف الهواء فهو على النحو الموجز الآتي (الشكل3):
![]() |
الشكل (2) عناصر منظومة تكييف الهواء في مركبة. |
![]() |
الشكل (3) مبدأ عمل منظومة تكييف الهواء في مركبة. |
في جهة الضغط العالي: يدخل بخار مائع التبريد المنخفض الضغط إلى الضاغط فيضغطه ويرفع درجة حرارته، ثم ينتقل مع زيت التشحيم إلى المكثِّف، ويتكاثف إلى سائل، وتتحرر الحرارة الناتجة إلى هواء الجو المحيط بأنابيب المكثِّف البارد نسبياً. ينتقل السائل المتكاثف المضغوط والمرتفع درجة الحرارة إلى صمام تمدد عبر الخزان المجفِّف reservoir-dryer (liquid tank) فيخزنه ويزيل منه الشوائب ويمتص الرطوبة من المنظومة، وينخفض ضغط السائل ودرجة حرارته لدى مروره عبر فتحة متغيرة صغيرة. يكون مائع التشغيل R134a في جهة الضغط المرتفع ساخناً فيمتص الهواء الخارجي البارد كمية كبيرة من حرارته.
في جهة الضغط المنخفض: ينتقل السائل المتكاثف المنخفض الضغط ودرجة الحرارة والخارج من صمام التمدد إلى المبخِّر داخل المركبة؛ حيث يمتص الحرارة من مقصورة المركبة ويتحول إلى بخار وينتقل إلى الضاغط لتبدأ دورة جديدة وهكذا دواليك. يكون مائع التشغيل R134a في جهة الضغط المنخفض بارداً فيمتص كمية كبيرة من حرارة الهواء الذي يتحرك في جهة المبخر.
يُستعمل الماء الساخن في منظومة تبريد محرك المركبة لتدفئة جو المركبة، ويستخدم لهذه الغاية مشع حراري صغير يدعى المسخن الرئيس أو "مشع التدفئة" heater core، يركب في لوحة أجهزة القيادة والقياس أمام السائق، يدور الماء الساخن بين مشع تبريد المحرك radiator والمسخن الرئيس (الشكل4).
يُستخدم في المسخن الرئيس مسخنات من الخزف (السيراميك) تدعى المعاملات الحرارية الموجبة Positive Thermal Coefficient (PTC) (الشكل5)، وهي تحول الكهرباء إلى حرارة. وتصنّع عادة من مركّبات تيتانات الباريوم barium titanate أو تيتانات الرصاص lead titanate، ومن ميزاتها أنها تنظم عملها بنفسها؛ إذ تسمح بمرور الكهرباء عبرها حين تكون باردة، في حين تمنع مرور الكهرباء حين تكون ساخنة.
![]() |
الشكل (4) عناصر منظومة تدفئة جو المركبة. |
![]() |
الشكل (5) مسخنات الخزف (السيراميك) في المسخن الرئيس. |
بحثت الشركات المصنعة للمركبات عن طرائق لتحسين التنافسية ولتخفيض المدد الزمنية لاختبارات نماذج المركبات، وتوصل المصمّمون عن طريق الجمع بين النظرية والمحاكاة والتجربة إلى أدوات وبرامج حديثة ناجحة أثبتت جدارتها على مر السنين وساعدت على تخفيض التكلفة ومدة إجراءات دمج منظومة تكييف الهواء لتحقيق الأهداف المرغوبة في التحكم في جو المركبة.
إن منظومات التحكم المضمّنة Embedded Control Systems (ECS) ليست حواسيب بالمعنى المعروف؛ لكنها مثل معظم أجهزة الحواسيب في العالم، ليس لها لوحات مفاتيح وشاشات؛ بل هي رقاقات صغيرة مخبأة داخل جميع أنواع المنتجات. لا تنحصر وظيفة هذه المنظومات في المقام الأول بمعالجة المعلومات؛ وإنما بالتفاعل (الاستشعار والتحكم) مع العمليات الفيزيائية (الشكل6)، وتُستخدم في الفضاء والمركبات وفي جميع عناصر الحياة اليومية العادية (على سبيل المثال وليس الحصر التلفاز والهاتف الخليوي ومنظومات تحديد المواقع وأفران الأمواج الصغرية–المايكروويف- وغيرها).
![]() |
الشكل (6) نموذج منظومة تحكم قياسية للفضاء. |
توجد في المركبات منظومات تحكم مضمنة كثيرة منها: الحقن والتحكم في الانبعاثات، والتحكم في عمل المحرك، والتحكم بجو المركبة، والتحكم الآلي في السرعة، والكوابح المانعة للإقفال Anti-lock Braking Systems (ABS)، والوسائد الهوائية، وأحزمة الأمان الآلية، والتشخيص المتقدم، وتخفيض كمية الأسلاك في المركبة، والمزايا الجديدة للسلامة ولراحة الركاب. تُقدّر قيمة الإلكترونيات المضمّنة embedded electronics في المركبات بنحو 25% من التكلفة الكلية، ومن المتوقع أن يصل سوق أنظمة السيارات المضمنة العالمية إلى 8 مليارات دولار أمريكي في عام 2025، مع إظهار معدل نمو سنوي مركب يزيد عن 7%، بسبب الطلب المتزايد على كهربة المركبات وارتفاع الحاجة إلى أنظمة الأمان والراحة المتقدمة.
يطلق أحياناً على تقانات منظومات التحكم في جو المركبة اسم المحاكاة الحلقية للبنية الصلبة Hardware-In-the-Loop Simulation (HILS) في الزمن الحقيقي، أو منظومات التحكم متعددة القنوات في الزمن الحقيقي multichannel real time control systems.
يُستخدم في منظومات التحكم المُضمّنة بنى صلبة حديثة modern hardware؛ كالمعالجات الصغرية microprocessors وأجهزة التحكم الصغرية microcontrollers ومعالجات الإشارة signal processors والحواسيب وحيدة اللوحة single board computers والمنظومات ذات النسائق modular systems والمنظومات في رقاقات systems on chip ومنظومات التحكم الموزعة Distributed Control Systems (DCS). وتستخدم أيضاً سلسلة تقانات لتطوير البرمجيات مثل OS Neutrino وOSEK/VDX وmodern IDE.
يعتمد تصميم منظومات التحكم في جو المركبة على القياس والتحكم في العديد من المتغيرات، وتُصمَّم منظومة التحكم المضمّنة بطرائق مختلفة؛ كمصفوفة البوابات المنطقية القابلة للبرمجة ميدانياً Field-Programmable Gate Array (FPGA)، وهي دارة متكاملة integrated circuitتجري برمجتها من قبل الزبون أو المصمم؛ لذا فإنها قابلة للبرمجة ميدانياً، أو تُصمَّم بوصفها شبكة منطقة جهاز التحكم Controller Area Network (CAN) (الشكل7) التي تنجز الاتصالات بين أجهزة التحكم الصغرية بهدف توزيع التحكم في الوقت الحقيقي مع مستوى عالٍ جداً من الأمان، أو تعتمد على مبدأ التحكم في المنطق العائم Fuzzy-Logic-Based Controller، وغير ذلك من منظومات التحكم.
![]() |
الشكل (7) منظومة التحكم في المركبات الحديثة هي موزعة وأكثر من شبكة واحدة. |
والبرمجيات المستخدمة في المعالجات الصغرية عديدة أهمها لغة التجميع assembly language والبرمجيات (C, C++, JAVA, ADA, Forth, WHYP). كما تُستخدم برمجيات عديدة لمحاكاة منظومات تكييف الهواء في المركبات كبرنامج MATLAB/Simulink.
تكمن الفوائد من هذه المنظومات في تصغير التكاليف الإجمالية للمنظومات وتصغير زمن التطوير وتصغير التكلفة لكل وحدة (تنفيذ للبنية الصلبة والبرامج اللازمة لتصميم معين).
تعمل مرشحات جسيمات الهواء الصغرية العاملة بمنسوجات مركّبة على حماية السائق والركاب من غبار الطلع والغبار والسخام والجزيئات الضارة الأخرى من الاختراق مع تدفق الهواء الخارجي الجديد إلى داخل السيارة. إن مرشحات الهواء الجديد والهواء المعاد تدويره وغازات العادم المستخدمة في منظومات التحكم في جو المركبة عديدة ومتنوعة، ومنها المرشحات على شكل كيس أو علبة ومرشحات الكربون النشط ومرشحات درجات الحرارة العالية وغيرها.
تقنيات تخفيض الحمل
بادئ ذي بدئ ينبغي تقدير أحمال التدفئة والتكييف في مقصورة المركبة (الشكل 8) بغية تحديد الأحمال الكبيرة التي تحتاج إلى تخفيضها، وتُستخدم لهذه الغاية برمجيات عديدة كبرنامج طريقة التوازن الحراري Heat Balance Method (HBM) الذي يستخدم أبعاد المقصورة وخواص المواد بوصفها معطيات، ويفترض شروط قيادة عشوائية ويعطي نتائج في الزمن الحقيقي.
![]() |
الشكل (8) مخطط توضيحي للأحمال الحرارية في مقصورة مركبة نموذجية. |
يهدف تخفيض أحمال التدفئة والتكييف في السيارات إلى تخفيض الطاقة اللازمة لهذه الأحمال وخصوصاً في السيارات الكهربائية والهجينة، ومن ثمَّ تخفيض سعة المدخرات ممّا يؤدي إلى تخفيض التكلفة. يجري توفير التدفئة في السيارات التقليدية بالحرارة الضائعة من المحرك؛ لكن في السيارات الكهربائية لا يوجد محرك حراري. ولا يفيد استخدام الطاقة الكهربائية المخزنة في السيارة الكهربائية لتدفئة مقصورتها لتأثيرها في دفع السيارة وبالتالي في المسافة التي يمكن أن تقطعها قبل إعادة شحن مدخراتها من جديد. ويعد استخدام المسخنات الكهربائية خياراً جيداً من حيث التكلفة إلا أن معامل أدائها منخفض (COP=1). لهذه الأسباب تركز البحث على محاور ثلاثة هي: (1) تخفيض حمل الطاقة وإدارة الطاقة، (2) تطوير تجهيزات متقدمة للتدفئة والتكييف، (3) تطوير مقصورة مسبقة التكييف preconditioned. وقد طُرحت أفكار كثيرة لهذه المحاور أهمها: (1) اتباع نهج المنطقة zonal approach للتحكم في مقصورة السيارة، كتركيب فوهة التكييف فوق رأس السائق، (2) استخدام التهوية الفعالة والمنفعلة active/passiveventilation، (3) استخدام التظليل والزجاج العاكس لأشعة الشمس solar-reflective glazing/shading، (4) التكييف (التهوية) المسبق للمقصورة والمدخرات cabin & battery preconditioning، (5) تطوير مفاهيم لمقاعد متقدمة advanced seating concepts، (6) استخدام مواد عزل متقدمة advanced insulation materials.
جرى اختبار التهوية المسبقة (الشكل 9) في المخبر الوطني للطاقة المتجددة National Renewable Energy Laboratory (NREL) في الولايات المتحدة الأمريكية؛ وذلك بتشغيل منفاخ الهواء في الوقت المناسب just-in-time ventilation- أي في وقت الظهيرة - ومدة زمنية محددة ( 15أو 30دقيقة)؛ فانخفضت درجة حرارة المقصورة بمقدار 7°س خلال 15دقيقة وبمقدار 8°س خلال 30دقيقة. وجرى اختبار التهوية مع التحكم في درجة الحرارة temperature-controlled ventilation خلال فترة اشتداد الحرارة الخارجية، حيث عمل منفاخ الهواء على طرد الهواء الداخلي الحار وسحب الهواء الخارجي البارد نسبياً حيث ازدادت درجة الحرارة في المقصورة على درجة الحرارة الخارجية بمقدار 15°س، وتوقف منفاخ الهواء عن العمل حين وصل هذا الفرق في درجة الحرارة إلى 10°س. وقد لوحظ انخفاض لدرجة حرارة المقصورة بمقدار 9.5°س خلال ثلاث ساعات ونصف من التهوية المستمرة المتحكم فيها.
![]() |
(آ) (ب) الشكل (9): (آ) التهوية المتحكم فيها. (ب) نتائج اختبار التهوية المسبقة في الوقت المناسب. |
وفي المخبر المذكور أدى اختبار استخدام المواقف المظللة للسيارات والتظليل الكتيم لنوافذ السيارات إلى وُفورات كبيرة في الطاقة (أكثر من 74% و57% على التوالي ومن أجل فترة تبريد قدرها 20دقيقة)، لكن لا يمكن استخدام هاتين الطريقتين إلا حين توقف السيارة. يعمل الزجاج المزود بطبقة رقيقة عاكسة للأشعة الشمسية على الحد من اختراق هذه الأشعة لنوافذ السيارة حين تكون السيارة في حالة حركة. وقد أظهرت الاختبارات على هذه النوافذ في الهواء الطلق وُفورات في الطاقة اللازمة للتكييف وصلت إلى 49% تقريباً. ومثل ذلك يوفر الزجاج الأمامي وحده والمزود بطبقة عاكسة للأشعة تحت الحمراء Infrared Reflection (IRR)؛ طاقة أكثر من 21%. ومن ثم يمكن توفير طاقة قدرها 0.92 كيلو واط ساعي أو 66.5% خلال 20 دقيقة من تبريد السيارة بعد فترة اشتداد الحرارة. ويساعد هذا الوفر على زيادة مجال القيادة بنسبة 11%-33 %. وبينت نتائج اختبارات تخفيض أحمال التدفئة والتكييف في السيارات الكهربائية أنه من الممكن التوصل إلى تخفيض تكاليف هذه الإجراءات ومن ثم قبول المستهلك للسيارة الكهربائية.
تطبيقات المنظومة على المركبات الفضائية
يُراعى في تصميم المركبات الفضائية:
. 1أن تحافظ منظومة التحكم الحراري)TCS( Thermal Control System على جميع أجزاء المركبة الفضائية ضمن مجالات مقبولة لدرجة الحرارة خلال جميع مراحل المهمة.
2. أن تتحمل المركبة الفضائية البيئة الخارجية التي تختلف اختلافاً شديداً من منطقة إلى أخرى؛ حيث يمكن للمركبة أن ترحل إلى الفضاء السحيق أو أن تتعرض لتدفق إشعاعات الشمس أو الكواكب.
3. أن تبدد منظومة التحكم الحراري الحرارة الداخلية للمركبة الفضائية إلى خارج المركبة. تتألف منظومة التحكم الحراري من عناصر فعالة ومنفعلة وتعمل بطريقتين هما:
- حماية التجهيزات من درجات الحرارة المرتفعة جداً إما بالعزل الحراري لتدفقات الحرارة الخارجية (تدفقات الأشعة الشمسية أو تدفقات الأشعة تحت الحمراء للكواكب أو تدفق الأشعة البيضاءalbedo flux)، وإما بإزالة الحرارة من المصادر الداخلية (مثل الحرارة الناتجة من تشغيل الأجهزة الإلكترونية الداخلية).
- حماية التجهيزات من درجات الحرارة الخارجية المنخفضة جداً بالعزل الحراري، وذلك بتعزيز امتصاص الحرارة من مصادر خارجية أو تحرير الحرارة من مصادر داخلية.
تتضمن منظومة التحكم الحراري المنفعلة طلاءات coatings تُغيّر من الخصائص الحرارية الضوئية للأسطح الخارجية، وحشوات حرارية thermal fillers لتحسين الاقتران الحراري في بعض الأسطح البينية المختارة (كالممرات الحرارية بين وحدة إلكترونية ومبردها)، وحلقات حرارية thermal washers للحد من الاقتران الحراري في بعض الأسطح البينية المختارة، ومضاعفات حرارية thermal doublers لنشر الحرارة المبددة من التجهيزات على سطح المبرد، ومرايا لتحسين القدرة على طرح الحرارة في مشعات التبريد الخارجية، وفي الوقت نفسه تقلل من امتصاص تدفقات الطاقة الشمسية الخارجية.
وتتضمن منظومة التحكم الحراري الفعالة مسخنات كهربائية مقاومية ذات تثبيت مؤتمت لدرجة الحرارة للحفاظ على درجة حرارة التجهيزات فوق حدها الأدنى خلال المراحل الباردة لمهمة المركبة، ودارات حرارية لنقل الحرارة المبددة من التجهيزات إلى مشع التبريد: دارات أحادية الطور تعمل بمضخات أو دارات ثنائية الطور تحوي إما أنابيب حرارية heat pipesوإما مضخات شعرية capillary pumps، وفتحات مشقوقة تُغير من القدرة على طرح الحرارة نحو الفضاء بدلالة درجة الحرارة، ومبردات كهربائية-حرارية.
الدراسات والبحوث الراهنة
تتركز البحوث الراهنة على تقانات الإلكترونيات والبرمجيات في المركبات، وعلى سبيل المثال وليس الحصر: توسيع مجال درجة الحرارة من – 50° س إلى +175°س، وتطوير مفاتيح القدرة - أنصاف النواقل- لتتحمل التيارات والجهود الشديدة، وتحقيق متطلبات الوثوقية على المدى الطويل، وتحقيق استقرار البيانات مدة عشر سنين، والوصول إلى حالة انعدام العيوب، والتحكم المتقدم في جو المركبة باستخدام حساسات تعمل بالأشعة تحت الحمراءinfrared sensors، وتطوير المنظومات المؤتمتة للإقلاع والتوقف auto start-stopsystem وغيرها.
أما التحديات المستقبلية لتوجهات البحث العلمي فتركِّز على إدارة الطاقة، و"المنظومة في رقاقة" system on a chip، و"الشبكة في رقاقة" network on a chip، والحوسبة عالية التأثير بمصادر قليلة، والاقتران الذكي للأجهزة اللاسلكية الصغيرة، وإضافة الذكاء إلى القدرة adding brain to power، وتطوير حساسات من دون أغماد zero pin sensors وغيرها. كما يطمح الباحثون إلى إنتاج سيارات تبقى مدفَّأة أو مبرّدة حتى حين توقف محركها عن العمل.
مراجع للاستزادة: - V Lemort, G. Olivier, G. de Pelsemaeker, Thermal Energy Management in Vehicles, Wiley 2023. - Q. Zhang, Sh. Eben Li, Kun Deng, Automotive Air Conditioning: Optimization, Control and Diagnosis, Springer 2016. |
- التصنيف : تقانات الفضاء والفلك - النوع : تقانات الفضاء والفلك - المجلد : المجلد العاشر، طبعة 2025، دمشق مشاركة :