تكييف بطاقه شمسيه (منظومات)

Solar air conditioning -

 التكييف بالطاقة الشمسية (منظومات -)

عبد الهادي الزين

معامل الأداء لآلات التبريد	التبريد الشمسي الميكانيكي الحراري
منظومات التبريد المغلقة	أنواع اللواقط الشمسية المستخدمة في آلات التبريد
منظومات التبريد المفتوحة	أهمية استخدام الطاقة الشمسية لأغراض تكييف الهواء والتبريد
منظومات التبريد الميكانيكية الحرارية

تكييف الهواء والتبريد بالطاقة الشمسية solar energy for cooling/air-conditioning هو أحد تطبيقات الهندسة الميكانيكية الحرارية التي تستخدم الطاقة الشمسية لتكييف الهواء في المنازل والأبنية السكنية والتجارية والصناعية، أو إحداث أثر البرودة كإنتاج الماء البارد أو مكعبات الثلج؛ أو تبريد المواد الغذائية والمواد الطبية وغيرها.

توصل وليم كولن William Cullen في جامعة غلاسغو Glasgow الأمريكية إلى أول نموذج صنعي للتبريد في عام 1748. ثم ساهم العديد من المخترعين في تحقيق تطويرات صغيرة في آلات التبريد، وكان ذلك مابين عام 1805 حين صمم أوليڤر إيڤان Oliver Evans أول آلة تبريد باستخدام البخار بدلاً من السوائل؛ وعام 1902 حين اخترع ويليس كاريير CarrierWillis أول مكيف هواء. وفي عام 1834 أصبح التبريد في التطبيقات المنزلية أمراً واقعياً حين اخترع جاكوب بيركينز PerkinsJacob دارة التبريد الانضغاطية، وظهرت أول آلة تبريد تعمل بدارة امتصاصية في عام 1859 وكان مخترعها فرديناند كارّي Ferdinand Carré.

أول من استخدم الطاقة الشمسية للحصول على التبريد هو الفرنسي أوغستان موشو AugustinMouchot؛ الذي عرض في عام 1878 مع مساعده أبل بيفر AbelPifre في المعرض العالمي في باريس محركاً لإنتاج مكعبات الثلج ice من الأشعة الشمسية المركزة (الشكل1). في حين جرى تطوير أول آلة تبريد تجارية تعمل بالطاقة الشمسية من قبل الشركة الأمريكية أركلا Arkla في السبعينيات من القرن العشرين. عملت هذه الآلة بدارة امتصاصية وبمائع ثنائي مؤلف من الليثيوم بروميد والماء، وتطلّب تشغيلها درجة حرارة 90^°س تقريباً، في حين بلغت درجة حرارة الماء المبرّد 7^°س، وقد زاد عدد المشروعات التجريبية لهذه الآلة على مئة مشروع في الولايات المتحدة الأمريكية وحدها، ولم ينجح تسويقها تجارياً لارتفاع تكاليفها.

الشكل (1) المولد الشمسي لموشو.

معامل الأداء لآلات التبريد

تقاس فعالية أي منظومة تبريد بمعامل الأداء Coefficient Of Performance (COP)، ويُعرَّف بأنه نسبة طاقة التبريد المفيدة المنتجة إلى الطاقة الصافية المقدمة من مصدر خارجي.  يتعلق هذا المعامل تعلقاً شديداً بمستويات درجات الحرارة، ويراوح للأنظمة التقليدية بين 2 لمكيف هواء غرفة و 7 لمنظومة تكييف مركزي تحوي أبراج تبريد.

تشغيل منظومات التبريد وتكييف الهواء بالطاقة الحرارية أو دعمها

 تُصنَّف منظومات التبريد الشمسية الحرارية  solar thermal cooling systems (الشكل 2) في منظومات مغلقة closed ومفتوحةopen  وميكانيكية حرارية thermo-mechanical، ويمكن أن تعمل أو تدعم بالطاقة الحرارية (ماء حار أو بخار) المولدة في لواقط أو مركزات شمسية؛ أو المسترجعة من حرارة ضائعة waste heat.

الشكل (2) مخطط توضيحي لتشغيل آلة تبريد بالطاقة الحرارية.

منظومات التبريد المغلقة

تنتج منظومات التبريد المغلقة ماءً مبرَّداً chilled water يمكن استخدامه في شبكة من الأنابيب الممددة في الأسقف أو تحت أرضيات الأماكن المراد تكييف الهواء فيها؛ أو توزيعه عبر شبكة من الأنابيب على مشعات مروحية fan coil في أماكن مختلفة.

1- آلة التبريد الامتصاصية absorption: تتحول الطاقة الحرارية التي تتغذى بها هذه الآلة (الشكل 3) إلى برودة عن طريق سلسلة عمليات تغير الطور phase-change processes. تعمل دارة الامتصاص بمائع ثنائي (H₂O-LIBr)  يحوي الليثيوم بروميد lithium bromide والماء؛ حيث يعمل الأول ماصَّاً absorbent ويعمل الثاني مبرِّداً أو مائع تبريد refrigerant، أو تعمل بمائع ثنائي (NH₃-H₂O) مؤلف من النشادر ammonia والماء؛ حيث يعمل الأول مبرِّداً والثاني ماصَّاً. يحتاج تشغيل الدارة الامتصاصية إلى درجة حرارة تزيد على 70^°س لآلة أحادية المفعول single-effect، في حين تحتاج آلة ثنائية المفعول double-effect (مرحلتان للتوليد) إلى درجة حرارة تشغيل تزيد على 120^°س. كما تحتاج هذه الآلة إلى طاقة كهربائية لتشغيل المضخات، ومعامل الأداء النموذجي للدارة أحادية المفعول هو 0.86 (عند درجة حرارة 90^°س)، ويمكن أن يصل حتى 1.2-1.3 (عند درجة حرارة 120^°س) للدارة ثنائية المفعول.

الشكل (3) عناصر دارة امتصاصية لتوليد البرودة.

2- آلة التبريد الامتزازية adsorption: الامتزاز هو التصاق(أو احتجاز) ذرات أو إيونات أو جزيئات غاز أو سائل على سطح. تتحول الطاقة الحرارية المقدمة في هذه الآلة (الشكل 4) إلى برودة عن طريق سلسلة عمليات تغير الطور كما هي الحال في آلة التبريد الامتصاصية. يُستخدم في هذه الآلة مائع ماص صلب مثل هلام السليكا silica gel ومائع تبريد كالماء. تتولد المادة الماصَّة أو يعاد توليدها في المبادل الماص بوساطة ماء حار مولد من مصدر خارجي كاللواقط الشمسية، في حين يمتز المائع الماص في مبادل الامتزاز adsorber بخار الماء القادم من المبخر. أما في المبخر فيتحول الماء إلى بخار عن طريق تسخينه بدارة مياه خارجية تسحب البرودة من المبخر إلى المكان المراد تكييفه. تحتاج هذه الآلة إلى درجة حرارة تشغيل تقارب 80^°س، لكن يمكن لها أن تعمل عند درجة حرارة  60^°س ، ومعامل الأداء النموذجي للدارة أحادية المفعول هو 0.6. يعود سبب التكلفة العالية لهذه الآلة إلى قلة عدد الشركات المصنعة.

الشكل (4) مخطط توضيحي لدارة امتزازية.

منظومات التبريد المفتوحة

آلة التبريد بالبخر والتجفيف (إزالة الرطوبة) desiccant evaporative cooling: تعالج هذه الآلة الهواء مباشرة، حيث تتحول الطاقة الحرارية المقدمة من لواقط شمسية إلى برودة عن طريق سلسلة عمليات الحرارة الكامنة أو اللاطية (تغير الطور) latent heat processes. ولها نوعان: يستخدم النوع الأول مادة ماصَّة صلبة كهلام السليكا ويسمى التبريد بالتجفيف الصلب solid desiccant cooling (الشكل 5)، ومعامل الأداء النموذجي هو 0.5 (عند درجة حرارة 80^°س). أما النوع الثاني فيستخدم مادة ماصة سائلة ككلوريد الليثيوم lithium chloride ويسمى التبريد بالتجفيف السائلي liquid desiccant cooling (الشكل 6)، ومعامل الأداء النموذجي هو 0.75 (عند درجة حرارة 75^°س).

الشكل (5) مخطط توضيحي للتبريد بالبخر وبالتجفيف الصلب بالطاقة الشمسية.

الشكل (6) مخطط توضيحي للتبريد بالبخر وبالتجفيف السائلي.

منظومات التبريد الميكانيكية الحرارية

آلة التبريد بقاذفejector refrigeration : ينتج مولد الحرارة generator (الشكل 7) مائعاً أولياً عند ضغط عالٍ ودرجة حرارة عالية، ويتسارع جريان هذا المائع في فوهة القذف ejector nozzle مما يسبب انخفاضاً في الضغط يحرّض البخار (المائع الثانوي) المنتج في المبخر evaporator على الامتزاج مع المائع الأولي في غرفة مزج mixing chamber في القاذف، ومن ثم يدخل المزيج قسم المِرَذ (الناشر)  diffuser في القاذف حيث تتباطأ سرعة جريان المزيج مما يحدث استرجاعاً للضغط. على الرغم من تمتع هذه الآلة بمزايا عديدة كالبساطة وعدم وجود أجزاء متحركة ودرجة الحرارة المنخفضة للمولد 80-90^°س؛ فإن معامل أدائها (0.2-0.33) يقل كثيراً عن مثيله للدارة الانضغاطية. وما يزال استخدام الطاقة الشمسية في هذه الآلة في مرحلة البحث والتطوير، وقد جرت أبحاث عديدة لدعمها بضاغط ميكانيكي أو دمجها بآلة تبريد ذات دارة امتزازية بهدف تحسين معامل الأداء.

الشكل (7) مخطط توضيحي لآلة تبريد بقاذف.

التبريد الشمسي الميكانيكي الحراري

 يعتمد التبريد الشمسي الميكانيكي الحراري thermo-mechanical solar cooling على دارة رانكين Rankin cycle المستخدمة في محطات توليد الطاقة. يتلخص مبدأ عملها بتسخين الماء وتحويله إلى بخار عند ضغط عالٍ، ثم يمر البخار عبر عنفة turbine لإنتاج عمل. يستفاد من هذا العمل بعد تحويله إلى تيار كهربائي في تشغيل ضاغط في دارة تبريد (الشكل 8). أو يستفاد منه في تشغيل محرك حراري كمحرك ستيرلينغ Stirling engine الذي يعمل على تشغيل ضاغط في دارة التبريد (الشكل 9). إن درجة التعقيد الكبيرة لأنظمة التبريد الشمسي الميكانيكي الحراري والتكاليف العالية للتصنيع والتركيب والصيانة أبعدتا البحث العلمي عن هذا التطبيق.

الشكل (8) مخطط توضيحي للتبريد الشمسي الميكانيكي الحراري بعنفة بخارية.

الشكل (9) مخطط توضيحي للتبريد الشمسي الميكانيكي الحراري بمحرك ستيرلينغ.

تشغيل منظومات التبريد وتكييف الهواء بالطاقة الكهرضوئية أو دعمها بها:

يمكن تشغيل أي مكيف أو آلة تبريد مباشرة من نظام كهرضوئي يولد تياراً متناوباً. مثال على ذلك تشغيل دارة انضغاط البخار باللوحات الكهرضوئية photovoltaic vapor compression (الشكل 10). إن معامل الأداء النموذجي لهذه المنظومات هو 3 تقريباً من أجل التبريد  مكثف دارة الانضغاط بالهواء؛ و5 تقريباً من أجل التبريد بالماء.

الشكل (10) تشغيل دارة انضغاط البخار بلوحات كهرضوئية.

ظهرت في الأسواق حديثاً منظومات تكييف هجينة تعمل على تيار شبكة الكهرباء (المتناوب) وعلى التيار المستمر الذي تولِّده ألواح الطاقة الشمسية من دون الحاجة إلى مدخرات (بطاريات). تنتج بعض الشركات منظومات تعمل على 380 فولط/10 أمبير تيار مستمر خلال ساعات سطوع الشمس الكافي، ويمكن لها استجرار ما تحتاجه من الطاقة من شبكة الكهرباء في حال عدم كفاية أشعة الشمس، وتعمل كلياً على شبكة الكهرباء 220/240 فولط تيار متناوب عند الحاجة. وهناك أيضاً منظومات تعمل على تيار الشبكة المتناوب وتستجر جزء من الطاقة من الألواح الشمسية بهدف تقليل كلفة التشغيل، وتقوم بحقن الفائض من الطاقة في الشبكة الكهربائية في حال كان سطوع الشمس كافياً؛ ويتوفر منها نوعان:

1- منظومات AC هجينة مباشرة تتكون من أربعة أجزاء رئيسية: الألواح الشمسية، والضاغط المدار بواسطة الطاقة الحرارية، والمكثِّف، والمبخِّر. يمكن لهذه المنظومة أن تعمل على شبكة الكهرباء عند عدم كفاية الطاقة الشمسية أو غيابها.

2- منظومات هجينة غير مباشرة التي تستخدم ألواح طاقة شمسية كهربائية لإنتاج الكهرباء، التي تقوم بإدارة الضاغط والمروحة. وتتألف من أربعة أجزاء ايضاً. الألواح الشمسية الكهربائية، والمدخرة، والعاكس (Inverter)، ووحدة التكييف التقليدية. تقوم الألواح بتقديم التيار المستمر الذي تخزِّنه المدخرات أو يحقن في الشبكة (بحسب المتطلبات). ويقوم العاكس بقلب التيار المستمر على تيار متناوب لإدارة وحدة التكييف. يمكن لهذا النوع العمل على الشبكة الكهربائية في حال عدم كفاية الطاقة الشمسية أو غيابها.

يوضِّح الشكل (11) منصة تجريبية لقياس أداء منظومة تكييف تعمل على الطاقة الشمسية.

الشكل (11) منصة قياس أداء منظومة تكييف تعمل على الطاقة الشمسية. 1- ستة ألواح باستطاعة 240 واط/لوح. 2- عاكس تيار (Inverter) 2200 واط. 3- عاكس تيار (Inverter) 1400 واط تيار مستمر. 4- دارة تحكُّم. 5- تحكم من بعد. 6- حماية للمدخرات. 7- مدخرات عدد 4، 24 فولط، 240 أمبير.ساعة. 8- دارة تحكم بشحن المدخرات. 9- صندوق الويب الشمسي.

الجدير بالذكر أن مردود ألواح الطاقة الشمسية الكهربائية يتراوح بين 17 و22%، وقد نجح الباحثون في تطوير خلايا وصل مردودها إلى 50%. أما مردود منظومات التكييف الهجينة فيتراوح بين 2.5 و 3.2%. ويمكن أن يصل في بعض الحالات إلى 4.0%

أنواع اللواقط الشمسية المستخدمة في آلات التبريد

تستخدم اللواقط الشمسية الحرارية المسطحة والأنابيب الزجاجية المفرغة لواقط ثابتة، في حين يمكن للمركّزات الشمسية أن تكون ثابتة أو متحركة تلاحق قرص الشمس:

1- اللواقط الشمسية الهوائية solar air collectors (الشكل 12): يمكنها تشغيل آلة تبريد بالبخر والتجفيف ضمن مجال درجات حرارة 50-80^°س.

الشكل (12) مقطع عرضي في لاقط شمسي هوائي.

2- اللواقط الشمسية الحرارية المسطحة flat plate solar collectors (الشكل 13): يمكنها تشغيل آلة تبريد بالبخر والتجفيف ضمن مجال درجات حرارة 50-80^°س، أو تشغيل آلة تبريد امتزازية ضمن مجال درجات حرارة 65-85^°س، أو تشغيل آلة تبريد امتصاصية أحادية المفعول لتكييف الهواء ضمن مجال درجات حرارة 70-100^° س.

الشكل (13) مقطع عرضي في لاقط شمسي مسطح مائي.

3- الأنابيب الزجاجية المفرغة evacuated tubes (الشكل 14): تعمل ضمن مجال درجات حرارة 90-130^°س، ويمكنها تشغيل آلة تبريد امتزازية ضمن مجال درجات حرارة 65-85^°س، أو تشغيل آلة تبريد امتصاصية أحادية المفعول لتكييف الهواء ضمن مجال درجات حرارة 70-100^°س.كما يمكن للأنابيب الزجاجية عالية الأداء أن تشغل آلة تبريد امتصاصية ثنائية المفعول ضمن مجال درجات حرارة 130-160^°س.

الشكل (14) مقطع عرضي في أنبوب زجاجي مفرغ ومزود بأنبوب حراري.

4- المركزات الشمسية ذات قطع مكافئ مركب (لا تلاحق قرص الشمس) (CPC) Compound Parabolic Concentrators  (الشكل 15): تعمل ضمن مجال درجات حرارة 90-130^°س، ويمكنها تشغيل آلة تبريد امتصاصية أحادية المفعول تعمل بالثنائي H₂O-LiBrلتكييف الهواء ضمن مجال درجات حرارة 70-100^°س.

الشكل (15) مقطع عرضي في لاقط شمسي ذي قطع مكافئ مركب.

5- المركزات الشمسية الحوضية القطعية parabolic trough الصغيرة ومركزات فرينل الخطية linearFresnel (تلاحق أشعة الشمس): تعمل ضمن مجال درجات حرارة 130-220^°س، ويمكنها تشغيل آلة تبريد امتصاصية ثنائية المفعول ضمن مجال درجات حرارة 130-160^°س، أو تشغيل آلات التبريد للأغراض الصناعية (الشكل 16).كما يمكن استخدام المركزات الشمسية الحوضية القطعية الكبيرة في منشآت التبريد الكبيرة بسبب درجات الحرارة العالية المنتجة فيها والتي تصل حتى 450^°س.

الشكل (16) تبريد شمسي بمبرّد يعمل بالثنائي NH3-H2O وبمركزات فرينل.

إن الأنواع الأخرى من اللواقط الشمسية كالمركزات الطبقية القطعية parabolic dish لم تستخدم بعد لأغراض التبريد، وتنتج هذه المركزات درجات حرارة عالية مقارنة بالمركزات الحوضية القطعية؛ لكن تكلفتها عالية جداً.

تفيد نتائج مشروع الاتحاد الأوروبي لتكييف الهواء بالطاقة الشمسية  EU project SACE (Solar Air Conditioning in Europe) لأكثر من خمسين آلة تبريد منفذة في بلدان الاتحاد الأوربي أن نسبة استخدام اللواقط الشمسية الحرارية المسطحة كانت 63% و 21% للأنابيب الزجاجية المفرغة و10% للمركزات الثابتة و6% فقط للمركزات المتحركة. كما بلغت مساحة اللواقط النوعية الوسطية 3.6 م² لكل كيلو واط (تبريد)لإنتاج ماء مبرّد أو 10 م² لكل تدفق هواء قدره 1000 م³/سا عبر وحدات معالجة الهواء، ومتوسط تكاليف الاستثمار 4012 يورو لكل كيلو واط، ومتوسط معامل الأداء 0.58، ومتوسط الاستهلاك السنوي للطاقة الكهربائية المساعدة لتشغيل المراوح والمضخات 0.225 كيلو واط ساعي مقدم لكل كيلو واط ساعي منتج، ومتوسط الاستهلاك السنوي للمياه 5.3 كغ/سا لكل كيلو واط. استنتج من هذا المشروع أن الدارة الامتصاصية تمتعت بالجدوى الاقتصادية والفنية لأدائها العالي ولاستهلاكها الصغير من الطاقة المساعدة (0.018 كيلو واط ساعي مقدم لكل كيلو واط ساعي منتج).

مثال: تكييف الهواء لمصنع مواد تجميل.

جرى تنفيذ هذا المشروع في عام 1999 في مصنع مواد تجميل مساحته 22000 م² ؛ يقع بالقرب من أثينا. يتألف المشروع من 2700 م² لواقط شمسية حرارية مسطحة، ومبرِّدين امتزازيين adsorption chillers استطاعة الواحد منهما 350 كيلو واط، وثلاثة مبردات انضغاطية compression chillers استطاعة الواحد منها 350 كيلو واط. بلغ معامل الأداء الحراري لهذا المشروع 0.5 فقط.

  أهمية استخدام الطاقة الشمسية لأغراض تكييف الهواء والتبريد

1- تشغيل أجهزة التبريد بطاقة حرارية منتجة في لواقط شمسية حيث تكون كمية الطاقة الشمسية في فصل الصيف كبيرة وتتزامن مع الطلب الشديد على التبريد أو تكييف الهواء. ينتج من ذلك استخدام أقل للطاقة الكهربائية لتشغيل هذه الأجهزة.

2- درجات الحرارة اللازمة لتشغيل أجهزة التبريد منخفضة (بدءاً من 70^°س) والتي يمكن الحصول عليها بسهولة من لواقط شمسية حرارية مسطحة.

3- الحصول على مردود سنوي عالٍ لمنظومة اللواقط الشمسية في حال استخدامها لأغراض التدفئة شتاءً والتبريد صيفاً وتسخين المياه على مدار العام.

4- إن موائع تشغيل أجهزة التبريد العاملة بالطاقة الشمسية غير سامة.

الاستنتاجات:

1- على الرغم من تنفيذ بضع مئات من المشروعات التجريبية للتبريد وتكييف الهواء بالطاقة الشمسية؛ فإنه يمكن القول: إن هذا التطبيق ما يزال في طور التطوير.

2- تحتاج بعض المشكلات التقانية إلى حلول كالدارات الهدروليكية وأنظمة التحكم.

3- يوجد عدد كافٍ من تطبيقات آلات التبريد الشمسي؛ لكن أداءها ما يزال ضعيفاً.

4- إن معطيات أداء الوثوقية والخبرة متوفرة فقط من بعض التطبيقات المنفذة.

5- يحتاج هذا التطبيق إلى المزيد من الخبرة العملية في تشغيل منشآت بحجم حقيقي بهدف تطوير مشروعات نموذجية بتحكم آلي وقابلة للتسويق التجاري.

6- يحتاج تسويق هذا التطبيق على نطاق واسع إلى مزيد من الدعم ولا سيما للمنظومات التي توفر أكثر من 30% من الطاقة مقارنة بالمنظومات التقليدية، وشريطة ألا تزيد التكلفة على 0.1 يورو لكل كيلو واط ساعي للطاقة الأولية.

7- تزيد التكلفة التأسيسية (الأولية) لمنظومات التبريد الشمسي بمقدار 2-2.5 عن مثيلتها من المنظومات التقليدية، في حين تزيد التكلفة السنوية الإجمالية لهذه الأنظمة بمقدار 1.2-1.5 عن مثيلتها من المنظومات التقليدية.

مراجع للاستزادة: -  S. Karellas, T. C Roumpedakis, N. Tzouganatos, ‎Solar Cooling Technologies (Energy Systems), CRC Press 2018. -  S. C. Kaushik, S. K. Tyagi, V. Baiju, Solar Cooling: Basics and Advances,Springer 2024. -  D. Mugnier, D. Neyer, S. D. White, ‎The Solar Cooling Design Guide: Case Studies of Successful Solar Air Conditioning Design (Solar Heating and Cooling), Ernst & Sohn 2017.

---

- التصنيف : التقانات الصناعية - النوع : التقانات الصناعية - المجلد : المجلد العاشر، طبعة 2025، دمشق مشاركة :