Table of Contents
القضية العاجلة للجيل القادم
إن درجات الحرارة العالمية آخذة في الازدياد، والمدن آخذة في الاتساع، والطلب على الراحة داخل المباني هو التبني السقفي، إذ أن التكييف الجوي التقليدي للبخار يسبب بالفعل جزءا كبيرا من الاستخدام الكلي للطاقة، ومن المتوقع أن يرتفع إلى ثلاثة أضعاف على الصعيد العالمي بحلول عام ٢٠٥٠، ويهدد هذا المسار بقطع الشبكات الكهربائية، ويعجل بانبعاثات غازات الدفيئة، ويزيد من حدة التأثيرات الجزرية الحرارية الحضرية التي تدفع الطلب على التبريد.
أساسيات التربيل الحراري
ويتقاسم كل من نظم الامتصاص والاستيعاب نفس الهدف الديناميكي الحراري: الانتقال من مكان بارد إلى بيئة دافئة دون الاعتماد على متعهد آلي، وبدلا من استخدام الكهرباء لضغط بخار التبريد، فإنها تستخدم الحرارة لدفع دورة تستوعب وتطلق بتناوب الثلاجة، ويكمن الفرق الرئيسي في تصميمات متوسطة - صلبة لخصائص السائل.
كيف يعمل التبريد
وفي مبرد الامتصاص، توجد مادة صلبة مشبع )مثل الجيل السيليكي أو الزوليت أو الكربون المنشط( في غرفة مقفلة، حيث تُنتج البخار المبرد من الغاز المبرد، أو الميثاول المتطايرية، من المبردات الصناعية، ويُستولى عليها من المبردات، وهي عملية تُطلق حرارة.
ونظراً لأن أجهزة التبريد للاستيعاب لا تملك أجزاء متحركة في السرير المُحتضن (ما عدا الصمامات والمضخات اللازمة لسوائل نقل الحرارة)، فإنها موثوقة جداً وهادئة، حيث أن الحد الرئيسي منها كان أقل كفاءة في الأداء مقارنة بنظم الاستيعاب، ولكن المواد الجديدة المُحتسبة تُغلق هذه الفجوة.
كيف يعمل التبريد
ويحل محل المبردات الاستيعابية محل المعالج بحلقة حرارية تتألف من ممتص ومولد ومركب ومبرد ومبردات، وأكثرها شيوعاً هو بروميد الليثيوم كممتصة وماء كمبرد، وفي الموصل، يتم حل بخار الثلاجة من المبردات إلى حل ملوث حراري مركز،
وقد تم نشر أجهزة التبريد الكبيرة للاستيعاب منذ عقود في محطات التصنيع والعزل في المناطق حيث تكون بخار النفايات أو المياه الساخنة متاحة بسهولة، وتجلب الابتكارات الحديثة مبردات للاستيعاب ذات تأثيرين مضاعفين إلى المباني التجارية الأصغر، بينما تدفع الوحدات الثلاثية الأبعاد مؤتمر الأطراف الحرارية فوق 1.5 - وهي قادرة على المنافسة مع بعض أجهزة التبريد الكهربائية عندما تكون حرة المصدر خالية أساسا.
مواد الطور المنجزة
وقلب أي مبرد للارتقاء هو زوجان مبردان مصممان، وقد كانت الهلامات والزهوليات، منذ عقود، هي الآهات العاملة، ولكنها تعاني من قدرة محدودة على استيعاب المياه وتتطلب تجديد درجات الحرارة فوق 80 درجة مئوية للأداء الجيد، وتفتح الابتكارات اليوم فصولا جديدة من المواد التي تعزز الكفاءة بشكل كبير وتتيح مصادر حرارة أقل درجة.
Metal —Organic Frameworks (MOFs)
أما الأطر المتعددة العضوية فهي هياكل بلورية ذات سمة عالية - بعضها يحتوي على مساحات سطحية تتجاوز 000 7 متر مربع للغرام، وعندما تكون مصممة كمواد مائية متوافقة مع نماذج الطاقة الشمسية (ML101) وMIP-200، فإنها يمكن أن تزيد على غرام واحد من الماء لكل غرام من المواد عند الرطوبة النسبية التي تُعدّ من نوعها بيئات البناء (30-60٪ من أنواع النفايات الحرارية).
المجمــوع " Salt -in - Porous -Matrix " Adsorbents
وثمة طريق واعد آخر ينطوي على نقل الملح الهيدروجيني (مثل الكاسيل أو ليكل) إلى مضيفين غير مسموعين مثل الكربون المنشط أو الغرافيت الموسعة، حيث يوفر الملح كمية عالية جدا من المياه - تصل إلى 1.8 غم - 1 - بينما تمنع المصفوفة تسرب الملح وتحافظ على السلامة الهيكلية، ويمكن إعادة توليد هذه المواد المركبة باستخدام حرارة منخفضة الجودة (50-70 درجة مئوية) وأجهزة التوليد.
سلفيد زيوليتس وألمينوفسفات
وهذه الزيلات التقليدية )مثلا، ١٣ X( هي ذات هيدروفيلية عالية ولكنها تتطلب تجديدا فوق ١٢٠ درجة مئوية. وقد حققت هياكل محركية الماء المشبع حديثا في الصين بدرجة أكبر من الحرارة العالية، حيث بلغت مساحات المياه ذات الصبغة التراكمية ٣٠ درجة مئوية.
الابتكارات على مستوى المنظومة من أجل التبريد الاستيعابي
وفي حين أن تكنولوجيا الاستيعاب أكثر نضجا من الاستيعاب، فإن الابتكارات الحديثة تحسن فعاليتها، وتخفض حجمها، وتجعلها أكثر توافقا مع مصادر الطاقة المتجددة.
Variable-Effect and Cascade Cycles
ويسمح هذا المبردات ذات التأثير الواحد التقليدية باستيعاب نحو 0.7 من المبردات، ويضيف المولدات والمولدات الأخرى إلى المولدات الكهربائية الثانية لتعزيز مؤتمر الأطراف ليبلغ 1.2 إلى 1.4، ولكنه يتطلب درجة حرارة أعلى (140 إلى 170 درجة مئوية). وتدفع نظم التأثيرات الثلاثية الأطراف إلى أكثر من 1.5 درجة، ولكنها تتطلب درجات حرارة عالية جدا (200 درجة مئوية) ومواد متخصصة لتلافي التآكل.
وتربط تشكيلات السلاسل المكدسات بمبرد للاحتياط مع صانع ميكانيكي أو مبرد للشرب في السلسلة، مثلاً، يستخدم المبرد ذو التأثير المزدوج الغاز الطبيعي أو الحرارة الشمسية لإنتاج مياه باردة عند درجة حرارة 7 درجات مئوية، ثم يغذي الماء المبرد معززاً أصغر لضغط البخار ليصل إلى درجات حرارة تحتية لتبريده.
شركة " الاتفاق " لبورصات Heat Exchanger "
وقد كان أحد الحواجز أمام زيادة التوليد في المبردات، ولا سيما في المباني التجارية السكنية والصغيرة، هو الحجم الكبير لسفن الممتص والمولدات، حيث أن الابتكارات في مجال الرشاقة، والطبق المطاطي، ومبادلات الحرارة في المايكرويل تتقلص هذه المكونات، بينما تحافظ على الحرارة والنقل الجماعي أو تحسنه، كما أن تقنيات التصنيع المتقدمة (الصناعة الاصطناعية، وأجهزة الصمام ذات البصمة الليزرية) تتيح زيادة في الفول.
التكامل مع المسار الحراري الشمسي واستعادة النفايات
كما أن التبريد الطبيعي مع أجهزة جمع الحرارة الشمسية، حيث تعمل على الحرارة، وتستخدم النظم الحديثة الأنبوب المُجلى أو أجهزة جمع الطوابق شبه الصلبة لتوفير مياه ساخنة عند 150-200 درجة مئوية، مما يؤدي مباشرة إلى تبريد ثنائي، وفي فترات انخفاض الطلب على التبريد، يمكن أن توفر نفس المجمعات مياه ساخنة للماء الساخن أو الماء الساخن المحلي.
وقد أظهرت المشاريع الأخيرة في الشرق الأوسط وكاليفورنيا أن التبريد بالطاقة الشمسية يمكن أن يقلل من الطلب على الكهرباء لتبريدها بنسبة ٧٠-٩٠ في المائة خلال ساعات الذروة، بينما يخفض أيضا انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بشكل متناسب، وتستخدم الكهرباء المتبقية عادة للمضخات والمعجبات، التي يمكن أن تُستخدم بواسطة صفيفة صغيرة فولتية، مما يجعل النظام بأكمله يكاد يكون صفرا.
المصادرة الهجينة والمتعددة الأطراف
وكثيرا ما يواجه ملاك المباني ومصمموها مصادر حرارية متغيرة، وملامح حمولة، وتعريفات للمرافق، فالنظم الهجينة التي تجمع بين الاستيعاب والاستيعاب، بل وحتى الضغط التقليدي، يمكن أن تحقق الأداء الأمثل في هذه الظروف.
سلسلة التعاقب على الامتصاص
ويضع أحد المفاهيم الهجينة الناشئة مبردا للاستيعاب ك " دورة الارتداد " في مجرى مبرد الاستيعاب، ويرفض مبرد الاستيعاب الحرارة عند درجة حرارة متوسطة )٣٥-٤٠ درجة مئوية(، وهو حق فقط في إعادة توليد المبرد في مرحلة الاستيعاب، مما يسمح للنظام الموحد باستخراج المزيد من المبردات من مدخل حراري مقارن برقم ١٥.
DR —Ready and Grid —Interactive Controls
فمع أن المباني أصبحت أكثر نشاطا في الشبكة الذكية، فإن نظم التبريد ذات الدفع الحراري توفر ميزة فريدة: فهي تستطيع تخزين " الخلود " في شكل مياه باردة أو ثلج دون أن تسحب كهرباء كبيرة، وأن الاستيعاب والمبردات ملائمة في حد ذاتها لمطالبة البلدان التي تقدم الطاقة فيها هي التي تحافظ على الطاقة الحرارية، وعندما يتم التشديد على ذلك، فإن نسبة التراكم الكهربائي يمكن أن تخفض أو
الاعتبارات العملية والاقتصاد
ورغم الفوائد البيئية الواضحة، لا يزال اعتماد نظم التبريد ذات الدفع الحراري يواجه حواجز تتصل بالتكلفة الأولى والتعقيد التقني وانعدام المثبتات المدربة، ومن الضروري أن يخطط أصحاب المصلحة للاستثمار فهم هذه التحديات.
الفترة من التكلفة الرأسمالية إلى المرتب
فنظام التبريد الاستيعابي الكامل )بما في ذلك جامعات الطاقة الشمسية، والرفض الحراري، والضوابط( يكلف عادة أكثر من ١,٥ مرة إلى ٢,٥ مرة من مبرد البخاري المكافئ، غير أن تكاليف التشغيل يمكن أن تكون أقل بنسبة ٦٠-٨٠٪ بسبب انخفاض استهلاك الكهرباء والقدرة على استخدام حرارة النفايات )أو منخفضة التكلفة( في المناطق التي تبلغ فيها أسعار الكهرباء العالية، أو الإشعاع الشمسي، أو ما هو متاح من حروف من فترات الاسترداد البسيطة.
الصيانة والاعتماد
إن نظم الامتصاص قليلة جدا من قطع النقل - لا توجد مضغطة ولا زيت ولا ثلاجة في التناوب العالي السرعة - مما يترجم إلى انخفاض الصيانة وحياة الخدمة الطويلة - وتحل المهام الدورية الرئيسية محل المواد المبردة كل ١٠-١٥ سنة، ومبادلات الحرارة التنظيفية، وتحتاج نظم الامتصاص إلى مزيد من الاهتمام لأن حل بروميد الليثيوم يمكن أن يبلور إذا كانت درجة حرارة الحل أو تركيزات التراكم في الميكروبات.
أنواع المباني المناسبة والمقاسات
ومن الناحية التاريخية، لم تكن أجهزة التبريد للاستيعاب متاحة إلا بقدرات تزيد على ١٠٠ كيلوواط، مما حد بها إلى المباني التجارية والصناعية الكبيرة، واليوم، فإن أجهزة التبريد المزودة بالأجهزة المزودة بالأجهزة المزودة بمبردات صغيرة تبلغ ٥ كيلوواط )لبيوت الأسر الواحدة( تدخل السوق، مما يتيحه الأسرة المدمجة والمبادلات الحرارية الفعالة.
البيئة والسياسات
وتقوم الحكومات في جميع أنحاء العالم بتنفيذ سياسات تصلح بشكل مباشر التبريد المدفوع حراريا كجزء من خطط عملها المتعلقة بالمناخ، كما أن تعديل كيغالي على مراحل بروتوكول مونتريال يخفض التبريدات العالية القدرة على إحداث الاحترار العالمي، ويجعل المبردات الطبيعية (المياه والأمونيا وثاني أكسيد الكربون) المستخدمة في نظم الامتصاص والاستيعاب أكثر جاذبية، وفي الاتحاد الأوروبي، يشجع التوجيه المنقح بشأن أداء الطاقة في المباني الجديدة.
وفي مقدمة شهادات البناء، يمكن لكل من نقاط منح السائل المحتوي على السائل المحتوي على السائل المحتوي على السائل المحتوي على السائل المنوي وجائزة " بريم " لاستخدام الطاقة المتجددة في الموقع ولتقليص الطلب على الطاقة الكهربائية إلى ذروته، ويمكن لمبرد الاستيعاب بالطاقة الشمسية أن يسهم في الفئتين، مما يسهل في كثير من الأحيان تحقيق درجات البلاستيك أو التدرجات غير المستقرة، وفي كثير من الحالات يمكن أن يقابل جزءا كبيرا من التكلفة الأولى.
دراسات الحالة: تركيبات العالم الحقيقي
شبكة التبريد في المناطق السنغافورية
وقد استخدمت إحدى أكبر نظم تبريد المناطق في العالم، وهي تخدم منطقة خليج مارينا في سنغافورة، محطة تبريد تعمل بـ 35 ميغاواط تعمل بالطاقة الحرارية من حرارة النفايات من توربين الغاز المركب، وتوزع المياه المبردة عبر شبكة تحت الأرض تبلغ مساحتها 4 كيلومترات على المباني التجارية والسكنية المرتفعة الحد من استهلاك الكهرباء في المنطقة لتبريد 30 في المائة من مبردات مركبات الكربون الهيدروفلورية الموزعة في عام 2014، وتتجنب استخدام المبردات التقليدية.
مدرسة سولار - بوويرد في أريزونا
وتستخدم مدرسة الطاقة الصافية في توكسون، أريزونا، 50 كيلو فولط من أجهزة التبريد ذات التأثير المزدوج، التي يقودها 500 متر مربع من أجهزة جمع الطاقة الشمسية التي تم إخلاؤها، وتوفر المبرد كل التبريد للفصول والمكاتب من نيسان/أبريل إلى تشرين الأول/أكتوبر، وخلال أشهر الشتاء، توفر نفس المجمعات المياه الساخنة والماء الساخن المحلي، وتورد المدرسة أن هناك وفورات سنوية في تكاليف الطاقة تبلغ 000 65 دولار مقارنة بنظام أساسي مباشر.
توجيهات البحوث المستقبلية
وفي حين أن الميدان قد أحرز تقدما سريعا، لا تزال هناك عدة تحديات مفتوحة ستشكل الجيل القادم من نظم التبريد ذات الدفع الحراري.
Ultra —High — Performance Adsorbents
ويتواصل البحث عن مستلزمات تجمع بين ارتفاع كميات المياه (1.5 غم - 1) مع ارتفاع درجات الحرارة إلى أقل من 50 درجة مئوية، مما يتيح استخدام الحرارة الحرارية الأرضية أو الحرارة الشمسية المنخفضة الجودة، وتظهر الأطر العضوية المتناقلة وشبكات البوليمرات الخبيثة وعوداً ولكنها لم تختبر بعد في ظروف واقعية للتدوير، وتتسارع هياكل الكشف عن الملايين من المواد التي يتم اكتشافها.
تصنيع منخفض
إن أجهزة التبريد للاستيعاب اليوم تجمعت اليوم إلى حد كبير من حيث اليد، مما يؤدي إلى ارتفاع التكاليف، فالبحث في تركيب الأغطية الآلية لحزمة الفراش، والتغطية المتدفقة من الطبقات المصممة على أفران المعادن، وطباعة ثلاثية الأبعاد لقطع الأحادية الجانب يمكن أن يقلل من تكلفة التصنيع حسب الحجم، وقد بدأت بعض هذه العمليات بالفعل في تجربة هذه العمليات.
مضخات الحرارة المتحركة حرارياً للتدفئة والتبريد
إن نظم الاستيعاب والاستيعاب القابلة للعكس التي يمكن أن تتحول بين أساليب التبريد والتدفئة مع التغييرات الدنيا في المعدات هي مجال نشط من مجالات البحث، ومن شأن هذه الوحدات أن تتيح تطبيقا واحدا مدفوعا بحريا لتوفير الراحة في جميع أنحاء العالم، وزيادة تحسين الاقتصاد، والحد من آثار المعدات.
التكامل مع نظم التشغيل الآلي للبناء
ولكي يتم اعتماد التبريد المدفوع حراريا على نطاق واسع، يجب أن يدمج بلاسقة مع برامج إدارة المباني الحديثة، ووضع بروتوكولات موحدة للاتصالات (BACnet, Modbus) وخوارزميات المراقبة التنبؤية التي تُفضي إلى تحقيق الحد الأمثل من المبادلات بين مدخلات الحرارة ونواتج التبريد، سيكون أمرا حاسما.
الخلاصة: مستقبل مبرد مدفوع بالهوت
فتقنيات الاستيعاب والتبريد الاستيعابية لم تعد بدائل متناهية النشوء ولكنها مهيأة لتصبح حلولاً رئيسية للبناء المستدام للبيوت HVAC. وقد عالجت الابتكارات الأخيرة - من المواد المشعة القائمة على أساس متعدد الأطراف والتي تولد سعة 60 درجة مئوية من الدمج، ومبردات الهواء المشبع بالبخار والتي تناسب خزانة - العديد من الحواجز التاريخية في الاستهلاك من حيث التكلفة والحجم والحرارة والأداء.
وسيشهد العقد القادم مزيدا من التخفيضات في التكاليف من خلال التصنيع المتقدم ووفورات الحجم، فضلا عن نظم التحكم الأكثر ذكاء التي تجعل التبريد المدفوع حراريا سهلا الاستخدام كمضخة حرارية تقليدية، وبالنسبة لمالكي البناء والمطورين ومديري المرافق، فإن الرسالة واضحة: التكنولوجيا جاهزة اليوم لمجموعة واسعة من التطبيقات، والحالة التجارية - لا سيما في المناخات ذات العلامات الشمسية والسيارات الصناعية - تزداد قوة من جراء كسر البيئة الحرارية.
External Links]