شرح الميد · التسخين الشمسي والمجمعات والتركيز

هدف الدرس

تمييز التسخين السلبي والنشط، وشرح انتقال الحرارة في المجمعات واختيار الاتجاه والتقنية.

الفهرس

• التسخين السلبي والنشط
• المجمع المسطح وخزان الماء
• الأنابيب المفرغة ومفاضلة الفقد
• الاتجاه والميل والتغير الموسمي
• التسخين منخفض الحرارة والطاقة المركزة

التسخين السلبي والنشط

في التسخين الشمسي السلبي يشارك المبنى نفسه في التقاط الطاقة واستعمالها: يختار الاتجاه والفتحات والمواد بحيث يدخل الإشعاع المطلوب وتتوزع الحرارة، مع تقليل الحاجة إلى المعدات التي تستهلك الطاقة. يشمل المصدر الكسب المباشر، والجدار الحراري، والحيز الزجاجي الملحق. الفكرة المشتركة هي دمج التقاط الحرارة في المبنى بدل معاملته حملًا منفصلًا.

التسخين النشط يستعمل مجمعًا ودائرة لنقل الحرارة إلى الاستخدام أو التخزين. سخان الماء فوق السطح مثال على ذلك، ويختلف عن جدار أو نافذة يتيحان اكتساب الحرارة داخل المبنى. وجود حركة طبيعية للماء داخل السخان لا يحوله إلى تصميم معماري سلبي.

العزل يقلل فقد حرارة المبنى؛ عندئذ تستطيع المكاسب الشمسية المحدودة تغطية نسبة أكبر من الطلب. أما مبنى مرتفع الطلب فقد يحتاج مجمعًا كبيرًا لخدمة الشتاء مع بقاء جزء من قدرته بلا استعمال صيفًا. لهذا ترتبط كفاءة المبنى بحجم نظام التدفئة المطلوب، ويستفاد أيضًا من ضوء النهار لتقليل الإنارة الصناعية عندما يكون متاحًا.

المجمع المسطح وخزان الماء

يستقبل الغطاء الشفاف الإشعاع، ويمتصه سطح مخصص داخل المجمع، ثم تنتقل الحرارة إلى المائع عبر الأنابيب أو الممرات. العزل الخلفي والجانبي يقلل خروج الحرارة إلى المحيط، والغلاف يحمي الأجزاء من الظروف الخارجية. وظيفة الأنابيب ليست إنتاج الطاقة؛ إنها نقل الحرارة المكتسبة إلى الاستخدام.

في نظام السيفون الحراري يتيح اختلاف كثافة الماء الساخن والبارد دورانًا طبيعيًا. يرتفع الماء الساخن، ويعود الماء الأبرد نحو المجمع. مكان الخزان ومسار الأنابيب لذلك مرتبطان بإمكان استمرار الدوران. يحافظ عزل الخزان على الحرارة؛ وقد يحتاج النظام تسخينًا مساعدًا عندما لا يكفي المورد الشمسي.

الأنابيب المفرغة ومفاضلة الفقد

يقلل تفريغ الأنبوب انتقال الحرارة بالحمل إلى الهواء المحيط، فيحتفظ المجمع بقدر أكبر من الحرارة. تعرض المحاضرة نوع مرور المائع المباشر ونوع الأنبوب الحراري الذي ينقل الحرارة إلى رأس التجميع. في النوع الثاني يسمح الميل المناسب بعودة المائع المتكثف إلى المنطقة الساخنة.

يقارن المصدر الأنابيب المفرغة بالمجمع المسطح من حيث بلوغ حرارة أعلى والاستفادة من إشعاع أقل، مقابل تعقيد تصنيع وكلفة شراء وصيانة أعلى في المثال المعروض. تقليل الفقد منفعة حرارية، لكنه لا يلغي مفاضلة الكلفة. النسب العددية القديمة للكفاءة تعتمد على تعريف الأداء والظروف، لذلك تكفي المقارنة السببية لفهم الفرق من دون تحويلها إلى وعد ثابت.

الاتجاه والميل والتغير الموسمي

توجه المجمعات في الأردن نحو الجنوب كقاعدة تعليمية في نصف الكرة الشمالي، وتختار زاوية الميل بحسب خط العرض والموسم المراد خدمته. ترفع الشمس صيفًا وتنخفض شتاءً، فيؤثر ذلك في الزاوية بين الأشعة والسطح.

يعرض المصدر ميلًا يقارب خط العرض للاستعمال السنوي، وميلًا أصغر لتحسين الجمع الصيفي. لا يعني ذلك وجود زاوية واحدة مثلى لكل استعمال؛ إذا كان الهدف ماء ساخنًا طوال السنة تختلف المفاضلة عن استعمال موسمي. كذلك يضعف الظل الإشعاع الذي يصل إلى المجمع مهما كانت جهة تثبيته صحيحة.

التسخين منخفض الحرارة والطاقة المركزة

التسخين المنزلي يستفيد من حرارة مناسبة للماء أو الحيز. أما إنتاج الكهرباء حراريًا فيحتاج سلسلة يركز فيها الإشعاع ويجمع في مائع، ثم ينقل إلى محرك حراري ومولد. التركيز يرفع كثافة الإشعاع على المستقبل بدل أن يزيد الطاقة الواصلة من الشمس إلى الموقع كله.

المجمع المسطح يستقبل الإشعاع على سطحه من دون هذه المرايا المركزة. ويقدّر الناتج الحراري من الإشعاع على المساحة وكفاءة النظام ومدة الجمع. عند المقارنة بالبديل الكهربائي أو الوقودي يجب أن تكون الطاقة المطلوبة والفترة متطابقتين.

الخلاصة

خلاصة الدرس: التصميم السلبي يقلل حاجة المبنى، والمجمع ينقل الحرارة إلى المائع. العزل والتفريغ يقللان الفقد، والاتجاه والميل يناسبان الموسم، والتركيز يخدم درجات حرارة أعلى.