التطبيقات الحرارية للطاقة الشمسية: التدفئة

وهناك نظامان للتدفئة بالطاقة يستخدم أحدها الهواء بينا يستخدم الآخر الماء، نفي نظام التدفئة بالهواء يتم تسخين الهوا، في المجمعات الشمسية ومن ثم دفعه الى داخل البناية بواسطة مروحة لتدفئة البناية أو الحيز موضع الاهتمام، ولا يختلف تصميم الجمع الشمسي المستعمل لتسخين الهواء عن ذلك المستعمل لتسخين اماء الا في تصميم الصفيحة الماصة، وتحديداً في تصميم مجرى الهواء، فبينا يتخذ مجرى الماء شكل لأنبوب يكون المقطع العرضي لمجرى المواء مستطيلاً، وأما بالنسبة لأنظمة التدفئة بالطاقة الشمسية التي تستعمل الماء فإنها تتضمن مبادلات حرارية يجري عبرها نقل الحرارة من الماء القادم من المجمع الشمسي الى الهواء المدفوع الى داخل الحيز.

ولا تختلف أنظمة التدفئة بالماء الساخن بالشمس عن أنظمة تخين المياه المعتادة الا في الأجهزة الاضافية المطلوبة لنقل التأثير الحراري الى داخل البناية ، وأما باقي أجزاء نظام التدفئة فهي تلك المستعملة في أنظمة تسخين المياه بشكل أساسي، وهناك بالطبع فارق في عدد المجمعات الشمسية المطلوبة وفي حجم خزان المياه الساخنة، ويتم تحديدها اعتماداً على مقدار حل التدفئة المطلوبة.

ان درجة حرارة المياه المطلوبة للتدفئة هي نفسها المطلوبة في أنظمة تسخين المياه، أي حوالي ٦٠ درجة مئوية، أما في أنظمة تسخين الهواء فيتم رفع درجة حرارة الهواء الى حوالي 35 درجة مئوية، والسبب في اختلاف درجات الحرارة في كلا. النظامين هو أن الهواء المسخن في المجمعات يدفع الى داخل الحيز موضع الاهتمام مباشرة دون الحاجة الى الدخول في عمليات التبادل الحراري مع موائع أخرى، بينا في أنظمة التدفئة بالماء الساخن يتم استعمال المبادلات الحرارية لنقل التأثير الحراري من الماء الساخن الى الهواء، وعلى ذلك يتطلب الأمر أن تكون درجة حرارة الماء الداخل الى المبادل الحراري أعلى من درجة حرارة الهواء الخارج من المبادل الحراري بجوالي 20-25 درجة مئوية.

يظهر في الشكل رقم (12) مخططان هيكليان يثل أحدها نظام تدفئة بالطاقة الشمسية يستخدم الهواء بينا يستخدم الآخر الماء، ويتشابه كلا النظامين في أنها يتكونان من نظام لتجميع الطاقة (المجمعات الشمسية) ونظام لنقلها الى داخل الحيز اضافة الى نظام التخزين الحراري، والغاية من استخدام أنظمة التخزين الحراري في أنظمة التدفئة هو تخزين الحرارة في فترات الاشعاع الشمسي أثناء الهار واستعمالها في أوقات عدم توفر الاشعاع الشمسي في الليل أو في الفترات الغائمة.

ويتكون نظام التخزين الحراري في أنظمة التدفئة بالهواء من خزان صخري يحتوي على صخور صغيرة يتراوح قطرها ما بين 2 - 5 سم (الحصى الشائع الاستعمال). ولتخزين الحرارة في الخزان الصخري يجري امرار الهواء الساخن القادم من المجمعات الشمسية في كومة الحصى الموضوعة داخل خزان خشبي أوفي سرداب البيت، وتنتقل الحرارة بالحمل من الهواء الى الحصى نتيجة لملامسته لسطوحها مما يؤدي الى رفع درجة حرارتها تدريجياً، ومادامت درجة حرارة المواء المارين الحصى أعلى من درجة حرارة الحصى نفسه فإن الحرارة تستمر في الانتقال من الهواء الى الحصى، وحين لا يتوفر الاشعاع الشمسي وتبرز الحاجة الى التدفئة يتم دفع هواء الحيز لى داخل الخزان الصخري لتسخينه ودفعه من ثم الى داخل الحر لتدفئته.

على أن هناك بعض العوامل العملية والاقتصادية التي تحدد نظام التخزين الحراري كأن يبنى الخزان بحيث يمكنه خزن ما يكفي لتدفئة البيت ليوم واحد، واذا حدث أن ساءت الأحوال ابوية بحيث لا يتوفر هناك اشعاع شمسي لمدة يوم أو أكثر فإن نظام التدفئة الشمسي لا يمكنه المساهمة في تدفئة الحيز، ولتجنب الوصول الى هذا الوضع بما يتضمنه من

شكل 11- أنظمة تدفئة بالطاقة الشمسية

ازعاجات فإن أنظمة التدفئة الشمسية تضم في العادة مصدراً حرارياً يعمل على مصادر الطاقة التقليدية (نفط، غاز، فحم، كهرباء) يجري استعماله عند الحاجة.

أما في أنظمة التدفئة بالماء الساخن فإن نظام التخزين الحراري يتكون من خزان ماء يتم تخزين المياه الساخنة فيه أثناء ساعات الاشعاع الشمسي ليتم استعمالها في الأوقات التي لا تتوفر فيها الطاقة الشمسية، وكما هي الحال بالنسبة لأنظمة التسخين بالمواء يتم تحديد حجم خزان الماء اعتماداً على اعتبارات عملية واقتصادية وكذلك فإن أنظمة التسخين بالماء تضم مصدراً حرارياً مساعداً (سخان ماء) لتزويد الحرارة المطلوبة في الفترات التي لا تتوفر فيها الطاقة الشمسية وحين لا يتوفر هناك مخزون حراري.

وهناك العديد من البيوت التي تدفأ بالطاقة الشمسية في المناطق ذات الأجواء الباردة كبعض مناطق الولايات المتحدة الأمريكية وأوروبا واليابان، وبسبب التكلفة الاقتصادية المرتفعة نسبياً لأنظمة التدفئة الشمسية فإنا تتوسع بشكل بطيء والأغلب أن لا تنتشر بشكل واسع الا من خلال سياسات الدعم الحكومي، وبالنسبة للدول العربية فإن استخدام الطاقة الشمسية في التدفئة سيقتصر على مناطقها الشمالية ذات الأجواء الباردة شتاء، وأما في مناطقها الجنوبية فالحاجة للتدفئة ليست بذات درجة الحاجة الى التبريد، وبالمناسبة فإن المجمعات الشمسية المطلوبة في التبريد الشمسي يكنا تقدي متطلبات التدفئة شتاء مما يعني أن استخدام التبريد الشمسي يحمل ضمناً امكان التدفئة بالطاقة الشمسية.

وتقتصر نشاطات استخدام الطاقة الشمسية لأغراض التدفئة في العالم العربي على بعض البيوت التجريبية التي ترعاها مؤسسات البحث العلمي في بعض الدول العربية كما في الكويت والأردن والعراق ومصر والجزائر، بالإضافة الى عدد من البيوت السكنية.