يوم درجة التدفئة

يُعدّ يوم درجة التدفئة ( HDD ) مقياسًا يُستخدم لتحديد كمية الطاقة اللازمة لتدفئة المباني. ويُستمدّ هذا المقياس من قياسات درجة حرارة الهواء الخارجي . وتُعتبر متوسطات احتياجات الطاقة اللازمة للتدفئة لمبنى معين في موقع محدد متناسبة طرديًا مع عدد أيام درجة التدفئة في ذلك الموقع .

وتشمل القياسات ذات الصلة يوم درجة التبريد (CDD)، الذي يحدد كمية الطلب على الطاقة لتكييف الهواء .

تُحدد أيام التدفئة نسبةً إلى درجة حرارة أساسية، وهي درجة الحرارة الخارجية التي لا يحتاج المبنى إلى تدفئة فوقها. قد تُحدد درجات الحرارة الأساسية لمبنى معين كدالة لدرجة الحرارة التي يُدفأ إليها المبنى، أو قد تُحدد لدولة أو منطقة معينة، على سبيل المثال. في الحالة الأخيرة، قد توجد معايير أو اتفاقيات بناء خاصة بعتبة درجة الحرارة. وتشمل هذه المعايير ما يلي:

لا تتطابق درجة الحرارة الأساسية بالضرورة مع متوسط ​​درجة الحرارة الداخلية للمبنى، إذ قد تأخذ المعايير في الاعتبار متوسط ​​مستويات عزل المبنى ومكاسب الحرارة الداخلية لتحديد متوسط ​​درجة الحرارة الخارجية التي تتطلب التدفئة. كما تُستخدم درجات حرارة أساسية تبلغ 16  درجة مئوية و19  درجة مئوية (61 و66 درجة فهرنهايت). ^{[ 6 ]} ويؤدي اختلاف اختيار درجة الحرارة الأساسية إلى عدم إمكانية مقارنة قيم التدفئة والتبريد دائمًا، لذا يجب الحرص على مقارنة قيم التدفئة والتبريد ذات درجات الحرارة الأساسية المتساوية فقط. 

توجد عدة طرق لحساب أيام درجة الحرارة اليومية (HDD): فكلما كانت سجلات بيانات درجة الحرارة أكثر تفصيلاً، زادت دقة حساب أيام درجة الحرارة اليومية. غالبًا ما تُحسب أيام درجة الحرارة اليومية باستخدام طرق تقريبية بسيطة تعتمد على قراءات درجة الحرارة اليومية بدلاً من سجلات درجة الحرارة الأكثر تفصيلاً، مثل القراءات نصف الساعة، والتي يمكن استخدامها لتقدير التكامل . إحدى طرق التقريب الشائعة، والتي تستخدمها هيئة الأرصاد الجوية الوطنية الأمريكية، هي أخذ متوسط ​​درجة الحرارة في أي يوم (متوسط ​​أعلى وأدنى درجة حرارة) وطرحه من درجة الحرارة الأساسية. إذا كانت القيمة أقل من أو تساوي صفرًا، فإن ذلك اليوم له أيام درجة حرارة يومية صفرية. أما إذا كانت القيمة موجبة، فإن هذا الرقم يمثل عدد أيام درجة الحرارة اليومية في ذلك اليوم. (بالنسبة لأيام درجة التبريد، تعمل العملية بالعكس: تُطرح درجة الحرارة الأساسية من المتوسط، وإذا كانت هذه القيمة موجبة، فإن هذا الرقم يمثل أيام درجة التبريد). تعمل هذه الطريقة بشكل مُرضٍ إذا لم تتجاوز درجة حرارة الهواء الخارجي درجة الحرارة الأساسية. في المناخات التي يُحتمل فيها حدوث ذلك من حين لآخر، أُدخلت تحسينات على الحساب البسيط تسمح بأخذ فترة اليوم التي يكون فيها الهواء دافئًا بما يكفي لعدم الحاجة إلى التدفئة في الحسبان. تُمكّن هذه الخوارزمية الأكثر دقة من حساب النتائج في المناخات المعتدلة (البحرية والقارية) على مدار العام (وليس فقط خلال موسم التدفئة المحدد) وعلى أساس أسبوعي وشهري.

يمكن إضافة وحدات التدفئة الحرارية (HDD) على مدار فترات زمنية لتقديم تقدير تقريبي لاحتياجات التدفئة الموسمية. فعلى سبيل المثال، خلال موسم التدفئة، يبلغ عدد وحدات التدفئة الحرارية في مدينة نيويورك 5050 وحدة، بينما يبلغ في أوتكياغفيك، ألاسكا 19990 وحدة. وبالتالي، يمكن القول إنه بالنسبة لمنزل ذي بنية وعزل مماثلين، سيتطلب تدفئة المنزل في أوتكياغفيك طاقةً تعادل أربعة أضعاف الطاقة اللازمة لتدفئة المنزل في نيويورك. وبالمثل، فإن منزلًا مماثلًا في ميامي ، فلوريدا ، والذي يبلغ عدد وحدات التدفئة الحرارية فيه 500 وحدة خلال موسم التدفئة، سيحتاج إلى عُشر الطاقة اللازمة لتدفئة المنزل في مدينة نيويورك تقريبًا. ^{[ 7 ]}

مع ذلك، يُعدّ هذا نهجًا نظريًا، إذ يؤثر مستوى عزل المبنى على الحاجة إلى التدفئة. فعلى سبيل المثال، غالبًا ما تنخفض درجات الحرارة ليلًا عن درجة الحرارة الأساسية (أدنى درجة حرارة يومية في التغير اليومي)، ولكن بفضل العزل، تصبح التدفئة غير ضرورية. وفي أواخر الربيع وبداية الخريف، أو في الشتاء بحسب المناخ، يحافظ العزل الكافي على درجة الحرارة الداخلية أعلى من درجة الحرارة الخارجية، مع الحاجة إلى تدفئة قليلة أو معدومة. فعلى سبيل المثال، في جنوب كاليفورنيا، لا تكون التدفئة ضرورية في لوس أنجلوس وسان دييغو خلال فصل الشتاء إذا كان العزل كافيًا لمراعاة انخفاض درجات الحرارة ليلًا. كما تحتوي المباني على كتلة حرارية ، كالخرسانة، قادرة على تخزين طاقة الشمس الممتصة نهارًا. وبالتالي، حتى لو أشارت أيام التدفئة إلى الحاجة إلى التدفئة، فإن العزل الكافي للمبنى قد يُغني عن التدفئة.

يوفر مؤشر التدفئة والتبريد (HDD) مقياسًا بسيطًا لتحديد كمية التدفئة التي تحتاجها المباني في موقع معين خلال فترة زمنية محددة (مثل شهر أو سنة معينة). وبالاقتران مع متوسط ​​قيمة معامل انتقال الحرارة (U-value) للمبنى، فإنه يوفر وسيلة لتقدير كمية الطاقة اللازمة لتدفئة المبنى تقريبًا خلال تلك الفترة.

يشير انخفاض درجة الحرارة الخارجية للمبنى بمقدار درجة واحدة عن درجة حرارة الراحة المحددة داخل المبنى ليوم واحد إلى أن درجة الحرارة الخارجية كانت تعادل انخفاضًا بمقدار درجة واحدة عن عتبة الراحة الحرارية المحددة داخل المبنى. لذا، يجب توفير التدفئة داخل المبنى للحفاظ على الراحة الحرارية .

لنفترض أن لدينا عدد أيام درجة التدفئة (D) في سنة واحدة، ونريد حساب الطاقة اللازمة لمبنى. نعلم أن الحرارة يجب أن تُوفر بمعدل فقدانها إلى البيئة. يمكن حساب ذلك كمجموع فقدان الحرارة لكل درجة لكل عنصر من عناصر الغلاف الحراري للمبنى (مثل النوافذ والجدران والسقف)، أو كمتوسط ​​قيمة معامل انتقال الحرارة (U-value ) للمبنى مضروبًا في مساحة غلافه الحراري، أو حسابه مباشرةً للمبنى بأكمله. هذا يعطي معدل فقدان الحرارة النوعي للمبنى ( P _specific) ، والذي يُقاس عادةً بالواط لكل كلفن (W/K). وبالتالي، تُحسب الطاقة الكلية بالكيلوواط ساعة (kW⋅h) كما يلي:

${\displaystyle Q=P_{\text{specific}}\times 24\times {\frac {D}{1000}}\;}$[كيلوواط ساعة]

بما أن إجمالي استهلاك الطاقة يُقاس بالكيلوواط ساعة، ودرجات التدفئة تُحسب بضرب عدد الأيام في عدد الدرجات، يجب تحويل الواط لكل كلفن إلى كيلوواط ساعة لكل درجة في اليوم عن طريق القسمة على 1000 (لتحويل الواط إلى كيلوواط)، ثم الضرب في 24 ساعة في اليوم (1  كيلوواط = 1  كيلوواط ساعة/ساعة). ولأن تغير درجة الحرارة بمقدار 1  درجة مئوية وتغير درجة الحرارة المطلقة بمقدار 1  كلفن متساويان، فإنهما يُلغيان بعضهما البعض، ولا حاجة للتحويل.

مثال: في يوم شتوي عادي في مدينة نيويورك، حيث تبلغ درجة الحرارة العظمى 40  درجة فهرنهايت والصغرى 30  درجة فهرنهايت، من المرجح أن يكون متوسط ​​درجة الحرارة حوالي 35  درجة فهرنهايت. في مثل هذا اليوم، يمكننا تقريب عدد أيام اليوم الواحد (HDD) إلى (65 - 35) = 30. قد يتراكم 900 يوم يوم واحد خلال شهر من ثلاثين يومًا مماثلاً. أما في السنة (بما في ذلك متوسط ​​درجات الحرارة الصيفية التي تتجاوز 70  درجة فهرنهايت)، فقد يتراكم 5000 يوم يوم واحد سنويًا.

تُعاني الحسابات باستخدام بيانات درجة الحرارة الخارجية من عدة مشاكل. فاحتياجات التدفئة لا تتناسب طرديًا مع درجة الحرارة، ^{[ 8 ]} كما أن المباني المعزولة جيدًا تتميز بنقطة توازن أقل . وتعتمد كمية التدفئة والتبريد المطلوبة على عدة عوامل إلى جانب درجة الحرارة الخارجية، منها: مدى جودة عزل المبنى، وكمية الإشعاع الشمسي الواصل إلى داخله، وعدد الأجهزة الكهربائية المُشغّلة (مثل أجهزة الكمبيوتر التي ترفع درجة حرارة محيطها)، وسرعة الرياح الخارجية، ودرجة الحرارة التي يشعر بها السكان بالراحة. ومن العوامل المهمة الأخرى نسبة الرطوبة النسبية داخل المبنى، والتي تُؤثر بشكل كبير على مدى راحة الفرد. كما أن متغيرات أخرى، مثل الهطول المطري، والغطاء السحابي، ومؤشر الحرارة ، وبياض المبنى ، والغطاء الثلجي، تُؤثر أيضًا على الاستجابة الحرارية للمبنى.

من المشاكل الأخرى المتعلقة بدرجات الحرارة المنخفضة جدًا (HDD) ضرورة توخي الحذر عند استخدامها لمقارنة المناخات دوليًا، نظرًا لاختلاف درجات الحرارة الأساسية المعتمدة في مختلف البلدان، واستخدام مقياس فهرنهايت في الولايات المتحدة ومقياس سيليزيوس في معظم أنحاء العالم. ويزداد الأمر تعقيدًا مع اختلاف طرق التقريب المستخدمة في كل بلد.

لتحويل درجة حرارة القرص الصلب من فهرنهايت إلى مئوية:

${\displaystyle ^{\circ }C\,{\mathit {HDD}}={\frac {5}{9}}\times \,^{\circ }F\,{\mathit {HDD}}}$

لتحويل درجة حرارة القرص الصلب من °C إلى °F:

${\displaystyle ^{\circ }F\,{\mathit {HDD}}={\frac {9}{5}}\times \,^{\circ }C\,{\mathit {HDD}}}$

لاحظ أنه نظرًا لأن وحدات قياس درجة الحرارة (HDD) نسبية إلى درجة حرارة أساسية (بدلاً من كونها نسبية إلى الصفر)، فمن غير الصحيح إضافة أو طرح 32 عند تحويل درجات الحرارة اليومية من درجة مئوية إلى فهرنهايت أو العكس.

• يوم حراري
• التدفئة والتهوية وتكييف الهواء
• درجة حرارة الشمس والهواء
• مشتقات الطقس

مصادر بيانات القرص الصلب المجانية

• Degree Days.net (عالميًا) - بيانات يومية/أسبوعية/شهرية عن أيام الدراسة (HDD) وأيام الدراسة (CDD) لمواقع حول العالم، بوحدة مئوية أو فهرنهايت.
• شركة Energy Data GmbH (عالميًا) - بيانات يومية/أسبوعية/شهرية لدرجات الحرارة (HDD وCDD) لمواقع في جميع أنحاء العالم، بالدرجة المئوية أو الفهرنهايتية عبر تطبيق ويب أو واجهة برمجة تطبيقات (API).
• ECI Oxford (المملكة المتحدة فقط) - بيانات يومية/أسبوعية/شهرية لدرجات الحرارة الثابتة والمتغيرة لأكثر من 200 محطة في المملكة المتحدة، بوحدة مئوية.
• WeatherDataDepot (الولايات المتحدة وكندا فقط) - بيانات شهرية للقرص الصلب والقرص المضغوط، بالدرجة المئوية أو الفهرنهايتية
• معلومات واستخدامات أيام الدرجات الحرارية من مؤسسة كاربون ترست (المملكة المتحدة) لإدارة الطاقة
• توفر واجهة برمجة تطبيقات Weatherbit (عالميًا) بيانات يومية/شهرية/إجمالية عن استخدام القرص الصلب (HDD) واستهلاك القرص المضغوط (CDD) لمواقع في جميع أنحاء العالم، ويتم تسليمها عبر واجهة برمجة التطبيقات، بوحدة مئوية أو فهرنهايت.

معلومة

• مقال جوجل نول حول أيام الدرجات
• حساب أيام الدرجة باستخدام طريقة مكتب الأرصاد الجوية
• CIBSE TM41: أيام الدرجة: النظرية والتطبيق (وثيقة شاملة تغطي طرق حساب أيام الدرجة واستخداماتها، تتطلب التسجيل المجاني)
• أمثلة على حسابات درجة التدفئة اليومية