تهوية لاستعادة الحرارة

لا تحتوي المبادلات الحرارية ذات الألواح الثابتة على أجزاء متحركة، وتتكون من طبقات متناوبة من الألواح المفصولة والمغلقة. يكون التدفق عادةً متقاطعًا، وبما أن معظم الألواح صلبة وغير منفذة، فإن النتيجة هي انتقال الحرارة المحسوسة فقط.

تتم معالجة الهواء النقي الداخل بواسطة قلب لاستعادة الحرارة أو الطاقة. في هذه الحالة، يُصنع القلب من صفائح الألومنيوم أو البلاستيك. ويتم ضبط مستويات الرطوبة عن طريق نقل بخار الماء. ويتم ذلك بواسطة عجلة دوارة تحتوي إما على مادة مجففة أو صفائح نفاذة. ^{[ 11 ]}

طُرحت ألواح الإنثالبي عام 2006 من قِبل شركة بول، المتخصصة في أنظمة التهوية للمنازل السلبية . وهي عبارة عن مبادل حراري هوائي-هوائي ذي تيار متقاطع معاكس، مصنوع من مادة نفاذة للرطوبة. وفي عام 1998، طرحت شركة Building Performance Equipment (BPE)، المتخصصة في تصنيع أنظمة استعادة الطاقة الهوائية-الهواء للمباني السكنية والتجارية والصناعية، أجهزة تهوية لاستعادة الطاقة ذات ألواح ثابتة مصنوعة من البوليمر. يمكن استخدام هذه المبادلات الحرارية كبديل للمباني القائمة لزيادة توفير الطاقة وتوفير الهواء النقي، أو كبديل للمباني الجديدة. في المباني الجديدة، تُقلل استعادة الطاقة بشكل فعال من سعة التدفئة/التبريد المطلوبة للنظام. وتعتمد نسبة الطاقة الإجمالية الموفرة على كفاءة الجهاز (تصل إلى 90% محسوسة) وخط عرض المبنى.

نظراً للحاجة إلى استخدام أقسام متعددة، غالباً ما ترتبط مبادلات الطاقة ذات الألواح الثابتة بانخفاض كبير في الضغط ومساحة أكبر. ونظراً لعدم قدرتها على توفير كمية كبيرة من نقل الطاقة الكامنة، فإن هذه الأنظمة معرضة أيضاً لخطر التجمد في المناخات الباردة.

تعتمد التقنية الحاصلة على براءة اختراع من شركة RecyclingEnergy Int. Corp. الفنلندية ^{[ 12 ]} على مبادل حراري ذي صفائح متجددة، يستفيد من رطوبة الهواء عبر التكثيف والتبخر الدوريين، أي الحرارة الكامنة، مما يتيح كفاءة حرارية سنوية عالية، بالإضافة إلى صفائح خالية من الميكروبات بفضل خاصية التنظيف الذاتي. ولذلك، يُطلق على هذه الوحدة اسم "مروحة استعادة المحتوى الحراري" بدلاً من "مروحة استعادة الحرارة أو الطاقة". وتعتمد مضخة الحرارة الكامنة الحاصلة على براءة اختراع من الشركة على مروحة استعادة المحتوى الحراري الخاصة بها، والتي يبلغ معامل أدائها 33 في الصيف و15 في الشتاء.

تُعدّ المبادلات الحرارية ذات الألواح الثابتة أكثر أنواع المبادلات الحرارية شيوعًا، وقد طُوّرت على مدى أربعين عامًا. تتكون هذه المبادلات من ألواح معدنية رقيقة مُكدّسة بمسافات صغيرة بينها، يمرّ من خلالها تياران هوائيان متجاوران. ويحدث انتقال الحرارة بانتقال درجة الحرارة عبر الألواح من تيار هوائي إلى آخر. وقد بلغت كفاءة هذه الأجهزة 90% في نقل الحرارة المحسوسة بين التيارين. ^{[ 13 ]} تُعزى هذه الكفاءة العالية إلى معاملات انتقال الحرارة العالية للمواد المستخدمة، وضغط التشغيل، ونطاق درجة الحرارة. ^{[ 2 ]}

الأنابيب الحرارية هي أجهزة لاستعادة الحرارة تستخدم عملية متعددة المراحل لنقل الحرارة من تيار هواء إلى آخر. ^{[ 2 ]} يتم نقل الحرارة باستخدام مبخر ومكثف داخل أنبوب مغلق مزود بفتيلة، يحتوي على سائل يخضع لتغير مستمر في حالته لنقل الحرارة. يتحول السائل داخل الأنابيب من سائل إلى غاز في قسم المبخر، حيث يمتص الطاقة الحرارية من تيار الهواء الدافئ. يتكثف الغاز عائدًا إلى سائل في قسم المكثف، حيث تُبدد الطاقة الحرارية في تيار الهواء البارد، مما يرفع درجة حرارته. ينتقل السائل/الغاز من جانب إلى آخر من الأنبوب الحراري عن طريق الضغط أو قوة الفتيلة أو الجاذبية، وذلك حسب تصميم الأنبوب الحراري.

أنظمة التناوب الحراري هي أنظمة هجينة لاستعادة الحرارة، تجمع بين خصائص تقنيات استعادة الحرارة الأخرى لتشكيل جهاز واحد، قادر على استعادة الحرارة من تيار هواء ونقلها إلى تيار آخر على مسافة كبيرة. في الحالة العامة لأنظمة التناوب الحراري، يوجد مبادلان حراريان ذوا لوحين ثابتين في تيارين منفصلين للهواء، ويرتبطان بدائرة مغلقة تحتوي على سائل يُضخ باستمرار بين المبادلين. يُسخّن السائل ويُبرّد باستمرار أثناء تدفقه في الدائرة، مما يوفر استعادة الحرارة. يتطلب التدفق المستمر للسائل عبر الدائرة مضخات للتنقل بين المبادلين. على الرغم من أن هذا يمثل استهلاكًا إضافيًا للطاقة، إلا أن استخدام المضخات لتدوير السائل أقل استهلاكًا للطاقة من استخدام المراوح لتدوير الهواء. ^{[ 14 ]}

مواد تغيير الطور ، أو ما يُعرف اختصارًا بـ PCMs، هي تقنية تُستخدم لتخزين الحرارة المحسوسة والكامنة داخل هيكل المبنى بسعة تخزين أعلى من مواد البناء التقليدية. وقد خضعت هذه المواد لدراسات مكثفة نظرًا لقدرتها على تخزين الحرارة ونقل احتياجات التدفئة والتبريد من أوقات الذروة التقليدية إلى أوقات انخفاض الطلب.

مفهوم الكتلة الحرارية للمبنى لتخزين الحرارة، أي امتصاص هيكله المادي للحرارة لتبريد الهواء، مفهومٌ معروفٌ ومدروسٌ منذ زمن. وقد أظهرت دراسةٌ للمواد المتغيرة الطور (PCMs) مقارنةً بمواد البناء التقليدية أن سعة التخزين الحراري للمواد المتغيرة الطور أعلى باثني عشر ضعفًا من مواد البناء القياسية ضمن نفس نطاق درجات الحرارة. ^{[ 15 ]} لم يُدرس انخفاض الضغط عبر المواد المتغيرة الطور، ما يحول دون التعليق على تأثيرها المحتمل على تدفق الهواء. مع ذلك، ونظرًا لإمكانية دمج هذه المواد مباشرةً في هيكل المبنى، فإن ذلك لا يؤثر على التدفق بنفس طريقة تقنيات المبادلات الحرارية الأخرى، وبالتالي يُمكن القول إنه لا يوجد فقدان للضغط ناتج عن دمجها في هيكل المبنى. ^{[ 16 ]}

وفقًا لجمعية مهندسي التدفئة والتبريد وتكييف الهواء الأمريكية (ASHRAE )، فإن جهاز التجديد ذو الطبقة الثابتة ( FBR ) هو مبادل حراري حيث يتم شحن مصفوفة واحدة أو أكثر ثابتة بالطاقة من هواء التفريغ ونقلها إلى تدفقات متناوبة من هواء الإمداد والعادم. ^{[ 17 ]}

وانطلاقاً من هذا المبدأ، تعمل مفاعلات الأغشية الرقيقة كمراوح لاستعادة الحرارة، مما يساعد على تقليل استهلاك الطاقة لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء عن طريق تهيئة الهواء النقي الداخل مسبقاً بكفاءة محسوسة عالية. ^{[ 18 ]}

تتوفر مفاعلات الأغشية الرقيقة بأحجام وتكوينات متنوعة لتناسب متطلبات تدفق الهواء المختلفة. تعمل هذه المفاعلات باستخدام نواة واحدة أو نواتين لنقل الطاقة، مع عكس اتجاه تدفق الهواء خلال كل دورة استعادة. ^{[ 19 ]} في حين أن الأنظمة أحادية النواة أكثر شيوعًا في أوروبا، فإن الأنظمة ثنائية النواة، مثل تقنيتي DualCore® وDualCorePlus™ الحاصلتين على براءة اختراع من شركة Tempeff Inc.، أكثر انتشارًا في أمريكا الشمالية. ^{[ 20 ]}

لتحسين المناولة والتنظيف والنقل، تُقسّم النوى عادةً إلى خلايا أصغر. معظمها مصنوع من الألومنيوم، مع توفر بدائل من البولي بروبيلين للبيئات خفيفة الوزن أو الحساسة للتآكل. قد تختلف الألواح داخل كل خلية في ملمس الفواصل وأنماط التموج والسماكة، وعادةً ما تكون المسافة بينها من 0.1 إلى 0.5 بوصة.

يتم التحكم في تدفق الهواء بواسطة أنظمة مخمدات (إما مخمدات متعددة الشفرات أو ألواح توجيه أحادية) تعمل على تغيير اتجاه التدفق بسرعة بين المبادلين الحراريين الثابتين. ^{[ 21 ]} خلال كل دورة، يقوم أحد المبادلين بضخ هواء نقي مُكيَّف، بينما يقوم الآخر بطرد الهواء الراكد. يُعكس اتجاه تدفق الهواء لكي يستعيد المبادلان كفاءتهما بعد فترة تتراوح عادةً بين 50 و70 ثانية. يُمكّن هذا النمط المتناوب من التهوية المستمرة مع كفاءة عالية في استعادة الطاقة.

صُممت بعض مفاعلات الطبقة المميعة لاستعادة الرطوبة الكامنة أثناء التسخين. ويُتيح تطبيق طبقة مجففة على أسطح المبادل الحراري نقل الرطوبة في نطاق واسع من الظروف البيئية. في مفاعلات الطبقة المميعة المعالجة بالمجففات، تتراوح فعالية استعادة الرطوبة الكامنة عادةً بين 60% و80%، بينما قد تصل في الأنظمة غير المعالجة إلى 70%.

في وضع التبريد الحر، قد تمتد فترات الاستعادة إلى 3 ساعات. تستخدم بعض مفاعلات الطبقة المميعة أوقات استعادة متفاوتة، تتراوح من 20 إلى 120 ثانية، لتنظيم درجة حرارة ورطوبة هواء العادم. يمكن أن تُحسّن الدورات الأقصر كفاءة التبادل الحراري الإجمالية عن طريق زيادة معدلات نقل الهواء. ^{[ 19 ]}

قام مارديانا وآخرون ^{[ 22 ]} بدمج مبادل حراري ذي صفائح ثابتة في برج رياح تجاري، مُبرزين مزايا هذا النوع من الأنظمة كوسيلة تهوية مُوفرة للطاقة يُمكن تعديلها بسهولة. أُجريت اختبارات معملية واسعة النطاق لتحديد تأثيرات وكفاءة النظام المُدمج. تم دمج برج الرياح مع مبادل حراري ذي صفائح ثابتة، وتم تركيبه مركزيًا في غرفة اختبار مُحكمة الإغلاق.

تشير نتائج هذه الدراسة إلى أن الجمع بين نظام تهوية سلبية لبرج هوائي وجهاز استعادة حرارة ذي لوحة ثابتة قد يوفر تقنية فعالة لاستعادة الحرارة المهدرة من هواء العادم وتبريد الهواء الدافئ الداخل دون استهلاك أي طاقة. ورغم عدم توفر بيانات كمية لمعدلات التهوية داخل غرفة الاختبار، يُفترض أن هذه المعدلات قد انخفضت بشكل ملحوظ عن التشغيل القياسي لبرج هوائي، وذلك بسبب فقدان الضغط العالي عبر المبادل الحراري. ويُعد إجراء المزيد من الأبحاث حول هذه التقنية المدمجة ضروريًا لفهم خصائص تدفق الهواء في النظام. ^{[ 16 ]}

نظراً لانخفاض فقدان الضغط في أنظمة الأنابيب الحرارية، أُجريت أبحاثٌ أكثر حول دمج هذه التقنية في التهوية السلبية مقارنةً بأنظمة استعادة الحرارة الأخرى. وقد استُخدمت أبراج الرياح التجارية مجدداً كنظام تهوية سلبية لدمج تقنية استعادة الحرارة هذه. وهذا يُعزز فكرة أن أبراج الرياح التجارية تُشكل بديلاً مُجدياً للتهوية الميكانيكية، لقدرتها على تزويد الهواء وطرده في آنٍ واحد. ^{[ 16 ]}

أجرى فلاغا-ماريانكزيك وآخرون ^{[ 23 ]} دراسة في السويد تناولت نظام تهوية سلبية يدمج نظام إعادة تدوير الهواء باستخدام مضخة حرارية أرضية كمصدر لتسخين الهواء الداخل. وقد جُمعت القياسات التجريبية وبيانات الطقس من المنزل السلبي المستخدم في الدراسة. وتم إنشاء نموذج ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) للمنزل السلبي باستخدام القياسات المأخوذة من أجهزة الاستشعار ومحطة الأرصاد الجوية كبيانات إدخال. وشُغّل النموذج لحساب فعالية نظام إعادة تدوير الهواء وقدرات المضخة الحرارية الأرضية.

توفر المضخات الحرارية الأرضية مصدرًا موثوقًا للطاقة الحرارية المستمرة عند دفنها على عمق يتراوح بين 10 و20 مترًا تحت سطح الأرض. تكون درجة حرارة الأرض أعلى من درجة حرارة الهواء المحيط في الشتاء وأقل منها في الصيف، مما يوفر مصدرًا للحرارة ومصرفًا لها في آنٍ واحد. وقد وُجد أنه في شهر فبراير، وهو أبرد شهور السنة، كانت المضخة الحرارية الأرضية قادرة على تلبية ما يقارب 25% من احتياجات التدفئة للمنزل وسكانه. ^{[ 16 ]}

تتركز معظم الأبحاث في مجال مواد تغيير الطور على دمج هذه المواد في مواد البناء المسامية التقليدية، كالخرسانة وألواح الجدران. وقد قام كوسني وآخرون ^{[ 24 ]} بتحليل الأداء الحراري للمباني التي تحتوي على مواد بناء مُحسّنة بمواد تغيير الطور ضمن هيكلها. وأظهر التحليل أن إضافة هذه المواد تُحسّن الأداء الحراري بشكل ملحوظ.

من أبرز عيوب استخدام مواد تغيير الطور في أنظمة التهوية السلبية لاستعادة الحرارة هو عدم وجود انتقال فوري للحرارة بين تيارات الهواء المختلفة. تُعدّ مواد تغيير الطور تقنية لتخزين الحرارة، حيث تُخزّن الحرارة داخلها حتى تنخفض درجة حرارة الهواء إلى مستوى مناسب يسمح بإطلاقها مجددًا في تيار الهواء. لم تُجرَ أي دراسات حول استخدام هذه المواد بين تيارين هوائيين مختلفي الحرارة، حيث يمكن أن يحدث انتقال فوري ومستمر للحرارة. سيكون إجراء بحث في هذا المجال مفيدًا لأبحاث استعادة الحرارة في أنظمة التهوية السلبية. ^{[ 16 ]}

استُخدمت مُجددات الطبقة الثابتة ( FBR ) في الأصل لاستعادة الحرارة في العمليات الصناعية ذات درجات الحرارة العالية. ومؤخرًا، بدأت تجذب اهتمامًا في قطاع التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) كاستراتيجية فعّالة لحل استعادة الطاقة منخفض الصيانة، مما يقلل من استهلاك الطاقة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري وحمل نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. ^{[ 25 ]}

أصبحت المباني الحديثة أكثر إحكامًا للهواء، مما يقلل من فقد الطاقة وتسرب الهواء. وبينما يُحسّن هذا من كفاءة الطاقة، فإنه يزيد أيضًا من الحاجة إلى تهوية المساحات للحفاظ على جودة الهواء الداخلي، الأمر الذي يتطلب غالبًا كميات كبيرة من الطاقة. ^{[ 26 ]}

في هذا السياق، تُقدّم مفاعلات الطبقة المميعة حلاً فعالاً، إذ تستخلص الطاقة من هواء العادم وتستخدمها لتكييف الهواء النقي الداخل. وهذا يُقلّل من احتياجات التدفئة والتبريد لنظام التكييف والتهوية. وبحسب تصميم المبنى ومتطلبات تدفق الهواء، يُمكن استخدام مفاعلات الطبقة المميعة أحادية النواة أو ثنائية النواة لتلبية احتياجات التهوية بكفاءة. بعض التصاميم قادرة على العمل على مدار العام دون تراكم الصقيع، مما يُجنّب فقد الطاقة الناتج عادةً عن دورات إزالة الصقيع. ^{[ 19 ]}

تُستخدم مراوح التبريد أحادية النواة ذات التدفق العكسي غالبًا في المساكن الصغيرة، خاصةً عندما تكون مساحة السقف محدودة أو عندما يكون نظام التهوية مركزيًا ولا مركزيًا وبدون قنوات. تتضمن هذه الوحدات عادةً نواة خزفية على شكل قرص العسل، وقد تستخدم مروحة واحدة أو اثنتين، بالإضافة إلى مكونات للتحكم في تدفق الهواء مثل صمامات منع التدفق العكسي والموجهات، لإدارة تدفق الهواء ثنائي الاتجاه. ^{[ 19 ]}

صُممت أنظمة التهوية ثنائية النواة، مثل DualCore® وDualCorePlus™، ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} لتلبية احتياجات التهوية واسعة النطاق، بسعات تدفق هواء تتراوح من 50 إلى 100,000 قدم مكعب في الدقيقة. وهي شائعة الاستخدام في المباني الصناعية والتجارية والسكنية الكبيرة. ورغم أن تكلفتها وحجمها قد يحدّان من استخدامها في المنازل العادية، إلا أنها مناسبة للتطبيقات عالية الطلب حيث الأداء والموثوقية أساسيان.

تُعدّ قدرة مفاعلات التبريد والتدفئة ذات النواة المزدوجة على العمل في درجات حرارة منخفضة للغاية - تصل إلى -40  درجة فهرنهايت - دون الحاجة إلى دورات إزالة الصقيع أو خفض الأداء ميزةً هامة. ولتكييف هواء التغذية قبل دخوله المبنى، تُدمج هذه الأنظمة غالبًا مع وحدات معالجة الهواء. ^{[ 19 ]}

** لا يتوفر تبادل الطاقة الكلي إلا في الوحدات المسترطبة ووحدات إعادة المكثفات

في معظم الدول الصناعية، تُشكّل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) ثلث إجمالي استهلاك الطاقة . علاوة على ذلك، يُمثّل تبريد وتجفيف هواء التهوية النقي ما بين 20% و40% من إجمالي استهلاك الطاقة لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء في المناطق ذات المناخ الحار والرطب. مع ذلك، قد ترتفع هذه النسبة في حال تطلّب الأمر تهوية بنسبة 100% بهواء نقي. هذا يعني الحاجة إلى مزيد من الطاقة لتلبية احتياجات شاغلي المبنى من الهواء النقي. وقد باتت استعادة الحرارة ضرورة ملحة نظرًا لارتفاع تكلفة الطاقة اللازمة لمعالجة الهواء النقي. يتمثل الهدف الرئيسي لأنظمة استعادة الحرارة في خفض استهلاك الطاقة في المباني لأغراض التدفئة والتبريد والتهوية من خلال استعادة الحرارة المهدرة. في هذا السياق، يُمكن دمج أنظمة استعادة الحرارة، سواءً كانت مستقلة أو مُدمجة، في المباني السكنية أو التجارية لتوفير الطاقة. كما يُمكن أن يُساهم خفض مستويات استهلاك الطاقة بشكل ملحوظ في الحدّ من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

يُستهلك ما يقارب نصف الطاقة العالمية في المباني، ^{[ 36 ]} ويُعزى نصف تكلفة التدفئة والتبريد إلى التهوية عند استخدامها بطريقة "فتح النوافذ" وفقًا للوائح . ثانيًا، يتم توليد الطاقة وشبكة الكهرباء لتلبية ذروة الطلب على الطاقة. لذا، يُعد استخدام التهوية المناسبة واستعادة الحرارة طريقة فعّالة من حيث التكلفة ومستدامة وسريعة لتقليل استهلاك الطاقة العالمي وتحسين جودة الهواء الداخلي وحماية المباني والبيئة.

خلال موسم التبريد، يعمل النظام على تبريد وتجفيف الهواء الخارجي الداخل. وللقيام بذلك، يسحب النظام الحرارة المنبعثة ويرسلها إلى تيار هواء العادم. بعد ذلك، يبرد هذا الهواء ملف المكثف عند درجة حرارة أقل مما لو لم تدخل الحرارة المنبعثة إلى تيار هواء العادم. أما خلال موسم التدفئة، فيعمل النظام بشكل عكسي. فبدلاً من تصريف الحرارة إلى تيار هواء العادم، يسحب النظام الحرارة منه لتسخين الهواء الداخل مسبقًا. في هذه المرحلة، يمر الهواء عبر وحدة أولية ثم إلى الحيز المراد تكييفه. مع هذا النوع من الأنظمة، من الطبيعي خلال موسم التبريد أن يكون هواء العادم أبرد من هواء التهوية، وخلال موسم التدفئة أن يكون أدفأ منه. لهذا السبب يعمل النظام بكفاءة وفعالية. سيزداد معامل الأداء (COP) كلما أصبحت الظروف أكثر تطرفًا (أي أكثر حرارة ورطوبة للتبريد وأقل حرارة للتدفئة). ^{[ 37 ]}

تُعرَّف كفاءة نظام استعادة الطاقة الحرارية (ERV) بأنها نسبة الطاقة المنقولة بين تيارَي الهواء مقارنةً بإجمالي الطاقة المنقولة عبر المبادل الحراري. ^{[ 38 ] [ 39 ]}

مع تنوع المنتجات المتوفرة في السوق، تتفاوت الكفاءة أيضًا. بعض هذه الأنظمة معروفة بكفاءة تبادل حراري تصل إلى 70-80%، بينما تصل كفاءة أنظمة أخرى إلى 50% فقط. ورغم أن هذه النسبة المنخفضة أفضل من نظام التكييف الأساسي، إلا أنها لا ترقى إلى مستوى الأنظمة الأخرى من نفس الفئة. وتُجرى حاليًا دراسات لرفع كفاءة نقل الحرارة إلى 90%. ^{[ 38 ]}

سيُتيح استخدام تقنية المبادلات الحرارية الحديثة منخفضة التكلفة التي تعمل بالغاز تحسينات كبيرة في الكفاءة. ويُعتقد أن استخدام المواد المسامية عالية التوصيل الحراري يُحقق فعالية تبادل حراري تتجاوز 90%، مما يُؤدي إلى تحسين استعادة الطاقة بمقدار خمسة أضعاف. ^{[ 38 ]}

قام معهد تهوية المنازل (HVI) بتطوير اختبار معياري لجميع الوحدات المصنعة داخل الولايات المتحدة. ومع ذلك، لم تخضع جميعها للاختبار. من الضروري التحقق من ادعاءات الكفاءة، ومقارنة البيانات التي يقدمها معهد تهوية المنازل (HVI) مع تلك التي يقدمها المصنّع. (ملاحظة: تخضع جميع الوحدات المباعة في كندا لبرنامج R-2000 ، وهو اختبار معياري مكافئ لاختبار معهد تهوية المنازل (HVI)). ^{[ 39 ]}