التدفئة والتبريد الإشعاعي

تُشعّ الطاقة الحرارية من عناصر ساخنة كبيرة، كالأرضيات والجدران والألواح العلوية، أو من عناصر ساخنة أصغر، فتدفئ الأشخاص والأشياء الأخرى في الغرف بدلاً من تسخين الهواء مباشرةً. قد تكون درجة حرارة الهواء الداخلية في المباني المُدفأة إشعاعياً أقل من درجة حرارة الهواء في المباني المُدفأة بالطرق التقليدية لتحقيق نفس مستوى الراحة الجسدية، عند ضبطها بحيث تكون درجة الحرارة المحسوسة متطابقة فعلياً. من أهم مزايا أنظمة التدفئة الإشعاعية انخفاض دوران الهواء داخل الغرفة، وما يترتب عليه من انخفاض في انتشار الجزيئات المحمولة جواً.

يمكن تقسيم أنظمة التدفئة الإشعاعية إلى:

• أنظمة التدفئة تحت الأرضية - كهربائية أو مائية
• ألواح الجدران أو الأسقف
• الأجهزة التي تعمل بدرجة حرارة أعلى مثل المواقد الكهربائية أو سخانات الأشعة تحت الحمراء

تُعرف أنظمة التدفئة الأرضية والجدارية عادةً بأنظمة التدفئة منخفضة الحرارة. ونظرًا لأن سطح التسخين فيها أكبر بكثير من الأنظمة الأخرى، فإنها تتطلب درجة حرارة أقل بكثير لتحقيق نفس مستوى نقل الحرارة ، مما يجعلها مثالية للاستخدام مع المضخات الحرارية. تتراوح درجة الحرارة القصوى لسطح التسخين بين 29 و35 درجة مئوية (84-95 درجة فهرنهايت) حسب نوع الغرفة. أما الألواح الإشعاعية العلوية، فتُستخدم غالبًا في مرافق الإنتاج والتخزين أو المراكز الرياضية؛ حيث تُعلق على ارتفاع بضعة أمتار فوق الأرض وتكون درجة حرارة سطحها أعلى. كما تتوفر ألواح كهربائية متوسطة الحجم ومتوسطة الحرارة للتركيب على جدران أو أسقف المنازل.  

تتوهج المواقد أو السخانات التي تعمل بالوقود الصلب أو السائل أو الغازي، أو بالكهرباء، عادةً بلون أحمر ساطع إلى أصفر. وينطبق هذا أيضًا على الأجهزة المحمولة، على الرغم من أن بعضها، مثل السخانات التحفيزية، قد يتوهج بلون أحمر باهت يصعب رؤيته. وتقوم المنشآت أو الأجهزة الفردية بتدفئة الأشخاص والحيوانات بشكل أساسي من جانب واحد، ولكن بدرجة أقل من الأسطح المتقابلة أيضًا.

قد توفر جميع هذه الأنظمة مناخًا للغرفة يتميز بانخفاض دوران الهواء، وانخفاض درجة حرارته، وارتفاع مستوى رطوبته مقارنةً بأنظمة التدفئة الهوائية. وهذا يوفر الطاقة، خاصةً مع الاستخدام قصير الأمد، وقد يكون في بعض الحالات أكثر صحة.

في حالة تدفئة المساحات الخارجية، يكون الهواء المحيط في حركة مستمرة. لذا، يُعدّ الاعتماد على التدفئة بالحمل الحراري غير عملي في معظم الحالات، لأن الهواء الساخن سيتبدد مع حركة الهواء بمجرد تسخينه. حتى في حالة انعدام الرياح، ستؤدي قوة الطفو إلى تبديد الهواء الساخن. تسمح سخانات الإشعاع الخارجية باستهداف مساحات محددة داخل المساحة الخارجية، لتدفئة الأشخاص والأشياء الموجودة في مسارها فقط. قد تعمل أنظمة التدفئة الإشعاعية بالغاز أو تستخدم عناصر تسخين كهربائية تعمل بالأشعة تحت الحمراء. ومن أمثلة سخانات الإشعاع العلوية سخانات الفناء التي تُستخدم غالبًا في تقديم الطعام في الهواء الطلق. يعكس القرص المعدني العلوي الحرارة الإشعاعية على مساحة صغيرة.

تُوفر أنظمة التبريد الإشعاعي استهلاكًا أقل للطاقة مقارنةً بأنظمة التبريد التقليدية، وذلك استنادًا إلى بحث أجراه مختبر لورانس بيركلي الوطني . وتعتمد نسبة توفير الطاقة في أنظمة التبريد الإشعاعي على المناخ، ولكن في المتوسط، تتراوح نسبة التوفير في جميع أنحاء الولايات المتحدة بين 30% مقارنةً بالأنظمة التقليدية. وقد تصل نسبة التوفير في المناطق الباردة والرطبة إلى 17%، بينما تصل في المناطق الحارة والجافة إلى 42%. ^{[ 10 ]} وتُعدّ المناخات الحارة والجافة الأكثر فائدةً لأنظمة التبريد الإشعاعي، نظرًا لاعتمادها بشكل كبير على إزالة الحرارة المحسوسة للتبريد. ورغم أهمية هذا البحث، إلا أنه لا يزال هناك حاجة إلى مزيد من الدراسات لمراعاة قيود أدوات المحاكاة ونهج الأنظمة المتكاملة. كما يُعزى جزء كبير من توفير الطاقة إلى انخفاض كمية الطاقة اللازمة لضخ المياه مقارنةً بتوزيع الهواء باستخدام المراوح. ومن خلال ربط النظام بكتلة المبنى، يُمكن لأنظمة التبريد الإشعاعي نقل جزء من التبريد إلى ساعات الليل خارج أوقات الذروة. ويبدو أن أنظمة التبريد الإشعاعي تتميز بتكاليف أولية ^{[ 17 ]} وتكاليف دورة حياة أقل مقارنةً بالأنظمة التقليدية. يُعزى انخفاض التكاليف الأولية إلى حد كبير إلى التكامل مع عناصر الهيكل والتصميم، بينما ينتج انخفاض تكاليف دورة الحياة عن انخفاض تكاليف الصيانة. ومع ذلك، فقد شككت دراسة حديثة قارنت بين إعادة تسخين الهواء المتغير الحجم (VAV) وعوارض التبريد النشطة وأنظمة الهواء المخصصة (DOAS) في مزاعم انخفاض التكلفة الأولية بسبب التكلفة الإضافية للأنابيب ^{[ 18 ] .}

نظرًا لاحتمالية تكوّن التكثيف على سطح التبريد الإشعاعي البارد (مما يؤدي إلى تلف المياه والعفن وما شابه)، لم تُستخدم أنظمة التبريد الإشعاعي على نطاق واسع. يُعدّ التكثيف الناتج عن الرطوبة عاملًا مُحددًا لقدرة التبريد لنظام التبريد الإشعاعي. يجب ألا تكون درجة حرارة السطح مساوية أو أقل من درجة حرارة نقطة الندى في المكان. تشير بعض المعايير إلى حد أقصى للرطوبة النسبية في المكان بنسبة 60% أو 70%. درجة حرارة هواء تبلغ 26 درجة مئوية (79 درجة فهرنهايت) تعني أن نقطة الندى تتراوح بين 17 و20 درجة مئوية (63 و68 درجة فهرنهايت) . ^{[ 13 ]} ومع ذلك، هناك أدلة تشير إلى أن خفض درجة حرارة السطح إلى ما دون درجة حرارة نقطة الندى لفترة قصيرة قد لا يُسبب التكثيف . ^{[ 17 ]} كما أن استخدام نظام إضافي، مثل مزيل الرطوبة أو نظام تهوية الهواء الخارجي (DOAS) ، يُمكن أن يُقلل الرطوبة ويسمح بزيادة قدرة التبريد.    

يمكن توصيل التبريد الإشعاعي من البلاطة إلى المساحة من الأرضية أو السقف. ولأن أنظمة التدفئة الإشعاعية عادةً ما تكون في الأرضية، فإن الخيار الأمثل هو استخدام نظام الدوران نفسه للماء المبرد. مع أن هذا منطقي في بعض الحالات، إلا أن توصيل التبريد من السقف له مزايا عديدة.

أولاً، من الأسهل ترك الأسقف مكشوفة للغرفة مقارنةً بالأرضيات، مما يزيد من فعالية الكتلة الحرارية. أما الأرضيات، فتُعاني من عيوب تتمثل في إمكانية تغطيتها وتأثيثها، مما يُقلل من فعالية النظام.

ثانياً، يحدث تبادل حراري أكبر عن طريق الحمل الحراري من خلال السقف المبرد حيث يرتفع الهواء الدافئ، مما يؤدي إلى ملامسة المزيد من الهواء للسطح المبرد.

يُعد التبريد الذي يتم توفيره عبر الأرضية هو الخيار الأمثل عندما يكون هناك قدر كبير من اكتساب الطاقة الشمسية من اختراق أشعة الشمس، لأن الأرضية الباردة يمكنها إزالة هذه الأحمال بسهولة أكبر من السقف. ^{[ 13 ]}

توفر الألواح المبردة، مقارنةً بالألواح العادية، كتلة حرارية أكبر، وبالتالي تستفيد بشكل أفضل من تقلبات درجات الحرارة الخارجية اليومية. كما أن تكلفة الألواح المبردة أقل لكل وحدة مساحة سطحية، وهي أكثر اندماجاً مع الهيكل.

تُعدّ العوارض المبردة أنظمة هجينة تجمع بين نقل الحرارة الإشعاعي والحملي. ورغم أنها ليست إشعاعية بالكامل، إلا أنها مناسبة للمساحات ذات الأحمال الحرارية المتفاوتة، وتندمج بشكل جيد مع الأسقف لتوفير مرونة في التركيب والتهوية. ^{[ 9 ]}

استنادًا إلى دراسة واسعة النطاق أجريت باستخدام استبيان جودة البيئة الداخلية (IEQ) التابع لمركز البيئة المبنية لمقارنة رضا شاغلي المباني في المباني ذات التدفئة الإشعاعية والمباني المكيفة بالكامل، فإن كلا النظامين يوفران ظروفًا بيئية داخلية متساوية، بما في ذلك الرضا الصوتي، مع ميل نحو تحسين الرضا عن درجة الحرارة في المباني ذات التدفئة الإشعاعية. ^{[ 22 ]}

يُعرَّف عدم تناظر درجة حرارة الإشعاع بأنه الفرق بين درجة حرارة الإشعاع السطحي للجانبين المتقابلين لعنصر مستوٍ صغير. بالنسبة لشاغلي المبنى، قد يكون مجال الإشعاع الحراري حول الجسم غير منتظم بسبب الأسطح الساخنة والباردة وأشعة الشمس المباشرة، مما يُسبب شعورًا بعدم الراحة الموضعية. تُحدد المواصفة القياسية ISO 7730 ومعيار ASHRAE 55 النسبة المئوية المتوقعة للشاغلين غير الراضين (PPD) كدالة لعدم تناظر درجة حرارة الإشعاع، وتُحددان الحدود المقبولة. بشكل عام، يكون الناس أكثر حساسية للإشعاع غير المتناظر الناتج عن سقف دافئ مقارنةً بالإشعاع الناتج عن الأسطح الرأسية الساخنة والباردة. تُشرح طريقة الحساب التفصيلية للنسبة المئوية غير الراضية بسبب عدم تناظر درجة حرارة الإشعاع في المواصفة القياسية ISO 7730.

تنقل أنظمة التدفئة الإشعاعية الحرارة عن طريق تسخين أو تبريد العناصر الإنشائية، مثل الألواح الخرسانية أو الأسقف ، بدلاً من توصيل الهواء الساخن أو البارد مباشرةً. وتُطلق هذه العناصر الحرارة بشكل أساسي عن طريق الإشعاع. يعتمد زمن الاستجابة - أي الوقت الذي يستغرقه النظام للوصول إلى درجة الحرارة المطلوبة - على الكتلة الحرارية للمادة : فالمواد ذات الكتلة الحرارية المنخفضة، مثل الألواح المعدنية ، تستجيب بسرعة، بينما المواد ذات الكتلة الحرارية العالية، مثل الألواح الخرسانية، تتكيف ببطء أكبر. عند دمجها مع عناصر ذات كتلة حرارية عالية، تواجه أنظمة التدفئة الإشعاعية تحديات بسبب تأخر تعديلات درجة الحرارة. يمكن أن يؤدي هذا التأخير إلى تعديلات مفرطة، مما ينتج عنه زيادة في استهلاك الطاقة وانخفاض في الراحة الحرارية . ^{[ 26 ]} ولمعالجة هذه المشكلة، يُستخدم غالبًا التحكم التنبؤي القائم على النموذج (MPC) للتنبؤ بالطلبات الحرارية المستقبلية وتعديل إمدادات الحرارة بشكل استباقي. على سبيل المثال، يستفيد التحكم التنبؤي القائم على النموذج من الكتلة الحرارية لأنظمة التدفئة الإشعاعية عن طريق تخزين الحرارة خلال أوقات انخفاض الطلب، قبل الحاجة إليها. وهذا يسمح ببدء التشغيل ليلاً، عندما تكون تكاليف الكهرباء وأحمال شبكة الكهرباء الحضرية أقل. بالإضافة إلى ذلك، يُحسّن الهواء البارد ليلاً من كفاءة معدات التبريد، مثل مضخات الحرارة الهوائية ، مما يُحسّن استخدام الطاقة. ومن خلال تطبيق هذه الاستراتيجيات، تتغلب أنظمة التدفئة الإشعاعية بفعالية على تحديات الكتلة الحرارية مع تقليل الطلب على الكهرباء نهاراً، وتعزيز استقرار الشبكة، وخفض تكاليف التشغيل. ^{[ 27 ]}

قد تتعرض أنظمة التبريد الإشعاعي للتكثيف عندما تنخفض درجة حرارة سطحها إلى ما دون نقطة ندى الهواء المحيط. وهذا قد يُسبب عدم راحة شاغلي المبنى، ويُعزز نمو العفن ، ويُلحق الضرر بالأسطح الإشعاعية. ^{[ 28 ]} يزداد هذا الخطر بشكل خاص في المناخات الرطبة ، حيث يدخل الهواء الدافئ الرطب عبر النوافذ المفتوحة ويتلامس مع أسطح التبريد الإشعاعي الباردة. ولمنع ذلك، يجب أن تقترن أنظمة التبريد الإشعاعي باستراتيجيات تهوية فعّالة للتحكم في مستويات الرطوبة الداخلية .

يركز المعيار ISO 11855-2 ^{[ 30 ]} على أنظمة التدفئة والتبريد السطحية المائية المدمجة وأنظمة TABS. وبناءً على تفاصيل التصميم، يميز هذا المعيار 7 أنواع مختلفة من هذه الأنظمة (من النوع A إلى النوع G).

• النوع أ مع أنابيب مغمورة في طبقة التسوية أو الخرسانة (نظام "رطب")
• النوع ب مع أنابيب مدمجة خارج طبقة التسوية (في طبقة العزل الحراري ، نظام "جاف")
• النوع ج : أنابيب مدمجة في طبقة التسوية، والتي توضع فوقها طبقة التسوية الثانية.
• يشمل النوع D أنظمة المقاطع المستوية (البلاستيك المبثوق / مجموعة من الشبكات الشعرية)
• النوع E مع أنابيب مغمورة في طبقة خرسانية ضخمة
• النوع F مع أنابيب شعرية مدمجة في طبقة في السقف الداخلي أو كطبقة منفصلة من الجبس
• النوع G مع أنابيب مدمجة في هيكل أرضية خشبية

ترتبط أنظمة التدفئة الإشعاعية بأنظمة الطاقة المنخفضة. تشير الطاقة المنخفضة إلى إمكانية استخدام "طاقة منخفضة الجودة" (أي طاقة مبعثرة ذات قدرة ضئيلة على إنجاز عمل مفيد). من حيث المبدأ، يمكن الحصول على التدفئة والتبريد عند مستويات حرارة قريبة من درجة حرارة البيئة المحيطة. يتطلب فرق درجة الحرارة المنخفض أن يتم نقل الحرارة عبر أسطح كبيرة نسبيًا، كما هو الحال في أنظمة التدفئة في الأسقف أو الأرضيات. ^{[ 31 ]} تُعد أنظمة التدفئة الإشعاعية التي تستخدم التدفئة بدرجات حرارة منخفضة والتبريد بدرجات حرارة عالية مثالًا نموذجيًا على أنظمة الطاقة المنخفضة. تتوافق مصادر الطاقة، مثل الطاقة الحرارية الأرضية (التبريد المباشر/التدفئة بمضخة حرارية أرضية) والطاقة الشمسية لتسخين المياه، مع أنظمة التدفئة الإشعاعية. يمكن أن تؤدي هذه المصادر إلى توفير كبير في استهلاك الطاقة الأولية للمباني.

يُستخدم زمن الاستجابة (τ95)، المعروف أيضًا بثابت الزمن ، لتحليل الأداء الحراري الديناميكي لأنظمة التدفئة الإشعاعية. يُعرَّف زمن الاستجابة لنظام التدفئة الإشعاعية بأنه الوقت اللازم لوصول درجة حرارة سطح النظام إلى 95% من الفرق بين قيمتيها النهائية والابتدائية عند تطبيق تغيير مفاجئ في التحكم بالنظام كمدخل. ^{[ 40 ]} ويتأثر زمن الاستجابة بشكل رئيسي بسماكة الخرسانة، والمسافة بين الأنابيب، وبدرجة أقل بنوع الخرسانة. ولا يتأثر بقطر الأنابيب، أو درجة حرارة الغرفة التشغيلية، أو درجة حرارة مياه التغذية، أو نظام تدفق المياه. وباستخدام زمن الاستجابة، يمكن تصنيف أنظمة التدفئة الإشعاعية إلى استجابة سريعة (τ95 < 10 دقائق، مثل نظام التدفئة الإشعاعية بالتيار المستمر)، واستجابة متوسطة (1 ساعة < τ95 < 9 ساعات، مثل الأنواع A وB وD وG)، واستجابة بطيئة (9 ساعات < τ95 < 19 ساعة، مثل النوعين E وF). ^{[ 40 ]} بالإضافة إلى ذلك، فإن أنظمة التدفئة الأرضية والسقفية لها أوقات استجابة مختلفة بسبب اختلاف معاملات نقل الحرارة مع البيئة الحرارية للغرفة، وموقع الأنابيب المدمجة.

المواقد ومواقد الحطب