التدفئة الهوائية بالطاقة الشمسية

يشير مصطلح "جامع الهواء غير المزجج" إلى نظام تسخين الهواء بالطاقة الشمسية الذي يتكون من ماصٍّ دون أي زجاج أو طبقة زجاجية فوقه. النوع الأكثر شيوعًا من جامعات الهواء غير المزججة في السوق هو جامع الطاقة الشمسية المُنفذ. ^{[ 3 ]} ابتكر هذه التقنية المهندس الكندي جون هوليك من شركة كونسيرفال إنجينيرينغ في التسعينيات، وحصل على براءة اختراعها، ^{[ 4 ]} حيث عمل مع وزارة الطاقة الأمريكية ( المختبر الوطني للطاقة المتجددة ) وهيئة الموارد الطبيعية الكندية على تسويق هذه التقنية عالميًا. ^{[ 5 ]} خضعت هذه التقنية لمراقبة دقيقة من قبل هذه الهيئات الحكومية، وقامت هيئة الموارد الطبيعية الكندية بتطوير أداة RETScreen ^{[ 6 ]} لنمذجة وفورات الطاقة الناتجة عن جامعات الطاقة الشمسية المُنفذة. تم تكريم جون هوليك وجامع الطاقة الشمسية المتخلل من قبل الجمعية الأمريكية للمهندسين الميكانيكيين (ASME) في عام 2014 باعتبارهما من أفضل اختراعات العصر الصناعي، إلى جانب توماس إديسون وهنري فورد والمحرك البخاري وقناة بنما - في معرض أقيم في نيويورك للاعتراف بأفضل الاختراعات والمخترعين والإنجازات الهندسية في القرنين الماضيين.

تم تركيب آلاف أنظمة تجميع الطاقة الشمسية النفاذة في تطبيقات تجارية وصناعية ومؤسسية وزراعية ومعالجة متنوعة في أكثر من 35 دولة حول العالم. ^{[ 7 ] [ 8 ]} استُخدمت هذه التقنية في الأصل بشكل أساسي في التطبيقات الصناعية، مثل مصانع التصنيع والتجميع، حيث كانت هناك متطلبات تهوية عالية، وحرارة متدرجة في السقف، وضغط سلبي في كثير من الأحيان داخل المبنى. وقد قامت شركة فورد موتور بتركيب أول نظام تجميع شمسي نفاذ غير مزجج في العالم في مصنع التجميع التابع لها في أوكفيل، كندا. ^{[ 9 ]}

مع تزايد التوجه نحو تركيب أنظمة الطاقة المتجددة في المباني، تُستخدم الآن مجمعات الطاقة الشمسية النفاذة في جميع أنواع المباني نظرًا لإنتاجها العالي للطاقة (حتى 500-600 واط حراري ذروة/متر مربع)، وكفاءة تحويل الطاقة الشمسية العالية (حتى 90٪)، وانخفاض التكاليف الرأسمالية مقارنة بالخلايا الكهروضوئية الشمسية وتسخين المياه بالطاقة الشمسية . ^{[ 10 ]}

تقوم مُجمّعات الهواء غير المُزجّجة بتسخين الهواء المحيط (الخارجي) بدلاً من إعادة تدوير هواء المبنى. عادةً ما تُثبّت مُجمّعات الطاقة الشمسية المُعتمدة على التبخير على الجدران لالتقاط زاوية الشمس المنخفضة خلال أشهر التدفئة الشتوية، بالإضافة إلى انعكاس أشعة الشمس عن الثلج، وتحقق الأداء الأمثل وعائد الاستثمار عند تشغيلها بمعدلات تدفق تتراوح بين 4 و8 قدم مكعب في الدقيقة لكل قدم مربع (72 إلى 144 متر مكعب/ساعة.متر مربع) من مساحة المُجمّع.

يتكون السطح الخارجي للمجمع الشمسي ذي التهوية من آلاف الثقوب الدقيقة التي تسمح باحتجاز طبقة الحرارة الخارجية وتوزيعها بشكل متساوٍ في تجويف هوائي خلف الألواح الخارجية. يُسحب هواء التهوية المُسخّن بالطاقة الشمسية إلى نظام تهوية المبنى من فتحات تهوية مثبتة على طول الجزء العلوي من المجمع، ثم يُوزّع الهواء في المبنى عبر وسائل تقليدية أو باستخدام نظام قنوات شمسية.

أظهرت عمليات الرصد المكثفة التي أجرتها وزارة الموارد الطبيعية الكندية والمختبر الوطني للطاقة المتجددة أن أنظمة تجميع الطاقة الشمسية التي تعمل بتقنية التبخر تقلل من حمل التدفئة التقليدي بنسبة تتراوح بين 10 و50%، وأن برنامج RETScreen يُعد مؤشراً دقيقاً لأداء النظام. ^{[ 11 ]}

تعمل مُجمّعات الطاقة الشمسية المُنفذة كحاجز واقٍ من المطر، كما أنها تلتقط الحرارة المفقودة من غلاف المبنى، والتي تُجمع في تجويف الهواء الخاص بالمُجمّع وتُعاد إلى نظام التهوية. لا تتطلب أنظمة تسخين الهواء بالطاقة الشمسية أي صيانة، ويبلغ عمرها الافتراضي المتوقع أكثر من 30 عامًا. ^{[ 12 ]}

يمكن تركيب مجمعات الهواء غير المزججة على الأسطح في التطبيقات التي لا يتوفر فيها جدار مناسب مواجه للجنوب، أو لأسباب معمارية أخرى. وتقدم العديد من الشركات مجمعات هواء مناسبة للتركيب على الأسطح، إما مباشرةً على سطح معدني مائل، أو كوحدات مثبتة على قنوات وموصولة بمراوح ووحدات تكييف هواء قريبة.

يمكن تحقيق درجات حرارة أعلى باستخدام المجمعات الحرارية النفاذة، والتي يمكن ضبطها لتسخين الهواء مرتين لزيادة ارتفاع درجة الحرارة، مما يجعلها مناسبة لتدفئة المباني الكبيرة. في نظام ثنائي المراحل، تتكون المرحلة الأولى من مجمع حراري نفاذ نموذجي غير مزجج، بينما تتكون المرحلة الثانية من مجمع حراري نفاذ مغطى بزجاج. يسمح هذا الزجاج بتوجيه الهواء الساخن من المرحلة الأولى عبر مجموعة ثانية من المجمعات الحرارية النفاذة، مما يوفر مرحلة ثانية من التسخين الشمسي.

من الابتكارات الأخرى استعادة الحرارة من الألواح الكهروضوئية (والتي غالبًا ما تفوق الطاقة الكهربائية المنتجة منها بأربعة أضعاف) عن طريق تركيب هذه الألواح على نظام تهوية يعمل بالطاقة الشمسية. في حال الحاجة إلى التدفئة، يوفر دمج نظام تهوية يعمل بالطاقة الشمسية في النظام الكهروضوئي ميزتين تقنيتين: الأولى هي إزالة الحرارة المنبعثة من الألواح الكهروضوئية، مما يسمح للنظام بالعمل بكفاءة أقرب إلى كفاءته المقدرة (25 درجة مئوية)؛ والثانية هي تقليل فترة استرداد الطاقة الإجمالية للنظام المدمج، حيث يتم استغلال الطاقة الحرارية لتعويض استهلاك التدفئة التقليدية.