التبريد بالتهوية

التبريد بالتهوية هو استخدام التهوية الطبيعية أو الميكانيكية لتبريد الأماكن المغلقة. ^{[ 1 ]} يقلل استخدام الهواء الخارجي من حمل التبريد واستهلاك الطاقة لهذه الأنظمة، مع الحفاظ على جودة عالية للظروف الداخلية؛ وقد يُلغي التبريد السلبي بالتهوية استهلاك الطاقة تمامًا. تُطبق استراتيجيات التبريد بالتهوية في نطاق واسع من المباني ، وقد تكون حاسمة لتحقيق المباني عالية الكفاءة، سواءً المُجددة أو الجديدة، والمباني الصفرية الطاقة (ZEBs). ^{[ 2 ]} تُستخدم التهوية في المباني أساسًا لتحسين جودة الهواء . ويمكن استخدامها أيضًا لإزالة الحرارة الزائدة، وزيادة سرعة الهواء، وبالتالي توسيع نطاق الراحة الحرارية . ^{[ 3 ]} يُقيّم التبريد بالتهوية باستخدام مؤشرات تقييم طويلة الأجل. ^{[ 4 ]} يعتمد التبريد بالتهوية على توفر الظروف الخارجية المناسبة وعلى الخصائص الفيزيائية الحرارية للمبنى.

في السنوات الأخيرة، شكّلت مشكلة ارتفاع درجة الحرارة في المباني تحديًا ليس فقط خلال مرحلة التصميم، بل أيضًا أثناء التشغيل. والأسباب هي: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

• معايير الطاقة عالية الأداء التي تقلل من الطلب على التدفئة في المناطق ذات المناخات التي تعتمد بشكل كبير على التدفئة. وتشير هذه المعايير بشكل أساسي إلى زيادة مستويات العزل وتقييد معدلات تسرب المياه .
• إن ارتفاع درجات الحرارة الخارجية خلال موسم التبريد، بسبب تغير المناخ وتأثير الجزر الحرارية ، لم يؤخذ في الاعتبار في مرحلة التصميم.
• لم يتم حساب المكاسب الحرارية الداخلية وسلوك الإشغال بدقة خلال مرحلة التصميم (فجوة في الأداء).

في العديد من الدراسات المتعلقة بالراحة بعد الإشغال، تعد مشكلة ارتفاع درجة الحرارة مشكلة متكررة يتم الإبلاغ عنها ليس فقط خلال أشهر الصيف ولكن أيضًا خلال فترات الانتقال، حتى في المناخات المعتدلة.

لقد درس العديد من الباحثين فعالية التبريد بالتهوية، ووُثِّقت هذه الفعالية في العديد من تقارير تقييم ما بعد الإشغال. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} تعتمد فعالية نظام التبريد (التهوية الطبيعية أو الميكانيكية) على معدل تدفق الهواء ، والسعة الحرارية للمبنى، وانتقال الحرارة بين العناصر. خلال فترات البرد، تكون قدرة تبريد الهواء الخارجي كبيرة، كما أن خطر التيارات الهوائية يظل قائمًا. أما خلال فصل الصيف والأشهر الانتقالية، فقد لا تكون قدرة تبريد الهواء الخارجي كافية لتعويض ارتفاع درجة الحرارة داخل المبنى خلال النهار، وبالتالي يقتصر استخدام التبريد بالتهوية على الليل فقط. قد تُسهم التهوية الليلية في إزالة الحرارة المتراكمة (الداخلية والشمسية ) خلال النهار في المباني بكفاءة . ^{[ 10 ]} ولتقييم إمكانات التبريد للموقع، طُوِّرت طرق مبسطة. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} تعتمد هذه الطرق بشكل أساسي على معلومات خصائص المبنى، ومؤشرات نطاق الراحة، وبيانات المناخ المحلي. في معظم الطرق المبسطة يتم تجاهل القصور الحراري .

تتمثل القيود الحرجة للتبريد بالتهوية فيما يلي:

• تأثير الاحتباس الحراري
• تأثير البيئة الحضرية
• مستويات الضوضاء الخارجية
• تلوث الهواء الخارجي ^{[ 15 ]}
• الحيوانات الأليفة والحشرات
• قضايا أمنية
• قيود اللغة

تتسم متطلبات التبريد بالتهوية في اللوائح بالتعقيد. ولا تأخذ حسابات كفاءة الطاقة في العديد من دول العالم التبريد بالتهوية في الحسبان بشكل صريح. كما أن الأدوات المتاحة المستخدمة في حسابات كفاءة الطاقة غير مناسبة لنمذجة تأثير وفعالية التبريد بالتهوية، لا سيما من خلال الحسابات السنوية والشهرية. ^{[ 16 ]}

تم بالفعل بناء عدد كبير من المباني حول العالم باستخدام استراتيجيات التبريد بالتهوية. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} لا يقتصر استخدام التبريد بالتهوية على المباني التقليدية التي سبقت أنظمة التكييف، بل يشمل أيضًا المباني الأوروبية والدولية المؤقتة منخفضة الطاقة . وتُعطى الأولوية في هذه المباني للاستراتيجيات السلبية. وعندما لا تكفي هذه الاستراتيجيات لتحقيق الراحة المطلوبة، تُطبّق الاستراتيجيات النشطة. في معظم الحالات، خلال فصل الصيف والأشهر الانتقالية، تُستخدم التهوية الطبيعية المُتحكّم بها آليًا . أما خلال موسم التدفئة، فتُستخدم التهوية الميكانيكية مع استعادة الحرارة لتحسين جودة الهواء الداخلي . تتميز معظم هذه المباني بكتلة حرارية عالية . ويُعدّ سلوك المستخدم عنصرًا حاسمًا لنجاح هذه الطريقة.

تُطبَّق مكونات التبريد الهوائي في جميع مستويات تصميم المباني الحساسة للمناخ، وهي: تصميم الموقع، والتصميم المعماري، والتدخلات التقنية. وفيما يلي تصنيف لهذه المكونات: ^{[ 1 ] [ 20 ]}

• مكونات التهوية الموجهة لتدفق الهواء ( النوافذ ، وفتحات السقف، والأبواب ، والمخمدات والشبكات، والمراوح ، والقلابات، والفتحات، وفتحات التهوية ذات التأثير الخاص)
• مكونات تهوية المباني المحسّنة لتدفق الهواء ( المداخن ، الأتريوم، مراوح فنتوري، مصائد الرياح، أبراج ومجارف الرياح ، الواجهات المزدوجة، الجدران المهواة )
• مكونات التبريد السلبي للمباني (المكونات الحرارية، والمكونات التبخيرية، ومكونات تغيير الطور)
• المحركات (سلسلة، خطية، دوارة)
• أجهزة الاستشعار ( درجة الحرارة ، الرطوبة ، تدفق الهواء ، الإشعاع ، _ثاني أكسيد الكربون ، المطر، الرياح )

يجب أن تتحكم استراتيجيات التحكم في حلول التبريد بالتهوية في مقدار واتجاه تدفقات الهواء في المكان والزمان. ^{[ 1 ]} تضمن استراتيجيات التحكم الفعالة مستويات عالية من الراحة الداخلية وأقل استهلاك للطاقة . تشمل هذه الاستراتيجيات في كثير من الحالات مراقبة درجة الحرارة وثاني أكسيد الكربون. _[ 21 ^{] في العديد} من المباني التي تعلم شاغلوها كيفية تشغيل الأنظمة، تم تحقيق خفض في استهلاك الطاقة. تشمل معايير التحكم الرئيسية درجة الحرارة التشغيلية (الهواء والإشعاع) (الذروة، والفعلية، والمتوسطة)، والإشغال، وتركيز ثاني أكسيد الكربون، ومستويات الرطوبة. ^{[ 21 ]} يُعد التشغيل الآلي أكثر فعالية من التحكم اليدوي. ^{[ 1 ]} يُعد التحكم اليدوي أو تجاوز التحكم الآلي يدويًا أمرًا بالغ الأهمية لأنه يؤثر إيجابًا على قبول المستخدم وتقديره للمناخ الداخلي (وكذلك التكلفة). ^{[ 22 ]} يتمثل الخيار الثالث في ترك تشغيل الواجهات للتحكم الشخصي من قبل السكان، ولكن نظام أتمتة المبنى يوفر تغذية راجعة فعالة ونصائح محددة.

يتميز تصميم المباني بمستويات تفصيلية مختلفة. ولدعم عملية اتخاذ القرار بشأن حلول التبريد بالتهوية، تُستخدم نماذج تدفق الهواء بدقة متفاوتة. وبناءً على دقة التفاصيل المطلوبة، يمكن تصنيف نماذج تدفق الهواء إلى فئتين: ^{[ 1 ]}

• أدوات النمذجة في المراحل المبكرة، والتي تشمل النماذج التجريبية، ونموذج المنطقة الأحادية، ونماذج شبكة تدفق الهواء ثنائية الأبعاد؛ و
• أدوات النمذجة التفصيلية، والتي تشمل نماذج شبكة تدفق الهواء، ونماذج BES-AFN المقترنة، والنماذج المناطقية، وديناميكيات الموائع الحسابية ، ونماذج CFD-BES-AFN المقترنة.

تتضمن الأدبيات الموجودة مراجعات للطرق المتاحة لنمذجة تدفق الهواء. ^{[ 9 ] [ 23 ] [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

كان الملحق 62 "التبريد بالتهوية" مشروعًا بحثيًا ضمن برنامج الطاقة في المباني والمجتمعات التابع لوكالة الطاقة الدولية ، واستمر لمدة أربع سنوات (2014-2018). ^{[ 29 ]} وكان الهدف الرئيسي هو جعل التبريد بالتهوية حلاً جذابًا وفعالًا من حيث استهلاك الطاقة لتجنب ارتفاع درجة حرارة المباني الجديدة والمجددة على حد سواء . تُسهّل نتائج الملحق إمكانية التنبؤ بشكل أفضل بتكاليف إزالة الحرارة ومخاطر ارتفاع درجة الحرارة وتقديرها، وذلك لأغراض التصميم وحساب كفاءة الطاقة. ويهدف توثيق أداء أنظمة التبريد بالتهوية من خلال تحليل دراسات الحالة إلى تشجيع استخدام هذه التقنية في المباني عالية الأداء والمباني التقليدية في المستقبل. ^{[ 30 ]} ولتحقيق الهدف الرئيسي، حدد الملحق الأهداف التالية لأعمال البحث والتطوير:

• تطوير وتقييم أساليب وأدوات التصميم المناسبة للتنبؤ باحتياجات التبريد، وأداء التبريد بالتهوية، وخطر ارتفاع درجة الحرارة في المباني.
• وضع إرشادات لتقليل مخاطر ارتفاع درجة الحرارة بكفاءة الطاقة من خلال حلول التبريد بالتهوية، ولتصميم وتشغيل التبريد بالتهوية في المباني السكنية والتجارية على حد سواء .
• وضع مبادئ توجيهية لدمج التبريد بالتهوية في طرق حساب أداء الطاقة واللوائح بما في ذلك تحديد مؤشرات الأداء الرئيسية والتحقق منها.
• وضع تعليمات لتحسين قدرة التبريد بالتهوية للأنظمة الحالية ولتطوير حلول تبريد بالتهوية جديدة بما في ذلك استراتيجيات التحكم الخاصة بها.
• لإثبات أداء حلول التبريد بالتهوية من خلال تحليل وتقييم دراسات الحالة الموثقة جيداً.

تم تقسيم العمل البحثي للملحق 62 إلى ثلاث مهام فرعية.

• قامت المهمة الفرعية (أ) "الأساليب والأدوات" بتحليل وتطوير وتقييم أساليب وأدوات تصميم مناسبة للتنبؤ باحتياجات التبريد، وأداء التبريد بالتهوية، ومخاطر ارتفاع درجة الحرارة في المباني. كما قدمت المهمة الفرعية إرشادات لدمج التبريد بالتهوية في أساليب حساب أداء الطاقة واللوائح التنظيمية، بما في ذلك تحديد مؤشرات الأداء الرئيسية والتحقق منها.
• تناولت المهمة الفرعية "ب " بعنوان "الحلول" أداء التبريد لأنظمة وتقنيات التهوية الميكانيكية والطبيعية والهجينة الحالية، بالإضافة إلى حلول التحكم في الراحة النموذجية، كنقطة انطلاق لتوسيع نطاق استخدامها. وبناءً على هذه الدراسات، وضعت المهمة الفرعية توصيات لأنواع جديدة من حلول التبريد والتهوية المرنة والموثوقة التي توفر الراحة في ظل مجموعة واسعة من الظروف المناخية.
• أظهرت المهمة الفرعية ج "دراسات الحالة" أداء التبريد التنفسي من خلال تحليل وتقييم دراسات الحالة الموثقة جيدًا.

• تكييف
• الهندسة المعمارية
• مسرد مصطلحات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء
• المباني الخضراء
• التدفئة والتهوية وتكييف الهواء
• جودة الهواء الداخلي
• التسرب (التدفئة والتهوية وتكييف الهواء)
• برنامج الطاقة في المباني والمجتمعات التابع للوكالة الدولية للطاقة
• الهندسة الميكانيكية
• التهوية المختلطة
• التبريد السلبي
• توزيع هواء الغرفة
• متلازمة المباني المريضة
• تجديد مستدام
• الراحة الحرارية
• الكتلة الحرارية
• فينتيكول
• التهوية (الهندسة المعمارية)