كيف يمكن للأسطح الخارجية للمباني أن تولد الطاقة الشمسية وتوفر العزل الحراري؟
قام مجموعة من العلماء في الصين بتصميم لوحة جدارية خارجية مركبة معزولة شمسياً، تجمع بين لوحة جامع شمسية Solar collector panel، لوحة خلايا شمسية (PV)، ولوحة عزل حراري Insulation board، بهدف تحسين كفاءة الطاقة في المباني. وفقًا للدراسة المنجزة، يمتلك النظام فترة استرداد ثابتة تبلغ 1.1 سنة، مما يعني أنه يمكن استعادة تكلفة النظام في أقل من عام ونصف.
تصميم مبتكر: الجمع بين العزل الحراري وجمع الطاقة الشمسية
يعد النظام الجديد الذي اقترحه الباحثون الصينيون خطوة متقدمة في تكنولوجيا البناء، حيث يدمج لوحة جامع شمسية مع خلايا شمسية بالإضافة إلى لوحة عزل حراري، مما يوفر هواءً ساخنًا للمساحات الداخلية. يعد هذا الجيل الرابع من هذا النظام، والذي تم تحسينه ليشمل تغليفًا كاملاً للنظام وإضافة خلايا شمسية.
آلية العمل: تكامل فعال لمكونات النظام
قال الفريق البحثي: “قمنا بتغليف لوحات جامع الشمس بالزجاج واستبدلنا اللوحات الجامعة المكشوفة أسفل النظام بخلايا شمسية. هذا التصميم يقلل من فقد الحرارة ويوفر الكهرباء للمروحة المستخدمة في نظام الجدار الشمسي.” كما أضافوا: “تم تصميم لوحة الجدار الخارجية المركبة بشكل وحدات قابلة للتعديل لتناسب مختلف أحجام النوافذ والأعمدة، مما يتيح استخدامًا أمثل للمساحة الخارجية.”
التصميم الجديد: طبقات متعددة لضمان الأداء الأمثل
يتكون النظام الجديد من عدة طبقات لضمان العزل الحراري الفعال، حيث تشمل الطبقة الأولى الجص الداخلي، يليها لوحة خرسانية مسامية معتمدة على الأوتوكلاف بسمك 150 مم. ثم تأتي طبقة عزل من صوف الحجر بسمك 30 مم مع فراغ هوائي بسمك 80 مم. وبعد ذلك يتم تركيب جامع حراري شمسي مائل بزاوية 36°، يتكون من لوحة فولاذية أو ألمنيوم مغطاة بطبقة امتصاصية ذات معامل نقل حراري عالٍ، مع العديد من الفتحات الصغيرة.
تكامل خلايا شمسية لتحسين الكفاءة
شرح الباحثون كيفية عمل النظام قائلين: “تم استخدام الكهرباء الشبكية لضخ الهواء الساخن إلى الغرف المحتاجة، بينما تم دمج الخلايا الشمسية لأول مرة. يتم استخدام مساحة صغيرة من الوحدات لتشغيل المروحة التي تسحب الهواء الساخن. كما تم وضع منافذ هواء على جانبي الخلايا الشمسية، مع استخدام فلاتر غبار لتنقية الهواء الخارج من لوحات الجامع الشمسي. ”
محاكاة وتجارب ميدانية: قياسات في ظروف حقيقية
بعد تصميم النظام، تم محاكاته باستخدام برنامج Fluent، حيث تم إجراء محاكاة لمدة تسع ساعات في أيام شتاء وصيف مشمسة لقياس درجات الحرارة الناتجة عن تدفق الهواء. كما تم بناء تصميم تجريبي وتركيبه في منطقة مفتوحة بمدينة كينغداو الصينية في ديسمبر 2024 لقياس الأداء في الواقع.
نتائج مذهلة: توفير كبير في استهلاك الطاقة
أظهرت المحاكاة أن درجة حرارة الهواء عند مخرج النظام في أيام الشتاء المشمسة ارتفعت بمعدل 41.33 درجة مئوية، مما يعد أعلى بحوالي 20.1 درجة مئوية مقارنة بالتصميم الجزئي المكشوف و22.55 درجة مئوية مقارنة بالتصميم المكشوف بالكامل. أما في الصيف، فقد كانت الزيادة في درجة الحرارة 54.33 درجة مئوية، بزيادة 21.77 درجة مئوية مقارنة بالتصميم الجزئي المكشوف.
دراسة استرداد التكلفة: فائدة اقتصادية كبيرة
أظهرت الدراسة أن النظام يوفر نسبة كبيرة من الطاقة، حيث بلغت نسبة توفير الطاقة في استهلاك الوقود للتدفئة حوالي 65.47%. كما أظهرت الدراسة أن فترة استرداد التكلفة للنظام تبلغ 1.1 سنة، مما يجعله استثمارًا مجديًا من الناحية الاقتصادية في المباني.
الاستنتاجات: تكنولوجيا واعدة لبناء مستدام
“يمكن تصميم لوحات الجدران المركبة الخارجية المعدلة كوحدات نمطية بأحجام مختلفة لتطبيقها في المباني الجاهزة. هذه اللوحات متوافقة مع العديد من الأنظمة الهيكلية، بما في ذلك الهياكل الفولاذية، والهياكل الخرسانية المسلحة، والهياكل الخشبية”، كما أضاف الباحثون.
المصدر:
تم نشر هذا المقال بعنوان “Optimized design and thermal performance study of solar heating composite exterior wall panels” في مجلة Frontiers of Architectural Research. أجرت الدراسة أكاديميات من جامعة شاندونغ للعلوم والتكنولوجيا وجامعة شاندونغ للبناء.
للاطلاع على الدراسة كاملة من هنا
