الأنظمة الحرارية الشمسية المتكاملة مع البناء (Building-Integrated Solar Thermal systems)

وهي أجهزة متعددة الوظائف قادرة على توليد الطاقة.  تأخذ بعين الاعتبار الجوانب المعمارية، مثل اللون والملمس والشكل ، وبالتالي السماح لبناء جمالي أكثر تجانسًا من المجمعات الحرارية الشمسية التقليدية. هذه الأنظمة هي حلول مرنة لتطبيقات المباني نظرًا لتوليد الطاقة وتحسين العزل الحراري ومظهر المبنى في وقت واحد. تحتاج المجمعات الحرارية الشمسية إلى الكفاءة الفنية والتهيكلية، ولكن يجب أن تفي بمتطلبات التكامل المعماري من تصميم معماري مقبول، تراكيب من ألوان ومواد مناسبة، انسجام الأبعاد مع وظيفة المبنى، الاتساق مع حالة البناء، تصميم جيد ومبتكر.

يمكن تصنيف أنظمة BIST حسب وسيط نقل الحرارة: تتميز BISTs القائمة على الهواء بانخفاض التكاليف والكفاءة ، وتستخدم عادة لتدفئة وتهوية البناء أما
BISTs الهيدروليكية تستخدم عادة للتدفئة وتوليد المياه الساخنة. تستخدم عادة BISTs التي تعتمد المواد المتغيرة الطورعندما تكون هناك حاجة لفترة أطول من تشغيل النظام. علاوة على ذلك ، يمكن تصنيف هذه الأنظمة أيضًا حسب طريقة التكامل مع غلاف المبنى.

على مدار عقود عديدة ، تمت دراسة هذه النظم الحرارية الشمسية المتكاملة ، وتركزت الجهود البحثية على مراعاة  الحلول التكنولوجية المختلفة لـ BISTs.

يتم تمثيل BISTs القائمة على الهواء بشكل أساسي  بالمجمعات الحرارية الشمسية الهوائية ، والتي يمكن دمجها على الأسطح والواجهات  ، حيث الشكل a المخطط الأساسي لمجمع هوائي شمسي حراري متكامل مع السقف والشكل b تكامل فعلي للمجمعات الحرارية الشمسية الهوائية في واجهة المبنى. تتميز هذه المجمعات بتكاليف منخفضة ولكن أيضًا بكفاءة منخفضة بسبب الخصائص الحرارية لمائع نقل الحرارة. الهواء له خصائص حرارية منخفضة ، مما يؤثر على ظاهرة انتقال الحرارة بالحمل. مع نطاق تعويض هذه الحدود ، هناك حاجة إلى مجمعات كبيرة  وهذا يمكن أن يسبب مشاكل تتعلق بالتكاليف وأبعاد السقف. يمكن صنع الواجهات الحرارية الشمسية التي تستخدم الهواء من خلال دمج فجوة هوائية بين السطح الخلفي للأغطية الزجاجية ومحيط المبنى. في أنظمة التدفئة المركزية ، يتم توفير تدفقات الهواء المستمرة بشكل عام. وبالتالي ، تختلف درجة حرارة الهواء الخارج خلال النهار حسب تغيرات الإشعاع الشمسي.

يعد استخدام الماء بدلاً من الهواء حلاً فعالًا نظرًا لسعته الحرارية العالية والتوصيل الحراري. تسمح المياه بالتخزين السهل وهي مناسبة لتوليد الماء الساخن المحلي المباشر ، ولكنها مادة آكلة. يمكن تصنيف BIST القائم على الماء إلى مجموعتين: BISTs أحادية القناة ومتعددة القنوات.

انطلقت المجموعة الأولى من آلية التسخين الشمسي السلبي (passive)، والتي غالبًا ما توفر حلولًا لاستخدام الماء الساخن . تتميز المجموعة الثانية بتصميم مع مساحة هوائية إضافية بين الوحدة الكهروضوئية وغلاف المبنى  .

نظام BIPV/T:

أنظمة الطاقة الشمسية في الغالب لها قيودها الخاصة في تلبية الطلب المحتمل ، لذلك هناك حاجة لتوحيد أكثر من نظام واحد في وحدة واحدة من أجل تعظيم الاستفادة من الموارد. الهجين يعني الاختلاط أكثر من واحد ، تقنيات الطاقة الشمسية ، على سبيل المثال ، الكهروضوئية (PV) ، التخزين ، تسخين المياه والهواء التي يمكن دمجها في مجمع مختلط هجين على السطح الخارجي من السطح . تعمل  الأنظمة الكهروضوئية   في نطاق الكفاءة من 6-18 ٪ وبقية الطاقة تبدد إلى البيئة على شكل حرارة مهدرة ، مما يؤثر سلبًا على كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية ، لذلك ، تم تصميم أنظمة BIPV / T
والاستفادة من كل من توليد الكهرباء والحرارة من الأنظمة الكهروضوئية.

يعد الجمع بين المجمعات الشمسية والخلايا الكهروضوئية مفهومًا واعدًا للمباني التي تحتاج إلى تهوية حرارية في فصل الشتاء ، حيث تستخدم المباني غير المنزلية في الغالب مراوح استرداد الحرارة لسحب أكبر قدر من الحرارة من هواء العادم و يمكن استغلال الحرارة الزائدة من نظام  BIPV / T  لتدفئة المكان أو ربما الماء الساخن 

.

كما تم دراسة مجمّع الطاقة الشمسية المصغر المكافئ المتكامل بالسقف كحل قابل للتطبيق لتطبيقات البناء التكاملية.  تعتمد هذه الأنظمة عاكسات Fresnel  الخطية التي تركز الإشعاع الشمسي على مستقبل ثابت مع استخدام المرايا ونظام التتبع الفعال  تم اقتراح استخدام النظام البصري المركز (عدسات فرينل مع مجمعات قطعية مركزة ) في نظام الأبنية الشمسية الحرارية التكاملية. كما تم التحقق من building integrated mini parabolic

thermal collector مع اتجاه بين الشرق والغرب وزاوية ميل بحيث يبقى الاشعاع الشمسي عمودي على القطوع خلال اليوم.

يتمثل الحل الآخر في مجمعات الطاقة الشمسية الخزفية ، والتي تتميز أساسًا بأنها مناسبة اقتصادياً ، دون توهين الامتصاص والتكامل الجيد في المباني. المواد الخام لهذا النظام هي السيراميك التقليدي (الطين والخزف والكوارتز والفلسبار).  تكون هذه المجمعات كمصدر حرارة لنظام الماء الساخن وكحواجز للشرفة ، بكفاءة حرارية تساوي 41.7٪.

في المباني ، يمكن استخدام جهاز التظليل الشمسي لأهداف ومجالات متعددة. تعتمد مجمعات اللوفر الشمسية Solar louvre collectorsعلى وحدات اللوفر المتراكمة ، الموضوعة أفقيًا ، والتي تشمل مجمعات الطاقة الشمسية. يسمح هذا النظام بزيادة عدد المجمعات ، مع مراعاة المساحات الخالية على سطح المبنى لمزيد من الألواح. نوقشت التصميمات المختلفة لمجمع اللوفر الشمسي الحراري الجديد اقتراح حل قائم على تقنية الأنابيب الحرارية.
بالإضافة إلى ذلك ، يستغل النظام الحراري الشمسي أجهزة تظليل اللوفر ، ويقترح تعديل التصاميم الموجودة. تم اختبار النظام المقترح في ظل العديد من الظروف المناخية ، مما أظهر إمكانات كبيرة من وجهة نظر إمداد الطاقة والناحية الاقتصادية على حد سواء.   

يجب أن تكون إمكانية تركيب المواد البوليمرية التي تسمح بتطوير مجمعات حرارية شمسية جديدة تمامًا في الاعتبار. وهذا يؤدي إلى انخفاض كبير في التكلفة ، ويحقق تكوين أنظمة طاقة شمسية حرارية فعالة ومعقولة التكلفة لجميع المناطق المناخية والديموغرافية. ومثال على المجمعات الحرارية الشمسية البوليميرية المتكاملة مع البناء

الإمكانات المستقبلية للبناء المتكامل مع المجمعات الحرارية الشمسية:

الطاقة الشمسية الحرارية لديها القدرة على تلبية الطلب على التدفئة و التبريد في القطاع السكني. حيث مجال واسع من المجمعات الشمسية والأنظمة ذات درجات الحرارة المنخفضة المستخدمة في التطبيقات المنزلية متاحة في السوق على مدى عقود والتي مصنوعة بشكل عام وفقاً لمعايير تقنية عالية.

إن إمكانية استخدام تقنيات الحرارة الشمسية لتأمين الماء الساخن أو التدفئة في القطاع السكني شاسعة. التدفئة الشمسية السلبية مع البناء ذو التركيب الفعال طاقياً يمكن ان يخفض الطلب على التدفئة حتى 30%. ومن ناحية أخرى الانظمة الشمسية الفعالة يمكن أن تخفض الطلب على الوقود بحوالي 50%-70% للماء الساخن و40-60% للتدفئة.

إن إمكانية تكامل التطبيقات الحرارية الشمسية في الابنية سوف يرتفع بشكل كبير إذا توافرت حلول تقنية مناسبة مثل التخزين طويل الأمد. حيث يمكن أن تستثمر أنظمة التخزين هذه التطبيقات الكيميائية والفيزيائية لتقليل إجمالي حجم التخزين والتكاليف ذات الصلة.

التبريد بمساعدة الطاقة الشمسية هو مفهوم مشجع بشكل استثنائي حيث يتزامن ذروة الطلب على التبريد مع ذروة الإشعاع الشمسي. مع الطلب المتزايد باستمرار على راحة حرارية أعلى في بيئات العمل والمعيشة ، كان سوق التبريد يتصاعد بانتظام في السنوات الأخيرة.
تعتبر الطاقة الشمسية الحرارية واعدة للمباني الكبيرة ذات أنظمة التكييف المركزي حيث أن الطلب المتزايد على المنازل المكيفة والمكاتب الصغيرة يخلق قطاعات جديدة لهذه التكنولوجيا. تتمتع الأنظمة الحرارية الشمسية بالقدرة على استبدال الوقود الأحفوري التقليدي للتدفئة والتبريد الذي أكثر من ثلث استخدامنا للطاقة هو فقط للتدفئة. لذلك ، تعد هذه التكنولوجيا استثمارًا فعالًا يقدم الكثير من توفير الطاقة على مر السنين. الطاقة الشمسية كمصدر عالمي للتكنولوجيا الحرارية الشمسية كافية وغير محدودة. تشير التقديرات إلى أن حوالي 30 ٪ إلى 40 ٪ من الطلب العالمي على الحرارة يمكن
أن تتحقق بالطاقة الحرارية الشمسية و 20٪ من الطلب على الحرارة في أوروبا. مع التوقعات المستقبلية ، ستكون الفائدة على المدى الطويل (2050) حوالي 60EJ-100EJسنويًا على مستوى العالم.

إعداد م. راما الشيخ