هل يمكن دمج أنظمة ديمكس الشمسية الحرارية مع مضخات الحرارة؟

مجمعات ديمكس مع مضخات الحرارة: الجوانب الهيدروليكية وأنظمة التسخين

يتطلب فهم كيفية دمج الأنظمة المذكورة أعلاه إلمامًا جيدًا بالهيدروليكا المرتبطة بمحصّلات الطاقة الشمسية الحرارية ودوائر مضخات الحرارة. ومن الناحية المثالية، يجب في ظل ظروف تشغيل معينة أن تبقى معدلات التدفق الخاصة بالمحصّلات ومضخة الحرارة ضمن هامش ١٠٪ من بعضها البعض لتفادي الخسائر البارازيتية المزعجة الناجمة عن ضخ مفرط. كما أننا نسعى، لضمان انتقال كافٍ للحرارة، إلى الحفاظ على ظروف التدفق المضطرب. ومن الادعاءات الشائعة جدًّا لدى العديد من الممارسين ما يتصل بالتدرجات الحرارية أو فروق درجات الحرارة التي توفرها المحصّلات. فقد تصل درجات حرارة الخرج من محصّلات Demax إلى نطاق ٥٠–٨٠°م، بينما لا تعمل معظم مضخات الحرارة بكفاءة جيدة — أو لا تعمل إطلاقًا — في النطاق ٢٥–٣٥°م. ولإغلاق هذه الفروق الحرارية أو تقليلها إلى أدنى حدٍّ ممكن مع تحسين تبادل الحرارة، قد يلزم استخدام خزانات توسُّط طبقيّة أو مبادلات حرارية لوحيّة مدمجة ذات فرق درجة حرارة (درجة اقتراب) لا يتجاوز ٢°م. وقد أفادت دراسات بحثية صناعية بأن غياب تصاميم واجهات مناسبة في الأنظمة الهجينة يؤدي إلى انخفاض كفاءة هذه الأنظمة بنسبة تتراوح بين ١٥ و٢٢٪ مقارنةً بكفاءتها المصمَّمة. ويعتبر هذا أيضًا أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل استخدام صمامات الخلط الحرارية أمرًا حاسم الأهمية للحفاظ على ثبات درجات حرارة الدخل عندما يكون المكسب الشمسي متغيرًا.

تسويق الامتثال: منطق الأولوية، والتدريج الحراري، ولوائح منع التوقف والتشغيل المتكرر القصير

يتطلب الأداء التنبؤي تحكّمًا ذكيًّا يُعيد توزيع استهلاك الطاقة استنادًا إلى الظروف النشطة/الحقيقية في الوقت الفعلي. وتتحكم بروتوكولات الأولوية ثلاثية المراحل في نشاط النظام:

يُفعَّل الوضع الشمسي الأساسي عندما تكون درجة حرارة المجمع أعلى على الأقل بـ ٨ °م من درجة حرارة المصدر المطلوبة لمضخة الحرارة.

يُفعَّل وضع الدعم الهجين أثناء وجود إشعاع شمسي جزئي، ويتحكم في درجة حرارة دائرة المجمع بحيث يتم تسخين حلقة المصدر مسبقًا دون تسخين مفرط.

يُفعَّل وضع أولوية مضخة الحرارة عندما تكون الطاقة الشمسية غير كافية، ويتم التحكم في معدلات تدفق النظام ومنع الإصابات التي قد تلحق بالضاغط عبر الحفاظ على أوقات التشغيل أو التحكم فيها.

أظهرت الاختبارات الميدانية الأوروبية أن التحكم التدريجي في درجة الحرارة قلّل من تكرار تشغيل وقف الضاغط بنسبة 40٪، وزاد من عمر المعدات بمقدار ذلك الزمن. وتتضمن أنظمة مكافحة التشغيل المتكرر القصير تحكُّلات تنبؤية بالحمل وتحكُّلات استباقية، بالإضافة إلى التنبؤ بالطلب الحراري، مما يقلل من عمليات التشغيل غير الضرورية التي ترفع تكاليف الصيانة بمقدار 740 دولارًا أمريكيًّا سنويًّا لكل وحدة (معهد بونيمون، 2023).

الفوائد الأداءية للbombes الحرارية المدعومة بالطاقة الشمسية (SAHPs)

يؤدي دمج مجمِّعات الطاقة الشمسية الحرارية مع مضخات الحرارة إلى أداء تكاملي، نظراً لاختلاف نقاط القوة لدى كلٍّ منهما، وهو أداء لا يمكن أن تحققه أيٌّ من المكوِّنين بمفرده. ويمكن اعتبار هذا التكامل نوعاً من العمل الجماعي الذي يجمع بين مصادر طاقة متعددة. فتوفر المجمِّعات الشمسية حرارةً يمكن لمضخة الحرارة حينها الاستفادة منها لتحقيق انتقال حراري أكثر كفاءة. وعلى سبيل المثال، تتطلب المباني طاقةً أقل لتشغيل مضخات الحرارة، لأن كمية الطاقة اللازمة لتشغيل مضخة الحرارة تنخفض، حيث توفر الطاقة الشمسية جزءاً من الطاقة التي ينبغي نقلها بالفعل. علاوةً على ذلك، فإن هذه التشكيلة تحسّن الأداء الطاقي للمباني وتُغيّر أنماط استهلاك الطاقة عبر خفض استهلاك الطاقة، مما يعزّز الأداء الطاقي للمبنى ويحسّن ملفّ حمله. وبهذه الطريقة، تساعد مضخات الحرارة المدعومة بالطاقة الشمسية المباني على التواصل مع الشبكة الكهربائية بشكل أفضل، لا سيما خلال فترات الذروة في استهلاك الطاقة.

تعزيز معامل الأداء (COP): الاختبارات الميدانية لمضخات الحرارة المدعومة بالطاقة الشمسية المدمجة مع نظام Demax في الاتحاد الأوروبي

تُظهر الاختبارات الأوروبية لأنظمة مضخات الحرارة الشمسية المدمجة مع تقنية Demax تحسّنًا في معامل الأداء (COP) بنسبة تتراوح بين ٢٠ و٣٠٪ مقارنةً بمضخات الحرارة المستخدمة بشكل منفصل. وعندما يُزوَّد المبخر بالطاقة الحرارية الشمسية، تنخفض الاستهلاك الكهربائي الإجمالي، كما أن ارتفاع درجة حرارة المبخر الخاص بالضاغط يخفف العبء الواقع على مضخات الحرارة بمقدار ١٠–١٥°م. وأكبر إمكانية لتوفير الطاقة في هذه التقنية تكمن في التداخل بين توفر أشعة الشمس وطلب التدفئة. وبجانب توفير الكهرباء، فإن أنظمة مضخات الحرارة الشمسية المحسَّنة تكون أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة خلال فصل الشتاء، لأنها تتطلب دورات إذابة جليد أقل وبالتالي تستهلك طاقةً أقل.

نقل الأحمال وتعزيز مرونة الشبكة الكهربائية: تسخين مياه المصدر مسبقًا للحد من الطلب الكهربائي الذروي

تستخدم مضخات الحرارة المدعومة بالطاقة الشمسية (SAHP) أشعة الشمس لتسخين المياه التي تُستخدَم في المساء، عندما تكون رسوم الطاقة أعلى، ولشحن بطارية (SAPH) الحرارية خلال النهار، عندما تكون رسوم الطاقة أقل. وقد لاحظنا أن الأنظمة التجارية المزودة ببطاريات حرارية تحقِّق انخفاضًا بنسبة تتراوح بين ٣٠ و٤٠ في المئة في الطلب الذروي على الطاقة. وبجانب خفض تكاليف الطاقة، فإن مضخات الحرارة المدعومة بالطاقة الشمسية تعزِّز مرونة شبكة الطاقة، كما أن المشاركة في استجابة الطلب تخلق مصادر دخل إضافية لأصحاب المباني. وباستخدام مضخات الحرارة، تصبح معدات التدفئة التي كانت تُهمَل سابقًا عنصرًا حيويًّا في إدارة حمل الطاقة للمستهلكين وتحسين أداء الشبكة الكهربائية ككل.

لماذا تُعتبر الأنظمة الحرارية الشمسية وحدها غير كافية— وكيف تُكمل مضخات الحرارة استراتيجية إزالة الكربون؟ تتمتّع الأنظمة الحرارية الشمسية بالقدرة على امتصاص الحرارة المتجددة من أشعة الشمس، لكنها تواجه قيودًا معينة. فكفاءتها في امتصاص الحرارة تتأثر بتغطية السحب، وفصل الشتاء، والليل. وإذا اعتمدت هذه الأنظمة بشكلٍ كاملٍ عند الحاجة إلى امتصاص الحرارة لإنتاج الطاقة، فستضطر حينها إلى استخدام الوقود الأحفوري، ما يُفقِد الهدف من خفض انبعاثات الكربون. وهنا تصبح مضخات الحرارة مفيدةً للغاية عند دمجها مع الأنظمة الحرارية. فهي قادرة على امتصاص الطاقة الحرارية من البيئة المحيطة، وتوفير الحرارة أثناء إنتاج الطاقة الشمسية. وتتميّز مضخات الحرارة بكفاءة عالية، ولها معامل أداء (COP) قد يصل إلى ٣,٥، وهي بذلك أكثر كفاءةً بكثيرٍ من الأنظمة التقليدية. كما أنها تقدّم كفاءةً أعلى عند استخدامها جنبًا إلى جنب مع الأنظمة الحرارية الشمسية: إذ تقوم الوحدة الحرارية الشمسية بتسخين المياه قبل دخولها مضخة الحرارة، مما يجعل الضاغط يعمل بكفاءة أكبر.

ووفقًا للدراسات، يمكن أن يقلل هذا التكوين من ذروة الطلب على الكهرباء بنسبة تتراوح بين ١٨٪ و٣٤٪ أثناء فترات التوتر في شبكة الكهرباء (٢٠٢٣، معهد فراونهوفر لبحوث الطاقة الشمسية ISE). وبحسب بيانات وكالة الطاقة الدولية لعام ٢٠٢٤، تشكّل مضخات الحرارة حاليًّا ما نسبته ١٠٪ فقط من إجمالي تسخين المباني عالميًّا، وهي نسبة لا تتماشى مع أهدافنا المناخية. ومع ذلك، فإن دمج مضخات الحرارة مع تقنية الطاقة الشمسية الحرارية يعزِّز سيطرتنا على أحمال الطاقة، ويضيف موثوقيةً إلى النظام، ويسمح بتوفير تسخين خالٍ من الكربون للمباني على مدار العام. وهاتان التقنيتان تكمل إحداهما الأخرى بشكلٍ خاص؛ إذ تحقِّق الطاقة الشمسية كفاءةً أعلى في تشغيل مضخات الحرارة، بينما تضمن مضخات الحرارة التشغيل السلس خلال الفترات التي تكون فيها الطاقة الشمسية غير كافية. وهذه التركيبة المبتكرة تُعدُّ بالفعل ثوريةً في الحد من الاعتماد على الوقود الأحفوري، سواء من الناحية التقنية أو الاقتصادية، على عكس التقنيات الأخرى التي تكتفي بإضافة واحدٍ إلى واحدٍ للحصول على اثنين.

قسم الأسئلة الشائعة

السؤال ١: ما التحدي الرئيسي عند دمج مجمِّعات Demax مع حلقات مضخات الحرارة؟

أ1: التحدي الرئيسي هو تحقيق التوازن الهيدروليكي بين مجمِّعات الطاقة الشمسية الحرارية ودوائر المضخات الحرارية لتفادي الخسائر البارازيتية ولتمكين انتقال الحرارة بكفاءة.

كيف تؤثر الفروق في درجات الحرارة على طريقة تكامل الأنظمة مع بعضها البعض؟

يمكن لمجمِّعات ديمكس أن تصل إلى درجات حرارة تبلغ ٨٠°م، لكن المضخات الحرارية تعمل بأعلى كفاءة عند درجات حرارة تتراوح بين ٢٥–٣٥°م. وهذا يعني أنها تحتاج إلى أدوات مُخصَّصة لتغطية هذه الفجوة الحرارية مع الحفاظ على الكفاءة الإجمالية للنظام.

كيف تزيد المضخات الحرارية المدعومة بالطاقة الشمسية (SAHP) من الكفاءة؟

تعمل المضخات الحرارية المدعومة بالطاقة الشمسية (SAHP) باستخدام الطاقة الشمسية باعتبارها «طبقة جديدة» من الطاقة (أقل من ٦ سنوات). وهذه النوعية من الطاقة أقل تكلفةً، كما أنها تسمح بانتقال الحرارة بسهولة داخل الوحدة.

لماذا لا تكفي الطاقة الشمسية الحرارية وحدها؟

تنخفض كفاءة أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية أيضًا في الأيام الغائمة وليلًا، لذا فهي تحتاج أيضًا إلى مساعدة الوقود الأحفوري. ويمكن لمضخات الحرارة أن تدعم الأنظمة الشمسية الحرارية بتوفير الحرارة عندما لا يكون الشمس متاحةً، مما يساعد على إنجاز الهدف المتمثل في إزالة الكربون بالكامل.