تحليل معمق: سيناريوهات التطبيق الأمثل للطاقة الشمسية الحرارية + تسخين الهواء

يُعدّ نظام التدفئة المُدمج الذي يستخدم الطاقة الشمسية وطاقة الهواء نموذجًا تكميليًا موفرًا للطاقة، حيث يُعطي الأولوية للتدفئة الشمسية مع توفير طاقة إضافية من المضخات الحرارية. تمتص الطاقة الشمسية الحرارة بسهولة، مُلَبِّيةً بذلك احتياجات التدفئة الأساسية؛ بينما تُوفِّر المضخة الحرارية الهوائية إمدادًا ثابتًا من الطاقة خلال فترات انخفاض الطاقة الشمسية، كالأيام الغائمة والليل. يُقلِّل هذا من تكاليف تشغيل المضخات الحرارية الهوائية التقليدية، ويُعوِّض عن عدم انتظام التدفئة الشمسية. من أهم مزايا هذا الحل المُدمج انخفاض انبعاثات الكربون، وانخفاض تكاليف التشغيل، والاستقرار العالي. مع ذلك، فهو محدود بعوامل مثل مساحة المُجمِّع الشمسي، وظروف التركيب، والظروف المناخية، وقد لا يكون مُناسبًا لجميع الحالات.

1- ما هي السيناريوهات الأكثر منطقية من الناحية الاقتصادية؟

على الرغم من ارتفاع التكلفة الأولية لنظام الطاقة الشمسية الحرارية + طاقة الهواء، إلا أنه يمكن أن يُظهر كفاءة اقتصادية أكبر في السيناريوهات التالية نظرًا لارتفاع معدل مساهمته:

1. المباني العامة والتجارية التي تتمتع بإعانات استثمارية كبيرة

في العديد من المناطق، توفر سياسات دعم تجديد الطاقة النظيفة دعماً أكبر للمباني العامة مثل المدارس والمستشفيات ودور رعاية المسنين. ويمكن لهذه الإعانات أن تعوض بشكل مباشر تكلفة التركيب الأولية لنظام التدفئة الشمسية، مما يسمح بتحقيق قيمة "الوقود المجاني" في فترة زمنية أقصر.

2. التكوين القياسي للمباني الجديدة منخفضة الطاقة

في سعينا لتحقيق معايير المباني ذات الطاقة المنخفضة للغاية والتي تقترب من الصفر، أصبح استخدام الطاقة الشمسية الحرارية خياراً تقنياً "قياسياً". فالتصميم المتكامل في المراحل المبكرة يتجنب تكاليف ومتاعب التركيب اللاحق، كما أن الطاقة المولدة تساهم بشكل مباشر في تحقيق هدف توازن الطاقة للمبنى، بقيمة تتجاوز مجرد التوفير في تكاليف التشغيل.

3. سيناريوهات تتطلب كمية كبيرة من الماء الساخن للاستخدام المنزلي على مدار العام.

هذا هو المجال الذي تتجلى فيه الجدوى الاقتصادية للطاقة الشمسية بشكل لا جدال فيه. ففي قطاعات مثل الفنادق، وحمامات السباحة، والحمامات العامة، والاستخدامات الصناعية للمياه الساخنة، يكون الطلب على المياه الساخنة المنزلية ثابتاً على مدار العام. تعمل أنظمة الطاقة الشمسية باستمرار طوال العام، بل وتولد حرارة زائدة في فصل الصيف. في مثل هذه التطبيقات، يقترب معدل الاستخدام السنوي للطاقة الشمسية من 100%، وتكون فترة استرداد الاستثمار هي الأقصر في الغالب (عادةً من 3 إلى 6 سنوات)، وتكون علاقتها بالتدفئة أقل أهمية نسبياً. فزيادة الطلب على التدفئة لا تؤدي إلا إلى زيادة معدل استخدام المعدات في فصل الشتاء.

4. المناطق الانتقالية التي يتداخل فيها موسم التدفئة مع موسم سطوع الشمس العالي

خلال أوائل الشتاء وأوائل الربيع في المناطق الشمالية (مثل شهري نوفمبر ومارس)، تكون درجة الحرارة الخارجية مقبولة، ويكون سطوع الشمس جيدًا. في هذا الوقت، يستطيع نظام الطاقة الشمسية تلبية احتياجات التدفئة بشكل شبه مستقل، بينما لا يلزم تشغيل مضخة الحرارة الهوائية إلا في الظروف شديدة البرودة أو الغيوم. في هذه المناطق، تُطيل الطاقة الشمسية بشكل فعال فترة التدفئة المجانية، وتكون قيمتها كبيرة جدًا.

02- سيناريوهات التكيف المحددة

(1) سيناريوهات التدفئة واسعة النطاق لمناطق المصانع الصناعية والتدفئة لأغراض الإنتاج

الأشياء القابلة للتطبيق:المباني الصناعية الداعمة مثل ورش الإنتاج ومستودعات التخزين ومساكن الموظفين ومباني المكاتب، وهي مناسبة بشكل خاص للصناعات ذات متطلبات درجة حرارة مستقرة مثل معالجة الأغذية والمنسوجات والإلكترونيات.

الأسباب المطبقة:

1. حمل حراري مستقر وكبير: عادةً ما تتراوح مساحة التدفئة في المصانع الصناعية من عدة آلاف إلى عشرات الآلاف من الأمتار المربعة، وتتطلب بعض العمليات درجات حرارة منخفضة (مثل الحفاظ على درجة حرارة ثابتة تبلغ 20 درجة مئوية في ورش العمل، والتنظيف بالماء الساخن، وما إلى ذلك). يمكن لتقنية "الطاقة الشمسية + طاقة الهواء" تلبية احتياجات التدفئة وتسخين العمليات في آنٍ واحد، مما يحقق الاستخدام الأمثل للطاقة.

2. وفرة موارد الموقع: يمكن تجهيز أسطح المصانع، وأسقف مواقف السيارات، والمساحات المفتوحة غير المستغلة، بمجمعات الطاقة الشمسية، أو الألواح الكهروضوئية، أو أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية. كما يمكن لبعض المصانع دمجها مع مظلات السيارات الكهروضوئية لتحقيق فائدتين: توليد الطاقة الشمسية والتدفئة.

3. فوائد كبيرة في توفير الطاقة: تكاليف الكهرباء الصناعية أعلى من تكاليف الاستخدام المنزلي. التدفئة الكهربائية التقليدية أو التدفئة بالغاز مكلفة. يمكن للنظام المدمج أن يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة للتدفئة.

حل:مجمعات الطاقة الشمسية + الطاقة الهوائية، PVT + الطاقة الهوائية، الطاقة الشمسية الحرارية + الطاقة الكهروضوئية + الطاقة الهوائية، وغيرها من مخططات اقتران الطاقة.

(ثانياً) المشاريع السياحية والإيوائية المتخصصة مثل نزل السياحة الثقافية والحدائق الصحية

الجمهور المستهدف:مشاريع السياحة والإقامة التي تؤكد على صورة العلامة التجارية "الخضراء ومنخفضة الكربون"، مثل مجموعات الفنادق الصغيرة، وقواعد الرعاية الصحية في الغابات، ومنتجعات الينابيع الساخنة.

أسباب التكيف:

1. التوافق مع وضع العلامة التجارية: يركز موقع المشروع على مفاهيم "البيئة وحماية البيئة والصحة"، ويمكن أن يكون نظام تسخين الطاقة الشمسية + طاقة الهواء بمثابة نقطة بيع أساسية، حيث ينقل قيمة الحياة الخضراء والمريحة للسياح.

2. فترات التدفئة المرنة: متطلبات التدفئة في النزل وحدائق الرعاية الصحية تحدث بشكل رئيسي في الليل وأثناء العطلات. يمكن للطاقة الشمسية تخزين الحرارة خلال النهار، مما يتوافق مع أنماط التدفئة المعتمدة على الوقت، مما يقلل من تكاليف التشغيل.

3. التركيب الصديق للبيئة: تقع معظم مشاريع السكن في الضواحي أو المناطق ذات المناظر الخلابة، مع ظروف إضاءة جيدة وتخطيطات مبانٍ متناثرة، وهي مناسبة للتركيب الموزع للمجمعات الشمسية ولها درجة عالية من التكامل مع المناظر الطبيعية.

حل:من الممكن الجمع بين التصميم الشخصي لبيوت الضيافة واعتماد مزيج من جامعات الطاقة الشمسية ومضخات الحرارة الهوائية، مع مراعاة كل من الجماليات والعملية؛ كما يتم توفير نظام ذكي للتحكم في درجة الحرارة لتحقيق تنظيم درجة الحرارة في كل غرفة على حدة وتقليل هدر الطاقة.

(III) سيناريو التسخين بدرجة حرارة ثابتة لبيوت الزراعة وتربية الحيوانات الزراعية

الأشياء القابلة للتطبيق:البيوت الزجاجية لزراعة الشتلات، والبيوت الزجاجية للزهور، والبيوت الزجاجية للفواكه والخضروات خارج الموسم، وحظائر تربية الماشية (مثل حظائر الخنازير الصغيرة، وحظائر تربية الدواجن)، وما إلى ذلك، وهي سيناريوهات تربية وزراعة حساسة لدرجة الحرارة.

الأسباب المطبقة:

1. مطابقة متطلبات درجة الحرارة: عادة ما يكون الطلب على التدفئة في البيوت الزراعية من 5 درجات مئوية إلى 25 درجة مئوية، وهو ما يمثل متطلبات تدفئة متوسطة إلى منخفضة، ويتوافق تمامًا مع نطاق درجة حرارة التدفئة للطاقة الشمسية + طاقة الهواء.

2. تزامن استخدام الضوء والحرارة: خلال النهار، تحتاج البيوت الزجاجية إلى ضوء الشمس لعملية التمثيل الضوئي، ويمكن للمجمعات الشمسية امتصاص الحرارة في الوقت نفسه للتدفئة؛ وعندما تنخفض درجة الحرارة بشكل حاد في الليل، تبدأ مضخات الحرارة الهوائية في إعادة تدفئة المحاصيل والماشية لمنعها من التجمد.

3. تعزيز الدعم الزراعي: تقدم العديد من المناطق دعماً خاصاً لمنشآت توفير الطاقة الزراعية. ويمكن لنظام التدفئة بالطاقة الشمسية والهوائية الاستفادة من دعم مشترك للآلات الزراعية وترشيد استهلاك الطاقة، مما يقلل من الاستثمار الأولي.

حل:استخدم مُجمّعات الطاقة الشمسية المسطحة (المقاومة للبرد، سهلة التنظيف) أو مُجمّعات الطاقة الشمسية الهوائية، مع نظام مضخة حرارية تعمل بالهواء الساخن، لضخ الهواء الدافئ مباشرة إلى الدفيئة لتحسين كفاءة التدفئة؛ قم بتركيب أجهزة استشعار للتحكم في درجة الحرارة لتحقيق ضبط تلقائي لدرجة الحرارة.

(رابعاً) سيناريو التدفئة المركزية الحضرية

الأشياء القابلة للتطبيق:مجتمعات سكنية جديدة في المدن، ومشاريع تجديد التدفئة في المناطق السكنية القديمة، مناسبة بشكل خاص للمدن الصغيرة والمتوسطة الحجم ومناطق المقاطعات ذات ظروف الإضاءة الأفضل.

الأسباب المطبقة:

1. تكييف نطاق التدفئة: تحتاج أنظمة التدفئة المركزية في المدن إلى تلبية متطلبات التدفئة المتزامنة لعدة منازل ومساحات واسعة. يمكن للمجمعات الشمسية توسيع مساحة تجميع الحرارة من خلال التركيب المعياري، كما يمكن لمضخات الحرارة الهوائية تعديل الطاقة الناتجة بمرونة وفقًا لحمل التدفئة، مما يسمح بالتكيف مع متطلبات التدفئة المختلفة.

٢. توفير الطاقة وخفض التكاليف: يستهلك التدفئة المركزية كمية كبيرة من الطاقة. يمكن للطاقة الشمسية، كمصدر طاقة نظيف ومجاني، أن تحل محل كمية كبيرة من الكهرباء والغاز التقليديين. وبالإضافة إلى خصائص توفير الطاقة الفعّالة لمضخات الحرارة الهوائية (بمعامل أداء يتراوح عادةً بين ٣ و٤)، مقارنةً بالتدفئة التقليدية التي تعمل بالفحم أو الكهرباء فقط، يمكن خفض تكاليف التشغيل على المدى الطويل بشكل ملحوظ.

3. السياسات والمتطلبات البيئية: تُخضع السلطات المحلية حاليًا التدفئة بالفحم لرقابة صارمة، وتُشجع بقوة استخدام الطاقة النظيفة في التدفئة. يتميز نظام الطاقة الشمسية والهوائية بانعدام انبعاثات الملوثات، ويتماشى مع أهداف خفض الانبعاثات الكربونية المزدوجة وسياسات حماية البيئة الحضرية. ويستفيد هذا النظام من الدعم الحكومي الخاص بالتدفئة بالطاقة النظيفة، بالإضافة إلى تمويل مخصص لتجديد المناطق السكنية القديمة.

4. الاستقرار يلبي الطلب: تتطلب أنظمة التدفئة المركزية في المدن استقرارًا عاليًا للنظام. خلال النهار، تعتمد على مُجمِّعات الطاقة الشمسية لتلبية احتياجات التدفئة الأساسية. وفي فترات انخفاض سطوع الشمس، مثل أيام المطر أو الثلج أو الليل، تُوفِّر مضخات الحرارة الهوائية تدفئة إضافية بسرعة لضمان درجة حرارة داخلية ثابتة (عادةً ما تُحافظ عليها بين 8 و22 درجة مئوية)، مما يمنع انقطاع التدفئة.

حل:استخدم مصفوفات مركزية من جامعات الطاقة الشمسية (أنابيب مفرغة أو جامعات ألواح مسطحة كبيرة من نوع EFPC، يتم اختيارها بناءً على ظروف الإضاءة المحلية)، وقم بدمجها مع خزانات مياه معزولة ذات سعة كبيرة لتخزين الحرارة، واستخدم وحدات مضخات حرارية تعمل بالهواء كمصادر حرارة مساعدة، مع ربطها بشبكة التدفئة الحضرية الحالية؛ وقم بتكوين نظام تحكم مركزي ذكي لمراقبة درجة الحرارة وضغط الشبكة وكفاءة جامعات الطاقة الشمسية في الوقت الفعلي، وقم بالتبديل التلقائي بين أوضاع التدفئة، وادعم القياس من قبل الأسر، مع مراعاة ترشيد استهلاك الطاقة والاحتياجات الفردية للمستخدمين.

3- الخصائص الرئيسية لتعظيم مساهمة الطاقة الشمسية

(أ) الخصائص المناخية: وفرة ضوء الشمس + برودة طويلة الأمد

1. السيناريو الأمثل: المناطق المرتفعة ذات أشعة الشمس الوفيرة (شمال غرب هضبة تشينغهاي-شيزانغ). على الرغم من انخفاض درجات الحرارة في فصل الشتاء، إلا أن هناك أيامًا مشمسة كثيرة، وغطاءً سحابيًا أقل، وشدة إشعاع شمسي عالية. تتمتع المجمعات الشمسية، في ظل ظروف الطقس الباردة والمشمسة، طالما أنها محمية من التجمد، بكفاءة عالية في تجميع الحرارة، ويمكنها توفير قدر كبير من الحرارة المنخفضة، مما يقلل بشكل ملحوظ من حمل المضخات الحرارية. ويمكن تعويض فقدان الحرارة الناتج عن اختلاف درجات الحرارة عن طريق تحسين العزل.

2. البيئة المناسبة: المناطق ذات الشتاء البارد والصيف الحار، والمناطق التي تتمتع بوفرة نسبية في ضوء الشمس. على سبيل المثال، في بعض أجزاء شمال الصين ومنطقة هوايهاي، حيث يتوفر ضوء الشمس الكافي في الشتاء، يمكن للطاقة الشمسية أن تلبي متطلبات الأحمال الأساسية.

3. سيناريوهات غير مناسبة: ظروف الشتاء الباردة والرطبة، والمناطق التي تشهد فترات طويلة من انخفاض سطوع الشمس. على سبيل المثال، مناطق مثل حوض سيتشوان، وهونان، وأجزاء من قويتشو، حيث يكون الإشعاع الشمسي في الشتاء غير كافٍ بشكل كبير، مما يؤدي إلى ارتفاع معدلات تعطل أنظمة الطاقة الشمسية وانخفاض الكفاءة الاقتصادية.

(II) الخصائص المعمارية: مطابقة دقيقة للحمل الحراري

1. المطابقة المثلى:

(1) المباني التي يتزامن فيها ذروة الطلب على التدفئة خلال النهار مع ذروة الإشعاع الشمسي. على سبيل المثال: المدارس، والمباني المكتبية، وورش المصانع، والمستودعات، وما إلى ذلك. تتطلب هذه المباني التدفئة خلال فترات النشاط النهاري. يمكن استخدام الطاقة الشمسية بشكل مباشر وفوري دون الحاجة إلى تخزينها لفترات طويلة وبمعدل فقد عالٍ. وتكون كفاءة النظام ومعدل مساهمته في أعلى مستوياتهما.

(2) استخدام مستقر وكبير للأحمال الحرارية: عادةً ما تتراوح مساحة التدفئة في المصانع الصناعية من عدة آلاف إلى عشرات الآلاف من الأمتار المربعة، وتتطلب بعض العمليات حرارة منخفضة (مثل الحفاظ على درجة حرارة ثابتة تبلغ 20 درجة مئوية في ورش العمل، والتنظيف بالماء الساخن، وما إلى ذلك). يمكن لتقنية "الطاقة الشمسية + طاقة الهواء" تلبية احتياجات التدفئة والحرارة اللازمة للعمليات في آنٍ واحد، مما يحقق الاستخدام الأمثل للطاقة.

(3) استخدام التدفئة على مدار العام: هناك طلب كبير على الماء الساخن للاستخدام المنزلي طوال العام. يبلغ معدل الاستخدام السنوي للطاقة الشمسية ما يقارب 100%، مما يقلل بشكل كبير من فترة استرداد الاستثمار، ويمكن للتدفئة الشتوية أن تزيد من كفاءة استخدام المعدات.

٢. مناسب تمامًا: المناطق ذات الحمل الحراري الأساسي الثابت، مثل أحواض السباحة ذات درجة الحرارة الثابتة، وأحواض تربية الأحياء المائية، والبيوت الزجاجية. تحتاج هذه الأماكن إلى الحفاظ على درجة حرارة ثابتة نسبيًا على مدار ٢٤ ساعة. يمكن استغلال الحرارة المجانية من الشمس خلال النهار مباشرةً للحفاظ على درجة الحرارة أو إبطاء انخفاضها، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة التقليدية.

خاتمة: 

بدءًا من المباني العامة عالية الكفاءة، والمباني الحديثة منخفضة الطاقة، وصولًا إلى أنظمة التدفئة المركزية الحضرية المتخصصة، والمناطق الصناعية، وأماكن الإقامة السياحية المميزة، وسيناريوهات الإنتاج الزراعي، وسيناريوهات الطلب على الماء الساخن التي تتطلب تدفئة مستقرة على مدار العام. طالما أنها تتوافق مع الخصائص الأساسية المتمثلة في "ظروف إضاءة مناسبة، وحمل حراري مستقر، وموارد موقع كافية"، يمكن تحقيق أقصى استفادة من الطاقة الشمسية، وتقليل تكاليف تشغيل النظام إلى أدنى حد.

شركة BTE Solar هي شركة متكاملة الخدمات متخصصة في "تطبيقات الطاقة الحرارية النظيفة في جميع المجالات"، وتُكرّس جهودها لتطوير وتطبيق مصادر الطاقة النظيفة المختلفة، مثل الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية الأرضية وطاقة الهواء. وتُقدّم الشركة خدمات عالية الجودة في مجال الطاقة الحرارية والتدفئة والتبريد والطاقة الكهربائية، لتلبية احتياجات المباني، وتوفير التدفئة الصناعية، والزراعة، وتربية المواشي، والتجفيف، وبناء البنية التحتية الجديدة، وغيرها من المجالات. وبصفتها شركة وطنية رائدة ذات خصائص متخصصة ومبتكرة، تضم الشركة 16% من الباحثين، منهم 50% يتمتعون بخبرة تزيد عن 20 عامًا في هذا المجال. وقد حصلت الشركة على 117 براءة اختراع وحلًا رئيسيًا. كما تمتلك العديد من منصات البحث العلمي، مثل أكاديمية شاندونغ الإقليمية للعلوم وقاعدة شاندونغ الإقليمية للابتكار لما بعد الدكتوراه. وتُواصل الشركة تعزيز أبحاثها المعمقة في تقنيات مثل أنظمة الطاقة الحرارية والكهربائية المزدوجة، وأنظمة تخزين الطاقة عبر المواسم، وأنظمة نقل الطاقة، وأنظمة الاستخدام الذكي للطاقة، مما يُسهم في التكامل الفعال والتطور السريع لصناعة الطاقة الشمسية والطاقة الحرارية النظيفة.