استفاده از انرژی خورشیدی در رفع محدودیت منابع انرژی ساختمان

کمبود شدید منابع و تخریب روزافزون محیط‌زیست باعث شده است تا استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر خصوصاً انرژی خورشید توجهات زیادی را به خود جلب کند. به همین دلیل بسیاری از کشورها به دنبال استفاده از فناوری‌های نوین و همچنین انرژی‌های تجدیدپذیری هستند که کمترین آسیب را به محیط‌زیست وارد کند.

1- انرژی خورشید و مواد تغییرفاز دهنده

جهت بهره‌گیری از انرژی خورشید در صنعت ساخت، ماده تغییرفازدهنده (Phase Change Material) که به‌اختصار PCM بیان می‌شود، به‌عنوان ماده‌ای که توانایی جذب انرژی و دمای محیط را دارد و آن را ذخیره نموده و در فرایند طبیعی انرژی ذخیره شده را آزاد می‌نماید، امروزه به‌عنوان یکی از راهکارهای بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان موردتوجه زیادی قرار گرفته است. در این مقاله قصد داریم به بررسی مطالعات انجام شده، توسط Mengjie و همکاران که پیشرفت‌های حاصل شده دررابطه‌با مواد تغییرفازدهنده بین سال‌های 2004 الی 2017 را مورد بررسی قرار داده، بپردازیم ([1]).
مواد تغییر فاز دهنده موادی هستند که توانایی ذخیره گرمای نهان را دارند. انتقال انرژی گرمایی زمانی اتفاق می‌افتد که ماده از حالت جامد به مایع و برعکس تغییر حالت یا فاز می‌دهد. باتوجه‌به ویژگی‌های حرارتی مواد تغییرفازدهنده، در صنایع و زمینه‌های مختلف مورداستفاده قرار گرفته‌اند که بعضی از آن‌ها عبارت‌اند از:
الف – پوشش ساختمان؛
ب – صنعت ذخیره‌سازی انرژی حرارتی (TES)؛
پ – مدیریت حرارتی باتری؛
ت – تنظیم پیک برق قدرت؛
ث – الیاف هوشمند حرارتی؛
ج – لباس و غیره.

شکل 1. عملکرد انرژی ساختمان.

در واقع PCMهای جامد - مایع همانند سایر مواد ابتدا با جذب گرما، افزایش دما می‌دهند. اما زمانی که به نقطه ذوب رسیدند، علی‌رغم افزایش دما در محیط، در یک بازه زمانی که بستگی به نوع ماده PCM دارد، گرمای جذب شده توسط ماده صرف تغییر فاز آن شده و درنتیجه دمای آنها و دمای محیط اطراف آنها تغییر نمی‌کند و ثابت باقی می‌ماند.
این فرایند در زمان سرد شدن هوا و تبدیل ماده از حالت مایع به جامد هم صادق است. بدین ترتیب با تغییر بیشینه حرارتی (کاهش پیک) و تغییر زمانی آن کاهش نوسانات دمایی و افزایش آسایش حرارتی در فضای داخلی ساختمان رخ می‌دهد.
مواد تغییرفازدهنده قادر هستند نسبت به موادی مانند آب، سنگ، بتن و غیره از 5 تا 14 برابر بیشتر در واحد حجم خود گرما ذخیره نمایند. این مواد همچنین در تجهیزات حرارتی و برودتی و نیز تهویه طبیعی ساختمان کاربرد دارند و مطابق با فرایندی که در بالا توضیح داده شد به بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان کمک می‌کنند.

شکل 2. سقف مجوف بتنی که حفره های آن با PCM پر شده است.

در مصارف ساختمانی مواد تغییرفازدهنده به شکل میکرو کپسول، صفحات پلاستیکی و پانل‌های پلی‌اتیلنی با دانسیته بالا وجود دارند و در پوسته، کف، سقف و جداره‌های ساختمان به کار می‌روند و می‌توانند به‌عنوان شیشه در نمای ساختمان نیز مورد استفاده قرار گیرند. دمای تغییر فاز PCMهایی که در پوسته ساختمان به کار می‌روند 10 تا 39 درجه سانتیگراد و برای موادی که در تجهیزات حرارتی و برودتی به کار می‌روند از 15.4 تا 77 درجه سانتیگراد متغیر است.
پارافین و اسیدهای آلی عمدتاً مواد تغییر فاز هستند که در پوشش‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند. با افزایش بالقوه جرم حرارتی، پوشش‌های مواد نه‌تنها نرخ انتقال حرارت را در ساعات اوج کاهش می‌دهند، بلکه نوسانات نسبتاً بزرگ دمای داخلی را نیز با کاهش روبرو می‌نمایند. سیستم‌های خنک‌کننده، گرمایش و تهویه با مواد تغییر فاز، همراه سیستم ذخیره انرژی حرارتی ارائه می‌شوند. برخی از آن‌ها عبارتند از:
الف- ذخیره سرما برای سیستم خنک‌کننده؛
ب- تأمین نیازهای حرارتی برای یخ‌زدایی در واحدهای پمپ حرارتی منبع هوا؛
پ- صرفه‌جویی در حرارت خورشیدی در ظهر برای استفاده در شب و غیره.

شکل 3. شماتیک سیستم های گرمایش الکتریکی PCM.

2- نتیجه‌گیری

به طور خلاصه مواد تغییرفازدهنده در یک دامنه دمایی ثابت دارای قابلیت تغییر فاز هستند. در طول این مدت، در مقابل افزایش و یا کاهش شدید دما مقاومت می‌کنند، لذا دمای سطح آنها و درنتیجه دمای محیط اطراف آنها تغییر نمی‌کند. این خاصیت مهم این مواد همانند سایر راهکارهای غیرفعال انرژی در تنظیم شرایط محیطی ساختمان، باعث کاهش مصرف انرژی جهت دستیابی به آسایش حرارتی ساکنین می‌شود.

- جهت مطالعه بیشتر،  نسخه PDF مقاله‌ای جهت دانلود قرار داده شده است.

جایگاه این مبانی در آموزش های موسسه ACEMI

در نقشه راه جامع موسسه مهندسی و مدیریت ساخت علوی پور، در سطح مهارت های سخت، دوره ای با عنوان (مدیریت پایداری پروژه) به صورت جامع ارائه شده است که بسیاری از این مبانی را در بر میگیرد. همچنین، دوره های "برنامه ریزی، زمانبندی، ارزیابی و کنترل پروژه" و "اجرا و مدیریت پروژه به روش اصول ناب"پیش نیازهای اصلی این دوره هستند. به جهت آشنایی با سایر دوره ها و تاریخ برگزاری آن ها می توانید به بخش تقویم آموزشی موسسه مهندسی و مدیریت ساخت علوی پور مراجعه نمایید.

[1] Mengjie, S. Fuxin, N. Ning, M. Yanxin, H. Shiming, D. 2018. Review on building energy performance improvement using phase change materials. Energy and Buildings.