هل يمكن لنظام التهوية مع استرداد الحرارة أن يوفر الطاقة للمباني؟

كيف يقلل نظام التهوية مع استرداد الحرارة من استهلاك الطاقة في المباني

فهم دور استرداد الحرارة في تقليل أحمال التدفئة والتبريد باستخدام أنظمة استرداد الطاقة

تُقلل أنظمة التهوية المزودة بتقنية استرداد الحرارة من احتياجات الطاقة من خلال نقل الطاقة الحرارية من الهواء الخارج إلى الهواء النقي الداخل. تعمل هذه الأنظمة، والمعروفة باسم وحدات استرداد الحرارة (HRVs) ووحدات استرداد الطاقة (ERVs)، من خلال مبادلات حرارية خاصة تلتقط حوالي 80 بالمئة من الحرارة المهدرة من هواء الغرفة الداخلي. ثم تُستخدم هذه الحرارة المستعادة لتسخين أو تبريد الهواء الخارجي قبل وصوله إلى نظام التكييف المركزي. وتُقدّر وزارة الطاقة الأمريكية أن هذه الأنظمة يمكن أن تحدث فرقًا كبيرًا، حيث تقلل الحاجة إلى دورة التسخين أو التبريد الكاملة. ونتيجة لذلك، يستخدم المباني حوالي 30 إلى 50 بالمئة أقل من الطاقة في عمليات التدفئة والتبريد والتكييف (HVAC) بشكل عام.

الحفاظ على الطاقة من خلال تبادل مستمر للهواء دون فقدان حراري

لا تقوم الأنظمة التقليدية للتبريد فقط بنفخ الهواء المعالج، بل تستهلك أطنانًا من الطاقة، في حين أن أنظمة استرداد الحرارة الحديثة تحافظ على هواء داخلي نقي دون السماح بضياع تلك الحرارة. وعندما يعمل النظام بشكل صحيح، فإنه يوازن بين تياري الهواء الداخل والخارج من خلال مكوّن خاص لمبادل حراري، يُصنع عادةً من مواد سيراميكية أو أنواع معينة من البوليمرات البلاستيكية. ويتم استرداد ما بين 60 إلى 90 بالمئة من الحرارة أثناء عملية التبادل هذه. ماذا يعني ذلك في التطبيقات الواقعية؟ إن المباني تخسر طاقة أقل بنسبة تتراوح بين النصف والثلاثة أرباع في تكاليف التهوية كل عام، وبالتالي يشعر الناس فعليًا بدرجات حرارة أكثر استقرارًا على مدار الفصول المختلفة، بدلًا من التعامل مع التقلبات الحرارية غير المريحة التي اعتدناها من الأنظمة القديمة.

كيف يقوم مبادلات الحرارة في أنظمة استرداد الحرارة (HRVs/ERVs) بشحن الهواء الداخل مسبقًا للحفاظ على استقرار درجة الحرارة الداخلية

خلال أشهر الشتاء، عندما تنخفض درجات الحرارة الخارجية إلى حوالي -5 درجات مئوية، يعمل النظام على سحب الحرارة من هواء العادم الدافئ (حوالي 20°م) إلى الهواء البارد الخارجي. والنتيجة هي هواء داخلي يكون قد سُخّن مسبقًا إلى نحو 11°م قبل دخوله المبنى. يؤدي هذا التبادل الحراري البسيط إلى تقليل كمية الطاقة التي تحتاجها الأسر المنزلية للتدفئة يوميًا، وتتراوح هذه التوفيرات بين 3 إلى 5 كيلوواط ساعة تقريبًا. أما في فصل الصيف، فإن العملية تنعكس. لا يزال يتم تطبيق نفس المبدأ، ولكن الآن يساعد في تبريد الهواء الحار جدًا القادم من الخارج من خلال نقل الحرارة الزائدة إلى تيار هواء العادم الخارج. وهذا يعني أن المباني تظل مريحة داخليًا دون الحاجة إلى تشغيل وحدات تكييف الهواء باستمرار طوال اليوم. ويلاحظ الناس فعليًا تحسنًا في استقرار درجات الحرارة داخل منازلهم، مع إنفاق أقل على فواتير أنظمة التدفئة والتبريد والتكييف الكبيرة في نهاية كل شهر.

بصيرة بيانات: متوسط تقليل استهلاك الطاقة للتدفئة والتبريد بنسبة 50–70% في المباني السكنية

تُظهر دراسات مؤسسة THESEF أن المباني السكنية المجهزة بأنظمة تهوية مع استرداد الحرارة تستهلك طاقة أقل بنسبة 50–70% للتدفئة والتبريد مقارنةً بالمباني التي تستخدم الأنظمة التقليدية. وفي المنازل السلبية، حيث تكون أنظمة استرداد الحرارة قياسية، غالباً ما تنخفض احتياجات التدفئة إلى أقل من 15 كيلوواط ساعة/م²/سنة—مما يمثل تقليلًا بنسبة 80% مقارنةً بالمنازل النموذجية.

أداء نظام التهوية مع استرداد الحرارة عبر مناخات مختلفة

تأثير أنظمة استرداد الحرارة على حجم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) والكفاءة الطاقية في المناخات الباردة

عندما تنخفض درجات الحرارة دون نقطة التجمد، تقلل أنظمة التهوية باسترجاع الحرارة (HRVs) من احتياجات التدفئة بنسبة تتراوح بين حوالي 38٪ إلى نصف تقريبًا، ما يعني أنه يمكن بناء أنظمة التدفئة والتبريد بأحجام أصغر وبكفاءة أعلى. إن تقنية مبادل الحرارة ذو التدفق المعاكس تقوم فعليًا بتسخين الهواء النقي الداخل بحوالي 8 إلى 12 درجة مئوية مقارنة بالهواء الخارجي، وبالتالي لم يعد المهندسون بحاجة إلى تركيب وحدات التسخين الكبيرة، وقد يوفرون بذلك ما يعادل طنًا أو طنين من المعدات مع تحقيق نتائج جيدة. وتُبقي ميزات التحكم الحديثة في التجمد هذه الأنظمة تعمل بسلاسة معظم الوقت، حتى في الأجواء شديدة البرودة، حيث تصل نسبة التشغيل إلى حوالي 89٪ عند درجة حرارة ناقص 25 مئوية. مما يجعل أنظمة استرداد الحرارة حلولًا عملية أيضًا في الأماكن التي تشهد ظروفًا شتوية قاسية. وتدعم دراسة نُشرت عام 2022 في مجلة Renewable and Sustainable Energy Reviews هذا الادعاء حول فعاليتها في المناخات القاسية.

فعالية التهوية باسترجاع الحرارة في المناخات الرطبة والمختلطة

تُظهر أنظمة التهوية المستعادة للطاقة (ERV) كفاءتها الحقيقية في المناطق الحارة والرطبة وأماكن الظروف الجوية المختلطة، لأنها تقوم بإدارة التحكم في درجة الحرارة وإزالة الرطوبة في آنٍ واحد. يمكن لهذه الوحدات تقليل الحاجة إلى التبريد الإضافي بنسبة تتراوح بين 18 و27 بالمئة بفضل قدرتها على نقل الرطوبة بشكل انتقائي من جهة إلى أخرى، ما يجعلها أكثر فعالية بكثير في الحفاظ على جفاف المساحات مقارنةً بالأنظمة العادية. وعند النظر تحديدًا إلى المناخات من النوع المتوسطي، فإن النماذج ذات النواة المزدوجة تعمل بفعالية كبيرة خلال الشهور الباردة باستعادة نحو 74% من الحرارة التي كانت ستُفقد في غير ذلك. وفي الوقت نفسه، تحافظ هذه الأنظمة على الهواء الداخلي من أن يصبح رطبًا جدًا خلال المواسم الأكثر دفئًا. وهذا أمر مهم لأن أنظمة تكييف الهواء القياسية غالبًا ما تهدر ما بين 20 و30% من الطاقة عندما تقوم بالتهوية الزائدة، وهي ظاهرة تحدث بشكل متكرر في العديد من المنازل والمباني.

دراسة حالة: توفير الطاقة في منزل سلبي في كندا باستخدام نظام التهوية المستعيد للحرارة (HRV) على مدى 12 شهرًا

تم تجديد منزل قديم في ساسكاتشوان ليصبح منزلًا سلبيًا مع جهاز تهوية يستعيد الحرارة يعمل بكفاءة تبلغ حوالي 92%. وقد خفض هذا التحديث فواتير التدفئة بنحو الثلثين، ما يعني توفير حوالي 1240 دولارًا سنويًا مقارنةً بالفترة التي كانت فيها مجرد مراوح عادمة عادية. وفقًا لأبحاث من مجلة Energy and Buildings، حافظ هذا المنزل على مستويات ثاني أكسيد الكربون دون 800 جزء في المليون، بينما قلّص الاستهلاك الكلي للطاقة بنسبة تقارب 42%. وهذا يُعدّ فعليًا تحسنًا بـ 31 نقطة مقارنة بالحد الأدنى المطلوب وفق معايير ASHRAE 62.2 لتهوية مناسبة. نتائج مذهلة جدًا بالنسبة لتحسين كبير كهذا من حيث الراحة وتوفير التكاليف.

تعظيم توفير الطاقة من خلال الدمج المبكر في تصميم المباني

تقليل حمل أنظمة التدفئة والتهوية والتكييف من خلال دمج نظام التهوية مع استرداد الحرارة خلال مرحلة التصميم

عندما يُدرج المهندسون المعماريون أنظمة التهوية باسترجاع الحرارة مباشرة في تصاميمهم منذ البداية، فإن المباني تشهد عادةً تحسنًا في أداء أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء بنسبة تتراوح بين 30 إلى 50 بالمئة مقارنةً بإضافة هذه الأنظمة لاحقًا. إن تنفيذ ذلك بشكل صحيح في المراحل المبكرة يعني أن المصممين يمكنهم تخطيط شبكة القنوات الهوائية بشكل مناسب وتحديد حجم مبادلات الحرارة بما يتماشى مع احتياجات المبنى الفعلية. أما المباني التي تُركَّب فيها هذه الأنظمة بعد البناء، فغالبًا ما تخسر كفاءة تتراوح بين 15 إلى 25 بالمئة لأن جميع العناصر لا تتلاءم معًا بنفس الكفاءة. ويُشير قسم الطاقة الأمريكي إلى أمر مشابه في موارد الطاقة الخاصة بالقبائل. فالمباني المزودة بأنظمة متكاملة بشكل سليم تحافظ على أداء عالٍ جدًا طوال الفصول المختلفة، حيث تظل كفاءتها بين 80 إلى 90 بالمئة حتى عندما تتغير درجات الحرارة الخارجية بشكل كبير.

تحليل الاتجاه: اعتماد التهوية باسترجاع الحرارة في المباني صفرية الطاقة

حوالي ثلثي جميع المباني ذات الطاقة الصفرية الصافية في جميع أنحاء البلاد تتضمن الآن أنظمة تهوية مع استرداد للحرارة، ويرجع ذلك بشكل كبير إلى الإرشادات الصادرة عن وزارة الطاقة بشأن التصميم الشامل للمباني. وعندما يدمج المقاولون هذه الأنظمة بشكل صحيح، يمكنهم تقليل احتياجات معدات التدفئة بنحو النصف في المناخات الباردة وتقليل متطلبات التبريد بنسبة تقارب الثلث في المناطق ذات الرطوبة العالية. وبالنسبة لل constructions المعتمدة كـ "منزل سلبي" على وجه التحديد، فإن تركيب وحدة استرداد الحرارة في مرحلة مبكرة يساعد على الحفاظ على جودة ممتازة للهواء الداخلي دون المساس بالسدود المحكمة اللازمة للكفاءة في استهلاك الطاقة. ويظل هذا التوازن بين تدوير الهواء النقي والحفاظ على غلاف محكم أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق تلك الأهداف الطموحة للوصول إلى صفر انبعاثات.