تكييف الهواء ، الذي يُشار إليه عادةً باسم A / C أو AC ، هو تقنية مهمة توفر الراحة الحرارية عن طريق إزالة الحرارة والتحكم في الرطوبة داخل مساحة مغلقة. يمكن تحقيق هذه العملية من خلال طرق مختلفة ، بما في ذلك مكيفات الهواء الميكانيكية والتبريد السلبي وتقنيات التبريد بالتهوية. يعد تكييف الهواء مكونًا أساسيًا لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) ، والتي تحافظ مجتمعة على بيئة داخلية مريحة. أثر الاستخدام الواسع لتكييف الهواء بشكل كبير على العمارة الحديثة وتصميم المباني ، مما سمح بإنشاء مباني ذات مخطط عميق وتمكين الناس من العيش في المناطق الأكثر حرارة بشكل مريح. ومع ذلك ، فقد أثار الطلب المتزايد على أجهزة تكييف الهواء مخاوف بشأن استهلاك الطاقة والأثر البيئي ، مما دفع إلى تطوير تقنيات تبريد مستدامة وبديلة (وكالة الطاقة الدولية ، 2018 ؛ الأمم المتحدة ، بدون تاريخ).

أنواع أنظمة التكييف

تتوفر أنواع مختلفة من أنظمة تكييف الهواء ، كل منها مصمم لتلبية الاحتياجات والتفضيلات الخاصة. أنظمة تكييف الهواء المركزية ، على سبيل المثال ، مثالية لتبريد المساحات الكبيرة وتتكون من وحدة خارجية ووحدة داخلية ومجاري لتوزيع الهواء المبرد في جميع أنحاء المبنى. من ناحية أخرى ، تعد الأنظمة المنقسمة مناسبة للغرف الفردية وتتألف من ضاغط خارجي ومعالج هواء داخلي. يمكن تصنيف هذه الأنظمة إلى أنظمة تقسيم صغير (بدون مجاري) وأنظمة متعددة الانقسام ، والتي تسمح بالتحكم المستقل في درجة الحرارة في غرف متعددة.

نوع آخر من أنظمة تكييف الهواء هو وحدة النافذة ، وهو نظام مدمج قائم بذاته مصمم لتبريد غرفة واحدة. مكيفات الهواء المحمولة متشابهة في الوظيفة ولكن يمكن نقلها بسهولة من غرفة إلى أخرى. تستخدم المبردات التبخرية ، المعروفة أيضًا باسم مبردات المستنقع ، عملية التبخر الطبيعية لتبريد الهواء وتكون فعالة بشكل خاص في المناخات الجافة. أخيرًا ، تستخدم أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية درجة حرارة الأرض المستقرة لتوفير كل من التدفئة والتبريد ، مما يجعلها خيارًا موفرًا للطاقة وصديقًا للبيئة.

مكونات وعمل مكيفات الهواء

تعمل مكيفات الهواء من خلال استخدام دورة تبريد بضغط البخار لإزالة الحرارة والرطوبة من مكان مغلق ، وبالتالي خلق بيئة أكثر راحة. تشمل المكونات الأساسية لنظام تكييف الهواء الضاغط والمكثف والمبخر وصمام التمدد. يقوم الضاغط بضغط مادة التبريد ، وهي مادة ذات قدرة عالية على امتصاص الحرارة ، وتحويلها إلى غاز عالي الضغط وعالي الحرارة. يتدفق هذا الغاز بعد ذلك إلى المكثف ، حيث يطلق الحرارة إلى البيئة المحيطة ، مما يتسبب في تكثف المبرد في سائل عالي الضغط. ثم يمر المبرد السائل عبر صمام التمدد ، مما يقلل من ضغطه ودرجة حرارته قبل دخول المبخر. في المبخر ، يمتص المبرد الحرارة من الهواء الداخلي ، مما يؤدي إلى تبخره وتبريد الهواء في العملية. ثم يتم تدوير الهواء المبرد في جميع أنحاء المكان ، بينما يعود غاز التبريد منخفض الضغط إلى الضاغط لتكرار الدورة (ASHRAE ، 2017 ؛ وزارة الطاقة الأمريكية ، nd).

التبريد السلبي وتقنيات التبريد بالتهوية

التبريد السلبي وتقنيات التبريد بالتهوية هي بدائل مستدامة لأنظمة تكييف الهواء التقليدية ، بهدف تقليل استهلاك الطاقة والتأثير البيئي. يشير التبريد السلبي إلى استخدام تصميمات ومواد البناء للحفاظ على درجات حرارة داخلية مريحة دون الاعتماد على الأنظمة الميكانيكية. يمكن تحقيق ذلك من خلال طرق مختلفة ، مثل التوجيه الصحيح للمبنى ، وأجهزة التظليل ، والكتلة الحرارية ، والتهوية الطبيعية. من ناحية أخرى ، يركز التبريد بالتهوية على الاستخدام الاستراتيجي لتدفق الهواء الطبيعي لإزالة الحرارة الزائدة من المبنى. يمكن تحقيق ذلك من خلال تقنيات مثل التهوية المتقاطعة ، وتأثير المداخن ، ومصائد الرياح. تم استخدام كل من أساليب التبريد السلبي والتهوية في العمارة التقليدية لعدة قرون ويتم الآن إحياؤها وتكييفها مع تصاميم المباني الحديثة لتعزيز كفاءة الطاقة والاستدامة (Kleerekoper، van Esch، & Salcedo، 2012؛ Santamouris، 2014).

التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

تعد أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) جزءًا لا يتجزأ من تصميم المبنى الحديث ، حيث توفر الراحة الحرارية وجودة الهواء الداخلي المقبولة للركاب. تنظم هذه الأنظمة درجة الحرارة والرطوبة ودوران الهواء داخل المبنى ، مما يضمن بيئة مريحة وصحية. تتكون أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) عادةً من مكون تسخين ، مثل الفرن أو المرجل ، ومكون التبريد ، مثل مكيف الهواء أو مضخة الحرارة ، ومكون التهوية ، والذي يمكن أن يكون ميكانيكيًا أو طبيعيًا. تعمل مكونات التدفئة والتبريد معًا للحفاظ على درجة الحرارة الداخلية المرغوبة ، بينما يساعد مكون التهوية على إزالة الملوثات والروائح والرطوبة الزائدة من الهواء الداخلي. يمكن تصميم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء لتكون موفرة للطاقة وصديقة للبيئة ، مع دمج التقنيات المستدامة مثل الألواح الشمسية ومضخات الحرارة الجوفية ومراوح استعادة الطاقة. يعد التصميم المناسب لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء وتركيبها وصيانتها أمرًا بالغ الأهمية لأدائها الأمثل وطول عمرها ، فضلاً عن رفاهية ركاب المبنى (ASHRAE ، 2017 ؛ وزارة الطاقة الأمريكية ، 2020).

مضخات حرارية ومضخات حرارية لمصدر الهواء

تعد المضخات الحرارية ومضخات الحرارة بمصدر الهواء أنظمة موفرة للطاقة توفر التدفئة والتبريد للأماكن المغلقة. تعمل المضخات الحرارية عن طريق نقل الحرارة من مكان إلى آخر ، باستخدام مبادئ التبريد بضغط البخار. في وضع التسخين ، يستخرجون الحرارة من الهواء الخارجي أو الأرض وينقلونها إلى الداخل ، بينما في وضع التبريد ، يزيلون الحرارة من الهواء الداخلي ويطلقونها في الهواء الطلق. تعتمد المضخات الحرارية لمصدر الهواء ، وهي نوع محدد من المضخات الحرارية ، فقط على الهواء الخارجي كمصدر حراري أو بالوعة. اكتسبت هذه الأنظمة شعبية في السنوات الأخيرة ، لا سيما في المناخات الأكثر برودة ، نظرًا لقدرتها على توفير تدفئة وتبريد فعالين مع تأثير بيئي أقل مقارنة بأنظمة HVAC التقليدية (وكالة الطاقة الدولية ، 2018). مع تزايد الطلب على تقنيات التبريد المستدامة والبديلة ، من المتوقع أن تلعب المضخات الحرارية والمضخات الحرارية لمصدر الهواء دورًا مهمًا في مستقبل تكييف الهواء وتصميم المباني (الأمم المتحدة ، الثانية).

استهلاك الطاقة والأثر البيئي

يعد استهلاك الطاقة لأنظمة تكييف الهواء مصدر قلق كبير ، حيث أنها تمثل ما يقرب من 20 ٪ من استخدام الكهرباء العالمي في المباني (الوكالة الدولية للطاقة ، 2018). يساهم هذا الطلب المرتفع على الطاقة في زيادة انبعاثات غازات الاحتباس الحراري ويؤدي إلى تفاقم تغير المناخ. علاوة على ذلك ، تم العثور على المبردات المستخدمة في أنظمة تكييف الهواء ، مثل مركبات الكربون الكلورية فلورية (CFCs) ومركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية (HCFCs) ، تسبب ضررًا لطبقة الأوزون ، بينما تساهم مركبات الهيدروفلوروكربون (HFCs) في الاحترار العالمي (الأمم المتحدة ، و). يشكل إطلاق هذه المبردات في الغلاف الجوي ، غالبًا أثناء الإصلاحات ، تهديدًا بيئيًا كبيرًا. لمعالجة هذه المشكلات ، تم تشجيع استخدام تقنيات التبريد البديلة ، مثل التبريد السلبي والتبريد التبخيري والعزل الحراري الأفضل. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام المبردات الهيدروفلورية (HFO) ، التي تتمتع بقدرة أقل على الاحترار العالمي وإمكانية استنفاد طبقة الأوزون ، أصبح أكثر انتشارًا في المعدات الجديدة

تقنيات التبريد المستدامة والبديلة

اكتسبت تقنيات التبريد المستدامة والبديلة مكانة بارزة في السنوات الأخيرة بسبب المخاوف المتزايدة بشأن استهلاك الطاقة والتأثير البيئي لأنظمة تكييف الهواء التقليدية. أحد هذه التقنيات هو التبريد السلبي ، والذي يستخدم تصميم ومواد البناء للحفاظ على درجات حرارة داخلية مريحة دون الحاجة إلى أنظمة ميكانيكية. يمكن تحقيق ذلك من خلال تقنيات مثل التهوية الطبيعية والتظليل والكتلة الحرارية. البديل الآخر هو التبريد التبخيري ، والذي يعتمد على العملية الطبيعية لتبخير الماء لتبريد الهواء ، مما يستهلك طاقة أقل بكثير مقارنة بأنظمة تكييف الهواء التقليدية.

يمكن أن يساعد التظليل الانتقائي ، وهو أسلوب يتضمن وضع ظلال أو ستائر بشكل استراتيجي لحجب أشعة الشمس المباشرة ، على تقليل درجات الحرارة في الأماكن المغلقة واستهلاك الطاقة. يمكن دمج مصدات الرياح ، وهي ميزة معمارية قديمة ، في المباني الحديثة لتعزيز التهوية الطبيعية والتبريد. علاوة على ذلك ، يمكن أن يؤدي تحسين العزل الحراري في المباني إلى تقليل الحاجة إلى تكييف الهواء عن طريق تقليل انتقال الحرارة بين البيئات الداخلية والخارجية. مع استمرار تزايد الطلب على حلول التبريد الموفرة للطاقة والصديقة للبيئة ، من المتوقع ظهور تقنيات أكثر ابتكارًا واستدامة في المستقبل (وكالة الطاقة الدولية ، 2018 ؛ الأمم المتحدة ، 2019).

تاريخ تكييف الهواء والتقنيات السلبية

يمكن إرجاع تاريخ تكييف الهواء إلى الحضارات القديمة ، حيث تم استخدام تقنيات التبريد السلبي للحفاظ على بيئات داخلية مريحة. استخدم المصريون القدماء ، على سبيل المثال ، أساليب تكييف الهواء السلبية في تصاميمهم المعمارية ، والتي انتشرت لاحقًا عبر شبه الجزيرة الأيبيرية ، وشمال إفريقيا ، والشرق الأوسط ، وشمال الهند [8] [9]. ظلت هذه التقنيات السلبية شائعة حتى القرن العشرين عندما بدأت أنظمة تكييف الهواء التي تعمل بالطاقة في السيطرة على السوق. ومع ذلك ، أدت الدراسات الهندسية الحديثة للمباني التقليدية إلى عودة الاهتمام بطرق التبريد السلبي ، والتي يتم الآن تكييفها ودمجها في التصاميم المعمارية الحديثة [20] [10].

بدأ تطوير أنظمة تكييف الهواء الحديثة في القرن التاسع عشر باختراع التبريد الميكانيكي. في عام 19 ، اخترع ويليس كاريير أول وحدة تكييف هواء كهربائية ، والتي وضعت الأساس لصناعة تكييف الهواء المعاصرة. على مر السنين ، أدت التطورات في التكنولوجيا إلى إنشاء أنظمة تكييف هواء أكثر كفاءة وصديقة للبيئة ، بما في ذلك استخدام المبردات البديلة وإدماج ميزات توفير الطاقة. مع استمرار تزايد الطلب على حلول التبريد المستدامة ، من المتوقع أن يلعب دمج تقنيات التبريد السلبي والتقنيات المبتكرة في أنظمة تكييف الهواء دورًا مهمًا في تشكيل مستقبل الصناعة [1902].

التنمية والاكتشافات السابقة

يمكن إرجاع تطور أنظمة تكييف الهواء الحديثة إلى العديد من الاكتشافات والابتكارات الرئيسية. في عام 1558 ، وصف جيامباتيستا ديلا بورتا طريقة لتبريد الجليد إلى درجات حرارة أقل بكثير من درجة التجمد عن طريق مزجه مع نترات البوتاسيوم في كتابه Natural Magic (Porta ، 1558). لاحقًا ، في عام 1620 ، أظهر كورنيليس دريبل "تحول الصيف إلى شتاء" لجيمس الأول ملك إنجلترا عن طريق تبريد جزء من القاعة الكبرى في دير وستمنستر باستخدام جهاز من الأحواض والأحواض (بيكون ، 1620). في عام 1758 ، أجرى بنجامين فرانكلين وجون هادلي تجربة لاستكشاف مبدأ التبخر كوسيلة لتبريد الجسم بسرعة ، مؤكدين أن تبخر السوائل شديدة التقلب يمكن استخدامه لخفض درجة حرارة الجسم بعد نقطة التجمد. الماء (فرانكلين وهادلي ، 1758). أرست هذه الاكتشافات المبكرة الأساس لتطوير أنظمة تكييف الهواء الحديثة ، والتي تطورت منذ ذلك الحين لتشمل التقنيات والمواد المتقدمة ، مما يتيح حلول تبريد أكثر كفاءة واستدامة لمجموعة واسعة من التطبيقات.

التكييف في العمارة الحديثة وتصميم المباني

أصبحت أنظمة تكييف الهواء جزءًا لا يتجزأ من الهندسة المعمارية الحديثة وتصميم المباني ، حيث إنها تساهم بشكل كبير في الراحة الشاملة وكفاءة الطاقة في الهيكل. يتعاون المهندسون المعماريون والمهندسون لدمج أنظمة تكييف الهواء في عملية التصميم ، مع مراعاة عوامل مثل اتجاه المبنى والعزل ووضع النوافذ وأجهزة التظليل لتحسين التهوية الطبيعية وتقليل الاعتماد على أنظمة التبريد الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام التقنيات المتقدمة ، مثل نمذجة معلومات البناء (BIM) ، يسمح بمحاكاة وتحليل تكوينات تكييف الهواء المختلفة لتحقيق الحلول الأكثر كفاءة واستدامة.

في السنوات الأخيرة ، كان هناك تركيز متزايد على دمج التبريد السلبي وتقنيات التبريد بالتهوية في تصميمات المباني لتقليل استهلاك الطاقة والأثر البيئي. تتضمن هذه الاستراتيجيات استخدام الكتلة الحرارية والتهوية الطبيعية وأجهزة التظليل لتنظيم درجات الحرارة في الأماكن المغلقة دون الحاجة إلى أنظمة تكييف الهواء الميكانيكية. علاوة على ذلك ، أصبح اعتماد أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء الموفرة للطاقة ، مثل المضخات الحرارية لمصدر الهواء ، وتنفيذ تقنيات التبريد المستدامة والبديلة ، منتشرًا بشكل متزايد في تصميمات المباني الحديثة لمعالجة الشواغل العالمية المتعلقة باستهلاك الطاقة وتغير المناخ (وكالة الطاقة الدولية ، 2018 ؛ الأمم المتحدة ، و).

الاتجاهات والابتكارات المستقبلية في مجال تكييف الهواء

تركز الاتجاهات والابتكارات المستقبلية في مجال تكييف الهواء بشكل أساسي على تعزيز كفاءة الطاقة وتقليل التأثير البيئي. أحد هذه الابتكارات هو تطوير أنظمة تكييف الهواء التي تعمل بالطاقة الشمسية ، والتي تسخر الطاقة الشمسية لتشغيل عملية التبريد ، مما يقلل بشكل كبير من استهلاك الكهرباء وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري (Li et al. ، 2017). بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام مواد تغيير الطور (PCMs) في تصميم المباني يكتسب قوة دفع ، حيث يمكن لهذه المواد تخزين الطاقة الحرارية وإطلاقها ، وبالتالي تقليل الاعتماد على أنظمة تكييف الهواء الميكانيكية (كوزنيك وآخرون ، 2011). علاوة على ذلك ، من المتوقع أن تؤدي التطورات في تكنولوجيا الاستشعار ودمج الذكاء الاصطناعي (AI) في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء إلى تحسين استهلاك الطاقة وتحسين جودة الهواء الداخلي (شيخ وآخرون ، 2016). أخيرًا ، من المتوقع أن يؤدي اعتماد المبردات البديلة ذات القدرة المنخفضة على الاحترار العالمي (GWP) وإمكانية استنفاد الأوزون الصفرية (ODP) إلى التخفيف من الأثر البيئي لأنظمة تكييف الهواء (Zhang et al. ، 2017).