Passive Cooling and Heating University of Palestine College of Applied Engineering and Urban Planning Architecture Department Environmental Systems in Architecture Passive Cooling and Heating Instructor Name:

التبريد السلبي Passive Cooling- قبل ظهور تكنولوجيا التبريد، حافظ الناس في عملية التبريد في الاعتماد على الطرق الطبيعية مثل نسيم الهواء الذي يمر عبر الشبابيك، بخار الماء المنبعث من الأشجار والينابيع . هذه الأفكار تطورت منذ آلاف السنين كجزء متكامل من تصميم المبنى، وهو ما يعرف بالتبريد السلبي(Passive Cooling) باستخدام تقنية التبريد السلبي في المباني الحديثة يمكنك تقليل الحاجة للتبريد بطريقة ميكانيكية أو تقليل حجم المعدات المطلوبة. Definition: الهدفين الرئيسيين لعملية التبريد السلبي هي: 1- لمنع (استبعاد) عملية الكسب الحراري الغير مطلوب قدر الإمكان. Eexclude unwanted heat gains as much as possible. 2- إمكانية توليد طاقة التبريد قدر الإمكان. Generate cooling potential wherever possible The best use of natural resources efficient method of cooling appropriate for various hot climate types. الاستخدام الأمثل للموارد الطبيعية بهدف التبريد بطريقة فعالة تناسب مختلف أنواع المناخات الحارة.

أ. التعامل مع الإشعاع الشمسي Dealing with Solar Radiation 1- استثناءات(منع) الكسب الحراري Excluding Heat Gains هناك ثلاثة مصادر رئيسية لاكتساب الحرارة في فصل الصيف لابد من التعامل معها وهي: الإشعاع الشمسي المباشر . Solar Radiation ارتفاع درجات حرارة في الخارج . High outside Temperatures الكسب الحراري من الأشخاص الساكنين في المنزل . Internal heat Gains الإضاءة والمعدات. Lightings and Equipments أ. التعامل مع الإشعاع الشمسي  Dealing with Solar Radiation الحرارة غير المرغوب فيها من الإشعاع الشمسي يمكن أن تدخل فراغا إما مباشرة من خلال نافذة أو غير مباشر من خلال عناصر غير شفافة غلاف المبنى وارتفاع حرارة السطح الخارجي وزيادة التدفق الحراري عن طريق التوصيل. أفضل طريقة للتعامل مع ما سبق ذكره هو منعه من الوصول إلى سطح(غلاف) المبنى في المقام الأول ، ولكن يمكن استخدام مجموعة من التقنيات ما يلي : 1-وسائل التظليل : Shading Devices التغطيات المعلقة، العناصر الراسية أو الأفقية، والغطاء النباتي الكثيف ، كاسرات شمس خارجية ، أو شكل المبنى. 2- نظام السقف المزدوج:Double Roof Systems هو استخدام فراغ هوائي للتهوية بين سقف علوي معرض للإشعاع الشمسي وآخر داخلي (سفلي) للحماية.

Shading Devices Double Roof Systems

3- ألوان الأسطح: Surface Coloring استخدام ألون الأبيض أو ألوان الفاتحة حتى تعكس الإشعاع الساقط على السطح. 4- العزل:Insulation أي سطح خارجي يتعرض لكمية كبيرة من للإشعاع الشمسي في الصيف يجب أن يكون معزول حتى يقلل من انتقال الحرارة عبره.

نوع المادة المصنوعة منها الفتحة. 5- الفتحات :Openings والفتحات تؤثر بشكل كبير على النمط الحراري في داخل المبنى، وهي مصدر رئيسي من مصادر كسب الحرارة أو فقدها في داخل المبنى، لذلك فإن السيطرة والتحكم على الإشعاع الشمسي المار من خلالها له دور كبير في التحكم بنمط البيئة الداخلية وتوفير الارتياح الحراري للإنسان فيها سواء خلال كل أوقات السنة صيفاً كان ذلك أو شتاءً، وقد تتعارض الاحتياجات التصميمية والرغبة في زيادة الكسب الحراري أو تقليله مع الاحتياجات الحرارية في زيادة التهوية الطبيعية أو التحكم بها، أو في توفير إنارة طبيعية داخل المبنى مما يعقد مهمة المصمم ويجعلها أكثر صعوبة. وعند الحديث تصميم الفتحات تبرز عدة عناصر يجب دراستها وأخذها بعين الاعتبار وهي: موقع وتوجيه الفتحة. أبعاد وقياسات الفتحة. نوع المادة المصنوعة منها الفتحة. إن العناصر السابقة مترابطة ومتداخلة مع بعضها البعض بصورة كبيرة جداً مما يجعل من الصعوبة الحديث عن واحد منها دون الإشارة إلى العناصر الأخرى.

ب-التعامل مع درجات الحرارة المرتفعة في الخارج: Dealing with High outside Temperatures المصدر الرئيسي للطاقة الحرارية تكون من دخول الهواء الخارجي إلى المبنى هي من خلال: 1-التسرب (infiltration ) يدخل الهواء من خلال الشقوق والفتحات والعناصر المسامية في جسم المبنى. طريقة أحكام المبنى جيدا يمكن أن تتحكم بنصف كمية الهواء الداخلة للمبنى في الساعة، في معظم المباني يكون تغيير الهواء مرة إلى مرتين في الساعة . ويمكن التقليل من ذلك باستخدام : النوافذ والأبواب محكمة الإغلاق بأختام جيدة النوعية واستخدام مواد أقل مسامية في بناء النسيج (غلاف المبنى). -2التوصيل من خلال غلاف المبنى. الفرق بين درجة حرارة سطح المواد في الداخل والخارج هو القوة الدافعة الرئيسية وراء انتقال الحرارة بطريقة التوصيل. ويمكن منع هذا التسرب من خلال استخدام: المواد العازلة التقليل من مساحة الزجاج ج- التعامل مع الكسب الحراري الداخلي: Dealing with Internal heat Gains أبسط طريقة للتعامل مع الأحمال الحرارية الداخلية إزالتها من المكان. طرق للحد من هذه الأحمال : استخدام أضواء ذات كفاءة عالية ، وتقسيم المناطق.

2. إمكانية توليد التبريد Generating Cooling Potential في البداية تم التعامل مع كل المكاسب الغير مرغوب فيها (unwanted gains)، لكن غالبا ما يكون من الضروري توفير مزيد من البرودة في بعض الأشهر الحارة. يمكن للنظم التالية أن تكون فعالة جدا. أ-التبريد بالتبخر Evaporative Cooling قبل أن يتبخر الماء هناك فترة تمتص فيها الطاقة بدون زيادة في درجة الحرارة. هذه الطاقة تستخدم لتغيير الماء من سائل إلى بخار , وتعرف بـ الحرارة الكامنة للتبخر (latent heat of vaporisation). هذه الطاقة المستمدة من البيئة، مثل الهواء الحار عندما يمر فوق أحد أحواض المياه أو من خلال أوراق شجرة، ذلك له أثر في انخفاض درجة حرارة الهواء، مما يوفر تأثير التبريد. Evaporative Cooling

التبريد بالتبخر في كثير من الأحيان يستكمل مع الوسائل الميكانيكية ، مثل ضخ المياه ورشها مع وجود مروحة لزيادة تدفق الهواء. وعلى الرغم من إن هذه الأنظمة تحتاج إلى طاقة لتشغيلها, إلا إن استخدام الطاقة فيها أقل بدرجة كبيرة من استخدامها مع الحجم المماثل من أنظمة تكييف الهواء. ومع ذلك فإنه من الممكن أيضا استخدام هذه العملية في نظم التي لا تتطلب أي أجهزة إضافية أو طاقة للتشغيل.  

المنازل في العديد من البلدان الحارة مصممة حول فناء مركزي، مع نافورة صغيرة في المنتصف. تبخر الماء يبرد الهواء من حولها بشكل مباشرة، بحيث يصبح الهواء أثقل وينتقل إلى المساحات المحيطة بها. المنازل في منطقة الشرق الأوسط تستخدم ملاقف الهواء (wind-catchers) لإدخال النسيم من فوق المنزل إلى الفراغات الداخلية. في الجزء السفلي من هذه الملاقف توضع أواني فخارية مملوءة بالمياه. هذه الأواني تسمح بنفاذية المياه على جوانبها، بحيث تصبح مشبعة بالمياه، مما يتيح عملية التبخر عند تعرضها للهواء الحار.

ب - التهوية الطبيعية Natural Ventilation تبادل الهواء الداخلي الساخن مع الهواء الخارجي البارد هو مصدر واضح للتبريد في الصيف. في مناخات كثيرة ، ومع ذلك ، درجة حرارة الهواء في الخارج يمكن في كثير من الأحيان أن تكون قريبة أو أعلى بقليل من درجة الحرارة في الأماكن المغلقة. هذا لا يحول دون استخدام التهوية الطبيعية وزيادة سرعات الهواء المارة بالجسم حيث أنها يمكن تزيد من فعالية التعرق، وتبريد الجسم أكثر مما لو كان لا يزال محاطا بالهواء عند درجة حرارة أقل. وفي المناخات الحارة جدا غالبا ما يكون من الضروري منع أي شكل من أشكال التهوية خلال النهار. هناك عدة طرق لزيادة فعالية التبريد والتهوية الطبيعية في الهواء قبل أن يدخل إلى المبنى مثل : 1- دخول الهواء من منطقة مظللة جانب المبنى، بحيث يتم مروره في البداية من خلال مساحات واسعة من الغطاء النباتي أو بركة مياه للتبريد. 2- يتم تمرير الهواء خلال أنابيب تحت الأرض بحيث يفقد الهواء بعضا من الحرارة في السطوح التي يمر بها.

a: Wind Effect b: Stack Effect من أجل أن يتحرك الهواء من خلال أو حول الفراغ، ويجب أن يكون هناك بعض القوة الدافعة. وهذا يمكن أن يكون عن طريق فرق الضغط (تأثير الرياح) أو الفرق في درجة الحرارة . الحالة الأولى: الرياح تسبب زيادة الضغط في الجانب المواجه للريح وانخفاض الضغط على الجانب الأخر من المباني. و ليتعادل هذا الضغط سوف يدخل الهواء الخارجي، من أي فتحات مواجهة لمهب الريح، ويخرج من فتحات غير مواجه للريح. الحالة الثانية: الهواء الساخن (الذي هو أقل كثافة ) يرتفع ويخرج من فتحات في السقف، مما يؤدي إلى دخول الهواء البارد من خلال فتحات سفلية ليحل محله. ملاحظة: عندما تكون هناك فروق كبيرة بين درجات الحرارة الداخلية والخارجية يمكن استخدام طريقة (Stack Effect) بفاعلية.

شكل البناء والتشييد يحددان مدى التأثير لهذه القوى الطبيعية شكل البناء والتشييد يحددان مدى التأثير لهذه القوى الطبيعية. ويأتي هذا في الأساس من حجم وموقع مداخل ومخارج الهواء، فضلا عن القدرة على التقاط الهواء ( الملقف ). شكل البناء يمكن أن يصمم لتعزيز التهوية، وذلك باستخدام الأفنية، ممرات البناء الضيقة، المساقط المفتوحة على الطبيعة، وبمساعدة مداخن الشمس والرياح والواجهات المزدوجة. في النظم المختلطة، يمكن استخدام النوافذ المزودة بمحركات لتحقيق السيطرة على معدلات تغير الهواء والحد من الحمل الحراري.

التدفئة السلبيةPassive Heating الأهداف الرئيسية في التدفئة السلبية إلى ما يلي : 1. التقليل من فقدان الحرارة من جميع المناطق من المبنى. 2. الحصول على الحد الأقصى من الحرارة المكتسبة داخل كل الفراغات 1- تقليل فقدان الحرارة Minimising Heat Losses واحدة من المصادر الرئيسية لفقدان الحرارة في العديد من المباني هو تسرب الهواء(infiltration): الهواء الدافئ يخرج من الفتحات والشقوق العلوية، تاركاً الهواء البارد يدخل من الفتحات والشقوق السفلية، وبطريقة مماثلة لمنع تسرب الهواء البارد في الصيف . يمكن التقليل من خسائر التسلل عن طريق : إحكام المبنى(Airtight Construction ): إغلاق الشقوق والفجوات.(تقليل التسرب). تجنب الجسور الحرارية ((Avoiding Thermal Bridges : التي يمكن من خلالها انتقال الحرارة بسرعة مع مقاومة أقل, على سبيل المثال (سوء تصميم شبابيك الألمنيوم) مواد غير قابلة للاختراق: باستخدام مواد أقل مسامية في جسم المبنى. العزل الحراري الجيد (حوائط - أسقف). نوافذ محكمة: باستخدام طبقتين من الزجاج (مزدوج) في النوافذ.

2- زيادة الكسب الحراري Maximising Heat Gains تقنيات التدفئة السلبية عادة ما تقوم على جمع وتوزيع الطاقة الشمسية (solar energy )، التدفئة السلبية تتطلب الاستفادة من الإشعاع الشمسي ، والذي هو مهم جدا للتدفئة في فصل الشتاء. الطرق العامة لزيادة الكسب الحراري : أ- أنظمة الكسب المباشرة Direct Gains Systems الكسب المباشر يعني جمع واحتواء إشعاع الطاقة الشمسية داخل الحيز المطلوب. ضوء الشمس يدخل إلى الفراغ من خلال النوافذ ليصل إلى الأسطح الداخلية المواجهة له, مما يسبب وارتفاع درجات الحرارة في الأرضيات والجدران التي تقوم على امتصاص وتخزين وإعادة إشعاع الحرارة. استخدام مواد البناء المستخدمة ذات سعة حرارية عالية، فان كتلتها تخدم للحد من التقلبات في درجات الحرارة ليلا ونهارا ولتخزين الطاقة الحرارية في فترة غياب الشمس.

ب - أنظمة حائط ترومب Trombe Wall Systems: حائط ترومب سمي على اسم المخترع الفرنسي (Felix Trombe ) ، بسبب عمله عليه في أواخر 1950. جدار ترومب: هو بناء داكن اللون أو حائط خرساني له واجهة زجاجية بينهما مساحة صغيرة للهواء. الإشعاع الشمسي يمر عبر الزجاج ، ويتم امتصاصه من قبل الجدار. هذا الجدار يسخن خلال النهار ثم ينشر الدفء إلى الداخل خلال ساعات المساء والليل. ولكي يكون العمل مثالي يجب أن يكون للزجاج آلية إغلاق عازلة للحرارة من الخارج تستخدم ليلا من أجل منع الحرارة المكتسبة من إعادته مرة أخرى إلى الخارج. ويمكن أيضا أن توضع فتحات في الجدار للاستفادة من تيارات الحمل الحراري لزيادة حرارة الغرفة خلال النهار. A typical trombe-wall system

ج- نظام المدخنة الشمسية -Solar Chimney system جدار ترومب ربما يتطلب جهدا أقل من جميع نظم التصميم السلبي لتشغيله, ويعتبر مثاليا للفراغات التي تحتاج إلى الهدوء والخصوصية. إذ إنه يوفر معظم احتياجاتها من الحرارة خلال فترة المساء وساعات الليل ، وهو مثالي للاستخدام في غرف المعيشة وغرف النوم. ولكن من سلبياته صعوبة تنظيف المنطقة الداخلية بين الزجاج والجدار. حيث يجب توفير بعض الأنظمة لذلك. ج- نظام المدخنة الشمسية -Solar Chimney system وهي مشابه لنظام ترومب، حيث يمكن استخدامه لكلا التبريد والتدفئة السالبين، حيث يمكن الاستفادة من ارتفاع المبنى لتحفيز عملية خروج الهواء الساخن من الأعلى (stack effect ). A typical Solar Chimney system

د- الغرف الشمسية الملحقة Attached Sun Spaces (Conservatory) تعمل هذه الغرف بطريقة مماثلة لجدران لترومب ، إلا أن المسافة بين سطح الزجاج ومنطقة تجميع الحرارة كبيرا جداً لدرجة أنه يمكن استخدامه للسكن. الغرف الشمسية هي غرفة زجاجية ممكن أن تكون جزء من المبنى أو ملحقة به ولكنها مغلقة تماما. كما أنها عادة ما تسمى (Conservatories) البيوت الزجاجية. تدخل الشمس من خلال النوافذ التي تواجه خط الاستواء، وتتسبب بارتفاع درجة حرارة الغرفة. هذه الحرارة يتم توصيلها بالمبنى من الداخل لأغراض التدفئة. هنالك عدة تقنيات يمكن توظيفها لتخزين الحرارة، على سبيل المثال احتوائها على كتلة حرارية تخزن الحرارة خلال النهار وتطلقها خلال الليل. بشكل أساسي تسمح هذه المساحات الكبيرة من الزجاج بدخول أشعة الشمس المباشرة وزيادة حرارة الأسطح الداخلية. وخلال عملية تسخين هذه السطوح، فإنها تشع بعضا من هذه الحرارة في الهواء.

كل من الهواء المسخن والإشعاع الشمسي المباشر يعملان على رفع درجة حرارة التخزين الحراري في الجدار الفاصل بين الفراغ الداخلي والغرفة الشمسية. وبعد غروب الشمس، تغلق الفتحات التي تسمح بحركة الهواء لمنع عكس العملية. وعندما يبرد الهواء الداخلي للغرفة تبدأ الحرارة بالانتقال عبر الجدار السميك حتى تصل إلى السطح الداخلي، ويشع الحرارة لعدة ساعات بعد ذلك. و- بركة سقف Roof Ponds هي عبارة عن بركة للمياه فوق السطح يستفاد منها لموازنة درجات الحرارة في الفراغ السفلي في البيئات الباردة والحارة. ففي الليل يتم إزالة الغطاء العازل، حيث يتم فقدان كميات كبيرة من الحرارة عن طريق الإشعاع إلى السماء ليلا. وفي الصباح الباكر، ويتم إغلاق الغطاء العازل لحماية المياه من حرارة النهار والإشعاع الشمسي. خلال النهار تبقى المياه باردة نسبيا، وتعمل على تبريد سقف الفراغ الداخلي أسفلها. مما يؤثر بشكل فعال في تبريد الغرفة, حيث إن الهواء الدافئ دائما يرتفع إلى الأعلى، فيفقد حرارته على الفور عند اقترابه من السقف.

توضع هذه المياه عادة في أكياس سوداء أو داكنة اللون لزيادة الانبعاثات المشعة وتقليل التبخر. بركة السقف يمكن أن تستخدم أيضا لتوفير التدفئة. في هذه الحالة ، تخزين المياه فوق سطح يستخدم لامتصاص الأشعة الشمسية أثناء النهار. في الليل يتم إغلاقه بألواح العازلة للحرارة. The operation of roof pond system for passive cooling and heating