تحليل ترموديناميكي واقتصادي قائم على الإكسارجو لنظام تبريد بالامتصاص بمساعد شمسية LiBr/H₂O مع تخزين حراري ثلاثي الطبقات

لماذا تحتاج المباني الأبرد إلى طاقة شمسية أذكى

مع ارتفاع درجات الحرارة الصيفية وتحسّن مستويات المعيشة وزيادة الطلب على التكييف، خصوصاً في المناطق المشمسة، أصبح الحفاظ على راحة السكان دون تحميل شبكات الكهرباء عبئاً زائداً تحدياً ملحاً. تستكشف هذه الدراسة طريقة ذكية لتحويل ضوء الشمس الوفير إلى تبريد موثوق، باستخدام نظام تبريد يستهلك القليل من الكهرباء لكنه يستمد الطاقة من الحرارة. من خلال الجمع بين مجمّعات شمسية، وخزان مياه ساخنة متعدد الطبقات، وجهاز نفاث متخصص، يبيّن الباحثون كيف يمكن توفير تبريد المباني بكفاءة أعلى وتكلفة أقل مقارنة بمبرّد الامتصاص الشمسي التقليدي.

طريقة مختلفة لتوليد البرودة

تعتمد معظم مكيفات الهواء على ضواغط كهربائية، التي تجهد الشبكة وتعتمد بشكل غير مباشر على الوقود الأحفوري. يعمل النظام الذي فُحص هنا بشكل مختلف: فهو يستخدم الحرارة بدلاً من الكهرباء كقوة دافعة رئيسية. يعمل خليط بروميد الليثيوم والماء كسائل عامل في دورة تبريد بالامتصاص يمكن تشغيلها بماء ساخن من المجمعات الشمسية. ويرتقي المؤلفون خطوة أبعد بدمج نفّاث فوق صوتي—مكوّن بلا أجزاء متحركة يستخدم نفاثة سريعة السرعة لسحب وضغط تيار آخر. يستعيد هذا النفّاث طاقة كانت ستضيع خلاف ذلك، مما يساعد على تقليل كمية الحرارة المطلوبة لتشغيل الدورة. يخزن خزان تخزين حراري ثلاثي الطبقات، يمدّه مجمّعات شمسية بأنابيب مفرغة، حرارة الشمس مفصولة بذكاء إلى مناطق ساخنة ودافئة وباردة بحيث يستمر النظام في العمل بسلاسة مع تغيّر أشعة الشمس طوال اليوم.

كيف تتعاون الشمس والتخزين والنفّاث

في الترتيب المقترح، تسخّن أشعة الشمس الماء في مجمّعات شمسية على السطح، والذي يغذي بعد ذلك خزان تخزين رأسي مقسّم إلى ثلاث طبقات حرارية. يتجمّع الماء الأشد سخونة في الأعلى حيث يزوّد مولد مبرّد الامتصاص بالحرارة الثابتة؛ وتعمل الطبقة الوسطى كعازل، ويستقر الماء الأبرد في الأسفل. تقلل هذه الطبقات من تقلبات الحرارة وتستغل المورد الشمسي بشكل أفضل. يمتص محلول بروميد الليثيوم ويطلق بخار الماء أثناء دورانه بين المولّد والممتص والمكثف والمبخر، مكوّناً مياهاً باردة لتبريد المباني. يُدخل النفّاث مكان صمام تمدد بسيط بحيث بدلاً من السماح بانخفاض الضغط وتبدّد الطاقة، يساعد تيار عالي السرعة على سحب بخار أقل ضغطاً وإعادة ضغطه جزئياً، مما يخفف عبء العمل على المكونات الأخرى ويحسّن الكفاءة العامة.

قياس الأداء والتكلفة

لتحديد الفوائد، بنى الباحثون نموذجاً حاسوبياً مفصلاً يتتبّع الكتلة والطاقة وجودة الطاقة في كل جزء من أجزاء النظام. استخدموا بيانات الطقس الحقيقية بالساعة من كابول، أفغانستان، وهي مدينة تتعرّض لشمس قوية صيفاً وتتمتع بطلب تبريد مرتفع، ليروا كيف سيتصرف النظام في يوم صيفي صافٍ نموذجي. إلى جانب تقييم مقاييس الكفاءة العادية مثل معامل الأداء (كمية التبريد المنتجة لكل وحدة حرارة مدخلة)، درسوا أيضاً الإكسارجو، الذي يعكس مقدار الطاقة المدخلة المتبقية مفيدة حقاً بعد الخسائر، وحوّلوا هذه الرؤى التقنية إلى مصطلحات مالية. من خلال إسناد تكاليف للمعدات ولنوعية الطاقة المتدفقة عبر النظام، تمكنوا من تقييم ليس فقط مدى فعالية النظام في التبريد، بل وأيضاً جدواه الاقتصادية على مدى عمره التشغيلي.

ماذا تكشف الأرقام

تُظهر النتائج أن الجمع بين المجمّعات الشمسية والتخزين المتدرج والنفّاث يعزز الأداء بشكل ملحوظ بالمقارنة مع مبرّد امتصاص شمسي أبسط. تحت ضوء شمس قوي عند الظهيرة حوالي 973 واط لكل متر مربع، يصل الترتيب المحسّن إلى معامل أداء قدره 0.74 ومقياس أداء شمسي بقيمة 0.58. يزيد إضافة النفّاث من كفاءة التبريد بنحو 12 إلى 13 بالمئة ويحسّن جودة استخدام الطاقة بحوالي 11 بالمئة، مع خفض تكلفة الاستثمار الإجمالية بنحو 9 بالمئة تقريباً. يحافظ خزان التخزين ثلاثي الطبقات على فروق حرارية حادة تزيد عن 20 درجة مئوية بين المناطق الأشد سخونة والأبرد عند الظهيرة، موفراً مصدر حراري مستقر للمولّد حتى مع تقلب الظروف الخارجية. كما تحدد دراسات التحسين درجة حرارة المولّد وسلوك الشفط في النفّاث كعوامل رئيسية لموازنة الكفاءة والتكلفة.

ما يعنيه هذا لتبريد المستقبل

لغير المتخصصين، الرسالة الرئيسية هي أن إعادة تصميم كيفية تحريك الحرارة داخل نظام التبريد بعناية يمكن أن تجعل تكييف الهواء المدفوع بالطاقة الشمسية أكثر عملية وبأسعار معقولة. من خلال تخزين حرارة الشمس في خزان طبقي وإعادة تدوير انخفاضات الضغط عبر نفّاث، يقدم هذا المفهوم تبريداً أكثر من نفس كمية ضوء الشمس مع تقليص تكاليف المعدات والتشغيل. إذا تم تطوير ونشر مثل هذه الأنظمة على نطاق واسع، فقد تساعد المناطق المشمسة والمقيدة بالطاقة في تلبية احتياجاتها المتزايدة من التبريد مع انبعاثات أقل واعتماد أقل على مكيفات تقليدية تستهلك الكثير من الكهرباء.

الاستشهاد: Chammam, A., Abbood, R.S., Majid, S.H. et al. Thermodynamic and exergoeconomic analysis of a solar-assisted LiBr/H₂O ejector–absorption refrigeration system with triple-layer thermal storage. Sci Rep 16, 9435 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41158-2

الكلمات المفتاحية: تبريد شمسي, تَبريد بالامتصاص, تخزين الطاقة الحرارية, تقنية النفّاث, كفاءة الطاقة