بالعربي

التدفئة المركزية (Central heating)

توفر التدفئة المركزية الدفء للمبنى الداخلي (أو لجزء من المبنى) انطلاقاً من نقطة معينة إلى جميع أرجاء المبنى.عندما ترفق التدفئة المركزية بأنظمة أخرى للتحكم بالمناخ الداخلي للمبنى،حينها يدعى النظام بأكمله:HVAC(heating, ventilation, and air conditioning: أي نظام التدفئة، التهوية والتكييف).

نظرة عامة

التدفئة الاعتياديةتختلف عن التدفئة المركزية بمكان توليد الطاقة/الحرارة، حيث لا يشترط أن يكون توليد الطاقة في المركز الجغرافي للمكان بل في أي غرفة داخل المبنى (كغرفةالمرجل(البويلر) في المنازل أو الغرفة المكانيكية في المباني الضخمة). الحرارة توزع إلى أرجاء المبنى عبر مجالات عدة: كالهواء المسيّر في  أنابيب مجرى الهواء، أو من خلال تغذية الأنابيب بالماء أو البخار، حيث تنتقل الحرارة من تلك الأنابيب إلى أرجاء المكان.

أكثر الطرق المتداولة في توليد الطاقة/الحرارة هي حرق الوقود الأحفوري داخل فرن أومرجل (بويلر(. يزداد استخدام الطاقة الشمسية أيضاً في هذا المجال كوسيلة لإنتاج الطاقة، حيث توزع الحرارة الناتجة من خلال تسخين المياة فيالأنابيب.

منذ الحرب العالمية الثانية، بدأ استخدام التدفئة المركزيةداخل المنازل الجديدة في المناطق ذات المناخ المعتدل، حيث تعتمد تلك المناطق على سخانات الغاز، تدفئة المقاطعة، النظام الذي يعتمد على حرق النفط أو أنظمة الهواء الساخن. بينما في المباني الضخمة، يتم استخدام أنظمة بخار الماء التي تعمل على الفحم، الوقود أو الغاز. أما بالنسبة لنظام التدفئة الكهربائي، فهو النظام الأفل استخداماً بسبب تكلفة الكهرباء الباهظة ولذلك فهو غير عملي ويستخدم فقط في المناطق التي تكون فيها تعرفة الكهرباء منخفضة أو عند استخدام المضخات التي تعتمد على الأرض كمصدر للحرارة في فصل الشتاء ((ground source heat pumps.إن الكفاءة الكلية لنظام محطة التوليد المركزي والكهربائي مجتمعان أقل من الاستخدام المباشر للوقود الأحفوري لأغراض التدفئة .

 

تاريخ التدفئة المركزية

روما القديمة

الأغريق القدماء عم الذين ابتكروا نظام التدفئة المركزية. معبد إمفيسيز كان يُدفّأ بالمداخن التي كانت مثبتة بالأرض، حيث كانت تخرج الحرارة منها نتيجة لعملية الاحتراق. الامبراطورية الرومانية استخدمت أيضاً التدفئة المركزية في مبانيها، حيث كان يتم تسخين الهواء بواسطة أفران لتدفئة  المساحات الواقعة تحت الأرض، ولتمرير الهواء الساخن من خلال الأنابيب لتدفئة الجدران ( النظام هايبوكوست).

لقد تم تطبيق نظام هايبوكوست على المشاريع الصغيرة في العصور القديمة وتم ذلك أيضاً من قبل الخلافة الأموية ولكن لاحقاً استخدم المسلمون أنابيب تحت الأرض كنظام أبسط للتدفئة.

بعد انهيار الامبراطورية الرومانية، عادتالتدفئة إلى المواقد البدائية لما يقربالألف سنة في جميع لأنحاء أوروبا. أما في العصور الوسطى فقد تم استبدال نظام هايبوكوست بإنشاء قنوات تحت الأرض مزودة بهواء ساخن من الأفران. تم إنشاء شبكة قنوات مترابطة تحت الأرض لتدفئة غرفة بمساحة 300م2  في جزيرة ريتشينو (تقع جنوب ألمانيا). وقد وصلت كفاءة هذا النظام إلى 90%.في القرن الثاث عشر، مجموعة من الرهبان الكاثوليك أعادوا إحياء نظام التدفئة المركزية في المناطق التي كانوا يعيشون فيها بأوروبا باستخدام أفران داخلية لخرق الخشب. أحد الأمثلة على تطبيق هذا النظام  عو دير رائودا الملكي(تأسس عام 1202) الذي يقع على نهرإيبرو في أراغون في اسبانيا.

نظام التدفئة المركزية الحديث

تم تطوير الطرق الرئيسية الثلاثة للتدفئة المركزية ما بين القرن الثامن عشر و منتصف القرن التاسع عشر.

الهواء الساخن

قام وليام ترات بتصميم مبنى للطاحونة يتوسطه فرن لتسخين الهواء بمدينة ديربي الإنجليزية عام 1793، وقد كانت هذه الفكرة مقترحة من قبل جون إيفيلين قبل ما يقارب المئة عام. يحتوي تصميم ترات على موقد كبير لتسخين الهواء الذي يتسلل من الخارج عن طريق الممرات تحت الأرض، والقنوات المركزية الكبيرة للتهوية.

تعاون ترات عام 1807 مع المهندس المشهور تشارلز سالفيستر لإنشاء مبنى جديد لمستوصف ديربي الملكي. وكان لسالفيستر دور فعال في تطبيق نظام التدفئة للمستوصف الجديد.نشرترات أفكاره في كتاب فلسفة الاقتصاد المحلي (“The Philosophy of Domestic Economy“) كما يتمثل في وضع لظاهرة الاحتباس ، والتهوية، الغسل ، التجفيف ، و الطبخ، …في كتاب(“Derbyshire General Infirmary”) عام 1819. وثّق سالفيستر الطرق الجديدة لتدفئة المستشفيات و الطرق الصحية للتنظيف و التهوية. مكّنت رواية سالفيستر لنظام تدفئة المسوصف المرضى من استنشاق هواء نظيف بينما تمر مخلفات الهواء الملوثعبر قنوات إلى القبة مكونة من الحديد والزجاج في المركز.كان تصميم ترات وسالفيستر مؤثر للغاية،ولذك فقد تم نقله وتطبيقه على المباني الصغيرة طوال ذلك القرن.

البخار

عرض الكاتب الإنجليزي هاغ بلات نظام التدفئة المركزية التي تعمل على البخار للبيوت الخضراء عام 1594، على الرغم من أن تلك الأفكار لم يسمح بها حتى قرن الثامن عشر. طور كولونال كوم نظام أنابييب يجوب أرجاء المنزل ويحتوي على البخار المولد من مرجل (بويلر) مركزي ولكن المخترع الأسكتلندي جايمز وات هو أول من قام ببناء هذا النظام في المنازل.يتم الحصول على بخار الماء بضط مرتفع من المرجل المركزي ومن ثم يتم توزيع الحرارة في المبنى من خلال الأنابيب بقلب الأعمدة. لقد طبق النظام على مقياس  أكبر في مصنع للأنسجة بمدينة مانشيستر. كتب روبرتسون بوكايان وصف نهائي لاستخدام هذا النظام  في الاطروحات التي نشرت بين عامي 1807 و1817. لقد رسم توماس تريتجولد وسائل تطبيق نظام التدفئة على البخار للمباني الصغيرة غير الصناعية في كتابه”The Principles of Warming andVentilation Public Buildings” أي مبادئ التدفئة والتهوية للمباني العامة.تفوق هذا الأسلوب على أنظمة الهواء الساخن بحلول أواخر القرن التاسع عشر.كان يستخدم نظام الهواء الساخن  لتدفئة قصر بيتر الأعظم الصيفي في سانت بيترزبرغ الروسية. لاحقاً عام 1716، تم استخدام المياه ولأول مرة لتوزيع الحرارة في السويد. استخدم المهندس السويدي مارتن ترايوالد هذا النظام في المباني االخضراء في مدينة نيوكاسل في تاين شمال انجلترا. قدّم المهندس المعماري الفرنسي جين سايمن بينومن (1743–1830)باريس هذه التقنية للقطاع الصناعي ل التي تقع بجانب باريس.تم حصر تطبيق تلك الأنظمة على  المباني الخضراء. اعتبر توماس تريدجولد هذا النظام غير عملي ولكن ما لبث أن غيًر رأيه عام 1836 عندما تسارعت التكنولوجيا في التطور والازدهار.كانت الأنظمة في البداية تعتمد على ضغط الماء المنخفض، وتطلب أنابيب كبيرة الحجم. أول إحدى أنظمة التدفئة المركزيةالحديثة التي تعمل على الماء الساخن التي عالجت هذه السلبية ركبت من قبل انغير مارن بيركنز في لندن في تلاتينات 1800. بدأت التدفئة المركزية التي تعمل باستخدام الهواء الساخن أو البخار في الانتشار في انجلترا فس ذلك الوقت. كانت أداة بيركن توزع المياه بضغط مرتفع وعلى درجة حرارة 200  درجة مئوية عبر أنابيب ذات أقطار صغيرة. ومن الاختراعاتهبالغة الأهمية التي جعلت النظام قابل للتطبيق هو  المفصل المترابط المسنن الذي سمح للمفصل بين الأنابيب تحمل ضغوط مماثلة للضغوطات في الأنابيب. وقد فصل أيضاُ بين المرجل (البويلر) ومصدر الحرارة لتقليل خطورة حدوث  انفجار. الوحدة الأولى للنظام ركبت بمنزل مسؤول بنك انجلترا: جون هورسلي بالمر ليستطيع زرع العنب في ظل مناخ انجلترا البارد.لقد تم تشغيل أنظكنه في مصاتع، وكنائس في أرجاء البلاد واستمر بعض الأنظمة العمل إلى ما يزيد عن ال 150عام. بالإضافة إلى استخدامه بالمخابز في تسخين الأفران وفي تصنيع الأوراق من خشب الأشجار.اخترع فرانز سان غالي، رجل الأعمال الروسي مواليد بولندا التدفئة (المشعاع)  بين عامي 1855 و1857، وكان ذلك خطوة مهمة فس مجال التدفئة الحديثة. أصبحت تدفئة الحديد المقولب من طراز الفيكتوريا (مشعاع) واسعة الانتار نهاية قرن التاسع عشر.

مصادر الطاقة

يختلف مصدر الطاقة المستخدم للتدفئة المركزية باختلاف المنطقة. تحديد مصدر الطاقة الرئيسي يعتمدعلى الكلفة، الكفاءة و موثوقية المصدر. تكلفة توليد الطاقة للتدفئة هي إحدى تكاليف  التشغيلية الرئيسية للمبنى في المناخ البارد. في بعض محطات التدفئة المركزية، يتم استبدال الوقود بمصادر أخرى لأسباب اقتصادية. وقد يتم ذلك من قبل أصحاب المنازل على سبيل المثال، حيث يتم استبدال الوقود بالحطب المدعّم بالكهرباء كمصدر إحتياطي.الوقود الصلب كالخشب/الحطب الجفت والفحم  يمكن تجميعه ولكن من يصعب السيطرة عليه عند الاستخدام.ما زال يُستخدم الخشب بكثرة. أنظمة الوقود تشتعل تلقائياً مع النار، ولكن تطلب إزالة يدوية للرماد.  كان الفم من مصادر الوقود التي تُستعمل في المنازل ولكن أصبح استخدامه نادراً في يومنا هذا.أما الوقود السائل فهو المنتجات البترولية كوقود التدفئة والكاز. وما زال استخدامه واسع النطاق لغياب مصادر أخرى للطاقة. الوقود السائل يشتعل تلقائيلاً في نظام التدفئة المركزي ولا يتطلب إزالة الرماد بل صيانة للنظام. تتأرجح أسعار الوقود معتمدة على تغيّرأسعار الأسواق العالمية للنفط. المؤسسات (كالمكاتب والمدارس باستطاعتها استخدام وقود المنزلي زهيد الثمن ولكن تبقى تكلفة التشغيل مرتفعة.انتشر استخدام الغاز الطبيعي شمال أمريكا وشمال أوروبا. يتم السيطرة على حارقات الغاز أوتوماتيكياً ولا يتطلب الأمر إزالة الرماد بل الصيانة بين الحين والآخر. لا يمكن للغاز الطبيعي الوصول لجميع المناطق. يُنقل الغاز السائل أو البروبان بخزان على متن شاحنة ويخزن للاستخدام الدوري. عندما تكون سعر تعرفى الكهرباء منخفض، تصبح التدفئة الكهرائية مجدية اقتصاديّاُ. يُمكن تركيب مضخة حرارية للاستفادة درجةالحرارة المنخفضة في الهواء أو الأرض.يحتوي نظام تدفئة المقاطعة على مرجل (بويلر) في المركز أو سخانات مياه لتوزيع الحرارة على أفراد المقاطعة من خلال دورة المياه الساخنة أو دورة البخار.  يمتاز هذا النظام بمحوّل طاقة مركزي ذو كفاءة عالية مما يُمكّن استخدام أفضل ضوابط التلوث المتاحة. يمكن استخدام الزيت الثقيل، مشتقات الخشب، أو الوقود النووي (افتراضاً) كمصادر لنظام تدفئة المقاطعة، ولكن تكمن الصعوبة  في توزيعها على بيوت المقاطعة. فتكلفة بناءشبكة التوزيع هي أعلى من تلك التي تستخدم للغاز أو التدفئة الكهربائية، ولذلك توجد فقط في المناطق الكنظة سكانيّاً. ليس جميع أنطمة التدفئة المركزية مدفوعة الأجر.فتخدم حرارة الأرض بعض المباني، حيث تُستخدم المياه الساخنة أو البخار من الآباء المحلية لتدفئة المبنى.ولكن تلك الطريقة غير متداولة. النظام الشمسي لا يستهلك الوقود ولكن يحتاج تصميم دقيق للنظام نسبة للموقع.  التدفئة بالمياه


التدفئة بالمياه

تشمل مسكن أو عمارة أو مبنى، وتستعمل وقود (الحطب أو الفحم أو الغاز أو النفط) أو كهرباء لتوليد البخار أو الهواء الساخن ومن ثمنقل الحرارة. وهو نظام تدفئة للبيوت والمكاتب بوسائل آمنة وسهلة. تعتبر التدفئة المركزية من أأمن الطرق لتدفئة الأماكن نظرا لقلة خطورتها على الممتلكات وعلى الأشخاص.[بحاجة لمصدر] وهي عبارة عن دورة مياه تبدأ من نقطة على جسم الغلاية وتنتهي بنقطة على جسم الغلاية تسمى وهي دوره تشبه نسبيا الدورة الدموية عند الإنسان. والعجيب في الأمر أن طبيب فرنسي هو من قام باكتشاف التدفئة المركزية. تتكون التدفئة المركزية من عدة أقسام أولها:radiator

  • الغلاية: ويتكون من الحارقة والمضخات والمدخنة.
  • المشعاع: عبارة عن ألواح من الألمنيوم الخفيف وأنواع من السكب.
  • الخزان: وهو خزان ماء صغير يوضع على سطح البيت ليؤمن الماء للغلاية.
  • الأنابيب: حيث تقوم بتوصيل الماء الساخن من الغلاية إلى المشعاع
  • خزانالوقود: يزود حارقة الغلاية بالوقود، أو يوصل الوقود من خلال أنابيب
  • يوجد في التدفئة المركزية نظامان:
  • النظام المفتوح: وهو يعتمد على خزان في التزويد المائي بحيث يكون هنالك نظام تهوية للأنابيب عن طريق (هواي) على رأس المنور.
  • النظام المغلق: وهو يعتمد على مضخة تزود الغلاية بالماء عن طريق صمام يسمح بدخول الماء باتجاه الغلاية ويمنع رجوعه.

ويعتبر النظام المفتوح أكثر أمان من النظام المغلق. في نظام التدفئة بالماء الساخن يتم تسخين الماء في المرجل الحراري الموجود في مكان منخفض من العمارة بوساطة أحد أنواع الوقود فيتمدد وتقل كثافته فيرتفع لأعلى عبر أنابيب معزولة وتتفرع إلى الغرف المختلفة حيث توجد المشعات الحرارية التي تسخن عند مرور الماء الساخن وترتفع درجة حرارتها فتنقل لها الحرارة من الماء بالتوصيل ثم تعطيه للهواء فتنشا تيارات الحمل كما تشعها في جميع الاتجاهات في الوسط المحيط بها مما يدفئ الغرفة بهذا تفقد المشعات الحرارية فيبرد الماء بداخلها فتزداد كثافته ويهبط عبر أنابيب أخرى إلى المرجل ليسخن من جديد..

 التدفئة بالبخار

يستفيد نظام التدفئة باستخدام البخار من الحرارة الكامنة التي يحصل عليها عند تكثف البخار وتوحله إلى ماء. يوجد في هذا النظام مشعاع في كل غرفة، متصل بمصدر توليد البخار منخفض الضغط، أي أنه متصل بمرجل (بويلر). البخار الذي يدخل المشعاع يتكثف ويخسر حرارته الكامنة ويتحول من سائل إلى ماء. المشعاع يسخّن الهواء في الغرفة ويشع الحرارة في الأرجاء. يعود الماء المكثف إلى المرجل بقوة الجاذبية أو باستخدام مضخة. بعض الأنظمة تستخدم نظام أنابيب أحادي للبخار وللبخار المكثف. تحتوي بعض الأنظمة على صمامات (محابس تنفيس بالتحديد)لإزالة الهواء، كونه يمنع سير دورة البخار بشكل سليم. في المباني المحلية والتجارية الصغيرة، يُنتج البخار على ضغط منخفض  أقل من 15psig/200kPa.  نادراً ما يستخدم نظام التدفئة أو التسخين بالبخار في البيوت المستقلة بسبب تكلفة الأنابيب  الباهظة. يجب تركيب الأنابيب مائلة لمنع تجمع العوالق والترسبات. مقارنة بباقي أنظمة التدفئة، فإن من الصعب التحكم بمخرجات نظام التدفئة بالبخار. على النحو الآخر، فإن بخار الماء يَمكن نقله بين الأبنية لاستخدام نفس كفاءة المرجل المركزي، ولتخفيض الكلفة. يمكن الاستفادة من الكثافة المتدنية لبخار الماء الذي يُقلل من الضغط المطلوب لضخ المياه الساخنة إلى النظام من المرجل في التسوية،  وينطبق هذا في المباني المرتفعة. يمكن استخدام بخار الماء لتوليد الطاقة أو لوظائف أخرى في التدفئة أيضاً في القطاع الصناعي. يمكن الحصول على بخار الماء الذي يستخدم للتدفئة من عملية التسخين في المرجل أو من الحرارة المكتسبة من العمليات الإنتاجية التي تبعث حرارة.

التدفئة الكهربائية

التدفئة الكهربائية أو التسخين بالمقاومة تحوّل الكهرباء إلى حرارة مباشرة. تكلفة الإنتاج أعلى في العادة من الغاز الطبيعي أو البروبان أو النفط المستعمل عملية الاحتراق.  يُمكن توفير الحرارة المولدة من المقاومة الكهربائية من خلال السخانات اللوحية، المدافئ، المشعاع، الأفران، تدفئة الحيطان، أو أنظمة التخزين الحرارية. التدفئة الكهربائية هي جزء من المروحة ضمن المكيف المركزي.  توزع الحرارة من خلال توجيه الهواء نحو السخّان المزوّد بفرن إلى الفرن عن طريق مجاري هواء العودة. أّمّا النافخات في الأفران الكهربائيّة، فتحرم الهواء نحو 1-5مقاومات ملتفّة أو عناصر ذات 5كيلو وات. العناصر الكهربائية التي تعملل كلٌّ على حدى لتجنّب حمولة كهربائية زائدة على النظام. يُمنع حدوث التسخين الزائد بمفتاح أمان يزوّد المنزل بالهواء الساخن من خلال الأنابيب.

 المضخات الحرارية

في المناخ المعتدل، يمكن استخدام المضخات الحرارية لتكييف المبنى في الطقس الحار، ولتدفئته باستخدام المبادلات الحرارية في الطقس البارد. المضخات الحرارية (مصدرها الهواء) غير اقتصادية إذا كانت درجة الحرارة الخارجية تحت درجة التجمّد. تستمد المضخات الحرارية الأرضية الحرارة من باطن الأرض في مناطق المناخ البارد. اقتصاديّاً، فإن تلك الأنظمة مصممة لدرجات الحرارة المنخفضة وتستخدم  تدفئة إضافية/تكميلية لدرجات الحرارة المنخفضة جدّاً.الاستفادة من المضخات الحرارية هي أنها تقلل تقلل من الطاقة المشتراه المطلوبة لبناء التدفئة. في كثير من الأحيان، أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية أيضاً توفر الماء الساخن المحلّي. حتى في الأماكن التي يكون فيها الوقود الأحفوري مصدر إنتاج الكهرباء، فإن نظام الطاقة الحرارية الأرضية ممكن أن يقلل انبعاثات الغازات الدفيئة، لأن معظم الحرارة المكتسبة من البيئة المحيطة فنسبة استهلاك الكهرباء تصبح 15 إلى 30%.

  المشاكل البيئية

من منظور الكفاءة، فإن نسبة كبيرة من الحرارة يتم خسارتها وتذهب سدى إذا تم تدفئة غرفة واحدة فقط من المنزل، فهناك خسارة للحرارة أثناء التوزيع في نظام التدفئة المركزي، وأثناء تدفئة أرجاء غير مؤهولة. في المباني التي تتطلّب عزل حراري، ممكن أخذ نظام غير مركزي كتدفئة الغرف المنفصلة، موقد النار أو أي أنظمة أخرى في عين الاعتبار. أصبح المعماريون يستخدمون طرق بديلة لتقليل الحاجة لاستخدام الطاقة للتدفئة والتبريد كاتباع قوانين ألمانيا غير الإجبارية في ذلك والتي تدعى: Passive House Standard.إذا يحتاج المبنى تدفئة كاملة، فإن توليد الحرارة من عملية الاحتراق هي طريقة صديقة للبيئة أكثر من التدقئة الكهربائية بشتّى وسائلها.هذا يستند إلى أن معظم الكهرباء تولّد من الوقود الأحفوري ويتم خسارة ما يعادل ثلثي الطاقة في محطات الطاقة والتوصيل. تقترح السويد طرق أخرى لتفادي تلك المشكلة. الطاقة النووية والكهرمائية تحد من هذه المعضلة. توفر التدفئة تحت الأرض/البلاط إمكانية استخدام التكنولوجيا المتقدم في المستقبل كالمضخات الحرارية، أو النظام الشمسي.  النسب النموذجية لنظام التدفئة المركزي (نسبةً لكمية الاستهلاك) هي كالآتي:

– 65-97% للتدفئة بالغاز

– 80-89% باستخدام النفط

– 45-60% للتدفئة بالفحم

 

المصادر

تعليق ١

آخر المقالات