قد يكون بلاط السقف المتكيف مفتاحًا لتقليل استهلاك طاقة التدفئة/التبريد

وفقًا لتقديرات أبحاث السوق، يمكن أن يتجاوز سوق الأسقف العالمي 140 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2033 من ما يقرب من XNUMX مليار دولار أمريكي 82 مليار دولار في عام 2023. لا تكتمل أعمال البناء بدون حل التسقيف. وهو ضروري بنفس القدر للهياكل السكنية والتجارية. يتمتع السوق بطبيعة ديناميكية نظرًا لأن الأسطح تتطلب الاستبدال على فترات متكررة. في جميع أنحاء أمريكا الشمالية، وفقا لتقديرات أبحاث السوق، 94% من مشاريع التسقيف هي بدائل السقف. 

غالبًا ما يكون استبدال الأسطح القديمة يتعلق بتصنيعها مستدامة بيئيا وفعالة في استخدام الطاقة. يمكن أن توفر الأسطح الباردة، القادرة على عكس الإشعاع الشمسي وتقليل درجة حرارة السطح 0.50 دولار أمريكي للقدم المربع، كما تظهر بعض الدراسات. 

تتوقع بعض التقديرات أن ينمو سوق الأسقف الباردة العالمي بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 5.7٪ حتى عام 2025. يمكن لمواد الأسقف العاكسة، مثل الأغشية البيضاء أو الطلاءات، أن تقلل من درجة حرارة سطح السقف بقدر ما 50 درجة فهرنهايت. 

في حين أن خصائص التبريد أو التدفئة أصبحت سمة مميزة لحلول الأسقف، فإن الاهتمام بالاستدامة وتوفير الطاقة يظهر أن الحلول يجب أن تكون فعالة. 

سنبدأ مناقشتنا اليوم بأحد هذه الحلول التي جذبت الأنظار في صناعة التسقيف في جميع أنحاء العالم. 

بلاط السقف المتكيف: حساس لدرجة الحرارة الخارجية؛ يساعد على تقليل استهلاك الطاقة

توصل العلماء في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا، إلى بحث أكاديمي يوضح بالتفصيل كيف يمكن لبلاط السقف أن يخفض تكاليف الحرارة والتبريد. 

كان هدف الباحثين الثلاثة المشاركين في هذا المشروع، تشارلي شياو، وإليوت هوكس، وبولين لاو، هو تقليل كميات فاتورة الطاقة للأمريكيين وتقليل متطلبات الوقود الأحفوري اللازم لتشغيل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) في المنزل. 

هذه البلاط التكيفي تأتي مع مفتاح إشعاعي للمساعدة في التبديل بين حالات التسخين والتبريد. يمكنه التبديل بين حالات التبريد والتسخين خلال 3 درجات مئوية من درجة حرارة التبديل. يمكنه تقليل احتياجات التبريد والتدفئة بأكثر من 2.5 مرة مقارنة بالأجهزة الثابتة. 

المفتاح، أو جهاز تنظيم الحرارة السلبي، عبارة عن مربع طوله 4 بوصات. يعمل كسطح متحرك يمكنه تغيير خصائصه الحرارية للاستجابة لمجموعة من درجات الحرارة.

وفقا للباحث تشارلي شياو:

"إنه يتحول بين حالة التسخين وحالة التبريد، اعتمادًا على درجة حرارة البلاط."

وقد ابتكر الباحثون الحل الذي يهدف إلى الوصول إلى درجة حرارة 65 درجة فهرنهايت، أي حوالي 18 درجة مئوية. 

ولكن لماذا يتم تلقي هذا الحل بترقب كبير من قبل صناعة الأسقف؟ يتطلب الوصول إلى جوهر هذا السؤال فهمًا لسيناريو استهلاك الطاقة في المباني في الولايات المتحدة.

50% من استهلاك الطاقة في المباني في الولايات المتحدة يذهب نحو التدفئة والتبريد

إن كمية استهلاك الطاقة التي تذهب إلى التدفئة والتبريد في المباني الأمريكية هائلة. بحسب ال إدارة معلومات الطاقة الأمريكية، يمثل استهلاك الطاقة للاستخدام النهائي المشترك من قبل القطاعين السكني والتجاري حوالي 29٪ من إجمالي استهلاك الطاقة للاستخدام النهائي في الولايات المتحدة في عام 2022. وإذا أدرجنا خسائر طاقة النظام الكهربائي، فإن القطاعين السكني والتجاري يمثلان 38٪ من إجمالي استهلاك الطاقة للاستخدام النهائي في الولايات المتحدة. إجمالي استهلاك الولايات المتحدة من الطاقة في عام 2022 

نظرًا لأن 50% من استهلاك الطاقة في المباني في الولايات المتحدة يتجه نحو التدفئة والتبريد، فيجب أن يكون النظام موفرًا للطاقة بأي ثمن. علاوة على ذلك، فإن تغير المناخ والاحتباس الحراري سيزيدان الحاجة إلى التبريد. ومع ذلك، ستكون هناك مناطق سيظل فيها الطلب على التدفئة مرتفعًا أيضًا، بل وربما يزيد. 

تعمل أنظمة السقف البارد التقليدية، بما في ذلك الطلاءات العاكسة أو الأغشية أو القوباء المنطقية أو البلاط، على مبادئ تبريد المنازل من خلال عكس ضوء الشمس. تطلق هذه المحاليل أيضًا بعض الحرارة المحتبسة على شكل إشعاع حراري للأشعة تحت الحمراء. ومع ذلك، تظهر مشكلة هذه الحلول عندما تستمر أنظمة السقف البارد في إشعاع الحرارة في الشتاء، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف التدفئة. باختصار، فهي تفتقر إلى كفاءة استخدام الطاقة وفعالية التكلفة. 

مع الأخذ في الاعتبار جميع هذه الجوانب المذكورة أعلاه، فإن الحل الذي يمكنه التبديل بين حالتي التدفئة والتبريد استجابةً لدرجة الحرارة الخارجية لا يقل عن تغيير قواعد اللعبة، وأكثر من ذلك لأنه يعمل بدون كهرباء. 

ويُعتبر الحل أيضًا أنه يلعب دورًا محددًا للصناعة لأنه يمكنه تلبية متطلبات التدفئة والتبريد في نفس المبنى في نفس اليوم. لا توجد تقنيات كثيرة متاحة حاليًا يمكنها التبديل تلقائيًا بين التسخين السلبي والتبريد. ومع ذلك، فإن الحلول المتاحة غير فعالة في الغالب للتبديل اليومي لأنها تتطلب نطاقًا كبيرًا من درجات الحرارة لحالات الدورة. 

ويدعي الباحثون أيضًا أن تصميمهم قابل للتكيف بدرجة كبيرة. يمكنه تحقيق نقاط ضبط مختلفة لدرجة الحرارة عن طريق تغيير مادة تغيير الطور. للحصول على تبريد إشعاعي أعلى، وأداء تسخين محسّن، ومتانة فائقة، تحتاج البلاطات التكيفية فقط إلى تغيير طلاءها. 

الميزة الأخرى التي تجعل الحل مربحًا هي تصميمه البسيط وإمكانات الإنتاج المنخفضة التكلفة. 

في حين أن كل هذه المزايا والفوائد تنتظر الاستفادة منها من قبل الصناعة وإنتاجها على نطاق مؤسسي أكبر، فإن العديد من حلول البناء الأخرى تعمل على تقليل استهلاك طاقة التدفئة/التبريد. سننظر الآن في بعض هذه الحلول.

طلاء السقف الذكي لتوفير الطاقة طوال المواسم

العلماء المشاركون في الدراسة التي قادها جونكياو وو، عالم عضو في هيئة التدريس بمختبر بيركلي قسم علوم المواد وقام أستاذ علوم وهندسة المواد بجامعة كاليفورنيا في بيركلي بتطوير طلاء سقف ذكي مناسب لجميع المواسم لإبقاء المنازل دافئة خلال الشتاء وباردة خلال الصيف. 

مثل الحل السابق، هذا الحل أيضًا لا يتطلب غازًا طبيعيًا أو كهرباء. 

وفقًا لـ Junqiao Wu:

"(لدينا) يتحول طلاء السقف المناسب لجميع المواسم تلقائيًا من الحفاظ على برودتك إلى دفئك، اعتمادًا على درجة حرارة الهواء الخارجي. إنه جهاز تكييف وتدفئة خالي من الطاقة والانبعاثات، كل ذلك في جهاز واحد.

ولتحقيق هدفهم، طور العلماء مادة جديدة تسمى الطلاء الإشعاعي المتكيف مع درجة الحرارة أو TARC. يقوم TARC بإيقاف التبريد الإشعاعي تلقائيًا في الشتاء، مما يضمن عدم وجود تبريد زائد وهدر للطاقة. 

مع تطبيق TARC، يتوقع العلماء أن تقوم الأسرة المتوسطة في الولايات المتحدة بالادخار بما يصل إلى 10% على الكهرباء. الحل قادر على عكس 75% من ضوء الشمس على مدار العام. ومع ذلك، عندما تكون درجة الحرارة المحيطة أعلى من 25 درجة مئوية أو 77 درجة فهرنهايت، فإن انبعاثها الحراري يصل إلى حوالي 90%. 

قال Junqiao Wu، معربًا عن حماسته بشأن ما يمكن أن يحققه الحل:

ظننا في البداية أن التحول من الاحترار إلى التبريد لن يكون بهذه الأهمية. لكن عمليات المحاكاة التي أجريناها، وتجاربنا الخارجية، وتجاربنا المعملية أثبتت عكس ذلك - إنه أمر مثير حقًا. 

كان لدى الباحثين خطط لتطوير نماذج TARC مناسبة للتطبيقات على نطاق أوسع. وكانوا يأملون في أن يثبت TARC قيمته كطبقة واقية حرارياً لإطالة عمر البطارية في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. ويمكن أن تشمل استخداماته الأخرى حماية الأقمار الصناعية والسيارات من درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة للغاية وصنع أقمشة تنظم درجة الحرارة للخيام وأغطية الدفيئات الزراعية والقبعات والسترات. 

إن الحلول الموفرة للطاقة للمباني الأمريكية، وخاصة مع التركيز على الأسقف الفعالة، متاحة أيضًا على مستوى المؤسسة. سنرى بعض هذه الحلول في الأجزاء التالية. 

1. ويتكو تسقيف، وشركة.

تُعتبر ويتكو أكبر مقاولي الأسقف التجارية في أتلانتا، وإحدى أبرز مقاولي الأسقف في أمريكا الشمالية. وتُعد ويتكو من بين شركات الأسقف التجارية القليلة في أمريكا الشمالية التي تضمّ خبراء أسطح خضراء معتمدين. كما تُقدّم ألواحًا شمسية للأسقف تُوفّر بكفاءة أكثر من 25% من إجمالي طاقة المبنى. وتشمل حلولها أيضًا عزل الأسطح باستخدام بولي إيزوسيانورات. عند تطبيقه بشكل صحيح، يُمكن لهذا الحل أن يُخفّض تكاليف التدفئة والتبريد بشكل كبير في مختلف الاستخدامات التجارية والصناعية. 

تأسست شركة Whitco Roofing في عام 2005، وهي شركة شركة خاصة يقع مقرها الرئيسي في أتلانتا، جورجيا، الولايات المتحدة. 

2. جراندفوس

عندما يتعلق الأمر بنهج شامل لتقليل استهلاك طاقة التدفئة أو التبريد في المباني، فإن جروندفوس هو الاسم الذي يظهر في الأعلى. حلولها تلبي احتياجات كل من المباني التجارية والمباني المحلية. 

لجعل التدفئة التجارية موفرة للطاقة، توفر Grundfos مضخات دائرية، وحلقات خلط، وحلول ضخ موزعة، ومجموعات معززة، ومضخات مضمنة أحادية المرحلة، ومعززات مائية، وغير ذلك الكثير. للتدفئة الموفرة للطاقة في الاجهزة المنزليةتعتمد جراندفوس في الغالب على المضخات الدائرية. 

وفي السنة المالية 2022، سجلت "غروندفوس" صافي مبيعات قدره 33.3 مليار كرونة دنماركية (2021: 28.7 مليار كرونة دنماركية). وشهدت نمواً في المبيعات بنسبة 12.1% بالعملات المحلية مقارنة بالعام المالي الماضي (2021). وارتفع العائد على المبيعات عام 2022 إلى 11.8% عام 2022، مقارنة بـ 11.4% عام 2021.

3. أسطح تسلا الشمسية

يأتي تركيب أسقف تسلا الشمسية مع فرصة تزويد منزلك بالطاقة من خلال نظام متكامل بالكامل شمسي ونظام تخزين الطاقة. ويقدم ضمانًا لمدة 25 عامًا وحماية من انقطاع الخدمة على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع. ويكتمل السقف الشمسي ببطارية Powerwall، وهي بطارية منزلية مدمجة لتوفير أمن الطاقة على مدار الساعة. تساعد هذه البطاريات في تخزين الطاقة التي ينتجها السقف الشمسي لتشغيل المنزل في أي وقت. 

من حيث التركيب، يتكون السقف الشمسي من البلاط الشمسي الزجاجي وبلاط السقف الفولاذي. البلاط الشمسي الزجاجي ينتج الطاقة. يهدف البلاط الفولاذي المعماري إلى إضفاء طول العمر ومقاومة التآكل على السقف. 

وفقًا للأرقام التي نشرتها الشركة رسميًا، قام فريق تسلا الداخلي من متخصصي الطاقة بتركيب ما يقرب من 4 جيجاوات من الطاقة الشمسية عبر ما يقرب من 480,000 ألف سطح. وبشكل تراكمي، تولد هذه الأسطح أكثر من 25 تيراواط/ساعة من الطاقة النظيفة. 

يشتمل الإعداد أيضًا على محولات Tesla Solar للحفاظ على النظام متكاملًا جيدًا وآمنًا وموثوقًا ومقاومًا للانقطاع. باستخدام تطبيق Tesla، يمكن للمرء مراقبة إنتاج الطاقة في الوقت الفعلي. ومن الممكن أيضًا التحكم في النظام من أي مكان باستخدام التنبيهات الفورية والوصول عن بعد. 

وفي الربع الثالث من عام 3، سجلت تسلا إيرادات تزيد عن 21.4 مليار دولار. وبلغ هامش التشغيل 17.2%. 

المباني وكفاءة الطاقة: الطريق إلى الأمام

إن الاحتباس الحراري وتغير المناخ يشكلان مصدر قلق حضاري. تحرص الحكومات والهيئات التنظيمية ومجالس الدول والشركات على التوصل إلى حلول تساعد في تحقيق وحدات طاقة فعالة. وبصرف النظر عن الحلول المتخصصة، هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها معالجة هذه المخاوف عن طريق إجراء تعديلات صغيرة كل يوم على أنظمة البناء لدينا.

يوصي مكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة بالولايات المتحدة بالعديد من هذه الحلول، مثل إضافة العزل، واستخدام إضاءة LED، وتركيب المضخات الحرارية، وما إلى ذلك. 

يمكن للأشخاص الذين يعيشون في مناخات حارة ورطبة استخدام أنابيب الحرارة المجففة لتقليل الرطوبة الداخلية وتحسين الراحة. يعد تقليل فقد الطاقة في القنوات طريقة أخرى لتشجيع كفاءة استخدام الطاقة. يمكن أن يكون عزل القنوات وإغلاق الهواء مفيدًا. 

بالنسبة لأنظمة تسخين المياه الفعالة في المباني، يمكن للمرء أن يفكر في حلول موفرة للطاقة مثل الملفات بدون خزان، وسخانات المياه غير المباشرة، وسخانات المياه الشمسية، وما إلى ذلك. وقد يكون إدخال عمليات مثل استعادة حرارة مياه الصرف مفيدًا أيضًا. 

هناك العديد من الفوائد لتقليل استهلاك طاقة التدفئة/التبريد. لا يتعلق الأمر فقط بتخفيض التكلفة. ولها فوائد مجتمعية أكبر. إنها تساعد في بناء قدرة المجتمع على الصمود ونظام يتسم بالحكمة والإنصاف في مجال الطاقة. هناك مجتمعات تعاني من نقص الخدمات في كل منطقة وتحتاج إلى مساعدة من التقنيات والبنية التحتية الفعالة من حيث التكلفة للوصول إلى إمدادات الطاقة دون انقطاع. 

وتؤدي الأنظمة الموفرة للطاقة أيضًا إلى تقليل تلوث الهواء، مما يعود بالنفع على الصحة العامة للمجتمع. إن انخفاض حرق الوقود الأحفوري مفيد أيضًا لبيئتنا والنباتات والحيوانات المحيطة بنا. 

كما أن فوائدها كبيرة لاقتصاد البنية التحتية في البلاد. فأنظمة الطاقة الفعّالة تُخفف العبء عن الشبكات، وتُساعد على تقليل الازدحام والضغط على توزيع الطاقة في أي وقت. 

إن الفوائد واسعة النطاق وبعيدة المدى في تأثيرها لدرجة أننا نحتاج إلى المزيد من الحلول مثل بلاط السقف المتكيف في المستقبل. إنها بالتأكيد علامة فارقة مشجعة في الرحلة نحو الكفاءة والاستدامة. 

انقر هنا للحصول على قائمة أفضل عشرة أسهم للطاقة الشمسية.