قد تكون بلاط الأسقف المتكيفة المفتاح لتقليل استهلاك الطاقة للتدفئة/التبريد

وفقًا لتقديرات أبحاث السوق، يمكن لسوق الأسقف العالمي أن يتجاوز 140 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2033 من ما يقرب من 82 مليار دولار أمريكي في عام 2023. لا يكتمل أي عمل بناء دون حل للأسقف. وهو ضروري على حد سواء للمباني السكنية والتجارية. يتمتع السوق بطبيعة ديناميكية لأن الأسقف تحتاج إلى استبدال على فترات متكررة. عبر شمال أمريكا، وفقًا لتقدير أبحاث السوق، 94٪ من مشاريع الأسقف هي استبدالات للأسقف. 

استبدال الأسقف القديمة غالبًا ما يكون بهدف جعلها مستدامة بيئيًا وفعّالة في استهلاك الطاقة. الأسقف الباردة، القادرة على عكس الإشعاع الشمسي وتقليل درجة حرارة السقف، يمكن أن توفر 0.50 دولار أمريكي لكل قدم مربع، كما تظهر بعض الدراسات. 

تتوقع بعض التقديرات أن ينمو سوق الأسقف الباردة العالمي بمعدل نمو سنوي مركب قدره 5.7٪ حتى عام 2025. يمكن للمواد العاكسة للأسقف، مثل الأغشية أو الطلاءات البيضاء، أن تخفض درجة حرارة سطح السقف بما يصل إلى 50 درجة فهرنهايت. 

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

سنبدأ مناقشة اليوم بأحد هذه الحلول التي جذبت الأنظار عبر صناعة الأسقف عالميًا. 

بلاط الأسقف المتكيفة: حساس لدرجة حرارة الخارج؛ يساعد على تقليل استهلاك الطاقة

قام العلماء في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربارا، بإجراء بحث أكاديمي يوضح كيف يمكن لبلاط الأسقف خفض تكاليف التدفئة والتبريد. 

كان هدف الباحثين الثلاثة المشاركين في هذا المشروع، تشارلي شياو، إليوت هوكس، وبولين لاو، هو تقليل فواتير الطاقة للأمريكيين وتقليل الحاجة إلى الوقود الأحفوري لتشغيل أنظمة التكييف والتهوية المنزلية. 

These adaptive tiles تأتي مع مفتاح إشعاعي للمساعدة في التبديل بين حالتي التدفئة والتبريد. يمكنه التبديل بين حالتي التبريد والتدفئة ضمن 3 درجات مئوية من درجة حرارة التبديل. يمكنه تقليل احتياجات التبريد والتدفئة بأكثر من 2.5 مرة مقارنة بالأجهزة الثابتة. 

‘المفتاح’، أو جهاز التنظيم الحراري السلبي، هو مربع بحجم 4 بوصات. يعمل كسطح متحرك يمكنه تغيير خصائصه الحرارية للاستجابة لمجموعة من درجات الحرارة.

وفقًا للباحث تشارلي شياو:

يتحول بين حالة التدفئة وحالة التبريد، اعتمادًا على درجة حرارة البلاط.

صمم الباحثون الحل بهدف درجة حرارة 65 درجة فهرنهايت، أي حوالي 18 درجة مئوية. 

لكن لماذا حظيت هذه الحلول بهذه التوقعات الكبيرة من قبل صناعة الأسقف؟ يتطلب فهم هذا السؤال معرفة سيناريو استهلاك الطاقة في المباني الأمريكية.

50٪ من استهلاك الطاقة في مباني الولايات المتحدة يذهب للتدفئة والتبريد

كمية استهلاك الطاقة التي تذهب للتدفئة والتبريد في مباني الولايات المتحدة هائلة. وفقًا لـ إدارة معلومات الطاقة الأمريكية، بلغ استهلاك الطاقة النهائي المشترك للقطاعين السكني والتجاري حوالي 29٪ من إجمالي استهلاك الطاقة النهائي في الولايات المتحدة في عام 2022. إذا أُضيفت خسائر نظام الكهرباء، فقد بلغ القطاعان السكني والتجاري 38٪ من إجمالي استهلاك الطاقة في الولايات المتحدة في عام 2022. 

مع توجه 50٪ من استهلاك طاقة مباني الولايات المتحدة نحو التدفئة والتبريد، يجب أن يكون النظام فعالًا في الطاقة بأي تكلفة. علاوة على ذلك، سيزيد التغير المناخي والاحترار العالمي الحاجة إلى التبريد. ومع ذلك، ستظل هناك مناطق حيث سيظل الطلب على التدفئة مرتفعًا وربما يزداد. 

أنظمة الأسقف الباردة التقليدية، بما في ذلك الطلاءات العاكسة، الأغشية، القوب، أو البلاط، تعمل على مبدأ تبريد المنازل عن طريق عكس ضوء الشمس. هذه الحلول تطلق أيضًا بعض الحرارة المحبوسة كإشعاع حراري تحت الأحمر. ومع ذلك، تنشأ مشكلة مع هذه الحلول عندما تستمر أنظمة الأسقف الباردة في إشعاع الحرارة في الشتاء، مما يزيد من تكاليف التدفئة. باختصار، تفتقر إلى كفاءة الطاقة والجدوى الاقتصادية. 

مع الأخذ في الاعتبار جميع الجوانب المذكورة أعلاه، فإن الحل القادر على التبديل بين حالتي التدفئة والتبريد استجابة لدرجة حرارة الخارج هو بمثابة تغيير جذري، خاصةً لأنه يعمل دون كهرباء. 

يُنظر إلى هذا الحل أيضًا على أنه يلعب دورًا حاسمًا في الصناعة لأنه يمكنه تلبية متطلبات التدفئة والتبريد في نفس المبنى في نفس اليوم. لا توجد العديد من التقنيات المتاحة حاليًا التي يمكنها التبديل تلقائيًا بين التدفئة والتبريد السلبي. الحلول المتاحة، مع ذلك، غير فعّالة في التبديل اليومي لأنها تتطلب نطاقًا واسعًا من درجات الحرارة لتغيير الحالة. 

كما يدعي الباحثون أن تصميمهم قابل للتكيف بدرجة عالية. يمكنه تحقيق نقاط ضبط حرارة مختلفة عن طريق تعديل مادة تغير الطور. للحصول على تبريد إشعاعي أعلى، أداء تدفئة محسّن، ومتانة فائقة، تحتاج البلاط المتكيفة فقط إلى تعديل طلاءها. 

ميزة أخرى تجعل الحل جذابًا هي تصميمه البسيط وإمكانية إنتاجه بتكلفة منخفضة. 

بينما تنتظر كل هذه المزايا والفوائد أن تستفيد منها الصناعة وتُنتج على نطاق مؤسسي أكبر، تعمل حلول بناء أخرى متعددة على تقليل استهلاك الطاقة للتدفئة/التبريد. سنستعرض الآن بعض هذه الحلول.

طلاء السقف الذكي لتوفير الطاقة على مدار السنة

العلماء المشاركون في دراسة قادها Junqiao Wu، عالم هيئة مختبرات بيركلي، في قسم علوم المواد، وأستاذ بجامعة كاليفورنيا بيركلي في علوم المواد والهندسة، طوروا طلاء سقف ذكي لجميع الفصول يحافظ على دفء المنازل خلال الشتاء وبرودة المنازل خلال الصيف. 

مثل الحل السابق، لا يتطلب هذا أيضًا الغاز الطبيعي أو الكهرباء. 

وفقًا لـ Junqiao Wu:

(طلائنا) للسطح الذكي لجميع الفصول يتبدل تلقائيًا من تبريدك إلى تدفئتك، اعتمادًا على درجة حرارة الهواء الخارجي. إنه تكييف وتدفئة خالية من الطاقة والانبعاثات، كل ذلك في جهاز واحد.

لتحقيق هدفهم، طور العلماء مادة جديدة تسمى طلاء إشعاعي متكيف مع الحرارة أو TARC. يوقف TARC تلقائيًا التبريد الإشعاعي في الشتاء، مما يضمن عدم حدوث تبريد مفرط وإهدار للطاقة. 

مع وجود TARC، يتوقع العلماء أن الأسر الأمريكية المتوسطة ستوفر حتى 10٪ على الكهرباء. يمكن للحل عكس 75٪ من ضوء الشمس على مدار السنة. ومع ذلك، عندما تكون درجة الحرارة المحيطة فوق 25 درجة مئوية أو 77 درجة فهرنهايت، فإن انبعاثه الحراري يصل إلى حوالي 90٪. 

عبّر Junqiao Wu عن حماسه لما يمكن أن يحققه الحل، قائلاً:

كنا نعتقد في البداية أن الانتقال من التدفئة إلى التبريد لن يكون بهذه الدرجة من الدراما. أثبتت محاكياتنا، وتجاربنا الخارجية، وتجارب المختبر العكس – وهذا أمر مثير حقًا.

كان لدى الباحثين خطط لتطوير نماذج أولية من TARC مناسبة للتطبيقات على نطاق أوسع. كانوا يأملون أن يثبت TARC قيمته كطلاء واقٍ حراري لإطالة عمر بطاريات الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة. قد تشمل استخداماته الأخرى حماية الأقمار الصناعية والسيارات من درجات الحرارة المرتفعة أو المنخفضة للغاية وصنع أقمشة تنظيم حرارة للخيام، أغطية البيوت الزجاجية، القبعات، والسترات. 

تتوفر حلول كفاءة الطاقة للمباني الأمريكية، خاصةً مع التركيز على الأسقف الفعّالة، على مستوى المؤسسات أيضًا. سنرى بعض هذه الحلول في الفقرات التالية. 

1. Whitco Roofing, Inc.

تُصنّف Whitco نفسها كأكبر مقاول أسقف تجاري في أتلانتا وإحدى الشركات الرائدة في مجال الأسقف في شمال أمريكا. Whitco هي واحدة من عدد قليل فقط من شركات الأسقف التجارية في شمال أمريكا التي لديها محترفون معتمدون في الأسقف الخضراء كموظفين. كما تقدم ألواح سقف شمسية يمكنها تزويد أكثر من 25٪ من إجمالي طاقة المبنى بكفاءة. تشمل حلولها أيضًا عزل سقف بولي إيزوسياناتور. عند تطبيقه بشكل صحيح، يمكن لهذا الحل أن يقلل بشكل كبير من تكاليف التدفئة والتبريد في سيناريوهات الاستخدام التجاري والصناعي.

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

2. Grundfos

عندما يتعلق الأمر بنهج شامل لتقليل استهلاك الطاقة للتدفئة أو التبريد في المباني، فإن Grundfos هو الاسم الذي يبرز في القمة. تلبي حلولها كلًا من المباني التجارية والسكنية. 

لجعل التدفئة التجارية فعّالة في استهلاك الطاقة، تقدم Grundfos مضخات دوران، حلقات خلط، حلول ضخ موزعة، مجموعات معززة، مضخات مرحلة واحدة داخلية، معزّزات هيدروليكية، وأكثر من ذلك. بالنسبة للتدفئة الفعّالة في الإعدادات السكنية، تعتمد Grundfos في الغالب على مضخات الدوران. 

في السنة المالية 2022، سجلت Grundfos صافي مبيعات قدره DKK 33.3 مليار (2021: DKK 28.7 مليار). شهدت نموًا في المبيعات بنسبة 12.1٪ بالعملات المحلية مقارنةً بالسنة المالية السابقة (2021). ارتفع العائد على المبيعات في 2022 إلى 11.8٪ مقارنةً بـ 11.4٪ في 2021.

3. Tesla Solar Roofs

يأتي تركيب أسقف تسلا الشمسية مع فرصة لتزويد المنزل بنظام طاقة شمسية وتخزين متكامل بالكامل. يقدم ضمانًا لمدة 25 سنة وحماية من الانقطاع على مدار 24/7. يكمّل السقف الشمسي نظام Powerwall، وهو بطارية منزلية مدمجة لتوفير أمان طاقة مستمر. تساعد هذه البطاريات على تخزين الطاقة التي ينتجها السقف الشمسي لتشغيل المنزل في أي وقت. 

من حيث التركيب، يتكون السقف الشمسي من بلاطات شمسية زجاجية وبلاطات سقف فولاذية. تنتج البلاطات الشمسيّة الزجاجية الطاقة. تم تصميم البلاطات الفولاذية من الدرجة المعمارية لتمنح السقف طول عمر ومقاومة للتآكل. 

وفقًا للأرقام التي نشرتها الشركة رسميًا، قام فريق تسلا الداخلي من المتخصصين في الطاقة بتركيب ما يقرب من 4 جيجاواط من الطاقة الشمسية عبر ما يقرب من 480,000 سقف. cumulatively, these roofs generate more than 25 TWhs of clean energy.

يتضمن الإعداد أيضًا محولات تسلا الشمسية لضمان تكامل النظام، أمانه، موثوقيته، وجاهزيته للانقطاع. من خلال تطبيق تسلا، يمكن مراقبة إنتاج الطاقة في الوقت الفعلي. كما يمكن التحكم في النظام من أي مكان عبر تنبيهات فورية وإمكانية الوصول عن بُعد. 

في الربع الثالث من عام 2023، سجلت تسلا إيرادات تزيد عن US$21.4 مليار. بلغت هوامش التشغيل 17.2٪. 

المباني وكفاءة الطاقة: الطريق إلى الأمام

الاحترار العالمي وتغير المناخ يمثلان قلقًا حضاريًا. تسعى الحكومات والهيئات التنظيمية ومجالس الأمم والمؤسسات إلى ابتكار حلول تساعد على تحقيق نماذج طاقة فعّالة. إلى جانب الحلول المتخصصة، هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها معالجة هذه القضايا عبر تعديل بسيط يومي في أنظمة مبانينا. 

يوصي مكتب الطاقة المتجددة وكفاءة الطاقة في الولايات المتحدة بالعديد من هذه الحلول، مثل إضافة العزل، استخدام إضاءة LED، تركيب مضخات حرارية، إلخ. 

يمكن للأشخاص الذين يعيشون في مناخات حارة ورطبة استخدام أنابيب حرارة مزيلة للرطوبة لتقليل رطوبة الهواء الداخلي وتحسين الراحة. تقليل فقدان الطاقة في القنوات هو طريقة أخرى لتعزيز كفاءة الطاقة. قد يكون عزل القنوات وإغلاق هوائها مفيدًا. 

من أجل أنظمة تسخين مياه فعّالة في المباني، يمكن التفكير في حلول موفرة للطاقة مثل ملفات بدون خزان، سخانات مياه غير مباشرة، سخانات مياه شمسية، إلخ. قد يكون إدخال عمليات مثل استعادة حرارة مياه الصرف مفيدًا أيضًا. 

هناك العديد من الفوائد لتقليل استهلاك الطاقة للتدفئة/التبريد. ليس الأمر مجرد تقليل التكلفة فقط. له فوائد مجتمعية أكبر. فهي تساعد على بناء مرونة المجتمع ونظام يكون حكيمًا في استهلاك الطاقة وعادلًا. هناك مجتمعات محرومة في كل منطقة تحتاج إلى مساعدة تقنيات وبنية تحتية ذات تكلفة فعّالة للحصول على إمداد طاقة مستمر. 

تؤدي الأنظمة الفعّالة في استهلاك الطاقة أيضًا إلى تقليل تلوث الهواء، مما يفيد الصحة العامة للمجتمع. تقليل حرق الوقود الأحفوري مفيد أيضًا لبيئتنا، النباتات والحيوانات التي تحيط بنا. 

فوائدها للاقتصاد البنيوي للبلاد أيضًا كبيرة. تخفّف الأنظمة الفعّالة من الحمل على الشبكات. يساعد ذلك على تقليل الازدحام والضغط على توزيع الطاقة في أي لحظة. 

الفوائد واسعة الانتشار وعميقة الأثر لدرجة أننا نحتاج إلى مزيد من الحلول مثل بلاط الأسقف المتكيفة في المستقبل. إنه بالتأكيد إنجاز مشجع في رحلة نحو الكفاءة والاستدامة. 

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل عشر أسهم للطاقة الشمسية.

بلاط الأسقف في المستقبل. إنه بالتأكيد إنجاز مشجع في رحلة نحو الكفاءة والاستدامة.