مدخنة شمسية

مقطع رأسي للمدخنة الشمسية

المدخنة الشمسية (solar chimney) - غالبا ما يشار اليها بالمدخنة الحرارية - هي وسيلة لتحسين التهوية الطبيعية في المباني باستخدام الحمل الحراري للهواء المسخن من الطاقة الشمسية الخاملة. وصف بسيط من المدخنة الشمسية هو أن ممر رأسي يستخدم الطاقة الشمسية لتحسين التهوية الطبيعية للبناء.

قد تم استخدام المدخنة الشمسية لعدة قرون ،لا سيما في الشرق الأوسط ، وكذلك من جانب الرومان.

وصف

المدخنة الشمسية في أبسط أشكالها، تُطلى باللون الاسود لأمتصاص أكبر كمية من الأشعاعات الشمسية. وخلال النهار مع ارتفاع درجات الحرارة، تيار الهواء الساخن الذي بداخل المدخنة يصعد إلى الأعلى والهواء البارد يدخل من الأسفل. وهنالك عدة انواع واشكال واختلافات في المدخنة الشمسية. المدخنة الشمسية تُطلى باللون الاسود لأمتصاص أكبر كمية من الأشعاعات اشمسية. خلال النهار مع ارتفاع درجات الحرارة، تيار الهواء الساخن بداخل المدخنة يصعد إلى الأعلى والهواء البارد يدخل من الأسفل.

عناصر المدخنة الشمسية

• منطقة تجميع الطاقة الشمسية :هذة يمكن تقع في الجزء الأعلى من المدخنة

أو يمكن أن تشمل التوجيه ،الزجاج والعزل الحراري

• فتحة التهوية الرئيسية : إن الموقع والارتفاع هم عوامل مهمة جداً.
• فتحات لدخول وخروج الهواء

المدخنة الشمسية والهندسة المعمارية المستدامة

ويمكن زيادة عملية التهوية الطبيعية من خلال المدخنة الشمسية. المدخنة يجب أن تكون أعلى من مستوى السطح، ويجب أن تبنى على الجدار التي تواجه اتجاه الشمس. ويمكن زيادة امتصاص الحرارة من الشمس عن طريق استخدام السطح المزجج على الجانب الذي يواجه اشعة الشمس. ويمكن استخدام مواد تمتص الحرارة على الجانب الآخر. وحجم السطح التي تمتص الحرارة هو أكثر أهمية من قطر المدخنة. ويجب استخدام مساحة كبيرة لكي تسمح لمزيد من تبادل الحرارة مع الهواء . وينبغي أن تكون فتحات المخارج في المدخنة بعيد عن اتجاه الرياح السائدة.

يمكن إنشاء التهوية الطبيعية من خلال توفير الفتحات في الطابق العلوي من مبنى للسماح للهواء الدافئ إلى الارتفاع والهروب إلى الخارج. ويمكن زراعة الأشجار على هذا الجانب من المبنى لتوفير الظل لتبريد الهواء الخارجي. ويمكن زيادة عملية التهوية الطبيعية من خلال المدخنة الشمسية. المدخنة يجب أن تكون أعلى من مستوى السطح، ويجب أن تبنى على الجدار التي تواجه اتجاه الشمس. ويمكن زيادة امتصاص الحرارة من الشمس عن طريق استخدام السطح المزجج على الجانب الذي يواجه اشعة الشمس. ويمكن استخدام مواد تمتص الحرارة على الجانب الآخر. وحجم السطح التي تمتص الحرارة هو أكثر أهمية من قطر المدخنة. ويجب استخدام مساحة كبيرة لكي تسمح لمزيد من تبادل الحرارة مع الهواء . وينبغي أن تكون فتحات المخارج في المدخنة بعيد عن اتجاه الرياح السائدة. لتحقيق أقصى استفادة من تأثير التبريد، ممكن ان يمر الهواء من خلال قنوات تحت الأرض قبل أن يتم السماح له بالدخول إلى المبنى وبذلك ممكن ان نزيد من ثاثير التبريد القادم من المدخنة الشمسية ويمكن تحسين الاستفادة من المدخنة الشمسية من خلال دمج ذلك مع جدار عازل للحرارة لكي يتم زيادة الاستفادة من المدخنة الشمسية , و يمكن اضافة ميزة إضافية إلى المدخنة الشمسية هو أنه قد يتم عكس النظام خلال موسم الشتاء ، حيث انها توفر الطاقة الشمسية والاستفادة منها في التدفيئة بدلا من التبريد في موسم الشتاء . . وهناك تباين في مفهوم المدخنة الشمسية وخصوصا المدخنة الشمسية الموجودة في الطوابق العليا . ففي المناخ الحار المشمس تمتاز المناطق العليا بدرجات حرارة عالية وكبيرة جدا وبتوهج كبير خلال فصل الصيف. و هذا يمثل في المباني التقليدية مشكلة لأنه يؤدي إلى الحاجة المتزايدة لتكييف الهواء. و يمكن حل هذة المشكلة من خلال دمج الفراغات العليا مع المدخنة الشمسية للحصول على أكبر استفادة من الطاقة الشمسية، من خلال الاستفادة من الهواء الموجود في الفراغات العليا حيث انه يمكن أن يساعد على زيادة الحمل الحراري في داخل المدخنة الشمسية ، وتحسين التهوية في الفراغ . و قد يكون استخدام المدخنة الشمسية عامل مهم في مساعدة التهوية الطبيعية واستراتيجيات التبريد الطبيعية للمباني وبالتالي تساعد على تقليل استخدام الطاقة، وانبعاثات CO2، والتلوث بشكل عام.

الفوائد المحتملة فيما يتعلق بالتهوية الطبيعية واستخدام المداخن الشمسية

• تحيسن معدلات التهوية في الأيام التي لا تزال ساخنة . • تخفيض الاعتماد على طاقة الرياح وتهوية الرياح المدفوعة . • تحسين السيطرة على تدفق الهواء داخل المبنى . • توفر خيارات أكبر من ناحية الاستفادة من كمية الهواء . • تحسين نوعية الهواء وخفض مستويات الضوضاء في المناطق الحضرية . • تساهم في زيادة معدلات التهوية الليلية . • تهوية المساحات الضيقة الصغيرة مع الاخذ بعين الاعتبار التعرض القليل للعناصر الخارجية ( الجدران والشبابيك ) .

وقد تكون الفوائد المحتملة فيما يتعلق التبريد السلبي ما يلي

• التبريد الطبيعي شهد تحسنا ملحوضا خلال الموسم الحار . • تحسين معدلات التبريد ليلا . • الحصول على أداء أفضل للكتلة الحرارية( thermal mass ) . • تحسين شعور الراحة الحرارية للانسان من خلال تحسين مراقبة تدفق الهواء .

دراسة سابقة ( البناء البيئي ) :

إنشاءت بحوث البناء (BRE) مبنى للمكاتب في غراستون ، واتفورد، المملكة المتحدة، يقوم على اساس الاستفادة من الطاقة الشمسية بمساعدة مداخن التهوية الطبيعية كجزء من استراتيجية نظام التهوية الخاص بها.

صمم من قبل المهندسين المعماريين كليغ برادلي و فيلدنغ، مكتب BRE يهدف إلى خفض استهلاك الطاقة وانبعاثات CO2 بنسبة 30٪ . من المبادئ التوجيهية لأفضل الممارسات الحالية والحفاظ على الظروف البيئية المريحة من دون استخدام أجهزة تكييف الهواء. . . . .مداخن التهوية الطبيعية، والتظليل الشمسي , والألواح الخرسانية المجوفة مع التبريد الارضي هي الملامح الرئيسية لهذا المبنى. . . يتم التحكم في التهوية وأنظمة التدفئة بواسطة نظام إدارة (BMS)

حيث يتم استخدام درجة من تجاوزات المستخدم لتوفير الظروف المريحة للانسان و حاجاته .

المبنى يستخدم 5 من الآبار العمودية باعتبارها جزءا لا يتجزأ من استراتيجية التهوية والتبريد . ا

المكونات الرئيسية للمداخن الشمسية

الجدار الزجاجي الذي يواجه الجنوب و الجدار الحراري و ترتبط المداخن مع الالواح الخرسانية الموجوفة التي يتم تبريدها عن طريق التهوية الليلة ويمكن للأنابيب ان توفر التبريد إلاضافي للاستفادة من المياه الجوفية

في يوم عاصف و دافئ يدخل الهواء داخل الالواح الخرسانية المجوفة .التهوية الطبيعية التي تحدث من خلال المداخن الشمسية تعزز من تدفق الهواء عبر المبنى و حركة الهواء عبر قمم المدخنة الشمسية تعزز من تأثير التهوية الطبيعية خلال الايام الصيفية . ويمكن أيضا استخدام المراوح المنخفضة الطاقة في قمم مداخن والتي يمكن استخدامها لتحسين تدفق الهواء .

و هنالك تقنية تتصل اتصالا وثيقا مع المدخنة الشمسية و هو التبخر الذي يحدث في اسفل البرج البارد . في المناطق ذات المناخ الحار والجاف التي قد تسهم على نحو كبير في توفير تكييف الهواء الميكانيكي في المباني

تبخر الرطوبة الذي استخدم في اعلى مباني التونغانا التي بناها الناس في دوغون من مالي، وأفريقيا والتي تساهم في البرودة التي يشعر بها الرجال الذين يستريحون تحتها. اما مباني العائلات التي على مشارف البلدة فكانت تستخدم فيها المداخن الشمسية التقليدية.

المبدأ هو السماح لتتبخر المياه في الجزء العلوي من البرج، إما عن طريق استخدام منصات التبريد التبخيري أو عن طريق رش الماء. التبخر يبرد الهواء ، مما تسبب في انحدار الهواء البارد للاسفل وهذا من شأنه خفض درجة الحرارة داخل المبنى . ويمكن زيادة جريان الهواء باستخدام المدخنة الشمسية على الجانب المقابل للمبنى للمساعدة في تنفيس الهواء الساخن إلى الخارج . وقد استخدم هذا المفهوم لمركز الزوار في الحديقة الوطنية. و قد صمم المركز من قبل الزوار لبحوث المباني العالية الأداء للمختبر القومي للطاقة المتجددة (المختبر الوطني .

.

انظر ايضا :

•  Autonomous building
•  Earth cooling tubes
•  HVAC
•  Natural ventilation
•  Passive house
•  Passive solar
•  Solar updraft tower
•  Stack effect
•  Sustainable architecture
•  Toguna
•  Trombe wall
•  Ventilation (architecture)
•  Windcatcher

المراجع :

 Afonso, Clito; Oliveira, Armando (June 2000). "Solar chimneys: Simulation and experiment". Energy and Buildings (IOP Publishing Limited) 32 (1): 71–79. doi:10.1016/S0378-7788(99)00038-9.  Trombe, A.; Serres, L. (1994). "Air-earth exchanger study in real site experimentation and simulation". Energy and Buildings 21 (2): 155–162. doi:10.1016/0378-7788(94)90008-6  Szikra, Csaba (April 2004). "Hybrid ventilation systems" (PDF). Retrieved 2007-03-10.  Pearlmutter, D.; E. Erell, Y. Etzion, I. A. Meir, H. Di (March 1996). "Refining the use of evaporation in an experimental down-draft cool tower". Energy and Buildings (Elsevier) 23 (3): 191–197. doi:10.1016/0378-7788(95)00944-2. Retrieved 2007-03-13.  Dai, Y. J.; K. Sumathy, R. Z. Wang, and Y. G. Li (January 2003). "Enhancement of natural ventilation in a solar house with a solar chimney and a solid adsorption cooling cavity". Solar Energy (Elsevier Science B.V.) 74 (1): 65–75. doi:10.1016/S0038-092X(03)00106-3 الملاحضات : 1. ^ "Solar powered Air Conditioning". Retrieved 2007-03-10. 2. ^ "A Theory of Power" ISBN 0-595-33030-4 Vail, Jeff (2005-06-28). "Passive Solar & Independence". Retrieved 2007-03-10. 3. ^ Murti Nugroho, Agung; Mohd Hamdan bin Ahmad, Makmal Sain Bangunan. "Possibility to Use Solar Induced Ventilation Strategies in Tropical Conditions by Computational Fluid Dynamic Simulation" (PDF). Retrieved 2007-03-10. 4. ^ Ní Riain, C.; M. Kolokotroni, M. Davies, J. Fisher, M. White, J. Littler (1999). "Cooling Effectiveness of South Façade Passive Stacks in a Naturally Ventilated Office Building - Case Study". Indoor and Built Environment 8 (5): 309–321. doi:10.1159/000024659. 5. ^ Torcellini, Paul A.; Ron Judkoff, and Sheila J. Hayter (2002-08-23). "Zion National Park Visitor Center: Significant Energy SavingsAchieved through A Whole-Building Design Process" (PDF). Office of Scientific and Technical Information. Retrieved 2007-03-10. 6. ^ Elliot, Tom. "Passive Air Conditioning". Institute for Appropriate Technology. Retrieved 2007-03-10.