The thermal characteristics and performance indicators of energy-saving building envelope structures containing phase change materials

تخيل أن منزلك عبارة عن إسفنجة عملاقة وجائعة. عندما تضرب الشمس بقوة، تمتص الإسفنجة الحرارة، وتصبح ساخنة، ثم تعصر تلك الحرارة ببطوح في غرفة معيشتك، مما يجعلك تتصبب عرقاً. وعندما تغيب الشمس، تظل الإسفنجة دافئة وتحافظ على الغرفة دافئة، ولكن ربما أكثر من اللازم إذا كنت ترغب في النوم. هكذا تعمل معظم جدران المباني اليوم: فهي فقط تحتفظ بالحرارة أو تحجبها، لكنها لا تديرها حقاً. لقد كان العلماء يبحثون عن طريقة لجعل الجدران أكثر ذكاءً، مثل إسفنجة يمكنها سحرياً إيقاف جوعها مؤقتاً. لقد وجدوا حيلة خاصة تسمى "المواد متغيرة الطور" (PCMs). فكر في هذه المواد كأنها كمادة باردة سحرية لا تذوب لتصبح بركة ماء، بل تظل صلبة، وتمتص كمية هائلة من الطاقة الحرارية بمجرد تغيير حالتها الداخلية، تماماً مثل إسفنجة تشرب محيطاً كاملاً دون أن تبتل أكثر. من خلال وضع هذه المواد داخل الجدران، قد نتمكن من منع منازلنا من الارتفاع المفرط في الحرارة خلال النهار ومن البرودة في الليل، مما يوفر الطاقة ويحافظ على راحتنا دون الحاجة لتشغيل مكيف الهواء بأقص القدر.

لنغص الآن فيما فعله فريق من الباحثين من جامعة تشونغتشينغ بهذا المفهوم. لقد قرروا بناء لوح جداري خاص، يشبه "الشطيرة" إن صح التعبير، باستخدام ألواح الجبس العادية (المادة التي توجد داخل جدراننا) مع حشوة سرية في المنتصف تلتهم الحرارة. لم يكتفوا بحشوها بأي نوع من الشمع؛ بل ابتكروا خليطاً مخصصاً من نوعين من الأحماض الدهنية (حمض البالمتيك وحمض اللوريك) يعملان كإسفنجة حرارية مثالية. وللحفاظ على هذا الخليط السائل من التسرب مثل علبة عصير مكسورة عندما يسخن، قاموا بحبسه داخل حامل طيني مسامي، مما خلق مركباً "ثابت الشكل". ثم قاموا بخبز هذا في لوح أبعاده 10 سم × 10 سم × 3 سم، مع طبقة بسمك 1 سم من هذا الحشو السحري في المنتصف تماماً.

ولرؤية ما إذا كانت هذه "الشطيرة الذكية" قد نجحت بالفعل، أعد الفريق تجربة صغيرة. فقد بنوا غرفتين نموذجيتين متطابقتين تماماً. إحداهما بها جدار عادي، والأخرى بها جدار المرحلة المتغيرة الجديد. قاموا بتشغيل سخان لمحاكاة يوم حار وراقبوا ما سيحدث. كانت النتائج مثيرة للاهتمام. فقد سخن الجدار العادي بسرعة، ووصلت درجة الحرارة الداخلية القصوى فيه إلى 32.43 درجة مئوية. أما الجدار الذكي، فقد عمل كعازل للحرارة؛ حيث امتص الطاقة الزائدة، مما أبقى ذروة درجة الحرارة الداخلية عند 31.17 درجة مئوية. قد لا يبدو هذا فرقاً كبيراً، ولكن على السطح الداخلي للجدار نفسه، كان الجدار الذكي بطلاً، حيث خفض درجة الحرارة من 39.90 درجة مئوية الملتهبة إلى 34.91 درجة مئوية. والأفضل من ذلك، أن الجدار الذكي كان بطيئاً في الاستجابة. فبينما وصل الجدار العادي إلى ذروته بسرعة، أخر الجدار الذكي ذروته بنحو 81 دقيقة. إنه يشبه ضغط الجدار الذكي على زر "الغفوة" للحرارة، تاركاً الشمس تغرب قبل أن يسمح للحرارة بالدخول إلى الغرفة.

لم يتوقف الباحثون عند غرف النماذج الصغيرة فحسب؛ بل استخدموا أيضاً محاكاة حاسوبية قوية (باستخدام برنامج COMSOL) لتخيل كيف سيعمل هذا في مبنى كامل على مدار ثلاثة أيام (72 ساعة). أكدت هذه المحاكاة ما رأوه في المختبر: حافظت الجدران الذكية على استقرار درجة الحرارة الداخلية بشكل أكبر، مع تقليل التقلبات بين الحر والبرد. كانت درجات الحرارة داخل المبنى "الذكي" أكثر تجانساً، مما يعني عدم وجود بقع ساخنة غريبة بالقرب من النوافذ أو بقع باردة في الزوايا. أظهرت النماذج الحاسوبية أنه خلال الجزء الأكثر سخونة من اليوم، امتصت طبقة تغيير الطور الحرارة مثل الإسفنجة، وعندما تغرب الشمس، قامت بإطلاق تلك الطاقة المخزنة ببطء، مما منع الغرفة من البرودة بسرعة كبيرة.

إذاً، ما هي الخلاصة الكبرى؟ تشير الدراسة إلى أنه من خلال وضع هذا الخليط الخاص من الأحماض الدهنية كطبقة وسطى بين طبقات الجبس، يمكننا جعل جدران المباني أفضل بكثير في تنظيم درجة الحرارة. إنها لا تكتفي بحجب الحرارة، بل تديرها بنشاط؛ فهي تنعم ذروات وانخفاضات التغيرات اليومية في درجات الحرارة. وبينما أشار الباحثون إلى أن هذه المواد تحتاج إلى تصميم دقيق لمنع التسرب وضمان استمراريتها لفترة طويلة، فإن تجاربهم ومحاكاتهم تظهر أن نهج "الإسفنجة الحرارية" هذا يحمل وعداً حقيقياً. قد يعني هذا أن المباني ستظل مريحة بشكل طبيعي، مما يقلل من الحاجة للطاقة لتبريدها في الصيف أو تدفئتها في الشتاء، محولةً جدراننا من حواجز سلبية إلى شركاء نشطين وموفرين للطاقة.