Dynamic Thermal Modeling and Energy Assessment of a Multi-Zone in F3 Apartment in an Arid Climate of Bechar, Algeria
تقدم هذه الورقة نموذجاً حرارياً ديناميكياً متعدد المناطق لشقة نمط F3 في بشار بالجزائر، تم تطويره باستخدام MATLAB/Simscape لتحليل مخاطر الارتفاع المفرط في درجات الحرارة وقياس متطلبات طاقة التبريد اليومية الكبيرة اللازمة للحفاظ على الراحة الحرارية في مناخ المنطقة شديد الجفاف.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في أكثر زوايا العالم حرارة، تُخاض معركة الراحة داخل جدران منازلنا. فالمباني ليست مجرد هياكل ثابتة؛ بل هي أنظمة حية تمتص وتخزن وتطلق الحرارة، وتتفاعل مع الشمس ومع الناس بداخلها. وعندما يتضخم الهواء الخاري بحرارة شديدة وتضرب الشمس بقوة لا تلين، يمكن للهواء في الداخل أن يصبح دافئاً بشكل خطير، مما يجبر الناس على الاعتماد على تكييف الهواء من أجل البقاء. ومع ذلك، فإن مجرد تشغيل آلة ليس كافياً لفهم المشكلة. فلتصميم منازل تظل باردة دون إهدار الطاقة، يجب على العلماء فهم كيف تتحرك الحرارة عبر المبنى بمرور الوقت، وكيف تضرب الشمس الجدران المختلفة في أوقات مختلفة من اليوم، وكیز كيف يضيف الإيقاع اليومي للحياة البشرية حرارته الخاصة إلى المزيج. وهذا يتطلب النظر إلى ما وراء لقطات درجة الحرارة البسيطة، وبدلاً من ذلك مراقبة المبنى وهو يتنفس ويتحول مع مرور الساعات.
قرر فريق من الباحثين في مدينة بشار بالجزائر بناء "توأم رقمي" لشقة قياسية لمراقبة كيفية حدوث هذه القوى بدقة في واحدة من أكثر المناخات قسوة على وجه الأرض. تقع بشار في منطقة شديدة الجفاف حيث تكون أيام الصيف حارقة، بينما لا توفر الليالي سوى فترة راحة قصيرة ومنعشة. ركز الباحثون على تخطيط شقة شائع مكونة من ثلاث غرف، والمعروفة محلياً باسم (F3)، والتي تمثل جزءاً كبيراً من المخزون السكني في المنطقة. لقد أنشأوا محاكاة حاسوبية مفصلة قامت بتفكيك الشقة إلى ست مناطق متميزة: غرفة معيشة، ومطبخ، وغرفتي نوم، وردهة، وحمام. وبدلاً من معاملة المبنى كصندوق واحد، قاموا بنمذجة تدفق الحرارة عبر الجدران السميكة، والسطح المستوي، والنوافذ ذات الزجاج المفرد، مع مراعاة أيضاً الحرارة الناتجة عن الأشخاص الذين يعيشون هناك ووحدات تكييف الهواء التي تحاول الحفاظ على راحتهم.
بدأت المحاكاة بتجريد الشقة من تكييف الهواء والناس لرؤية كيف سيتصرف المبنى بمفرده. وبدون أي أنظمة تبريد، سرعان ما تحولت الشقة إلى فرن. وجد الباحثون أن مواد البناء، التي شملت الطوب المجوف والخرسانة، امتصت الطاقة الشمسية المكثفة خلال النهار ولكنها لم تستطع إطلاقها بسرعة كافية في الليل. تسبب هذا في ارتفاع درجة الحرارة الداخلية يوماً بعد يوم حتى وصلت إلى ذروة خطيرة. وقد عانت غرفة المعيشة وإحدى غرف النوم، وكلاهما يواجه الغرب والجنوب، بشكل أكبر، حيث ارتفعت درجات الحرارة لتصل إلى 46 درجة مئوية. حدث هذا لأن الشمس عند الغروب ضربت هذه الجدران مباشرة في الوقت الذي كان فيه الهواء الخارجي في أقصى درجات حرارته بالفعل، مما خلق عاصفة مثالية من الحرارة لم يستطع هيكل المبنى مقاومتها. وحتى الغرف التي لا تتعرض للشمس مباشرة، مثل الحمام، ارتفعت حرارتها بشكل ملحوظ لأن الحرارة انتقلت عبر الجدران الداخلية من الغرف الأكثر سخونة المجاورة لها.
عندما أعاد الباحثون تفاصيل الحياة اليومية لعائلة نموذجية إلى النموذج، تغيرت الصورة بطرق مفاجئة. فقد أضاف وجود الناس تدفقاً مستمراً من حرارة الجسم، ولكن الأهم من ذلك، أنه غير توقيت اللحظات الأكثر حرارة. أظهرت المحاكاة أن طفرات درجات الحرارة في غرف النوم وغرفة المعيشة لم تتبع الشمس فحسب، بل اتبعت جدول العائلة أيضاً. فمع عودة الناس إلى منازلهم في المساء، تضافت حرارة التمثيل الغذائي لديهم مع الحرارة المخزنة بالفعل في الجدران، مما خلق قممات حادة ومتعرجة في درجات الحرارة تعكس تحركاتهم. أصبحت غرفة المعيشة، حيث تجتمع العائلة في المساء، المساحة الأكثر حرجاً، حيث وصلت درجات الحرارة فيها إلى 47 درجة مئوية عند تواجد السكان. أثبت هذا أن الأداء الحراري للمبنى لا يتعلق فقط بجدرانه ونوافذه، بل يرتبط ارتباطاً وثيقاً بمتى وأين يتواجد الناس بداخله.
للحفاظ على قابلية العيش في الشقة، قام الباحثون بعد ذلك بتشغيل تكييف الهواء في المحاكاة، واضعين هدفاً صارماً للحفاظ على درجة حرارة مريحة تبلغ 25 درجة مئوية. كانت النتائج صارخة؛ إذ كانت الطاقة المطلوبة لمحاربة الحرارة الشديدة هائلة. فقد تطلبت غرفة المعيشة وحدها قدرة تبريد أكثر من أي غرفة أخرى، حيث استهلكت ما يقرب من 15.6 كيلووات ساعة من الكهرباء كل يوم. وعلى مدار شهر كامل، ستستهلك الشقة بأكملها أكثر من 1,600 كيلووات ساعة من الكهرباء لمجرد البقاء باردة، وهو رقم يسلط الضوء على العبء الثقيل الملقى على عاتق الشبكة الكهربائية في مثل هذه المناخات. كما اختبرت الدراسة مدى أهمية كفاءة وحدة تكييف الهواء؛ حيث وجدوا أن استخدام آلة أكثر كفاءة يمكن أن يقلل فاتورة الطاقة بنسبة تقارب 15 بالمائة، بينما تؤدي الوحدة القديمة والأقل كفاءة إلى زيادة الاستهلاك بنسبة 20 بالمائة. أثبت هذا أن اختيار المعدات لا يقل أهمية عن تصميم المبنى نفسه.
خلصت الدراسة إلى أن نمط البناء الحالي في هذه المنطقة، بجدرانه الرقيقة ونوافذه ذات الزجاج المفرد، ليس مهيأً ببساطة للتعامل مع الحرارة الشديدة في بشار دون مساعدة ميكانيكية. اقترح الباحثون تغييرات عملية يمكن أن تحدث فرقاً حقيقياً، مثل إضافة التظليل للنوافذ المواجهة للجنوب لحجب الشمس قبل وصولها إلى الزجاج، أو الترقية إلى نوافذ مزدوجة الزجاج تحبس حرارة أقل. كما اقترحوا استراتيجية لفتح النوافذ ليلاً للسماوة للهواء البارد بغسل الجدران الثقيلة للمبنى، مما يؤدي إلى تبريدها قبل أن تشرق الشمس مرة أخرى. ومن خلال فهم الطريقة الدقيقة التي تنتقل بها الحرارة عبر المنزل وكيفية تفاعل الناس مع تلك الحرارة، يمكن للعلماء مساعدة المهندسين المعماريين في تصميم مبانٍ ليست باردة فحسب، بل أكثر كفاءة بكثير، مما يحول الصراع ضد حرارة الصحراء إلى تحدٍ يمكن السيطرة عليه.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.