Comparative Experimental Evaluation of Two Heat Recovery Modes under Steady-State and Transient Conditions in Packaged Air-Conditioning Units for Domestic Hot Water Production

تُعد وحدات تكييف الهواء أبطالاً مجهولين للراحة الحديثة، حيث تعمل بلا كلل لتبريد منازلنا ومكاتبنا عن طريق نقل الحرارة من الداخل إلى الخارج. ومع ذلك، فإن هذه العملية هي في جوهرها عملية هدر؛ إذ ينتهي جزء كبير من الطاقة المستخدمة لتشغيل هذه الآلات كغاز ساخن يتم التخلص منه ببساطة في الغلاف الجوي. ويمثل هذا الحر المرفوض فرصة ضائعة. فبدلاً من ترك هذه الطاقة الحرارية تتلاشى، استكشف المهندسون منذ فترة طويلة طرقاً لالتقاطها وتسخيرها للعمل، مثل استخدامها لتسخين المياه للاستحمام أو للمغاسل. ويكمكم التحدي في القيام بذلك دون جعل جهاز تكييف الهواء نفسه أقل كفاءة أو يتطلب تعديلات معقدة ومكلفة. والسؤال ليس فقط ما إذا كان بإمكاننا "سرقة" هذه الحرارة الضائعة، بل كيف نفعل ذلك بطريقة تساعد الآلة فعلياً على العمل بشكل أفضل مع تقديم خدمة مفيدة.

لقد وضع فريق من الباحثين من جامعات في إيران والصين هدفهم للإجابة على هذا السؤال من خلال اختبار نهج عملي محدد على وحدة تكييف هواء مجمعة قياسية. هذه الوحدات هي الأنظمة ذاتية الاحتواء التي تُرى غالباً على الأسطح أو في المباني التجارية، وهي مستخدمة على نطاق واسع ولكن نادراً ما تُدرس من حيث قدرتها على إنتاج الماء الساخن. قام الباحثون بتثبيت مبادل حراري مدمج — وهو جهاز مصنوع من أنابيب نحاسية داخل غلاف معدني — مباشرة في مسار غاز التبريد الساخن الخارج من الضاغط (الكمبروسر). يعمل هذا الجهاز كجسر، مما يسمح للغاز الملتهب بنقل بعض حرارته إلى الماء المتدفق عبر الغلاف المحيط قبل أن يصل الغاز إلى المكثف الخارجي الرئيسي. ثم أخضعوا هذا النظام المعدل لاختبارين متميزين لمعرفة كيفية أدائه تحت سيناريوهات مختلفة من الواقع.

في السيناريو الأول، قام الفريق بمحاكاة تدفق مستمر لمياه المدينة الباردة عبر المبادل الحراري لمرة واحدة، مما أدى إلى تسخينها قليلاً قبل ذهابها إلى سخان مياه رئيسي. يحاكي هذا موقفاً يعمل فيه مكيف الهواء باستمرار والمبنى يحتاج إلى تدفق ثابت من المياه المسخنة مسبقاً. ووجدوا أنه مع زيادة سرعة تدفق المياه عبر الجهاز، أصبح مكيف الهواء في الواقع أكثر كفاءة. فقد عمل المبادل الحراري مثل "صمام تخفيف" للضاغط؛ فمن خلال تبريد الغاز الساخن مبكراً، خفض الضغط الذي يتعين على الضاغط العمل ضده. هذا الانخفاض في الضغط يعني أن الضاغط يستهلك كهرباء أقل للقيام بنفس القدر من التبريد. وتحديداً، عندما كان تدفق المياه مرتفعاً، انخفض استهلاك طاقة الضاغط بنسبة تصل إلى 21 بالمائة، وزادت كفاءة النظام الإجمالية بأكثر من الضعف لأن الحرارة المستردة تم احتسابها كمخرج مفيد إلى جانب التبريد.

أما السيناريو الثاني فقد اختبر نهجاً مختلفاً وأكثر ديناميكية: تسخين خزان مياه من الصفر حتى يصل إلى درجة حرارة صالحة للاستخدام المنزلي. في هذا الإعداد، لم تكن المياه تتدفق لمرة واحدة؛ بل كانت تُضخ في حلقة مغلقة، تدور ذهاباً وإياباً عبر المبادل الحراري لامتصاص الحرارة تدريجياً. راقب الباحثون هذه العملية وهي تتكشف، ملاحظين كيف ارتفعت درجة حرارة الماء من 21 درجة مئوية إلى 50 درجة مئوية خلال 120 دقيقة، مع الوصول إلى درجات حرارة قريبة من 60 درجة مئوية بعد حوالي 220 دقيقة من التشغيل. ومن المثير للاهتمام أنه خلال مرحلة التسخين هذه، لم يغير الضاغط سلوكه كثيراً؛ إذ ظل ضغط ودرجة حرارة الغاز الخارج من الضاغط كما هما تقريباً كما لو كانا بدون المبادل الحراري. حدث هذا لأن الماء في الخزان أصبح أكثر سخونة، مما جعل من الصعب على المبادل الحراري سحب المزيد من الحرارة من سائل التبريد، وبالتالي استمر المكثف الخارجي الرئيسي في القيام بالعمل الشاق. ورغم ذلك، نجح النظام في تسخين المياه بفعالية مع الحفاظ على أداء التبريد، حيث تحسنت الكفاءة الإجمالية بأكثر من 31 بالمائة عند إدراج الحرارة المستردة في الحساب.

تخلص الدراسة إلى أن التقاط الحرارة الضائعة من خط تصريف الضاغط هو استراتيجية قابلة للتطبيق وفعالة لوحدات تكييف الهواء المجمعة. فهي توفر فائدة مزدوجة: يمكن للنظام إنتاج الماء الساخن للاستخدام اليومي مع تقليل الطاقة المطلوبة لتبريد المبنى في الوقت نفسه، أو على الأقل الحفاظ على أداء التبريد هذا مع تقليل الجهد على الضاغط. وجد الباحثون أن أفضل النتائج لتوفير الطاقة جاءت عندما استُخدم النظام لتسخين مسبق لتدفق مستمر من المياه، لكن طريقة الحلقة المغلقة أثبتت قدرتها على تسخين المياه إلى درجات حرارة عالية دون تعطيل دورة التبريد. تشير هذه النتائج إلى أن إضافة بسيطة نسبياً إلى أجهزة تكييف الهواء الحالية يمكن أن تحول منتجاً ضائعاً إلى مورد قيم، مما يجعل هذه الآلات الشائعة أكثر استدامة وكفاءة دون الحاجة إلى إعادة تصميم كاملة. وسيتعين على العمل المستقبلي معرفة كيفية أداء هذه الأنظمة على فترات طويلة في مبانٍ حقيقية، لكن النتائج المختبرية توفر مساراً واضحاً لتحسين كيفية استخدامنا للطاقة في بيئتنا العمرانية.