ناطحات سحاب دبي تتوافق بشكل مثالي مع أنظمة الطاقة الشمسية المدمجة في المباني

Image Source: ScienceDirect

قام فريق من الباحثين في الشرق الأوسط بتقييم كيف يمكن لأنظمة الطاقة الشمسية المدمجة في المباني (BIPV) المساعدة في تقليل استهلاك الكهرباء في المباني الشاهقة في دبي بالإمارات العربية المتحدة.

وأوضح الأكاديميون أن المدينة تضم 25 مبنى يزيد ارتفاعها عن 300 متر، بينما هناك 14 مبنى شاهق إضافي بهذا الحجم قيد الإنشاء حاليًا. وقالوافي دبي، يمثل استهلاك المباني 38.9٪ من إجمالي استهلاك الطاقة، ويعتبر قطاع المباني الشاهقة ركيزة أساسية لكفاءة الطاقة. بحيث يمكن أن تكون أنظمة BIPV بديلاً فعالًا للغاية في دبي بسبب تقليل الحمل على المباني وتوليد الطاقة. ويهدف هذا البحث إلى التحقيق في كفاءة الطاقة وفقًا لعدد الطوابق التي يتم تطبيق أنظمة BIPV عليها.

أجرى الفريق سلسلة من المحاكاة باستخدام برنامج EnergyPlus وبرنامج TRNSYS واعتبر مبنى تتساوى فيه أبعاد جميع الطوابق – ارتفاع 3.6 متر، ومساحة أرضية 400 متر مربع، ونسبة النوافذ إلى الجدران 80%.

وأضافوا، لقد افترضنا أن الظروف الرئيسية للمحاكاة هي كثافة إشغال 0.2 شخص / متر مربع، وحرارة حسية 65 وات / شخص، وحرارة كامنة 54 وات / شخص. كما افترضنا أن كثافة الإضاءة 20.0 وات / متر مربع، وكثافة الأجهزة 22.0 وات / متر مربع، وعوامل التهوية من خلال مكيفات الهواء لكل شخص 35 متر مكعب / شخص.

النمذجة

افترض العلماء أن درجة حرارة المبنى تبلغ 20 درجة مئوية للتدفئة و 26 درجة مئوية للتبريد في أيام العمل تحت مناخ دبي. باستخدام الدراسات الأكاديمية السابقة، قدر العلماء استهلاك الطاقة السنوي للمبنى بـ 360 كيلو وات ساعة / متر مربع. تم إنشاء نموذج مرجعي باستخدام نافذة PV مزدوجة الطبقة ذات انبعاثات منخفضة (Low-E) (LDW) وتم النظر في خمسة أنواع أنظمة BIPV.

ثلاثة منها كانت أنظمة لاستبدال النوافذ تعتمد على لوحات الرقاقة الرقيقة من السيليكون غير المتبلور (a-Si) شفافة جزئيًا. يضيفون ثلاثة تكوينات مختلفة تُسمى نافذة PV مزدوجة الطبقة (a-si DW)، ونافذة PV مزدوجة الطبقة منخفضة الانبعاثات (a-si LDW)، ونافذة PV ثلاثية الطبقة منخفضة الانبعاثات (a-si LTW).

نوع آخر من أنظمة BIPV عبارة عن جدار ستارة للطاقة الشمسية يعتمد على وحدات من السيليكون البلوري (c-si FMAT). الخيار الخامس والأخير هو نظام هجين يجمع بين FMAT و a-si LTW.

وأوضح العلماء، كنتيجة للتحليل، فإن نظام BIPV من نوع استبدال النافذة فعال من الطابق الخامس عشر، ونظام BIPV من نوع استبدال الجدار الخارجي فعال من الطابق الثاني عشر، ونظام BIPV الهجين من نوع استبدال النافذة واستبدال الجدار الخارجي فعال من الطابق التاسع.

مقارنة مع أنظمة الطاقة الشمسية على السطح

كما أشاروا إلى أن ألواح BIPV لا تضيف فقط توليد الطاقة إلى المبنى ولكنها تقلل أيضًا من حمولة التبريد والتدفئة بسبب المواد المستخدمة في تجميعها. وفي حالة استبدال النوافذ، وجد العلماء أيضًا أن تقليل حمولة التبريد والتدفئة أكثر أهمية من توليد الطاقة الشمسية التقليدية على الأسطح.

تمكنت جميع الانواع استبدال النوافذ الثلاثة من إنتاج 20.2 كيلووات ساعة/متر مربع سنويًا، بينما بلغ انخفاض الحمل 27.2 كيلووات ساعة/متر مربع و 33.6 كيلووات ساعة/متر مربع و 34.1 كيلووات ساعة/متر مربع في أنظمة a-si DW و a-si LDW و a-si LTW على التوالي. وهذا يوازي استهلاكًا سنويًا قدره 352.6 كيلووات ساعة/متر مربع في حالة LDW الأساسية.

أما بالنسبة لنظام c-si FMAT، فقد تمكن من تقليل الحمل بمقدار 20.1 كيلووات ساعة/متر مربع ودعم المبنى بإنتاج 26.1 كيلووات ساعة/متر مربع. وقلل النوع الهجين الحمل بمقدار 24.9 كيلووات ساعة/متر مربع وساهم في توليد 34.9 كيلووات ساعة/متر مربع.

ثم قام العلماء بمقارنة أداء أنظمة BIPV المختلفة مع أداء نظام تركيب نموذجي على سطح المبنى، والذي يمكن أن يستخدم مساحة أرضية قدرها 400 متر مربع في المبنى المُحاكى. ووجدوا أن هذه المصفوفة قد تكون منافسة لأنظمة BIPV فقط إذا لم يتجاوز ارتفاع المبنى سبعة طوابق.

وقالوا، يتم الحفاظ على معدل خفض الطاقة باستمرار عند 17.0% عند تطبيق نوع هجين للطاقة الشمسية، وتكافئ هذه النتيجة نظام التركيب على السطح ذي الخمسة طوابق (17.0%).  وأضافوا، علاوة على ذلك، عند مقارنة معدل خفض الطاقة البالغ 15.5% لنظام a-si LTW، تم تحليل أن النظام المركب على السطح المزود بـ BAPV الذي يبلغ ستة طوابق (14.2%) ظهر. كما يحافظ نظام c-si FMAT على معدل خفض للطاقة قدره 13.2% بغض النظر عن زيادة عدد الطوابق، وهي قيمة قريبة من قيمة نظام مركب على السطح المزود بـ BAPV ذي السبعة طوابق (12.2%).

المصدر: Analyzing the effectiveness of building integrated Photovoltaics (BIPV) to reduce the energy consumption in Dubai