تحليل مقارن بين أسلوبي المحاكاة الديناميكية وشبه المستقرة لتقييم فعالية أنظمة التظليل الخارجي في خفض حمل التبريد: دراسة حالة تطبيقية على مبنى تعليمي بمدينة طرابلس، ليبيا

الملخص

تستهلك المباني نحو 32% من إجمالي الطاقة النهائية عالميًا، ويمثل التبريد الحصة الأكبر من هذا الاستهلاك في المناخات الحارة الجافة، حيث تُعد المباني التعليمية مستهلكة للطاقة بشكل خاص بسبب طول ساعات الإشغال اليومي. تقيّم هذه الدراسة خمس أنظمة تظليل خارجية: مظلة أفقية (Overhang)، وكاسرات أفقية ثابتة، وكاسرات مائلة بزاوية 15° و30°، ومظلة أفقية مدمجة مع زعانف رأسية، مطبقة على الواجهة الجنوبية لمبنى تعليمي من طابقين بمساحة 1600 م² في جامعة طرابلس، ليبيا. جرى نمذجة المبنى باستخدام برنامج HAP الذي يعتمد طريقة شبه ثابتة الحالة، وبرنامج EnergyPlus (مع SketchUp وOpenStudio) الذي يعتمد طريقة الاتزان الحراري الديناميكي العابر. جرت محاكاة الحالة المرجعية بدون تظليل في كلا البرنامجين، ثم طُبق كل نظام تظليل ومحاكاته باستخدام EnergyPlus. في يوم التصميم لشهر يوليو، توقع EnergyPlus ذروة حمل تبريد قدرها 181.9 كيلووات مقابل 165 كيلووات من HAP، بزيادة 10.2%؛ وفي شهر يونيو، توقع EnergyPlus استهلاكًا كليا للتبريد قدره 20,452 كيلووات ساعة مقابل 38,268 كيلووات ساعة من HAP، بنقص 46.56%. وفي شهر يناير، توقع EnergyPlus ذروة حمل تدفئة قدرها 11.77 كيلووات مقابل 10.5 كيلووات من HAP (زيادة 12.1%)، واستهلاك تدفئة قدره 10.56 كيلووات ساعة مقابل 10,189 كيلووات ساعة من HAP (نقص 99.9%)، وهو ما يعكس ميل HAP إلى حساب الأحمال كمتوسط بدل حلّها على أساس ساعي متغير. من بين أنظمة التظليل، حققت الكاسرات المائلة بزاوية 30° أكبر خفض في استهلاك التبريد السنوي (10.27%، من 136,886 إلى 122,833 كيلووات ساعة) وأكبر خفض في ذروة الطلب (1.51%)، تلتها الكاسرات المائلة 15° (9.81%)، ثم الكاسرات الأفقية (9.10%)، ثم المظلة مع الزعانف (7.46%)، وأخيرًا المظلة الأفقية وحدها (5.25%). ويُقدَّر أن اعتماد هذا النظام الأفضل أداءً يجنّب نحو 14.57 طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا، استنادًا إلى معامل انبعاث للشبكة الوطنية قدره 1.037 كيلوغرام CO₂ لكل كيلووات ساعة. وقد أدت جميع الأنظمة الخمسة إلى زيادة استهلاك التدفئة السنوي مقارنة بالحالة المرجعية البالغة 147 كيلووات ساعة، لتصل الزيادة إلى 542 كيلووات ساعة (269%) مع الكاسرات المائلة 30°، لأن الهندسة نفسها التي تحجب الكسب الشمسي الصيفي تحجب أيضًا الكسب الشمسي الشتوي. لذلك ينبغي أن يوازن اختيار نظام التظليل بين وفورات التبريد وهذه الكلفة الإضافية في التدفئة، كما ينبغي تفضيل المحاكاة الديناميكية على أدوات المحاكاة شبه الثابتة عند الاهتمام بأداء الذروة والأحمال الجزئية.