تم تشغيل نظام مركزي لتوليد المياه الساخنة بالطاقة الشمسية يوفر 180 طنًا من المياه الساخنة يوميًا في المدرسة الثانوية رقم 3 في مقاطعة شاندونغ بالصين، حيث حل محل البنية التحتية للمراجل التي تعمل بالغاز في المدرسة. يخدم هذا النظام ما يقرب من 3000 معلم وطالب في السكن الجامعي والكافتيريات والمباني الإدارية، مما يساعد في تقليل التكاليف التشغيلية السنوية بأكثر من 2.8 مليون يوان صيني مقارنة باستخدام الغاز. تستعرض هذه الدراسة تصميم النظام وآلية تلبية الطلب ومعايير السلامة والأداء المالي، وتقدم دروسًا يمكن تطبيقها في مشاريع توليد المياه الساخنة في المدارس والمستشفيات والمرافق العامة حول العالم.

لماذا تتحول المدارس من استخدام المراجل الغازية إلى استخدام أنظمة تسخين المياه الحرارية الشمسية؟

تواجه المدارس الداخلية التي يتجاوز عدد طلابها 1000 طالب عبئًا تشغيليًا مستمرًا: فهناك طلب كبير على المياه الساخنة في فترات زمنية محدودة من اليوم، بالإضافة إلى الحاجة إلى توفير المياه بشكل موثوق به تمامًا. تاريخيًا، كانت الغلايات التي تعمل بالغاز تلبي هذا الغرض، لكنها تحمل ثلاث عيوب رئيسية بالنسبة لمشغلي هذه المدارس.

أولاً، تقلبات أسعار الوقود: تتأثر أسعار الغاز الطبيعي بتقلبات موسمية وقيود في سلاسل التوريد، خاصة خلال فترات التدفئة في الشتاء عندما تصل الطلبات إلى ذروتها. بالنسبة لمدرسة تنتج 180 طناً من المياه الساخنة يومياً، فإن تكلفة الغاز قد تتجاوز 10,000 يوان صيني يومياً بناءً على أسعار السوق الحالية في شمال الصين.

ثانيًا، الامتثال لمعايير الانبعاثات. تنتج الأنظمة التي تعتمد على الاحتراق غاز ثاني أكسيد الكربون وأكاسيد النيتروجين بالإضافة إلى الجسيمات الدقيقة أثناء عملية الاستخدام. ومع تشديد الحكومات المحلية والإقليمية على معايير الانبعاثات المطلوبة من المؤسسات العامة، وخاصة المدارس حيث يُعتبر صحة الطلاب مسألة حساسة من الناحية التنظيمية، فإن استمرار تشغيل المدافئ التي تعمل بالغاز يصبح مسؤولية إدارية بالإضافة إلى كونه مسألة اقتصادية.

ثالثًا، تعقيد عمليات الصيانة: تتطلب المدافئ التي تعمل بالغاز وجود مشغلين مرخصين، بالإضافة إلى إجراء فحوصات سنوية للسلامة، وضبط عملية الاحتراق، ومراقبة غازات العادم، وإدارة تخزين الوقود. كل هذه الأمور تتسبب في تكاليف متكررة، بينما تلغي الأنظمة الحرارية الشمسية هذه التكاليف إلى حد كبير.

تعالج أنظمة المياه الساخنة الشمسية جميع هذه المشكلات في نفس الوقت: فمصدر الطاقة الأساسي مجاني، ولا توجد انبعاثات ناتجة عن عمليات الاحتراق، كما أن الصيانة الدورية تقتصر على فحوصات دورية للسوائل وعمليات فحص بصري. أما التحدي الهندسي فيتمثل في تصميم نظام يلبي بشكل موثوق احتياجات المؤسسات المختلفة، خاصةً خلال الذروات الكبيرة في الصباح والمساء الناتجة عن طبيعة العمل في المدارس الداخلية.

نظرة عامة على المشروع: المدرسة الثانوية رقم 3 هويمين، مقاطعة شاندونغ

مدرسة هويمين الثانوية رقم 3 هي مدرسة داخلية عامة تقع في مقاطعة هويمين، مدينة بينتشو، مقاطعة شاندونغ. يعمل في هذه المدرسة حوالي 3000 معلم وطالب، ويشكل الطلاب الداخليون أكثر من 60% من إجمالي عدد الطلاب، أي ما يقارب 2200 طالب يحتاجون إلى مياه ساخنة يومياً للاستحمام والنظافة الشخصية.

تم بناء المشروع في النصف الثاني من عام 2023، وبدأ العمل به بشكل كامل في أوائل عام 2024. حل هذا المشروع محل الغلايات التي تعمل بالغاز والتي كانت تلبي احتياجات الحرم الجامعي من المياه الساخنة، وكانت تتسبب في تكاليف تشغيل أعلى بكثير وفي ضعف موثوقية التزويد بالمياه الساخنة خلال أشهر الشتاء.

تصميم النظام: تلبية الطلب اليومي على المياه الساخنة والذي يبلغ 180 طنًا

تم تصميم النظام استنادًا إلى ثلاث قيود رئيسية: الحجم الإجمالي اليومي (180 طنًا عند درجة حرارة تتراوح بين 55 و60 درجة مئوية)، ومعدلات التدفق في أوقات الذروة (استخدام جميع المباني السكنية الستة والمطاعم الثلاثة في نفس الوقت)، وموثوقية النظام في جميع الأحوال الجوية (بما في ذلك الفترات الممطرة الطويلة في الشتاء). يعتمد الحل على هندسة "جمع المواد في مركز واحد + تخزينها في أماكن متفرقة".

تكوين مصفوفة المجمعات والتخزين

تتكون مجموعة ألواح جمع الطاقة الشمسية من 300 وحدة.مجمعات الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحةكل منها يحتوي على مساحة فتحة تبلغ 2.5 متر مربع، ليصبح المجموع الكلي لمساحات الاستقبال 750 متر مربع. تم تركيب أجهزة الاستقبال على أسطح المباني التعليمية المحيطة بملعب الرياضة بالمدرسة، وهذا الترتيب يضمن أقصى قدر من التعرض لأشعة الشمس الجنوبية مع تجنب التداخل مع الأنشطة التي تجري في الملعب أسفلها.

يتم التعامل مع عملية تخزين الطاقة الحرارية عن طريق أربع خزانات ماء ساخن معزولة، سعة كل منها 50 متراً مكعّباً (بإجمالي سعة 200 متر مكعّب)، وهي توفر حوالي 10% من الطاقة الاحتياطية اللازمة لتلبية الاحتياجات اليومية التي تبلغ 180 طناً. تساعد هذه الطاقة الاحتياطية في التعامل مع التغيرات في الطلب بين أيام الأسبوع وعطلات نهاية الأسبوع، كما تضمن استمرارية تزويد المنازل بالمياه الساخنة خلال فترات صيانة أجهزة جمع الطاقة الحرارية.

هندسة إمدادات المياه في أوقات الذروة

لا يتوزع الطلب على المياه الساخنة في الحرم الجامعي بشكل متساوٍ. يتركز أكثر من 70% من الاستهلاك اليومي في ثلاث فترات ذروة: فترة مبكرة الصباح (من الساعة 06:00 إلى 08:00)، وفترة منتصف النهار (من الساعة 11:30 إلى 13:30)، وفترة المساء (من الساعة 18:00 إلى 22:00). يجب أن يوفر النظام تدفقًا كافيًا وضغطًا مناسبًا خلال هذه الفترات؛ وإلا، فإن السكن في الطوابق العليا سيعاني من ضغط منخفض أو مياه باردة، وهو أكثر الشكاوى شيوعًا في أنظمة المياه الساخنة في المؤسسات التعليمية.

تعتمد هذه الحلول على مضخات مياه ذات تردد متغير، حيث تزيد هذه المضخات من ضغط تدفق المياه خلال الأوقات الذروة. يتم تعديل معدل تدفق المياه بشكل ديناميكي بناءً على إشارات الطلب في الوقت الفعلي، مما يضمن استقرار الضغط حتى عندما يقوم 6 مباني سكنية و3 مطاعم بسحب المياه في نفس الوقت. أما خلال الأوقات غير الذروة، فإن سرعة المضخات تنخفض تلقائيًا، مما يقلل من استهلاك الكهرباء.

نظام الاحتياطي لمضخات الحرارة التي تعمل بالهواء

توفر أنظمة مضخات الحرارة التي تعمل بالهواء تدفئة إضافية عندما يكون تجميع الطاقة الشمسية غير كافٍ، سواء خلال فترات طويلة من الغيوم، أو أيام الأمطار الغزيرة، أو أيام الشتاء التي تكون فيها كمية الإشعاع الشمسي منخفضة. تعتبر مضخات الحرارة هذه من النوع غير المعتمد على التدفئة الكهربائية المباشرة، أي أنها تعمل عن طريق ضغط المادة المبردة وليس عن طريق عناصر المقاومة الكهربائية. هذا الاختلاف مهم جدًا من ناحية الامتثال لمعايير السلامة في الحرم الجامعي، حيث أن أنظمة التدفئة التي تعتمد على المقاومة الكهربائية في الأنظمة المائية الكبيرة تشكل خطرًا أكبر من حيث حدوث أعطال كهربائية، بينما تفصل أنظمة مضخات الحرارة بين المكونات الكهربائية ودوائر المياه.

يقوم نظام التحكم الذكي في درجة الحرارة بمراقبة درجة حرارة مياه الخزان بشكل مستمر. عندما تنخفض درجة الحرارة عن القيمة المحددة مسبقًا وتكون الطاقة الشمسية غير كافية، تعمل مضخات التدفئة تلقائيًا دون الحاجة إلى تدخل يدوي. وهذا يضمن أن يظل نظام التدفئة يحافظ على درجة حرارة خرج تتراوح بين 55 و60 درجة مئوية، بغض النظر عن الظروف الجوية.

تصميم السلامة والصيانة لبيئات الحرم الجامعي

تتطلب المباني المدرسية متطلبات أمان أكثر صرامة مقارنة بالمباني التجارية العادية. حيث يشمل عدد المستخدمين الأطفال دون سن الرشد، وتفرض اللوائح الرقابية في العديد من البلدان مراقبة إضافية على أنظمة المباني المخصصة لخدمة الطلاب. يتناول هذا المشروع الاحتياجات الخاصة بالحرم الجامعي من خلال عدة تدابير هندسية.

النتائج الاقتصادية المقاسة

الفرق في التكلفة مقارنةً بنظام المدافئ الغازية السابق كبير للغاية. لتوليد 180 طنًا من الماء الساخن يوميًا باستخدام المدافئ الغازية وبالأسعار المحلية (3.8 يوان صيني لكل متر مكعب)، كانت المدرسة تستهلك حوالي 2,880 متر مكعب من الغاز الطبيعي يوميًا، مما يجعل تكلفة الوقود اليومية تتجاوز 10,900 يوان صيني. أما تكلفة تشغيل النظام الشمسي اليومية فهي أقل من 3,000 يوان صيني، وتتكون بشكل أساسي من تكلفة استهلاك الكهرباء اللازمة لمضخات التدفئة (حوالي 800 كيلوواط ساعة × 0.56 يوان صيني لكل كيلوواط ساعة)، بالإضافة إلى تكاليف الصيانة.

تتجاوز الوفورات السنوية الناتجة عن ذلك 2.8 مليون يوان صيني (أي ما يعادل تقريبًا 390 ألف دولار أمريكي). وبالنسبة لإجمالي تكلفة الاستثمار في النظام، فإن فترة استرداد التكلفة تبلغ حوالي 3.5 سنة؛ بعد ذلك، يبدأ النظام في تحقيق وفورات صافية طوال السنوات الـ11 المتبقية من عمره الافتراضي.

الانطباقية على المدارس الدولية والمشاريع المؤسسية

تصميم النظام المعروض في هذا المشروع – والذي يتضمن أجهزة جمع الحرارة المركزية، وأنظمة تخزين عازلة، ومضخات توزيع بترددات متغيرة، بالإضافة إلى مضخات حرارية تعمل بالهواء كنظام احتياطي – يمكن تطبيقه مباشرة في المؤسسات التي تحتاج إلى مياه ساخنة خارج الصين. المدارس والجامعات والمستشفيات والثكن العسكرية ومجمعات سكن العمال والمرافق المماثلة تشترك جميعها في نفس الاحتياجات: حجم استهلاك كبير يوميًا، أنماط استخدام قابلة للتنبؤ، وساعات ذروة في الاستهلاك.

بالنسبة للمشترين الدوليين في قطاع B2B الذين يقومون بتقييم هذا النوع من الأنظمة لاستخدامها في أسواقهم، فإن المعايير التصميمية الرئيسية التي تنطبق في جميع المناطق تشمل:

يمكن للموزعين والمقاولين الذين يعملون في قطاع التعليم أو سوق المؤسسات العامة الرجوع إلى هذا المشروع كنموذج قابل للتوسع. يتيح التصميم استيعاب مرافق تتراوح سعتها بين 500 و10,000 مستخدم، وذلك عن طريق تعديل عدد أجهزة الجمع وسعة خزانات التخزين وتركيبة المضخات بشكل متناسب.

حلول سولتكس التجارية لتسخين المياه بالطاقة الشمسية

قامت شركة “سوليتكس” بتوفير…مجمعات الألواح المسطحة المصممة هندسيًاتم استخدام طراز FPC200-HM في هذا المشروع المدرسي. تم اختيار هذا الطراز لأنه يوفر توازنًا بين كفاءة التكلفة لكل وحدة، والتوافق الهيدروليكي عند استخدامه في تجمعات كبيرة، بالإضافة إلى متانته الهيكلية المناسبة للتركيب على الأسطح. يبلغ مساحة هذا الجهاز 2.0 متر مربع، وهو مصمم بشكل وحدات قابلة للتجميع مع بعضها البعض.

بالنسبة للمشاريع المؤسسية الكبيرة التي تتطلب تغطية مساحة واسعة باستخدام كل وحدة لوحة شمسية، فإن سلسلة EFPC متوفرة أيضًا – حيث توفر كل وحدة من هذه السلسلة تغطية مساحة تتراوح بين 10 و15 مترًا مربعًا – كما هو موضح في مثالنا.التطبيقات الحرارية الشمسية التجاريةتعمل شركة Soletks كمصنع مباشر في مدينة ديتشو، بمقاطعة شاندونغ، ولديها القدرة على تخصيص الأحجام حسب الطلب، ووضع العلامات التجارية الخاصة، بالإضافة إلى تقديم خدمات استشارية هندسية متخصصة لكل مشروع على حدة.

تحمل الشركة شهادة “Solar Keymark” لمجموعة أجهزة جمع الطاقة الشمسية ذات الألواح المسطحة، بالإضافة إلى شهادات أنظمة الإدارة ISO 9001 وISO 14001 وISO 45001. لمزيد من المعلومات حول الطريقة التي تتبعها شركة Soletks في التعامل مع المؤسسات…فندق يوفر مياه ساخنة بالطاقة الشمسيةلمعرفة المزيد عن المشاريع، راجعوا وثائق التطبيق الخاصة بنا.

الأسئلة الشائعة