اشعة الشمس وزواياها وتأثيرها على حمل التبريد فى التكييف


(جلال عبد الستار مصطفى) #1

هناك عدة نقاط اذا اهتم بها القائم على تحديد حمل التبريد كانت القيمة المحسوبة صحيحة ومناسبة ، ولكن يجب ان يكون القائم على تحديد حمل التبريد واعى بها ومتمكن من عمله وتخصصه .

اولا : ماذا يعنى ( ماهو تعريف ) حمل التبريد : cooling load

هوعبارة عن معدل سحب الحرارة المطلوبة للمحافظة على درجة حرارة الهواء ورطوبتة داخلالاماكن المكيفة وحمل التبريد لا يساوى الحرارة المكتسبة لان جزء من الحرارةالمكتسبة يخزن فى المبنى.


ولتقليله ( او حسابه بطريقة صحيحة ) يجب على المهندس المتخصص دراسة الاتى وفهمه العالى له :-

1- الاشعـــــــــاع الشمســـــــــــــــــــى :-

تمثل الحرارة المكتسبة من اشعة الشمس جزءا اساسيا من حمل التبريد ، وفى الوقت نفسه فهى من المصادر الرئيسية لتدفئة الاماكن المكيفة فى فصل الشتاء ، لذا ينبغى دراسة الاشعاع الشمسى عموما بشئ من التفصيل .
حيث يتطلب حساب حمل التبريد حساب شدة الاشعاع الشمسى بواسطة اسطح المبانى المكيفة وحساب الجزء الممتص او النافذ او المنعكس من تلك الاشعة .

أ‌- الثابت الشمسى والتوزيع الطيفى لاشعة الشمس :-

تسمى شدة الاشعاع الشمسى خارج مجال الارض على مسطح عمودى على تلك الاشعة بالثابت الشمسى ISC وقيمتها المتوسطة تقريبا هى
ISC = 1373 W/M^2

ويوجد جداول وخرائط تبين التوزيع الطيفى للاشعاع الشمسى مقابل طول موجة
الاشعة بالميكرون .

وتختلف قيمة كثافة الاشعاع الشمسى خارج المجال الارضى I. نتيجة اختلاف
المساحة بين الشمس والارض اثناء دوران الارض حول الشمس .

ويوجد جداول تبين قيم I. لشهور السنة .

وعند مرور اشعة الشمس خلال الغلاف الجوى فأن جزءا منها يتفرق ويمتص بالاتربة وبخار الماء وثانى اكسيد الكربون والاوزون وبذلك تقل شدة الاشعاع عند وصوله الى الارض . ويمكن القول ان معدل النقص فى شدة الاشعة خلال مسافة ما فى الفضاء بالنسبة للمسافة يتناسب مع شدة الاشعة .

ويوجد جداول توضح توزيع الاشعاع الشمسى خارج الغلاف الجوى للكرة الارضية.

وكذلك وضع الشمس بالنسبة للارض فى الفصول الاربعة .

ب-الزوايا المستخدمة فى حسابات الاشعاع الشمسى :-

يتحدد موقع نقطة ما على سطح الارض بمعرفة زاويتين هما :

1- زاوية خط العرض LATITUDE ANGLE ) ) ( L ) :

وهى الزاوية بين الخط الواصل من مركز الكرة الارضية الى النقطة موضع الاعتبار .

2- زاوية خط الطول LONGITUDE ANGLE ) ) < LG > :

وهى الزاوية بين مستوى نصف الدائرة المارة بالقطبين والنقطة وبين مستوى نصف الدائرة المارة بالقطبين ومدينة جرينتش بأنجلترا ( المأخوذة كنقطة بداية لقياس زوايا خط الطول ) ، ويسمى الخط المار بالقطبين ومدينة جرينتش خط الزوال . وتكون زاوية خط الطول موجبة غرب جرينتش وسالبة شرقها ، حيث تتراوح القيمة العددية لها بين صفر وباى . ويتحدد موضع نقطة ما على سطح الارض بتقاطع خطى الطول والعرض المحددين لها . وتحدد منطقة زمنية
( TIME ZONE ) ( TZN ) جديدة كل زاوية قدرها 12 / باى من خط طول جرينتش . وتكون المنطقة الزمنية موجبة غرب جرينتش وسالبة شرقها ، وكمثال على هذا " فالمملكة العربية السعودية تقع حول خط طول -45درجة
( 45 شرق جرينتش ) ومنطقتها الزمنية ( -3 ) او ( -45 ) درجة .


ويجدر بنا ملاحظة ان محور دوران الارض ليس عموديا على اتجاه اشعة الشمس بل يميل بزاوية قدرها 23,5 على المستوى العمودى على الخط الواصل بين الشمس والارض . ويؤدى هذا الميل الى اختلاف عدد ساعات الليل والنهار


.وتعرف زاوية الانحراف الناتجة عن هذا الميل كما يلى :-

هى الزاوية التى يصنعها خط يمتد من مركز الشمس الى مركز الارض مع مسقطه على المستوى الاستوائى للارض . وتكون الزاوية موجبة اذا وقعت شمال المستوى الاستوائى للارض . وتتراوح قيمتها مابين 23,5- و 23 درجة .

ويتحدد موضع الشمس بالنسبة لنقطة ما عل سطح الارض بمعرفة الزوايا الشمسية الاتية :-

أ‌- زاوية سمت الشمس ( SOLAR AZIMUTH ANGLE ) :

وهى الزاوية بين اتجاه الجنوب وبين المسقط الافقى لشعاع شمس مباشر ، وتكون الزاوية فاى موجبة فى اتجاه غرب الجنوب . وفى وقت الظهر تكون الزاوية فاى مساوية للصفر اذا كانت زاوية انحراف الشمس اقل من زاوية خط العرض للمكان ، ومساوية لباى اذا كانت زاوية انحراف الشمس اكبر من زاوية خط عرض المكان وغير محددة عند تساوى الزاويتين ، وتتراوح القيمة العددية للزاوية فاى بين صفر و ط وتكون فاى سالبة فى الصباح ( شرق الجنوب ) .

ب-زاوية ارتفاع الشمس <b > (SOLAR ALTITUDE ANGLE ) :

وهى الزاوية بين شعاع شمسى مباشر ومسقطه على المستوى الافقى ( المستوى المماسى لسطح الكرة الارضية ) . وتتمم هذه الزاوية زاوية السمت الرأسى للشمس Z ( SOLAR ZENITH ANGLE ) ، والتى تعرف بأنها الزاوية بين شعاع شمس مباشر والخط الرأسى المار بنقطة سقوطه على الارض .
وبالتالى تكون العلاقة بين <B ، Z > هى :-
B = ( BAY / 2 ) - Z

ج- زاوية الوقت الشمسى < H > ( SOLAR HOUR ANGLE ) :

ويجدر بنا ( ويجب علينا ) قبل تعريف زاوية الوقت الشمسى الاشارة الى ان الوقت الشمسى يختلف عن الوقت الذى تشير اليه ساعاتنا ، ويطلق عليه اسم الوقت المحلى او الزمن المحلى ( LOCAL CIVIL TIME ) ، وذلك نظرا للاختلاف بين خط الطول LG وخط الطول الخاص بالمنطقة الزمنية التى يقع فيها المكان محل الاعتبار ، وكذلك لاختلاف سرعة دوران الارض ، ويؤخذ الوقت الشمسى على اساس ان وقتالظهيرة يناظر الساعة الثانية عشرة ( وقت شمسى ) وتناظر كل ساعة من الوقت زاوية وقت شمسية مقدارها 12/باى . وتكون الزاوية (H) موجبة بعد الظهر ، وسالبة قبل الظهر ، فتساوى 12/ باى الساعة الواحدة بعد الظهر ( وقت شمسى ) ، وتساوى 6/ - باى الساعة العاشرة صباحا ( وقت شمسى ) .

*اما العلاقة بين الوقت المحلى والوقت الشمسى فهى كالأتى :
TS = TC + ET + 4/60 ( TZN – LG )
حيث :-
( TS ) هو الوقت الشمسى بالساعة .
( TC ) هو الوقت المحلى بالساعة .
( TZN ) هو خط الطول الخاص بالمنطقة الزمنية .
( ET ) هى معادلة الوقت وتستعمل لتصحيح سرعة دوران الارض .

ويمكن حساب قيمة ET من المعادلة الاتي :-

ET = 9.87 SIN ( 2B ) – 7.53 COS (B) – 1.5 SIN (B)

B = 2 BAY ( N-1) / ( 364 )

وزاوية الوقت هى زاوية ازاحة الشمس من الظهر وعليه فأن :-

H = { 15 * BAY/ ( 180 ) } * ( TS – 12 )

اى ان كل ساعة تقابل 15 درجة وتكون قيم ( H ) موجبة بعد الظهر وسالبة قبل الظهر .

وتحدد وضع المستوى المطلوب حساب الاشعاع الشمسى الساقط عليه بمعرفة الزوايا الاتية :-

1- زاوية سمت المستوى ( SURFACE AZIMUTH ANGLE )

وهى الزاوية المحصورة بين المسقط الافقى للعمودى على المستوى وبين اتجاه الجنوب ، وتؤخذ موجبة فى اتجاه غرب الجنوب . ويطلق ايضا على الزاوية اسم اتجاه المستوى ( SURFACE ORIENTATION ) .

2- زاوية ميل المستوى ( SURFACE TILT ANGLE ) :-

وهى الزاوية بين المستوى وسطح الارض .
3- زاوية سمت الشمس بالنسبة للمستوى SOLAR PLANE AZIMUTH ANGLE ) ):

وتساوى الزاوية بين المسقط الافقى لاشعة الشمس والمسقط الافقى العمودى على المستوى .
ويوجد قوانين لحساب العلاقة بين الزوايا .

*اشعة الشمس المنتشرة :-
بجانب الاشعة المباشرة على شكل حزم فأن هناك كمية من اشعة الشمس المنتشرة متجهة فى جميع الجهات كميتها قليلة عندما تكون السماء صافية ، ولها قيمة يمكن مقارنتها بأشعة الشمس المباشرة عندما تكون السماء بها غيوم .

وقد اعطى كتاب الاساسيات لجمعية المهندسين الامريكية للتدفئة والتبريد وتكييف الهواء ( ASHRAE ) طريقة تقريبية لتحديد قيمة شدة تلك الاشعة القادمة من السماء المنعكسة من الارض .

اذا هذه التعريفات هامة جدا بالنسبة للمهندس ويجب ان يكون واعى لها ومدرك العلاقات بينهم حتى يتم حساب شدة الاشعة بطريقة صحيحة .
لانها من اهم العوامل المحددة لحمل التبريد .