تدفئة

التدفئة (بالإنگليزية: heating) نظام لتزويد الأماكن والأشخاص والماء بدرجة الحرارة الملائمة، في الأوقات التي تزداد فيها البرودة، وقد مكن تطوير أنظــمة الـــتدفئة الداخـــلية الإنسان من العيش والعمل في مواقع بعيدة عن المناطق الدافئة في العالم، إذ بدون مثل أنظمة التدفئة هذه، كان لزامًا على الناس حتى يقضوا معظم أوقاتهم وطاقاتهم في مقاومة برد الشتاء في مناطق الأرض المعتدلة والشديدة البرودة.

وأول أنظــمة للتدفئة كان في شكل نار مكشوفة في الكهوف. وعندما اكتشف الإنسان طريقة حفر ثقب في جانب الكهف أوسقفه لإخراج الدخان، كان ذلك ميلاد تطوير أول مدفأة. زودت هذه المدافئ بعد ذلك بمداخن منفصلة. ثم اتىت بعد هذا النوع من المدافئ المواقد المصنوعة من الطوب والبلاط، ثم من حديد الزهر. وأخيرًا تم تطوير أنظمة التدفئة المركزية. وتُستخدم هذه الأنظمة في عدد كبــير من المنازل والمباني التجارية والصناعية والمدارس. وتمكن أنظمة التدفئة الخاصة الناس من التنقل أثناء الطقس البارد بالسيارات والقطارات والسفن والطائرات.

مبادئ التدفئة

الراحة

الإنسان من المخلوقات ذوات الدم الحار. ومعدل حرارة جسمه 37°م، وهي درجة مرتفعة نسبيًا. ويزود الطعام الإنسان بالوقود اللازم لحرارة الجسم. وعندما تصبح درجة الحرارة المحيطة بالجسم باردة جدًا يفقد الجسم كثيرًا من حرارته. وتقلل الملابس من فقدان الحرارة. إلا حتى راحة الإنسان في المناطق الباردة تقتضي استخدام التدفئة الداخلية.

يرتاح معظم الناس في غرفة تتراوح درجة حرارتها بين 21°م و26°م. وتؤثر رطــوبة الغرفة على راحة الإنسان كذلك. فإذا تساوت درجات حرارة غرفتين واختلفت درجات الرطوبة فيهما، فإن معظم الناس سيشعرون بالدفء في الغرفة ذات الرطوبة الأعلى. وتترواح الرطوبة النسبية الداخلية الُمثلى لراحة الإنسان بين 30% و60%. ويمكن خفض درجات حرارة المنازل دون المساس براحة بعض الناس، إذا أضيفت كمية من الرطوبة إلى الهواء بوساطة جهاز يُسمى المرطِّب. إلا حتى إضافة الرطوبة قد تقتضي طاقة إضافية أكثر من مجرد حمل درجة الحرارة ذاتها.

انتنطق الحرارة

انتنطق الحرارة. تنتقل الحرارة بثلاث طرق مهمة: التوصيل والحمل والإشعاع. التوصيل هوتسخين المادة عن طريق ملامستها جسمًا حارًا؛ إذ تنتقل الحرارة مباشرة من الجسم الحار إلى المادة الملامسة.

وفي الحمل الطبيعي، يعمل الجسم الحار على تسخين الهواء المحيط به. ويحل الهواء البارد محل الهواء الساخن، ويسخن بدوره، ثم يرتفع إلى الأعلى. بهذه الطريقة، تستمر عملية ازدياد الهواء الساخن القريب من الجسم الحار، تمامًا كما يرتفع الهواء الساخن فوق نار توقد في الهواء الطلق أوفوق الموقد الساخن.

تتولد من الجسم الحار إشعاعات حرارية على شكل موجات تشبه موجات الراديووموجات الضوء. وتستطيع هذه الموجات الانتنطق خلال الفراغ أوالهواء الجاف دون تسخينه. وتستقبل الأرض الحرارة الإشعاعية من الشمس.

أنظمة التدفئة المركزية

تُولد أنظمة التدفئة المركزية الحرارة لكل المبنى من مكان مركزي واحد. ثم تُنقل هذه الحرارة إلى المواقع المطلوبة. وتخدم معظم الأنظمة مبنى واحدًا فقط. إلا حتى بعضها يعمل على تدفئة مجموعة من المباني مثل مباني مدرسة أوكلية أومجموعة من الشقق.

تُزوّد أنظمة التدفئة المركزية بتحكم أوتوماتي وترموستات لتنظيم درجات حرارة الغرف التي تستخدم هذا النظام. يفتح الترموستات النظام عندما تنخفض درجة الحرارة تحت درجة ضبط الترموستات. وتشتمل معظم أنواع الترموستات على نبيطة تسقط لمساعدة الترموستات على الحفاظ على درجات حرارة منتظمة.

وإذا ارتفعت درجة حرارة أي جزء من أجزاء نظام التدفئة المركزية وأصبح ساخنًا لحد الخطورة، يقوم تحكم أوتوماتي آخر بإغلاق النظام. ويمنع تحكُم آخـــر إعادة التشغيل إلا بعد التأكد من سلامة النظام.

هناك نوعان رئيسيان من أنظمة التدفئة المركزية: 1- مباشر 2- غير مباشر. وهما يختلفان في كيفية توزيع الحرارة، إذ يقوم النظام المباشر بتدوير الهواء الساخن في جميع المساحة المراد تدفئتها. ويقوم النظام غير المباشر بتدوير البخار أوالماء الساخن خلال أنابيب إلى المحمال الحراري أوالمشعاع الحراري (الراديتر) واللّذين يطلقان الحرارة بدورهما.

التدفئة بالهواء الساخن

يعمل نظام التدفئة بالهواء الساخن على تسخين الهواء في فرن، ثم دفعه في منظومة من القنوات إلى جميع غرفة. وهناك منظومة أخرى من القنوات التي تحمل الهواء البارد من الغرف وتعيده إلى الفرن. وفي الفرن يحرك منفاخ يدار بالكهرباء الهواء خلال القنوات، وتعمل مرشحات على تنقية الهواء من الغبار.

تحتوي بعض المنازل الخاصة على أنظمة الهواء الساخن. وتقوم هذه الأنظمة بأكثر من تسخين الهواء فقط، إذ يستطيع نظام الهواء الساخن بمساعدة المرطب إضافة الرطوبة إلى الهواء، وبالتالي زيادة الرطوبة في كافة أنحاء المنزل. ويمكن استعمال المنفاخ والقنوات بصفتها جزءًا من وحدة التبريد المركزي.

أنظمة التدفئة بالبخار والماء الساخن.

تُستخدم أنظمة التدفئة بالبخار والماء الساخن في الكثير من المباني الضخمة. وتكلفة هذه الأنظمة أعلى من تكلفة أنظمة الهواء الساخن، ولكنها تتفوق عليها بفوائد معينة؛ إذ إنَّ حجم الأنابيب الحاملة للبخار أوالماء الساخن أصغر من قنوات الهواء الساخن وبالتالي بحاجة حيِّزًا أقل.

وتستطيع صمامات أوتوماتية السيطرة بسهولة على كمية الماء الساخن أوالبخار المنساب إلى المحاميل الحرارية مقارنة بالسيطرة على الهواء الساخن. وبالتالي تسهل السيطرة على درجات الحرارة في مختلف الغرف بهذا النظام مقارنة بنظام التدفئة بالهواء الساخن.

يحتاج نظام التدفئة بالبخار إلى غلاية، بينما يحتاج نظام التدفئة بالماء الساخن إلى سخان للماء. ويولد حرق الوقود في الغلاية الحرارة التي يحتاجها النظام. وللنظام أيضًا شبكة من الأنابيب والمحاميل الحرارية. وفي أنظمة التدفئة بالبخار، تدفع مضخة التكثيف البخار المكثف إلى الغلاية ثانية. أما في تدفئة الماء الساخن، فتعمل المضخة على تدوير الماء خلال النظام.

تُطلق المحاميل الحرارية في نظام البخار أوالماء الساخن، وتسمى عادة المشعاع، معظم حرارتها بالحمل أوالإشعاع. يعتمد مقدار الحرارة المطلقة بطريقة الإشعاع على درجة حرارة المحمل الحراري ومساحته السطحية. أما في أنظمة تدفئة الماء الساخن، فتكون درجات الماء منخفضة، وفي هذه الحالة، تنتقل الكمية الكبيرة من الحرارة بطريقة الحمل والأقل بطريقة الإشعاع. وتعتمد كمية الحرارة المنطلقة من المحمل الحراري على شكل المساحة المكشوفة من السطح المعدني ومقدارها. فحدثا زادت المساحة المكشوفة زادت الحرارة المنطلقة.

وأحد مصاعب التدفئة بمحاميل الحرارة ذات درجات الحرارة العالية هوحتى الهواء القريب من السقف يصبح أكثر سخونة من باقي الهواء في الغرفة. فمثلاً، قد تصبح درجة حرارة الهواء في مستوى الركبة 16°م، وفي مستوى التنفس 20°م، وقد تكون 24°م عند السقف. وقد تكون درجة حرارة الهواء عند مستوى الأرضية 12°م فقط. وهذه الدرجة المنخفضة من الحرارة غير مُريحة. وإذا حاولنا حمل درجة حرارة الأرضية يرتفع معدل درجة الحرارة بالغرف، وبالتالي تصبح حرارة الأجزاء العالية من الغرفة غير مريحة. التدفئة الإشعاعية. طريقة لتعديل درجة الحرارة في جميع أنحاء الغرفة. وفيها يركب حلزون ممتد من أنبوب ماء ساخن أوكبل كهربائي في سقف الغرفة أوفي أرضيتها. تهجر الحرارة الأنبوب أوالكبل بطريقة الإشعاع والتي لا تحمل درجة حرارة هواء الغرفة مباشرة. يؤثر الإشعاع على الأجسام التي يسقط عليها فقط. وبالتالي يعطي تدفئة أكثر انتظامًا من التدفئة بالحمل. كما تعطي التدفئة الإشعاعية جوًا من الراحة عند درجات حرارة أقل، مقارنة بأنظمة التدفئة الأخرى.

يمكن هجريب التدفئة الإشعاعية أيضًا على طول إزار الغرفة (أسفل الجدار). ويستخدم أحد الأنظمة عازلاً فلزيًا بارتفاع نحو15سم، لتغطية أنبوب الماء الساخن الممتد قرب الأرضية. يوزع هذا النظام الحرارة بانتظام. وتعمل جميع أنظمة التدفئة الإشعاعية على جعل الفرق بين حرارة السقف والأرضية بضع درجات ققط. التدفئة الكهربائية. تختلف عن بقية أنظمة التدفئة حيث لا حاجة إلى إحراق الوقود في المبنى المراد تدفئته. يتم حرق الوقود اللازم لتوليد الطاقة الكهربائية في محطة الطاقة الكهربائية التي قد تكون بعيدة عن المبنى. وتعمل محطات الطاقة النووية على توليد الكهرباء من الطاقة الذرية.

تتولد التدفئة الكهربائية من وحدات التدفئة الكهربائية. تُولد هذه الوحدات الحرارة عن طريق مرور الكهرباء خلال مادة مقاومة لسريان التيار الكهربائي. ويولد هذا النوع من التدفئة، ويُسمى التدفئة بالمقاومة، مقدارًا كبيرًا من التدفئة الإشعاعية. تعمل هذه الحرارة على تدفئة سطح الجلد والملابس، ويشعر معها الناس بالراحة حتى في الغرف الباردة. ويمكن تثبيت الوحدات الكهربائية في السقف أوفي إزار الغرفة أوفي الأرضية أوفي الجدار. كما يمكن السيطرة على درجات الحرارة بالترموستات الموجود في جميع غرفة أومنطقة. مضخات الحرارة. تحتوي الأرض أوالهواء الخارجي على حرارة يمكن استعمالها لتدفئة البناء، حتى في الطقس البارد. ويمكن لنظام آلي، يُسمى مضخة الحرارة، أخذ الحرارة من الهواء الخارجي ونقلها إلى الداخل. وفي المناخ البارد، تعمل مضخـــة الحرارة على تدوير سائل التبريد خلال ملف خارج المبنى. وعندما يمر السائل البارد خلال الملف، يلتقط الحرارة من الهواء الخارجي أوالأرض ويتحول إلى بخار. ويمر البخار بعد ذلك خلال ملف داخلي. ويسبب الضاغط ازدياد درجة حرارة البخار وضغطه، وبعد ذلك يتم تمرير البخار الساخن خلال ملف داخل الغرفة حيث يتم تسخين الهواء. في هذه الأثناء يتكثف البخار إلى سائل ساخن. وينتقل بعدها السائل الساخن إلى صمام تقليل الضغط ويبرد ثانية. وأخيرًا، يدفع سائل التبريد مرة أخرى إلى الملف الخارجــي وتعــــيد الدورة نفسها ثانية.

وفي المناطق الباردة، لاتستطيع مضخة الحرارة تزويدنا بالحرارة اللازمة اقتصاديًا. في هذه الأماكن، تعمل وحدات التدفئة بالمقاومة الكهربائية على تزويدنا بكميات إضافية من الحرارة في الأيام الأكثر برودة. وتعكس مضخة الحرارة عملها في الطقس الدافئ ؛ إذ تقوم بتبريد المبنى وذلك بضخ الحرارة من الداخل إلى الخارج.

مصادر الطاقة الحرارية

يدفئ معظم الناس منازلهم بالكهرباء أوالغاز أوالزيت. وفي فترة ما، كانت المنازل الخاصة تدفأ بالفحم الحجري، إلا حتى استعمال الغاز أوالزيت أوأنواع أخرى من الوقود في المنازل قد شاع لأنها مناسبة، وأقل تلويثًا للبيئة.

قابل عدد كبير من الدول في السبعينيات من القرن العشرين نقصًا في وقود النفــــط وبعض الأنواع الأخرى من مصادر الطاقة. وأطلق على هذه الحالة أزمة الطاقة. ولغرض الحفاظ على الطاقة، يبذل الفهماء والمهندسون جهودًا كبيرة لبناء أنظمة تدفئة أكثر فاعلية وأفضل عزلاً، كما حاولوا أيضًا تطوير طرقٍ فاعلة لتسخير الطاقة من الشمس.

الكهرباء

تزودنا بتدفئة مناسبة ومريحة. ومن الفوائد الأساسية للتدفئة بالمقاومة الكهربائية النظافة والسلامة ومصاريف الصيانة المنخفضة، إلا حتى تكلفتها عادة أعلى من طرق التدفئة الأخرى. وللمساعدة في تقليل المصروفات، قام مصنعووحدات التدفئـــة الكهربائية بتصميم سخانات تخزين كهربائية. وتستخدم هذه السخانات الكهرباء لتوليد كميات كبيرة من الحرارة أثناء الساعات المتأخرة من الليل عندما تكون المعدلات أقل. تحتفظ هذه الوحدات بالحرارة حتى أوقات النهار، حيث يمكن استخدامها للحصول على درجات حرارية مريحة دون اللجوء إلى الاستخدام الإضافي للكهرباء.

تُعد التـــدفئة الكهربائية من وسائل التدفئة النظيفة لساكني المنازل. إلا حتى محطات الطاقة التي تولد الكهرباء تحرق نحوثلاث وحدات من الطاقة لقاء وحدة من الطاقة تصل إلى المنزل. إضافة إلى ذلك، فإن الزيادة في استعمال الكهرباء لأغراض التدفئة والأغراض الأخرى تتطلب تشييد المزيد من محطات الطاقة.

يعتقد الكثير من المهندسين حتى حرق الوقود في المنازل لأغراض التدفئة أكثر فاعلية من إنتاج الكهرباء اللازم للتدفئة. ويشير الخبراء إلى حتى أفضل محطات الطاقة تحول نحو30 - 40% فقط من الطاقة المستعملة في الكهرباء. ويستطيع نظام التدفئة بالغاز أوالزيت إعطاء أكثر من 60% من الطاقة التي تستهلكها في شكل حرارة. وتستطيع مضخة الحرارة التي تعمل بالغاز أوالزيت تجميع طاقة حرارية إضافية كافية من المصادر الخارجية بحيث تُعطي ما مقداره مرة ونصف قيمة الطاقة التي تستخدمها.

الغاز

تنتج الحرارة مصحوبة بتلويث قليل للهواء. ومعظم الغاز المستعمل في تدفئة المنازل في مناطق كثيرة من العالم من الغاز الطبيعي. يأتي الغاز الطبيعي من المكونات الصخرية تحت الأرض، كما هوالحال في الزيت. ويصل معظم الغاز الطبيعي إلى المنازل من خلال خطوط الأنابيب. والغاز سهل الحــرق، ويضخ فرن الغاز الوقود عبر أنابيب إلى الحارقات التي تقوم بإشعالها.

الزيت

يأتي وقـــود الزيــت المســـتعمل في تدفــئة المنازل من مصفاة النفط. وتقوم الشــاحنات المحلــية بنـــقل الزيت إلى المنازل، حيث يتم حفظها في خزانات حتى وقت الاستعمال. ويحتوي الفرن الزيتي المنزلي على حارقة من النوع المرجلي أوالنوع المسدسي. يتدفق الزيت في النوع المرجلي إلى منخفض ضحل في أسفل الفرن. وفي النوع المسدسي، يرش الزيت بالضغط من خلال فُوهة. وتستخدم الحارقة مضخة هوائية لتبخير الزيت ؛ إذ يساعد الهواء المضاف على حرق الزيت بفاعلية أكبر.

الفحم الحجري

يتوافر المســتعمل في التدفئة على عدة درجات، ويعتمد ذلــك على مقدرته الحرارية ومحتوى الكبريت. والنوعان الشائعان من الفحم الحجري هما، فحم الأنتراسيت (فحم صلب) والفحم الحمري (فحم طري). يولد فحم الأنتراسيت دخانًا وثاني أكسيد كبريت أقل عند حرقه مقارنة بالفحم الحجري الحُمري. ونتيجة لذلك، يولّد فحم الأنتراسيت تلوثًا أقل، ولكن الفحم الحجري الحُمري أرخص عادة.

مصادر أخرى

تستعمل الطاقة الحرارية الأرضية في آيسلندا في تدفئة المنازل والممحرر والمصانع والمنشآت الرياضية والبيوت الخضراء. تأتي هذه الطاقة من أعماق الأرض، حيث تحتفظ الصخور بكمية كبيرة من الحرارة منذ خلق الكرة الأرضية. وقد أستُغلَّت هذه الحرارة بطريقتين؛ فقد حُولت المياه الجوفية إلى بخار ماء في المناطق التي تكون بها الصخور الواقعة مباشرة تحت السطح ساخنة جدًا. وقد يضخ هذا البخار المائي مباشرة إلى داخل المنازل لأغراض التدفئة، أوقد يُرسل إلى محطات الطاقة لاستعماله في توليد الطاقة الكهربائية. أما المناطق الأخرى، فإن المياه الجوفية فيها ساخنة بشكل كافٍ لضخها مباشرة إلى المنازل للتدفئة. وفي دول مثل أستراليا، حيث الشمس المشرقة، يمكن استعمال الخلايا الشمسية لتسخين الماء خلال النهار. واستخدام الماء الساخن في تدفئة المنزل خلال الليل. انظر: الطاقة الشمسية.

أنظمة التدفئة المحلية

التدفئة المحلية شائعة في عدد كبير من الدول. وتضم هذه التدفئة المدافئ أوسخانات الغرف.

المدافئ

كان النوع الأول من التدفئة تعبير عن نار مكشوفة داخل نطاق محصور مثل الكهف أوالخيمة. وهذا النوع غير مرغوب فيه بالنظر لتجمع الدخان بسرعة في هذه الأماكن.

وإذا وُضعت المدفأة في أحد جوانب الغرفة وزوِّدت بمدخنة، فإن الدخان وغازات الاحتراق ستمر إلى أعلى من خلال المدخنة. تساعد المدخنة على إحداث تيار هوائي بحيث يدخل الهواء مدخل المدفأة ويرتفع إلى أعلى خلال المدخنة للمساعدة على حرق الوقود. ولكن التيار الهوائي يقلل من فاعلية طاقة المدفأة. وتسمح المدفأة النموذجية بهروب كمية كافية من الهواء الساخن من خلال المدخنة وتفريغ هواء الغرفة العادية جميع بضع دقائق. ويعمل هذا التسرب الهوائي في المدافئ على ضياع كمية من الحرارة تكاد تعادل الكمية التي يولدها نظام التدفئة المركزي في المنزل.

سخانات الغُرف

تحرق بعض سخانات الغرف الغاز لإنتاج الحرارة. ويمكن وضع السخانات في إحدى زوايا الغرفة مع استخدام مروحة لتدوير الهواء الساخن. ويجب ألا يستخدم هذا النوع من السخانات دون توفير التهوية الكافية نظرًا لضرر غازات الاحتراق على شاغلي الغرفة. كما تحرق أنواع أخرى من سخانات الغرف ( البارافين ) ويجب تهويتها أيضًا.

يعمل سخان الغرفة الكهربائي عن طريق تمرير التيار الكهربائي في سلاسل من الأسلاك. وتقاوم هذه الأسلاك التيار الكهربائي وتصبح ساخنة لحد الاحمرار. وتطلق هذه السخــانات الكهربائية الحرارة بطريقتي الإشعاع والحمل الحراري.

ومعظم مصادر التدفئة المحلية حارة نسبيًا، مقارنة بمشاعيع البخار والماء الساخن. ولهذا السبب فهي تُولد جزءًا أكبر من الحرارة الإشعاعية. وعندما تستعمل هذه الكمية الكبيرة من الحرارة الإشعاعية، فلا داعي لأن تكون درجة حرارة الهواء في الغرفة عالية جدًا. عملى سبيل المثال، يدفئ السخان الكهربائي المقاوم، والمسمى سخان الكوارتز، جميع شيء يقع في طريق أشعته الحرارية. ولكن الأشعة الحرارية لا تقوم بتدفئة تذكر للهواء الذي تنتقل من خلاله.