تسخين حمامات السباحة

يعتبر تسخين حمامات السباحة بالطاقة الشمسية الحرارية من التطبيقات الواعدة التي تحقق وفر كبير في فواتير الكهرباء, خاصة في الدول العربية حيث الشتاء معتدل و الفروق بين درجات حرارة الجو و حرارة الماء المطلوبة ليست كبيرة, مما يجعل مسطح المجمعات الشمسية مناسب في معظم المواقغ. و بناء على الأرقام التي تم تطبيقها في مشاريعنا فإن تغطية التكاليف التأسيسية لهذا النظام تتم في غضون ثلاث سنوات و نصف فقط.
الطاقة الشمسية الحرارية هى أفضل وسيلة لتدفئة حمامات السباحة الصغيرة الحجم حيث تستخدم حرارة الشمس المجانية و تتميز بعدم وجود تكلفة تشغيل حيث تقوم طلمبة حمام السباحة بتقليب المياه من الحمام إلى السخان و العكس . و يوجد في الولايات المتحدة حوالي مليون حمام سباحة يتم تدفئتها بالطاقة الشمسية و يمثل ذلك حوالي 75% من اجمالي النظم الشمسية هناك, حيث ان هذا التطبيق بالذات يحقق معدل استرداد للأسثتثمار Pay back period في سنتين فقط, نظرا لأنه بسيط جدا و لأ يحتوي علي اي بطاريات أو انفرتر او منظم شحن أو خزانات … فقط مجمعات شمسية من نوعيات رخيصة تعمل علي المضخة و الفلتر القائمين.
تركيب هذا النظام بسيط جدا و لا يحتاج الي اي خبرة لأنه لا يحتوي علي اي اعمال او حسابات كهربائية او مكونات معقدة, و قد شهدت اثناء زيارة في اسبانيا سباك يقوم بتركيب المجمعات و تسليم النظام في اقل من ثلاث ساعات

من هذه الصورة يتضح ان افضل نوع من المجمعات الشمسية التي يمكن استخدامها في تسخين حمامات السباحة هي الغير مزججة Unglazed, لاننا لا نحتاج الي رفع درجة الحرارة اكثر من 15 درجة مئوية , و هذا النوع رخيص جدا مصنوع من المطاط كما سوف يتم شرحه فيما بعد

مكونات نظام تسخين حمامات السباحة بالطاقة الشمسية

يتكون النظام من ستة أجزاء رئيسية هي:

1- المجمعات الشمسية

2- استخدام المجمعات الغير مزججة من المطاط المعالج

3- المجمعات الغير مزججة Unglazed ليس لها اطار الومنيوم او عزل صوف زجاجي كما في الصورة، و اسعارها بالتالي رخيصة تصل الي 30% فقط من اسعار النوعيات الأخري.
يتم تصنيعها من المطاط الثقيل أو البلاستيك الذي تم معالجته ليتحمل الأشعة فوق البنفسجية لتمديد عمر المجمع.
المجمع نفسع عبارة عن مجموعة من المواسير المطاطية الرفيعة و المدهونة بالكروم الأسود لزيادة كفائة امتصاص الأشعة, و تتدفق بداخلها المياه فتتم عملية التسخين بواسطة الشمس.
يتم توصيل المياه الباردة القادمة من حمام السباحة علي الماسورة الموجودة اسفل المجمع, و توصيل الماه الساخنة التي سوف تذهب الي الحمام في الماسورة العلوية اعلي المجمع. حيث ان الماء البارد يتم تسخينه بواسطة اشعة الشمس في المجمج فيصعد الي اعلي نتيجة ان كثافته اقل من الماء البارد كما هو معروف في قوانين الديناميكا الحرارية.
و المياه التي تم تسخينها يتم ضخها مباشة الي حمام السباحة بواسطة المضخة, فلأ يوجد هنا اي خزان تجميع.

4- تأتي هذه المجمعات بمقاسات قياسية عرضها 122 سم (4 قدم) و طولها 244 – 305 – 366 سم (8-10-12 قدم) و يتم توريد كل مجمع شامل عدد 2 لأكور تجميع لتوصيل المجمعات مع بعض.
التثبيت يتم بواسطة القفير العادي clamp و يتم ربطة بمواسير المجمع العلوية و السفلية, و كما نري في الصورة يوجد مسافة خالية في اول و اخر المجمع لتركيب القفيز عليها.

5- في الصيف يعمل نظام تسخين حمامات السباحة على تبريد المياه عمدا عندما تكون درجة حرارة المياه اكبر من 30 درجة مئوية و ذلك عن طريق ضخ المياه الساخنة في المجمع الشمسي ليلأ في دورة عكسية تحت ضغط المضخة ، مما يتسبب في فقدان الحرارة تماما مثل فكرة ردياتير السيارة. و ليس من العملي محاولة تنفيذ هذه الفكرة في الأنابيب الحرارية Heat Pipes أو المجمعات المسطحة المعزولة المستخدمة في السخانات الشمسية العادية و ذلك بسبب تفوقها في العزل و صعوبة التخلص من الحرارة
و لكن هذه النوعية غير متوفرة في الأسواق العربية حتي الأن رغم كونها ملأئمة جدا لتبريد المسبح في الصيف و نحتاج نحن هذه الخاصية بشدة.

و كما نري في الصورة يتم تركيب هذا النظام علي دورة المضخة القائمة فعليا في حمام السباحة, اي ان النظام يتكون فقط من المجمعات الشمسية و حساس حرارة sensor و صمام تحكم control valve
و من عيوب هذه النوعية ان بها نسبة فاقد كبير للحرارة في الشتاء القارص نتيجة غياب العزل فتصل كفائتها الي 40% عند درجة حرارة صفر, مقابل كفائة 60-80% للمجمعات المعزولة, فتحتاج الي مسطحات اكبر لتنفيذ النظام خاصة في المناخ الشديد البرودة، اما في الدول العربية فالانخفاض في الكفائة الشتوية قليل و بالتالي المسطح المطلوب اكبر ب١٠-١٥٪ فقط يقابل ميزة وفر كبير جدأ في التكلفة و امكانية استخدام النظام في التبريد صيفا
هناك اشكال متنوعة من هذه المجمعات يتم تركيبها فوق سطح الماء فتعمل كغطاء للمسبح بألأضافة الي وظيفة المجمع الشمسي, و لكن بصفة عامة هذه الأشكال مناسبة للحمامات النتناهية الصغر, و قد اثبتت فشلها و عدم كفائتها في المسابح الأكبر نظرأ لعدم توجيه المجمع بصورة صحيحة نحو الجنوب و بزاوية ميل تحقق كفائة جيدة في فصل الشتاء, فضلأ عن صعوبة تحريك مسطحات كبيرة منها

في الدول الشديدة البرودة يتم استخدام نفس المجمعات المسطحة Flat Plate أو الأنابيب الحرارية Heat Pipes المنتشرة في السخانات الشمسية التقليدية .
و لأ يمكن استخدام مجمعات شمسية تعتمد علي الأنابيب المفرغة Vaccum Tubes التي تعمل علي نظام غير مضغوط Unpressurized, لأن نظام تسخين حمامات السباحة هذا يحتاج الي ضغط المياه Pressurized.

هذا النظام يعمل بطريقة الدائرة المغلقة فقط Closed Loop و لأ يصلح مطلقا نظام الدائرة المفتوحة نظرآ لأرتفاع نسبة الرواسب و الشوائب في الماء القادم من حمام السباحة (رغم وجود فلتر) و تعرض المواسير النحاسية داخل المجمع للتأكل بسبب ارتفاع نسبة الكلور
و كما نري في الصورة هذا النظام يحتاج الي مكونات اضافية و هي مواسير الدائرة المغلقة و خزان التبادل, فضلأ عن كون المجمعات مرتفعة الثمن. و من الغباء الشديد محاولة التفكير في تنفيذ هذا النظام المعقد و المرتفع التكاليف في الدول العربية ذات المناخ المعتدل دون اي جدوي او فائدة

7- يتم توجيه المجمعات الشمسية نحو الجنوب مع تفادى الظلال على سطح المجمع تماما مثل الألواح الشمسية التقيلدية
كما يتم استخدام افضل زاوية ميل شتوية طبقا للموقع الخغرافي

• المصفي Strainer: المصفي تعمل كمعدة حماية للمضخة و تزيد من عمرها الأفتراضي عن طريق إزالة الشوائب الكبيرة مثل الجسيمات الرملية و الشعر و ورق الشجر الخ.
  كما تقلل من متطلبات عملية الغسيل العكسي للفلتر.
  لتركيب النظام الشمسي لأ يوجد اي متطلبات خاصة و يتم استخدام نفس المصفي القائمة
• الفلتر (المرشح):

  
  تخضع حمامات السباحة للتلوث المستمر من المواد الغريبة التي يجلبها السباحون والرياح والمواد المستخدمة في حوض السباحة وحوله.
  الترشيح هو العملية الميكانيكية لإزالة هذه المادة غير قابلة للذوبان من حمام السباحة.
  وضوح الماء مهم للمظهر والنظافة والسلامة, كما له في نظام الطاقة الشمسية اهمية قصوي لمنع تراكم الشوائب و انسداد المواسير الواصلة الي المجمعات الشمسية.
  لتنفيذ النظام الشمسي يتم استخدام نفس المرشح القائم في حمام السباحة دون اي اضافة أو نقصان

• المضخة

  
  بالنسبة لمعظم حمامات السباحة السكنية، يعمل النظام الشمسي مباشرة مع المضخات التقليدية القائمة, و يتم استخدام نفس القدرة.
  و في بعض الحالات قد تكون هناك حاجة إلى استخدام مضخة اضافية Booster Pump أو تركيب مضخة اكبر و يحدث هذا عندما تكون المسافة بين حمام السباحة و المجمعات الشمسية كبيرة, فمثلأ لو تم وضع المجمعات علي سطح المبني علي مسافة 100 متر من حمام السباحة فمن المنطقي ان المضخة القائمة لن تؤدي عملها بكفائة. و عموما من الملأئم ان لأ تزيد المسافة بين المجمعات الشمسية و المسبح عن 25 متر, فعندما تكون المسافة اكبر من ذلك يتم اللجوء الي حلول مبتكرة و تركيب المجمعات فوق مظلة في الحديقة مثلا بدلا من الأصرار علي حلول غبية تزيد من المسافات و بالتالي تكلفة السباكة و المضخة و كفائة النظام

• صمام التحكم و الحساس – Control Valve and Sensor

  
  وظيفة صمام التحكم و الحساس هي السيطرة علي تدفق المياه تلقائيا.
  عندما يستشعر الحساس Sensor بارتفاع درجات حرارة المياه في المجمعات الشمسية يتم فتح صمام التحويل Control Valve تلقائيا و يبداء تدفق المياه الساخنة من المجمعات إلى حمام السباحة, و استبدال هذه المياه بأخري باردة قادمة من المسبح
  و عند انخفاض درجة حرارة المياه في المجمعات الشمسية لحد معين نتيجة هذا التبادل, يقوم الحساس بغلق الصمام مرة اخري و عزل المياه داخل المجمع الشمسي لتبداء عملية التدفئة من جديد

• مواسير السباكة: نظم تتسخين حمامات السباحة المنزلية الصغيرة يتطلب تأسيس عدد 2 ماسورة مقاس 2 بوصة، ضغط 4 بار، توصل من غرفة المعدات إلى مكان تركيب المجمعات الشمسية في سطح المبني أو الحديقة. أما في المسابح الكبيرة فيتم تنفيذ هذه المواسير بأقطار تصميمة مناسبة لحجم المياه المراد ضخه.
• يجب عزل جميع المواسير حرارياً لضمان عدم فقد الكثير من حرارة المياه عند انتقالها من المجمعات الشمسية إلى المسبح. و العزل عبارة عن مواسير من الصوف الزجاجي من نفس النوعية المستخدمة في عزل مواسير الفريون الخاصة بالتكييفات, و هذه النوعية متوفيرة بأطوال 2 متر و مزودة بفتحة طولية لأماكن دخول ماسورة المياه منها ومزودة أيضا بلاصق لإحكام الإغلاق على الماسورة بعد تركيبها و كذلك واقي عاكس للحماية من العوامل الجوية.
• درجات حرارة المياه القادمة من المجمعات الشمسية تصل الي قيم مرتفعة جدأ خاصة في الصيف, و لذلك يجب ان تكون المواسير مصنعة من مادة و منتج عالي الجودة و معتمد للأستخدام في درجات الحرارة المرتفعة فضلأ عن تعرضها لنسب كلور عالية , و من ضمن هذه النوعيات مواسير اكواثيرم الألمانية .
  اغفال نوعية و جودة المواسير تؤدي في درجات الحرارة المرتفعة الي تفكك اللحامات و تشققات و فقدان لليونة الماسورة.

اسس تصميم نظام تسخين حمامات السباحة

1- يتم تنفيذ حجم نظام تسخست حمامات السباحة للحصول على تدفئة للمياه اقل من 10 درجة مئوية و بعدها تصبح التكلفة غير مجدية. هذا القدر من التدفئة ملأئم في معظم الدول العربية التي نادرا ما تقل فيه متوسط درجات الحرارة اليومي في الشتاء عن 15 درجة مئوية

2- في المناطق التي تعاني من الشتاء الشديد البرودة ليس من العملي محاولة تنفيذ نظام تدفئة لحمام سباحة خارجي علي مدار الشتاء كله, لأن ذلك سوف يؤدي الي تكاليف باهظة فضلأ عن ان نادرأ ما سوف يستخدم هذا المسبح في تلك الظروف الصعبة حتي و لو كانت المياه ساخنة, فلن ينزل احد في المسبح و يلبس المايوه و درجة حرارة الجو 5 درجات تحت الصفر مثلأ.
و بالتالي في هذه الأجواء القاسية يكون الغرض من تنفيذ نظام تدفئة هو اطالة استخدام المسبح لشهور اضافية Extension of Swimming Season و لتكن من مارس حتي اكتوير مثلا, و ليس في الشتاء. في هذه الحالة يتم ادخال في برنامج التصميم الشهر المراد التصميم علي اساسه

3- يجب مراعاة عدم تفريغ حمام السباحة لعمل الصيانة اثناء الشتاء مما يترتب عن ذلك احمال تسخين كبيرة Heat up load لأ يمكن توفيرها بواسطة المجمعات الشمسية, اما في المواقع الواجب تفريغ فيها حمام السباحة اثناء الشتاء , يتم تركيب سخان كهربائي تقليدي عالي القدرة للقيام بمهمة التسخين المبدئي للمسبح.

4- وظيفة المجمعات الشمسية في الشتاء هي تعويض الفاقد اليومي فقط في الطاقة الحرارية للحفاظ علي درجة حرارة المسبح, اما محاولة تركيب مجمعات شمسية للقيام بعملية التسخين الأولية في الشتاء ينتج عنها نظام متضخم جدا و غير عملي لأ يتم الأستفادة به الأ يوم واحد فقط.

5- في المواقع ذات المناخ البارد يتم تركيب سخان كهربائي تقليدي يقوم بالتسخين الأولي Heat up load في أشهر الصيف خلال 72 ساعة بالنسبة الي الأستخدامات المنزلية و 24 ساعة في الأستخدامات السباحية التي لأ يمكن فيها الأستغناء عن الماء الساخن لفترة كبيرة, اما في الأجواء المعتدلة فيمكن الأستغناء عن هذا السخان الكهربائي

6- درجة حرارة المياه المطلوبة في حمامات السباحة تتراوح بين 26 و 28 درجة مئوية.

7- ليس من المناسب السباحة في درجات حرارة اكبر من 28 درجة مئوية و لذلك يجب مراعاة عند تصميم النظام عدم استخدام اعداد زائدة من المجمعات تؤدي الي زيادة غير مناسبة في درجات الحرارة للمسبح اثناء الصيف, و بالطبع يمكن فصل المجمعات صيفا عن حمام السباحة و لكن من البداية يفضل استخدام حجم مناسب و عدم الأصرار و التركيز علي شهور الشتاء فقط.

8- 90% من فاقد الطاقة يحدث من خلال السطح العلوي المكشوف لحمام السباحة من خلال التبخير و الحمل الحراري, و 10% فقط من الفاقد يحدث من خلال الجدران و الأرضية و دورات ضخ المياه في المسبح بواسطة المضخة

9- تغطية المسبح بمشمع يقلل معظم الخسائر التبخرية و مع هذا المكون يمكن تحقيق تخفيض 75٪ في تكاليف التدفئة.

10- اغلب الفاقد يحدث نتيجة التبخير, و نسبة رطوبة الجو لها تأثير مباشر علي البخر فكلما انخفضت رطوبة الجو ارتفع التبخر بشكل كبير. و لذلك نجد في الأماكن الصحراوية الجافة مثل مدينة الرياض في السعودية التبخر اعلي بكثير من مدينة ساحلية مثل جدة. و الطريقة المثلي للتعامل مع الموقف و تقليل التبخير هو تغطية حمام السباحة بالمشمع المخصص لذلك بدلأ من تنفيذ نظام تدفئة متضخم.

عيوب نظام التسخين الشمسي لحمامات السباحة

1- من اهم عيوب تسخين حمامات السباحة بالطاقة الشمسية عدم ثبات درجات حرارة المسبح. فكما نري في الصورة درجة الحرارة تنخفض ليلا مع غياب الشمس و انخفاض درجة حرارة الجو, تعود للأرتفاع نهارأ عند سطوع الشمس و ارتفاع درجة حرارة الجو. و نجد من المنحني ان درجة حرارة المسبح (باللون الأحمر في الصورة) اعلي من درجة حرارة الجو ( باللون الأزرق في الصورة) مع ملأحظة ان تذبذب حرارة المسبح اقل من تذبذب حرارة الجو

2- التسخين بالطاقة الشمسية ليس مثالي لأصحاب حمام السباحة الذين يريدون خيار رفع درجة الحرارة سريعآ, وهذا يجعل التدفئة الشمسية خيارا سيئا للتدفئة الظرفية عندما تكون هناك حاجة إلى التدفئة لمناسبة خاصة، مما يتطلب التسخين بالكهرباء او الغاز لرفع درجة حرارة المياه عدة درجات في فترة قصيرة, احيث يستطيع المستخدم تشغيل نظام التدفئة في التوقيت المطلوب للسباحة ليلأ أو نهارآ في اي يوم دون التقييد بأشعة الشمس و رفع درجة حراة حمام السباحة سريعا خلال 24 ساعة.

3- بعد ايام الغيوم و الأمطار الشتوية تقل فيها درجة حرارة المسبح نتيجة انخفاض أداء النظام الشمسي, و أستعاددة هذا الفاقد يستغرق وقت طويل جدا, حيث ان النظام الشمسي عليه بتلبية مهمتين و هي منع المزيد من الفواقد بالأضافة الي تعويض الفاقد القديم.

4- المجمعات الشمسية تحتل جزء ليس صغير من مسطح السقف أو الحديقة , و عادة ما يتم اغفال القيمة المالية لهذا المسطح الضائع عند حساب الجدوي الأقتصادية للنظام. فمثلأ لو احتلت المجمعات 20م2 في السطح و سعر المتر يساوي 2000 جنيه, فهذا معناه انه يجب اضافة 40000 جنيه لتكلفة النظام رغم ان النظام نفسه تكلف 100 الف جنيه فقط!. و هناك حلول معمارية مبتكرة للتغلب علي هذه المعضلة مثل تنفيذ المجمعات علي هيئة مظلة في الحديقة أو فوق السطح تؤدي الي وظيفة توفير الظلال بالأضافة الي تسخين المياه.