الكتلة الحرارية (Thermal Mass)؟
تعرف الكتلة الحرارية بمدى قدرة المادة على مقاومة التغيير في درجات الحرارة؛ كلما زادت هذه الخاصية للمادة زادت قدرتها على إمتصاص وتخزين الحرارة. وتعد الكتلة الحرارية وسيلة فعالة في تصميم التدفئة الطبيعية بالاستفادة من الطاقة الشمسية حيث أنها توفر القدرة على تخزين المادة للطاقة المكتسبة من الشمس ومن ثم إعادة تحريرها مع مرور الوقت؛ وعلى العكس من ذلك أيضاً توفر للمادة مقاومة التسخين السريع جداً بسبب الإشعاع الشمسي.
الإستفادة من الكتلة الحرارية (Thermal Mass) في تصميم المباني
المباني التي يتم تدفئتها باستخدام الطاقة الحرارية المباشرة وجمع أشعة الشمس (Solar Energy) التي أمكن السماح لها بالدخول للفراغات الداخلية للمبنى من خلال النوافذ الزجاجية والتغطيات الشفافة للأسقف ومساحات الزجاج التي يتم تشكيلها في تصميم فرق مناسيب الأسقف وميولها في الشتاء جميعها ستحدد متوسط درجة الحرارة داخل المبنى خلال اليوم والتي يتم التعبير عنها بـ ∆T (Solar) ، وتعبر أيضاً عن الفرق بين متوسط درجة الحرارة داخل المبنى والأعلى من متوسط درجة الحرارة خارجه ؛ جزء كبير من هذه الطاقة يجب تخزينه في الكتلة الحرارية لمكونات الفراغ (الجدران, الأرضيات و الأسقف….) وإعادة تفريغ هذه الطاقة للتدفئة في أوقات الليل. حجم الطاقة والموقع والمساحة وسماكة الجدران كلها عوامل تشكل الكتلة الحرارية للفارغ والتي تحدد مدى التقلب في درجة الحرارة (temperature fluctuation) داخل المبنى خلال اليوم.
في فصل الشتاء يفقد المبنى حوالي (65%) من الحرارة خلال ساعات الليل و (35%) يتم فقدها خلال النهار. إذا كانت مساحات الزجاج تسمح بتجميع قدراً كافياً من أشعة الشمس في يوم صافي في الشتاء لتدفئة الفراغ لمدة 24 ساعة (يوم كامل) فإن جزء كبير من هذه الحرارة قد تم تخزينه خلال النهار (أثناء سطوع الشمس) ومن ثم تحريرها ليلاً. أما إذا كان جزء صغير من هذه الحرارة هو الذي تم تخزينه بينما يتوفر الكثير منها أثناء النهار فلن تكون كافية للتدفئة ليلاً. نتيجة هذه الحالة هي ارتفاع درجة الحرارة المبنى نهاراً وانخفاضها ليلاً ما يعد تقلباً/تذبذباً كبيراً في درجة الحرارة (High temperature fluctuation).
العناصر المؤثرة في الاستفادة من الكتلة الحرارية (Thermal Mass)
(موقع وسماكة وتوزيع جدران الكتلة الحرارية)
العلاقة بين مساحة الزجاج التي تسمح بدخول أشعة الشمس ومساحة السطح وبين سماكة الكتلة الحرارية تحدد التذبذب في درجة حرارة الفراغ خلال اليوم (Temperature fluctuation). بينما تنقل مواد البناء الحرارة ببطء من على السطح إلى مادة الجدار فإنه يجب توفر مساحة كافية من الكتلة الحرارية بالفراغ وأن تكون موزعة على مساحة كبيرة لتمتص وتخزن الطاقة الحرارية المكتسبة أثناء النهار من أجل الحفاظ على التقلب في درجة الحرارة في حدود مقبولة.
يفضل تنفيذ المباني الداخلية بسماكة لا تقل عن 10 سم (جدران، أرضيات و/أو أسقف)
أن تكون النسبة بين مساحة السطح مقارنة بالأسطح الزجاجية المعرضة للشمس على الأقل (3:1) ؛ والأفضل أن تكون النسبة (9:1) كحد أقصى.
كلما ارتفعت نسبة مساحة سطح الكتلة الحرارية: المساحة الزجاجية التي المعرضة للشمس (Mass/Glazing area ratio)؛ كلما زاد استقرار درجة الحرارة الداخلية.
تذبذب درجات الحرارة داخل الفراغ خلال اليوم الذي يعبر عن نسب مختلفة لمساحة الكتلة الحرارية: المساحة الزجاجية التي المعرضة للشمس (Mass/Glazing area ratio) يمكن حسابها تقريبياً من خلال الجدول التالي:
| Formula of Indoor Temperature Fluctuation |
Mass/Glazing area ratio |
| 1.11 x ∆T (Solar) | 1.5 : 1 |
| 0.74 x ∆T (Solar) | 3 : 1 |
| 0.37 x ∆T (Solar) | 9 : 1 |
في الحالة المثالية لنسبة (Direct Gain : Glazing) لحساب مساحة الزجاج المعرضة لأشعة الشمس، يكون متوسط درجة الحرارة داخل الفراغ في أحد أيام الشتاء الصافية يساوي تقريباً 21°C (70°F) أو أن التذبذب في درجة الحرارة ΔT (solar) هو الفرق بين درجة الحرارة 21°C (70°F) وبين متوسط درجة الحرارة اليومية الخارجية خلال فصل الشتاء(في الشهر الأكثر برودة).
https://www.youtube.com/user/ENGWEB13/search?query=solar