أثر المبنى معامل الشحوم في كفاءة الطاقة في المناطق الحضرية الكثيفة

Understanding Building Shape Coefficient

أما معامل شب في المباني فهو نسبة لا تنطوي على أبعاد، حيث يُعبَّر عنها بمجموع مساحة الظرف الخارجي التي يقسمها الحجم المكيف للمبنى، حيث أن قيمة التراكم الأحيائي الأدنى أقل من 0.15 متر - 1 بالنسبة لأشكال عالية الكفاءة - تُبيِّن شكلاً مدمجاً به حد أدنى من المساحة السطحية المعرضة للغطاء الداخلي، وفي البيئات الحضرية الكثيفة التي تكون فيها الأرض باهظة الثمن وارتفاع في المباني بسرعة، يصبح حجمها 1 متراً مربعاً.

The metric is not new-building energy modelers have used similar form factors for decades- but its relevance has intensified as cities push toward net-zero emissions. International standards such as ASHRAE Handbook-Fundamentals and the Department of Energy’s Zeopeizing Ready Home program[FLT implicite:

The Physics Behind Building Shape and Energy Flow

وينظم نقل النفايات عبر مظروف للمبنى قوانين السلوك والتكفير والإشعاع، وكلما زادت مساحة الظرف، كلما ازدادت الممرات أمام الحرارة للهرب في الشتاء والدخول في الصيف، مما يؤثر مباشرة على الحمولة الحرارية للمبنى - كمية الطاقة اللازمة للحفاظ على درجات الحرارة المغلقة، ويزيد من ضعف النظائر السطحية من حيث ارتفاع مستوى تسربها.

وقد أظهرت البحوث التي أجريت من مختبر الطاقة المتجددة الوطني ] أنه بالنسبة لمستوى معين من العزل، يمكن أن تزيد زيادة مقدارها 20 في المائة في مستوى التركيز الأحيائي كثافة استخدام الطاقة السنوية بنسبة 15 إلى 25 في المائة، تبعاً لمنطقة المناخ، وفي المناخات الساخنة والرطبة مثل مناخ ميامي أو سنغافورة، فإن المساحة السطحية الإضافية تضاعف أيضاً زيادة الحرارة الشمسية، مما يؤدي إلى زيادة الحمولة المبرد.

فبعد تدفق الحرارة المباشر، يؤثر التعاون التقني في كفاءة الاستراتيجيات السلبية، إذ أن مباني الاتفاق تقل سطحها الخارجي لكل وحدة، مما يعني أن التصميم الشمسي السلبي - مثل تسخين النوافذ الجنوبية - أقل فعالية لأن هناك أقل محيطاً لاستخلاص الطاقة، غير أن انخفاض مساحة الظرف يجعل من الأسهل أيضاً تصميم مسرد عال ومرتفعات في الهواء، وتتطلب نسبة شاملة تدمج الأشكال والاتجاهات.

Quantifying BSC’s Impact on Energy Efficiency

كما أن أدوات نموذج الطاقة مثل " الطاقة " و " أوف ستوديو " تتيح للمصممين تحفيز أثر التعاون التقني على الاستخدام السنوي للطاقة، ويقارن التحليل النموذجي بنايتين بنفس المساحة الأرضية وعدد القصص الواحدة بمقياس طابق مربع، وواحد مع خطة أكثر انحرافاً أو وضوحاً، وتظهر النتائج باستمرار أن تصميمات الاتفاق تحقق تحميلاً أقل من التدفئة والتبريد بنسبة تتراوح بين 10 و18 في المائة و2 في المائة.

وهذه الوفورات تترجم مباشرة إلى تكاليف التشغيل وانبعاثات الكربون، ففي سياق حضري كثيف، حيث قد توجد عشرات الآلاف من الوحدات المماثلة، يمكن أن يؤدي تحسين معدل الانتشار في الاتحاد الأوروبي بنسبة 10 في المائة إلى تخفيضات على نطاق المدينة في الطلب على الكهرباء وهبوط غازات الدفيئة، وعلاوة على ذلك، تتطلب المباني التي تقل فيها حمولات التدفئة والتبريد نظما أصغر حجما، مما يقلل التكلفة الأولى والصيانة الجارية، وكثيرا ما تتجاوز وفورات دورة الحياة التكلفة الإضافية للاعتمادات في المستقبل.

وضع استراتيجيات لتحقيق أفضل استفادة من التعاون التقني في مجال التنمية الحضرية

Prioritize Compact Massing Early

وتتمثل أكثر الطرق فعالية في إنشاء مبنى قريب من مكعب أو كتلة منعزلة من حيث الحد المسموح به، وفي المناطق الكثيفة التي تكون فيها الأبراج ضرورية، والاحتفاظ بطبقة الطابق الأرضي مربعا نسبيا، وتجنب نماذج الخطة الضيقة، يقلل من نسبة السطح إلى الحجم، مثلا، فإن ارتفاعا من حيث الحجم إلى سطح الأرض يبلغ 30 مترا من الطوابق المرفوعة يبلغ 25 مترا مربعا.

إعادة التفكير في التجارب والحرف

وكثيراً ما تزيد رقعة البلكون والزهور والزهور الديكي من مساحة سطح المبنى المعرضة، وفي حين يمكن لهذه العناصر أن تخدم أغراضاً وظيفية أو صناعية، ينبغي تقييمها بعناية مقابل عقوبة الطاقة التي تفرضها، وتتمثل إحدى الاستراتيجيات في إدراج البلورات المتوقفة في حجم المبنى بدلاً من عرضها في الخارج، وكذلك استخدام العزل المستمر الذي يلف حول كامل المظروف، بما في ذلك المظلات السطحية، والتخفيف من الآثار الميكانيكية.

التوجيه في مجال المشروبات والتحكم في التربة

ولا يغير التوجيه مستوى الضغط الذاتي نفسه، ولكنه يؤثر على كيفية تفاعل الظرف مع الإشعاع الشمسي، إذ يمكن للمبنى الذي يحتوي على درجة عالية من التركيز البيولوجي أن يستفيد من التوجه الأمثل، وذلك بوضع أطول المظاهر التي تواجه الشمال والجنوب (في نصف الكرة الشمالي) للسيطرة على المكسب الشمسي، مما يقلل من الحمولة التي تبرد خلال الصيف، مع السماح في الوقت نفسه بتحقيق مكاسب في الشتاء تعود بالنفع على الجانب الجنوبي.

العناصر المظروفية العالية الأداء

وعندما تفرض قيود الشكل على ارتفاع مستوى التركيز البيولوجي، يجب رفع مستوى المظروف إلى مستوى التعويض، وهذا يعني استخدام التألق المتقدم بملءات الغاز المنخفضة الدخل، والعزل المستمر، وبناء البقعة، وتوفير السقف الأخضر والجدارات الخضراء، وتوفير المزيد من العزل، والحد من أثر الجزيرة الحرارية الحضرية، ولكن فوائدها الرئيسية من التعاون التقني، تزيد من المقاومة الحرارية للأسطح التي قد تؤدي إلى فقدان القدرة على تحمل تكاليف مزدوجة.

التشييد والتجهيزات النموذجية

وتنتج نماذج قياسية جاهزة، مشتركة في آسيا وأوروبا الشمالية، في جوهرها نماذج مدمجة لأن الوحدات تُجمع لتخلق أشكالاً من مسارات الارتداد، وتتيح عملية التصنيع مراقبة دقيقة للجودة للعزل والاختتام الجوي، مما يتيح قيم التركيز البيولوجي دون 0.15 م - 1 حتى في المباني المتوسطة إلى المباني المرتفعة، كما أن استخدام البناء النموذجي يقلل من وقت استخدام الطاقة في الموقع، مما يمكن أن يعوض أي قيود على الشكل.

التحديات الوحيدة في المناطق الحضرية الكثيفة

وكثيرا ما يدفع الدافع إلى زيادة المساحة الأرضية المستأجرة في القطع الصغيرة المطورين إلى النادر، والشكل غير النظامي الذي يزيد من وجهات النظر ويزيد من سرعة الضوء على حد سواء من مستوى البكالوريوس (BSC) وفي مدن مثل هونغ كونغ، مانهاتن، وطوكيو، تُمنح علاوة على ذلك على تحديد مناطق الفضاء المفتوح أو الممرات المطلية إلى نقاط ثابتة أكثر تركيزا على تصميمات " ذات أحجام معمارية عالية من سطح إلى حجم مركب " .

ويمكن أن يؤثر الإفراط في التكتل من المباني المتاخمة أيضاً على الأداء المتصل بخدمة المباني، وفي المناطق الكثيفة جداً، قد يُظل المبنى الطويل يُطغى عليه معظم اليوم، مما يقلل من المكاسب الشمسية، ويحد أيضاً من إمكانية التدفئة السلبية، مما يعني أن شكلاً مدمجاً مع مستوى منخفض من التعاون البيولوجي قد لا يُدرَج بقدر ما يُجَدَّل المبنى في ظل دائم، كما أن الآثار الناجمة عن تُعقَّدُ في المناطق الحضرية في المناطق الحضرية في الترسُ في الترسُصُّمُم السطحية الحرارة السطحية، مما يزيد من درجات الحرارة المرتفعة.

وثمة تحد آخر هو الصراع بين مدونات الطاقة التي تعاقب على ارتفاع مستوى التعاون التقني والرغبة المعمارية في أشكال التفريغ، وكثير من أبراج التوقيع - مثل مقر لجنة حفظ البيئة البحرية في بيجين أو برج هارست في نيويورك - التي تُعتبر قيماً عالية المستوى للتعاون التقني، وفي هذه الحالات، تُقبل عقوبة الطاقة في مقابل التعبير المعماري، وتُغلق فجوة الأداء باستخدام نظم ميكانيكية متطورة وتكامل في الطاقة المتجددة.

دراسات الحالة: دراسة جدوى

هونغ كونغ

وقد اعتمدت هونغ كونغ، وهي من أكثر المدن كثافة سكانية على الأرض، منذ وقت طويل أشكالاً مدمجة للغاية في البناء، وكثير من لبنات الإسكان العامة التي تصمم كعبيدات عادية ذات حد أدنى من الحرف، وتتحقق قيم التعاون التقني فيما بين البلدان النامية في حدود 0.12 إلى 0.16 مليتر - 1، وتظهر الدراسات التي أجرتها هيئة الإسكان في هونغ كونغ أن هذه القطع تقل الطاقة من 15 إلى 20 في المائة لكل متر مربع عن حجم المعاطف الخاصة المماثلة التي تعزز ظروفاً متواصلة.

مكتب مانهاتن في نيويورك

وفي وسط مدينة مانهاتن، كثيرا ما تبرز تصميمات برج من الثمانينات والتسعينات واجهات زجاجية متعددة الألوان تعزز التعاون التقني، ويظهر استثناء ملحوظ هو مركز مجموعة البتيغ في السبعينات، الذي يُنتج فيه لوحات أرضية ومسدسات بسيطة مجموعة من السوائب ذات السعة الواحدة من العمرية، وهي مجموعة من المقاييس ذات القيمة المضافة العالية التي لا تزال تُقابل أداء الطاقة في المبنى على مدى العقود(15).

طوكيو

وتظهر منطقة ميناتو ميراي 21 في يوكوهاما كيف يمكن للتخطيط الرئيسي أن يشجع المباني المنخفضة الحجم، وتحتاج المبادئ التوجيهية للتنمية إلى هياكل جديدة لتحصل على لوحة أرضية لا تقل عن 800 متر مربع للحفاظ على شكل مدمج، وتحد من عدد نكسات البناء، ونتيجة لذلك، فإن العديد من المباني في المنطقة لديها قيم أقل من 0.20 متر - 1، مما يسهم في متوسط الاستهلاك النموذجي الذي يبلغ 180 كيلو مترا/م2 في المتوسط في السنة.

الاتجاهات المستقبلية: التصميم الموازي والتوائم الرقمية

فالتقدم في برامجيات التصميم شبه المتماثل يتيح الآن للمهندسين المعماريين إيجاد آلاف خيارات التدليك وتقييم أداء كل واحد من شركات البناء والطاقة في ثوان، ويمكن لأدوات مثل رينو + غراسهوبر بأدوات الليديبوغ أن تتيح تبادلا في الوقت الحقيقي بين الشكل والظل والطاقة، مما يغير عملية التصميم من مرحلة يكون فيها الشكل مدخلا صناعيا ثابتا إلى منطقة يجد فيها المشروع المصمم الرغبة في الحضر.

ويمكن أن يحسن أداء شركة BSC بعد شغلها، وذلك برصد التدفق الحرفي الفعلي من خلال المظروف، ويمكن لمديري المرافق أن يعدلوا نقاط الارتداد في منطقة HVAC، وأن يحددوا عيوب العزل، وأن يخططوا لإعادة ترتيبها، وفي المستقبل، قد يصبح البناء مستجيباً للعقبات التكييفية التي تغير خصائصها الحرارية أو للوعود الناشئة.

الاستنتاج: المرجع المعني بالتصميم المكثف

ومعامل شظايا البناء ليس مجرد قياس أكاديمي، بل هو أداة عملية تؤثر تأثيرا مباشرا على أداء الطاقة، والتكاليف التشغيلية، والأثر البيئي للمباني في المناطق الحضرية الكثيفة، وبفهم الفيزياء الكامنة وراء فقدان الحرارة والكسب من خلال الظرف، وباعتماد استراتيجيات تصميم تعطي الأولوية للترابط دون وظيفة التضحية، يمكن للمهندسين والمخططين أن يقدموا المباني التي تلبي متطلبات أشكال الدمج في الأسواق كثافة، مع الحد من التحديات التي تواجه استخدام الطاقة في الوقت نفسه.

ومع استمرار نمو المدن وضرورة إزالة الكربون، فإن كل فترة ساعة من ساعات العمل الموفرة توفر مسارا واضحا وقابلا للقياس الكمي لخفض استهلاك الطاقة في البيئة المبنية، وبالنسبة للممارسين، فإن الرسالة واضحة: التفكير في الشكل أولا، واستخدامه للحد من الحمولات، ثم استخدام النظم والمتجددة على الوجه الأمثل لسد الفجوة المتبقية، وهي نتيجة بيئة مبنية في المستقبل لا تكون أكثر كثافة فحسب، بل أكثر كفاءة.

For further reading, consult the DOE’s building energy modeling resources] and the ASHRAE Standard 90.1 on energy-efficient design.]