إدماج مضخات الحرارة الأرضية في تصميمات المباني الحضرية

إدارة الفضاء والتكامل مع الهياكل الأساسية القائمة

وكثيراً ما تكون المباني الحضرية مساحات دنيا محدودة في الغرف الميكانيكية، إذ إن معدات GHP، بما فيها وحدة الضخ الحراري والدبابات العازلة، تتطلب نحو 15-20 قدماً مربعاً لكل طن من القدرات، وقد يكون وضع هذه المعدات في السرداب أو المرآب أو حتى خزانات الاستعادة ممكناً عادة، ولكن التنسيق مع مهندسي مواقع الحفر البني (الميكانيكية والكهربية والسباكة) أمر حاسم.

التعاون مع أصحاب المصلحة

وتتطلب مشاريع البنية التحتية الحضرية الناجحة تعاوناً متواصلاً في وقت مبكر بين المهندسين المعماريين والمهندسين الهيكليين والأخصائيين الجيوتقنيين وسلطات المدن، ويجب أن تستوعب المهندسين مواقع حفر في تصميمات المؤسسات؛ وأن يشتروا مضخات حرارية لحجم المهندسين الميكانيكيين من أجل الذروة؛ وقد يتطلب مخططو المدن تقديم تقارير سنوية عن أداء النظام، كما أن مشاركة المجتمع المحلي لها قيمة، حيث أن السكان والمستأجرين قد تكون لهم شواغل بشأن الضجيات بشأن الضبطين أو البرمجيات المحسنة الخارجية.

Economic and Environmental Impacts at Scale

فبخلاف المباني الفردية، يؤدي اعتماد البرنامج العالمي للتنمية الحضرية إلى تحقيق فوائد اقتصادية وبيئية على نطاق المدينة، ويمكن لنظام إدارة الصحة العامة على نطاق المقاطعات أن يخدم مبان متعددة من خلال حلقة أرضية مشتركة، وأن يقلل بشكل كبير من تكاليف تركيبات المباني وتحسين تنوع الحمولة، وفي مدن مثل ستوكهولم وباريس، يمكن للشبكات الحرارية الأرضية الكبيرة أن تسخن آلاف المنازل، وأن يغذي طبقات المياه الجوفية العميقة أو تشكيلات الصخور.

وتمتد الآثار البيئية إلى ما يتجاوز تخفيض الكربون، ولا تستهلك هذه الشركات أي مياه للتبريد (أبراج غير مائلة)، مما يقلل من الضغط على إمدادات المياه الحضرية، كما أنها تزيل الحاجة إلى الثلاجات ذات القدرة العالية على الاحترار العالمي التي تكون شائعة في المبردات التقليدية - وإن كان من الجدير بالذكر أن الثلاجات التي تعمل على سد الأسطح لا تزال موجودة ولكن في وحدات التلوث المغلقة التي تستهلكها المصنع.

وتظهر تقييمات الكربون في دورة الحياة باستمرار أن شركات الصحة العالمية تفوق جميع نظمها الأخرى على مدى فترة 30 عاما، بل إنها تفسر تكلفة الكربون في الحفر وصنع الأنابيب، وتعطيل الادخار التشغيلي الرصيد خلال فترة تتراوح بين سنة واحدة وثلاث سنوات، مما يجعل خطط الصحة العالمية استراتيجية رئيسية للمدن التي لديها سياسات عدوانية لبناء صافي الزيرو، مثل القانون المحلي 97 لمدينة نيويورك، الذي يعاقب على بناء الانبعاثات والمكافآت بكفاءة النظم الحرارية.

دراسات الحالات الإفرادية والأمثلة

وتظهر عدة مشاريع في إطار برنامج الصحة العالمية في المناطق الحضرية إمكانية استمرار التكنولوجيا عبر مختلف المناخات وأنواع البناء.

قاعة مدينة فريبورغ، ألمانيا

The Freiburg’s City Hall is a flagship example of urban GHP integration. The building uses a geothermal system with 20 boreholes, each 110 meters deep, to supply both heating and cooling. Designed to meet the Passivhaus standard, the building consumes less than 15 kWh/m2 annually for heating-a fraction of code-minimum buildings. 70% has operated reliably since 2010,

حديقة براينت واحدة (بانك برج أمريكا)، مدينة نيويورك

ولا يزال أحد متنزهات براينت، الذي اكتمل في عام 2009، واحدا من أكثر المحركات التي تعمل على كفاءة الطاقة في أمريكا الشمالية، ويشمل نظامه الخاص بشبكات الطاقة العالمية 44 حفرة عمودية على ارتفاع 300 1 قدم في صخور الأسلاك، مقترنة بتخزين الجليد وخلقه، وتخدم المضخات الحرارية المناطق المحيطة بالمبنى، بينما تتولى منشأة الجيل المشترك معالجة القاع، وقد قلص النظام استهلاك الطاقة في المبنى بنسبة 50 في المائة مقارنة بمؤسسة الحضرية.

ستوكهولم مقاطعة أرصفيت

وفي ستوكهولم، تعتمد منطقة أرستافلت المختلطة على محطة حرارية مركزية ذات حرارة جغرافية تبلغ مساحتها 200 حفرة، كل منها 300 متر، لخدمة 000 7 منزل و 000 100 متر مربع من المساحة التجارية، ويهدف هذا النظام إلى توفير 90 في المائة من التدفئة المجتمعية و 70 في المائة من التبريد، مع دعم من حرارة المقاطعات، وقد أظهر المشروع حدوث انخفاض في التكاليف بنسبة 40 في المائة مقابل الهياكل الأساسية الخاصة بالمبنى GHP.

الآفاق المستقبلية والابتكارات التكنولوجية

ويوعِد العقد المقبل بتقدم كبير يجعل اعتماد برنامج الصحة العالمية في المناطق الحضرية أكثر سهولة وأكثر فعالية من حيث التكلفة.

تقنيات الترميم والتثبيت المعززة

ولا يزال الحفر الرأسي للحفر بالثقوب هو أعلى عنصر تكلفة، كما أن الابتكارات مثل الحفر الصوتي، والحفر الاتجاهي، والقطع الآلي تؤدي إلى تخفيض وقت التركيب وتكاليفه، وقد تُجنى الحفر الصوتية، على سبيل المثال، من خلال الصخور أسرع بنسبة 30 في المائة من الأساليب الدوارة التقليدية، كما تقوم الشركات بتطوير نظم للثغرات الأرضية المتحركة التي يمكن تركيبها في خنادق المرافق الحالية، مما يزيل الحاجة إلى تقنيات منفصلة للحفر.

البطاريات الحرارية الأرضية وتخزين الحرارة

The Seasonal thermal energy storage (STES) - often called geothermal batteries -allows buildings to store summer heat in the ground for winter use, or winter cold for summer. This approach optimizes the ground cycle’s thermal balance, preventing degradation of efficiency over time. In large urban projects, STES can be coupleed with solar thermal collectors or waste heat from data centers to charge the ground cycleating,

التكامل مع نظم إدارة المباني الذكية

ويمكن للضوابط المتقدمة ومستشعرات التلويث أن تتيح رصد أداء النظام في الوقت الحقيقي، ودرجات الحرارة في المدار الأرضي، واستهلاك الطاقة، ويمكن للأغلافير الادبية أن تحقق الحد الأمثل من الضخ الحراري استنادا إلى التنبؤات الجوية وأنماط شغله، وأن تعزز الكفاءة بنسبة 10-15 في المائة إضافية، وفي المدن الذكية، يمكن لهذه النظم أن تشارك في برامج الاستجابة للطلبات، وأن توزع كميات كبيرة من الطاقة أثناء فترات الذروة.

السياسات والاتجاهات السوقية

وتتزايد تفويض الحكومات في جميع أنحاء العالم أو تحفيزها، ويشمل التوجيه المنقح المتعلق بأداء الطاقة في المباني الصادر عن الاتحاد الأوروبي أحكاماً بشأن المضخات الحرارية ذات المصدر الأرضي في المباني العامة الجديدة، وفي الولايات المتحدة، وسّع قانون خفض التضخم الائتمان الضريبي البالغ 25 جيم ليزيد بنسبة 30 في المائة بالنسبة لمنشآت برنامج التحصين الشامل التي لا توجد فيها أي سقف، وخصص قانون الاستثمار في البنية التحتية والوظائف لـ 8 بلايين دولار لمشاريع الطاقة النظيفة، بما في ذلك وفورات الطاقة الحرارية الأرضية.

خاتمة

ولم تعد مضخات الحرارة الأرضية تكنولوجيا متخصصة تقتصر على المنازل الريفية أو المؤسسات الغنية، وكما تبين هذه المادة، فإنها توفر حلاً ثابتاً وموسعاً للمباني الحضرية لتحقيق وفورات هائلة في الطاقة، وتخفيض انبعاثات الكربون، وتعزيز كل عنصر من عناصر الراحة، مع معالجة القيود على الفضاء وأعباء الشبكات، وتظهر الأمثلة الناجحة من فريبورغ إلى نيويورك أن تقييم المواقع بعناية، والملاحة التنظيمية، والتعاون بين مختلف التخصصات، هي مفتاح فتح آفاق الابتكارات المتطورة.