وتشكل البيئة المبنية نحو 40 في المائة من انبعاثات الكربون العالمية المتصلة بالطاقة، مما يجعلها أحد أكبر المساهمين في تغير المناخ، وبما أن الدول ملتزمة بتحقيق انبعاثات صافية من الطاقة المتجددة بحلول منتصف القرن، فإن الانتقال إلى الطاقة المتجددة بنسبة 100 في المائة يتطلب إعادة التفكير في كيفية تصميمنا وبناء وتشغيل شبكات الطاقة المتجددة، وفي حين أن تكنولوجيات توليد الطاقة المتجددة قد بلغت مرحلة النضج بسرعة، فإن إمكاناتها الكاملة لا يمكن أن تُفتح إلا من خلال تصميم مصمم متعمد على أساس الكفاءة في مجال الطاقة.

الدور الحاسم لتصميم المباني في عملية الانتقال في مجال الطاقة العالمية

إن المباني تستهلك الطاقة في جميع مراحل حياتها، من استخراج المواد والتشييد إلى التشغيل، ومن ثم هدمها، ووفقا لما ذكرته الوكالة الدولية للطاقة، فإن الطاقة التشغيلية للمباني تمثل نحو 30 في المائة من الاستخدام النهائي للطاقة على الصعيد العالمي، وبدون تدخلات تصميمية عدوانية، سيستمر هذا الطلب في الارتفاع مع تباطؤ التوسع الحضري وتحسين مستويات المعيشة في جميع أنحاء العالم، غير أن المباني التي تم تصميمها جيدا يمكن أن تقلل بشكل كبير من احتياجات الطاقة من خلال استراتيجيات سلبية بينما تستضيف في الوقت نفسه نظم توليد الطاقة المتجددة، وتتحول فعليا كل أسطح ومبان مصغرة،

ولدعم شبكة الطاقة المتجددة بنسبة 100 في المائة، يجب أن تحقق المباني هدفين حاسمين: أولا، خفض الطلب على الطاقة من خلال التصميم الكفء، وثانيا، توليد أو تخزين ما يكفي من الطاقة المتجددة لتغطية ما تبقى من فائض في الحمولة والتصدير، وهذا النهج المزدوج يخلق دورة حيوية حيث تؤدي الكفاءة إلى تخفيض حجم النظم المتجددة المطلوبة، بينما يعوض توليد الطاقة الكربونية للاستهلاك غير القابل للإبطال، ويجب أن تكفل النظم المعمارية والمهندسة والمخطط الحضري.

التصميم السلبي: مؤسسة كفاءة الطاقة

وقبل تركيب لوح شمسي واحد أو توربينات الرياح، ينبغي أن يُستفد إلى أقصى حد من الأداء السلبي، كما أن استراتيجيات التصميم السريع تُعزز البيئة الطبيعية، والرياح، والظل، والكتلة الحرارية للحفاظ على الظروف الجاهزة داخل المباني بأقل قدر ممكن من التدخل الميكانيكي، وهذه الاستراتيجيات لا تقلل من استهلاك الطاقة فحسب، بل تخفض أيضاً من تكلفة رأس المال للنظم المتجددة النشطة عن طريق الحد من الحمولة التي يجب أن تخدمها.

مظروف التوجيه والبناء

القرار السلبي الأهم هو توجه المبنى بالمقارنة مع مسار الشمس في النصف الشمالي من الكرة الأرضية، تلتقط التوابع الجنوبية أقصى مكسب حراري شمسي في الشتاء، بينما تحجب التجاوزات أو الأجهزة المظلة الشمسية العالية لمنع التسخين، وتحتاج الاتجاهات الشرقية والغربية إلى اختيار دقيق للزراعة للسيطرة على الجليد والكسب الحراري خلال ساعات الصباح والبعد الظهر

الكتلة الحرارية والعزل

وتستوعب المواد الحرارية مثل الخرسانة أو الطوب أو الحجر أو مواد التغيير التدريجي الحرارة وتخزنها في اليوم وتطلقها ببطء في الليل، وتخفض تقلبات درجات الحرارة، وفي المناخ الذي تقل فيه درجات الحرارة الدافئة الكبيرة، يمكن أن يؤدي الاستخدام الاستراتيجي للكتل الحرارية داخل المظروف المزودة إلى الحد الأقصى من التحفيز والتبريد بنسبة 15 إلى 25 في المائة.

الزرع الطبيعي والإضاءة النهارية

ويستخدم التهوية الطبيعية ضغط الرياح وتأثيرات الحزمة في توزيع الهواء النقي دون مراوح، وقطع استخدام الطاقة في منطقة المحيط الهادي، كما أن النوافذ الصالحة للتشغيل، والكتب، والمدخنات التهوية يمكن تصميمها لتوجيه الطوابق من خلال الأماكن الداخلية، ولا سيما في الطوابق الأرضية المخففة والمدارية، كما أن نماذج التحلل الكهربائي التي تستخدمها أجهزة التحلل الضوئي تتيح للمصممين أن يُجمع بين النور والنور.

تكامل الطاقة المتجددة

وبمجرد أن تقلل الاستراتيجيات السلبية من الطلب على الطاقة إلى أدنى حد، يمكن وضع تكنولوجيات الطاقة المتجددة النشطة على النحو المناسب لتلبية الحمولة المتبقية، ويجب إدماج اختيار هذه النظم ووضعها في التصميم المعماري، وليس في شكل أفكار لاحقة، لتجنب الإضرار بالأجهزة التخديرية، أو السلامة الهيكلية، أو الأداء.

PV (BIPV)

وفقاً لنظم الطاقة الفولطية هي أكثر التكنولوجيات المتجددة تعقيداً بالنسبة للمباني، ويمكن للصفوف الشمسية المسطحة أن تلبي 30-60% من احتياجات البناء السنوية حسب الموقع والمنطقة السطحية المتاحة، إلا أن تركيبات الفولطية الضوئية المدمجة في المباني قد تزيد عن الاستعاضة عن مواد البناء التقليدية - التي تسبب التلوث، والزجاج المولد، والنوافذ، بل وتحلل الفول المائل

Wind Energy in Urban Environments

وتبقى التربينات الريحية الصغيرة خياراً متطوراً ولكن قابلاً للتطبيق في المباني في مواقع الرياح مثل المناطق الساحلية، أو أسطح المناطق المرتفعة، أو السهول المفتوحة، ويجب أن يتم تحديد مواقع التربينات المجهزة بمبنىات صناعية، وذلك لتجنب الاضطرابات الناجمة عن بناء هياكلها وضوابطها المحيطة بها، ويمكن أن تكمل التربينات الشمسية، خاصة خلال أشهر الشتاء التي يكون فيها التوليد الشمسي أقل.

مضخات الحرارة الأرضية

وتعتمد المضخات الحرارية ذات المصدر الأرضي على درجة الحرارة الثابتة نسبياً في الأرض (تراوح بين 10 و16 درجة مئوية في أعماق متوسطة) لتوفير التدفئة والتبريد على نحو يتسم بالكفاءة العالية، ويستخدم نظام الطاقة الحرارية الأرضية المزودة بسلسلة من الأنابيب مدفونة في الأرض أو في مجموعة من المياه لتبادل الحرارة مع الأرض، وفي الشتاء، يستخرج النظام الحرارة من الأرض وينقلها إلى المبنى في الصيف.

الترابط بين الأحشاء وتخزين الطاقة

ومن أجل تحقيق 100 في المائة من الطاقة المتجددة على نطاق المبنى، يجب أن يقترن توليد الطاقة في الموقع بتخزين الطاقة وربط شبكات الذكاء، ويحتاج تخزين البطاريات، عادة الليثيوم، ولكن بشكل متزايد، إلى البطاريات ذات القيمة المضافة للتدفقات أو الكيمياء القائمة على الصوديوم، إلى تخزين فائض الطاقة الشمسية أو الريحية لاستخدامها خلال ساعات غير مدرة أو فترات ذروة الطلب، وهذا لا يزيد من الاستهلاك الذاتي للطاقة المتجددة فحسب، بل يوفر أيضا خدمات للشبكة للشبكة الكهرباء

مبادئ التصميم المسبقة لبيئة البناء المتجددة بنسبة 100 في المائة

وتهدف أكثر المشاريع طموحا إلى توفير الطاقة الصافية الصفرية أو حتى حالة الطاقة الإيجابية، حيث ينتج المبنى طاقة متجددة أكثر مما يستهلكه خلال سنة واحدة، ويتطلب تحقيق ذلك تطبيق جميع الاستراتيجيات السلبية والنشطة المذكورة أعلاه في مجموعة متكاملة بشكل صارم، بالإضافة إلى ابتكارات إضافية في شكل بناء، ومنطق تشغيلي، ومشاركة محتلة.

Net-Zero Energy and Positive Energy Buildings

وتُعرّف وزارة الطاقة في الولايات المتحدة المباني التي تنتج الطاقة المتجددة بقدر ما تستهلك سنويا، وتُقاس عادة على مستوى الموقع، وتُستخدم مبان الطاقة الإيجابية أكثر من ذلك بتصدير فائض الطاقة إلى الشبكة، وتشمل الأمثلة على ذلك نصف الكرة الأرضية في ميريلاند، الذي يولد طاقة أكبر من الطاقة التي تستخدمها من خلال مزيج من الفولطية الفوقية الحرارية الأرضية والآبار الحرارية الأرضية، وقاعدة برومبلد في فانكوفر،

نظم البناء الذكية وإدارة الطاقة

ويمكن أن تتيح نظم الرقابة المتقدمة المباني التوازن الدينامي للعرض والطلب، إذ يمكن أن تؤدي أجهزة قياس الوصل الذكية، وأجهزة الاستشعار الشغل، والإضاءة التكييفية، والتصوير الافتراضي لأجهزة التوليد الهيدروغرافية إلى خفض استهلاك الطاقة بنسبة تتراوح بين 20 و30 في المائة إلى الحد الأدنى من المواد، وعندما تقترن هذه المتغيرات في أسعار السلع والشبكات، يمكن للمباني الذكية أن تنقل حمولات المرنة - مثل شحنات المائية وتدائية وتركيب، وتوقعات،

تصميم الأزواج والهياكل الأساسية الخضراء

كما أن تصميم البيوت - ممارسة ربط شاغلي المباني بالطبيعات - تدعم أيضاً أهداف الطاقة المتجددة بصورة غير مباشرة، بينما تحسن السقف الأخضر وجدران المعيشة العزلة، وتخفض أثر الجزر الحرارية الحضرية، ويمكن أن تستضيف أجساماً شمسية إضافية عن طريق التبريد المحيط بالصغر، وتخفض نظم جمع المياه المائيات من الطاقة الضخ، وتخفض من قيمة إنتاجية النوافذ الميسرة.

السياسات والمدونات والحوافز الاقتصادية

ولا يكفي الابتكار في مجال التصميم وحده لدفع عملية الانتقال إلى 100 في المائة من المباني المتجددة، ولا بد من وضع سياسات داعمة، ووضع مدونات محدثة للبناء، وإنشاء آليات مالية للتعجيل بالتبني في جميع قطاعات صناعة البناء، وهو أمر بطيء إلى حد كبير في التغيير.

مدونات ومعايير البناء

(و) أنّ هذه الشهادات للبناء الأخضر مثل (ليد)، (بريم)، وتحدي البناء الحيّي الذي وضعه المعهد الدولي للمستقبل الحيّ، قد وضعت معايير صارمة لأداء الطاقة وتكاملها المتجدد، وزادت البلديات من اعتمادها قوانين طاقة متطورة تتطلب استعداداً صافياً أو حتى طاقة صافية للبناء الجديد، ومثال ذلك مدونة الطاقة لعام 2022 (تيتل 24) التي تُلزم لوحات كهربائية على معظم المنازل الجديدة.

الحوافز المالية والعودة إلى الاستثمار

ويمكن أن تكون التكلفة الأولية لدمج الطاقة المتجددة ونظم الكفاءة العالية أعلى بنسبة 5-15 في المائة من التشييد التقليدي، ولكن الوفورات الطويلة الأجل من انخفاض فواتير المرافق والحوافز الضريبية وزيادة قيم الممتلكات كثيرا ما تؤدي إلى عائدات قوية، وفي الولايات المتحدة، يقدم الائتمان الضريبي للاستثمار وقانون تخفيض التضخم حوافز اتحادية كبيرة للنظم الشمسية، وخزن القروض، ونظم الطاقة الحرارية الأرضية، ويقدم العديد من الولايات والمرافق حوافز إضافية على أساس التقلبات.

التكامل بين المجتمعات المحلية والحضر

ويمكن أن تحقق المباني الفردية نتائج مثيرة للإعجاب، ولكن القفز الحقيقي إلى 100 في المائة من الطاقة المتجددة يتطلب توسيع نطاقها ليشمل المقاطعات والحي والمدن بأكملها، ويفتح التخطيط المنسق على مستوى المجتمع المحلي أوجه الكفاءة ووفورات الحجم التي لا يمكن أن تضاهيها المباني الوحيدة.

نظم الطاقة المحلية

وتوزع نظم التدفئة والتبريد في المناطق مياه ساخنة أو باردة من منشأة مركزية إلى مبان متعددة، مما يتيح استخدام المضخات الحرارية الكبيرة، أو صفائف الحرارة الشمسية، أو استعادة حرارة النفايات من مراكز البيانات والعمليات الصناعية، ويمكن لهذه النظم أن تحقق كفاءة أكبر من نظم البناء الفردية، ويمكن أن تدمج التخزين الحراري بعيدا عن فترات الذروة، وتشمل الأمثلة على ذلك الجماعة السائلة لتوليد الطاقة في المناطق الحضرية التي تستوعب الكولات الفضائية بنسبة 90 في المائة.

المجتمع المحلي

وتسمح البرامج الشمسية المجتمعية لمالكي المباني المتعددة بالمشاركة في مزرعة شمسية مشتركة خارج الموقع، وتمكين المستأجرين والأسر المعيشية ذات الدخل المنخفض، والمباني التي توجد بها أسطح غير ملائمة للحصول على الكهرباء المتجددة، وتظهر شبكات الطاقة المتناهية الصغر والمزودة بالكهرباء والتي يمكن أن تعمل بشكل مستقل عن المرافق الرئيسية التي تقترن بصورة متزايدة بتخزين الطاقة الشمسية والبطارية المجتمعية لتوفير القدرة على التكيف أثناء فترات انقطاع الكهرباء.

المفاوضون القادمون والتوقعات المستقبلية

وعلى الرغم من التقدم السريع، لا تزال هناك عقبات كبيرة تحول دون اعتماد تصميمات البناء المتجددة على نطاق واسع، وكثيرا ما يُشار إلى التكاليف الأولية، وسلاسل الإمداد المجزأة، ونقص العمالة الماهرة، ونقص التخلف التنظيمي، كعقبات، غير أن الابتكار في المواد والأدوات الرقمية ونماذج الأعمال يتغلب باستمرار على هذه التحديات.

فالتقدم التكنولوجي مثل الخلايا الشمسية القابلة للطباعة، والتمجيد الدينامي، وتسخين مياه الضخ الحراري، يخفض تكاليف التصميم ويوسع نطاق المرونة في تصميمه، ويتيح وضع نماذج للمعلومات وبرامج محاكاة الطاقة للمهندسين المعماريين تحقيق الأداء الأمثل قبل أن تضرب المجارف الأرض، ويتيح نمو شركات خدمات الطاقة، والتعاقد على الأداء لمالكي البناء دفع تكاليف تحسين الكفاءة من وفورات الطاقة المضمونة.

وسيشهد العقد المقبل تحولاً من الطاقة الصافية - صفر إلى مبان كربون صافية - صفر، لا يقتصر على الطاقة التشغيلية بل أيضاً على إنتاج الكربون من مواد البناء، كما أن المواد الكيميائية مثل الأخشاب الجماعية والأخشاب المتشابكة، والخرسانة التي تطلب الكربون، ستخزن الكربون، بينما توفر الكتلة الحرارية والأداء الهيكلي اللازمين للتصميم السلبي، وستشارك مدونات البناء المتجددة من حيث انبعاثات الكربون، ومتطلبات كشف الكربون، وستزيد من استخدام الكربون

خاتمة

إن تصميم المباني ليس من الاعتبارات الهامة في الانتقال إلى 100 في المائة من الطاقة المتجددة، بل هو دعامة مركزية، وكل مبنى جديد يُبنى اليوم ويفشل في إدماج أقفال الكفاءة والمتجددة في عقود من انبعاثات الكربون، ويُستبعد المرونة اللازمة لدعم شبكة متجددة، وعلى العكس من ذلك، فإن المباني التي تشمل التصميم السلبي، والتوليد النشط، والضوابط الذكية، ونظم الطاقة المحلية التي تُعد عوامل قوية لتصميم القيمة.

لمزيد من القراءة، استشارة الموارد من U.S. Department of Energy's Zero Energy Design program]، National Renewable Energy Laboratory's BIPV research ، و معهد البناء المركزي لمعايير الأداء