وفي المشهد المتطور بسرعة لتكنولوجيا البناء الذكية، تبرز حدود جديدة تبشر بتغيير أساسي في كيفية تشغيل نظم التدفئة والتهوية وتكييف الهواء، وهذا الابتكار، المعروف بطباعة الـ 4D، يتجاوز المكونات الثابتة لإنشاء أجزاء تكيف ذاتي يمكن أن يغير شكلها أو وظيفتها في الوقت الحقيقي، وهذا يعني بالنسبة لمديري المرافق ومالكي البناء ومهندسي الاستدامة، أن تكيف نظم القيادة في المستقبل.

Understanding 4D Printing Technology

وللاكتمال في كيفية أن يؤدي الطباعة من نوع 4D إلى جعل مكونات HVAC مكيفة ذاتيا، فمن الضروري أولا فهم ما يُحدِد هذه التكنولوجيا إلى جانب ما سبقه، والطباعة من ثلاثية الأبعاد، وترك الأشياء ذات القياس الجيولوجي الثابت، وطبع 4D بعد رابع: الزمن، وتستخدم هذه العملية مواد ميكانيكية متقدمة، تسمى مواد ذكية، أو متغيرات شكلية، أو هيدروجلات مصممة لتتحول

وقد تم في عام 2013 نشر مصطلح " الطباعة من نوع 4 دال " بواسطة " سكايلر تيبس " في مختبر التناسلي الذاتي التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، حيث أظهر الباحثون هياكل يمكن أن تجمع ذاتياً عندما تغرق المياه، ومنذ ذلك الحين، اتسع نطاق الميدان بسرعة، حيث تُستخدم التطبيقات في الفضاء الجوي والأجهزة الطبية الأحيائية والبناء، أما بالنسبة للشركة، فتمثلتمثل في قدرة المادة على الاستجابة بصورة متوقعة ومتواترة للتغيرات في الهواءية.

Smart Materials for HVAC Adaptation

أما الميسر الرئيسي لمكونات HVAC التي تحمل طباعة ٤ دال، فهو فئة المواد المعروفة باسم البوليمرات الشكلية، ويمكن برمجة هذه المواد بحيث تصبح " تذكر " شكلاً محدداً، وعندما تولدها حافز حراري، تعود إلى هذا الشكل، وتشمل المواد الأخرى ذات الصلة الهيدروجيلات التي تتضخم أو تنكمش مع الرطوبة، وأجهزة تكييف السائلة الواعدة(75).

كم عدد الشيفات المطبوعة من 3D الطباعة لـ HVAC

وفي حين أن تقنيات التصنيع المضافة تستخدم في كل من 3D و 4D، فإن الفرق في الناتج هو النجم، فالهوتة التي يتم طبعها بطبع 3D هو غرض ثابت؛ وتثبت قياسها الجغرافي وقت الطباعة، ومن ناحية أخرى، فإن فتحة مطبعة بـ 4D، هي نظام دينامي في حد ذاته، وتجسد عملية الطباعة سلوك التحول المادي مباشرة إلى الجزء، وهذا التكامل يعني أن دور التجميع يمكن أن يؤدي في آن واحد.

عناصر التكييف الذاتي للهاتف

ويتطلب الانتقال من مكونات المصطلح إلى مكونات البيوتادايين السداسي الكلور وجود هندسة دقيقة لكل من التركيب المادي والتصميم الجغرافي، ويقوم الباحثون والمصنّعون بوضع عناصر ذاتية الطباعة من نوع 4D تحل محل الدوافع الميكانيكية التقليدية، والأوفور، والموزعين ببدائل تكيف ذاتي، ولا تعتمد هذه المكونات على المحركات الكهربائية أو المحركات الاصطناعية؛ بل تستغل في ذلك المجالات الطباعة للمواد ذاتية للأجهزة البيئية.

الفنون المؤاتية والرافعات

وربما يكون أكثر التطبيقات مباشرة في فتحات التكييف والزهور، ففي نظام تقليدي، يمكن فتح أو إغلاق متحكم فيه مركزياً على أساس إشارات من جهاز حرارة، وفي نظام مطبعة من 4D، يمكن تصنيع كل فتحة بواسطة جهاز متعدد المقاييس مبرمج لتوسيع أو عقد في درجة حرارة معينة، وعلى سبيل المثال، قد يظل توزيع التدفق الفوري مسطحاً عندما يكون الهواء متجمداً.

الأعمال ذاتية التنظيم

ويمكن تطبيق الطباعة من 4D إلى ما بعد التهوية على التموين نفسه، تخيل أقسام الموصل المرنة التي تغير مقياسها الداخلي أو مدى تداعياتها الجدارية استجابة لتباينات الضغط أو تغيرات درجة الحرارة، وفي نظام متغير لحجم الهواء، يمكن أن يساعد ذلك على الحفاظ على الضغط الثابت دون إجراء تعديلات على الصمامات، ويستكشف الباحثون القنوات المطبوعة التي تتيح لهم الذاكرة الشكلية تقييد أو توسيع نطاق درجات الحرارة بشكل فعال.

المستعملون المستجيبون وقراسيس

ويمكن أن يغير مستعمل ذو عناصر شكلية من زاوية شاحناته استنادا إلى درجة الحرارة في هواء العرض، مثلا عندما يكون أسلوب التبريد نشطا، يمكن للشاحنات أن توجه تلقائيا نحو أعلى لتجنب وضع مشاريع، بينما يمكن أن تتجه في وضع التدفئة إلى أسفل لضغط الهواء الدافئ إلى الأرض.

استحقاقات المباني الذكية

ويتيح إدماج عناصر HVAC التي تحمل طباعة 4D والتي تعدل ذاتيا طائفة واسعة من الفوائد التي تتوافق مباشرة مع أهداف المباني الذكية: كفاءة الطاقة، والراحة الشاغلة، والسرعة التشغيلية، والاستدامة، وكل من هذه المزايا يتضخم عندما تقترن هذه المكونات بنظام لإدارة المباني يمكن أن يرصد الأداء ويحقق الحد الأمثل من نقاط التفتيش.

زيادة كفاءة الطاقة

فكفاءة الطاقة هي أكثر العوامل إلحاحا، ففي النظم التقليدية للشبكة، كثيرا ما تتعرض المناطق الحرارية للتكييف المفرط أو التكييف الناقص لأن أجهزة الصمامات والصمود تستجيب ببطء أو بضبط مركب الكراسي، وتوفر المكونات ذات الطباع 4 دال استجابة سريعة في مرحلة التسليم، وعلى سبيل المثال، إذا كان الجانب المشمس من محركات البناء قد أدى إلى خفض سرعة في سرعة عمليات التجهيز الإلكتروني.

تحسين نوعية الهواء داخل المباني

ويسود شعور بالغ بالارتياح ويصعب الحفاظ على النظام الموحد عبر مبنى كبير، وتعتمد النظم التقليدية على عدد قليل من أجهزة الاستشعار التي تعمل على درجة الحرارة، والتي قد لا تعكس تجربة كل شخص في الهواء، كما أن عناصر التكييف الذاتي تستجيب مباشرة لقلة الترددات المحلية، والرطوبة، بل وحتى سرعة الهواء، التي تكيف مع الأفضليات الفردية، مثلاً، فإن الشخص الذي يقترب من نافذة تزيد من الشمس بعد الظهر، يشعر بأنه سيكون أمراً مركزياً.

انخفاض الصيانة وزيادة الموثوقية

إن قطع الغيار المتحركة هي المصدر الرئيسي للفشل الميكانيكي في نظم HVAC، إذ أن المحركات والسيارات والروابط والمجسات تتطلب جميعها تفتيشاً دورياً وتهوية واستبدالاً، وباستبدال هذه المكونات النشطة بمواد سلبية ومكيفة ذاتياً، فإن الطباعة التي تبلغ ٤ دال تقل كثيراً عدد نقاط الفشل، كما أن وجود جهاز تحديد هوية متعدد الوسائط يمكن أن يخضع لملايين من الدورات دون تحمل تكاليف إضافية.

الاستدامة والكفاءة المادية

فالاستدامة مدمجة في نموذج الطباعة 4D. وينتج التصنيع الإضافة في جوهرها نفايات أقل من الأساليب الجذبية، وعندما يقترن ذلك بالمواد الذكية القابلة لإعادة التدوير أو القابلة للتحلل الأحيائي، تصبح دورة الحياة بأكملها أكثر ملاءمة للبيئة، ويجعل العديد من البوليمرات الشكلية هي السائلة الحرارية ويمكن إعادة تجهيزها، بالإضافة إلى أن المكونات تفرز نفسها بنفسها، وتقضي على الحاجة إلى البناء.

التكامل مع نظم إدارة المباني

وفي حين أن العناصر ذات الطابع ٤ دال يمكن أن تعمل بشكل مستقل، فإن إمكاناتها الكاملة تتحقق عندما تدمج في البنية التحتية الرقمية للمبنى، ويجمع نظام حديث لإدارة المباني بيانات من آلاف أجهزة الاستشعار - التمرين، والرطوبة، والشغل ثاني أكسيد الكربون، والأكثر، ويمكن استخدام هذه البيانات لتعظيم أداء المبنى، مع تعديل عناصر الحمولة العالية المستوى، وبدلا من ذلك، فإن نظام إدارة المباني لا يحتاج إلى إصدار أهداف أسرع.

فعلى سبيل المثال، يمكن لدائرة إدارة المباني أن تكتشف أن غرفة الاجتماعات مليئة بالناس وأن مستوى ثاني أكسيد الكربون آخذ في الارتفاع، بل يمكن أن تزيد من درجة حرارة الهواء في الإمدادات، وأن تقوم أجهزة الإرسال ذات الـ 4D-البطاقة في تلك الغرفة، باستشعار الهواء الدافئ، بتعديل زواياها المتحركة تلقائياً نحو التدفق المباشر إلى المنطقة المحتلة، ونتيجة لذلك، تبدأ أيضاً دورة مراقبة أقل استجابة لحجم التردد BMS.

التحديات الحالية والتوجيهات البحثية

وعلى الرغم من الوعد، لا تزال هناك تحديات عديدة قبل أن تصبح عناصر HVAC ذات الطباعة 4D. ودوامة المواد شاغل رئيسي، ويجب أن يتحمل البوليمرات الشبيهة درجات الحرارة القصوى، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية إذا ما اقتربت من النوافذ، والتدوير الرطوبة، والتعرض الكيميائي المحتمل من عوامل التنظيف، وتتواصل البحوث لتطوير خطط أكثر قوة في حين أن تكون الحياة الدهنية أطول وأسرع في الاستجابة.

وثمة تحد آخر هو القدرة على التصعيد. فالطباعة ٣ دال لا تزال أبطأ وأغلى من التطعيم بالحقن لإنتاج كميات كبيرة من المواد، غير أن ميزة الطباعة ٤ دال تكمن في قياسات جغرافية معقدة لا يمكن وصفها، ومع سرعة التصنيع المضافة )مثل الإنتاج المستمر للوصلات البينية(، فإن هذا الحاجز يتناقص، بالإضافة إلى أن شروط التكييف والتباين في مستويات التصنيع غير المتجانسة لكل عنصر.

وأخيراً، تظل التكلفة عقبة، حيث إن القطع المطبعة من نوع 4D هي أكثر تكلفة من المكونات المعدنية التقليدية التي تُباع بالحقن أو المطهرة، وتأتي نقطة الكسر من انخفاض تكاليف التركيب والصيانة على دورة حياة المبنى، وتُعتبر العودة الواضحة للاستثمار (ROI) من خلال مشاريع تجريبية في المباني التجارية أمراً بالغ الأهمية.

The Road Ahead: From HVAC to Adaptive Building Envelopes

ومن شأن الطباعة من طراز HVAC، التي تتجاوز مكوناتها، أن تثور في جميع مظاريف المباني، ويتصور الباحثون أن تكيف مواصفات العزل الحراري التي تُعد على أساس درجة الحرارة الخارجية، والنوافذ التي تغير معاملها للكسب الحراري، ونظم التظليل التي تنشر أو تتراجع تلقائيا، وأن تعمل هذه الجلود ذاتية التنظيم على تحقيق توافق مع عناصر HVAC ذات البصمة 4D على نحو فعال لخلق بيئة تتكيف تماما.

وسيؤدي تقارب الطباعة من 4D مع شبكة الإنترنت للأشياء (IoT) والاستخبارات الاصطناعية إلى فتح سلوكيات أكثر تطوراً، ويمكن للمبادرة تحليل التنبؤات الجوية وأنماط الشغل لتمهيد عناصر البناء للتكيف في الساعات القادمة، وعلى سبيل المثال، قبل موجة الحرارة، يمكن للنظام أن يُعدّل تدريجياً المبنى باستخدام عناصر تكييف ذاتي للحد من الترشيد.()

وفي الأجل القريب )خمسة إلى عشر سنوات(، يمكننا أن نتوقع أن نرى الجيل الأول من الرعاة والموزعين المطبعين من نوع )٤ دال( المنتشرين في المباني التجارية الرفيعة ومشاريع إعادة الطيف التي يمكن أن تعوض فيها وفورات الطاقة تكلفة الأقساط، ومع تقدم العلوم المادية وحجم التصنيع، فإن هذه المكونات ستصبح أكثر تكلفة وموثوقية، والرؤية الطويلة الأجل هي بناء يكون فيه كل عنصر من عناصر الانتاجية إلى خلق بيئة ميكانيكية.

والطباعة من نوع 4D ليست مجرد تحسين تدريجي في مجال التصنيع؛ فهي تمثل تحولا في النموذج في كيفية التفكير في نظم البناء، إذ إن ذلك يعني، من خلال دمج القدرة على الشعور والرد مباشرة على المواد، الانتقال من المباني " الذكية " بسبب الكترونياتها إلى المباني التي تكون في صميمها ذكية من خلال هيكلها ذاته، ويعني هذا التصحيح إعادة تشكيل مسارات العمل في مجال التصميم، وممارسات الصيانة، والأداء.