الفصل الثالث عشر

البناء والطاقة الشمسية

في حوار مع موقع «يو إس نيوز آند وورلد ريبورت» (مارس عام 2009)، قال ستيفين تشو، وزير الطاقة الأمريكي، ما يلي عن أهمية تحسين تصميم المباني للحفاظ على الطاقة [30]:

يقول الناس في بعض الأحيان إن كفاءة استخدام الطاقة وترشيدها ليسا أمرين جذابين؛ فهما لا يعتمدان على أحدث التقنيات. وهذا في واقع الأمر غير صحيح. فمن الممكن أن يصبحا جذابين ويعتمدان على أحدث التقنيات. … دعنا نفترض أنك تبني منزلًا جديدًا. لقد قامت شركة ماكنزي بدراسة تقول إن استثمار ألف دولار أكثر في مواد البناء والعمالة يمكن أن تسترجعه في عام ونصف العام، ويمكنك في نفس الوقت توفير قدر هائل من الطاقة. فيما يتعلَّق بالمنازل والمباني الجديدة، جزء من هذا أمر تنظيمي، لكن عليك أيضًا أن تقنع الناس — يجب أن يؤمنوا — أن تكبد تكلفة إضافية قليلة ستقلل بالفعل من الفواتير الشهرية التي يدفعونها.

التفاصيل موجودة في تقريرين نشرتهما شركة ماكنزي في عام 2009: الأول تحت عنوان «الكشف عن كفاءة استخدام الطاقة في الاقتصاد الأمريكي» [60] و«الثورة الخضراء في الصين» [59]، وهما يتناولان المشكلات التي يواجهها أكبر مستخدمين للطاقة المستمدة من الوقود الحفري في العالم مع تقديم بعض المقترحات لحلها. والخلاصة الأساسية نجدها متمثِّلَةً فيما يلي [60]:
توفر كفاءة استخدام الطاقة مصدرًا هائلًا ومنخفض التكلفة للطاقة للاقتصاد الأمريكي، لكن هذا لن يتأتى إلا إذا استطاعت الأمة اتباع أسلوب شامل ومبتكر لتحقيقها. فيجب تجاوز عوائق مهمة ودائمة على مستويات متعددة لزيادة الطلب على كفاءة استخدام الطاقة وإدارة توصيلها عبر أكثر من 100 مليون مبنى، وفي واقع الأمر، مليارات الأجهزة. فإذا اتُّبِعَ «أسلوب شمولي» على نطاق واسع، فسوف يحقق توفيرًا هائلًا في الطاقة تزيد قيمته عن 1.2 تريليون دولار، وهو مبلغ يزيد كثيرًا عن اﻟ 520 مليار دولار المطلوبة للاستثمار الإضافي في الإجراءات المتعلقة بكفاءة استخدام الطاقة …
في واقع الأمر، يتمثل أكثر الأساليب فاعلية فيما يتعلَّق بتوفير الطاقة في تطبيق التصميم الشمسي السلبي للمباني في مجال الهندسة المعمارية. فبوجه عام، تستهلك المباني نحو 40 بالمائة من الطاقة العالمية. وباستخدام الأسلوب الشمولي لتصميم المنازل، يمكن توفير ما يصل إلى 50 بالمائة من هذه الطاقة. وتتضمن المبادئ الخاصة بذلك ما يلي [59]:
  • (١)

    توجيه أو إقامة المبنى بحيث يمتص حرارة الشمس في المناطق الباردة ويحسن استغلالها في المناطق الحرارة.

  • (٢)

    بناء نوافذ يمكن فتحها لتقليل الاعتماد على مكيفات الهواء والمراوح والدفايات.

  • (٣)

    استخدام دفايات أو مبردات أصغر، مع الأخذ في الاعتبار أن التصميم الشمسي السلبي يقلل الحاجة إليهما.

هناك تحديان يقفان أمام هذا الأسلوب [59]؛ الأول: هو إقناع المتخصصين في قطاع البناء به. حاليًّا، ما زالت نظم التدفئة والتبريد النشطة، التي عادة ما تستخدم مصادر الوقود الحفري، هي الحلول السائدة. والثاني: هو التغلب على نقص الحوار الفعال بين المهندسين المعماريين والمهندسين المدنيين. فكفاءة استخدام الطاقة نادرًا ما تُدرس في المناهج الخاصة بالهندسة المعمارية. ويميل المهندسون المدنيون، الذين ربما يكونون أكثر وعيًا بالاعتبارات الخاصة بكفاءة استخدام الطاقة، للتركيز على تنفيذ التصميمات ونادرًا ما يشتركون في القرارات التي تؤدي إليها.

إن «الأسلوب الشمولي» لتصميم المباني الذي يستفيد من الطاقة الشمسية ليس جديدًا. فالعديد من الحضارات القديمة مارسته، لكنه يكاد يكون منسيًّا في العالم المتقدم. ومن أجل بناء مستقبل أفضل في القرن الحادي والعشرين، نحتاج لنهضة في فن تصميم البناء الشمولي.

(١) الهندسة المعمارية الشمسية المبكرة

(١-١) الهندسة المعمارية الشمسية القديمة

تشير الأدلة الأثرية إلى أن العديد من الحضارات القديمة بنت منازلها طبقًا لمبادئ التصميم الشمسي السلبي. فيرى سقراط أن المنزل المثالي يجب أن يكون باردًا في الصيف ودافئًا في الشتاء [17]. ورأى أيضًا أنه يمكن تحقيق هذا الهدف جزئيًّا من خلال جعل منفذ التهوية في المنزل متجهًا نحو الجنوب مع إنشاء رواق لتوفير الظل في الصيف. لقد كانت تقريبًا كل الحضارات المهمة موجودة في نصف الكرة الأرضية الشمالي، وقد صُممت منازلها بحيث تكون مزودة بنوافذ كبيرة متجهة ناحية الجنوب ولكن مع اتجاه جدرانها بالكامل ناحية الشمال.
إن مبادئ التصميم الشمولي الموثقة جيدًا في الأدبيات الصينية القديمة التي تعود لفترة حكم أسرة تشو الغربية الصينية (القرن الحادي عشر قبل الميلاد-771 قبل الميلاد)، تُعرف باسم «فنج شوي»، وتعني حرفيًّا «الرياح والماء»، وتُعد الإشارة إلى الشمس من أهم جوانبها. وفي العقود الحديثة، أصبح نظام فنج شوي رائجًا في العالم الغربي. ويُعد تحديد اتجاه الجنوب الصحيح أمرًا غاية في الأهمية في هذا النظام. ففي كتاب «قانون تشو» (تشو لي)، المكتوب تقريبًا في القرن الحادي عشر قبل الميلاد، وُثِّقت طريقة لتحديد اتجاه الجنوب الصحيح وكانت كما يلي: «بتحديد النقطة التي عندها تشرق الشمس والنقطة التي تغرب عندها ثم النقطة التي في المنتصف فيما بينهما، يمكن تحديد النقطة التي عندها اتجاه الجنوب.» وتعد هذه الطريقة أكثر دقة بكثير مما لو استخدمنا البوصلة المغناطيسية.

(١-٢) الهندسة المعمارية الشمولية في ريف الصين

يعرض الشكل ١٣-١ منزلًا ريفيًّا تقليديًّا في ريف شمال الصين يجسد بعض مبادئ التصميم الشمولي التي تستفيد من الطاقة الشمسية. ربما صُمم هذا المنزل منذ ما يزيد عن ألف عام، ولكن لا يزال هذا التصميم مستخدمًا في المناطق الأقل تطورًا في شمال الصين. لقد عشت أنا شخصيًّا في أحد المنازل المقامة بناءً على هذا التصميم وذلك لعدة سنوات وقد انبهرت بمدى الراحة التي يوفرها.
إن المحور الطويل للمنزل هو ذلك الذي يتجه من الشرق للغرب. دائمًا ما تكون النوافذ الزجاجية الكبيرة (1) على الجانب الجنوبي، ويمكن فتحها جزئيًّا من الجانب السفلي. وتكون حواف السطح البارزة (2) مصممة بحيث تكون النوافذ معرضة لضوء الشمس الكامل في الشتاء وتكون في الظل في الصيف. وقرب الجزء العلوي من الجدار الشمالي، توجد نوافذ صغيرة (5). في الصيف، وبفتح النوافذ الشمالية الصغيرة والنافذة الجنوبية جزئيًّا، ستهب الريح تلقائيًّا من الفتحة السفلى للنافذة الجنوبية إلى النوافذ الشمالية الصغيرة، مما يمكن أن يُبرد المنزل من خلال التهوية. في الشتاء، يتدفق الدخان الخارج من الفرن (7) إلى المدخنة (3) عبر الأنفاق المتعرجة في السرير المصنوع من الطوب النيئ (4)، المعروف بالكانج، الذي يمكن أن يبقى دافئًا طوال الليل. وفي الصيف، عادة ما يُطبخ في السقائف خارج المنزل؛ ومن ثَم يمكن أن يبقى سرير الكانج، المتصل مباشرة بالأرض، باردًا. وتساعد المسافة بين السقف (6) والسطح أيضًا على الحفاظ على وجود درجة حرارة مستقرة. ولتدفئة الغرف في الشتاء، عادة ما يكون الباب الأمامي (8) مزودًا بستارة كثيفة.
fig177
شكل ١٣-١: منزل ريفي في ريف شمال الصين: إن المحور الطويل للمنزل هو ذلك الذي يتجه من الشرق للغرب. وتكون النوافذ (1) على الجانب الجنوبي. وتكون حواف السطح البارزة الطويلة (2) مصممة بحيث تكون النوافذ معرضة لضوء الشمس الكامل في الشتاء وتكون في الظل في الصيف. تُخزن الحرارة الصادرة من الفرن (7) في الأسرة المبنية من الطوب النيئ (4)، التي يمكن أن تبقى دافئة طوال الليل. في الصيف، تجعل الريح التي تهب من النافذة الأمامية إلى النوافذ الشمالية الصغيرة (5) المنزل باردًا.

(٢) مواد البناء

يتضمن تصميم أي مبنى تفاعلًا بين الهندسة المعمارية والهندسة المدنية. في هذا القسم، سنعرض بعض المفاهيم الأساسية الخاصة بالهندسة المدنية والمتعلقة بتصميم المباني.

(٢-١) المقاومة الحرارية

المقاومة الحرارية، ، هي قياس خاصية العزل للوح أو شريحة من مادة بناء، مثل لوح جداري أو باب أو نافذة. وهي نسبة فرق درجة الحرارة بين السطحين والتدفُّق الحراري (أي، تدفق الحرارة لكل وحدة مساحة). في نظام الوحدات الدولي، هي فرق درجة الحرارة (ﺑ K) المطلوب لتسريب طاقة حرارية ﺑ لكل وحدة مساحة (W/m2)؛ لذا فإن وحدة قياسها في هذا النظام هي . في نظام الوحدات البريطاني، هي فرق درجة الحرارة (بالفهرنهايت) المطلوب لتسريب طاقة حرارية بالوحدة الحرارية البريطانية في الساعة لكل وحدة مساحة؛ لذا فإن وحدة قياسها في هذا النظام هي . ومن أجل التحويل بين النظامين، فإن وحدة المقاومة الحرارية بنظام الوحدات الدولي تساوي وحدة المقاومة الحرارية بنظام الوحدات البريطاني مضروبة في 5.678، ووحدة المقاومة الحرارية بنظام الوحدات البريطاني تساوي وحدة المقاومة الحرارية بنظام الوحدات الدولي مضروبة في 0.1761.

بالنسبة لجدار يتكون من عدة طبقات، تكون المقاومة الحرارية تراكمية:

(13-1)
بحيث إن هي المقاومة الحرارية لطبقة المادة التي ترتيبها i. وفيما يلي بعض الأمثلة:
  • نافذة مكونة من لوح زجاجي واحد: (قيمة المقاومة الحرارية بنظام الوحدات الدولي: 0.18).
  • نافذة مكونة من لوحين زجاجيين: (قيمة المقاومة الحرارية بنظام الوحدات الدولي: 0.35).
  • نافذة علوية مغطاة بطلاء ذي انبعاثية منخفضة: (قيمة المقاومة الحرارية بنظام الوحدات الدولي: 0.52).

(٢-٢) المقاومة الحرارية النوعية

تُقاس خاصية العزل لأي مادة، على سبيل المثال، الأسمنت أو صوف الألياف الزجاجية أو البولي يوريثان فوم، من خلال «المقاومة الحرارية النوعية» الخاصة بها، أو r. في نظام الوحدات الدولي، تُعرف المقاومة الحرارية النوعية بأنها فرق درجة الحرارة (ﺑ K) لكل وحدة سُمك (ﺑ M) المطلوب لتسريب طاقة حرارية ﺑ W لكل وحدة مساحة (ﺑ W/m2). في نظام الوحدات البريطاني، تُعرف بأنها فرق درجة الحرارة (بالفهرنهايت) لكل وحدة سمك (بالبوصة) المطلوب لتسريب طاقة حرارية بالوحدة الحرارية البريطانية في الساعة لكل وحدة مساحة ( ). ومن أجل التحويل بين النظامين، فإن وحدة المقاومة الحرارية النوعية بنظام الوحدات الدولي تساوي وحدة المقاومة الحرارية النوعية بنظام الوحدات البريطاني مضروبة في 0.125، ووحدة المقاومة الحرارية النوعية بنظام الوحدات البريطاني تساوي وحدة المقاومة الحرارية النوعية بنظام الوحدات الدولي مضروبة في 8.

بالنسبة لجدار مكون من عدة طبقات، المقاومة الحرارية هي مجموع حاصل ضرب السُّمْك والمقاومة الحرارية النوعية لكل طبقة:

(13-2)
بحيث إن هو سمك الطبقة التي ترتيبها و هي المقاومة الحرارية النوعية لمادة الطبقة ذات الترتيب .
يعرض الجدول ١٣-١ قيم المقاومة الحرارية النوعية لبعض مواد البناء الشائعة. في الولايات المتحدة، يُعد صوف الألياف الزجاجية هو أكثر المواد العازلة استخدامًا. فهو له مقاومة حرارية نوعية عالية على نحو معقول وخفيف الوزن ورخيص وخامل كيميائيًّا وغير قابل للاشتعال. ومادة البولي يوريثان فوم لها مقاومة حرارية نوعية أعلى بكثير، وهي متوفرة في شكل ألواح صلبة أو مادة رش تملأ المسافة في الجدار، على سبيل المثال، بين لوح من الخشب الرقائقي واللوح الجصي الخاص بجدار. والاسم التجاري لمادة الرش هو آيسينين. وفيما يتعلَّق بالعزل الحراري، الأسمنت أسوأ بكثير من المادتين القياسيتين السابقتين.
جدول ١٣-١: المقاومة الحرارية النوعية لبعض مواد البناء الشائعة.
المادة المقاومة الحرارية النوعية (بنظام الوحدات البريطاني) المقاومة الحرارية النوعية (بنظام الوحدات الدولي)
الألواح الخشبية 2.5 20
الصوف الصخري أو صوف الألياف الزجاجية 3.1–3.6 25–30
الآيسينين 3.6 30
ألواح البولي يوريثان الصلبة 7 56
الأسمنت المصبوب 0.08 0.64
يمكن حساب المقاومة الحرارية لبعض ألواح العزل القياسية الخاصة بالجدران باستخدام المعادلة 13-2 والبيانات الموجودة في الجدول ١٣-١. وتظهر بعض النتائج القياسية في الجدول ١٣-٢.
جدول ١٣-٢: قيم المقاومة الحرارية القياسية الخاصة بعزل الجدران.
المادة المقاومة الحرارية (بنظام الوحدات البريطاني) المقاومة الحرارية (بنظام الوحدات الدولي)
ألواح ألياف زجاجية بسمك 4 بوصات 2.3
ألواح ألياف زجاجية بسمك 6 بوصات 3.3
ألواح ألياف زجاجية بسمك 12 بوصة 6.7
ألواح آيسينين بسمك 6 بوصات 3.8
جدار أسمنتي بسمك 10 بوصات 0.14

(٢-٣) معامل الانتقال الحراري

لحساب إجمالي فقد الحرارة لبناء أو غرفة، لا تُعد المقاومة الحرارية ملائمة؛ لذا يُستخدم معكوس المقاومة الحرارية، أو ما يُعرَف بمعامل الانتقال الحراري، U. في نظام الوحدات الدولي، يُعرَف هذا المعامل بأنه فقد الحرارة بالواط لكل وحدة متر مربع لكل فرق درجة حرارة بالكلفن ( ). في نظام الوحدات البريطاني، هو فقد الحرارة بالوحدة الحرارية البريطانية في الساعة لكل وحدة قدم مربعة لكل فرق درجة حرارة بالفهرنهايت ( ). ومن أجل التحويل بين النظامين، فإن وحدة معامل الانتقال الحراري بنظام الوحدات الدولي تساوي وحدة معامل الانتقال الحراري بنظام الوحدات البريطاني مضروبة في 0.1761، معامل الانتقال الحراري بنظام الوحدات البريطاني تساوي معامل الانتقال الحراري بنظام الوحدات الدولي مضروبة في 5.678. وعلاقة هذا المعامل بالمقاومة الحرارية هي كما يلي:
(13-3)
بالنسبة لغرفة أو بناء به جدران ونوافذ وغير ذلك، يمكن حساب فقد الحرارة باعتباره مجموع حاصل ضرب مساحة ومعامل الانتقال الحراري لكل مكون، وذلك كما يلي:
(13-4)
بحيث تكون هي المساحة و هو معامل الانتقال الحراري للمكون ذي الترتيب و هو فرق درجة الحرارة.

(٢-٤) الكتلة الحرارية

يعتمد استقرار درجة حرارة أي غرفة على كم الحرارة الذي يمكن الاحتفاظ به داخلها. وهو مجموع الكتل الحرارية للمكونات:

(13-5)
بحيث يكون هو الحجم و هي السعة الحرارية النوعية لكل حجم للمكون ذي الترتيب j. ويكون معدل انخفاض درجة الحرارة هو:
(13-6)

لذا، كلما زادت الكتلة الحرارية، كان انخفاض درجة الحرارة أبطأ.

لقد عرض الجدولان ١٣-١ و١٣-٢ الخواص الحرارية لمواد البناء الأكثر استخدامًا. ومن خلالهما، نجد أن الماء إلى حد بعيد هو أفضل مادة لتخزين الطاقة المحسوسة، وأن الأسمنت والطوب هما الأسوأ، ولكنهما مع الأسف المادتان الأكثر استخدامًا.

(٢-٥) التزجيج

تسمح النوافذ الزجاجية لضوء الشمس بالدخول إلى الغرف، ومن ثَم، توفر الدفء فيها في الشتاء، لكن، كما رأينا في الجدول ١٣-٢، حتى النوافذ العالية الجودة مواد عازلة سيئة. فالنوافذ الزجاجية الثنائية اللوح توفِّر مقاومة حرارية باستخدام نظام الوحدات الدولي تصل إلى 0.35، في حين أن المقاومة الحرارية لألواح الألياف الزجاجية العادية التي سمكها 6 بوصات تصل إلى 3.3، وهكذا يتضح أن هناك فرقًا قدره قيمة أسية واحدة.

لقد أصبح من الشائع استخدام قدر كبير من الزجاج في المباني الحديثة، لكن هذا يتطلَّب قدرًا كبيرًا من الكهرباء في الصيف لتبريد المبنى وقدرًا كبيرًا من الغاز الطبيعي (أو الأسوأ الكهرباء) في الشتاء لتدفئته؛ لذا فاستخدام قدر كبير من الزجاج يؤدي إلى فقد كبير للطاقة.

يعرض الشكل ١٣-٢ مثالًا على ذلك. تشتمل غرفة في أحد أركان المنزل على خزان ماء سعته 1m3 يعمل بمنزلة وسط التخزين الحراري. وحجم الغرفة يساوي 3.8m × 5m × 2.5m. دعنا نفترض أن درجة حرارة الغرفة هي 20 درجة مئوية وأن درجة الحرارة الخارجية هي صفر درجة مئوية. إن الكتلة الحرارية M تساوي 4.19 × 106J/K. يمكن تجاهل فقد الحرارة عبر الجدران الداخلية. كما هو موضح في الشكل ١٣-٢(أ)، إذا كانت كل الجدران الخارجية مزودة بنوافذ زجاجية ثنائية الألواح، فالمساحة الإجمالية للزجاج ستبلغ 22m2. ويكون معدل فقد الحرارة كما يلي:
(13-7)

ويكون معدل انخفاض درجة الحرارة كما يلي:

(13-8)

لذا، حتى في ظل الكتلة الحرارية الكبيرة تلك، ستصبح الغرفة بدون وسيلة تدفئة باردة جدًّا بعد عدة ساعات.

يعرض الشكل ١٣-٢(ب) منزلًا به ثلاث نوافذ ثنائية الألواح مساحة كل منها 1.2m2. وباقي الجدار معزول بألواح ألياف زجاجية ذات سمك 6 بوصات (150mm). هنا، يكون معدل فقد الحرارة هو:
(13-9)

في حين يكون معدل انخفاض درجة الحرارة:

(13-10)
بعد 8 ساعات، ستنخفض درجة الحرارة 2.2 درجة مئوية.
fig178
شكل ١٣-٢: تأثير التزجيج على العزل: (أ) غرفة كل جدرانها الخارجية مزودة بنوافذ زجاجية ثنائية الألواح. (ب) ثلاث نوافذ ثنائية الألواح مساحة كل منها 1.2m2. (ﺟ) بعد تغطية النوافذ بألواح بولي يوريثان.
أثناء الليل، لا يوجد ضوء شمس وستكون النوافذ مصدر استنزاف للطاقة. وبتغطية النوافذ بألواح بولي يوريثان صلبة بسمك 25mm بمقاومة حرارية قدرها 6.5، ستزيد المقاومة الحرارية للنوافذ إلى 8.5، أو 1.5 بنظام الوحدات الدولي. وسيكون معدل فقد الحرارة:
(13-11)

وسيكون معدل انخفاض درجة الحرارة:

(13-12)
من ثَم، ستنخفض درجة الحرارة درجة مئوية واحدة تقريبًا طوال الليل. وإذا كان هناك أناس يعيشون في هذه الغرفة، فسيكون الانخفاض أقل لأن الحرارة المنتجة من قبل كل شخص منهم ستكون مساوية تقريبًا لتلك الخاصة بمصباح متوهج؛ أي، 40–60W. وهذا سيعوض جزئيًّا فقد الحرارة عبر الجدران والنوافذ وسيجعل درجة الحرارة شبه ثابتة.
إن النوافذ في هذه الغرفة كبيرة بالفعل على نحو كافٍ بحيث تسمح بدخول ضوء شمس كافٍ لتدفئة الغرفة في الشتاء. ووفق الشكل ٤-٧، في الأماكن القريبة من دائرة عرض 40 درجة، يكون الإشعاع الشمسي اليومي على نافذة مواجهة للجنوب، فيما بين شهرَيْ نوفمبر وفبراير، أكبر من 6.5kWh/m2. ويمكن للنافذتين اللتين مساحة كل منهما 1.2m2 السماح بنفاذ أكثر من 10kWh من الطاقة الحرارية في الأيام المشمسة. والطاقة الحرارية الشمسية بالفعل أكبر بكثير من فقد الحرارة؛ لذا ستبقى الغرفة دافئة بالقدر الكافي فقط بسبب ضوء الشمس الداخل إليها من النوافذ. وعلى الأرجح، سيجعل الاستخدام المفرط للنوافذ الغرفة حارة جدًّا أثناء النهار.

(٣) مثال على التصميم الشمولي

وفقًا لستيفين تشو [30] وشركة ماكنزي [60, 59]، عندما يحاول شخص بناء منزل جديد، فمن الممكن باستخدام قدر أكبر قليلًا من مواد البناء والعمال توفير كمية كبيرة من الطاقة؛ ومن ثم توفير مبلغ كبير من المال. لقد اختبرت هذه المقولة عند بناء بيتي، ووجدت حتى أن الاستثمار الإضافي القليل هذا ليس ضروريًّا؛ فالمهم هو وضع تصميم يعظم الاستفادة من ضوء الشمس. وحيث إنني كنت المهندس المعماري الذي صمم منزلي والمهندس المدني الرئيسي في تنفيذ هذا التصميم، فقد كانت التكلفة الإضافية الوحيدة هي الوقت الإضافي الذي قضيته في التصميم والبناء.

قبل وضع التصميم، قرأت تقريبًا كل الكتب والأبحاث التي استطعت الحصول عليها عن المنازل المصممة وفق معطيات الطاقة الشمسية. لقد أُصبت بخيبة أمل بعض الشيء لأن الكثير من تصميمات تلك المنازل كانت غريبة وتتطلَّب مواد وتقنيات بناء غير مألوفة، أو كانت تركز بشدة على توفير الطاقة؛ بحيث تبني منازل تعتمد فقط على الطاقة الشمسية مع التضحية بعامل الراحة. بالإضافة إلى ذلك، تطلَّب مجلسا التخطيط والمراجعة المعمارية في بلدتي أن يكون هناك انسجام بين منزلي والمنازل المحيطة به، وقد أصرت شركة البناء على استخدام مواد البناء التي يمكنها إيجادها بسهولة.

بالإضافة إلى بناء منزل مريح، كان لدي بعض المتطلبات الإضافية؛ أولًا: أمتلك بيانو ألماني من طراز شتاينواي، يحتاج لغرفة كبيرة جدًّا ذات مستوى صدى جيد ورطوبة ودرجة حرارة مستقرة. ثانيًا: أردت بناء مسرح سينمائي منزلي متقدم يمكن تشغيله في أي يوم من العام وفي أي وقت من اليوم. ثالثًا: أردت بناء غرفة للعب مساحتها تزيد عن 60m2 لأحفادي.
لحسن الحظ، وجدت قطعة أرض خالية في بلدة نورث وايت بلينز تفي بالمتطلبات؛ أرض مساحتها 0.89 فدان (3500m2) منحدرة باتجاه الجنوب. وبسبب المنحدر، ورغم محاولات مثابرة عديدة، لم يتمكن الملاك السابقون من وضع تصميم يفي بمتطلبات مجلس تخطيط البلدة. وبمراجعة وثائق ورسومات التصميم السابق، وجدت أن هؤلاء الملاك أرادوا شق مساحة مسطحة كبيرة عبر المنحدر، مما يتطلب قدرًا هائلًا من التفجير والحفر، إلى جانبِ جدارٍ ساندٍ ارتفاعه 8 أمتار، الأمر الذي سيكون خطيرًا جدًّا.

قررت الاستفادة من المنحدر وإخفاء جزء من المنزل تحت السطح؛ لذا فإن جزءًا من البناء أُقيم داخل الأرض، مما أتاح إمكانية استغلال الطاقة الحرارية الأرضية الضحلة، وهي الطاقة الشمسية المخزنة في الأرض. والجزء الأمامي من المنزل مواجه لاتجاه الجنوب الصحيح، ولا يوجد شيء يحجز ضوء الشمس. والنوافذ الكبيرة مواجهة للجنوب كي تسمح بدخول أكبر قدر ممكن من ضوء الشمس. والجانب الشمالي من المنزل قريب من التل. وكانت هناك حاجة لعدد قليل جدًّا من النوافذ. وقد وافق مجلسا التخطيط والمراجعة المعمارية سريعًا على الفكرة.

يظهر رسما التصميم في الشكلين ١٣-٣ و١٣-٤. من الخارج للداخل، المنزل يبدو منزلًا على الطراز الاستعماري التقليدي المكون من صالة رئيسية، لكن الطاقة الشمسية تُستغل فيه على نحو واسع. يضم الطابق الأول، عالي السقف، البيانو الألماني باعتباره أهم معالمه. وكل النوافذ الكبيرة تواجه الجنوب. والغرف الأقل أهمية، مثل السلم مقصِّي الشكل والحمام، توجد في الجانب الشمالي. وفي الطابق الثاني، توجد الغرفتان الأكثر استخدامًا وغرفة النوم الرئيسية والمكتب (غرفة النوم 2) في الجانب الجنوبي، وكل النوافذ الكبيرة تواجه الجنوب. وتوجد الغرف الأقل أهمية، مثل غرفة الضيوف (غرفة النوم 3) والحمامات في الجانب الشمالي.
fig179
شكل ١٣-٣: تصميم منزل مبني وفقًا لمقتضيات الطاقة الشمسية: الطابق الأول. كل النوافذ الكبيرة مواجهة للجنوب، والصالة الرئيسية بالكامل موجودة في الجانب الجنوبي. وتوجد الغرف الأقل أهمية، مثل السلم والحمام، في الجانب الشمالي.
fig180
شكل ١٣-٤: تصميم منزل مبني وفقًا لمقتضيات الطاقة الشمسية: الطابق الثاني. كل النوافذ الكبيرة مواجهة للجنوب، والغرفتان الأكثر استخدامًا موجودتان في الجانب الجنوبي. وتوجد الغرف الأقل أهمية، غرفة الضيوف والحمامات، في الجانب الشمالي.
حددت شركة ويست تشستر للمنازل النموذجية الجاهزة التفاصيلَ وبَنت المنزل باستخدام بعض أفضل مواد وطرق البناء الشائعة. فكل النوافذ كانت نوافذ ثنائية اللوح محكمة من إنتاج شركة أندرسين. وعزل السقف كان بمقاومة حرارية R39 وبالنسبة لباقي المكونات R19. وكان الأساس خرسانة مصبوبة. وقد اكتمل البناء في أغسطس من عام 2009. انظر ملحق الصور الشكل ١٨.
في أيام الشتاء المشمسة والباردة، عادة ما يجعل ضوء الشمس الداخل من النوافذ الكبيرة المواجهة للجنوب درجة حرارة الغرفتين الأكثر استخدامًا تزيد عن 22 درجة مئوية، مما يجعل الثرموستات تقريبًا لا يعمل. وهذا مقبول من منظور الإشعاع الشمسي. فكما هو موضح في الشكل ٤-٧، في الأماكن الواقعة عند دائرة عرض 40 درجة، في الأيام المشمسة في الشتاء، يمكن أن ينتج ضوء الشمس طاقة حرارية تزيد عن 10kWh. وفي الصيف، وبسبب حواف السطح البارزة، لا يدخل ضوء الشمس للغرف. بالإضافة إلى ذلك، هناك مروحة علية في السقف تساعد على تقليل درجة الحرارة في العليَّة والمنزل بأكمله.

وُضع المسرح المنزلي في الركن الأقصى للأساس، وهو المكان الأعمق في الأرض. وباستخدام الطاقة الشمسية المخزنة في الأرض، وحتى بدون استخدام وحدة تكييف هواء أو مصدر تدفئة خارجي، تبقى درجة الحرارة مستقرة ومناسبة خلال العام.

بالإضافة إلى ذلك، عمل النظام الكهروضوئي الذي قدرته 4.2kW كما هو مخطط له. ولأن اتجاه السقف كان مواجهًا بدقة ناحية الجنوب، وكانت زاوية الميلان تساوي دائرة العرض، وكان ضوء الشمس لا يعترضه شيء تقريبًا؛ فقد كانت الكفاءة عالية. إن الشكل ١٣-٥ مأخوذ من فاتورة الكهرباء الخاصة بشركة كون إديسون لأغسطس عام 2010. كان إجمالي الكهرباء المستهلكة لذلك العام 1600kWh، أي، نحو عُشر تلك الخاصة بمنزل عادي بحجم مماثل.
fig181
شكل ١٣-٥: فاتورة الكهرباء الخاصة بشركة كون إديسون لأغسطس عام 2010. منذ تركيب النظام الكهروضوئي الذي قدرته 4.2kW في سبتمبر عام 2009، أنتج كهرباء قدرها 6129kWh. وكان إجمالي الكهرباء المستهلكة على مدار العام بالكامل 1688kWh.
في الفترة ما بين أغسطس عام 2009 إلى أغسطس عام 2010، أنتج النظام الكهروضوئي كهرباء قدرها 6129kWh. وفي وايت بلينز، تكلفة الكهرباء تصل إلى 0.226$/kWh. وبالنسبة لعام كامل، كانت القيمة المنتجة 1385 دولار. وتكاليف النظام الفعلية كانت 9800 دولارات؛ ومن ثَم يمكن استرجاع الاستثمار المدفوع في النظام في غضون نحو سبع سنوات. ويمكن أن ينتج النظام كهرباء مجانية لنحو 25 سنة.
على الرغم من أن الأهداف الفورية لهذا المنزل المبني وفقًا لمقتضيات الطاقة الشمسية قد تحققت بالفعل، فهناك عدة تجارب أخرى خاصة بالطاقة الشمسية ما زالت قيد التنفيذ. فالنظام الكهروضوئي الذي قدرته 4.2kW يشغل فقط نحو نصف السقف، والنصف الآخر مخصص لنظام كهروضوئي يعتمد على التيار المستمر الهدف منه شحن السيارات الكهربية وإمداد الأجهزة المعتمدة على التيار المستمر بالطاقة. وهناك نظام شمسي لتكييف الهواء ما زال في مرحلة التخطيط. وهناك مشروع حراري شمسي قيد التنفيذ لتقليل استخدام الغاز الطبيعي إلى الحد الأدنى.

(٤) استخدام الأراضي في المجتمعات القائمة على الطاقة الشمسية

إن تصميم أي مبنى وفقًا لمقتضيات الطاقة الشمسية سينجح إذا لم يكن هناك شيء يحجب ضوء الشمس عن المبنى. وهذا الشرط يمكن الوفاء به بسهولة بالنسبة للمباني الموجودة في أماكن منعزلة، لكن في المدن والبلدات، الأراضي ثمينة ويمكن أن تحجب المباني المجاورة ضوء الشمس. ومن أجل الاستغلال الكامل لضوء الشمس، يجب أن يكون هناك حد أدنى من التباعد بين المباني المتجاورة، التي يمكن تحديدها من خلال النظرية المعروضة في الفصل الرابع.

يعرض الشكل ١٣-٦ تخطيطًا قياسيًّا لمجتمع قائم على الطاقة الشمسية في نصف الكرة الأرضية الشمالي يشتمل على مجموعة من المباني، مع اتجاه محورها الطويل من الشرق للغرب. وأغلب النوافذ الكبيرة تكون على الجانب الجنوبي للمباني. دعنا نفترض أن المسافة الرأسية من الحافة الدنيا لنوافذ الطابق الأرضي إلى سقف المبنى هي والمسافة الأفقية من النافذة لسقف المبنى المجاور هي . فإذا كان ارتفاع الشمس هو والسمت ، فباستخدام حساب المثلثات، يمكن إثبات أن «زاوية الظل» من المبنى المجاور تُحدَّد من خلال ما يلي:
(13-13)
fig182
شكل ١٣-٦: الحد الأدنى للتباعد بين المباني المتجاورة: تخطيط قياسي لمجتمع قائم على الطاقة الشمسية في نصف الكرة الأرضية الشمالي الذي يشتمل على مصفوفة من المباني، مع اتجاه محورها الطويل من الشرق للغرب. وأغلب النوافذ الكبيرة تكون على الجانب الجنوبي للمباني. والمسافة الرأسية من الحافة الدنيا لنوافذ الطابق الأرضي إلى سقف المبنى هي والمسافة الأفقية من النافذة لسقف المبنى المجاور هي .
باستخدام صيغتي التحويل الإحداثي 4-15 و4-19، نحصل على ما يلي:
(13-14)
بإدخال الزاوية :
(13-15)
يمكن اختزال المعادلة 13-14 إلى ما يلي:
(13-16)

وأخيرًا، سنحصل على ما يلي:

(13-17)
لتجنب حجب ضوء الشمس من جانب المبنى المجاور، يجب أن يكون التباعد بين المبنيين L كبيرًا بالقدر الكافي بحيث يكون:
(13-18)
يوضح الشكل ١٣-٧ اعتماد زاوية الظل على التاريخ والوقت بالنسبة لراصد على دائرة عرض جغرافية تساوي 35 درجة. وتعريف زاوية الظل هو أنه عندما تكون صفرًا، فلا يوجد ظل، وعندما تكون 90 درجة، فإنه يوجد ظل كامل. وفي أحد الاعتدالين، تكون تلك الزاوية مساوية لدائرة عرض المكان. في الشتاء، تكون الزاوية أكبر، مما يشير إلى وجود ظل أكبر. وفي الصيف، تكون أصغر، مما يشير إلى وجود ظل أقل. ويشير الرقم الموجود على المنحنى إلى ترتيب الفصل الشمسي، الذي يحدد التاريخ في العام ومن ثَم ميل الشمس؛ ارجع إلى الفصل الرابع – قسم (٣-٥).
fig183
شكل ١٣-٧: اعتماد زاوية الظل على التاريخ والوقت: اعتماد زاوية الظل على التاريخ والوقت بالنسبة لراصد على دائرة عرض جغرافية تساوي 35 درجة. في الشتاء، تكون الزاوية أكبر، مما يشير إلى وجود ظل أكبر. وفي الصيف، تكون أصغر، مما يشير إلى وجود ظل أقل. ويشير الرقم الموجود على المنحنى إلى ترتيب الفصل الشمسي، وهي طريقة مناسبة ودقيقة لتحديد التاريخ في العام فيما يتعلَّق بحركة الشمس؛ ارجع إلى الفصل الرابع – قسم (٣-٥).
كما هو واضح، في الشتاء، في الصباح الباكر وقبل الغروب، يمكن أن تصل زاوية الظل إلى 90 درجة؛ لذا بغض النظر عن التباعد بين المباني، من المستحيل الحصول على ضوء شمس كامل طوال اليوم. يجب أن يكون هناك حل وسط؛ على سبيل المثال، بحيث يكون ضوء الشمس الكامل متاحًا لمدة ست ساعات على الأقل في الانقلاب الشتوي. وكما هو موضح في الشكل ١٣-٧، يحتاج هذا إلى أن درجة. وبالنسبة لمبنى من ثلاثة طوابق ﺑ يساوي عشرة أمتار.
(13-19)
بسبب المعادلة 13-17، بالنسبة للأماكن التي تقع على دائرة عرض مختلفة، يمكن الحصول على النتائج ببساطة بجمع فرق دائرة العرض. على سبيل المثال، في مكان على تساوي 40 درجة، يجب أن يكون التباعد بين المباني:
(13-20)
fig184
شكل ١٣-٨: الحسابات الخاصة بحواف السطح البارزة.

من المناقشات السابقة، يمكننا استخلاص بعض النتائج العامة: فمن أجل أن يكون هناك ضوء شمس كامل على الجانب الجنوبي لصف من المباني، يجب أن يتناسب التباعد المطلوب بين المباني مع الارتفاع. تعني تلك النتيجة المفهومة بديهيًّا ضمنًا أن المباني المرتفعة ليست مفضلة إذا كانت التدفئة الشمسية السلبية مطلوبة. بالإضافة إلى ذلك، تحتاج عادة تلك المباني إلى هيكل من الخرسانة والصلب، مما يُضعف أكثر خواصها الحرارية. بالنسبة للمباني المكونة من طابقين وحتى خمسة طوابق، يمكن استخدام مواد بناء خفيفة، وبخاصة تلك التي لها خواص عزل عالية، يمكن تصميمها بحيث تحصل على الحرارة من خلال الطاقة الشمسية السلبية.

مسائل

  • (13-1) تخيل منزلًا طوله 12m وعرضه 8m وارتفاعه 5m بعزل قياسي من الألياف الزجاجية قدره 6in من النوع R-19 في الوحدات الطرفية و12in من النوع R-39 في السقف والأرضيات. في الصيف، تكون متوسط درجة الحرارة الخارجية 80 درجة فهرنهايت (26.67 درجة مئوية)، لكن درجة الحرارة الداخلية المريحة تكون 68 درجة فهرنهايت (20 درجة مئوية). وباستخدام الحرارة الكامنة لخزان ثلج لتبريد المنزل (المزود بثرموستات وآلية للتدوير)، كم من الوقت يمكن لهذا الخزان أن يحافظ على ثبات درجة حرارة الغرفة؟
  • (13-2) في منطقة نيويورك ( )، تخيل أنه على الجانب الجنوبي لأحد المنازل توجد نافذة بارتفاع يساوي 1.67m؛ انظر الشكل ١٣-٨. من أجل الاستفادة الكاملة من ضوء الشمس في الانقلاب الشتوي والحجب الكامل لضوء الشمس في الانقلاب الصيفي، ماذا يجب أن يكون عليه طول حواف السطح البارزة والمسافة بين أعلى النافذة وقاعدة تلك الحواف؟
  • (13-3) تخيل غرفة تقليدية في منزل معزول جيدًا طولها 20ft وعرضها قدمًا وارتفاعها 8ft. كل الجدران، بما في ذلك السقف والأرضية، معزولة بمادة R39. في الشتاء، تكون درجة الحرارة الخارجية صفر درجة مئوية، وتكون درجة حرارة الغرفة 20 درجة مئوية. فما مقدار فقد الحرارة ﺑ ؟ وإذا احتوت الغرفة على طن من الماء باعتباره الكتلة الحرارية، فما معدل فقد درجة الحرارة بالدرجة المئوية في الساعة؟

جميع الحقوق محفوظة لمؤسسة هنداوي © ٢٠٢٠