البناء والطاقة الشمسية

(١) الهندسة المعمارية الشمسية المبكرة

(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.

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.

(٢-٥) 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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

(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.

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 .

وأخيرًا، سنحصل على ما يلي:

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).

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.