الأنظمة الذكيه النشطة في المباني Active intelligent systems- ودورها في دعم العمارة الخضراء

2.1.1. الخلايا كهروضوئية PV

الخلايا الكهروضوئية هي أنظمة نشطة تعتمد عادة على السيليكون وتُستخدم لتحويل أشعة الشمس إلى كهرباء. فيتم إنشاء التيار المباشر DC (Direct Current) عندما تتعرض الأجهزة لأشعة الشمس، وتستخدم الكهرباء المولدة مباشرة في أجهزة DC أو يتم تحويلها بواسطة المحولات التي تدعم أجهزة التيار المستمر AC (Current Alternating ). 

ويمكن أيضًا تخزين التيار المستمر في بطاريات للاستخدام أثناء الليل عندما لا تنتج الأنظمة الكهروضوئية الكهرباء، وتستجيب الخلايا الكهروضوئية إلى كل من الإشعاع المباشر والمنتشر، ويزداد الناتج مع زيادة أشعة الشمس.

توضع الخلايا الكهروضوئية بالغلاف الخارجي للمبنى، فقد أصبح من السهل دمج هذه الأنظمة وتكاملها مع عناصر الغلاف من أسقف وحوائط وفتحات، ويمكن استخدامها بصور متعددة أما على السطح أو على الواجهات أو على الكاسرات ووحدات التظليل أو تستخدم كبديل عن حوائط الستائر الزجاجية أو كأسقف بإضاءة سماوية. ل

مما يجعل وحدات PV جزءًا من تكوين غلاف المبنى، يتكامل معه ليؤدي وظيفته لذا فقد سميت BIPV (Building Integrated Photovoltaic Panels)، كما يوضح شكل (5). 

وقد استخدمت هذه الخلايا كبديل للمواد التقليدية في معظم الأنظمة الشائعة سواء كانت معتمة أو شفافة، فهي تلعب دوراً رئيسيا في توفير الراحة الداخلية بالحد من ارتفاع درجة الحرارة في فصل الصيف والسماح بالاكتساب الحراري في فصل الشتاء مع زيادة الإضاءة الطبيعية . ويوضح شكل (6) بعض صور BIPV بالأسقف والواجهات.

شكل (5) استخدامات الوحدات الكهروضوئية بغلاف المبنى

شكل (6) بعض صور وحدات BIPV بغلاف المبنى

من أمثلة المباني التي استخدمت الوحدات الكهروضوئية مبنى Umwelt Arena بسويسرا، والذي يتميز ببنية سقف بلورية مدمجة مع نظام الوحدات الكهروضوئية كما بالشكل (7)، يتم الاعتماد عليها في تبريد المبنى في فصل الصيف و تدفئته في الشتاء. 

وذلك عن طريق شبكة توزيع في الأرضيات الخرسانية ونظام أنبوب أرضي، فيدور الماء البارد عبر شبكة الأنابيب في الصيف، والماء الساخن في فصل الشتاء. بالإضافة إلى ذلك فإن الألواح الكهروضوئية تنتج كهرباء تزيد عن ما يحتاجه المبنى.

شكل (7) غلاف مبنى Umwelt Arena ذو السقف البلوري من وحدات PV

2.1. أنظمة توليد الطاقة من الرياح

طاقة الرياح هي واحدة من أهم مصادر الطاقة المتجددة والنظيفة، والتي تطورت بشكل كبير مع التقدم التكنولوجيا المستمر، حيث يتمثل التطبيق الأولي لها في توربينات الرياح الكبيرة؛ التي تكون في صورة مزارع للرياح بالمناطق الساحلية وعلى التلال. 

تحتاج مزارع للرياح إلى تدفق مستمر للرياح غير المضطربة، وتحتاج الطاقة الناتجة عن هذه المزارع إلى تكاليف عالية لنقلها لأماكن الاستهلاك مع فقد جزء منها أثناء عملية النقل، مما دعي إلى التفكير في حلول أخرى تقرب المسافة بين مصدر الطاقة المتمثل في طاقة الرياح والمستهلك المتمثل في المبنى. 

قد تكون المباني ذات الارتفاعات الشاهقة مناسبة لهذا المهمة، حيث أن استخدام توربينات الرياح بأغلفة المباني المرتفعة يوفر ما يقرب من 20% من الطاقة اللازمة لتشغيل المبنى، وقد سميت هذه الأنظمة بتوربينات الرياح المتكاملة مع المبنى BIWT (Building Integrated Wind Turbines).

يمكن تطبيق أنظمة BIWT على أغلفة المباني بثلاثة طرق مختلفة هي: 

- الطريقة الأولي: توربينات الرياح كبيرة الحجم، وتوضع على الغلاف بثلاثة مواضع، أما على السطح أو بين مبنيين متجاورين أو داخل تجويف بالمبنى مصمم خصيصاً لهذا الغرض كما يوضح شكل (8) أ. من أشهر تطبيقاتها مركز التجارة العالمي في البحرين، وعلى الرغم من فعالية هذه الطريقة إلا أن الحجم الكبير للتوربينات يحتاج إلى توزيع هيكلي متقن بالإضافة إلى أنها تؤثر على العنصر الجمالي لغلافة المبنى.

- الطريقة الثانية: هي بناء توربينات هوائية صغيرة الحجم على أغلفة وواجهات المباني بدلاً من عدد قليل من توربينات الرياح الكبيرة الحجم، كما يوضح شكل (8) ب، ويعتبر هذا النوع من نظام BIWT طريقة ملائمة واقتصادية، إلا أن إجمالي طاقة الخرج من هذا النظام سيكون أقل من طاقة توربينات الرياح كبيرة الحجم, وهي الطريقة الأمثل للاستخدام بالمباني القائمة.

- الطريقة الثالثة: هي تشمل نظم أكثر تطورا من أنظمة BIWT مثل الأنظمة التي تستخدم مباشرة لبناء المبنى أو كغلاف خارجي للمبنى كما يوضح شكل (9).

شكل (8) الطرق المختلفة لوضع توربينات الرياح على الغلاف

شكل (9) بعض الطرق المبتكرة لأنظمة BIWT كجزء مكون لغلاف المبنى

من أمثلة المباني التي تتميز باعتمادها على نظام BIWT برج The Pearl River بالصين، حيث تميز المبنى بشكله المنحني الذي يقود الهواء للدخول خلال أربعة مداخل مخصصة لتوربينات الرياح بغلاف البرج؛ تستغل الرياح السائدة من الجنوب لتولد ضغطًا سلبيًا في الجانب الخلفي أو الجانب الشمالي من المبنى، كما بالشكل (10).

تقع التوربينات على طابقين ميكانيكيين مما يقلل الضوضاء والاهتزازات ويسهل عمليات الصيانة، وتبعاً للدراسات التي أجريت فإن هذه التوربينات تولد طاقة أكثر15 مرة من مولد الرياح العادي.

شكل (10) برج The Pearl River بالصين كمثال لأنظمة BIWT بغلاف المبنى

2. أنظمة التحكم في عناصر المناخ

تهدف هذه الانظمة إلى التحكم في عناصر المناخ سواء المحيطة بالمبنى من الخارج أو من الداخل، فعلى سبيل المثال: تعتبر الحماية من أشعة الشمس القوية وتأثراتها بالمناطق الحارة من الأشياء الضرورية، ويمكن تقسيم هذه المنظومة بوجه عام إلى مرحلتين:

1.2. أنظمة التحكم بالمناخ بواجهات المبنى الخارجيه

من أهم هذه الانظمة تجهيزات معالجة أشعة الشمس المباشرة والمنعكسة على المبنى من الخارج، باستخدام الأنظِمَة الأوتوماتيكي لزيادة كمية الظلال الساقطة على المبنى، وايضاً استخدام المظلات والكاسرات الخارجية لأشعة الشمس المثبتة بأغلفة المباني من خلال أنظمة الحماية والتحكم المركزية اللازمة.

بالاضافة إلى معالجة أنظمة التظليل والستائر حيث يتم رفعها وخفضها أو فتحها وغلقها، مع مراعاة متطلبات المناخ طبقا للموسم) تظليل بالصيف، وكسب حراري بالشتاء( حيث يتطلب كل ذلك محركات مرتبطة بنظم تحكم خاصة سواء من قرب أوعن بُعد.

2.2. أنظمة التحكم بالمناخ بالفراغات الداخلية للمبنى

تتضمن الأنظِمَة الذكيَّة للتحكم في عناصر المناخ بالفراغات المعمارية، للتحكم والتفاعل ما بين متطلبات شاغلي المبنى وعناصر المناخ المختلفة، للوصول لحدود الراحة الحرارية طبقا لطبيعة الموقع ومحدداته المناخية.

ولها صورا كثيرة منها: أنظمة التحسس، والماكينات، والبرامج، ونظم التحكم؛ حيث يتم هذا التحكم والتفاعل بالتقنيات اللازمة المبنية على قواعد معلومات سابقة وبرامج تحليل للمناخ تسمح بالتفاعل الآلي للمبنى مع تلك التغيرات من خلال حركة النوافذ أو الستائر أو المظلات أو الشراعات أو سائر المعالجات المناخية المتواجدة بالأبنيَّة للوصول للتحسين النسبي المطلوب للمناخ بشكل برمجي، مع التحكم المفضل لكل فراغ على حده.

وهو ما ظهر مؤخرا فيما يسمى بالحركة التفاعلية في العمارة الحركية كتوجه معماري أخذ بالازدياد بالآونة الأخيرة، سواء كانت هذه الحركة من خلال الأزرار والمفاتيح بشكلها التقليدي أو التحكم من بُعد، أو من خلال استخدام تقنيات الواجهات المستجيبة والتفاعلية التي تعمل بشكل تلقائي متعتمدة على أجهزة الاستشعار والتحسس.

يمكننا جمع أليات التحكم في عناصر المناخ بغلاف المبنى في المخطط الموضح بشكل (11).

شكل (11) بعض صور الأنظمة الذكية للتحكم في عناصر المناخ

من أبرز أمثلة المباني التي تعتمد على أنظمة التحكم في المناخ مبنى أبراج البحر أبو ظبي، حيث أعتمد المبنى على أنظمة ذكية تدعم التهوية والإضاءة الطبيعيتين، كما يوضح شكل (12).

شكل (12) الأنظمة الذكية للتحكم في عناصر المناخ بغلاف مبنى أبراج البحر

3. أنظمة إدارة الطاقة BMS 

تأتي أهمية أنظمة إدارة الطاقة من كون المباني هي المسؤولة عن 70% من استهلاك الطاقة، والتي يمكن أن تقل بمقدار 30% أو أكثر في المباني المُعتمِدة على أنظمة إدارة الطاقة BMS بالمقارنة بمثيلاتها التقليدية.

لكي تؤدي هذه الأنظِمَة بكفاءة عالية وبشكل اقتصادي لابد أن تستند إلى: إستراتيجيات تَحَكُم، حيث يفضل أن يتم ضبطها منذ مراحل العمل الأولى بمرحلة تصميم المبنى، ليس فقط بغرض تقليل الاستهلاك وإنما تقليل الهادر أثناء الاستهلاك أيضاً. 

تعتبر هذه الأنظمة ذات أهمية خاصة لضبط أنظمة غلاف المبنى وإدارتها وربطها بالأنظمة الداخلية للمبنى لتحقيق مبدأ الكفاءة في الطاقة مع الحفاظ على الراحة للمستخدمين، كأنظمة توليد الطاقة وأنظمة تسخين المياه وكيفية إدارتها وربطها بأنظمة الطاقة الداخلية. ويمكننا جمع أليات إدارة الطاقة المرتبطة بغلاف المبنى في المخطط الموضح بشكل (13).

شكل (13) أليات الأنظمة الذكية للتحكم في عناصر المناخ بغلاف المبنى

1.3.  أنظمة إدارة الإضاءة LMS

تجمع أنظمة إدارة الإضاءة بين إستراتيجيات التحكم في الإضاءة سواء كانت إضاءة طبيعية أو صناعية لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة الكلية للنظام. الغرض الرئيسي من هذه الأنظمة هو تقليل استهلاك الطاقة مع توفير الراحة لمستخدمي المبنى، وهذا يشمل: توفير كمية مناسبة من الضوء، وتوفير الضوء وقت الحاجة، توفير الضوء لمكان الحاجة.

2.3. أنظمة التحكم في التدفئة والتهوية والتكييف HVAC 

تعمل أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء HVAC على الحفاظ على المناخ الذي يحقق الراحة لمستخدمي المبنى، وذلك من خلال الدمج بين الأنظمة الطبيعية للتهوية والتدفئة والتبريد بغلاف المبنى والأنظمة الميكانيكية للتكييف كأنظمة مكملة للأنظمة الطبيعية. 

حيث تتحكم أنظمة التكييف في درجة الحرارة والرطوبة وتدفق الهواء والجودة الكلية للهواء، ويقوم النظام النموذجي بإحضار الهواء الخارجي ويخلطه مع الهواء المرتجع من النظام أو الخارج منه، ويقوم بتصفية الهواء ويمرره عبر ملف تسخين أو تبريد إلى درجة حرارة مطلوبة ، ثم يوزع الهواء على مختلف أقسام المبنى.

وتمثل أنظمة إدارة الطاقة الذكية إحدى الأنظمة الهامة وأكثرها استخداما, لما لها من تأثير واضح على جودة البيئة الداخلية, ومن أمثلة المباني التي اعتمدت علي أنظمة التحكم الذكية مبنى The Edge الحاصل على جائزة أذكى مبنى أخضر بالعالم, كما يوضح شكل (14).

شكل (14) مبنى The Edge  كمثال لأنظمة إدارة الطاقة

4. الأنظمة الذكيه للمياه بالمباني

تُعد منظومة المياه أحد أهم أجزاء البنية التحتية بأخذ أهمية المياه بعين الاعتبار، وتُبنى على مجموعة من المعايير التي تسهم في تشكيل الهيكل العام لاستخدامات المياه بشكل ذكي بالأبنيَّة، وتنقسم تلك الاستخدامات إلى: استخدامات داخلية، استخدامات خارجية. 

واذا تحدثنا عن الاستخدامات الخارجية نظراً لأهميتها وفاعليتها فنجد أن منها: الاستفادة من مياه الأمطار فوق أسقف المباني أو حولها بالتجميع بأحواض ومن ثم عمل المعالجات اللازمة لها واستخدامها بمساعدة الأنظِمَة الذكيَّة والحساسات التي تسهم في الحصاد المائي. 

كما يمكن الاستفادة من المياه المنصرفة Gray Water من الأبنيَّة في أعمال تنسيق المواقع حول الأبنيَّة بعد إجراء المعالجات عليها، وذلك من خلال ربط تلك المياه بأجهزة تحكم رقمي يتيح إمكانية التحكم في كمية المياه المستخدمة وكذا وقت الري المطلوب. 

من أمثلة المباني التي استخدمت هذه الانظمة في دعم العمارة الخضراء، مبنى زهرة الطاقة بالصين، حيث يستخدم المبنى منظومة مائية تقوم بجمع مياه الأمطار لاستخدامها في تبريد الهواء الساخن داخل المبنى، لتقليل الحاجه لاستخدام المكيفات.

شكل (15) مبنى زهرة الطاقة كمثال لأنظمة الحفاظ على المياه

5. أنظمة تحقيق السلامة والأمن

تشمل هذه الأنظمة كلً من أنظمة السلامة وأنظمة الأمن، حيث تتمثل أنظمة السلامة في الأنظمة التى تساهم في الحفاظ على سلامة المبنى وبالتالي الحفاظ على الموارد والحفاظ على راحة المستخدمين بشعورهم بالسلامة داخل المبنى. 

من هذه الانظمة: حساسات الدخان، وأنظمة إنذار الحريق الأتوماتيكية، وأنظمة إطفاء الحريق، وأنظمة التحكم عن بعد لمراقبة المداخل والمخارج وفتحها عند الحاجة، والأنظمة الارشادية كاللوحات والعلامات الضوئية التي توضح أماكن الدخول ومخارج الهروب وخلافه. 

بينما تتمثل منظومة الأمن في الأنظمة التي تساهم في الحفاظ على أمن المبنى وأمن شاغليه، ومن هذه الأنظمة: شبكات الكاميرات الذكية، وانظمة الإنذار، وانظمة التحكم عن بعد لتحقيق الأمن، وحساسات كشف الحركة.

6. مثال تطبيقي

من أشهر المباني التي طبقت هذه الانظمة النشطة مايلي:

مبنى The Edge أذكي مبنى بالعالم والحاصل على اعلى تقييم من نظام تقييم المباني الخضراء BREEAM.

المراجع العلميه

1) العدوي. منى سعيد، (2019)،"دور التكنولوجيا في تطبيق مبادئ العمارة الخضراء"، رسالة ماجستير، كلية الهندسة بشبرا، جامعة بنها، مصر.

2) إبرهيم. مروة مصطفى، (2016)، "إستخدام الأغلفة الذكية للمباني لترشيد الطاقة بمصر"، رسالة ماجستير غير منشورة، قسم الهندسة المعمارية، كلية الهندسة، جامعة عين شمس، القاهرة.مصر.

3) قنبر.أسامة عبد النبي، (2016)، "الأبنيَّة الذكيَّة والاستدامة بمصر بلورة مفهوم ووضع منهج"، ورقة بحثية منشورة، مجلة العلوم الهندسية ،جامعة أسيوط، مصر.العدد 44. مجلد 4.

4) أحمد. أماني إسماعيل، (2016)، "نظام ادارة المبنى الذكي .دراسة برج الاتصالات - مدينة الخرطوم"، رسالة ماجستير غير منشورة، قسم الهندسة المعمارية، كلية الدراسات العليا والبحث العلمي، جامعة السودان للعلوم والتكنولوجيا، الخرطوم.السوادن.

5) علي. خالد علي يوسف، (2007)، "العمارة الذكيَّة ومتطلبات الحي السكني رؤية نقدية"، ندوة الإسكان3، الرياض، المملكة العربية السعودية.

6) Hassan. Hazem, Gharib. Mohamed, (2010), "The Renewable Energy is the Future of High-Rise Buildings", Conference On Technology & Sustainability in the Built Environment.

7) Probst. MC Munari, Roecker, (2012), "Solar Energy Systems in Architecture: integration criteria and guidelines", Solar Heating &Cooling Programme International Energy Agency, Report T.41.A.2.

8) Basnet. Arjun, (2012), "Architectural Integration of Photovoltaic and Solar Thermal Collector Systems into buildings", MSc. in Sustainable Architecture, Norwegian University of Science and Technology Faculty of Architecture and Fine Arts, Trondheim, Norwegian.

9) Bejan. Andrei-Stelian, Abdelouhab. Labihi, Croitoru. Cristiana, Catalina. Tiberiu, (2018), "Air solar collectors in building use: A review", Paper published by EDP Sciences.

10) Zhang. Xingxing, (2015), "Building Integrated Solar Thermal (BIST) Technologies and Their Applications: A Review of Structural Design and Architectural Integration", Journal of Fundamentals of Renewable Energy and Applications, Vol. 5, Issue 5.

11) Papadopoulou. Elena, (2012), "Energy Management in Buildings Using Photovoltaics", Springer- Verlag London limited, UK.


12) Bobrova. Darya, (2015), "Building-Integrated Wind Turbines in the Aspect of Architectural Shaping", SPbUCEMF, Published by Elsevier Ltd, Procedia Engineering 117.

13) Aghemo. Chiara, (2014), "Building Automation and Control Systems: A case study to evaluate the energy and environmental performances of a lighting control system in offices", Automation in Construction, Elsevier B.V. Vol.43.

14) Park. Jeongsu, Jung. Hyung-Jo, Lee. Seung-Woo, Park. Jiyoung, (2015), "A New Building-Integrated Wind Turbine System Utilizing the Building", Energies Journal, Vol.8.

15) ELkiki. Nouran Adel, (2015), "Smart Architecture Techniques for processing the optical Environment in University Spaces", MSc. In Architecture, Ain Shams University, Cairo, Egypt.

16) Fox. Michael, (2016), "Interactive Architecture: Adaptive World", Princeton Architecture Press, A Mc Evoy Group, New York, USA.