تظليل ‘بوابة الشمس’ المتكيف يستلهم من الطبيعة لتعزيز كفاءة أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء

أزمة المناخ تشكل تهديدًا كبيرًا لكل من بيئتنا وحياتنا. وقد جعل ذلك خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون (CO2) ضرورة عالمية ملحة.

البيئة المبنية مسؤولة فعليًا عن حوالي 42٪ من الانبعاثات السنوية العالمية لثاني أكسيد الكربون. بينما عمليات المباني هي المسؤولة الأساسية عن ذلك، تلعب مواد المباني والبنية التحتية دورًا كبيرًا أيضًا.

هذا يجعلها القوة الدافعة لتغير المناخ، التي يمكن بالفعل رؤية آثارها السلبية في الأحداث الجوية المتكررة والأكثر ضررًا.

لذلك، يجب أن نبني ليس فقط واجهات متكيفة لديها القدرة على تقليل الحاجة إلى التدفئة والتبريد النشط، وبالتالي خفض استهلاك الطاقة والأثر البيئي للمباني، بل أيضًا بنية أكثر مرونة يمكنها الصمود أمام التحديات التي يفرضها تغير المناخ.

لبناء مثل هذه الواجهات المتكيفة، يجب على المعماريين استخدام استراتيجيات تصميم تدمج الخصائص البيئية المحلية الفريدة. وهذا يترجم ببساطة إلى إعطاء الأولوية للعمارة المستجيبة للمناخ.

هذا النوع من العمارة يركز على تصميم مبانٍ ذات كفاءة طاقة عالية تتناسب مع المناخ الذي تُبنى فيه. ويتطلب ذلك أخذ عوامل مثل الموسمية، الظل الطبيعي، أنماط الأمطار، الرطوبة، إلخ، في الاعتبار.

بدلاً من العمل ضد المناخ المحلي، تعمل المباني المستجيبة للمناخ مع الظروف الإقليمية لتوفير أقصى درجات الراحة للسكان مع استخدام أقل قدر ممكن من الطاقة.

من خلال اتباع هذا النهج في تنفيذ استراتيجيات التصميم السلبي، يمكن بناء المدن والبلدات لحمايتها من الزيادة المتزايدة في تواتر ووحشية الأحداث الجوية الشديدة التي نتجت عن تغير المناخ.

إلى جانب تحسين مرونة المباني من خلال جعلها أكثر استعدادًا لتحمل كل من الطقس والكوارث الطبيعية، توفر العمارة المستجيبة للمناخ فوائد تقليل تكاليف التشغيل باستخدام الأنظمة الطبيعية والسلبيّة.

باستخدام ضوء النهار والتهوية الطبيعية بدلاً من الأنظمة التي تستخدم الكهرباء، يمكن خفض تكاليف التشغيل المتعلقة بالطاقة بشكل كبير. الاستخدام المكثف لهذه الأنظمة السلبية لديه القدرة على تقليل استهلاك الطاقة بما يصل إلى 90٪. هذه الأنظمة السلبية، مثل تدفق الهواء الطبيعي، تساعد أيضًا في تعزيز إنتاجية الشاغلين.

من خلال تحسين كفاءة الطاقة، خفض انبعاثات الكربون، وحماية الموارد الطبيعية، تساعد هذه العمارة أيضًا في تعزيز الاستدامة البيئية.

ومع ذلك، تواجه المباني المستجيبة للمناخ تحديًا يتمثل في التكاليف الأولية الضخمة بسبب استخدام المواد المستدامة وعملية البناء الطويلة والمعقدة. ثم هناك مسألة العقبات التنظيمية.

بالطبع، تتخذ الحكومات مبادرات، وقد قطعت اللوائح المتعلقة بكفاءة الطاقة لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء والعزل الحراري شوطًا كبيرًا، لكن لا يزال هناك نقص في القواعد الداعمة لتصاميم الاستجابة للمناخ. كما يتطلب زيادة تبني هذه العمارات التركيز على التعليم والاستثمار في الخبرات ذات الصلة.

على الرغم من التحديات، نلاحظ اهتمامًا متزايدًا بهذه المباني. تشمل بعض العناصر الأساسية لهذا التصميم المتكيف الاستفادة من المصادر الطبيعية لتدفق الهواء والتهوية، وتصميم شمسي سلبي يأخذ موقع الشمس في الاعتبار، ومواد مستدامة طبيعية مثل الخشب والبامبو، وميزات خضراء على الأسطح والجدران.

التظليل المتكيف المستجيب للطقس المستوحى من الطبيعة

من بين العمارة المستجيبة للمناخ، تُعد أنظمة التظليل المتكيفة وسيلة رائعة لتنظيم المناخ الداخلي بشكل أكثر كفاءة من خلال تغيير شكلها أو توجيهها أو خصائصها الحرارية ديناميكيًا استجابةً لظروف الطقس الخارجية.

ومع ذلك، تكمن المشكلة في اعتماد أنظمة التظليل الحركية على طاقة تشغيل لتفعيل الأجهزة الكهروميكانيكية التي تحرك أجزاء متعددة. هذه التجميعات المعقدة عرضة للأعطال، مما يتطلب إصلاحات مكلفة.

بينما توجد بدائل على شكل زجاج مضاد للشمس ملون سلبي، إلا أنها تصفي الكثير من الضوء الطبيعي. فما هو الحل؟ حسنًا، هو في الطبيعة.

قامت دراسة جديدة من قبل باحثين في جامعات فرايبورغ وستوتغارت باللجوء إلى الطبيعة ووجدوا أن هناك حلولًا موجودة للتكيف. إنها مستوحاة من المواد البيولوجية وتستجيب سلبيًا للمؤثرات الخارجية.

الحل الذي اعتمده الباحثون كنموذج هو أكواز الصنوبر، التي تتفاعل مع البيئة وتغير شكلها رغم أن أنظمتها المادية ميتة تمامًا. يفتح غطاء الصنوبر ويغلق استجابةً لتغيرات درجة الحرارة والرطوبة دون استهلاك أي طاقة أيضية.

باستخدام غطاء الصنوبر كنموذج، طور الباحثون نظام واجهة جديد مستقل طاقة يتكيف سلبيًا مع الطقس. سُمي “بوابة الشمس”، وقد تم تثبيته على القشرة البيوميميتية لمشروع livMatS في جامعة فرايبورغ. livMatS، أو “أنظمة المواد الحية والمتكيفة والمستقلة طاقة” (livMatS)، هو مبنى بحثي.

بدلاً من الاعتماد على “أجهزة تقنية معقدة” كما تفعل معظم محاولات الاستجابة في واجهات العمارة، يستكشف هذا البحث “كيف يمكننا استغلال استجابة المادة نفسها من خلال التصميم الحاسوبي المتقدم والتصنيع الإضافي”، قال البروفيسور أتشيم مينغس، رئيس معهد التصميم والبناء الحاسوبي (ICD) في جامعة ستوتغارت.

وفقًا لمينغس، الذي هو أيضًا المتحدث باسم مجموعة التميز للتصميم والبناء الحاسوبي المتكامل للعمارة (IntCDC)، مكنهم نهجهم من تحقيق نظام تظليل يفتح ويغلق تلقائيًا استجابة لتغيرات الطقس.

تم تحقيق هذا التأثير دون استخدام أي عناصر ميكاترونية أو طاقة تشغيل. هنا، “هيكل المادة الحيوية هو الآلة نفسها”.

هذا النظام المتكيف المستجيب للطقس هو الأول الذي يعمل دون طاقة كهربائية. بالإضافة إلى التصميم المستوحى من الطبيعة، استخدم الباحثون مواد طبيعية وتقنيات متاحة على نطاق واسع لـ “بوابة الشمس”.

التقنية المستخدمة هنا هي الطباعة ثلاثية الأبعاد، المعروفة أيضًا باسم التصنيع الإضافي، والتي تسمح بصنع أشكال وتكوينات معقدة. في هذه العملية، تُنشأ الأجسام ثلاثية الأبعاد من ملف رقمي عن طريق وضع طبقات متتالية من المادة. تتيح الطباعة ثلاثية الأبعاد النمذجة السريعة، والتخصيص، وتوفير التكاليف، ودقة عالية، بالإضافة إلى إتاحة حرية التصميم.

استخدم الفريق طابعات ثلاثية الأبعاد قياسية لتقليد بنية السليلوز المعتمدة على الاتجاه في أنسجة النباتات.

السليلوز هو أكثر الكتلة الحيوية وفرة على الأرض. وهو أيضًا مادة طبيعية منخفضة التكلفة، قابلة للتحلل، ومتجددة، وتتميز بأهميتها بخصائصها الهجرو مورفية الفطرية، مما يسمح بأن يكون التظليل المتكيف مستدامًا.

هذه الخاصية الهجرو مورفية، التي تمثل الانتفاخ والانكماش مع تغيرات الرطوبة، تُلاحظ كثيرًا في الطبيعة. فتح وإغلاق قشور أكواز الصنوبر هو أحد أمثلتها.

استفادةً من هذه الخاصية، صمم الفريق ألياف سليلوزية حيوية مخصصة ثم طبعها بتقنية 4D لتكوين بنية ذات طبقتين مستوحاة من قشور أكواز الصنوبر.

كما طور الباحثون تقنية تصنيع حاسوبية للتحكم في بثق المواد السليلوزية عبر طابعة FFF ثلاثية الأبعاد.

يمكن للأنظمة المادية المنتجة هنا أن تغير شكلها تلقائيًا استجابةً للمؤثرات الخارجية. تمتص المواد السليلوزية الرطوبة وتتمدد عندما تكون الرطوبة عالية، مما يؤدي إلى تقوّس العناصر وفتحها. وفي حين أن الرطوبة منخفضة، تُفرغ هذه المواد الرطوبة وتقلص، مما يجعل العناصر المطبوعة تتسطح وتغلق.

“مستوحى من الحركات الامتصاصية لقشور أكواز الصنوبر وورق شوك الفضة، نجحت بوابة الشمس في نقل ليس فقط الوظيفة العالية والمتانة للنماذج البيولوجية إلى نظام تظليل مستوحى من الطبيعة، بل أيضًا جمالية حركات النباتات.”

– البروفيسور توماس سبيك، المتحدث باسم livMatS ورئيس مجموعة ميكانيكا النبات في فرايبورغ بجامعة فرايبورغ

تم اختبار نظام التظليل المتكيف المستوحى من الطبيعة بالفعل في العالم الحقيقي من حيث الوظيفة والمتانة. قام الفريق بتركيبه على السقيفة المواجهة للجنوب في القشرة البيوميميتية لـ livMatS، التي تساعد في تنظيم المناخ الداخلي للمبنى.

خلال فترة تزيد عن عام، لوحظ أنه في الشتاء، تفتح عناصر التظليل المطبوعة بتقنية 4D وتسمح بالتدفئة الطبيعية من خلال السماح بدخول ضوء الشمس، وتغلق في الصيف لتقليل الإشعاع الشمسي.

تعمل “بوابة الشمس” بالكامل بفضل دورات الطقس ولا تحتاج إلى أي طاقة كهربائية، مما يمثل بديلاً فعالًا من حيث الموارد ومستقلاً طاقةً عن الأنظمة التقليدية للتظليل. كما يقدم نظام التظليل المطبوع بتقنية 4D المستوحى من الطبيعة مزايا التكلفة المنخفضة، واستهلاك المواد القليل، والبناء الخفيف الوزن، وزيادة المتانة التشغيلية.

هذا النظام، وفقًا للباحثين، له تداعيات أوسع بكثير من مجرد واجهات المباني. كتبوا أنه يمكن أن يؤثر أيضًا على مجالات أوسع من العمارة والهندسة والبناء.

في الأعمال المستقبلية، سيبحث الباحثون بعمق في التحلل الناجم عن الأشعة فوق البنفسجية وتأثيراته طويلة الأمد إلى جانب التآكل الميكانيكي على بوابة الشمس، وسيقومون بتحديد تحسين تنظيم المناخ الداخلي.

انقر هنا لتعرف كيف يفتح التصنيع الإضافي متعدد المواد الطريق للنمذجة الداخلية.

بلاط السقف المتكيف

في الماضي، غطينا أيضًا كيف قام العلماء في جامعة كاليفورنيا، سانتا باربارا، طوّروا بلاط سقف متكيف. يمكن لهذه البلاطات خفض تكاليف الطاقة بشكل كبير. سرها هو “مفتاح إشعاعي” يتحول بين وضعيات التدفئة والتبريد، استجابةً لدرجة الحرارة الخارجية. تضبط البلاطات ضمن 3 درجات مئوية من الهدف. وبالمقارنة مع الأنظمة العادية، فهي أكثر كفاءة بأكثر من 2.5 مرة. النتيجة هي فواتير أقل واعتماد أقل على الوقود الأحفوري.

في صميم هذا الابتكار جهاز صغير مربع بحجم 4 بوصات. يضبط كمية الحرارة التي يشعّها بناءً على الطقس. الهدف هو الحفاظ على درجات حرارة داخلية ثابتة—حوالي 65°F (18°C) دون الحاجة إلى طاقة مستمرة. ومع ذلك، هذه التقنية ليست متوفرة في السوق بعد، ولكن عندما تتوفر، ستتمكن من توفير الطاقة، خفض التكاليف، والمساعدة في جعل المباني أكثر خضرة.

الشركات

الآن، دعونا نلقي نظرة على عدد من الشركات العامة التي تشارك في العمارة المتكيفة من خلال تركيزها على حلول مبتكرة لكفاءة الطاقة، استدامة المباني، وأداء المواد.

1. Johnson Controls International (JCI )

توفر Johnson Controls أكبر مجموعة من معدات وأنظمة التحكم في HVAC لتوفير بيئات مباني أكثر راحة وصحة واستدامة. يمكن لحلول HVAC الخاصة بالشركة توفير هواء نظيف بشكل قابل للقياس وتقديم تحكم كامل في المناخ. في الوقت نفسه، تكشف خدماتها التنبؤية والتشخيصية عن المشكلات المتعلقة بالهيكل قبل حدوث أضرار ناتجة عن مشاكل الزلازل. كما تقدم صيانة مخططة ووقائية وإدارة مباني عن بُعد.

مع تسارع السباق نحو خفض الكربون، تضمن Johnson Controls الاستدامة من خلال أنظمة التدفئة والتبريد الفعّالة التي توفر تحكمًا مناخيًا فعالًا مع تحسين استهلاك الطاقة. تم تصميم مجموعة معدات HVAC الخاصة بالشركة لتعظيم كفاءة الطاقة.

إلى جانب أنظمة HVAC، تقدم الشركة أيضًا منصة إنترنت الأشياء OpenBlue، التي تمكّن من التشغيل الذكي والاستباقي والتحسين. يمكن للمنصة معالجة مليون نقطة بيانات في الدقيقة وتهدف إلى جعل المباني أكثر ذكاءً وكفاءة.

تستخدم Johnson Control أيضًا الذكاء الاصطناعي بشكل مكثف في حلول الأمن الخاصة بها للبيئات المؤسسية والتجارية والسكنية. وسعت الشركة قدراتها في الذكاء الاصطناعي من خلال OpenBlue Enterprise Manager، بهدف رفع مستوى رؤى البيانات. هذه التحسينات، إلى جانب ترقيات المعدات والخدمات الاستباقية، توفر للعملاء تخفيضًا يصل إلى 30٪ في إنفاق الطاقة، وتخفيضًا يصل إلى 20٪ في إنفاق الصيانة، وتحسينًا بنسبة 10٪ في استغلال المساحة.

“هذه الميزات الجديدة المدفوعة بالذكاء الاصطناعي لا تعزز فقط كفاءة التشغيل والاستدامة، بل تمكّن مالكي ومشغلي المباني من مستويات غير مسبوقة من الرؤية والتحكم. نحن ملتزمون بقيادة الابتكارات التي تدفع الأتمتة وتخلق بيئات أكثر ذكاءً واستجابة لعملائنا.”

– الرئيس التقني فيجاى سانكاران

في وقت كتابة هذا المقال، يتم تداول أسهم JCI عند 82.10 دولار، بارتفاع 4.02٪ منذ بداية العام، مع قيمة سوقية تبلغ 54.19 مليار دولار. تمتلك Johnson Controls ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة 2.09، بينما نسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هي 39.27. تدفع الشركة عائد توزيعات بنسبة 1.80٪.

في الربع الأخير المبلغ عنه، أي الربع الثالث من عام 2024، جاءت إيرادات Johnson Controls أقل من التوقعات حيث بلغت 6.25 مليار دولار. ومع ذلك، تفوق ربحها غير GAAP البالغ 1.28 دولار للسهم توقعات إجماع المحللين بنسبة 2.6٪. شارك الرئيس التنفيذي والرئيس جورج أوليفر في ذلك الوقت أنهم “سعداء جدًا” بتحقيق “نمو مبيعات عضوي مزدوج الرقم وتوسّع هوامش قوي”.

وفقًا لـ Statista، حققت Johnson Controls مبيعات صافية عالمية تقارب 26.8 مليار دولار في السنة المالية 2023، بزيادة تقارب 6٪ مقارنة بالعام السابق.

مؤخرًا، استحوذت الشركة على Webeasy التي تتخذ من هولندا مقرًا لها، وهي مزود لأتمتة المباني وأنظمتها، مما سيتماشى مع مهمة Johnson Controls للابتكار في حلول المباني الفعّالة في استهلاك الطاقة والمستدامة.

2. Owens Corning (OC )

مزوّد لمواد البناء والإنشاء، تمتلك Owens Corning أربعة أقسام: الأسقف، الأبواب، المركبات، والعزل.

حلول العزل الخاصة بالشركة تناسب تقريبًا أي حالة بناء، تغطي الجدران الخارجية، أنظمة الأسقف، وأنظمة HVAC. تقدم حلولها البنائية توافقًا مع معايير الطاقة والبناء، أداءً حراريًا عالي المستوى، مقاومة للهواء/الماء، تحكمًا في الرطوبة، وأداءً صوتيًا.

يفضل المستخدمون خدمات العزل الخاصة بالشركة لكفاءتها في الطاقة، متانتها، أدائها طويل الأمد، سهولة التركيب، والصيانة القليلة.

في وقت كتابة هذا المقال، يتم تداول أسهم OC عند 187.57 دولار، بارتفاع 10.13٪ منذ بداية العام، مع قيمة سوقية تبلغ 16.09 مليار دولار. تمتلك Owens Corning ربحية السهم (EPS) (TTM) بقيمة 11.76، بينما نسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) هي 15.96. تدفع الشركة عائد توزيعات بنسبة 1.47٪.

فيما يتعلق بالبيانات المالية للشركة، في الربع الثالث من عام 2024، أبلغت عن صافي مبيعات بقيمة 3 مليارات دولار، بزيادة 23٪ عن العام السابق. ساهم قسم الأبواب الذي تم الاستحواذ عليه حديثًا بأكثر من نصف مليار دولار في هذا الرقم. بلغ ربح السهم المخفف الموزع 3.65 دولار، والرّبح المخفّف المعدل 4.38 دولار. كان التدفق النقدي الحر خلال هذه الفترة 558 مليون دولار.

أعادت Owens Corning ما مجموعه 252 مليون دولار إلى مساهميها من خلال توزيعات الأرباح وإعادة شراء الأسهم. متحدثًا عن قوتها المالية، قال الرئيس المالي تود فيستر:

“أظهرنا قوة الأرباح العالية وإمكانات توليد النقد للمؤسسة. قدم فريقنا نموًا في الإيرادات وصافي الأرباح نتيجة للتنفيذ التجاري والعملي من الدرجة الأولى.”

فيما يتعلق بجهود الشركة في الاستدامة، يساعد محفظة منتجات Owens Corning عملائها على توفير الطاقة وخفض الانبعاثات. خلال تقرير الاستدامة لعام 2023، حصل 14 من منتجاتها على شهادة أنها صُنعت باستخدام كهرباء متجددة بنسبة 100٪ وشكلت ربع إيرادات الشركة الإجمالية.

كما أبلغت الشركة عن تحقيق خفض بنسبة 28٪ في انبعاثات النطاقين 1 و2 مقارنة بقاعدة عام 2018، مما يقربها من هدفها المتمثل في خفض انبعاثات الغازات الدفيئة بنسبة 50٪ بحلول عام 2030. كما أحرزت Owens Corning تقدمًا في جهودها لإعادة تدوير مليوني طن من القوب (الشينغلز) سنويًا في الولايات المتحدة بحلول نهاية هذا العقد.

استثمرت شركة مواد البناء أيضًا في منشأة تصنيع حصائر زجاجية بمساحة 52,000 متر مربع لتزويد الصناعة بمواد بناء مستدامة وأقوى.

الخلاصة

انبعاثات الكربون العالمية تتصاعد بسرعة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الأرض وتسبب طقسًا متطرفًا، وزيادة حرائق الغابات، وتعطيل إمدادات الغذاء. وبما أن المباني تمثل نسبة كبيرة من انبعاثات الكربون العالمية، فمن الضروري للغاية تقليل الطاقة المطلوبة للتدفئة، التبريد، والتهوية. في الوقت نفسه، يجب أن تكون الهياكل قادرة على الصمود أمام كوارث المناخ.

الجواب على هذين الاحتياجين هو العمارة المستجيبة للمناخ، التي تتطلب الانتباه إلى المناخ المحلي وخصائص الجغرافيا الإقليمية ودمجها في تصاميم المباني. نظرًا للقدرة الكبيرة للعمارة المستجيبة للمناخ على خفض انبعاثات الكربون العالمية في هذا القطاع وتقليل إنتاج النفايات، هناك حاجة إلى دعم تنظيمي، وبالطبع إلى الابتكار المستمر.

تقدم دراسات مثل “بوابة الشمس” حلولًا واعدة للمشكلة يمكنها معالجة التحديات البيئية وتلبية الاحتياجات الوظيفية للبيئة المبنية. كما تسلط الضوء على إمكانات التقنيات المتاحة مثل التصنيع الإضافي والمواد المتجددة الوفيرة مثل السليلوز في المساهمة في حلول معمارية مستدامة.

من خلال تبني المواد الطبيعية والتصاميم المستوحاة من الطبيعة واستخدام تقنيات التصنيع الرقمي، يمكننا بناء هياكل آمنة وطويلة الأمد ومستقبلًا resilient!

انقر هنا لتعرف كيف يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد المساعدة في معالجة صعوبة امتلاك المنازل في الولايات المتحدة.

مرجع الدراسة:

^{1. Cheng, T., Tahouni, Y., Sahin, E. S., Ulrich, K., Lajewski, S., Bonten, C., Wood, D., Rühe, J., Speck, T., & Menges, A. (2024). Weather-responsive adaptive shading through biobased and bioinspired hygromorphic materials. Nature Communications, 15, Article 54808. https://www.nature.com/articles/s41467-024-54808-8}