استدامة سماوية -2

دراسات الاستدامة السماوية باستخدام مبنى افتراضي طوله 1 كم
يفترض المؤلفون أن الجيل القادم من المباني فائقة الطول سيصل إلى حد ارتفاع 1 كم ( 3280 قدم). باستخدام مبنى سكني افتراضي بهذا الارتفاع، مماثل لبرج دبي في مسقط الطابق المتوسط ويقع في دبي، نقدم فيما يلي " حالة دراسة" تغطي العناصر المتاحة عند هذا الارتفاع والاقتراحات بخصوص كيفية جمعها والاستفادة منها. نستخدم ساعة تصميم الصيف لحساب الخفض في أحمال التبريد.
درجة الحرارة
يمكن للمباني الطويلة في دبي الاستفادة من الزوال في درجة حرارة الانتفاخ الجاف مع زيادة ارتفاعها. استغلال ميزة درجات الحرارة الأقل فوق تدرج الأرض ليست فكرة جديدة؛ لقد طبقت في تصميم أبراج الرياح التقليدية (أنظر شكل 4). في الأجواء القياسية، تتناقص درجة حرارة الانتفاخ (انتفاخ الترمومتر الذي يوجد به الزئبق) خطيا مع الارتفاع في التروبوسفير (معدل تناقص في التروبوسفير الأدنى) [التروبوسفير هو الطبقة الدنيا من الغلاف الجوي 10-20 كم حيث توجد كل الغيوم والذي منه]. هناك 3 طرق لحساب معدل التناقص، طريقة ASHRAE (الجمعية الأمريكية لمهندسي التدفئة، التبريد، وتكييف الهواء)، طريقة معدل الزوال الجاف المتعادل (DALR) و طريقة معدل الزوال المشبع الجاف (SALR).
طريقة ASHRAE تنطبق على الغلاف الجوي " المتوسط". بحسب تصميم الصيف فإن الانتفاخ الجاف هو 46.1 مئوية عند مستوى الأرض، ودرجة الحرارة في قمة البرج 39.6 مئوية، أنظر الخط المنقط في شكل 5. في تصميم الشتاء، بينما تكون درجة حرارة المستوى الأرضي 10 مئوية، تكون قمة البرج عند 3.5 مئوية. هذه الصيغة تنطبق على الغلاف الجوي القياسي، الذي لن يحدث غالبا في يوم تصميم صيف دبي. أنظر منحدرات زوال الحرارة في الصيف باستخدام طريقة ASHRAE في شكل 5.
طريقة DALR تناسب أجواء دبي أكثر، عندما يكون الوضع بالخارج مثل ككتلة هواء بمعدل رطوبة أقل من 100% رطوبة نسبية (أي أن درجة حرارته فوق نقطته للندى). درجة حرارة تصميم انتفاخ الصيف الجاف هي 46.1، ولديها القدرة على حمل الكثير من الرطوبة. في هذه الظروف، يقل للغاية كسب أو فقد الحرارة من خارج كتلة الهواء بسبب التكثف. DALR تكون ثابتة تقريبا عند 9.78 مئوية/كم، أنظر الخط المستمر بشكل 5). قمة برج ارتفاعه 1كم ستكون عند 36.3 مئوية.
طريقة SALR تفترض أن الغلاف الجوي مشبع بالرطوبة. SALR هي 4.9 مئوية/كم. زوال درجة الحرارة أقل حيث أن تكثف الرطوبة يطلق كمية كبيرة من الحرارة الكامنة لتقليل أثر زوال درجة الحرارة بسبب التمدد المتعادل. ينطبق هذا فقط في الأوقات التي يكون فيها الغلاف الجوي مشبعا بالرطوبة، وهو غير محتمل في يوم تصميم صيف في دبي.
هناك ثلاث فوائد كبرى للمباني الطويلة التي يسودها التبريد: طاقة تبريد أقل بسبب كسب الحرارة بالتوصيل، كسب حرارة منخفض محسوس من الترشيح الغير مرغوب وطاقة تبريد أقل من هواء التبريد المرغوب. بناء على الظروف الداخلية لدرجة حرارة 23 مئوية، فإن كسب الحرارة بالتوصيل يمكن تقليله حتى 46%. يمكن تحقيق نسبة مماثلة لكل من الترشيح والجزء المحسوس من هواء التبريد. إجمالي توفير الطاقة باستخدام المستوى المتوسط من مبنى ارتفاعه 1كم كمثال، سينتج خفض في حمل الساعة لتصميم الصيف مقداره 9%.
بينما معدل الزوال هو ظاهرة عادية في الغلاف الجوي الأدنى، فإنه ليس ثابتا بأي حال من الأحوال. تحدث انقلابات في درجة الحرارة من وقت لآخر. يجب الحرص عند تطبيق معدل الزوال في تحديد حجم معدات التبريد. استهلاك الطاقة للعام ككل لبرج 1كم سيفيد من معدل الزوال.
ضغط الهواء
يقل ضغط الهواء مع الارتفاع. يمكن أن نجد التغير في ضغط الهواء بالخارج مع الارتفاع في الفصل السادس، ASHRAE Fundamentals 2005. إنها تستخدم الهواء الجاف مع معدل زوال ASHRAE المبين في شكل 5. هبوط الضغط الخارجي لبرج 1كم مبين في شكل 6. فارق الضغط الخارجي بين قمة وقاع البرج هو 11.3% تقريبا.
حيث أن ضغط الهواء يقل مع الارتفاع، يسمح هذا للهواء الخارجي بالتمدد وأن يصبح أقل كثافة. تقل كثافة الهواء مع الارتفاع. بافتراض الهواء الجاف مع الضغوط الموضحة في شكل 6، فإن الكثافات عند مختلف الارتفاعات قد اشتقت في شكل 7 باستخدام قانون الغاز المثالي. بالنسبة للظروف الخارجية فإن معدل زوال ASHRAE طبقا لشكل 5 قد تم افتراضه. هناك فارق 10% في كثافة الهواء بين قاع وقمة المبنى (أنظر شكل 7).
هناك طاقة أقل مطلوبة لتبريد الهواء الخارجي الأقل سمكا، المطلوب خلال نظام التهوية والغير مطلوب في الترشيح. هذا صحيح لأن الهواء الخارجي عند درجة حرارة أقل (وأيضا يحتمل أن تكون رطوبته أقل، أنظر " الرطوبة"). حدسيا، سيفكر المرء في الحاجة لتعديل في كمية الهواء الخارجي لتحقيق نفس معدل سريان الكتلة، لكن مواصفة ASHRAE 62.1-2004 " التهوية لجودة هواء داخلي مقبولة" لا تتطلب تصحيح الارتفاع. في حاشية الجدول " أقل معدلات تهوية لمناطق التنفس".
" معدلات سريان الهواء الحجمية مبنية على كثافة هواء 1.2 كجمهواء جاف/ م3، وهي تنطبق على الهواء الجاف عند ضغط بارومتر 1 جوي (101.3 kPa) ودرجة حرارة هواء 21 مئوية. يمكن تعديل المعدلات للكثافة الفعلية، لكن هذا التعديل غير مطلوب للموافقة مع هذه المواصفة". يسمح هذا بنفس الكمية الحجمية من الهواء الخارجي للتهوية عند قمة وقاع المبنى، رغم أن الهواء في الواقع له معدل سريان كتلة أقل بالأعلى. باستخدام المستوى المتوسط لبرج 1كم، فإن كثافة الهواء وحدها تساهم ب10% من توفير الطاقة للتهوية وتنتج إجمالي توفير في ساعة تصميم الصيف قدره 3%.
الرياح
تزيد سرعة الرياح مع الارتفاع. يعتمد المقدار على عدة عوامل تشمل المعاملات المرتبطة بخشونة الأرض والظروف في المحطة الجوية (ASHRAE 2005). أنظر شكل 8 لبرج 1كم في متوسط شكل رياح دبي.
تزيد سرعات الرياح الأعلى من معامل الحمل (انتقال الحرارة بالحمل) مما ينتج زيادة في انتقال الحرارة من المبنى للخارج. أيضا تزيد سرعة الرياح الأعلى من كمية الترشيح. في المستوى المتوسط للبرج 1كم، سيزيد هذا من انتقال الحرارة (U-value) بمقدار 8% وسيزيد كسب الحرارة في ساعة تصميم الصيف بمعدل 1%.
بينما في دبي، ستزيد سرعة الرياح الأعلى من مقدار استهلاك الطاقة، فإن الوضع يختلف لمبنى إداري يقع في جو أكثر اعتدالا. معدل زوال البيئة يمكن أن يفيد مبنى يسوده التبريد إذا كانت البيئة الخارجية – لوقت كبير خلال العام- تحت ظروف التصميم الداخلية. تأكد هذا في حالة دراسة طاقة برج الحرية.
بمحاذاة فتحة المروحة مع الرياح السائدة، يمكن لنظام التهوية الإفادة من الزيادة الأسية في سرعة الرياح وتكوين نظام تهوية بمساعدة الرياح. في طابق المستوى المتوسط من برج دبي – باستخدام متويط سرعة رياح 6.5 م/ث- يمكن للرياح توليد حوالي 75 باسكال (3 بوصة من ضغط الماء) من الضغط عند الفتحة. باستغلال هذا نحصل بالتقريب على 6-15% توفير في طاقة المروحة.
أخذ الزوال في درجة الحرارة الخارجية بسبب معدل الزوال – وأيضا الزيادة الأسية في سرعة الرياح- في الاعتبار، يسمح للمبنى الطويل بالإفادة من التهوية السلبية. محاذاة الفتحات مع الرياح السائدة له أثر كبير على مقدار الهواء الخارجي الداخل إلى المبنى. طبق هذا الأسلوب مؤخرا على تصميم مبنى استخدام مختلط ارتفاعه 260 مترا في الصين به ردهة ارتفاعها 60.5 مترا تبدأ في الطابق السادس والثلاثين (164.8 متر فوق تدرج الأرض). باستخدام نمذجة حسابات ديناميكا الموائع، تحدد بالسماح لفتحة 10SM تواجه الرياح السائدة بدلا من تحويلها 45 درجة للرياح السائدة، بأنه يمكن إدخال 100800 م3/س من الهواء الخارجي إلى المبنى، بدلا من 20736 م3/س.
زيادة سرعة الرياح مع الارتفاع مفيدة أيضا في توليد الطاقة باستخدام طاقة الرياح. رغم وجوب الحرص في الاقتصاديات الخاصة باستخدام التوربينات المدارة بالرياح، فإن مصنعو التوربينات الصغيرة يستخدمون غالبا 4م/ث كدليل لتحديد " صلاحية الاستخدام". في المبنى الطويل، ستتخطى سرعات الرياح في الجزء العلوي هذا الرقم بعدة أضعاف.
الرطوبة
يمكن أن تقل نسبة الرطوبة مع الارتفاع بحسب درجة حرارة الانتفاخ الجاف، الضغط، ومعدل الزوال. باستخدام بيانات القمر MODIS المتحرك، ينشأ الشكل الرأسي للرطوبة باستخدام الارتداد الإحصائي. أنظر شكل 10 (سيمان، 2006)، لكل من توقيع درجة الحرارة والرطوبة. يجب ملاحظة أنه في الشكل، 1hPa=100 Pa ( 4 بوصة ماء)، تقرب الخريطة مستوى البحر عند نقط أصل محور Y. على محور X فإن الدرجة K ناقص 273.15 هي الدرجة المئوية (سلزيوس). عند مستوى سطح البحر تكون 18.3 مئوية تقريبا. لمبنى 1 كم، يكون الضغط عند القمة حوالي 900 hPa (13.05 قدم/بوصة2، بالرجوع لشكل 6)، معدل زوال درجة حرارة الانتفاخ الجاف لبيانات القمر الصناعي مماثل لشكل 5. البيانات المتاحة من مختلف الأقمار توضح أن نسبة الرطوبة تقل مع زيادة الارتفاع. بحسب خرج المعدات الذي تريده (الخط الأحمر المنقط مقابل الخط الأزرق المستمر في نسبة خلط الرطوبة)، هناك 20-40 خفض في الرطوبة في الهواء بين قمة وقاع برج 1كم. نمط انخفاض نسبة الرطوبة مماثل لشكل زوال درجة حرارة الانتفاخ الجاف ل ASHRAE.
انخفاض الرطوبة مع الارتفاع هام لتوفير الطاقة في المباني الكبيرة، خاصة في الأجواء المماثلة لدبي مع مستويات رطوبة عالية في الهواء الخارجي. صيغة معدل زوال ASHRAE عند المستوى المتوسط لبرج 1 كم ستنتج 4% خفض في حمل التبريد في الصيف.
الشمس
يختلط تأثير زيادة ارتفاع عند دراسة الإشعاع الشمسي. تحت السماء الصافية والأشعة المباشرة، تزيد كمية الإشعاع الشمسي مع الارتفاع بصفة عامة. هذا صحيح خاصة للأشعة فوق البنفسجية فوق منطقة الاحتكاك. لكل 305 متر (1000 قدم) زيادة في الارتفاع، هناك تقريبا 4-5% زيادة في الأشعة الساقطة فوق البنفسجية.
عموما، للعام كله، بافتراض فترات عادية من الغيوم، عند ارتفاعات أقل من 1 كم، يكون الموقف أقل تأكدا. تعتمد كمية الإشعاع الشمسي بشدة على ظروف الغلاف الجوي المحلية خاصة كمية الإيروسولات الموجودة في الهواء. يستخدم تحليل الارتداد كثيرا لحساب الإشعاع الشمسي بناء على البيانات المقاسة، عموما، فإن البيانات المقاسة لمختلف ارتفاعات دبي ليست متاحة.
في أجزاء أخرى من العالم، يقل الإشعاع الشمسي على الأسطح الأفقية للمدن ذات الارتفاعات العالية. أوضح تحليل الارتداد الخطي المتعدد البسيط – باستخدام قاعدة بيانات الإشعاع الشمسي الوطنية الأمريكية من مركز النظم المعقدة (جامعة نيوهامبشاير)- أن الارتفاع له معامل سالب في المدن الأمريكية الشرقية (جون د. أبر، مايو 2000).باستخدام هذه المعادلة، فإن الزيادة في ارتفاعات مختلف المدن الشرقية الساحلية تؤدي فعليا إلى إشعاع شمسي أقل. أنظر شكل 8 حيث يستخدم فارق ارتفاع 1كم لارتفاعين في ريتشموند، فرجينيا (الولايات المتحدة) كمثال. هذا محتمل بسبب الرفع الأوروجرافي (الجبلي) لكتل الهواء الذي يؤدي إلى التكثف وتكون السحب. هناك علاقة مماثلة بين الإشعاع الشمسي والمدن على مختلف الارتفاعات لآخرين (شانديل، 2005).
فيما يخص وحدة الإشعاع (أنظر معادلة أسفل ص 6):
أضاف أشعاع السطح الرأسي الشمسي تعقيدا لأنه مكون من ثلاثة عناصر: الإشعاع العادية المباشر، إشعاع التشتت من السماء، و إشعاع التشتت من الأرض (ASHRAE Fundamentals 2005). الإشعاع الشمسي المباشر دالة في الإشعاع الشمسي الظاهري، الارتفاع الشمسي، والإيروسول/بخار الماء في الهواء. للإشعاع المشتت من السماء، زاوية السقوط الإضافية للشمس، والنسبة بين إشعاع التشتت الساقط على سطح أفقي تحت سماء صافية إلى الإشعاع الشمسي المباشر على سطح الأرض في يوم صاف، ستؤثر على الكمية. يتأثر إشعاع التشتت من الأرض بكل العوامل السابقة إضافة إلى انعكاسية الأرض وزاوية ميل السطح. للمبنى الطويل، بينما يحتمل زيادة الإشعاع العادي المباشر وإشعاع التشتت من السماء (غلاف جوي أقل)، فإن إشعاع التشتت من الأرض يحتمل أن يقل حيث أن هناك كتلة هواء أسمك يتحرك خلالها. الإشعاع النهائي على النافذة يعتمد على الظروف المحلية للعناصر الثلاثة المذكورة.
الاستدامة واستخدام الطاقة
يمكن أن تساهم العوامل البيئية بقوة في استدامة مبنى طويل. باستخدام طابق المستوى الأوسط لبرج دبي كمثال، فإن المقدار الكلي لخفض حمل التبريد في
ذروة ساعة تصميم الصيف يمكن أن يصل إلى 11% (بافتراض معدل زوال ADLR، يشمل فقط التعديل في درجة الحرارة وكثافة الهواء). لا يشمل هذا خفض الرطوبة لأننا افترضنا الهواء الجاف ولا يشمل العناصر البيئية الأخرى. حساب توفير الطاقة السنوي أكثر صعوبة حيث أن برامج الطاقة المتاحة ليست معقدة بما يكفي لنمذجة كل هذه العناصر دون تعزيزات إضافية.
محاولة استغلال ارتفاع المباني لها عدة تضمينات لعمارة ذلك المبنى:
1-  قد يتأثر التعبير المعماري أو يتغير بحسب البيئة المصغرة. بافتراض أن العمارة تريد أن تعكس طبيعة البيئة، قد يكون هناك تعبير مختلف بين قمة وقاع البرج وعلى العناصر التي لها أنماط تعرض بيئية مختلفة.
2-  مواصفات الطاقة والمباني الخضراء الحالية تتعامل نادرا- إن حدث أصلا- مع التباينات البيئية مع الارتفاع. قد يمكن أن يفيد المعماريون من التباينات البيئية لتوفير الطاقة.
3-  التباين مع الغلاف: معايير تصميم قيمة U و معامل الظل يمكن أن تختلف بين قمة وقاع غلاف المبنى للحصول على أمثل حائط ستاري للظروف المحلية. غالبا ما تلزم المواصفات بأكبر كمية ونوع من الزجاج المسموح به. أخذ مختلف الظروف البيئية في الاعتبار قد يؤكد أن مختلف كميات – أو أنواع- الزجاج يمكن أن تستخدم في مبنى طويل. أيضا يجب الحرص عند تحديد الستارة الحائطية لتشمل درجات حرارة قصوى أكبر بسبب معدل زوال درجة الحرارة.
4-  كما تتكون الريح في الطبيعة، فإن الفوارق في الظروف البيئية بين الداخل والخارج قد يخلق حركة هواء. يمكن أسر حركة الهواء هذه للتبريد والتهوية السلبية. في مشروع الاستخدام المختلط الصيني المذكور آنفا، صمم لتحريك 205300 م3 /س من الهواء خلال الردهة أثناء الفصول الانتقالية لتبريد والتهوية الردهة السماوية.
5-  حصد الشمس فعال أكثر في قمة المبنى الطويل، خاصة إذا كان فوق منطقة الاحتكاك حيث توجد المقادير الهامة من الإيروسولات. هذا صحيح خاصة في مدية بساعات كثيرة من السماء الصافية والإشعاع المباشر، مثل لاس فيجاس. داخل منطقة الاحتكاك، يجب دراسة الظروف المحلية.
6-  رغم عدم احتمالها في العلو، هناك اهتمام حديث بتخضير المباني بالزراعات على خارج المبنى. يجب الحرص في استعراض أنواع النباتات حسب المناخ المصغر، خاصة في المواقع التي يكون فيها تصميم الشتاء مقاربا للتجمد ولكن يرتفع قليلا. في تلك الحالات يمكن وضع معدل زوال الحرارة عند الجزء العلوي من البرج تحت التجمد.
7-  في الحالات التي لا يزيد فيها الكسب الشمسي كثيرا مع الارتفاع بسبب الظروف المحلية، يفضل أن تكون الفراغات التي يسودها التبريد في الجزء العلوي من المبنى للإفادة من درجة الحرارة الأقل، ويفضل أن تكون فراغات التدفئة في الجزء السفلي من المبنى.
8-  للمباني التي يسودها التبريد، فإن وجود الفراغات عالية الإشغال في قمة المبنى (المطاعم أو النوادي مثلا) رغم أنه يخلق مشاكل في الخروج، يمكنه أن يوفر فعليا جزء كبير من طاقة التهوية بسبب انخفاض كثافة الهواء، درجة الحرارة، ومحتوى الرطوبة المحلي للهواء الخارجي. ستستخدم هذه الفراغات أيضا طاقة مراوح أقل لأنها تحرك هواء أقل كثافة.
9-  أيضا، للمبني الذي يسوده التبريد، وضع فتحة الهواء الخارجي الأولى عند قمة كل منطقة سوف يستغل ميزة انخفاض درجة حرارة ، رطوبة، وكثافة الهواء (شكل 12). بل، إن محاذاة فتحات الهواء الخارجي مع الرياح يحصد فوائد طاقة الرياح المجانية. أخيرا، وضع نقاط طرد الهواء بحيث تستغل ميزة الحث لتيار سريان الرياح؛ سوف تساعد على إزالة الهواء الغير مرغوب.
10- يفضل وضع توربينات الرياح في الجزء العلوي من المبنى لاستغلال ميزة سرعات الرياح الأعلى.

تعليقات

المشاركات الشائعة من هذه المدونة

عمليات الحفاظ على الأماكن والمباني التاريخية -1

الفوائد الصحية للحدائق في المستشفيات

طاقة الرياح في المباني العالية (2)