المباني منخفضة الطاقة و المباني صفر الطاقة: المناهج والاختلافات

المباني منخفضة الطاقة و المباني صفر الطاقة: المناهج والاختلافات

السّعي نحو تصميم مبانٍ أكثر كفاءة في استهلاك الطّاقة وبنائها هو حجر الزّاوية في تحقيق أهداف التّنمية المُستدامة، ومُواجهة تحديّات تغيّر المناخ وأمن الطّاقة. في هذا السّياق، برز مفهومان أساسيّان، هما: المباني منخفضة الطاقة (Low Energy Buildings – LEB) و المباني صفر الطاقة (Zero Energy Buildings – ZEB). مع أنّهما يَرميان إلى تقليل البصمة الكربونية واستهلاك الطّاقة؛ إلّا أن أهدافهما ومناهجهما ومتطلّباتهما تختلف اختلافًا جوهريًّا.

التّنمية الحضريّة منخفضة الكربون

1. مناهج المباني منخفضة الطاقة وتقنيّاتها  (Low Energy Buildings – LEB):

المبنى منخفض الطاقة، هو: مبنى مُصمّم ومُشغّل بطريقةٍ تُقلّل من استهلاكه للطّاقة مقابلةً بالمباني التّقليديّة المُماثلة الّتي تفي بالحدّ الأدنى من أكواد البناء. الهدف الرّئيس، هو: تقليل الطّلب على الطّاقة إلى أقصى حدٍّ ممكنٍ قبل اللّجوء إلى مصادر الطّاقة المُتجدّدة.

المباني منخفضة الطاقة: المناهج والتّقنيّات الرّئيسة:

• أ. تحسين غلاف المبنى عالي الأداء (High-Performance Building Envelope Optimization):
  • الشّرح: يُعَدّ هذا المنهج الأساس الأوّل للمبنى منخفض الطّاقة. يُركّز على تقليل انتقال الحرارة غير المرغوب فيه في غلاف المبنى (الجدران، والأسقف، والأرضيّات، والنّوافذ، والأبواب) إلى أدنى حدٍّ ممكنٍ.
  • التّقنيّات:
    • العزل الحراري الفائق (Super-Insulation): استخدام مستويات عالية جدًّا من المواد العازلة (مثل: الصّوف الصّخري، والبوليسترين، والفراغ العازل) في جميع أجزاء الغلاف، مع التّركيز على تقليل الجسور الحراريّة (Thermal Bridges).
    • النّوافذ عالية الأداء (High-Performance Glazing): استخدام زجاج مزدوج أو ثلاثي الطّبقات مع فجواتٍ مملوءةٍ بالغاز (مثل الأرغون) وطبقات منخفضة الانبعاثيّة (Low-E coatings) لتقليل كسب الحرارة الشّمسيّة في الصّيف وفقدانها في الشّتاء.
    • إحكام الغلق الهوائيّ (Air Tightness): تقليل تسرّب الهواء غير المُتحكّم به (Air Infiltration/Exfiltration) في الشّقوق والفراغات في غلاف المبنى. يُقلّل هذا من فقدان الحرارة ويزيد فعاليّة أنظمة التّهوية.
  • الرّسم التّوضيحيّ: مقطع عرضي لجدار يُظهر طبقات سميكة من العزل، وزجاج مزدوج بطبقة Low-E. أسهم صغيرة تُظهر منع تسرّب الهواء.

يُوضّح هذا الرّسم التّخطيطيّ المعماريّ تجميع جدار عالي الأداء للمباني منخفضة الطّاقة (LEB):

• الكسوة الخارجيّة (الطوب/الحجر).
• طبقات العزل الفائقة: ألواح عزل متعدّدة (صوف صخري، بوليسترين، عزل مفرغ).
• غشاء محكم الإغلاق: حاجز مستمرّ يمنع تسرّب الهواء غير المنضبط.
• التّشطيب الدّاخليّ (لوح الجبس)

تفاصيل النّافذة ذات الزّجاج المزدوج:

• لوحان من الزّجاج مفصولان بتجويفٍ مملوءٍ بالأرجون.
• طلاء منخفض الانبعاثيّة (Low-E) على اللّوحة الدّاخليّة.

تُظهر أسهم إحكام الهواء أسهمًا صغيرة عند جميع المفاصل تشير إلى منع تسرّب الهواء، مما يضمن أقصى قدر من الأداء الحراريّ ويُقلّل من فقدان الحرارة.

• ب. التّصميم الشّمسيّ السّلبيّ والتّهوية الطّبيعيّة المُحسّنة (Optimized Passive Solar Design & Natural Ventilation):
  • الشّرح: استخدام تصميم المبنى نفسه للاستفادة من الظّروف المناخيّة المحليّة لتحقيق الرّاحة الحراريّة وتقليل الحاجة إلى الأنظمة الميكانيكيّة.
  • التّقنيّات:
    • التّوجيه الأمثل (Optimal Orientation): توجيه المبنى لتعظيم الرّبح الشّمسيّ الشّتويّ وتقليل الكسب الشّمسيّ الصّيفيّ غير المرغوبِ فيه.
    • التّظليل الشّمسيّ الفعّال (Effective Solar Shading): تصميم عناصر تظليل خارجيّة ثابتة أو ديناميكيّة (كاسرات، وبروزات، وستائر خارجيّة) لحجب أشعّة الشّمس المُباشرة في الفصول الحارّة.
    • الكتلة الحراريّة الذّكيّة (Smart Thermal Mass): استخدام مواد ثقيلة (خرسانة، طوب) لامتصاص الحرارة نهارًا وإطلاقها ليلًا (للتّدفئة) أو تبريدها بالتّهوية اللّيليّة (للتّبريد).
    • التّهوية الطّبيعيّة الموجّهة (Directed Natural Ventilation): تصميم المبنى لاستغلال الرّياح السّائدة (تهوية متقاطعة) وتأثير المدخنة (مداخن شمسيّة، وأفنية داخليّة) لتهوية الفراغات وتبريدها.
    • الإضاءة الطّبيعيّة (Daylighting): تصميم الفتحات وأسطح التّوجيه (Light Shelves, Atria) لتعظيم دخول ضوء النّهار وتقليل الاعتماد على الإضاءة الصّناعيّة.
  • الرّسم التّوضيحيّ: مقطع يوضّح مبنى مع بروزات تظليل، نوافذ كبيرة على واجهة واحدة، وأسهم تهوية مُتقاطعة.

يُوضّح هذا القسم من المبنى أساليب التّصميم السّلبي والتّهوية الأساسيّة:

• نوافذ كبيرة مواجهة للجنوب مع نوافذ عميقة تظلّل شمس الصّيف.
• أرفف الإضاءة تعمل على إعادة توجيه ضوء النّهار إلى عمق المساحات الدّاخليّة.
• الكتلة الحراريّة الذّكيّة: عناصر أرضيّة وجدران ثقيلة لتخزين الحرارة في أثناء النّهار.
• أسهم التّهوية المتقاطعة: يدخل الهواء البارد من فتحات النّوافذ، ويتدفّق إلى المساحة، ويخرج من الجانب المُقابل.
• مدخنة شمسيّة/مدخنة تهوية مثبّتة على السّطح لتعزيز التّهوية بتأثير المدخنة.

تعمل هذه الأساليب معًا لتحقيق أقصى استفادة من الطّاقة الشّمسيّة في فصل الشّتاء، وتقليل ارتفاع درجة الحرارة في الصّيف، والاستفادة من الضّوء الطّبيعيّ، وتوفير تهوية طبيعيّة فعّالة للرّاحة الحراريّة دون الحاجة إلى أنظمةٍ ميكانيكيّة.

• ج. أنظمة المباني النّشطة عالية الكفاءة (High-Efficiency Active Building Systems):
  • الشّرح: عندما لا تكون الأساليب السّلبيّة كافية، تُستخدَم أنظمة ميكانيكيّة وكهربائيّة مُصمّمة لتقديم أعلى مستويات الكفاءة.
  • التّقنيّات:
    • أنظمة التّدفئة والتّهوية وتكييف الهواء (HVAC) المتقدّمة: استخدام مضخّات حراريّة (Heat Pumps) عالية الكفاءة (هوائيّة أو جوفيّة)، أنظمة تدفّق المبرّد المتغيّر (VRF)، أنظمة استعادة الحرارة (Heat Recovery Ventilation – HRV) أو استعادة الطّاقة (ERV) الّتي تُقلّل من الطّاقة المُهدرة في تهوية الهواء النّقيّ.
    • الإضاءة الموفّرة للطّاقة والتّحكّم الذّكيّ (Energy-Efficient Lighting & Smart Controls): استخدام مصابيح LED عالية الكفاءة مع أجهزة استشعار الإشغال (Occupancy Sensors) وأجهزة استشعار ضوء النّهار (Daylight Sensors) وأنظمة تحكّم مركزيّة لضبط الإضاءة تلقائيًّا.
    • الأجهزة والمعدّات الموفّرة للطّاقة (Energy-Efficient Appliances): استخدام الأجهزة ذات التّصنيفات العالية لكفاءة الطّاقة (مثل Energy Star).
  • الرّسم التّوضيحيّ: رسم لمخطط أرضي يوضّح توزيع الإضاءة LED مع أيقونات لأجهزة استشعار. مخطّط لنظام HVAC مع HRV.

يوضح مخطّط الطّابق التخّطيطي هذا ما يأتي:

• توزيع إضاءة LED: تركيبات LED عالية الكفاءة موضّحة بالمربّعات.
• أجهزة استشعار الإشغال: أيقونات بالقرب من تركيبات الإضاءة للكشف عن الوجود.
• مستشعرات ضوء النّهار: أيقونات بالقرب من النّوافذ لضبط الإضاءة بناءً على الضّوء الطّبيعيّ.
• تخطيط نظام التّدفئة والتّهوية وتكييف الهواء: فتحات الإمداد والعودة في جميع الغرف.
• تهوية استرداد الحرارة (HRV): وحدة مركزيّة مع شبكةِ قنواتٍ، وأسهم تُشير إلى مسارات دخول الهواء النّقيّ ومسارات عادم الهواء.

تعمل هذه الأنظمة النّشطة معًا لتحسين استخدام الطّاقة بوساطة المعدّات الفعّالة وأدوات التّحكّم الذّكيّة.

2. مناهج المباني صفر الطاقة وتقنيّاتها  (Zero Energy Buildings – ZEB):

مبنى صفر الطاقة، هو: مبنى يُنتج، على أساس سنويٍّ، ما لا يقلّ عن كميّة الطّاقة المتجدّدة الّتي يستهلكها في الموقع. يمكن أن تكون صافي صفر (Net-Zero) للطّاقة، أو صافي صفر للكربون، أو صافي صفر مياه، أو حتّى «منتِج للطّاقة» (Net-Positive). ZEB تبدأ من كونها LEB، ثم تُضيف طبقة أساسيّة من توليد الطّاقة المتجدّدة في الموقع.

المباني صفر الطاقة: المناهج والتّقنيّات الرّئيسة:

• أ. خفض الطّلب على الطّاقة إلى أقصى حد (Extreme Energy Demand Reduction):
  • الشّرح: هذا المنهج هو الأساس الّذي تُبنى عليه ZEB. يجب أوّلًا تقليل استهلاك الطّاقة إلى أدنى مستوى ممكن (أقلّ من LEB) قبل التّفكير في توليدها. تُطبّق جميع تقنيّات LEB ولكن بمستويات أعلى وأكثر صرامة.
  • التّقنيّات:
    • عزل فائق الكثافة (Ultra-High Insulation): مستويات عزل تتجاوز المعايير التّقليديّة بكثير، قد تصل إلى معايير باسيفهاوس Passivhaus.
    • إحكام إغلاق الهواء بوجهٍ شبه كامل (Near-Perfect Air Tightness): باستخدام تقنيّات متقدّمة للكشف عن التّسرّب وسدّه.
    • الاستفادة القصوى من جميع استراتيجيّات التّصميم السّلبيّ: تصميم مُحكم جدًّا للتّوجيه، والتّظليل، والكتلة الحراريّة، والتّهوية الطّبيعيّة لتلبية أكبر قدر ممكن من احتياجات المبنى حراريًّا وبصريًّا.
    • كفاءة أنظمة المبنى المتطرّفة: استخدام أفضل التّقنيّات المتاحة لأنظمة HVAC والإضاءة والأجهزة.
  • الرّسم التّوضيحيّ: يماثل رسم LEB ولكن مع تفاصيل أكبر تظهر مستويات العزل العالية جدًّا وإحكام الغلق.

يُوضّح هذا المقطع العرضيّ التّفصيليّ متطلّبات الغلاف المعزّزة للمباني ذات الطّاقة الصّفريّة:

• عزل فائق الجودة: ألواح عزل مستمرّة سميكة تتجاوز معايير Passivhaus.
• إحكام إغلاق مثالي تقريبًا: غشاء محكم الإغلاق مستمرّ مع وصلات محكمة الغلق وتفاصيل شريطيّة.
• تخفيف آثار الجسور الحراريّة: الكسور والعوازل في العناصر الهيكليّة.
• نوافذ ثلاثيّة الزّجاج منخفضة الانبعاثات: تجاويف مملوءة بالغاز وزجاج عالي الأداء.
• مانعات تدفّق الهواء: أسهم صغيرة في جميع نقاط التّسرّب المحتملة تُظهر منع التّسلل.

هذا الانخفاض الشّديد في الطّلب أساسيٌّ لتحقيق أداء طاقة صفري صافٍ قبل إضافة توليد الطّاقة المتجدّدة في الموقع.

• ب. توليد الطّاقة المتجدّدة في الموقع (On-Site Renewable Energy Generation):
  • الشّرح: هذا هو المنهج المميّز الّذي يُحول المبنى من «منخفض الطاقة» إلى «صفر طاقة». يجب أن يكون المبنى قادرًا على توليد طاقته الخاصّة من مصادر متجدّدة.
  • التّقنيّات:
    • الطّاقة الشّمسيّة الكهروضوئيّة (Photovoltaics – PV): هي التّقنيّة الأكثر شيوعًا. تُركّب الألواح الكهروضوئيّة على الأسطح (Rooftop PV) أو تُدمج في غلاف المبنى (Building-Integrated Photovoltaics – BIPV) كجزءٍ من الواجهات، والأسطح، أو كاسرات الشّمس. يجب أن تكون مساحة الألواح كافية لتوليد كامل احتياجات المبنى من الكهرباء.
    • الطّاقة الشّمسيّة الحراريّة (Solar Thermal): لتسخين المياه، ودعم التّدفئة، أو حتى التّبريد الشّمسيّ (Solar Cooling) باستخدام مجمّعات شمسيّة حراريّة.
    • طاقة الرّياح الصّغيرة (Small Wind Turbines): في بعض المواقع ذات سرعات الرّياح الكافية، يُمكن تركيب توربينات رياح صغيرة.
    • الطّاقة الحراريّة الأرضيّة (Geothermal Energy): للمضخّات الحراريّة الجوفيّة الّتي تُوفّر تدفئةً وتبريدًا فعّالين جدًّا.
  • الرّسم التّوضيحيّ: رسم يوضّح مبنى مع مساحات كبيرة من الألواح الشّمسيّة (على السّطح والواجهات) مع أسهمٍ تدلّ على توليد الكهرباء.

يُوضّح هذا الرّسم التّخطيطيّ الفنّيّ أنظمة الطّاقة المتجدّدة في مبنى الطّاقة الصّفريّة:

• مجموعة الألواح الكهروضوئية على السطح: ألواح كهروضوئيّة كبيرة تغذّي اللّوحة الكهربائيّة للمبنى بالكهرباء.
• ألواح واجهات BIPV: وحدات PV متكاملة على الجدران الخارجية تساهم في توليد الطاقة.
• المجمّعات الحراريّة الشّمسيّة: مجمّعات مثبتة على السّطح توفّر الماء السّاخن وتدعم التّدفئة/التّبريد.
• توربينات الرّياح الصّغيرة: تُركّب على السّطح، وتوجيه طاقة الرّياح إلى النّظام الكهربائيّ للمبنى.
• حلقات الطّاقة الحراريّة الأرضيّة: حقل حلقة تحت الأرض متّصل بمضخّة حراريّة أرضيّة للتّدفئة والتّبريد.

تشير الأسهم إلى تدفّقات الطّاقة من المصادر المتجدّدة إلى أنظمة البناء؛ ما يُوضّح القدرة الكاملة على توليد الطّاقة في الموقع للمباني الخالية من الطّاقة.

• ج. أنظمة إدارة الطّاقة والتّخزين والشّبكة الذّكيّة (Advanced Energy Management, Storage & Smart Grid Integration):
  • الشّرح: لإدارة تدفّقات الطّاقة المُولّدة والمستهلكة بكفاءة، ودمج المبنى مع الشّبكة الكهربائيّة بذكاء.
  • التّقنيّات:
    • أنظمة إدارة المباني الذّكيّة (Smart Building Management Systems – BMS): تُتيحُ تحكّمًا دقيقًا في جميع أنظمة المبنى (HVAC، والإضاءة، والتّظليل) بناءً على الإشغال، والظّروف الجويّة، وإنتاج الطّاقة المتجدّدة، وغالبًا ما تتضمّن خوارزميّات الذّكاء الصّناعيّ.
    • تخزين الطّاقة (Energy Storage): استخدام بطّاريّات متقدّمة (خاصّةً اللّيثيوم أيون) لتخزين الطّاقة الفائضة المُولّدة نهارًا واستخدامها ليلًا أو في أثناء أوقات ذروة الطّلب.
    • الشّبكات الذّكيّة والشّبكات الصّغيرة (Smart Grids & Microgrids): قدرة المبنى على التّفاعل مع الشّبكة الكهربائيّة (بيع الفائض وشراء النّقص)، والمُشاركة في برامج الاستجابة للطّلب (Demand Response).
  • الرّسم التّوضيحيّ: مخطّط يُوضّح تدفّق الطّاقة بين الألواح الشّمسيّة، والبطّاريات، ونظام BMS، والمبنى، والاتّصال بالشّبكة الذّكيّة.

يُوضّح مخطّط التّدفّق التّخطيطيّ هذا نظام إدارة الطّاقة المتكامل للمباني ذات الطّاقة الصّفريّة:

• تولّد الألواح الشمسية الكهرباء الموجّهة إلى أنظمة تخزين البطّاريات والأحمال الكهربائيّة للمباني.
• تخزين البطّاريّة لتخزين الطّاقة الزّائدة.
• يُراقب نظام إدارة المباني الذكية (BMS) تدفّقات الطّاقة والتّحكّم فيها بناءً على الإشغال والطّقس والتّوليد.
• تُشغّل أحمال المباني (تكييف الهواء والإضاءة والمعدات) منطريق توليد الطّاقة المخزّنة وفي الوقتِ الفعليّ.
• يُتيح اتّصال الشّبكة الذّكيّة تبادل الطّاقة ثنائيّ الاتّجاه (بيع الفائض، شراء العجز) والمُشاركة في برامج الاستجابة للطّلب.

يضمن هذا التّكامل المتقدّم الاستخدام الأمثل لتوليد الطّاقة المتجدّدة، والاستخدام الفعّال للتّخزين، والتّفاعل الذّكيّ مع الشّبكة الكهربائيّة.

3. ما الاختلافات الرّئيسة بينهما؟

في حين تشترك المباني منخفضة الطاقة و المباني صفر الطاقة في الهدف العام: كفاءة الطّاقة؛ إلّا أنّ هناك اختلافات جوهريّة في نطاق الأهداف، والتّعقيد، والتّكلفة، والاعتماد على مصادر الطّاقة:

الخلاصة:

تُعَدُّ المباني منخفضة الطاقة خطوةً ضروريّةً وأساسيّةً نحو المباني المُستدامة؛ إذ تُركّز على خفض الطّلب على الطّاقة بفعاليّة بوساطة تحسيناتٍ شاملة في الغلاف، والتّصميم السّلبيّ، والأنظمة عالية الكفاءة. أمّا المباني صفر الطاقة، فهي قمّة هذا التّطّور، وتتطلّب خفضًا صارمًا للطّلب على الطّاقة يتبعه توليد كافٍ من مصادر متجدّدة في الموقع لتحقيق توازن سنوي. في حين أنّ LEB تُقدم وفورات كبيرة ومُباشرة، فإن ZEB هي الّتي تُحقّق الاستقلاليّة الطّاقويّة وتُقلّل على نحوٍ شبه كامل من البصمة الكربونيّة التّشغيلية للمبنى، على الرّغم من تكلفتها الأوّليّة وتعقيدها الأكبر. المفهومان جوهريّان لتحقيق مستقبلٍ مستدام للبيئة المبنيّة.

المراجع (لأغراض توضيحيّة):

• للمفاهيم الأساسية المباني منخفضة الطاقة و المباني صفر الطاقة:
  • Lechner, N. (2015). Heating, Cooling, Lighting: Sustainable Design Methods for Architects. John Wiley & Sons.
  • Kwok, A., & Rajkovich, N. (2010). The Green Studio Handbook: Environmental Strategies for Architects. John Wiley & Sons.
  • Attia, S. (2018). Net Zero Energy Buildings: Concepts, Cases, and Challenges. Elsevier.
  • Passivhaus Institute – Standards and publications.
• لمقابلة LEB وZEB:
  • Marszal, A. J., et al. (2011). Zero Energy Building–A review of definitions and calculation methodologies. Energy and Buildings, 43(4), 934-948.
  • Crawley, D. B., et al. (2009). Comparing the energy performance of zero net energy buildings. ASHRAE Journal, 51(3), 36-43.
• المجلات العلمية:
  • Energy and Buildings
  • Building and Environment
  • Renewable and Sustainable Energy Reviews
  • Applied Energy

# المباني منخفضة الطاقة و المباني صفر الطاقة: المناهج والاختلافات By محمود قحطان،