يسكن حالياً في المدن أكثر من نصف سكان الكرة الأرضية. ومن المتوقع أن ترتفع هذه النسبة، في المستقبل القريب، إلى الثلثين.ويجمع كثير من الإحصاءات على أن المباني السكنية تستهلك حوالي %40 من مجمل موارد الطاقة في العالم، و%25 من مجمل استهلاك المياه، وتسهم في انبعاث %33 من ثاني أكسيد الكربون. لهذا تصبح مشكلة تحسين كفاءة استهلاك الطاقة في هذه المباني، وإنتاجها الذاتي مهمةً للغاية. لهذا تتجه البحوث التطبيقية في مجال تصميم الأبنية إلى مستويين مهمين: استخدام الأنظمة الذكية لتحسين كفاءة استهلاكها للطاقة، ومن ناحية أخرى إنتاج هذه الطاقة من المبنى نفسه، من خلال تطوير ما صار يُعرف بالأبنية المكتفية ذاتياً بالطاقة أو “مباني صفر طاقة” في ترجمة حرفية لاسمها بالإنجليزية (Zero-energy buildings).

تعتمد المباني المكتفية ذاتياً بالطاقة على الجمع بين نجاعةٍ عالية لاستخدام الطاقة من جهة، وتوليد الطاقة المتجددة الكافية للبناء وسكانه من مصادر صديقة للبيئة، رخيصة ونظيفة ومتجددة ومتوفرة بسهولة، كالطاقة الشمسية أو طاقة الرياح أو طاقة الحرارة الجوفية للأرض؛ والاستقلال قدر الإمكان عن شبكة الطاقة الرئيسة في المدينة، وحتى تزويدها بالفائض من إنتاجها. ويُعدّ ذلك هدفاً طموحاً، يجري حالياً تحقيقه على نحو متزايد، ويكتسب زخماً يوماً بعد يوم في أماكن مختلفة من العالم. كما أن الاهتمام بهذا النوع من الأبنية لم يعد يقتصر على المنظمات البيئية والصحية، بل امتد إلى الشركات التجارية كعنصر مهم للترويج لعقاراتها. كما بدأ تطبيق هذه الفكرة على بعض المؤسسات العامة والتعليمية وغيرها.
تبلورت هذه الفكرة وأصبحت قابلةً للتطبيق بسهولةٍ أكبر بوجود الأنظمة الذكية وتكنولوجيا المراقبـة والسيطـرة الذاتيـة. إذ إن الجمع بين نجاعة الاستخدام وتوليد الطاقة يحتم إدخال الأنظمة الذكية على هذين المستويين، ومن دون ذلك، سيصعب تحقيق هذا الهدف.

التصميم الذكي
يبدأ تنفيذ الأبنية المكتفية ذاتياً بالطاقة بالتصميم الذكي. ويجب أن يكون المصممون والمهندسون المعماريون والمتعهدون، على درايةٍ بجميع الخطوات التي ينطوي عليها بناء منزلٍ صفر الطاقة، وعلى دراية أيضاً، ولو بالحد الأدنى، بكيفية عمل الشبكة والأجهزة الذكية المتصلة بها. وينبغي للمقاولين والمقاولين الفرعيين تنفيذ هذه الخطوات بأكبر قدر ممكن من الفاعلية من حيث التكلفة. وهناك شروط تصميم عديدة ينبغي للبنائين أن يطلبوا من المصممين إيلاء اهتمام خاص بها.

الشبكة الذكية
هي شبكةٌ إلكترونيةٌ تتضمن مجموعة متنوعة من أدوات قياس الطاقة مثل العدادات الذكية، وتخزين الطاقة بتكنولوجيا ذكية، وأجهزة استشعار متنوعة وغيرها، تتكامل كلها مع مصادر متطورة وحديثة للطاقة المتجددة، ووظيفتها السيطرة ومراقبة إنتاج الطاقة وتوزيعه. ومن مزاياها الأساسية:
أ – الاستدامة، نظراً إلى التطورات العديدة والمتسارعة في قطاع تكنولوجيا الطاقة المتجددة، التي باتت متوفرة في الأسواق أكثر من أي وقت مضى، فإن مرونة الشبكة الذكية تسمح بإدخالها إلى النظام بسهولة.
ب – الموثوقية، تستخدم الشبكة الذكية تقنيةً يمكنها اكتشاف أي تلفٍ في الشبكة والقيام بإصلاحها تلقائياً من دون تدخل الفنيين. وسوف تحافظ هذه الميزة على استقرار إمدادات الكهرباء، والحد من الأضرار الناجمة عن العوامل الطبيعية.
ج – المرونة، بعكس الشبكة التقليدية المصممة لخدمة اتجاه واحد للكهرباء، من مصدر الإنتاج إلى مصدر الاستهلاك، حيث تنتج عن ذلك مشكلات ربما تكون خطيرة، كأن تحدث أية كمية زائدة من التيار خللاً في السلامة على مستوى المبنى، تسمح الشبكة الذكية بالعمل في اتجاهين. فتوزيع الطاقة من الخلايا الكهروضوئية على سطح المبنى أو توربينات الرياح وغيرها، التي تستخدم أيضاً خلايا وقود لتخزين الطاقة، يمكنها أن تزود بطارية السيارة مثلاً، أو أي أجهزة داخل المبنى، وتعمل في الوقت نفسه على ضخ الكميـة الزائدة إلى الشبكة المركزية خارج المبنى.
د – النجاعة، بإمكان الشبكة الذكية المواءمة بين زيادة أسعار الطاقة في أوقات أو حالات معينة، وتخفيض أو زيادة كمية الطاقة من الشبكة المركزية أو إليها، وذلك بإيقاف تشغيل بعض المعدات غير الضرورية أو العكس.
ه – مقاومة الكوارث الطبيعية، بالتوقف التلقائي عند أي اضطراب في أي منظومة يمكن أن تؤدي إلى حرائق أو أعطال.

في بداية المشروع، وتحسباً لئلا يحرم المبنى من الطاقة نتيجة أي إخفاق في النتائج المتوخاة، يتم ربط الشبكة الداخلية للمبنى بالشبكة العامة بواسطة الأجهزة الذكية، أو عندما تنتج الشبكة الداخلية طاقةً أقل من المطلوب. وبالعكس، عندما يتم إنتاج طاقة فائضة عن حاجة المبنى، تصدّر الشبكة الذكية هذا الفائض إلى الشبكة المركزية. وهكذا فإن النظام الذكي هو ضروري لعمل هذه الأبنية متجاهلة الطاقة الخارجية.

العنصر البشري
تسحب الشبكة الذكية البيانات من أجهزة المراقبة المنتشرة في جميع أنحاء المبنى لإشراك السكان في عملية إنتاج الطاقة واستهلاكها. وإشراك الشاغلين وتثقيفهم الفعال حول تأثيرات سلوكيات استخدامهم للطاقة الخاصة بهم، هو من العوامل الرئيسة التي تضمن نجاح هذا التصميم التجديدي. فيستطيع المستخدم، وخاصة المتتبع اليومي لحسابه البنكي وإنفاقه المالي خلال شهرٍ مثلاً، ومن خلال تطبيق مراقبة على هاتفه الذكي أن يتلقى البيانات حول ما يستهلكه، من أجهزة الاستشعـار على مجموعة الطاقة الشمسية في المنزل والخدمة الكهربائية الأساسية وشبكة المياه.
فالعنصر البشري هو جزء مهم من أداء الطاقة الصفري والتصميم التجديدي. إنه يشبه إلى حد كبير كيف تستخدم أوراق الأشجار ضوء الشمس لتعزيز نموها وشبكة جذورها وفروعها المتعدّدة من أجل البقاء.

دور الأجهزة الذكية
تقدِّم الأنظمة الذكية تطبيقات مبتكرة ذات ميزات متعددة التخصصات: تكامل آمن لمصادر الطاقة المتجددة والمتطورة باستمرار، وتوزيعها على الشبكة، وأنظمة توصيل ومراقبة فعالة من خلال رصد الطلب الفردي على الطاقة والاستجابة الفورية له من دون أي هدر لتحقيق أهداف الطاقة صفر. ويتطلب دمج التقنيات الذكية والأخذ في الاعتبار جميع جوانب الاستدامة المذكورة أعلاه.
تستخدم الشبكة الذكية مجموعة متنوعة من الأجهزة الذكية. لكن أهمها هو العداد الذكي، فمن المهم جداً في هذا الصدد قياس إنتاج الطاقة واستهلاكها، ونقل هذه المعلومات إلى قاعدة بيانات متاحة للمستخدمين، ثم معالجتها من قِبل نظام التحكم.
كما يتميز البناء الذكي بتمكين التقنيات المتاحة على المستوى الفردي، كوضع إشغال المكان من قِبل الفرد المعني ونظام محيطه الشخصي، وتكون مرتبطة بالبنية التحتية للبناء بأكمله. وتتولى أجهزة الاستشعار والمراقبة المنتشرة في كل مكان تزويد أنشطة سكان المبنى، للشبكة والأفراد على حدٍّ سواء بالوقت الحقيقي.
وتستطيع الأجهزة الذكية حل مشكلة أساسية للأبنية المكتفية ذاتياً بالطاقة، وهي استخدام المياه الساخنة من قبل الأفراد على سبيل المثال. فالمعروف أن تسخين المياه هو أكثر ما يحتاج إلى استهلاك الطاقة بعد التدفئة والتبريد. والاقتصاد في استهلاك المياه الساخنة يؤدي إلى استهلاك طاقة أقل. وهنا تستطيع الصنابير ورؤوس الدش الذكية تقنين استعمال المياه الساخنة مثلاً إلى كمية محدودة في الدقيقة أو في وقت محدد يمليه ما يستطيعه المبنى من إنتاج المياه الساخنة.
إن نظام العدّادات الذكية هذا مهم أيضاً من الناحية التجارية، خاصة عند التخطيط لتحويل المباني التقليدية والقديمة إلى مبانٍ ذكية ومستقلة بالطاقة. إذ يضمن تلبية احتياجات ومصالح كل من المستخدمين والمستثمرين.

بعض مكونات البناء الذكي
للوصول إلى المبنى المكتفي ذاتياً بالطاقة، يقوم المصممون باستخدام أحدث المنتجات من مكونات البناء، ومنها:

نوافذ ذكية
هناك اهتمام متزايد باستغلال نوافذ الأبنية وجعلها تؤدي وظائف جديدة بالإضافة إلى الاستمرار في العمل كنوافذ تقليدية. ويجري حالياً إدخال خلايا شمسية على زجاج النوافذ لتوليد طاقة من أشعة الشمس. كما تم تطوير نوافذ قائمة سوائل مغناطيسية لتظليل الغرف أو تدفئتها عند الطلب. إضافة إلى النوافذ المزودة بزجاج ذكي يتيح للمستخدمين التحكم بكمية الضوء وبالتالي الحرارة.

الخلايا الشمسية

يتميز البناء الذكي بتمكين التقنيات المتاحة على المستوى الفردي، كوضع إشغال المكان من قبل الفرد المعني ونظام محيطه الشخصي، وتكون مرتبطة بالبنية التحتية للبناء بأكمله

تختلف الخلايا الشمسية المصممة للنوافذ عن تلك التي نضعها على أسطح الأبنية. فالأخيرة نريدها أن تمتص أشعة الشمس قدر المستطاع، بحيث يمكنها توليد أكبر قدرٍ ممكنٍ من الطاقة. أما بالنسبة للنافذة، فهناك حتماً مفاضلةٌ بين امتصاص الضوء لتحويله إلى طاقة وبين نفاذه حتى نتمكن من الرؤية من خلال النافذة.
إن واحدة من المعايير المتبعة في تركيب هذه الخلايا هي ما يعرف بـ “متوسط النفاذية المرئية”، أي النسبة المئوية من الضوء المرئي الذي ينفذ إلى الداخل. إذ إننا لا نريد أن تستوعب الخلايا الشمسية كثيراً من الضوء بحيث لا يعد باستطاعتنا الرؤية، وفي الوقت نفسه نترك لها كمية كافية من الضوء لإنتاج الطاقة.

الزجاج الذكي
يُستخدم حالياً الزجاج الذكي على نطاق واسع بديلاً عن أنواع الستائر المختلفة. وهو نوع من الزجاج المتطور، تكمن خاصيته الأساسية في تغير نفاذيته للضوء، والتحكم بمطيافيته من خلال التغيّر في عتامته عند تفاعله مع الكهرباء أو الحرارة أو الضوء. وهناك أنواع عديدة منه، وتتداخل في صناعته عدة مجالات علمية وتكنولوجية.

وعند تطبيقه على الأبنية المكتفية ذاتياً بالطاقة، يخلق الزجاج الذكي بيئة داخلية أفضل على مستوى الضوء والحرارة، ويوفر في تكاليف التدفئة والتكييف والإضاءة. وكذلك يريح سكان الأبنية من الإزعاج المتواصل لتثبيت وتغيير وضع الستائر، كلما تغيّر الجو المحيط. وبما أنه يحمي المباني من الأشعة فوق البنفسجية، فإنه يحمي بذلك الأجهزة الخاصة بالزجاج الذكي أو غيرها من التلف.

تطورات جديدة

عزَّزت اتجاهات البناء الصديقة للبيئة شعبية طلاء النوافذ بمواد تخفض تكاليف التبريد والتدفئة عن طريق منع الأنواع غير المرغوب فيها من أشعة الشمس، كأشعة غاما وغيرها.
وأغشية تظليل النوافذ الحرارية التجارية المصنوعة من خلايا كهروضوئية سيليكونية التي يتم تطبيقها على النوافذ الزجاجية الداخلية أو الخارجية لتقليل كمية الأشعة فوق البنفسجية، والأشعة المرئية، والأشعة تحت الحمراء الناتجة، تُستخدم حالياً على نطاق واسعٍ لتحسين كفاءة الطاقة في المباني. ويقول هين لاب يب، أستاذ علم المواد في جامعة الصين الجنوبية للتكنولوجيا: “إن هذه الأغشية حظيت بأسواق واسعة على الرغم من مظهرها الباهت ووزنها الثقيل. وبدلاً من ذلك، يمكننا أن نجعل هذه الألواح الكهروضوئية عضويةً (بدل السيليكون)، على شكل أغشية شبه شفافة وخفيفة الوزن وملونة، فتصبح مثاليةً لتحويل النوافذ إلى مولدات كهرباء صغيرة وعوازل حرارية، تستطيع الاندماج بسهولة في نظام الشبكة الذكية للمباني صفر الطاقة”.
إن النموذج الأولي الذي تم بناؤه متعدّد الوظائف، قادر على تحقيق توازن ثلاثي الاتجاهات بين حصاد الضوء لتوليد الكهرباء، ومنعه في الوقت نفسه للعزل الحراري، وجعله ينفذ كما في النوافذ العادية. ولجعل هذه العملية ممكنةً، تم خلط وتطابق مواد ومركبات كيميائية مختلفة، تسمح للأجزاء المرئية المألوفة كالضوء من أشعة الشمس ينفذ، وطرد الأشعة تحت الحمراء التي هي المصدر الرئيس للسخونة في الوقت نفسه، وتحويل الموجات القريبة من الأشعة تحت الحمراء إلى تيار كهربائي.
وإذا افترضنا أن كل بوصة مربعة من كل نافذة ستكون مكسوة بالخلايا الشمسية متعددة الوظائف، التي طورها الباحثون الصينيون، نستطيع أن نقلل من اعتماد الأسرة المتوسطة على المصادر الكهربائية الخارجية بأكثر من %50.

البعد الاقتصادي
للاكتفاء الذاتي بالطاقة إيجابيات اقتصادية عديدة، تفوق بعض السلبيات التي يمكنها أن تعيق التقدم بمشروع الأبنية من هذا النوع في بعض المناخات المعينة.
ومن إيجابياته أنه يحصن أصحاب هذه المباني وساكنيها من أي زيادات في أسعار الطاقة في المستقبل. كما أنه يخفض إجمالي تكلفة الملكية بسبب تحسين كفاءة الطاقة، ويرفع في الوقت نفسه من قيمة إعادة بيع المبنى، لأن المشترين الجدد بدأوا يتطلعون إلى أبنية ذاتية الاكتفاء.
وبينما دعت المؤتمرات الدولية حول بيئة الأرض ومناخها إلى فرض ضرائب على انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على الدول، بدأ عدد من الدول يفكر في تشريعات داخلية لفرض مثل هذه الضرائب على المباني والسكان. ولهذا السبب، بدأت أسعار المباني المكتفية ذاتياً بالطاقة ترتفع مقارنة بنظيرتها التقليدية.
أما سلبياتها فتتمثل بارتفاع تكاليفها الأولية التي يفاقمها حقيقة أن هناك عدداً قليلاً جداً من المصممين أو المتعهدين الذين يملكون المهارات أو الخبرة اللازمة لبناء هذا النوع من المباني. ومن السلبيات الأساسية هي أن الطاقة الشمسية ليست متوفرة بالقدر الكافي في بعض المناطق الجغرافية خاصة في البلدان القريبة من القطبين.

نماذج أنشئت فعلاً
لقد ولدت فكرة الأبنية المكتفية ذاتياً بالطاقة حديثاً، وبالتزامن مع بدايات توفر التقنيات الذكية وتطورها. فأول من اقترح تصميم “منازل متجاهلة للطاقة الخارجية” هما الباحث الألماني وولفغانغ فايست والسويدي بو أدامسون. وقد بني أول منزل من هذا النوع في عام 1990م في دارمشتاد بألمانيا. وكانت تجربة ناجحة جداً، شجعت على تأسيس معهد في هذه المنطقة في عام 1996م لتطوير فكرة هذه الأبنية. وقد بني منذ ذلك الحين حوالي 15 ألف بناء على هذا النمط.
وفي عام 2013م، وتحت رعاية وكالة الطاقة الدولية، تم إنشاء برنامج مشترك جمع باحثين من أكثر من عشرين دولة حول العالم تحت عنوان “نحو أبنية شمسية صفر الطاقة” (Towards Net Zero Energy Solar Buildings). وقد انقسمت المهمات على عدة لجان فرعية متعدّدة الاختصاصـات لتحفيــز تحقيق هذه الفكرة على نطاق العالم.
ويُعد المكتب الهندسي لشركة “غلوماك” الصينية في شانغهاي، أحد أكثر المساحات المكتبية استدامة في آسيا. ويتميز بوجود نظام مراقبة للهواء داخل أروقته، يتيح للموظفين رؤية مستوى تلوثه على شاشات هواتفهم الذكية، بناء على مستوى الأكسجين ومستويات المركبات البكتيرية المتطايرة في الجو ونسبة الرطوبة وغير ذلك. ولتحقيق ذلك، تم إنشاء خمسة أنظمة لتنقية الهواء، بالإضافة إلى جدار أخضر مهمته التخلص من التلوث الذي لا يحتمل خارجه، كما هو معروف عن المدينة.
وفي الصين أيضاً، يُعد “برج نهر بيرل” مثال الجيل الحديث من المباني المكتفية ذاتياً بالطاقة، وهو يحتوي على 71 طابقاً.
أما في الولايات المتحدة الأمريكية، فقد وضعت إدارة مطار سان فرانسيسكو الدولي برنامجاً في عام 2017م، ليكون أول مطار في العالم مكتفٍ ذاتيـاً بالطاقـة ومن ودون انبعاثات بحلول بحلول عام 2021م.