نمذجة الطاقة (Energy Modeling): محاكاة الطاقة في المباني.

Image Source: egreenideas.com

يتم إنشاء و تصميم أنظمة الطاقة لمبنى ما في المقام الأول لتوفير خدمات الطاقة للمستخدمين النهائيين (End Users)، بينما يكون هدفها في قطاع الصناعة هو خدمة خطوط الإنتاج. و أما الهدف العام و المراد تحقيقه من إنشاء و ضبط هذا النوع من الأنظمة هو تقليل فقدان الطاقة إلى الحد الأدنى و ضمان الإستخدام الفعال للطاقة. وفقاً لتقرير التقييم الخامس الصادر عن الهيئة الحكومية الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC)، فإن نظام الطاقة يشمل “جميع المكونات المرتبطة بإنتاج (Production) و تحويل (Conversion) و تسليم (Delivery) و استخدام (Use) الطاقة”.

يشمل التعريفين الآنف ذكرهما استراتيجيات جانب الطلب (Demand-side Measures)، مثل ضوء النهار (Daylighting)، وعزل المباني المتطور (Retrofitted Building Insulation)، و تصميم المباني الشمسية السلبية (Passive Solar Building Design)، إلى جانب العوامل الإجتماعية و الإقتصادية مثل جوانب إدارة الطلب على الطاقة (Energy Demand Management).

يمكن أن تشمل النتائج جدوى النظام (System Feasibility)، وانبعاثات غازات الدفيئة (Greenhouse Gas Emissions)، و إجمالي التكاليف المالية مع مرور الوقت (Cumulative Financial Costs)، واستخدام الموارد الطبيعية (Natural/ Renwable Resource use)، و كفاءة الطاقة (Energy Efficiency). يتم استخدام تقنيات مختلفة، تتراوح من الأساليب التي تركز على الاقتصاد إلى الأساليب التي تركز على الهندسة. و يتم في جميعها تطبيق التحسين الرياضي (Mathematical Optimization) بشكل متكرر للتأكد من الحل الأكثر فعالية من حيث التكلفة.

أصبحت نمذجة الطاقة أكثر أهمية بسبب التركيز المتزايد على التخفيف من تغير المناخ (Climate Change Mitigation). حيث يعد قطاع إمدادات الطاقة المصدر الرئيسي لإنبعاثات الغازات الدفيئة العالمية (GGGE). ووفقا ل (IPCC)، فإن معالجة تغير المناخ سوف تتطلب إجراء إصلاح جذري لنظام إمدادات الطاقة، والذي يتضمن استبدال تقنيات تحويل الوقود الأحفوري التي لا تحتجز انبعاثات الكربون (not captured by CCS – Carbon Capture and Storage) ببدائل منخفضة الغازات الدفيئة (low-GHG Alternatives).

أنواع النماذج
هناك مجموعة واسعة من أنواع النماذج المستخدمة حاليًا. ويهدف هذا القسم السريع إلى ذكر و تصنيف الأنواع الرئيسية وتطبيقاتها. يمكن لنتائج النماذج أن تقود عملية تطوير و بحث في نماذج أكثر تعقيداً، مما يؤدي إلى إنشاء تسلسل هرمي للنماذج:
1- تشغيل نظام الطاقة (energy system operation)
2- دوران أسهم التكنولوجيا (technology stock turnover)
3- الابتكار التكنولوجي (technology innovation)
4- السلوك الثابت والمنزلي (firm and household behaviour)
5- نشر البنية التحتية والتخطيط الحضري (infrastructure deployment and urban planning)

غالباً ما تستخدم هذه النماذج تقنيات بحوث العمليات (Operations Research) و خصوصاً إذا ما تم عملها لمباني كبيرة أو مصانع كبيرة. تميز هذه النماذج المصانع/ المباني الفردية بناءاً على منحنيات الكفاءة (Efficiency Curves) (المعروفة أيضًا بعلاقات المدخلات والمخرجات “Inputs & Outputs”)، وقدرات اللوحة (Nameplate Capacities)، و تكاليف الاستثمار (CAPEX)، و تكاليف التشغيل (OPEX). و عادة ما تكون هذه التحليلات معقدة للغاية إذا كانت طبيعة الإستهلاك الطاقي للمنشأة كثيف و معقد، و هنا من الممكن أن يتم استخدام تقنيات أكثر تعقيداً و شمولاً مثل دينامكيات الأنظمة المعقدة (Complex Systems Dynamics) و التي من الممكن أن تسمح لبعض النماذج بإدخال متغيرات خارجية من الممكن أن تؤثر على تحليل الطاقة مثل درجة الحرارة المحيطة و درجة الرطوبة الجوية على مدى طويل، و غيرها من المتغيرات الفيزيائية الخارجية أو الداخلية.

محاكاة أداء البناء (“Building Performance Simulation “BPS)
تتضمن محاكاة أداء البناء (BPS) تكرار جوانب أداء البناء من خلال نموذج رياضي (Mathematical Model) قائم على الكمبيوتر. يتم تطوير هذا النموذج باستخدام المبادئ الفيزيائية الأساسية والممارسات الهندسية الراسخة. الهدف من هذه المحاكاة هو قياس جوانب أداء البناء ذات الصلة بتصميم المبنى و تشييده و تشغيله و التحكم فيه. تشمل “BPS” عدة مجالات فرعية، أبرزها المحاكاة الحرارية (Thermal Simulation)، و محاكاة الإضاءة (Lighting Simulation)، و المحاكاة الصوتية (Acoustical Simulation)، ومحاكاة تدفق الهواء (Sir Flow Simulation). عادةً، تعتمد “BPS” على برامج محاكاة متخصصة. ويعتبر مجالاً ضمن المجال الأوسع للحوسبة العلمية.

بيانات الإدخال الضرورية (Input Data) لمحاكاة المبنى بالكامل:
1- المناخ (Climate): درجة حرارة الهواء المحيط، الرطوبة النسبية، الإشعاع الشمسي المباشر و المنتشر، سرعة الرياح واتجاهها.
2- الموقع (Site): موقع واتجاه المبنى، التظليل بالتضاريس والمباني المحيطة، خصائص الأرض.
3- الهندسة (Geometry): شكل المبنى و هندسة المنطقة.
4- الغلاف (Envelope): المواد والإنشاءات، النوافذ و التظليل، الجسور الحرارية، التسلل و الفتحات.
5- المكاسب الداخلية (Internal Gains): الأضواء و المعدات و الشاغلون بما في ذلك جداول التشغيل/ الإشغال.
6- نظام التهوية (Ventilation System): نقل و تكييف (تدفئة، تبريد، و ترطيب) الهواء.
7- الوحدات الغرفية (Room Units): الوحدات المحلية للتدفئة و التبريد و التهوية.
8- المصنع (Plant): الوحدات المركزية لتحويل و تخزين و توصيل الطاقة للمبنى.
9- الضوابط (Controls): فتح النوافذ، أجهزة التظليل، أنظمة التهوية، وحدات الغرف، و مكونات النبات.

بعض الأمثلة لمؤشرات الأداء الرئيسية المستخدمة في نمذجة الطاقة (“Key Performance Indicators “KPIs):
1- اتجاهات درجة الحرارة (Temperature Trends): في المناطق، على الأسطح، في طبقات البناء، لإمدادات المياه الساخنة أو الباردة أو في الواجهات الزجاجية المزدوجة.
2- مؤشرات الراحة (Comfort Indicators) : مثل  (“Predicted Mean Vote “PMV) و
(“Predicted Percentage of Dissatisfied “PPD)، و عدم تناسق درجة حرارة الإشعاع، و تركيز ثاني أكسيد الكربون، و الرطوبة النسبية.
3- الموازين الحرارية (Heat Balances): للمناطق أو المبنى بأكمله أو مكونات النبات الواحد.
4- ملفات تعريف الأحمال (Load Profiles): لطلب التدفئة والتبريد، وملف الكهرباء للمعدات والإضاءة.
5- الطلب على الطاقة (Energy Demand): للتدفئة و التبريد و التهوية و الإضاءة و المعدات و الأنظمة المساعدة (مثل المضخات و المراوح و المصاعد).
6- توفر ضوء النهار (Daylight Availability): في مناطق معينة، و في نقاط زمنية مختلفة مع ظروف خارجية متغيرة.

البرامج المستخدمة (Softwares)
هناك المئات من الأدوات البرمجية المتاحة لمحاكاة أداء المباني و الأنظمة الفرعية للمبنى، و التي تتراوح في قدرتها من محاكاة المبنى بالكامل إلى معايرة مدخلات النموذج، إلى تدقيق المباني، نذكر أهمها في الصورة أدناه.

Table Source: Wikipedia.org

و في الختام، فإن عملية مثل تحقيق الإستدامة و زيادة الأرباح لمبنى ما من خلال عمل نمذجة طاقة تحتاج إلى فريق هندسي، إقتصادي، و تقني برمجي، و ذلك لتعقيدها و أهميتها البالغة في رفع و تحسين كفاءة الطاقة في المبنى و جعله أخضرا بعد الحصول على النتائج و المخرجات من عملية محاكاة الطاقة و تطبيق توصياتها، حيث تتم العملية بدءأ بتحقيق ممارسات صحيحة لاستهلاك الطاقة، عمل تدقيق طاقي بكافة مستوياته، و مرورا بعمل نماذج و سيناريوهات فنية و إقتصادية و اختيار الأنسب منها بناءاً على المتطلبات الداخلية للمؤسسة و سياسة و تشريعات الطاقة في البلد المعني.

المصادر:
1- Energy Modeling – Wiki
2- Energy Simulation – Science Direct
3- Energy Modeling for the 21ˢᵗ Century
4- Building performance simulation (BPS) – Wiki