Multi-objective Optimization of Energy Performance, Thermal Comfort, and Retrofit Cost for Underground Commercial Spaces Using a Surrogate-Based Approach
تستخدم هذه الدراسة إطار عمل للتحسين متعدد الأهداف قائم على البديل (surrogate-based) يدمج بين DesignBuilder وEnergyPlus وBPNN وNSGA-II لتحديد استراتيجيات التحديث الأمثل للمساحات التجارية تحت الأرض التي توازن بين كثافة استخدام الطاقة، والراحة الحرارية، وتكاليف الاستثمار، مع الكشف عن المقايضات الرئيسية والعوامل المؤثرة المهيمنة.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
تحت سطح الحرم الجامعي بعمق، تجري ثورة هادئة في طريقة تفكيرنا في المباني. هذه ليست المكاتب المشمسة أو الأبراج السكنية التي اعتدنا عليها، بل هي مساحات تجارية تحت الأرض: ساحات طعام صاخبة، ومتاجر تجزئة، وأماكن للتجمع مدفونة تحت الأرض. ولأنها تفتقر إلى النوافذ والضوء الطبيعي، تعتمد هذه البيئات كلياً على الآلات للحفاظ على حركة الهواء، وإضاءة الأنوار، وضبط درجة الحرارة لتكون مريحة. هذا الاعتماد الشديد يخلق عملية توازن صعبة؛ فإذا قمت بخفض قدرة الآلات لتوفير الكهرباء، قد تصبح المساحة مكتومة أو باردة جداً. وإذا رفعت قدرتها لضمان الراحة، سترتفع فاتورة الطاقة بشكل جنوني. لعقود من الزمن، حاول المهندسون حل هذه المشكلات من خلال النظر إلى عامل واحد في كل مرة، لكن دراسة جديدة تشير إلى أن الحل يكمن في فهم كيفية صراع هذه العوامل وعملها معاً. لم يعد الهدف مجرد توفير الطاقة، بل إيجاد "نقطة مثالية" حيث يمكن للراحة والتكلفة والكفاءة التعايش معاً دون أن يدمر أحدها الآخر.
وجه الباحثون في جامعة الصين للتعدين اهتمامهم إلى مقصف محدد تحت الأرض في حرمهم الجامعي في مدينة شوزو، وهو مساحة مليئة بأكشاك الطعام، وسوبر ماركت صغير، ومناطق لتناول الطعام. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم إعادة تصميم كيفية عمل هذه المساحة لتكون أفضل للكوكب، وللميزانية، وللأشخاص في الداخل. وللقيام بذلك، قاموا ببناء "توأم رقمي" مفصل للمبنى، وهو نموذج افتراضي يمكنه تشغيل آلاف عمليات المحاكاة لمعرفة ما سيحدث إذا غيروا كل شيء، بدءاً من سمك الجدران وصولاً إلى إعدادات درجة الحرارة في أجهزة تكييف الهواء. لم يعتمدوا على التخمين فحسب؛ بل غدوا النموذج ببيانات حقيقية حول عدد الزوار، والمعدات المستخدمة، وكيف يتصرف المبنى فعلياً. ثم استخدموا خوارزمية حاسوبية قوية لاختبار ملايين التوليفات المختلفة من التغييرات، بحثاً عن أفضل النتائج الممكنة.
ركزت الدراسة على ثلاثة أهداف رئيسية غالباً ما تتجاذب في اتجاهات متعاكسة. الأول كان استخدام الطاقة، ويُقاس بكمية الكهرباء التي يستهلكها المبنى لكل متر مربع سنوياً. والثاني كان الراحة الحرارية، والتي تتبعوها عبر حساب عدد الساعات التي كانت فيها درجة الحرارة إما حارة جداً أو باردة جداً بحيث لا يشعر الناس بالراحة. والثالث كان تكلفة التغييرات نفسها، والتي حُسبت كاستثمار سنوي مطلوب لإجراء التحسينات. وجد الباحثون أن المبنى الأصلي، قبل التعديل، كان يستخدم حوالي 248 كيلووات ساعة لكل متر مربع سنوياً، وترك الناس غير مرتاحين لمدة تقارب 2,813 ساعة في السنة. وعندما تركوا الحاسوب يبحث عن الحل المثالي، كشف لهم عن واقع صارخ: لا يمكنك الحصول على كل شيء. فالمسار الأفضل لتوفير الطاقة أدى إلى مبنى أقل راحة بشكل ملحوظ، بينما المسار الذي حقق أقصى درجات الراحة للناس تطلب قفزة هائلة في استهلاك الطاقة.
بدلاً من اختيار فائز واحد، رسم الباحثون خارطة للحلول الوسطى، تُعرف باسم "جبهة باريتو" (Pareto frontier). أظهرت هذه الخريطة أنه مقابل كل خطوة نحو خفض فواتير الطاقة، هناك خطوة مقابلة نحو زيادة ساعات عدم الراحة، والعكس صحيح. وقد حددوا أن أقوى الروافع للتغيير لم تكن الجدران أو السقف، بل الطريقة التي يُدار بها المبنى. فإعدادات درجة الحرارة في أنظمة التدفئة والتبريد، وكمية الهواء النقي المستمد من الخارج، وعدد الأشخاص في الداخل، كانت هي العوامل المهيمنة. ومن المثير للدهشة أن مجرد إضافة المزيد من العزل لجدران ما تحت الأرض كان له تأثير أقل بكما هو متوقع، لأن الأرض المحيطة بالمبنى توفر بالفعل درجة حرارة مستقرة. وأظهرت الدراسة أن أكبر المكاسب جاءت من ضبط العمليات الداخلية: خفض طاقة الإضاءة والمعدات، وضبط تكييف الهواء ليكون أقل صرامة، وإدارة كمية الهواء النقي الذي يتم ضخه بعناية.
ومن هذا النسيج المعقد من الخيارات، اختار الباحثون حلاً واحداً "مثالياً شاملاً" يقدم أفضل توازن. هذا المخطط الموصى به من شأنه أن يزيد استخدام الطاقة قليلاً إلى حوالي 285 كيلووات ساعة لكل متر مربع، ولكنه سيقلل من الوقت الذي يشعر فيه الناس بعدم الراحة بنسبة تقارب تسعة بالمائة، ليصل الإجمالي إلى حوالي 2,563 ساعة. ستكون تكلفة تنفيذ هذه التغييرات متواضلة، حيث تبلغ حوالي 22 يوان لكل متر مربع سنوياً. لم يحقق هذا الحل أدنى استهلاك للطاقة أو أعلى مستويات الراحة المطلقة، لكنه تجنب التكاليف الباهظة والأداء الضعيف للخيارات الأخرى. لقد أثبت أنه من خلال إجراء تعديلات صغيرة ومنسقة على كيفية تشغيل المبنى، بدلاً من تغيير هيكله الفيزيائي، يمكن للمديرين إنشاء مساحة فعالة ومريحة وبأسعار معقولة.
تتحدى هذه النتائج الافتراض الشائع بأن إصلاح مبنى تحت الأرض يتطلب بناءً ثقيلاً ومكلفاً. تشير الدراسة إلى أن المسار الأكثر فعالية هو إعطاء الأولوية لكيفية تشغيل المساحة. فمن خلال ضبط إعدادات درجة الحرارة، وتقليل طاقة الإضاءة والمعدات، وإدارة تدفق الهواء، يمكن للمشغلين تحقيق تحسن كبير دون استنزاف الميزانية. يقدم هذا النهج مخططاً عملياً للجامعات وغيرها من المؤسسات التي تعتمد على هذه المساحات الواقعة تحت الأرض. إنه يوضح أن مستقبل المباني الخضراء في هذه البيئات الفريدة لا يتعلق ببناء جدران أكثر سمكاً، بل بالتفكير بعمق أكبر في الأنظمة غير المرئية التي تبقي المساحة نابضة بالحياة. يوفر هذا البحث دليلاً واضحاً وقائماً على البيانات لاتخاذ مثل هذه القرارات الصعبة، مما يضمن أن تكون المساحات تحت الأرض في المستقبل ليست موفرة للطاقة فحسب، بل أيضاً أماكن يرغب الناس حقاً في التواجد فيها.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.