Integrating agent-based modeling and dynamic lca: an environmental impact simulation and optimization model for dormitory buildings

المباني هي أكثر من مجرد هياكل من الخرسانة والزجاج؛ إنها أنظمة حية حيث تؤثر الأحوال الجوية في الخارج، والآلات في الداخل، والناس الذين يتحركون في الممرات، على بعضها البعض باستمرار. لعقود من الزمن، حاول الخبراء قياس التكلفة البيئية لهذه الهياكل باستخدام طريقة تسمى تقييم دورة الحياة. فكر في هذا كتدقيق شامل يتتبع كل أونصة من التلوث تنتجها المباني، من اللحظة التي تُستخرج فيها موادها إلى اليوم الذي يتم فيه هدمها. تقليديًا، كانت عمليات التدقيق هذه عبارة عن لقطات ثابتة، تأخذ سنة متوسطة واحدة وتحسب التأثير بناءً على افتراضات ثابتة. ومع ذلك، فإن العالم الحقيقي نادرًا ما يكون ثابتًا. فدرجات الحرارة تتغير ساعة بساعة، والأجهزة تصبح قديمة وأقل كفاءة، والناس الذين يعيشون في الداخل يغيرون عاداتهم اعتمادًا على يوم الأسبوع أو حالتهم المزاجية. وعندما يتجاهل الباحثون هذه الديناميكيات المتغيرة وطريقة تفاعلها مع بعضها البعض، يمكن لحساباتهم أن تبتعد كثيرًا عن الواقع، مما يؤدي إلى استراتيجيات إدارة تخطئ الهدف.

لسد هذه الفجوة، طور فريق من الباحثين من جامعة جنوب شرق، وجامعة ويسكونسن-ماديسون، وجامعة داليان للتكنولوجيا طريقة جديدة لمحاكاة حياة المبنى. لقد جمعوا بين أداتين قويتين: طريقة تتبع سلوك الأفراد والأشياء بمرور الوقت، والتدقيق البيئي المذكور أعلاه. ومن خلال دمج هذين النهجين، أنشأوا نموذجًا لا ينظر إلى المبنى ككيان معزول فحسب، بل يراقب كيف يتفاعل المناخ، ومعدات المبنى، والطلاب بداخله مع بعضهم البعض في الوقت الفعلي. اختبروا هذا النظام في مباني السكن الجامعي لطلاب الدراسات العليا في نانجينغ بالصين، وهو إطار تم اختياره لأن مساحات المعيشة عالية الكثافة هذه تستهلك طاقة كبيرة وتوفر رؤية واضحة لكيفية دفع السلوك البشري للأثر البيئي.

بنى الباحثون "توأمًا رقميًا" لنظام السكن الجامعي حيث تتفاعل ثلاثة أنواع من الوكلاء الافتراضيين. أولاً، هناك "الوكيل المناخي"، الذي يغذي البيانات ببيانات درجات الحرارة كل ساعة لمعرفة كيف يدفع الطقس الطلاب لتشغيل السخانات أو مكيفات الهواء. ثانيًا، هناك "وكيل السكن الجامعي"، الذي يمثل الغرف المادية وأجهزتها التي تتقادم وتصبح أقل كفاءة وتستهلك طاقة أكبر مع مرور الوقت. ثالثًا، وهو الأهم، هو "وكيل الطالب". لهؤلاء الطلاب الافتراضيين جداول زمنية، وعادات، ومستوى من "الوعي الأخضر" الذي يحدد مدى حرصهم في استخدام الكهرباء. تحاكي النماذج كيف قد يقرر طالب إطفاء الضوء، أو كيف يمكن لمجموعة من زملاء السكن أن يؤثروا على بعضهم البعض في استخدام الطاقة، وكيف يمكن لهذه القرارات الصغيرة أن تمتد لتغير البصمة البيئية الإجمالية للمبنى. والأهم من ذلك، يتضمن النموذج حلقة تغذية راجعة؛ فهو لا يحسب الضرر فحسب، بل يسمح لمدير افتراضي بتجربة استراتيجيات الإدارة، ورؤية النتائج، وتعديل الخطة وفقًا لذلك، مما يخلق دورة مستمرة من التقييم والتحسين.

عندما قام الفريق بإجراء عمليات المحاكاة الخاصة بهم، اكتشفوا أن معاملة العوامل الديناميكية كمتغيرات منفصلة ومستقلة تؤدي إلى أخطاء جسيمة. إذا نظرت فقط إلى كيفية تغير درجة الحرارة، أو فقط إلى كيفية سلوك الطلاب، دون رؤية كيفية تأثيرهم على بعضهم البعض، فقد يخطئ تقييمك بمقدار يصل إلى 226,000 وحدة من الأثر البيئي. كشف النموذج أن أعلى الآثار البيئية لم تحدث دائمًا عندما كان الطقس في أشد حالاته حرارة أو برودة، بل حدثت الذروة عندما تزامنت الظروف الجوية القاسية مع الكثافة السكانية العالية، مثل بداية العام الدراسي، بينما انخفضت الآثار بشكل حاد خلال العطلات عندما يغادر الطلاب الحرم الجامعي، حتى لو ظل الطقل قاسيًا. وقد أكد هذا أن التفاعل بين الناس والبيئة هو المحرك الحقيقي لاستخدام الطاقة، وليس الطقس وحده.

اختبرت الدراسة بعد ذلك استراتيجيتين محددتين لمعرفة ما إذا كان بإمكانهما خفض هذه الآثار. الأولى كانت حملة لتحسين الوعي الأخضر لدى الطلاب من خلال التعليم والمسابقات. والثانية كانت تغييرًا لوجستيًا: إعادة تنظيم توزيع السكن الجامعي بحيث يعيش طلاب السنة الدراسية نفسها معًا، بدلاً من خلط طلاب السنة الأولى مع طلاب السنة النهائية في نفس الغرف. أظهرت النتائج أن كلتا الاستراتيجيتين نجحتا، ولكن بطرق مختلفة. أدى تحسين الوعي الأخضر إلى تقليل الأثر البيئي الإجمالي بنحو 2.7 بالمائة، مما خلق تحسنًا ثابتًا وموحدًا في جميع المباني. أما إعادة تنظيم السكن الجامعي فكانت أكثر فعالية، حيث خفضت الأثر التراكمي بأكثر من 5 بالمائة. ويعود ذلك إلى أن الطلاب في نفس الصف الدراسي يميلون إلى امتلاك جداول زمنية متشابهة، مما يعني أنهم يشغلون ويطفئون الأضواء وأجهزة الكمبيوتر في الأوقات نفسها، مما يقلل من عدد الساعات التي تعمل فيها المعدات المشتركة دون داعٍ.

ربما كانت النتيجة الأكثر كشفًا هي أن نقطة البداية للنظام تهم بشكل كبير. وجد الباحثون أنه إذا كان لدى الطلاب بالفعل وعي أخضر مرتفع، فإن استراتيجية إعادة تنظيم الغرف لا تزال توفر دفعة كبيرة، مما يثبت أن الإدارة الجيدة ضرورية دائمًا بغض النظر عن مدى "خضرة" السكان. وعلى العكس من ذلك، إذا كانت الظروف الأولية سيئة، فإن إمكانات التحسين تكون أكبر، لكن النتيجة النهائية تعتمد على مدى سرعة إمكانية تغيير تلك الظروف. كما سلطت الدراسة الضوء على أن تجاهل تقادم المعدات يؤدي إلى تقدير أقل من الواقع لاستخدام الطاقة في المستقبل، حيث تتطلب الآلات القديمة طاقة أكبر للقيام بنفس المهمة. ومن خلال دمج هذه العوامل في محاكاة واحدة حلقية، أظهر الباحثون أن الإدارة البيئية ليست عملية حسابية لمرة واحدة، بل هي عملية ديناميكية. ويشير عملهم إلى أنه لتقليل العبء البيئي للمباني حقًا، يجب أن نتوقف عن النظر إلى الطقس، والآلات، والناس كقوائم منفصلة، ونبدأ في فهمهم كنظام واحد متفاعل يمكن توجيهه نحو مستقبل أفضل.