نظام التبادل الجغرافي لشركة ZGF Architects في برينستون يقود ثورة تحت الأرض

يبدو ملعب ميسليك التابع لجامعة برينستون مثل العديد من ملاعب كرة القدم، ولكن تحت عشبه المشذب توجد العشرات من الثقوب المملوءة بأنابيب بلاستيكية تحصد درجة حرارة الأرض الثابتة (حوالي 56 درجة فهرنهايت) لتدفئة وتبريد عشرات المباني في الحرم الجامعي المترامي الأطراف. وبالمثل، يستضيف هيكل موقف السيارات جنوب الحقل العديد من الثقوب التي تغذي – وتغذيها – تكنولوجيا المضخات الحرارية الموجودة في هيكل طويل ومنخفض ومكسو بالمعادن الرمادية يُسمى بشكل متقن “مورد التبادل الجغرافي المتكامل حرارياً”، والذي يشكل بشكل لطيف اختصار لتميمة الجامعة: TIGER.

إن التبادل الجغرافي، الذي يستلزم سحب الدفء من الأرض لتدفئة المباني بالإضافة إلى حقن الحرارة في الأرض للتبريد، يمكن اعتباره مصدرًا متجددًا يساء فهمه، حيث تم تجاهل وعده العظيم إلى حد كبير في المناقشات التي انتقلت من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح إلى الطاقة المتجددة. وتكنولوجيات التوليد التي لم يتم تعميمها بعد، مثل الاندماج النووي والهيدروجين، ناهيك عن الطاقة النووية العالية التكلفة. وفي برينستون، وعلى نحو متزايد في بناء المجمعات لمستخدمي الطاقة المكثفة الآخرين، بدأت الإمكانات الحقيقية لهذه التكنولوجيا تتحقق. وفي حالة جامعة برينستون، من المتوقع أن تساهم في ما يقرب من 40% من خفض الكربون التشغيلي للجامعة بحلول عام 2046 (الذكرى السنوية الـ 300 لتأسيسها)، وهو العام الذي تخطط فيه لتحقيق وضع محايد للكربون. (ومع ذلك، يمكن تركيب الأنظمة الفعالة في هياكل صغيرة مثل المنازل).

قد يكون التبادل الجغرافي مصطلحًا غير مألوف، لكنه يحل محل مصطلح الطاقة الحرارية الأرضية الأكثر شيوعًا، والذي يصف في الوقت الحاضر التكنولوجيا الناشئة العميقة للغاية التي تطمح إلى الاستفادة من حرارة تتجاوز 160 درجة فهرنهايت من أعماق تصل إلى 1600 قدم أو أكثر لاستخدامها في توليد الطاقة. والعمليات الصناعية.

وقد تم حفر حوالي 1700 حفرة يتراوح عمقها بين 600 و850 قدمًا في الحرم الجامعي حتى الآن، وتم قطعها من خلال الأساس الصخري لأطوال كبيرة. وهذا مكلف، لكن الصخور والمياه الجوفية التي تلتقطها، كلاهما موصل للغاية، وبالتالي فعالان في دورهما كمصدر للحرارة في الشتاء ومشتت للحرارة في الصيف.

إن مبنى TIGER، ومبنى المرافق المركزية الأصغر حجمًا (نعم، يتم اختصاره إلى CUB)، وكلاهما صممه مكتب ZGF بواشنطن العاصمة، يجعلان عنصر “التبادل” في النظام مرئيًا من خلال النية. “الفكرة المعمارية بسيطة ومتواضعة وليست ثمينة”، يوضح توبي هاسيلغرين، شريك ZGF. ومع ذلك، يحتفظ كلا المبنيين بطابعهما المعماري الخاص ويثيران الفضول حول ما يوجد بداخلهما.

على طول الواجهة الخارجية للشارع ذات الإطار الفولاذي التي تبلغ مساحتها 38000 قدم مربع، تكشف نافذة مستديرة ومساحة من الزجاج القابل للتشغيل عن المضخات، ومشعبات ضخمة معلقة في السقف (تخلط المياه من أنابيب البئر)، والمضخات الحرارية التي حالة درجة حرارة الماء. أنشأ فريق التصميم والهندسة والبناء نظامًا أنيقًا للغاية من متاهة السباكة هذه، بمساعدة الترميز اللوني لسترات الأنابيب: إمداد وإرجاع مياه الآبار (الأزرق)، وإمدادات المياه المبردة وإرجاعها (الأخضر). وإمدادات المياه الساخنة (الأحمر أو البرتقالي). يضيء مبنى كتابي بطول المبنى المعدات، ويرسل أعمدة من ضوء النهار تذكرنا بالصور الصناعية الرائعة لمارغريت بورك وايت في ثلاثينيات القرن العشرين. الألواح الزجاجية كبيرة بما يكفي للسماح بتركيب معدات إضافية وسهولة استبدالها وإمالتها للأعلى وللخارج.

يوجد داخل TIGER متاهة منظمة من أنابيب الإمداد والعودة المرمزة بالألوان. الصورة © هالكين ماسون، انقر للتكبير.

يتم إرسال المياه إلى صهاريج تخزين حرارية أو باردة معزولة مجاورة – ملفوفة بنمط أنيق من الألواح المعدنية بثلاثة ظلال من اللون الرمادي – للاستخدام الفوري أو القصير الأجل. تقوم الأنابيب المدفونة المعزولة بقطر 20 بوصة بنقل المياه من وإلى الأنظمة الميكانيكية للمباني الفردية.

يخدم CUB المتواضع الذي تبلغ مساحته 17000 قدم مربع قمرًا صناعيًا جديدًا يسمى حي ميدوز، والذي يرتفع في الحقول الزراعية السابقة عبر بحيرة كارنيجي من الحرم الجامعي الرئيسي. بفضل سقفه المسنن وشكله الخارجي المتنوع من الطين، يبدو وكأنه مبنى زراعي مصمم جيدًا. تأتي اللمسة الجذابة لحاجب المطر من مزج لون واحد من الطين في ثلاثة مواد. تعمل أشكال “الرغيف الفرنسي” كشفرات تهوية لفحص المبردات الهجينة التي تخدم مركز شبكة تكنولوجيا المعلومات في الحرم الجامعي. تغطي الألواح الخرسانية المقعرة مسبقة الصب مركز التحكم في النظام (الذي يحتاج في بعض الأحيان فقط إلى تزويده بالموظفين) وتمتد إلى ما وراء المبنى على ارتفاع الواجهة المواجهة للشارع لفحص خزانات المياه الساخنة والباردة داخل ساحة الخدمة.

مثل TIGER، يضم CUB الأنابيب الملونة والبنية التحتية للمضخات الحرارية للتبادل الجغرافي. لقد تم تقليص كل ذلك، لأن التثبيت سيخدم مساحة أقل من المساحة ولأن الإنشاءات الجديدة التي تخدمها يتم بناؤها وفقًا لمعايير كفاءة أعلى وأكثر اتساقًا من تلك الموجودة في الحرم الجامعي الرئيسي. مساحة من الزجاج المواجه للجنوب تعرض السباكة للمارة، لإثارة الفضول حول تكنولوجيا التبادل الجغرافي وكأداة تعليمية. تفتح النوافذ القابلة للتشغيل في الحائط الساتر للسماح للهواء المحيط باستبدال الدفء الناتج عن المعدات، والذي يتم استخراجه بواسطة خط متواضع من مجاري الهواء أسفل السقف.

يقع CUB الذي تبلغ مساحته 17000 قدم مربع والمكسو بالطين بجوار صهاريج تخزين الطاقة الحرارية. الصورة © هالكين ماسون

يتم الانتهاء من ملعب البيسبول فوق حقل البئر. وسيزداد عدد الآبار التي تخدم السهول، والذي يبلغ حاليًا 500 بئر، مع بنائها. يخدم CUB مجمعًا سكنيًا جديدًا لطلاب الدراسات العليا مكونًا من ثلاثة مباني و379 وحدة، ومجمعًا لرياضات المضرب قيد الإنشاء، ومقرًا ميدانيًا للرجبي. على الرغم من أن CUB يقف بمفرده الآن، إلا أنه كان على ZGF أن تأخذ في الاعتبار خططًا طويلة المدى لتشييد المباني حول المنشأة. يعمل كل من CUB وTIGER بهدوء ولا ينبعث منهما أي دخان أو بخار.

هيكل موقف السيارات المجاور لـ CUB مغطى بقماش مغطى بالتفلون. الصورة © هالكين ماسون

إن العناية التي يتم الاهتمام بها فيما يتعلق ببنية البنية التحتية، والتي عادة ما تكون مخفية، لا تقتصر على مجرد رغبة برينستون في عرض تكنولوجيا الطاقة الجديدة التي تمتلكها. يقع كلا المرفقين عند مداخل الحرم الجامعي، وأبرزها CUB كأول مبنى جامعي تواجهه الحشود التي تدخل الحرم الجامعي عبر طريق واشنطن. يقع خلف زقاق محبوب من أشجار الدردار الناضجة ويرتبط بمبنى موقف سيارات مجاور، والذي حجبته شركة ZGF بهدوء في قماش مغطى بالتفلون مع ألواح عمودية محدبة. إنها تعكس الألواح الخرسانية المقعرة الخاصة بـ CUB، والتي تحيط بالمرآب أسفل حجاب القماش. تم ربط TIGER أيضًا بهيكل لوقوف السيارات عبر الشارع. يشكلون معًا جدارًا مغلقًا للشارع عند مدخل ثانوي للحرم الجامعي الرئيسي.

سيتم تحويل محطة الطاقة الغربية، وهي منشأة قديمة مشتركة للطاقة والحرارة (CHP) تعمل بالغاز، بشكل تدريجي إلى التبادل الجغرافي. وبالتعاون مع TIGER وCUB، ستخدم التدفئة والتبريد من مصادر أرضية ما يصل إلى 200 مبنى في الحرم الجامعي، مما يجعلها من بين أكبر هذه المنشآت. تم تركيب هذه التكنولوجيا في مشاريع أصغر أولاً، بما في ذلك مركز لويس للفنون (2017) وشقق ليكسايد للدراسات العليا (2015).

جاء الالتزام بتوسيع نطاق التبادل الجغرافي في الحرم الجامعي من خلال “خريطة طريق طويلة”، وفقا لرون ماكوي، مهندس الجامعة. تضمنت الخطة الرئيسية للحرم الجامعي خطة رئيسية للبنية التحتية المرتبطة بهدف محايد الكربون. يقول مكوي: “كنا بحاجة إلى التخلص من نظامنا البخاري، الذي كان قديمًا وغير فعال للغاية”. “تطلبت حالة العمل كالمعتاد حفر أنابيب بخار عمرها 100 عام واستبدالها، لذلك أصبح استبدال الدولارات بالمياه أمرًا مقنعًا”. وكشف تحليل التبادل الجغرافي عن مزايا كبيرة من حيث التكلفة. يقول مكوي: “لا يلزم تسخين الماء الساخن للتدفئة أو الاستخدام المنزلي إلا إلى 125 درجة”. “يجب تسخين البخار إلى 400 درجة.” ومن المزايا الإضافية لاستبدال تقنية CHP الخاصة بالمحطة الغربية هو التخفيض الكبير في استخدام المياه للتبريد، والذي كان يمثل تاريخيًا حوالي 40 بالمائة من إجمالي استهلاك المياه في برينستون.

ويضيف بن بيتريك، مساعد المهندس المعماري الجامعي، أن العقبة الأكبر كانت التكلفة الأولية. والمكافأة هي أن جامعة برينستون تحصل على أربع وحدات من الطاقة مقابل كل وحدة مطلوبة لتدوير المياه عبر النظام وتشغيل المضخات الحرارية. ويقول: “كانت أنظمتنا القديمة تتطلب أربع أو خمس وحدات لإنتاج وحدة واحدة من الإنتاج”. يقول مكوي: «في السنة الأولى من تشغيل منشأتي التبادل الجغرافي، «أثبتتا أنهما أكثر فعالية وكفاءة مما كان مخططًا له». “كنا بحاجة إلى حفر آبار أقل مما توقعنا.”