چگونه می‌توان بدون سوخت فسیلی ساختمان‌ها را گرم کرد؟

شاید این‌طور به‌نظر برسد که مجراهای فاضلابی سیاه و نمناک بروکسل محل مناسبی برای مخفی‌شدن گنجی ارزشمند نباشد؛ اما روزهای بارانی همه‌چیز را آشکار می‌کند. در طول باران‌های زمستانی، تونل‌های آجری بروکسل به آبراه‌های زیرزمینی تبدیل می‌شود. آب باران ازطریق زه‌کشی‌های خیابانی به فاضلاب حاصل از سینک‌ها و توالت‌ها و حمام‌ها در زیر زمین می‌پیوندد. حجم این مایعات و دمای آن‌ها کارشناسان انرژی بروکسل را شگفت‌زده کرده است.

اولیور بروئرز، سرپرست سرمایه‌گذاری Vivaqua سازمان آب بروکسل می‌گوید: «دمای تونل‌ها همیشه من را شگفت‌زده می‌کند». او اولین‌بار بیست سال پیش و زمانی‌که در بخش احیای تونل بروکسل مشغول به کار بود، شاهد این منبع گرمایی پنهان بود. بروئرز به‌یاد می‌آورد در روزهای برفی و یخی، وقتی برای بازدید از تونل‌های فاضلاب به زیرزمین می‌رفت، متوجه دمای ۱۲ تا ۱۵ درجه‌ای آن می‌شد.

بروکسل سیستم ترکیبی فاضلاب دارد. در این سیستم، آب باران و فاضلاب باهم دفع می‌شود.

پژوهشگران امیدوار هستند بتوانند از گرمای تلف‌شده‌ای که زیر خیابان‌ها جریان دارد، برای گرمایش مسکن شهری استفاده کنند. برداشت گرمای سیستم فاضلاب، تنها یکی از روش‌های کاهش آثار کربنی ناشی از گرمایش است. بخاری‌های برقی یکی از منابع سبز محسوب می‌شود و سیستم‌های متداول‌ گرمایشی مثل آب‌گرم‌کن‌ها و اجاق‌های چوبی، هنوزهم به فرایند احتراق وابستگی دارد که عامل انتشار کربن‌دی‌اکسید در جوّ و گرمایش زمین است. جالب اینجا است راه‌های متداولی که به افزایش امنیت و سکونت‌پذیری خانه‌ها منجر می‌شود، سکونت‌پذیری زمین را به‌عنوان خانه‌ی اصلی انسان‌ها کاهش می‌دهد.

چشم‌انداز تونلی

در بلژیک، گرمایش خانه‌های مسکونی تقریبا ۱۴ درصد از نشر گازهای گلخانه‌ای را تشکیل می‌دهد. بیشترین منبع اتلاف گرما فاضلاب‌ها و زه‌کشی‌های شهری است. برای جبران چنین اتلافی، نمونه‌های اولیه‌ی مبدل‌های گرمایی ساخته شده‌ که در فاضلاب‌ها نصب می‌شود.

مجراهای فاضلاب‌ها منابع غیرمحتملی برای گرمایش خانه‌ها هستند؛ اما ظرفیت زیادی دارد و کربن آزاد نمی‌کند.

مبدل گرمایی لوله‌ی پلاستیکی باریکی است که با آب پر می‌شود و در حالت زیگزاگی، آب در آن جریان پیدا می‌کند. این مبدل به پمپ گرمایی بالای زمین وصل و لوله‌ی زیگزاگی در قسمت پایین مجرای فاضلاب نصب می‌شود. پس از آنکه تونل با فاضلاب پر شد، مبدل فعال و آب داخل محفظه‌ی عایق تا دمای ۱۱ تا ۱۳ درجه‌ی سانتی‌گراد گرم می‌شود. این آب گرم به‌سوی مبدل بالا و خارج از فاضلاب جریان پیدا می‌کند.

مبدل گرمایی در سطح زمین به پمپ گرمایی وصل است. پمپ گرمایی یا «یخچال معکوس» شامل مداری از مایعات سردکننده با نقطه‌ی جوش پایین است. گرمای فاضلاب برای تبخیر مایع سردکننده کافی است. در مرحله‌ی بعد، پمپ گرمایی این گاز را فشرده می‌کند؛ درنتیجه، گرمای آب به ۵۰ تا ۷۰ درجه‌ی سانتی‌گراد می‌رسد که برای گرمایش خانه‌ها کافی است. البته پمپ حرارتی هم آثاری بر محیط خواهد گذاشت. در درجه‌ی اول ماده‌ی سردکننده‌ی به‌کاررفته در این پمپ‌ها مانند ماده‌ی درون کولرها است و درصورت نشت، گاز گلخانه‌ای قدرتمندی خواهد بود.

هانا جونز، مهندس مکانیک و رئیس شرکت مشاوره‌ی انرژی بریتانیایی Greengauge می‌گوید:

پمپ‌های گرمایی همیشه به مایع سردکننده نیاز دارد؛ بنابراین، جست‌وجو برای مایعات سردکننده با تأثیر گلخانه‌ای کمتر ادامه دارد.

پمپ‌های گرمایی به مقدار کمی برق هم نیاز دارد؛ بنابراین، تا وقتی توان لازم از منابع تجدید‌پذیر تأمین نشود، نمی‌توان گفت این روش فاقد هرگونه نشر کربنی است. با‌این‌حال به‌گفته‌ی بروئرز، میزان انرژی تولیدی سیستم یادشده پنج‌‌شش برابر انرژی مصرفی آن است و گرمای تلف‌شده را بازیابی می‌کند. روی‌هم‌رفته طبق تخمین‌ها، تطبیق ۲۰ کیلومتر از لوله‌های فاضلاب با مبدل‌ها می‌تواند سالانه ۲۶ هزار تُن کربن را کاهش دهد. این میزان دقیقا برابر با انرژی ۴،۳۰۰ آب‌گرم‌کن قدیمی است. بروئرز می‌گوید:

مجراهای فاضلاب امکان دسترسی گسترده به مناطق مختلف شهر را فراهم می‌کند و فقط باید از آن‌ها به‌خوبی استفاده کرد.

به‌طور‌کلی، سیستم مجاری فاضلاب بروکسل تقریبا ۱،۹۰۰ کیلومتر تونل دارد. طبق نقشه‌ها، اندازه‌ی تونل‌ها بسته به خیابان‌ها متفاوت است و تمام تونل‌ها به‌اندازه‌ی کافی برای سیستم گرمایشی مفید نیست؛ اما طبق تحلیل‌های دانشگاه Libre De Bruxelles، سیستم گرمایشی مجراهای فاضلاب می‌تواند تا سقف ۳۵ درصد از انرژی تجدیدپذیر شهر را تأمین کند. شهرهای دیگر در حال بررسی امکان استخراج گرما از مجراهای فاضلاب خود هستند. برای مثال، شهرهای آمستتن اتریش و گلاسگوِ بریتانیا و روتردام هلند، در حال توسعه‌ی طرح‌های خود برای استفاده از فاضلاب هستند.

خانه‌های نوساز متعددی در منطقه‌ی Limehouse Cut در شرق داکلندز لندن ساخته شده‌ که استانداردهای انرژی را رعایت کرده‌ است؛ اما ساختمان‌های قدیمی‌تر معمولا غیربهینه است.

از برخی ابعاد، سیستم گرمایش فاضلابی بروکسل سیستمی جدید و نوآورانه است؛ اما از ابعاد دیگر، تاریخچه‌ای طولانی دارد. اولین سیستم‌های گرمایشی پیچیده «آندول‌ها» نام دارد که قدیمی‌ترین آن‌ها با پنج‌هزار سال قدمت در کره‌‌شمالی قرار گرفته است. خانه‌های آندول روی حفره‌ای ساخته می‌شد که در یک سمت آن آتش و در سمت دیگرش دودکش قرار می‌گیرد. دود داغ کف خانه و فضای بالای آن را گرم می‌کرد.

رومی‌ها هم تقریبا دوهزار سال پیش ایده‌ی مشابهی به‌نام گرمابه را مطرح کردند. آن‌ها ویلاها و حمام‌های بزرگی روی بستری از ستون‌های کوچک می‌ساختند و بدین‌ترتیب، فضایی خالی زیر اتاق‌ها به‌وجود می‌آمد. سیستمی از جریان‌ها هوای داغ را از زیر کوره به شکاف‌ها منتقل می‌کرد و کف زمین گرم می‌شد.

افزایش حرارت

هم آندول‌ها و هم گرمابه‌ها گرما را از منبعی واحد به اتاق‌های مختلف منتقل می‌کر. تمام این سیستم‌ها بر این اصل استوار بود که هوای کم‌چگالی گرم بالا می‌رود. امروزه در شرق لندن، معمارها برای ساخت آندول‌های معکوس در تلاش است که گرما را از بالا به سمت پایین منتقل می‌کند.

کرانه‌های Limehouse Cut در نزدیکی لندن یکی از کانال‌های قدیمی شهر است. در این منطقه، ساختمان‌های مسکونی جدیدی در کنار انبارها ساخته شده‌ است. این کانال زمانی برای انتقال فضولات به‌کار می‌رفت که بخش زیادی از آن‌ها پسماندهای خاکستر زغال‌سنگ حاصل از گرمایش خانه‌ها بود. با اینکه زغال‌سنگ و نشر و ضایعات آن در سطح گسترده‌ای از این منطقه پاک شد، هنوز اغلب خانه‌های منطقه برای گرمایش از روش‌های کربنی استفاده می‌کند. آب‌گرم‌کن‌ها یکی از عوامل اصلی نشر گاز کربن‌دی‌اکسید در مناطق مسکونی بریتانیا است.

برای گرم‌شدن در زمستان لزوما نباید به محیط‌زیست آسیب زد.

در میان ساختمان‌های قدیمی منطقه‌ی Limehouse Cut، ساختمان‌های بهینه‌ای هم دیده می‌شود. سیف‌محمد می‌گوید: «اولین افرادی بودیم که حاضر شدیم در آزمایش‌های گرمایشی مشارکت کنیم». در سال ۲۰۰۹، گروه معماری پایدار Bere:Architect خانه‌ی سیف‌محمد را برای بازسازی براساس استانداردهای انرژی بهینه انتخاب کردند. بازسازی این خانه یکی از نوسازی‌ها پسیو در لندن است. اصول ساخت معماری پسیو منطبق با انرژی باد و خورشید و ویژگی‌های ذاتی مصالح ساختمانی و هدف آن حفظ گرما در زمستان و حفظ خنکی خانه در تابستان است.

سیف‌محمد در آزمایش سیستم گرمایشی همکاری می‌کند. این سیستم برای بازیابی هوای گرم بالا‌رونده از داخل خانه‌ها و هدایت آن به نقاط سودمند به‌کار می‌رود.

سیف‌محمد کشویی از فیلترها را بازمی‌کند که برای پالایش هوای بیرون به‌کار رفته‌ است. به‌دلیل هوای آلوده‌ی لندن باید هر سه ماه یک‌بار فیلترها را تعویض کرد. با‌این‌حال، فیلترها باعث شد علائم آسم پدر محمد تا اندازه‌ای کاهش پیدا کند. به‌طور‌کلی، اگر تلاشی برای عایق‌کردن خانه نشود، استفاده از هواکش‌ها هم بیهوده بود. قبل از نصب عایق‌ها، خانه سرد و گرم‌کردن آن هم کار دشواری بود. محمد می‌گوید: «ازآنجاکه شیشه‌ها تک‌جداره بود، همیشه بخار می‌گرفت». قبلا او مجبور بود شیشه را به‌دلیل جمع‌شدن بخارآب مرتب تمیز کند؛ اما شیشه‌های سه‌جداره همه‌چیز را تغییر داد. یکی از عناصر اصلی کاهش اثر کربنی خانه‌ها، حفظ گرمایش خانه‌ها به‌جای ایجاد گرمایش بیشتر است. جاستین بر معمار می‌گوید:

باید عایق را به‌عنوان منبعی گرمایی در نظر گرفت. در‌صورتی‌که بخش زیادی از گرما ازطریق دیوارها و پنجره‌ها تلف شود، ایجاد منبع گرمایش بدون نشر کربنی چه سودی خواهد داشت.

تصویر حرارتی خانه‌ی سیف‌محمد به وضوح نشان می‌دهد چگونه برای حفظ گرما تلاش می‌کند؛ در‌حالی‌که همسایگانش اجازه می‌دهند گرما از خانه‌هایشان بگریزد. در تصویر زیر، خانه‌ی محمد مستطیلی تیره است که در میان خانه‌های پراتلاف نارنجی‌رنگ مشخص شده است.

عایق‌سازی صحیح خانه تأثیر درخورتوجهی بر قابلیت حفظ گرما و کاهش اثر کربنی خواهد داشت.

دام خورشیدی

شاید باورش سخت باشد که در زمستان اروپای‌شرقی، بتوان از خورشید برای گرمایش خانه‌ها استفاده کرد؛ اما با تنظیمات دقیق و مناسب، این کار امکان‌پذیر است. اولین گزینه می‌تواند استفاده از پنل‌های خورشیدی باشد؛ با‌این‌حال، پنل‌های خورشیدی قدرت کافی برای گرم‌کردن ساختمان‌های بزرگ را ندارد. از این پنل‌ها صرفا می‌توان برای گرم نگه‌داشتن حمام یا دست‌شویی استفاده کرد؛ اما برای فضاهای بزرگ‌تر، به منابع گرمایشی بزرگ‌تری نیاز است. حتی خانه‌های دارای استاندارد بهینه‌ی انرژی باید کل سقف خود را با پنل‌ها بپوشاند.

با افزایش ارتفاع ساختمان به بیش از ۶ طبقه، مشکل فضا پیچیده‌تر می‌شود؛ درنتیجه، تقاضا برای انرژی افزایش پیدا می‌کند. سباستین مورنو واکا، معمار بلژیکی می‌گوید: «باید از سقف ساختمان‌ها هم استفاده کنیم». معماران و کارشناسان انرژی برای حل مشکل فضا از ایده‌ی بهره‌ی خورشیدی استفاده می‌کنند. ساختمان‌های هفت طبقه در منطقه‌ی سرسبز والاو بروکسل، یکی از نمونه‌های جدید این ایده است. این ساختمان در سال ۲۰۱۸ بازسازی و مجموعه‌‌ای از بالکن‌ها به آن اضافه شد که دیوارها را با زاویه‌هایی تند به یکدیگر وصل می‌کند.

ساختمانی با بالکن‌های عجیب زاویه‌دار می‌تواند دمای داخل را تا چند درجه افزایش دهد.

در فصل زمستان، زمانی‌که نورخورشید کم است، شکل‌های اریب این ساختمان امکان ورود نور به شیارهای زیر سقف را می‌دهد. در فصل تابستان هم، این بالکن‌ها سایه‌های مناسبی فراهم می‌کند. به این ساز‌و‌کار «دام خورشیدی» گفته می‌شود که به‌معنی اختلاف دمای کم سردترین و گرم‌ترین‌ ماه‌های سال است.

ارتفاع نورخورشید در آسمان سراسر دنیا متغیر است. برای مثال، زاویه‌ی سایه‌های خانه‌ای واقع در ارتفاعات سوئد با خانه‌ای واقع در کشوری نزدیک استوا متفاوت است. هر ساختمان به زاویه‌های متناسب با موقعیت خود در کره‌ی زمین نیاز دارد. خوشبختانه نرم‌افزارها محاسبه‌ی بهره‌ی خورشیدی را آسان‌تر کرده‌ است و شکل‌های مفیدی براساس زاویه‌های فصلی نور در مختصات‌ مشخص تولید می‌کند.

بسته به موقعیت ساختمان‌ها در سراسر جهان، می‌توان آن‌ها را برای استفاده از زاویه‌ی دقیق خورشید در آسمان زمستان تطبیق داد.

در بروکسل، ساختمان‌های منطبق با نورخورشید فراگیرتر شده‌ است. پنج سال پیش، بروکسل اولین قانون خانه‌های پسیو را تصویب کرد. طبق این قانون، خانه‌ها باید براساس استانداردهای بهینه‌سازی انرژی ساخت و بازسازی شود. ایولین هویتبروک، وزیر سابق محیط‌زیست منطقه‌ی بروکسل، یکی از پیش‌گامان این قانون بود. او می‌گوید:

این قانون یکی از اولویت‌های من بود؛ زیرا بازدهی انرژی فقط در صورتی حاصل می‌شود که بتوانیم بخش زیادی از انتشار کربن‌دی‌اکسید را متوقف کنیم.

از زمان تصویب قانون بهینه‌سازی انرژی، بروکسل به پایتخت معماری پسیو تبدیل شد. مورنو واکا می‌گوید:

بهترین نکته درباره‌ی این نوع معماری عادی‌شدن آن است. کارگران و معماران خود را با شرایط سخت تطبیق می‌دهند.

به‌دنبال بروکسل، شهر لوکزامبورگ نیز در سال ۲۰۱۷ قانون مشابهی تصویب کرد. شهرهای دیگری مثل ونکوور کانادا هم برای کاهش نشر کربن به‌دنبال معماری پسیو هستند. سال گذشته، مجموعه‌ای از انجمن‌های مسکن پسیو در نورویچ بریتانیا موفق شد جایزه‌ی مؤسسه‌ی سلطنتی معماران بریتانیایی استرلینگ را کسب کند که نوعی اسکار در معماری به‌شمار می‌رود. جونز وظیفه‌ی طراحی مکانیک حرارتی خانه‌ها را برعهده داشت. وی می‌گوید:

این جایزه نشان می‌دهد بازدهی گرمایی امروزه به اولویت تبدیل شده است.

بهبود گرمایش یکی از اهداف نویدبخش در بحث گذار به‌سمت کربن صفر است. فناوری‌های جدید می‌توانند انرژی‌های ورودی را تجدیدپذیر کنند و اتلاف آن‌ها را کاهش دهند و از همه مهم‌تر، طرح‌های گرمایشی از برداشت گرمای مجاری فاضلاب تا استفاده از زاویه‌های دقیق خورشیدی در فصل زمستان، آثار مثبتی بر محیط خواهد گذاشت؛ بنابراین، به‌جای طراحی سیستم‌های گرمایشی علیه محیط، باید به فکر ساخت سیستم‌های گرمایشی سازگار با محیط بود.