تحليل أداء مقارن للطاقة الحرارية الجوفية منخفضة الإنثالبي في المناخات الجافة وشبه الجافة

تبريد المباني بقوة الأرض الهادئة

في المناطق الحارة، تعمل مكيفات الهواء بجهد زائد، مما يجهد شبكات الكهرباء والميزانيات ويزيد من انبعاثات التغير المناخي. تستكشف هذه الدراسة مساعدًا أكثر هدوءًا يقع تحت أقدامنا مباشرة: درجة حرارة الأرض المستقرة على بعد بضعة أمتار تحت السطح. من خلال استخدام أنابيب مدفونة للوصول إلى هذا المناخ تحت الأرض، يمكن للمباني تبريد أو تسخين الهواء النقي قبل دخوله وتقليل العمل المطلوب من المكيفات والسخانات.

فكرة بسيطة تحت أقدامنا

بعيدًا عن تقلبات الشمس والرياح اليومية، تبقى الأرض عند درجة حرارة تقارب الثبات طوال العام. يستفيد النظام الذي فحصته هذه الدراسة، المسمى مبادل حرارة أرضي-هوائي، من ذلك الوسط الأرضي المستقر. يَسحب مروحة الهواء الخارجي عبر أنابيب بلاستيكية طويلة مدفونة على عمق عدة أمتار. أثناء تحرك الهواء عبر الأنبوب، يتبادل الحرارة مع التربة المحيطة. يُبرَّد الهواء الحار القادم من الشوارع الصيفية قبل وصوله إلى المبنى، بينما يُدفأ الهواء البارد الشتوي بلطف. هذا "التهيئة المسبقة" تقلل الفجوة الحرارية التي يجب على الأنظمة الميكانيكية تجاوزها، مما يوفر الطاقة دون تغيير كيفية استخدام الناس لمساحاتهم.

اختبار الأرض في مدينتين مصريتين

استخدم الباحث نموذج كمبيوتري مفصل، تم التحقق منه سابقًا مقابل تجارب، لرؤية مدى فاعلية نظام الأنابيب المدفونة هذا في مناخين مصريين مختلفين جدًا. تمثل أسوان، في صعيد مصر، مدينة صحراوية شديدة الحرارة والجفاف، بينما تتميز الإسكندرية الساحلية بمناخ شبه جاف أكثر اعتدالًا بتأثير البحر الأبيض المتوسط. استُخدمت سجلات الطقس الطويلة الأمد لكل مدينة لتقدير كيفية تغير درجة حرارة التربة مع العمق وعلى مدار العام. ثم أُدخلت هذه الملفات الترابية في نموذج لتدفق الهواء وانتقال الحرارة داخل الأنبوب المدفون، مما أتاح للدراسة استكشاف كيف تؤثر خيارات التصميم والمناخ المحلي على الأداء.

إيجاد النقطة المثلى لتصميم الأنابيب

اختبرت الدراسة كيف تؤثر طول الأنبوب وعمق الدفن وسرعة الهواء وقطر الأنبوب على درجة حرارة الهواء الخارج من النظام. يحدث معظم التبريد في أول 20 مترًا من الأنبوب، مع تلاشي الفائدة بعد نحو 40 إلى 50 مترًا. يؤدي الغوص أعمق في الأرض إلى تحسين الأداء حتى حوالي 4 إلى 5 أمتار، حيث تصبح درجة حرارة التربة مستقرة جدًا؛ والحفر أعمق يزيد التكلفة مع مكسب ضئيل. توفر سرعات الهواء الأبطأ، خاصة حول مترين في الثانية، وقتًا أطول للهواء ليتكيف نحو درجة حرارة التربة دون طلب طاقة مروحة عالية. الأنابيب الأضيق بقطر يتراوح بين 0.1 إلى 0.2 متر تعطي انخفاضًا حراريًا أقوى، وإذا كانت هناك حاجة لكمية هواء أكبر فمن الأفضل تركيب عدة أنابيب على التوازي بدلاً من أنبوب واحد كبير.

لماذا يمكن للصحراء أن تساعد في الراحة

عند تطبيق أفضل إعدادات الأنبوب، قارن النموذج الأداء في أشد الساعات حرارة في كلتا المدينتين. في أسوان، برّد النظام الهواء الداخل بحوالي 11 درجة مئوية، بينما كان الانخفاض في الإسكندرية حوالي 7.6 درجات، مما يمنح المدينة الصحراوية تقليلًا أكبر بنسبة 45 في المئة. العامل الحاسم ليس الموسم بحد ذاته بل حجم فرق الحرارة بين هواء الخارج والتربة غير المضطربة. في الشتاء، عندما تكون الأرض أدفأ من الهواء، يمكن لنفس الإعداد أن يسخّن الهواء مسبقًا؛ في الإسكندرية كان هذا الإمكان للتدفئة الشتوية أقوى حتى من تأثير التبريد الصيفي. على مدار العام، توفر المواقع ذات درجات الحرارة الأكثر تطرفًا والفجوة الأكبر بين الهواء والتربة، مثل أسوان، أكبر وفورات.

ما الذي يعنيه هذا للمباني المستقبلية

تُظهر هذه الدراسة أن أنظمة الأنابيب المدفونة البسيطة يمكن ضبطها حسب الظروف المحلية وتقدم فوائد مستقرة في فصلي التدفئة والتبريد. من خلال تحديد نطاقات تصميم عملية للعمق والطول وسرعة الهواء وحجم الأنبوب، توفّر الدراسة خارطة طريق لاستخدام الأرض كشريك طبيعي لأنظمة التكييف والتدفئة التقليدية. بينما ستحتاج الأبحاث المستقبلية إلى النظر في نظم المباني الكاملة وشبكات الأنابيب المعقدة وسلوك التربة على المدى الطويل، فالنصيحة للقراء العامين واضحة: في المناطق الحارة والجافة، يمكن لدرجة الحرارة الهادئة والثابتة تحت الأرض أن تلعب دورًا كبيرًا في جعل الحياة الداخلية أكثر راحة مع تقليل استهلاك الطاقة.

الاستشهاد: Hegazy, A. Comparative performance analysis of low-enthalpy geothermal energy in arid and semi-arid climates. Sci Rep 16, 14279 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47489-4

الكلمات المفتاحية: مبادل حرارة أرضي-هوائي, تبريد جيولوجي, مناخ صحراوي, طاقة المباني, تبريد سلبي