هذا الأسبوع، تعاني معظم الولايات المتحدة من موجة حر جديدة. حتى الآن هذا العام، سجلت 15 دولة أرقامًا قياسية في درجات الحرارة العالية. في يوليو الماضي، كانت درجة الحرارة العالمية المتوسطة، مع الأخذ بعين الاعتبار موجات الحر في مناطق متعددة حول العالم، على الأرجح هي الأكثر حرارة خلال الـ 120,000 سنة الماضية. يسبب الإجهاد الحراري بالفعل وفاة حوالي 500,000 شخص حول العالم سنويًا - وهو رقم تتوقع منظمة الصحة العالمية أن يرتفع خمسة أضعاف بحلول عام 2050.
نظرًا لأن الحرارة يمكن أن تكون مسألة حياة أو موت، فإن تكييف الهواء أمر ضروري. لكنه ليس مجرد ضرورة لصحة الإنسان؛ بل نحتاجه أيضًا لتبريد الطعام والأدوية، ولتكييف أجهزة الكمبيوتر في مراكز البيانات وفي عمليات التصنيع للإلكترونيات والأدوية وغيرها من الأسباب. المشكلة: كلما زاد التبريد الذي نقوم به، زادت انبعاثات غازات الدفيئة التي تسهم في ارتفاع درجة حرارة الكوكب.
لماذا يعتبر تكييف الهواء ضروريًا
في عام 2023، عانى حوالي 3.8 مليار شخص حول العالم من درجات حرارة شديدة لمدة يوم واحد على الأقل، وتوفي أكثر من 47,000 شخص في أوروبا وحدها بسبب أسباب مرتبطة بالحرارة.
لم يعد تكييف الهواء مجرد رفاهية بل أصبح ضرورة لصحة الإنسان حيث إن الإجهاد الحراري هو السبب الرئيسي للوفاة المرتبط بالطقس. عندما يتجاوز مؤشر الحرارة 90°F (32°C)، هناك خطر الإصابة بضربة الشمس حيث ينتقل الدم من الأعضاء الرئيسية إلى الجلد لتبريده؛ وإذا حُرم الأكسجين يمكن أن تتوقف الأعضاء عن العمل بشكل صحيح. قد تسبب الحرارة أيضًا نوبات وفشل قلبي لدى الأشخاص الذين يعانون من أمراض القلب حيث يجب على القلب العمل بجهد أكبر للحفاظ على ضغط الدم عندما يحاول الجسم الحفاظ على برودته. يمكن أن يؤدي التعرق المفرط إلى تقليل تدفق الدم إلى الكلى مما قد يتسبب في تلفها. إذا تعرضت امرأة حامل لدرجات حرارة مرتفعة جدًا فقد يولد طفلها قبل موعده أو يكون وزنه منخفضاً عند الولادة أو يعاني من تشوهات خلقية أو يكون ميتاً عند الولادة. تؤثر الحرارة أيضًا على الأداء الإدراكي وقد تعيق قدرة الأطفال على التعلم. قد تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تفاقم تلوث الهواء مما يزيد الأمراض التنفسية.
الأكثر عرضة للخطر أثناء ارتفاع درجات الحرارة هم الأطفال الصغار وكبار السن والأشخاص الذين يعانون من مشاكل صحية مزمنة والنساء الحوامل والعاملون في الخارج وذوو الدخل المنخفض.
استخدام تكييف الهواء آخذٌ في الازدياد
أظهرت الدراسات أن درجات الحرارة اليومية المستمرة فوق 86°F (30°C) تزيد مبيعات أجهزة التكييف بنسبة تصل إلى 16% أسبوعيًا. اليوم يوجد حوالي ملياري جهاز تكييف هواء حول العالم ويتوقع الوكالة الدولية للطاقة أنه سيكون هناك حوالي 5.6 مليار جهاز بحلول عام 2050 وهذا يعني شراء عشرة أجهزة جديدة كل ثانية حتى ذلك الحين!
يزداد استخدام أجهزة التكيف لأن أماكن مثل شمال غرب المحيط الهادئ الأمريكي والمملكة المتحدة وألمانيا والدول الاسكندنافية وأجزاء من أمريكا الجنوبية وإفريقيا وآسيا التي لم تكن بحاجة إليها تاريخياً أصبحت الآن أكثر سخونةً . كما تدفع زيادة الدخل نحو شراء أجهزة التكيف؛ وفقًا للاقتصاديين فإن مشتريات أجهزة التكيف ترتفع بعد وصول دخل الأسر السنوي إلى $10,000 . ومع ارتفاع الدخل في الدول النامية سيزداد عدد الأشخاص الذين يرغبون ويحتاجون للوصول إلى مكيفة هواء .
بالإضافة لذلك ، يعيش حاليًا %56من سكان العالم داخل المدن ومن المتوقع أن يتضاعف عدد السكان الحضريين أكثر بحلول عام2050 . تميل درجات حرارة المدن لأن تكون أعلى مقارنة بالمناطق المحيطة بها بسبب تأثير جزيرة الحرارية الحضرية نتيجة لامتصاص البيئة المبنية للحرارة والاحتفاظ بها .
إذا استمر الاتجاه الحالي للاحتباس الحراري ، بحلول عام2050 ، ستشهد ما يقرب من1000 مدينة تحتوي1,6 مليار نسمة متوسط درجات حرارة صيفية عالية تبلغ95°F(35°C).
الذكاء الاصطناعي يحتاج المزيد والمزيد للتبريد
النمو السريع للذكاء الاصطناعي والحوسبة السحابية والعملات المشفرة يضيف أيضًا الطلب المتزايد للتبريد لأن الخوادم الموجودة بمراكز البيانات يجب الحفاظ عليها باردة لتعمل بشكل صحيح.مراكز البيانات وتحديات التبريد
تساهم مراكز البيانات بنسبة تتراوح بين 2.5 إلى 3.7 في المئة من انبعاثات غازات الدفيئة العالمية، متجاوزة حتى تلك الخاصة بصناعة الطيران. ويستخدم حوالي 40 في المئة من استهلاك الطاقة فيها لأغراض التبريد. علاوة على ذلك، مع زيادة قدرات وتعقيد نماذج الذكاء الاصطناعي بسرعة خلال السنوات القليلة المقبلة، ستزداد أيضًا احتياجاتها من المعالجة واستهلاك الطاقة. وبسبب النمو الهائل للذكاء الاصطناعي، تتوقع وكالة الطاقة الدولية أن تزداد الطلبات على الطاقة لمراكز البيانات بمقدار عشرة أضعاف بحلول عام 2026 مع تخزين ومعالجة المزيد من البيانات.
تتحرك بعض مراكز البيانات نحو طرق تبريد بديلة. يستخدم الباحثون في مايكروسوفت سائلًا خاصًا مصممًا ليغلي عند درجة حرارة أقل بـ90 درجة عن نقطة غليان الماء لتبريد المعالجات الحاسوبية. يتم غمر الخوادم في هذا السائل الذي لا يضر بالمعدات الإلكترونية. كما تجرب مايكروسوفت أيضًا مراكز بيانات تحت الماء تعتمد على المحيط لتبريد الخوادم، والتي تستخدم تيارات المحيط والتوربينات الهوائية القريبة لتوليد الطاقة المتجددة. تقود شركة ثاليز ألينيا سبيس دراسة حول جدوى بناء مراكز بيانات في الفضاء التي ستعمل بالطاقة الشمسية. ومع ذلك، لا تزال معظم مراكز البيانات تستخدم نظام التبريد بالهواء.
الوصول إلى التبريد كقضية عدالة بيئية
قالت شيلا فوستر، أستاذة المناخ في مدرسة كولومبيا للمناخ: “مع تزايد حالات الحرارة الشديدة حول العالم، وخاصةً في المجتمعات الجنوبية العالمية وكذلك المجتمعات الضعيفة هنا، أصبح تكييف الهواء أقل رفاهية وأكثر ضرورة وبالتالي يمكن اعتباره حقاً إنسانياً”.
يزيد الحر من عدم المساواة لأن الوصول إلى وسائل التبريد مرتبط بالثروة؛ حيث يمتلك 90% من الأسر الأمريكية واليابانية أجهزة تكييف هواء مقارنةً بـ8% فقط من الأشخاص في أكثر المناطق حرارة بالعالم. وفي أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، تقل نسبة المنازل التي تمتلك وسائل تبريد عن 4% وهذه النسبة تقريباً تشمل أغنى الأسر فقط.
بالإضافة إلى ذلك، فقد تم حرمان العديد من المناطق الفقيرة والمجتمعات المهمشة في الولايات المتحدة – وخاصة تلك التي تم تصنيفها سابقًا كمناطق حمراء – من الاستثمارات لعقود طويلة مضت. قالت فوستر: “تفتقر هذه المجتمعات للبنية التحتية الخضراء ولغطاء الأشجار والبنية الطبيعية التي يمكن أن تساعدهم على تقليل تعرضهم للحرارة”. وأظهرت دراسة وطنية لـ37 مدينة أن المناطق التي كانت مصنفة سابقاً كمناطق حمراء لديها حوالي 23% فقط متوسط تغطية الأشجار بينما تتمتع المناطق الأعلى تصنيفاً بمتوسط يبلغ 43%. وتكون المناطق ذات أقل تغطية للأشجار أكثر سخونة بكثير خلال موجات الحر مما يجعل نقص المرافق الخضراء قضية أخرى تتعلق بالعدالة البيئية.
أضافت فوستر أن الانتقال للطاقة ليس جارياً بطريقة عادلة؛ فرغم وجود العديد من الحوافز الفيدرالية والولائية المتاحة لمساعدة الأسر على الانتقال نحو الطاقة المتجددة إلا أن هذه الحوافز لا تصل إلى الأسر الأكثر ضعفًا: “يجب عليك أن تكون مالك منزل”، كما قالت؛ “للحصول على تلك الحوافز يجب عليك دفع النقود مقدمًا وشراء وتركيب ثم المطالبة بالائتمان عند تقديم إقرارك الضريبي”. وسترى الأسر القادرة على الاستثمار والحصول على تلك الاعتمادات انخفاض تكاليف طاقتها بينما ستستمر الأعباء الطاقوية للأسر غير القادرة بما فيها الأكثر ضعفاً بالتزايد.
آثار تغير المناخ الناتجة عن أجهزة تكييف الهواء
حاليًا يمثل نظام التبريد مسؤولاً عن حوالي 10% من استهلاك الكهرباء العالمي وفقًا لوكالة الطاقة الدولية (IEA). وفي بعض الدول ذات درجات الحرارة المرتفعة قد تصل نسبة الطلب الكهربائي ذروته بسبب الحاجة للتبريد لأكثر من 70%. وتعتمد الدول التي يتزايد فيها الطلب على وسائل التبريد بشكل كبير غالباًَعلى محطات توليد الكهرباء بالفحم الحجري؛ حيث يتم إنتاج ثلثي كهرباء العالم حتى الآن بواسطة الوقود الأحفوري – بشكل رئيسي الفحم والغاز – مما يزيد الطلب المرتفع للكهرباء الناتج عن عمليات التكييف وانبعاث الغازات الدفيئة.
في عام 2022 قدرت وكالة IEA بأن الكهرباء المستخدمة للتبريد أنتجت مليار طن متري تقريباً CO2 وهو ما يعادل انبعاثات سيارات تعمل بالبنزين عددها يصل لـ238 مليون سيارة سنويًّا . بالإضافة لذلك فإن الهيدروفلوروكربونات (HFCs) المستخدمة كمواد تبريدة داخل أجهزة تكييف الهواء الحالية لها قدرة أكبر بمئات أو آلاف المرات للاحتفاظ بحرارة الأرض مقارنة بـCO2 وعند تسربها تنتج حوالي720 مليون طن مكافئ CO2 إضافي سنويًّا .
في عام2016 اتفقت أكثرمن170 دولةعلى التخلص التدريجي HFCs بدءاًَمن عام2019 ويتم تطوير بدائل لهذه المواد الكيميائية الخطرة بعددٍ كبيرٍمن البلدان . وفي الولايات المتحدة ، يتطلب تفويض EPA الخاص بمواد تبرد HVAC استخدام مواد مبردة ذات قدرة احتفاظ بحرارة الأرض (GWP) تقل عن700 (بينما المواد الحالية لها GWP يبلغ2800) وذلك بدءاًَمن الأول يناير2025 . ومن المتوقع أن تكلف الوحدات الجديدة المزودة بهذه المواد المبردة الجديدة بنسبة20-25 % أكثر مما قد يجعلها بعيدة المنال بالنسبة للأسر منخفضة الدخل .
بينما ستقلل المواد المبردة الجديدة البصمة الكربونية لأجهزة تكييف الهواء ، فإن80 %من انبعاثاتها الغازية تأتي نتيجة للطاقة المستهلكة منها . حاليًّا يمثل نظامالتكيف نسبة7 %من الانبعاثات الغازية العالمية وإذا استمر الوضع كما هو عليه فمن المتوقع تضاعف الانبعاثات الناتجة عن عملياتالتكيف بحلول2030 وثلاث مرات بحلول2050 .
أجهزة تكييف الهواء وأهداف صافي الصفر لدينا
لتحقيق هدف العالم بصافي صفر انبعاثات بحلول2050 يجب خفض الانبعاثات الناتجةعن عملياتالتكيف لنحو40 %مما هي عليه اليوم بحلول2030 وفقَا لوكالة IEA ورغم انخفاض الانبعاثات الناجمةعن وحداتهاأجهزةالتكيف خلال السنوات العشر الماضية بسبب تحسين كفاءة استخدام الطاقة إلا أنه يجب خفضها ثلاث مرات أسرع حتى2030 للوصول لصافي صفر . تقول وكالة IEA إنه يجب دمج زيادة اعتماد أعلى مستويات الكفاءة لأجهزةالتكيف مع تصميم المباني والأحياء الذي يشمل أساليب تبديد الحرارة السلبية فضلاًعن تغييرات سلوكية فرديه مثل ضبط درجات الحرارة قليلاً أعلى .
حلول لمعضلة أجهزة تكييف الهواء
زيادة كفاءة استخدام الطاقة
أصبحت أجهزةالتكييف التقليدية غير فعالة لأنها تحتاج لتبرد الجو لدرجة تفوق مستوى الراحة ليتسنى لها تكثف المياه منه ثم إزالة الرطوبة منه . تستكشف العديد الشركات والباحثين استراتيجيات مختلفة لتحسين كفاءة استخدام الطاقة ؛ فهناك تصميم جديد قدمته شركة Transaera ومقرها ماساشوسيتس يفصل بين عمليتي إزالة الرطوبة والتبخير بحيث لا يكون هناك حاجة للتبرد الزائد ، وهناك حلول أخرى مثل cSNAP والتي لا تحتوي علي مواد مبردة ولكن تعتمد علي تقنية تبخر المياه وهي عملية أكثر فعالية للطاقة مقارنة بأجهزة التكليف الحالية.التبريد الكهربائي: حلول جديدة لتقليل استهلاك الطاقة
تعتبر تقنية التبريد الكهربائي واحدة من الأساليب الحديثة التي تستخدم مجالًا كهربائيًا لتغيير حركة الذرات في مادة معينة، مما يؤدي إلى تغيير في درجة الحرارة. بالإضافة إلى ذلك، هناك جائزة “Global Cooling Prize”، وهي مسابقة تهدف إلى تطوير أنظمة تكييف هواء ذات تأثير بيئي أقل بخمس مرات مقارنةً بالوحدات الحالية، مما يحفز الشركات الناشئة والمصنعين على ابتكار استراتيجيات جديدة فعالة وميسورة التكلفة.
تظهر الإحصائيات أن معظم أجهزة التكييف المباعة حول العالم اليوم أقل كفاءة بأكثر من النصف مقارنةً بأكثر النماذج كفاءة المتاحة. تتوقع وكالة الطاقة الدولية (IEA) أن يزداد استهلاك الكهرباء للتبريد من 2000 تيراوات ساعة اليوم إلى 6000 تيراوات ساعة بحلول عام 2050. إذا قام الجميع بشراء الوحدات الأكثر كفاءة، يمكن تقليل هذا الطلب على الكهرباء بنسبة 45%، لكن من غير المرجح أن تختار المجتمعات الفقيرة النماذج الأكثر كفاءة والتي عادة ما تكون أكثر تكلفة.
على الرغم من التطورات المستمرة في تقنيات التبريد الأكثر كفاءة في استخدام الطاقة، إلا أنها قد لا تكون كافية لتعويض الزيادة الإضافية في الطاقة المطلوبة لتلبية الطلب المتزايد على التبريد. يقول الخبراء إنه من الضروري تقليل الحاجة للتبريد منذ البداية عن طريق تصميمات تعتمد على التبريد السلبي المدمجة ضمن التصاميم الحضرية وتصميم المباني.
التبريد السلبي والأنظمة الذكية
قبل اختراع مكيف الهواء في عشرينيات القرن الماضي، كانت المدن مصممة بشوارع ضيقة تتعرض لأشعة الشمس لفترات قصيرة فقط خلال اليوم. كانت الأحياء المغلقة تشكل حواجز ضد الحرارة. كما كانت الساحات الظليلة المزودة بالنوافير توفر للناس أماكن للاختباء من الحر.
يمكن تصميم المنازل والمباني والمدن الحديثة بشكل أفضل لمواجهة الحرارة. يمكن أن يحسن اتجاه المبنى وتخطيطه تدفق الهواء. هناك العديد من الاستراتيجيات التصميمية الممكنة مثل توفير الظل الخارجي أو الداخلي أو زراعة الأشجار حول المبنى لتقليل حرارة الشمس. كما يساعد دمج جسم مائي ضمن التصميم أيضًا على تبريد درجات الحرارة القريبة. الأسطح البيضاء أو الخضراء تقلل من امتصاص الحرارة، بينما يمكن للنوافذ أو الأبواب المفتوحة على جوانب متقابلة للمنزل إنتاج تهوية عرضية جيدة. تعمل العوازل على الحدّ من تدفق الحرارة ويمكن للألواح العاكسة تقليل امتصاص الإشعاع الشمسي؛ حيث تسمح فتح النوافذ ليلاً بدخول الهواء البارد لتهوية المباني.
تحتاج المنازل والمكاتب أيضًا إلى نظم ذكية آلية مزودة بثرموستات قادرة على تقليل الحاجة للتكييف المستمر عن طريق تنظيم عملية التبريد بناءً على عدد الأشخاص الموجودين والطقس ووقت اليوم ودرجة الحرارة الداخلية.
السياسات الحكومية
يمكن للحكومات وضع وتنفيذ معايير للطاقة للمبانى – وهو أمر غالبًا ما يكون مفقودًا في الدول النامية التي تحتاج بشدة للتكييف – بالإضافة إلى وضع معايير دنيا للطاقة لأجهزة تكييف الهواء. يمكنها تقديم حوافز مثل الخصومات والدعم المالي لتشجيع شراء أجهزة تكييف هواء موفرة للطاقة أو تخفيض الضرائب عليها؛ كما يجب عليها تقديم مساعدات لفواتير الطاقة للأسر ذات الدخل المنخفض لمساعدتها في تحمل فواتير الكهرباء المرتفعة ودعم مصادر الطاقة المتجددة عبر تقديم الدعم المالي لها.
يمكن للحكومات الاستثمار في البحث والتطوير لإيجاد تقنيات جديدة لتحسين الكفاءة الطاقية والعثور على بدائل لمبردات الغازات الدفيئة التي تسهم بتسخين المناخ؛ ويجب عليها أيضًا الاستثمار في البنية التحتية الخضراء داخل المدن وخاصةً بالمجتمعات المهمشة وذات الدخل المنخفض.
لحماية السكان، يمكن للحكومات الفيدرالية وحكومات الولايات تطوير خطط عمل حرارية لرفع الوعي بمخاطر ارتفاع درجات الحرارة وتقديم تحذيرات مسبقة وإعداد المجتمعات للتعامل مع ارتفاع درجات الحرارة المتزايدة؛ ومن خلال توعية الجمهور، تستطيع الحكومات تشجيع الأفراد على تغيير سلوكهم عبر ضبط الثرموستات عند درجات حرارة أعلى حتى لا تضطر أجهزة التكييف للعمل بجهد كبير واستخدام طرق للبقاء أكثر برودة دون الاعتماد الكامل على مكيف الهواء.
