بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمانها

بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمانها

 

راهكارهاي بهينه‌سازي مي‌توانند در ارتباط با معماري ساختمان باشند كه مواردي مانند جرم و عايقكاري جداره‌ها، نوع پنجره‌ها و نورپردازي طبيعي را در برمي‌گيرد. همچنين روش‌هاي كاهش مصرف و تقاضاي انرژي مي‌تواند مربوط به مهندسي تاسيسات گرمايشي و سرمايشي يا الكترونيكي يا سيستم‌هاي كنترل آنها شود (6,7,8,9). نقش اصلي عايق‌بندي ساختمان جلوگيري از اتلاف انرژي از جداره، شامل ديوارها و بام و حفظ گرما در داخل ساختمان در ايام زمستاني است و در طي تابستان، عايق‌بندي براي محافظت از انتقال حرارت به داخل ساختمان مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در ساختمان‌هاي بزرگتر، تاثير تفاوت دماي بين داخل و خارج بر بار سرمايشي ناشي از ديوارها نسبت به ديگر اجزا كمتر است و بزرگترين مولفه‌هاي بار سرمايشي مربوط به تابش مستقيم خورشيد به جداره‌هاي نورگذر مانند پنجره‌ها، نورپردازي مصنوعي، ساكنين و تجهيزات داخل مي‌باشد. لذا ضروري است كه عايق‌بندي بر اساس نوع ساختمان و نوع آب و هوا انجام پذيرد .
پنجره‌ها در حدود 10 تا 30درصد جداره‌هاي خارجي ساختمان را تشكيل مي‌دهند و مي‌توانند از بزرگترين منابع اتلاف انرژي باشند. مانند هر عنصر ديگر، هنگامي كه اختلاف دما بين داخل و خارج وجود داشته باشد پنجره‌ها موجب اتلاف انرژي از ساختمان مي‌شوند، ولي از ديدگاه ديگر اجازه ورود انرژي خورشيد به صورت مستقيم يا غيرمستقيم به داخل مي‌دهند كه در جاي خود براي نورپردازي طبيعي بسيار مهم تلقي مي‌شود. در بهترين حالت پنجره‌ها بايد بتوانند كمترين انتقال حرارت را از طريق هدايت داشته باشند و به صورت همزمان مطلوب‌ترين مقدار نور طبيعي و انرژي خورشيد را به داخل منتقل كنند. لذا استفاده از پنجره‌هاي چندجداره يك روش بهينه‌سازي مصرف و تقاضاي انرژي است كه تحليل اقتصادي ساده آن، به صورت جداگانه از ديگر عناصر ساختمان، بيانگر موضوع به صورت كامل نمي‌باشد و بايد با نگرش جامع نسبت به مجموعه عناصر در يك ساختمان مورد ارزيابي قرار گيرد. پنجره‌هاي چندجداره نه تنها موجب كاهش انتقال حرارت هدايتي مي‌شوند، بلكه خواص ديگري دارند كه بايد مد نظر قرار گيرد. در طي ماه‌هاي سرد زمستان، دماي بالاتر سطح داخلي پنجره‌هاي چندجداره نسبت به پنجره‌هاي تك‌جداره فوايد ديگري دارد مانند (آ) كاهش يا پيشگيري از چگالش بخار آب بر سطح پنجره (ب) افزايش شرايط آسايشي از طريق افزايش ميانگين دماي تشعشعي (پ) تغيير مطلوب در ميزان ترموستات و (ت) كاهش ظرفيت سيستم گرمايشي و سرمايشي. معمولا اثر نامطلوب پنجره‌ها در ساختمان‌هاي كوچكتر بر روي بار گرمايشي است. در ساختمان‌هاي بزرگتر، در زمستان، قسمتي از اتلاف انرژي حرارتي از پنجره‌ها از طريق انرژي حرارتي توليد شده توسط ساكنين و كامپيوتر و سيستم نورپردازي جبران مي‌شود. در ايام گرم تابستاني، اثر مطلوب پنجره‌ها از طريق كاهش انتقال حرارت و بار سرمايشي نمايانگر مي‌شود. در ساختمان‌هاي بزرگتر كه نورپردازي طبيعي از طريق پنجره‌ها مي‌تواند در كاهش بار سيستم نورپردازي مصنوعي اثر قابل ملاحظه‌اي داشته باشد، طراحي و انتخاب نوع پنجره از پيچيدگي خاصي برخوردار است.
به منظور بهينه‌سازي عملكرد پنجره‌ها فن‌آوري‌هاي متفاوتي مبتني بر تغيير رنگ شيشه كه تحت عنوان كروموجنيك (Chromogenic glazings) و پنجره‌هاي هوشمند (Smart Windows) مطرح مي‌شوند كه طي سال‌هاي اخير مورد بررسي قرار گرفته است. اگرچه شيشه‌هايي ساخته شده است كه براي برخي طول موج‌ها از طيف نور طبيعي مي‌توانند خواص تشعشعي مطلوبي در تابش (emittance) يا انعكاس (reflevtance) نور خورشيد از خود نشان دهند و توانسته‌اند موجب كاهش بار سرمايشي شوند ولي خواص تشعشعي آنها ثابت است. بر اساس حساسيت به نور (Photochromic) و دما (Thermochromic) و جريان الكتريكي (Electrochromic) شيشه‌هاي هوشمند خواص تشعشعي خود را تغيير مي‌دهند و به صورت ديناميكي موجب كاهش در مصرف انرژي الكتريكي براي نورپردازي مصنوعي و بار سرمايشي و در مجموع بهينه‌سازي مصرف و تقاضاي انرژي مي‌شود. شيشه معمولي (Clear glass) مقدار زيادي از نور خورشيد را از خود عبور مي‌دهد و با استفاده از كنترل‌كننده نور مصنوعي در كاهش انرژي الكتريكي جهت نورپردازي مصنوعي موثر بوده و از اين رو موجب بيشترين مصرف انرژي سرمايشي مي‌شوند (33KW/m2). در مقايسه، شيشه‌هاي منعكس‌كننده (Reflective glass) كمترين مقدار نور طبيعي را از خود عبور مي‌دهند و بيشترين مصرف انرژي الكتريكي (60KW/m2) را براي نورپردازي مصنوعي و همچنين موجب مصرف انرژي سرمايشي (12KW/m2) مي‌شوند. عملكرد نورگذرهاي هوشمند نسبت به ديگر انواع شيشه‌ها مطلوب‌تر است و اين در حالي است كه شيشه‌هاي حساس- به – دما كمترين انرژي را براي سرمايش مصرف مي‌كند و شيشه‌هاي حساس – به – نور بهترين عملكرد را براي نورپردازي طبيعي دارد و شيشه‌هاي حساس – به – جريان الكتريكي بيشترين كارايي را براي نورپردازي طبيعي و مصرف انرژي سرمايشي دارد.
در استفاده از پنجره‌ها براي نورپردازي طبيعي آنچه كه اهميت بيشتري نسبت به مساحت دارد مكان‌يابي و تعيين استراتژيك توزيع آنها در ساختمان مي‌باشد. فوايد نورپردازي طبيعي بيش از كاهش در تقاضا و مصرف انرژي مي‌باشد. براساس مطالعات انجام‌شده انسان از نظر كاري و روحي بيشترين و بهترين پاسخ را نسبت به روشنايي به دست آمده از نور روز به صورت طبيعي نشان مي‌دهد و مردم كار كردن در محيط روشن شده توسط نور طبيعي را ترجيح مي‌دهند. نكاتي كه بايد در طراحي نورپردازي طبيعي مدنظر قرار گيرد، شامل روش اجازه ورود حداقل تابش مستقيم خورشيد براي كاهش مشكلات انعكاس بيش از حد نور (glare) از سطوح در فضاي داخل و افزايش دماي بيش از حد و در اغلب اوقات از بين بردن رنگ منسوجات و اشيا مي‌شود.
تجهيزات كنترل كه براي نورپردازي طبيعي به‌كار گرفته مي‌شود، شامل سلول نوري (photo cell) براي اندازه‌گيري مقدار نور موجود در فضا و كاهنده (dimmer) براي نور مصنوعي از لامپ‌ها مي‌‌شود كه به صورت خطي يا پله‌اي عمل مي‌كنند. شدت نور طبيعي در طي روز وابسته به عوامل مختلفي از جمله مكان خورشيد در آسمان، پوشش ابري آسمان و ساختمان‌هاي بلند همجوار است. يكي از نكات مهم در بهره‌برداري از نور طبيعي، منطقه‌بندي ساختمان براساس جهات شمال، شرق، جنوب، غرب و استفاده از سيستم‌هاي كنترل مي‌باشد كه بتوان مقدار نور موردنياز در هر منطقه را با ايجاد تغيير (كاهش يا افزايش) در شدت نور مصنوعي، به صورت ثابت حفظ نمود. در حال حاضر تكنولوژي‌هاي متفاوتي براي كنترل انرژي مصرفي لامپ‌ها در نورپردازي مصنوعي وجود دارد كه متداول‌ترين آنها براي لامپ‌هاي رشته‌اي تايريستور (thyristor) است كه موجب كاهش ولتاژ مي‌‌شود و براي لامپ‌هاي فلورسنت بالاست‌هاي الكترونيكي است كه با محدود ساختن جريان يا ولتاژ كار مي‌كنند.
در روش به‌كارگيري نور طبيعي در ساختمان نور طبيعي با عبور از سطوح نورگذر در ديوارها و بام به صورت پخشيده (diffuse) و غيرمستقيم و يكنواخت (uniform) در فضاي داخل مورد استفاده قرار مي‌گيرد. با توجه به اينكه به طور متوسط بيش از 70درصد سطح فضاي مورد استفاده (كف) در ساختمان‌ها در مجاورت با جداره‌ها قرار دارند، امكان كاهش تقاضا و مصرف انرژي الكتريكي در حد قابل‌توجهي همواره وجود دارد و مقدار اين كاهش وابسته به مساحت سطوح نورگذر و نوع تجهيزات براي كنترل نورپردازي مصنوعي مي‌باشد.اين موضوع حائز اهميت است كه تمامي انرژي الكتريكي مورد استفاده براي نورپردازي مصنوعي تبديل به گرما شده و هر گونه كاهش در آن موجب كاهش بار سرمايشي در زمان حداكثر بار در ماه‌هاي گرم تابستان مي‌گردد و در مجموع تاثير مثبت نورپردازي طبيعي در ساختمان بين 40 تا 60درصد از كل مصرف انرژي مي‌تواند باشد.
نتايج مطالعات تجربي انجام‌شده پيرامون اثربخشي نورپرداز طبيعي در يك دبستان و دبيرستان با 6700 مترمربع مساحت مفيد در ايالت واشنگتن در آمريكا در سال 1988 نشان مي‌دهد كه نصب 40 نورگير در بام بيش از 87درصد از ساختمان را با نور طبيعي پوشش مي‌دهد. در آن مطالعه، طراحي سيستم نورپردازي طبيعي موجب شده است كه در زمان آفتاب درخشان 99درصد نور موردنياز به صورت طبيعي تامين گردد و نتيجتا كاهشي در حد 42درصد در انرژي نورپردازي مصنوعي مشاهده گرديده است. در تحقيقات ديگري در آمريكا پيشنهاد شده است كه براي مقابله با مشكلات تقاضا براي انرژي الكتريكي، سيستم‌هاي نورپردازي طبيعي در ساختمان‌هاي اداري كه به صورت اتوماتيك كنترل مي‌شوند مي‌توانند در كاهش بيش از 15000 مگاوات تقاضا براي انرژي، كه معادل نصف ظرفيت كل نيروگاه‌هاي ايران است، موثر واقع گردند. نتايج شبيه‌سازي عددي تقاضا و مصرف انرژي يك ساختمان آموزشي با مساحت 850 متر‌مريع در ايالت كاليفرنيا در آمريكا نشان داده است كه نورپردازي طبيعي با سيستم كنترل اتوماتيك در كاهش مصرف انرژي براي نورپردازي به مقدار 55درصد موثر بوده است و اثر آن بر كل تقاضاي انرژي در ساختمان برابر با 49درصد تعيين گرديده است. در حالتي كه سيستم كنترل اتوماتيك استفاده نشود، كاهش در مصرف انرژي در حد 36درصد پيش‌بيني شده است.
 - نتيجه شبيه‌سازي
همان طور كه در مقدمه اشاره شد، نوع ساختمان‌ها و كاربري آنها در كشورهاي مختلف با توجه به اقليم، معماري و فرهنگ متفاوت است، لذا در مدل ساختمان انتخابي سعي شده است كه شرايط حاكم در كشور ايران لحاظ گردد. ساختمان مدلسازي شده داراي مساحت كل 800 متر مربع مي‌باشد و پنجره‌هاي ساختمان در جهت‌هاي شمال و جنوب قرار گرفته‌اند. تحت شرايط طراحي خوب ديوارها و بام به ترتيب داراي عايق‌بندي با مقاومت حرارتي R=25 و R=40 hr-ft2-0F/Btu هستند و تحت شرايط نامطلوب داراي عايق‌بندي R=5 و R=8 مي‌باشند. همچنين، ضريب هدايت حرارتي پنجره‌ها تحت‌ شرايط طراحي خوب و نامطلوب به ترتيب برابر با فرمول: 



فرض شده است. درصد سطح پنجره‌ها در جهت شمال و جنوب برابر با 20% سطح ديوارها تعيين گرديده است. لامپ‌هاي فلورسنت براي سيستم نورپردازي مصنوعي براساس 22W/m2 مورد استفاده قرار مي‌گيرد. تحت شرايط طراحي خوب، سيستم نورپردازي طبيعي با سلول نوري و كنترل جهت كاهش مصرف انرژي سيستم نورپردازي مصنوعي به كار گرفته مي‌شود و در شرايط نامطلوب تمامي لامپ‌ها در طي ساعات كاري همواره روشن هستند. شرايط آب و هوايي مورد استفاده در شبيه‌سازي مربوط به شهر تهران مي‌باشد. شرايط آب و هوايي مورد استفاده در شبيه سازي شامل شرايط جغرافيايي مانند طول و عرض جغرافيايي، پارامترهاي ترموديناميكي آب و هوايي مانند دماها، رطوبت نسبي سرعت باد و غيره و همچنين فاكتورهاي مربوط به تعيين ميزان دريافت انرژي خورشيدي در شهر تهران مفروض مي‌باشد. در اين شبيه‌سازي، سيستم گرمايشي و سرمايشي از نوع فن كويل است. ساختمان داراي 24عدد كامپيوتر و 32 نفر كارمند اداري مشغول به كار در طي ساعات اداري 8 الي 17 است.
نتايج شبيه‌سازي تقاضا و مصرف انرژي براي ساختمان مطرح شده بر اساس تغييرات دماي هوا و انرژي خورشيدي براي فصول بهار، تابستان، پاييز و زمستان نشان مي‌دهد، در حالي‌كه محاسبات در شبيه سازي بر اساس تك تك ساعات در سال انجام شده است استفاده از ميانگين ارقام تقاضا و مصرف انرژي در محدوده زماني فصلي به علت كاهش در نوسانات و نتيجه‌گيري كلي مي‌باشد. همان‌طوري‌كه انتظار منطقي مي‌رود، مقادير تقاضا بر حسب Kw و مصرف بر حسب kWh براي طراحي خوب (Good design) كه شامل عايق‌بندي مناسب ديوارها و بام و استفاده از پنجره‌هاي چند جداره و نورپردازي طبيعي مي‌شود در پايين‌ترين سطح قرار دارند. به صورت كلي تقاضا و مصرف انرژي در فصول مياني بهار و پاييز براي تمامي شرايط طراحي به هم نزديك هستند به اين علت كه ساعات روشن روز و دماها و انرژي خورشيدي تقريبا به يك اندازه مي‌باشند. 
عدم استفاده از عايق‌بندي مناسب براي ديوارها و بام (Poor insulation) و همچنين به كار نگرفتن پنجره‌هاي چند جداره (Poor glazing) موجب بيشترين اثر منفي در ماه‌هاي سرد زمستان مي‌شود و ايجاد تقاضاي زياد براي انرژي به صورت گرمايشي مي‌كند. قابل توجه است كه سردترين دما در زمستان در ساعات شب رخ مي‌دهد و با كاهش ميزان ترموستات در ساعات شب، تقاضا براي انرژي حرارتي در صبح روز بعد و شروع ساعات كاري در حداكثر خواهد بود. چنانچه عايق‌بندي جداره‌ها و پنجره‌ها مناسب باشند؛ ولي سيستم نورپردازي طبيعي مورد استفاده قرار نگيرد، (Poor daylighting) همان‌طوري‌كه در شكل (4-ب) نشان داده شده است، تقاضا براي انرژي در طي سال با نوسانات كمي مواجه است با اين شرح كه در فصل تابستان، عدم كاهش در مولفه بار سرمايشي كه در رابطه با نورپردازي مصنوعي است موجب افزايش تقاضا مي‌گردد. در فصل زمستان، تعداد ساعات روشن روز كه نسبت به ديگر ماه‌ها كمتر است موجب تقاضاي بيشتر انرژي جهت نورپردازي مصنوعي مي‌گردد. به صورت كلي از منحني‌هاي تقاضا مي‌توان نتيجه گرفت كه عدم استفاده از نورپردازي طبيعي در طي فصول بهار و تابستان و پاييز بيشترين تقاضا را ايجاد مي‌كند و تاثير منفي بيشتري نسبت به عدم استفاده از عايق‌بندي صحيح در آن فصول دارد. قابل توجه است كه اين موضوع در منحني‌هاي مصرف انرژي نيز خود را به خوبي آشكار مي‌سازد كه استفاده از نورپردازي مصنوعي ( و عدم به كار گيري نورپردازي طبيعي و سيستم كنترل) در طي تمامي ساعات فصول بهار، تابستان و پاييز بيشترين مصرف انرژي را در پي دارد.

مسیر سایت