بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمانها
بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمانها
راهکارهای بهینه‌سازی می‌توانند در ارتباط با معماری ساختمان باشند که مواردی مانند جرم و عایقکاری جداره‌ها، نوع پنجره‌ها و نورپردازی طبیعی را در برمی‌گیرد. همچنین روشهای کاهش مصرف و تقاضای انرژی می‌تواند مربوط به مهندسی تاسیسات گرمایشی و سرمایشی یا الکترونیکی یا سیستمهای کنترل آنها شود (6,7,8,9). نقش اصلی عایق‌بندی ساختمان جلوگیری از اتلاف انرژی از جداره، شامل دیوارها و بام و حفظ گرما در داخل ساختمان در ایام زمستانی است و در طی تابستان، عایق‌بندی برای محافظت از انتقال حرارت به داخل ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ساختمان‌های بزرگتر، تاثیر تفاوت دمای بین داخل و خارج بر بار سرمایشی ناشی از دیوارها نسبت به دیگر اجزا کمتر است و بزرگترین مولفه‌های بار سرمایشی مربوط به تابش مستقیم خورشید به جداره‌های نورگذر مانند پنجره‌ها، نورپردازی مصنوعی، ساکنین و تجهیزات داخل می‌باشد. لذا ضروری است که عایق‌بندی بر اساس نوع ساختمان و نوع آب و هوا انجام پذیرد .
پنجره‌ها در حدود 10 تا 30درصد جداره‌های خارجی ساختمان را تشکیل می‌دهند و می‌توانند از بزرگترین منابع اتلاف انرژی باشند. مانند هر عنصر دیگر، هنگامی که اختلاف دما بین داخل و خارج وجود داشته باشد پنجره‌ها موجب اتلاف انرژی از ساختمان می‌شوند، ولی از دیدگاه دیگر اجازه ورود انرژی خورشید به صورت مستقیم یا غیرمستقیم به داخل می‌دهند که در جای خود برای نورپردازی طبیعی بسیار مهم تلقی میشود. در بهترین حالت پنجره‌ها باید بتوانند کمترین انتقال حرارت را از طریق هدایت داشته باشند و به صورت همزمان مطلوب‌ترین مقدار نور طبیعی و انرژی خورشید را به داخل منتقل کنند. لذا استفاده از پنجره‌های چندجداره یک روش بهینه‌سازی مصرف و تقاضای انرژی است که تحلیل اقتصادی ساده آن، به صورت جداگانه از دیگر عناصر ساختمان، بیانگر موضوع به صورت کامل نمی‌باشد و باید با نگرش جامع نسبت به مجموعه عناصر در یک ساختمان مورد ارزیابی قرار گیرد. پنجره‌های چندجداره نه تنها موجب کاهش انتقال حرارت هدایتی می‌شوند، بلکه خواص دیگری دارند که باید مد نظر قرار گیرد. در طی ماه‌های سرد زمستان، دمای بالاتر سطح داخلی پنجره‌های چندجداره نسبت به پنجره‌های تک‌جداره فواید دیگری دارد مانند (آ) کاهش یا پیشگیری از چگالش بخار آب بر سطح پنجره (ب) افزایش شرایط آسایشی از طریق افزایش میانگین دمای تشعشعی (پ) تغییر مطلوب در میزان ترموستات و (ت) کاهش ظرفیت سیستم گرمایشی و سرمایشی. معمولا اثر نامطلوب پنجره‌ها در ساختمان‌های کوچکتر بر روی بار گرمایشی است. در ساختمان‌های بزرگتر، در زمستان، قسمتی از اتلاف انرژی حرارتی از پنجره‌ها از طریق انرژی حرارتی تولید شده توسط ساکنین و کامپیوتر و سیستم نورپردازی جبران میشود. در ایام گرم تابستانی، اثر مطلوب پنجره‌ها از طریق کاهش انتقال حرارت و بار سرمایشی نمایانگر میشود. در ساختمان‌های بزرگتر که نورپردازی طبیعی از طریق پنجره‌ها می‌تواند در کاهش بار سیستم نورپردازی مصنوعی اثر قابل ملاحظه‌ای داشته باشد، طراحی و انتخاب نوع پنجره از پیچیدگی خاصی برخوردار است.
به منظور بهینه‌سازی عملکرد پنجره‌ها فن‌آوری‌های متفاوتی مبتنی بر تغییر رنگ شیشه که تحت عنوان کروموجنیک (Chromogenic glazings) و پنجره‌های هوشمند (Smart Windows) مطرح می‌شوند که طی سال‌های اخیر مورد بررسی قرار گرفته است. اگرچه شیشه‌هایی ساخته شده است که برای برخی طول موج‌ها از طیف نور طبیعی می‌توانند خواص تشعشعی مطلوبی در تابش (emittance) یا انعکاس (reflevtance) نور خورشید از خود نشان دهند و توانسته‌اند موجب کاهش بار سرمایشی شوند ولی خواص تشعشعی آنها ثابت است. بر اساس حساسیت به نور (Photochromic) و دما (Thermochromic) و جریان الکتریکی (Electrochromic) شیشه‌های هوشمند خواص تشعشعی خود را تغییر می‌دهند و به صورت دینامیکی موجب کاهش در مصرف انرژی الکتریکی برای نورپردازی مصنوعی و بار سرمایشی و در مجموع بهینه‌سازی مصرف و تقاضای انرژی میشود. شیشه معمولی (Clear glass) مقدار زیادی از نور خورشید را از خود عبور می‌دهد و با استفاده از کنترل‌کننده نور مصنوعی در کاهش انرژی الکتریکی جهت نورپردازی مصنوعی موثر بوده و از این رو موجب بیشترین مصرف انرژی سرمایشی می‌شوند (33KW/m2). در مقایسه، شیشه‌های منعکس‌کننده (Reflective glass) کمترین مقدار نور طبیعی را از خود عبور می‌دهند و بیشترین مصرف انرژی الکتریکی (60KW/m2) را برای نورپردازی مصنوعی و همچنین موجب مصرف انرژی سرمایشی (12KW/m2) می‌شوند. عملکرد نورگذرهای هوشمند نسبت به دیگر انواع شیشه‌ها مطلوب‌تر است و این در حالی است که شیشه‌های حساس- به – دما کمترین انرژی را برای سرمایش مصرف می‌کند و شیشه‌های حساس – به – نور بهترین عملکرد را برای نورپردازی طبیعی دارد و شیشه‌های حساس – به – جریان الکتریکی بیشترین کارایی را برای نورپردازی طبیعی و مصرف انرژی سرمایشی دارد.
در استفاده از پنجره‌ها برای نورپردازی طبیعی آنچه که اهمیت بیشتری نسبت به مساحت دارد مکان‌یابی و تعیین استراتژیک توزیع آنها در ساختمان می‌باشد. فواید نورپردازی طبیعی بیش از کاهش در تقاضا و مصرف انرژی می‌باشد. براساس مطالعات انجام‌شده انسان از نظر کاری و روحی بیشترین و بهترین پاسخ را نسبت به روشنایی به دست آمده از نور روز به صورت طبیعی نشان می‌دهد و مردم کار کردن در محیط روشن شده توسط نور طبیعی را ترجیح می‌دهند. نکاتی که باید در طراحی نورپردازی طبیعی مدنظر قرار گیرد، شامل روش اجازه ورود حداقل تابش مستقیم خورشید برای کاهش مشکلات انعکاس بیش از حد نور (glare) از سطوح در فضای داخل و افزایش دمای بیش از حد و در اغلب اوقات از بین بردن رنگ منسوجات و اشیا میشود.
تجهیزات کنترل که برای نورپردازی طبیعی به‌کار گرفته میشود، شامل سلول نوری (photo cell) برای اندازه‌گیری مقدار نور موجود در فضا و کاهنده (dimmer) برای نور مصنوعی از لامپها میشود که به صورت خطی یا پله‌ای عمل می‌کنند. شدت نور طبیعی در طی روز وابسته به عوامل مختلفی از جمله مکان خورشید در آسمان، پوشش ابری آسمان و ساختمان‌های بلند همجوار است. یکی از نکات مهم در بهره‌برداری از نور طبیعی، منطقه‌بندی ساختمان براساس جهات شمال، شرق، جنوب، غرب و استفاده از سیستمهای کنترل می‌باشد که بتوان مقدار نور موردنیاز در هر منطقه را با ایجاد تغییر (کاهش یا افزایش) در شدت نور مصنوعی، به صورت ثابت حفظ نمود. در حال حاضر تکنولوژی‌های متفاوتی برای کنترل انرژی مصرفی لامپها در نورپردازی مصنوعی وجود دارد که متداول‌ترین آنها برای لامپ‌های رشته‌ای تایریستور (thyristor) است که موجب کاهش ولتاژ میشود و برای لامپ‌های فلورسنت بالاست‌های الکترونیکی است که با محدود ساختن جریان یا ولتاژ کار می‌کنند.
در روش به‌کارگیری نور طبیعی در ساختمان نور طبیعی با عبور از سطوح نورگذر در دیوارها و بام به صورت پخشیده (diffuse) و غیرمستقیم و یکنواخت (uniform) در فضای داخل مورد استفاده قرار می‌گیرد. با توجه به اینکه به طور متوسط بیش از 70درصد سطح فضای مورد استفاده (کف) در ساختمانها در مجاورت با جداره‌ها قرار دارند، امکان کاهش تقاضا و مصرف انرژی الکتریکی در حد قابل‌توجهی همواره وجود دارد و مقدار این کاهش وابسته به مساحت سطوح نورگذر و نوع تجهیزات برای کنترل نورپردازی مصنوعی می‌باشد.این موضوع حائز اهمیت است که تمامی انرژی الکتریکی مورد استفاده برای نورپردازی مصنوعی تبدیل به گرما شده و هر گونه کاهش در آن موجب کاهش بار سرمایشی در زمان حداکثر بار در ماه‌های گرم تابستان می‌گردد و در مجموع تاثیر مثبت نورپردازی طبیعی در ساختمان بین 40 تا 60درصد از کل مصرف انرژی می‌تواند باشد.
نتایج مطالعات تجربی انجام‌شده پیرامون اثربخشی نورپرداز طبیعی در یک دبستان و دبیرستان با 6700 مترمربع مساحت مفید در ایالت واشنگتن در آمریکا در سال 1988 نشان می‌دهد که نصب 40 نورگیر در بام بیش از 87درصد از ساختمان را با نور طبیعی پوشش می‌دهد. در آن مطالعه، طراحی سیستم نورپردازی طبیعی موجب شده است که در زمان آفتاب درخشان 99درصد نور موردنیاز به صورت طبیعی تامین گردد و نتیجتا کاهشی در حد 42درصد در انرژی نورپردازی مصنوعی مشاهده گردیده است. در تحقیقات دیگری در آمریکا پیشنهاد شده است که برای مقابله با مشکلات تقاضا برای انرژی الکتریکی، سیستمهای نورپردازی طبیعی در ساختمان‌های اداری که به صورت اتوماتیک کنترل می‌شوند می‌توانند در کاهش بیش از 15000 مگاوات تقاضا برای انرژی، که معادل نصف ظرفیت کل نیروگاه‌های ایران است، موثر واقع گردند. نتایج شبیه‌سازی عددی تقاضا و مصرف انرژی یک ساختمان آموزشی با مساحت 850 متر‌مریع در ایالت کالیفرنیا در آمریکا نشان داده است که نورپردازی طبیعی با سیستم کنترل اتوماتیک در کاهش مصرف انرژی برای نورپردازی به مقدار 55درصد موثر بوده است و اثر آن بر کل تقاضای انرژی در ساختمان برابر با 49درصد تعیین گردیده است. در حالتی که سیستم کنترل اتوماتیک استفاده نشود، کاهش در مصرف انرژی در حد 36درصد پیش‌بینی شده است.
- نتیجه شبیه‌سازی
همان طور که در مقدمه اشاره شد، نوع ساختمانها و کاربری آنها در کشورهای مختلف با توجه به اقلیم، معماری و فرهنگ متفاوت است، لذا در مدل ساختمان انتخابی سعی شده است که شرایط حاکم در کشور ایران لحاظ گردد. ساختمان مدلسازی شده دارای مساحت کل 800 متر مربع می‌باشد و پنجره‌های ساختمان در جهت‌های شمال و جنوب قرار گرفته‌اند. تحت شرایط طراحی خوب دیوارها و بام به ترتیب دارای عایق‌بندی با مقاومت حرارتی R=25 و R=40 hr-ft2-0F/Btu هستند و تحت شرایط نامطلوب دارای عایق‌بندی R=5 و R=8 می‌باشند. همچنین، ضریب هدایت حرارتی پنجره‌ها تحت شرایط طراحی خوب و نامطلوب به ترتیب برابر با فرمول: 
فرض شده است. درصد سطح پنجره‌ها در جهت شمال و جنوب برابر با 20% سطح دیوارها تعیین گردیده است. لامپ‌های فلورسنت برای سیستم نورپردازی مصنوعی براساس 22W/m2 مورد استفاده قرار می‌گیرد. تحت شرایط طراحی خوب، سیستم نورپردازی طبیعی با سلول نوری و کنترل جهت کاهش مصرف انرژی سیستم نورپردازی مصنوعی به کار گرفته میشود و در شرایط نامطلوب تمامی لامپها در طی ساعات کاری همواره روشن هستند. شرایط آب و هوایی مورد استفاده در شبیه‌سازی مربوط به شهر تهران می‌باشد. شرایط آب و هوایی مورد استفاده در شبیه سازی شامل شرایط جغرافیایی مانند طول و عرض جغرافیایی، پارامترهای ترمودینامیکی آب و هوایی مانند دماها، رطوبت نسبی سرعت باد و غیره و همچنین فاکتورهای مربوط به تعیین میزان دریافت انرژی خورشیدی در شهر تهران مفروض می‌باشد. در این شبیه‌سازی، سیستم گرمایشی و سرمایشی از نوع فن کویل است. ساختمان دارای 24عدد کامپیوتر و 32 نفر کارمند اداری مشغول به کار در طی ساعات اداری 8 الی 17 است.
نتایج شبیه‌سازی تقاضا و مصرف انرژی برای ساختمان مطرح شده بر اساس تغییرات دمای هوا و انرژی خورشیدی برای فصول بهار، تابستان، پاییز و زمستان نشان می‌دهد، در حالی‌که محاسبات در شبیه سازی بر اساس تک تک ساعات در سال انجام شده است استفاده از میانگین ارقام تقاضا و مصرف انرژی در محدوده زمانی فصلی به علت کاهش در نوسانات و نتیجه‌گیری کلی می‌باشد. همان‌طوری‌که انتظار منطقی می‌رود، مقادیر تقاضا بر حسب Kw و مصرف بر حسب kWh برای طراحی خوب (Good design) که شامل عایق‌بندی مناسب دیوارها و بام و استفاده از پنجره‌های چند جداره و نورپردازی طبیعی میشود در پایین‌ترین سطح قرار دارند. به صورت کلی تقاضا و مصرف انرژی در فصول میانی بهار و پاییز برای تمامی شرایط طراحی به هم نزدیک هستند به این علت که ساعات روشن روز و دماها و انرژی خورشیدی تقریبا به یک اندازه می‌باشند.
عدم استفاده از عایق‌بندی مناسب برای دیوارها و بام (Poor insulation) و همچنین به کار نگرفتن پنجره‌های چند جداره (Poor glazing) موجب بیشترین اثر منفی در ماه‌های سرد زمستان میشود و ایجاد تقاضای زیاد برای انرژی به صورت گرمایشی می‌کند. قابل توجه است که سردترین دما در زمستان در ساعات شب رخ می‌دهد و با کاهش میزان ترموستات در ساعات شب، تقاضا برای انرژی حرارتی در صبح روز بعد و شروع ساعات کاری در حداکثر خواهد بود. چنانچه عایق‌بندی جداره‌ها و پنجره‌ها مناسب باشند؛ ولی سیستم نورپردازی طبیعی مورد استفاده قرار نگیرد، (Poor daylighting) همان‌طوری‌که در شکل (4-ب) نشان داده شده است، تقاضا برای انرژی در طی سال با نوسانات کمی مواجه است با این شرح که در فصل تابستان، عدم کاهش در مولفه بار سرمایشی که در رابطه با نورپردازی مصنوعی است موجب افزایش تقاضا می‌گردد. در فصل زمستان، تعداد ساعات روشن روز که نسبت به دیگر ماه‌ها کمتر است موجب تقاضای بیشتر انرژی جهت نورپردازی مصنوعی می‌گردد. به صورت کلی از منحنی‌های تقاضا می‌توان نتیجه گرفت که عدم استفاده از نورپردازی طبیعی در طی فصول بهار و تابستان و پاییز بیشترین تقاضا را ایجاد می‌کند و تاثیر منفی بیشتری نسبت به عدم استفاده از عایق‌بندی صحیح در آن فصول دارد. قابل توجه است که این موضوع در منحنی‌های مصرف انرژی نیز خود را به خوبی آشکار می‌سازد که استفاده از نورپردازی مصنوعی ( و عدم به کار گیری نورپردازی طبیعی و سیستم کنترل) در طی تمامی ساعات فصول بهار، تابستان و پاییز بیشترین مصرف انرژی را در پی دارد.
