بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمانها


راهكارهاي بهينه*سازي مي*توانند در ارتباط با معماري ساختمان باشند كه موارديمانند جرم و عايقكاري جداره*ها، نوع پنجره*ها و نورپردازي طبيعي را در برمي*گيرد. همچنين روش*هاي كاهش مصرف و تقاضاي انرژي مي*تواند مربوط به مهندسي تاسيسات گرمايشيو سرمايشي يا الكترونيكي يا سيستم*هاي كنترل آنها شود (6,7,8,9). نقش اصليعايق*بندي ساختمان جلوگيري از اتلاف انرژي از جداره، شامل ديوارها و بام و حفظ گرمادر داخل ساختمان در ايام زمستاني است و در طي تابستان، عايق*بندي براي محافظت ازانتقال حرارت به داخل ساختمان مورد استفاده قرار مي*گيرد. در ساختمان*هاي بزرگتر،تاثير تفاوت دماي بين داخل و خارج بر بار سرمايشي ناشي از ديوارها نسبت به ديگراجزا كمتر است و بزرگترين مولفه*هاي بار سرمايشي مربوط به تابش مستقيم خورشيد بهجداره*هاي نورگذر مانند پنجره*ها، نورپردازي مصنوعي، ساكنين و تجهيزات داخلمي*باشد. لذا ضروري است كه عايق*بندي بر اساس نوع ساختمان و نوع آب و هوا انجامپذيرد .
پنجره*ها در حدود 10 تا 30درصد جداره*هاي خارجي ساختمان را تشكيلمي*دهند و مي*توانند از بزرگترين منابع اتلاف انرژي باشند. مانند هر عنصر ديگر،هنگامي كه اختلاف دما بين داخل و خارج وجود داشته باشد پنجره*ها موجب اتلاف انرژياز ساختمان مي*شوند، ولي از ديدگاه ديگر اجازه ورود انرژي خورشيد به صورت مستقيم ياغيرمستقيم به داخل مي*دهند كه در جاي خود براي نورپردازي طبيعي بسيار مهم تلقيمي*شود. در بهترين حالت پنجره*ها بايد بتوانند كمترين انتقال حرارت را از طريقهدايت داشته باشند و به صورت همزمان مطلوب*ترين مقدار نور طبيعي و انرژي خورشيد رابه داخل منتقل كنند. لذا استفاده از پنجره*هاي چندجداره يك روش بهينه*سازي مصرف وتقاضاي انرژي است كه تحليل اقتصادي ساده آن، به صورت جداگانه از ديگر عناصرساختمان، بيانگر موضوع به صورت كامل نمي*باشد و بايد با نگرش جامع نسبت به مجموعهعناصر در يك ساختمان مورد ارزيابي قرار گيرد. پنجره*هاي چندجداره نه تنها موجب كاهشانتقال حرارت هدايتي مي*شوند، بلكه خواص ديگري دارند كه بايد مد نظر قرار گيرد. درطي ماه*هاي سرد زمستان، دماي بالاتر سطح داخلي پنجره*هاي چندجداره نسبت بهپنجره*هاي تك*جداره فوايد ديگري دارد مانند (آ) كاهش يا پيشگيري از چگالش بخار آببر 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. معمولااثر نامطلوب پنجره*ها در ساختمان*هاي كوچكتر بر روي بار گرمايشي است. درساختمان*هاي بزرگتر، در زمستان، قسمتي از اتلاف انرژي حرارتي از پنجره*ها از طريقانرژي حرارتي توليد شده توسط ساكنين و كامپيوتر و سيستم نورپردازي جبران مي*شود. درايام گرم تابستاني، اثر مطلوب پنجره*ها از طريق كاهش انتقال حرارت و بار سرمايشينمايانگر مي*شود. در ساختمان*هاي بزرگتر كه نورپردازي طبيعي از طريق پنجره*هامي*تواند در كاهش بار سيستم نورپردازي مصنوعي اثر قابل ملاحظه*اي داشته باشد، طراحيو انتخاب نوع پنجره از پيچيدگي خاصي برخوردار است.
به منظور بهينه*سازي عملكردپنجره*ها فن*آوري*هاي متفاوتي مبتني بر تغيير رنگ شيشه كه تحت عنوان كروموجنيك (Chromogenic glazings) و پنجره*هاي هوشمند (Smart Windows) مطرح مي*شوند كه طيسال*هاي اخير مورد بررسي قرار گرفته است. اگرچه شيشه*هايي ساخته شده است كه برايبرخي طول موج*ها از طيف نور طبيعي مي*توانند خواص تشعشعي مطلوبي در تابش (emittance) يا انعكاس (reflevtance) نور خورشيد از خود نشان دهند و توانسته*اندموجب كاهش بار سرمايشي شوند ولي خواص تشعشعي آنها ثابت است. بر اساس حساسيت به نور (Photochromic) و دما (Thermochromic) و جريان الكتريكي (Electrochromic) شيشه*هايهوشمند خواص تشعشعي خود را تغيير مي*دهند و به صورت ديناميكي موجب كاهش در مصرفانرژي الكتريكي براي نورپردازي مصنوعي و بار سرمايشي و در مجموع بهينه*سازي مصرف وتقاضاي انرژي مي*شود. شيشه معمولي (Clear glass) مقدار زيادي از نور خورشيد را ازخود عبور مي*دهد و با استفاده از كنترل*كننده نور مصنوعي در كاهش انرژي الكتريكيجهت نورپردازي مصنوعي موثر بوده و از اين رو موجب بيشترين مصرف انرژي سرمايشيمي*شوند (33KW/m2). در مقايسه، شيشه*هاي منعكس*كننده (Reflective glass) كمترينمقدار نور طبيعي را از خود عبور مي*دهند و بيشترين مصرف انرژي الكتريكي (60KW/m2) را براي نورپردازي مصنوعي و همچنين موجب مصرف انرژي سرمايشي (12KW/m2) مي*شوند. عملكرد نورگذرهاي هوشمند نسبت به ديگر انواع شيشه*ها مطلوب*تر است و اين در حالياست كه شيشه*هاي حساس- به – دما كمترين انرژي را براي سرمايش مصرف مي*كند وشيشه*هاي حساس – به – نور بهترين عملكرد را براي نورپردازي طبيعي دارد و شيشه*هايحساس – به – جريان الكتريكي بيشترين كارايي را براي نورپردازي طبيعي و مصرف انرژيسرمايشي دارد.
در استفاده از پنجره*ها براي نورپردازي طبيعي آنچه كه اهميتبيشتري نسبت به مساحت دارد مكان*يابي و تعيين استراتژيك توزيع آنها در ساختمانمي*باشد. فوايد نورپردازي طبيعي بيش از كاهش در تقاضا و مصرف انرژي مي*باشد. براساسمطالعات انجام*شده انسان از نظر كاري و روحي بيشترين و بهترين پاسخ را نسبت بهروشنايي به دست آمده از نور روز به صورت طبيعي نشان مي*دهد و مردم كار كردن در محيطروشن شده توسط نور طبيعي را ترجيح مي*دهند. نكاتي كه بايد در طراحي نورپردازي طبيعيمدنظر قرار گيرد، شامل روش اجازه ورود حداقل تابش مستقيم خورشيد براي كاهش مشكلاتانعكاس بيش از حد نور (glare) از سطوح در فضاي داخل و افزايش دماي بيش از حد و دراغلب اوقات از بين بردن رنگ منسوجات و اشيا مي*شود.
تجهيزات كنترل كه براينورپردازي طبيعي به*كار گرفته مي*شود، شامل سلول نوري (photo cell) براياندازه*گيري مقدار نور موجود در فضا و كاهنده (dimmer) براي نور مصنوعي از لامپ*هامي**شود كه به صورت خطي يا پله*اي عمل مي*كنند. شدت نور طبيعي در طي روز وابسته بهعوامل مختلفي از جمله مكان خورشيد در آسمان، پوشش ابري آسمان و ساختمان*هاي بلندهمجوار است. يكي از نكات مهم در بهره*برداري از نور طبيعي، منطقه*بندي ساختمانبراساس جهات شمال، شرق، جنوب، غرب و استفاده از سيستم*هاي كنترل مي*باشد كه بتوانمقدار نور موردنياز در هر منطقه را با ايجاد تغيير (كاهش يا افزايش) در شدت نورمصنوعي، به صورت ثابت حفظ نمود. در حال حاضر تكنولوژي*هاي متفاوتي براي كنترل انرژيمصرفي لامپ*ها در نورپردازي مصنوعي وجود دارد كه متداول*ترين آنها براي لامپ*هايرشته*اي تايريستور (thyristor) است كه موجب كاهش ولتاژ مي**شود و براي لامپ*هايفلورسنت بالاست*هاي الكترونيكي است كه با محدود ساختن جريان يا ولتاژ كارمي*كنند.
در روش به*كارگيري نور طبيعي در ساختمان نور طبيعي با عبور از سطوحنورگذر در ديوارها و بام به صورت پخشيده (diffuse) و غيرمستقيم و يكنواخت (uniform) در فضاي داخل مورد استفاده قرار مي*گيرد. با توجه به اينكه به طور متوسط بيش از 70درصد سطح فضاي مورد استفاده (كف) در ساختمان*ها در مجاورت با جداره*ها قراردارند، امكان كاهش تقاضا و مصرف انرژي الكتريكي در حد قابل*توجهي همواره وجود داردو مقدار اين كاهش وابسته به مساحت سطوح نورگذر و نوع تجهيزات براي كنترل نورپردازيمصنوعي مي*باشد.اين موضوع حائز اهميت است كه تمامي انرژي الكتريكي مورد استفادهبراي نورپردازي مصنوعي تبديل به گرما شده و هر گونه كاهش در آن موجب كاهش بارسرمايشي در زمان حداكثر بار در ماه*هاي گرم تابستان مي*گردد و در مجموع تاثير مثبتنورپردازي طبيعي در ساختمان بين 40 تا 60درصد از كل مصرف انرژي مي*تواندباشد.
نتايج مطالعات تجربي انجام*شده پيرامون اثربخشي نورپرداز طبيعي در يكدبستان و دبيرستان با 6700 مترمربع مساحت مفيد در ايالت واشنگتن در آمريكا در سال 1988 نشان مي*دهد كه نصب 40 نورگير در بام بيش از 87درصد از ساختمان را با نورطبيعي پوشش مي*دهد. در آن مطالعه، طراحي سيستم نورپردازي طبيعي موجب شده است كه درزمان آفتاب درخشان 99درصد نور موردنياز به صورت طبيعي تامين گردد و نتيجتا كاهشي درحد 42درصد در انرژي نورپردازي مصنوعي مشاهده گرديده است. در تحقيقات ديگري درآمريكا پيشنهاد شده است كه براي مقابله با مشكلات تقاضا براي انرژي الكتريكي،سيستم*هاي نورپردازي طبيعي در ساختمان*هاي اداري كه به صورت اتوماتيك كنترل مي*شوندمي*توانند در كاهش بيش از 15000 مگاوات تقاضا براي انرژي، كه معادل نصف ظرفيت كلنيروگاه*هاي ايران است، موثر واقع گردند. نتايج شبيه*سازي عددي تقاضا و مصرف انرژييك ساختمان آموزشي با مساحت 850 متر*مريع در ايالت كاليفرنيا در آمريكا نشان دادهاست كه نورپردازي طبيعي با سيستم كنترل اتوماتيك در كاهش مصرف انرژي براي نورپردازيبه 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 درمصرف انرژي در حد 36درصد پيش*بيني شده است.
- نتيجه شبيه*سازي
همان طور كهدر مقدمه اشاره شد، نوع ساختمان*ها و كاربري آنها در كشورهاي مختلف با توجه بهاقليم، معماري و فرهنگ متفاوت است، لذا در مدل ساختمان انتخابي سعي شده است كهشرايط حاكم در كشور ايران لحاظ گردد. ساختمان مدلسازي شده داراي مساحت كل 800 مترمربع مي*باشد و پنجره*هاي ساختمان در جهت*هاي شمال و جنوب قرار گرفته*اند. تحتشرايط طراحي خوب ديوارها و بام به ترتيب داراي عايق*بندي با مقاومت حرارتي R=25 و R=40 hr-ft2-0F/Btu هستند و تحت شرايط نامطلوب داراي عايق*بندي R=5 و R=8 مي*باشند. همچنين، ضريب هدايت حرارتي پنجره*ها تحت* شرايط طراحي خوب و نامطلوب به ترتيب برابربا فرمول:

[IMG]file:///C:/DOCUME%7E1/sabory/LOCALS%7E1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image001.jpg[/IMG]

فرض شدهاست. درصد سطح پنجره*ها در جهت شمال و جنوب برابر با 20% سطح ديوارها تعيين گرديدهاست. لامپ*هاي فلورسنت براي سيستم نورپردازي مصنوعي براساس 22W/m2 مورد استفادهقرار مي*گيرد. تحت شرايط طراحي خوب، سيستم نورپردازي طبيعي با سلول نوري و كنترلجهت كاهش مصرف انرژي سيستم نورپردازي مصنوعي به كار گرفته مي*شود و در شرايطنامطلوب تمامي لامپ*ها در طي ساعات كاري همواره روشن هستند. شرايط آب و هوايي مورداستفاده در شبيه*سازي مربوط به شهر تهران مي*باشد. شرايط آب و هوايي مورد استفادهدر شبيه سازي شامل شرايط جغرافيايي مانند طول و عرض جغرافيايي، پارامترهايترموديناميكي آب و هوايي مانند دماها، رطوبت نسبي سرعت باد و غيره و همچنينفاكتورهاي مربوط به تعيين ميزان دريافت انرژي خورشيدي در شهر تهران مفروض مي*باشد. در اين شبيه*سازي، 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 17است.
نتايج شبيه*سازي تقاضا و مصرف انرژي براي ساختمان مطرح شده بر اساس تغييراتدماي هوا و انرژي خورشيدي براي فصول بهار، تابستان، پاييز و زمستان نشان مي*دهد، درحالي*كه محاسبات در شبيه سازي بر اساس تك تك ساعات در سال انجام شده است استفاده ازميانگين ارقام تقاضا و مصرف انرژي در محدوده زماني فصلي به علت كاهش در نوسانات ونتيجه*گيري كلي مي*باشد. همان*طوري*كه انتظار منطقي مي*رود، مقادير تقاضا بر حسب Kw و مصرف بر حسب kWh براي طراحي خوب (Good design) كه شامل عايق*بندي مناسب ديوارها وبام و استفاده از پنجره*هاي چند جداره و نورپردازي طبيعي مي*شود در پايين*ترين سطحقرار دارند. به صورت كلي تقاضا و مصرف انرژي در فصول مياني بهار و پاييز براي تماميشرايط طراحي به هم نزديك هستند به اين علت كه ساعات روشن روز و دماها و انرژيخورشيدي تقريبا به يك اندازه مي*باشند.
عدم استفاده از عايق*بندي مناسب برايديوارها و بام (Poor insulation) و همچنين به كار نگرفتن پنجره*هاي چند جداره (Poor glazing) موجب بيشترين اثر منفي در ماه*هاي سرد زمستان مي*شود و ايجاد تقاضاي زيادبراي انرژي به صورت گرمايشي مي*كند. قابل توجه است كه سردترين دما در زمستان درساعات شب رخ مي*دهد و با كاهش ميزان ترموستات در ساعات شب، تقاضا براي انرژي حرارتيدر صبح روز بعد و شروع ساعات كاري در حداكثر خواهد بود. چنانچه عايق*بندي جداره*هاو پنجره*ها مناسب باشند؛ ولي سيستم نورپردازي طبيعي مورد استفاده قرار نگيرد، (Poor daylighting) همان*طوري*كه در شكل (4-ب) نشان داده شده است، تقاضا براي انرژي در طيسال با نوسانات كمي مواجه است با اين شرح كه در فصل تابستان، عدم كاهش در مولفه بارسرمايشي كه در رابطه با نورپردازي مصنوعي است موجب افزايش تقاضا مي*گردد. در فصلزمستان، تعداد ساعات روشن روز كه نسبت به ديگر ماه*ها كمتر است موجب تقاضاي بيشترانرژي جهت نورپردازي مصنوعي مي*گردد. به صورت كلي از منحني*هاي تقاضا مي*توان نتيجهگرفت كه عدم استفاده از نورپردازي طبيعي در طي فصول بهار و تابستان و پاييز بيشترينتقاضا را ايجاد مي*كند و تاثير منفي بيشتري نسبت به عدم استفاده از عايق*بندي صحيحدر آن فصول دارد. قابل توجه است كه اين موضوع در منحني*هاي مصرف انرژي نيز خود رابه خوبي آشكار مي*سازد كه استفاده از نورپردازي مصنوعي ( و عدم بهكار گيرينورپردازي طبيعي و سيستم كنترل) در طي تمامي ساعات فصول بهار، تابستان و پاييزبيشترين مصرف انرژي را در پي دارد.