بررسی پیاده‌سازی مقررات ملی ساختمان: حال و آینده
اثر بخشی عایق کاری جداره، نوع پنجره و نورپردازی طبیعی بر تقاضا و مصرف انرژی در ساختمان
خلاصه:
مصرف انرژی در ساختمان‌ها وابستگی مستقیم به شرایط جغرافیایی، روش استفاده و بهره‌برداری و امکانات اقتصادی دارد. بخش ساختمان ۳۸درصد مصرف در سبد انرژی کشوررا دارا می‌باشد و قبل از تدوین قوانین و آیین‌نامه‌های اجرایی، بررسی و تحلیل راهکارهای بهینه‌سازی جهت سیاستگذاری و فرهنگسازی ضروری به نظر می‌رسد. در حالی که موفقیت راهکارهای مختلف در ارتباط مستقیم با نحوه استفاده و فرهنگ خاص هر اقلیم است و مستلزم زمان می‌باشد، بررسی راهکارها و آثار آنها بر تقاضا و مصرف انرژی از دیدگاه علمی می‌تواند زمینه مناسب در این راستا فراهم آورد.
خلاصه:
مصرف انرژی در ساختمان‌ها وابستگی مستقیم به شرایط جغرافیایی، روش استفاده و بهره‌برداری و امکانات اقتصادی دارد. بخش ساختمان 38درصد مصرف در سبد انرژی کشوررا دارا می‌باشد و قبل از تدوین قوانین و آیین‌نامه‌های اجرایی، بررسی و تحلیل راهکارهای بهینه‌سازی جهت سیاستگذاری و فرهنگسازی ضروری به نظر می‌رسد. در حالی که موفقیت راهکارهای مختلف در ارتباط مستقیم با نحوه استفاده و فرهنگ خاص هر اقلیم است و مستلزم زمان می‌باشد، بررسی راهکارها و آثار آنها بر تقاضا و مصرف انرژی از دیدگاه علمی می‌تواند زمینه مناسب در این راستا فراهم آورد.
راهکارهای بهینه‌سازی می‌توانند در ارتباط با معماری ساختمان باشند که مواردی مانند جرم و عایقکاری جداره‌ها، پنجره‌ها و نورپردازی طبیعی را در بر می‌گیرد. همچنین روش‌های کاهش مصرف و تقاضای انرژی می‌تواند مربوط به مهندسی تاسیسات گرمایشی و سرمایشی یا الکتریکی شود. از آنجا که پارامترهای طراحی اجزا و معماری و تاسیسات متقابلا بر یکدیگر و نهایتا بر آسایش انسان اثر می‌گذارند، هرگونه تحلیل باید مبتنی بر روابط ریاضی شرایط آسایشی و فیزیک انتقال نور و حرارت و جرم انجام گیرد.
اهداف اصلی این مطالعه شامل قسمت‌های ذیل میشود:
الف) بررسی ادبیات موضوع جهت شناخت دقیق تجربیات و آثار راهکارهای بهینه‌سازی در سطح بین‌المللی، ب) تحلیل شاخص شرایط آسایشی، ج)شبیه‌سازی آثار عایق بندی جداره‌ها و پنجره‌های چند جداره و نورپردازی طبیعی بر تقاضا و مصرف انرژی در یک ساختمان در شرایط اقلیمی ایران و بر اساس فصول مختلف.
در این مطالعه، بررسی‌ها از طریق شبیه‌سازی عددی مصرف و تقاضای انرژی در یک ساختمان نمونه در استان مرکزی کشور میسر می‌گردد که از این طریق جزئیات مربوط به هریک از روش‌های بهینه‌سازی تعیین و در نتیجه آثار راهکارهای مختلف مشخص خواهد شد.
نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد، در فصل زمستان، تقاضای زیاد برای انرژی گرمایشی به دلیل عدم استفاده از عایق‌بندی مناسب برای دیوارها و بام و همچنین به کارنگرفتن پنجره‌های چند جداره می‌باشد.
همچنین در ماه‌های زمستان تعداد ساعات روشن روز که نسبت به دیگر فصول کمتر است، موجب تقاضای بیشتر انرژی برای نورپردازی مصنوعی می‌گردد. در حالی که عدم استفاده از نورپردازی طبیعی طی فصول بهار و تابستان و پاییز، بیشترین تقاضا و مصرف را ایجاد می‌نماید. نتیجه کلی به این صورت مطرح میشود که آثار راهکارهای مختلف بهینه‌سازی بر تقاضا و مصرف در فصول مختلف متفاوت است و تشخیص راهکار مناسب برای مدیریت تقاضا یا مصرف تنها از طریق شبیه‌سازی برای تمامی سال میسر می‌گردد.
۱ - مقدمه
نیازمندی به توسعه پایدار که به مصرف بیشتر انرژی وابستگی دارد از یکسو و دستیابی به اهداف کاهش در شدت انرژی از سوی دیگر ایجاب می‌کند که روش‌های بهینه‌سازی تقاضا و مصرف انرژی از سوی دیگر با توجه به نیازهای بخش‌های مختلف انرژی، به ترتیب اهمیت، از قبیل ساختمان، صنعت، حمل‌ونقل و کشاورزی تهیه شوند. بخش ساختمان که در این مطالعه مورد بررسی قرار می‌گیرد بیش از 38درصد از کل مصرف انرژی کشور را به خود تخصیص می‌دهد. بهینه‌سازی تقاضا و مصرف انرژی در ساختمان نیازمند به اعمال به یک دیدگاه جامع که در برگیرنده چگونگی حفظ شرایط آسایشی انسان و عملکرد اجزای مختلف ساختمان است، می‌باشد. آمار رسمی نشان می‌دهد که طی بیست سال اخیر مصرف سوخت‌های فسیلی در بخش ساختمان ایران از لحاظ مقدار 5/4 و از لحاظ ارزش جهانی تقریبا 12برابر شده است و پیش‌بینی میشود که این ارقام در بیست سال آینده به ترتیب 5/2 و 5برابر خواهد شد. در کشورهای پیشرفته و در حال توسعه، ازدیاد مصرف انرژی در بخش ساختمان عمدتا معلول افزایش جمعیت و نیاز به بهبود رفاه عامه مردم می‌باشد، ولی در ایران دو علت دیگر هم در این خصوص نقش مهمی ایفا می‌کنند: (آ)پایین بودن ارزش نسبی
حامل‌های انرژی و (ب)عدم شناخت صحیح از دینامیک انرژی‌بری در ساختمان. پیرو بند «و» تبصره 19 برنامه پنج ساله دوم و ادامه آن در برنامه پنج ساله سوم توسعه اقتصادی کشور، مقرراتی در این زمینه مطرح گردیده است و معرفی مقررات مربوط به عایق‌بندی ساختمان‌ها (تحت‌عنوان مبحث 19) توسط وزارت مسکن و شهرسازی و استانداردهای تجهیزات خانگی که در حال توسعه می‌باشند در این راستا موثر خواهند بود.
قابل ذکر است که روش‌های مطرح شده برای عایق‌بندی جداره‌های ساختمان در مبحث ۱۹ تشریحی (prescriptive) هستند. تا این زمان، فعالیتی در راستای تعیین عملکرد (performance) که اجازه اعمال خلاقیت در بهکارگیری راهکارهای مختلف می‌دهد و مبتنی بر تعیین تاثیر راهکارهای مختلف از جمله عایق‌بندی جداره‌ها، نصب پنجره‌های چند جداره و استفاده از نورپردازی طبیعی بر عملکرد ساختمان می‌باشد، شکل نگرفته است.
اهداف اصلی این مطالعه شامل قسمت‌های ذیل میشود:
(آ) بررسی ادبیات موضوع جهت شناخت دقیق تجربیات و آثار راهکارهای بهینه‌سازی در سطح بین‌المللی، (ب) تحلیل شاخص شرایط آسایشی، (پ)شبیه‌سازی آثار عایق‌بندی جداره‌ها و پنجره‌های چند جداره و نورپردازی طبیعی بر تقاضا و مصرف انرژی در یک ساختمان در شرایط اقلیمی ایران و براساس فصول مختلف.
نتایج این مطالعه مبین این موضوع خواهد بود که عدم رعایت کدامین راهکار موجب افزایش تقاضا و مصرف انرژی می‌گردد.
۲ - آسایش انسان و انرژی
درک صحیح آنچه که انسان را در شرایط آسایشی در ساختمان حفظ می‌کند در حقیقت نقطه شروع بهکارگیری منطقی انرژی است. ایجاد شرایط آسایشی در ساختمان در ارتباط مستقیم با دانش و آشنایی دست‌اندرکاران با مسوولیت‌های مختلف از قبیل برنامه‌ریزی، طراحی، مشاوره، ساخت، نظارت و سرمایه‌گذاری می‌باشد. در کشور ما، آنچه که امروزه بسیار رایج می‌باشد، استفاده از قوانین سرانگشتی است و مشاوره با متخصصین در رشته‌های معماری و فنی مهندسی امری بی‌اهمیت و با هزینه گزاف تلقی می‌گردد. در اذهان برخی از دست‌اندرکاران ارزش مصالح ساختمانی بیش از ارزش مشاوره می‌باشد؛ چرا که افکار مشاور قابلیت جایگزینی با قوانین سرانگشتی را دارد، ولی مصالح ساختمانی را با چیز دیگری نمی‌توان جایگزین نمود.
تقاضا و مصرف انرژی در ساختمان به این علت اهمیت پیدا می‌کند که حفظ شرایط آسایشی و ایجاد محیط مناسب برای کار و زندگی انسان مستلزم انرژی است و شرایط مناسب برای ساکنین تابع عوامل محیطی مانند دما، رطوبت، سرعت هوا و میانگین دمای تشعشعی می‌باشد. هنگامی که دستیابی به شرایط مناسب در داخل ساختمان اهمیت پیدا می‌کند، معمولا نظر یک فرد متفاوت از نظر دیگران می‌باشد. دما و شرایط آسایشی مناسب وابستگی به عواملی که در ارتباط با شرایط جسمی و روحی انسان از قبیل متابولیزم، لباس و پوشش سطح بدن، جثه، نرخ تبخیر از بدن، شلوغی و صدا می‌باشد. در یکی از تحقیقات انجام شده در آمریکا نشان داده است که تبخیر از بدن برای افراد مختلف تا حد شش برابر می‌تواند متفاوت باشد و این در حالی است که دامنه تغییرات اتلاف حرارت از طریق تبخیر از بدن انسان بسیار وسیع بوده و از یک هشتم تا سه چهارم از کل برای افراد مختلف فرق می‌کند.
شناسایی و کمی‌سازی آسایش انسان نسبت به عوامل محیطی و معرفی شاخص مناسب مبتنی بر محاسبات اتلاف انرژی حرارتی از ضرورت‌های اولیه در بهینه‌سازی تقاضا و مصرف انرژی به شمار می‌آید. بر اساس شماتیک مدل انسان یکی از بهترین شاخص‌های موجود برای اندازه‌گیری شرایط آسایشی انسان در ادبیات موضوع تحت عنوان میانگین قابل پیش‌بینی آرای (Predict Mean Vote:PMV) ساکنین مطرح گردیده که بر اصل موازنه انرژی بین محیط و بدن پوشیده شده انسان استوار است.
شرایط آسایشی تابعی است از تعداد زیادی از پارامترها که تنها یکی از آنها دما می‌باشد و انتظار می‌رود که اگر طراحی تاسیسات گرمایشی و سرمایشی در ساختمان فقط بر اساس توجه به دما انجام پذیرد و سایر پارامترها در نظر گرفته نشوند، مشکلات مدیریت تقاضا و مصرف انرژی به وجود می‌آید. حتی اگر تنها دما در نظر گرفته شود، ادبیات موضوع نشان می‌دهد که معیارها در این زمینه نیز متفاوت می‌باشد. مطالعات انجام شده در سطح بین‌المللی نشان می‌دهد که دمای مطلوب در داخل ساختمان برای ملیت‌های مختلف فرق می‌کند (۱۴O-۲۱OC) و وابستگی به نوع و قیمت حامل‌های انرژی نیز دارد. دماهای مطلوب بر ایجاد شرایط آسایشی در ماه‌های سرد زمستان در کشورهای ژاپن و نروژ و سوئد به ترتیب ۱۴ و ۱۷ و ۲۱OC ترجیح داده میشود. بررسی موضوع در انگلستان نشان داده است که دمای مطلوب هوا در داخل ساختمان در حد OC ت۸/۱۵ می‌باشد و نتیجتا این استنباط وجود دارد مردم در آن کشور نسبت به سرما حساسیت کمتری دارند. همچنین نتایج بررسی‌ها عنوان می‌کند که دمای شرایط آسایشی برای مردم، در آمریکا و دانمارک بیش از حد سردتر از آن است که مردم ژاپن اعلام می‌کنند. قابل توجه است که طی چند دهه
اخیر در آمریکا استاندارد دماهای آسایشی در فصول گرمایش تغییرات چشمگیری داشته است و از ۱۸ به OC ت۵/۲۴ تغییر یافته است. موارد مطرح شده در ادبیات موضوع بیانگر این نکته مهم می‌باشد که تعیین شرایط اقلیمی مختلف متفاوت است، عوامل دیگر نیز در موضوع سهیم هستند که باید بر اساس اصول علمی مورد تحلیل قرار گیرند. یکی از این اصول انتخاب نوع سیستم توزیع گرمایش یا سرمایش می‌باشد که اخیرا نتیجه مطالعات نشان داده است که سیستم‌هایی مطلوب‌تر هستند، مانند فن- کویل که افراد بتوانند خود را برای دستیابی به شرایط آسایشی به آنها نزدیک یا دور کنند. موضوع نزدیکی یا دوری مبتنی بر اصول اتلاف انرژی می‌باشد که انرژی از طریق تشعشع (۴۴W) و جابه‌جایی (۴۴W) و تبخیر (۲۹W) به محیط در دمای ۲۳OC و رطوبت نسبی ۵۰درصد واگذار می‌گردد. عوامل محیطی که در تعیین شرایط آسایشی موثر هستند شامل دما، رطوبت، سرعت هوا و میانگین دمای تشعشعی
(Mean Radiant Temperature: MRT) محیط می‌باشد و طبیعتا تا زمانی که تعادل در اتلاف حرارت از بدن حفظ شود اثر بیشتر یکی از عوامل محیطی می‌تواند کمبود دیگری را جبران کند. در حالی که اتلاف حرارت از بدن از طریق جابه‌جایی در رابطه مستقیم با دمای هوای مجاور می‌باشد، اتلاف از طریق تشعشع در رابطه با دما به توان چهار است. میانگین دمای تشعشعی Tmrt که در تعیین Qrad به کار گرفته میشود از رابطه زیر قابل محاسبه می‌باشد.
در رابطه فوق FJ-Person زاویه دید سطح j ام محیط به شخص داخل محفظه کنترل شده می‌باشد که در دمای Tj قرار دارد. برای مثال نشستن در کنار آتش، به عنوان تنها منبع گرمایش، موجب افزایش اثر دمای تشعشعی می‌گردد و این عامل جبران‌کننده اثر دمای کمتر از حد مطلوب محیط در زمستان تلقی میشود و بالعکس، استفاده از پرده برای جلوگیری از تابش مستقیم خورشید و فراهم نمودن شرایط آسایشی از طریق کاهش میانگین دمای تشعشعی محیط میسر می‌گردد. آنچه که در طراحی ابنیه قدیمی مدنظر معماران جهت فراهم نمودن شرایط آسایشی قرار می‌گرفته است استفاده از مکانیزم‌های انتقال مانند تشعشع و جابه‌جایی بوده است. در فصل تابستان، پایین‌تر بودن شبستان‌ها از سطح زمین و ضخامت دیوارها از انتقال حرارت در طی روز جلوگیری می‌‌کرد و دمای پایین سطح دیوارها موجب اتلاف انرژی حرارتی از بدن انسان از طریق تشعشع و جابه‌جایی در حد مطلوب می‌شد. در ابنیه قدیمی ایرانی جرم زیاد و ضخامت دیوارها نه تنها نقش عایق داشته است بلکه در ذخیره‌سازی گرمای روز برای شب و سرمای شب برای روز، با ثابت زمانی ۱۰ تا ۱۲ ساعت، موثر واقع می‌شده است. در طرح‌های امروزی ساختمان در کشور، به علت استفاده
بیش از حد از سطح شفاف و عدم استفاده از جرم و عایق‌بندی مناسب، زمان ثابت انتقال حرارت هدایتی که به دلیل تفاوت دما بین خارج و داخل پدید می‌آید در حد ۱ تا ۲ ساعت است. در بخش بعدی به بررسی پدیده‌های فیزیکی که در بهینه‌سازی تقاضا و مصرف انرژی موثر هستند پرداخته میشود.
3 - بررسی روش‌های بهینه‌سازی
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 (۶,۷,۸,۹). 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 (۱۴).
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 (۳۳KW/m۲). در مقایسه، شیشه‌های منعکس‌کننده (Reflective
glass) کمترین مقدار نور طبیعی را از خود عبور می‌دهند و بیشترین مصرف انرژی الکتریکی (۶۰KW/m۲) را برای نورپردازی مصنوعی و همچنین موجب مصرف انرژی سرمایشی (۱۲KW/m۲) 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 ۶۷۰۰ مترمربع مساحت مفید در ایالت واشنگتن در آمریکا در سال ۱۹۸۸ نشان می‌دهد که نصب ۴۰ نورگیر در بام بیش از ۸۷درصد از ساختمان را با نور طبیعی پوشش می‌دهد. در آن مطالعه، طراحی سیستم نورپردازی طبیعی موجب شده است که در زمان آفتاب درخشان ۹۹درصد نور موردنیاز به صورت طبیعی تامین گردد و نتیجتا کاهشی در حد ۴۲درصد 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 ۱۵۰۰۰ 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 ۸۵۰ متر‌مریع در ایالت کالیفرنیا در آمریکا نشان داده است که نورپردازی طبیعی با سیستم کنترل اتوماتیک در کاهش مصرف انرژی برای نورپردازی به مقدار ۵۵درصد موثر بوده است و اثر آن بر کل تقاضای انرژی در ساختمان برابر با ۴۹درصد
تعیین گردیده است. در حالتی که سیستم کنترل اتوماتیک استفاده نشود، کاهش در مصرف انرژی در حد ۳۶درصد پیش‌بینی شده است.
4 - 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 ۸۰۰ 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=۲۵ و R=۴۰ hr-ft۲-۰F/Btu هستند و تحت شرایط نامطلوب دارای عایق‌بندی R=۵ و R=۸ 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.
۵ - پیشنهادات
از آنجا که آثار راهکارهای مختلف بهینه‌سازی بر تقاضا و مصرف در فصول مختلف متفاوت است، تشخیص راهکار مناسب برای مدیریت تقاضا یا مصرف تنها از طریق شبیه‌سازی برای تمامی سال میسر می‌گردد. شناخت دینامیک تقاضا و مصرف انرژی و آثار تغییرات در عوامل محیطی که در ارتباط مستقیم با شرایط آسایشی هستند نقش اساسی در تدوین استراتژی‌ها دارند. از این رو بهکارگیری راهکارهایی که در کشورهای دیگر موفق بوده است، ضرورتا مشکل تقاضا و مصرف انرژی را در کشور حل نمی‌کند و بررسی روش‌های بهینه سازی بر اساس شرایط اقلیمی و فرهنگی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. تهیه نرم‌افزارهای شبیه ساز تقاضا و مصرف انرژی در ساختمان‌ها می‌تواند ابزار مناسبی برای مهندسین مشاور و طراحان باشد.
*دانشیار گروه قدرت و مدیریت انرژی الکتریکی دانشکده مهندسی برق- دانشگاه صنعتی امیرکبیر (پلی تکنیک تهران)
ارسال نظر