بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان

محدودیت منابع انرژی و افزایش روز افزون مصرف آن از یکسو و مصرف بی‌رویه انرژی توسط جوامع مختلف از سوی دیگر، علاوه بر آلودگی محیط زیست و هدر دادن سرمایه‌های ملی، زندگی آینده انسان‌ها را با مخاطره مواجه ساخته است.
تجربه نشان می‌دهد که رشد اقتصادی و توسعه صنعتی کشورها بعنوان پیش شرط‌های اقتدار سیاسی، استقلال ملی و شکوفایی فرهنگی به عوامل مختلف از جمله انرژی و استفاده بهینه از منابع انرژی نیازمند است. اگرچه ایران از غنی‌ترین منابع انرژی برخوردار است اما استفاده نادرست از آن‌ها خسارت جبران ناپذیری را بر بودجه سالانه کشور تحمیل می‌کند. از این رو استفاده منطقی از منابع انرژی و برنامه ریزی در زمینه‌های بهینه‌سازی مصرف انرژی از الویت ویژه‌ای برخوردار می باشد.
از طرفی شرایط محیط زیست انسان‌ها تاثیر زیادی بر تمام شئونات زندگی آن‌ها دارد و باتوجه به اینکه بخش عمده زندگی ما در داخل ساختمان‌ها می‌گذرد، ایجاد شرایط مطلوب زیست محیطی در داخل ساختمان‌ها از اهمیت خاصی برخوردار می‌باشد. از مهم‌ترین شرایط ساختمان‌ها تهیه گرمایش و سرمایش و تهویه مطبوع مناسب با توجه به نوع فعالیت انسان‌ها است. واضح است این شرایط هرچه مطلوب‌تر و کامل‌تر باشد هزینه و انرژی زیادی مصرف خواهد کرد. هدف از این مطالعه و تحقیق عبارتست از :
1- پیشنهاد تغییرات کلی در طراحی ساختمان‌ها با در نظرگرفتن شرایط اقلیمی منطقه.
2- کاربرد مصالح ساختمانی با کیفیت بالا با در نظرگرفتن مسائل عایق‌کاری و درزبندی‌ها.
3- ارائه راه کارهایی به منظور بهینه‌سازی مصرف انرژی در تاسیسات مکانیکی و الکترونیکی ساختمان.
4- پیاده کردن فرهنگ استفاده از انرژی‌های مصرفی برای بهره‌برداران.

در تاریخ آمده است که نخستین مصارف انرژی بشر برای گرم کردن و حفاظت از خود بوده و بعدها نیز برای پخت و پز و حمل و نقل بوده است. بدون شک انسان در مراحل اوایه تکامل خود بفکر ساختمان پناهگاه نیز افتاده است. امروزه عملکرد ساختمان‌ها بطور غیرمستقیم حدود 2/1 مصرف انرژی مورد استفاده کشورهای مختلف را شامل می‌گردد. بیش از نصف انرژی مصرف شده در ساختمان‌ها برای گرمایش و سرمایش و معادل 10% آن برای روشنایی و بقیه آن برای سایر مصارف انرژی بکار می‌رود. انرژی مصرفی ساختمان‌ها تحت تاثیر عوامل گوناگونی قرار دارند که عبارتند از:
• آب و هوای محلی
• مکان و جهت قرارگیری ساختمان
• نوع طراحی ساختمان
• نوع کاربری و نحوه استفاده از ساختمان
به علاوه مدیریت انرژی در ساختمان‌ها را می‌توان با در نظر گرفتن عوامل زیر مورد بررسی قرار داد:
• محل قرارگیری ساختمان
• پوشش ساختمان
• سیستم‌های مختلف تاسیساتی
انتخاب محل ساختمان تعیین کننده شرایط آب و هوایی است که ساختمان در آن محل قرار می‌گیرد. پوشش ساختمان تعیین‌کننده اثر شرایط محلی بر ساکنین ساختمان است. این پوشش در حقیقت یک پوسته متخلخل است که انرژی، نور، گازها و بخار آب را بین دو طرف خود یعنی ساختمان و محیط اطراف مبادله می‌کند. سیستم‌های تاسیساتی تکمیل کننده قدرت سرمایش، گرمایش و نور قابل حصول از محیط طبیعی اطراف می‌باشند. تا آنجا که اگر استفاده از این سیستم‌های تکمیلی، با قابلیت‌های پوشش ساختمان و مشخصات محلی آن مرتبط باشند می‌توان مصرف انرژی را به حداقل رساند. اگر ساختمانی بدون درنظرگرفتن عوامل محیطی طراحی شده باشد، یعنی پوشش ساختمان و تاسیسات مکانیکی و الکترونیکی بطور مستقل و بدون ارتباط با عوامل دیگر طراحی شده باشند، انتظار می‌رود که مصرف انرژی در ساختمان به حداکثر مقدار خود برسد.
اصول کلی بهینه‌سازی مصرف انرژی در معماری یک ساختمان:
1. در طراحی معماری ساختمان از شرایط آب و هوای محلی استفاده شود.
2. سمت و جهت ساختمان طوری انتخاب شود که نسبت به شرایط خورشید و باد بهترین حال را داشته باشد.
3. از درختان و سایه آن‌ها و عوارض طبیعی استفاده شود.
4. از گیاهان و گل‌ها برای بهبود آب و هوای محلی بهره‌گیری شود.
5. برای کاهش جذب حرارت خورشید در تابستان و مقابله با تلفات انرژی باید از سایه‌بان استفاده شود.
6. ابعاد و سطح و حجم ساختمان جهت کاهش مصرف انرژی بهینه شود.
7. پوشش ساختمان محکم و عایق‌کاری شود تا تلفات انرژی و نفوذ هوا کاهش یابد.
8. طرح پنجره‌ها بصورت شیشه دو یا چندجداره اجرا شده تا تلفات انرژی حرارتی کاهش یابد.
9. درزبندی پنجره‌ها بهینه شوند تا نفوذ هوا کاهش یافته و تلفات هوا نیز بهینه شود.
10. قابلیت ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در ساختمان فراهم شود.
11. پیل خورشیدی بعنوان اجزای سازنده‌ای در پوشش ساختمان استفاده شود.
12. ورودی‌ها بطور صحیح طراحی شوند و از مفهوم پاسیو حتی‌الامکان استفاده شود.
13. در طراحی ساختمان قبلا با طراحان تاسیسات مکانیکی و الکترونیکی ساختمان مشورت و هماهنگی شود.
با توجه به رعایت اصول بهینه‌سازی، می‌توان برای ساختمان‌ها طرح‌هایی با راندمان بالا ارائه داد. خوشبختانه تکنولوژی موجود در کشور امکان بهبود بخشیدن به طرح‌های جدید ساختمان‌ها را فراهم نمود و صرفه‌جویی‌هایی که هریک از این روش‌ها بعمل می‌آورند قابل توجه می‌باشند.
به هرحال ممکن است هزینه اولیه بعضی از ساختمان‌های بهینه اندکی بیشتر باشد اما صرفه‌جویی‌های حاصله که اغلب به حدود 50 درصد می‌رسد به سرعت سرمایه‌گذاری اضافی اولیه را باز می‌گرداند. در موارد خاص ممکن است که یک ساختمان بهینه ارزان‌تر از یک ساختمان معمولی باشد و علت آن کوچک‌تر بودن سیستم‌های مکانیکی و الکترونیکی و مصرف کم انرژی در آن‌هاست.

اصول کلی بهینه‌سازی مصرف انرژی در گرمایش و سرمایش ساختمان:
آسایش انسان در ساختمان به چهار عامل: دمای هوا، سرعت جریان هوا، رطوبت نسبی هوا و کنترل و خاک و بو بستگی دارد. اگر به نمودار مشخصات هوا توجه کنید منطقه آسایش، حدود دمای هوا در فصول مختلف را بین 20 تا 27 درجه سانتی‌گراد و حدود رطوبت نسبی را بین 20 تا 70 درصد نشان می‌دهد. مناسب‌تر این است در زمستان به حداقل دما و در تابستان به حداکثر دمای آسایش برسیم. در مورد رطوبت نسبی نیز بهتر است هوای محیط را در اقالیم خشک به حدود 20 تا 40 درصد و در مناطق و اقالیم مرطوب به حدود 50 تا 70 درصد رطوبت نسبی برسانیم. سرعت هوا در محدوده بین 3 الی 10 متر در دقیقه می‌تواند متغیر باشد البته پاکی هوا نیز از ضروریات سلامتی و آسایش انسان‌هاست.
در بکارگیری اصول بهینه‌سازی مصرف انرژی بهتر است که ابتدا آن دسته از فرصت‌های بهینه‌سازی بکار بسته شوند که هزینه‌ای در بر ندارد و یا دارای هزینه اندکی هستند و سپس اقدام به فرصت‌هایی با هزینه متوسط و زیاد به عمل آید و اصول بهینه‌سازی در گرمایش و سرمایش عبارتند از:
1- بهینه کردن فضای ساختمان‌ها به این نحو که فضاهای مجموعه بررسی و فضاهای اضافی حذف شوند.
2- بهینه‌سازی کنترل‌ها نقش اساسی در تاسیسات مکانیکی دارند و با بهینه کردن کنترل‌های گرمایش و سرمایش ساختمان را فقط در مواقع لازم امکان‌پذیر سازید.
3- کاهش بارهای حرارتی و برودتی ساختمان: با کاهش میزان نفوذ هوا و انرژی حرارتی خورشیدی، بارهای حرارتی و برودتی را کاهش دهید.
4- بهره گیری از عملیات کارآمد تاسیساتی: به تناسب نوع ساختمان، اقلیم و ساکنان آن، کارآمدترین روش گرمایش و سرمایش و تهویه مطبوع برگزیده شوند.
5- استفاده از تجهیزات کارآمد: برای سیستمی که انتخاب کرده‌اید بهترین تجهیزات را انتخاب کنید.
6- مد نظر قراردادن ایده تاثیرپذیری: ترتیبی اتخاذ شود که ساختمان و شرایط جوی محیط تا حد امکان با تاسیسات مکانیکی انتخابی هماهنگ و سهیم باشند.
7- افراد گرم و یا خنک شوند نه ساختمان‌ها: فضاها گرم و تهویه نشوند بلکه مکان‌هایی را که افراد در آن محل کار می‌کنند گرم یا سرد شوند.
8- بازیابی حرارت :حرارت تلف شده از وسایل و دودکش ساختمان و بخار و الکتریسیته را می‌توان بازیابی کرد.
9- فراهم کردن امکان ذخیره‌سازی انرژی: با ذخیره‌سازی انرژی، از کارکرد تجهیزات در ساعات حداکثر بار معاف خواهیم شد و در مورد انرژی خورشیدی که در روز گردآوری و ذخیره می‌شوند، در ایام شب و ساعات غیرآفتابی بهره‌گیری خواهد شد.
براساس نقطه نظرات ارائه‌شده در اصول کلی بهینه‌سازی مصرف انرژی در گرمایش و سرمایش، برخی از مفاهیم گرمایش و سرمایش پدیدار می‌شوند که به منظور بهینه‌سازی آن‌ها، با ذکر مقدمه‌ای نکات اصلی صرفه جویی در مصرف انرژی یادآوری می‌شوند.
این بخش راهنمای خوبی برای مهندسین و تکنسین‌هایی است که طراحی، نصب و نگهداری سیستم‌های گرمایش و سرمایش ساختمان‌های مسکونی تجاری و صنعتی را بعهده دارند. درک صحیح و رعایت مطالب این نوشته باعث صرفه‌جویی در هزینه‌های جاری کلیه سیستم‌های تاسیسات مکانیکی ساختمان‌ها خواهد گردید. در سال‌های نه چندان دور گرمایش ساختمان‌ها با استفاده از گرم کننده‌های نفتی و گازی انجام می‌شد که به تدریج این دستگاه‌ها در حال تغییر و پیشرفت و توسعه بوده‌اند به گونه‌ای که امروزه نسبت به مدل‌های قدیمی کوچک‌تر ارزان‌تر و کارآمدتر شده‌اند و نوع جدیدتر آن‌ها بصورت اتوماتیک درآمده‌اند. از مزایای سیستم‌های جدید کاهش هزینه‌های سرمایه‌گزاری، سهولت در نصب پایین بودن هزینه‌های جاری و راندمان بالای آن‌ها می‌باشد.
بهره‌جویی و صرفه‌جویی در سیستم‌های گرمایش
معادلات اساس حاکم بر انتقال حرارت از دیوارها و سقف و پنجره‌های ساختمان عبارتند از:
Q= A.U.ΔT
که در آن :
Q : حرارت جریانی بر حسب وات
U : ضریب کلی انتقال حرارت بر حسب w/m2 .° C
A : سطح انتقال حرارت برحسب m2
ΔT : اختلاف دمای داخل و خارج برحسب C °
مقدار U برای دیوارها و سطوح مرکب عبارتست از:
U=1/R=1/(1/Fi +Σ X/K+1/F° )
که در آن :
R : مقاومت حرارتی سطوح
Fi و °F = ضرایب انتقال فیلم هوای داخل و خارج دیوار می‌باشند.
با توجه به معادله اصلی، ΔT به عنوان یکی از عوامل تعیین‌کننده مقدار انتقال حرارت می‌باشد و عبارتست از (°ΔT=ti- t) که ti دمای طرح داخل و° t دمای هوای خارج می‌باشند. پیشنهاد می‌شود در جهت کاهش بار حرارتی، ti را بجای 22 درجه سانتی گراد (19) درجه سانتی گراد و ° t را مثلا در تهران بجای ( 5- ) درجه سانتی گراد سابق، برابر ( 2 – ) درجه سانتی‌گراد فعلی فرض کنید که در جمع 6 درجه سانتی‌گراد از ΔT کاهش می‌یابد که برابر 27% کاهش در انتقال حرارت را نشان می‌دهد.
U عامل دیگری جهت تعیین مقدار انتقال حرارت می‌باشد که به مواد تشکیل دهنده و عایق‌کاری سطوح بستگی کامل دارد.
برای اینکه تغییرات U در دیوارها و پنجره‌ها و سقف و کف ساختمان قابل لمس باشد یک ساختمان 100 مترمربعی در سه حالت معمولی، با عایق‌بندی مناسب و عایق‌بندی کامل مورد مطالعه قرار گرفته و میزان صرفه‌جویی در این مورد در میزان انتقال حرارت به ترتیب ارقام صفر -48% و 60 % را نشان می‌دهد که بسیار قابل توجه می‌باشد.
مورد دیگر کاهش عدد N تعداد دفعات تعویض هوا در معادله انتقال حرارت از طریق هوای تعویضی در ساختمان است که رابطه زیر، آن را نشان می‌دهد:
Q= V° ρ °C . (ti-t° ) .N
که در آن :
V : حجم هوای تعویضی m3
ρ : جرم مخصوص هوا Kg/m3
C : گرمای ویژه هوا W/Kg . ° C
واضح است که تغییرات N نقش اساسی در کاهش مقدار انتقال حرارت را خواهد داشت مشروط به اینکه کاهش تعویض هوا شرایط هوای داخلی را تغییر ندهد.
سایر موارد صرفه‌جویی در سیستم های گرمایشی و تاسیسات بهداشتی:
• زمانی که دمای هوا متعادل است سیستم بخار ( گرمایش ) را خاموش کنید.
• در دیگ‌ ها و کوره ‌ها از مشعل ‌های کارا استفاده کنید.
• در کوره‌ ها هوای احتراق اولیه و ثانویه را کنترل و آن را تنظیم کنید.
• در موتورخانه از سختی‌گیر آب استفاده کنید و رسوب زدایی لوله¬‌ها را مرتب انجام دهید.
• منبع دوجداره و منبع انبساط باز را عایق‌کاری کنید تا از تلفات بیشتر انرژی حرارتی جلوگیری شود.
• تجهیزات فرآیند گرمایش را در زمانی¬که استفاده نمی¬‌کنید خاموش کنید.
• لوله¬‌های بخار و آبگرم را با اندازه مناسب استفاده کنید و سیستم تغذیه بخار را کنترل نمایید.
• فرآیند بخار را همیشه تحت کنترل قرار دهید تا اتلاف سیستم توزیع بخار کاهش یابد.
• کنترل ‌های حرارتی را بررسی کنید و همیشه از کنترل¬‌های سالم و با راندمان بالا استفاده کنید.
• با نگهداری و مراقبت دائمی از کارکرد مناسب وسایل و تجهیزات گرمایش مطمئن شوید.
• هرگز از مقاومت الکتریکی برای گرمایش استفاده نکنید زیرا بازدهی فرآیند تولید و توزیع انرژی الکتریکی فقط 20% است و لذا اسراف وحشتناک انرژی را در برخواهد داشت.
• با نصب بادبزن های سقفی در سالن هایی که سقف بلند دارند از تلفات هوای گرم طبقات بالا جلوگیری کرده و از این هوای گرم برای گرمایش ساختمان استفاده کنید.
• برای گرم کردن آب گرم مصرفی و بخشی از گرمایش ساختمان انرژی خورشیدی استفاده کنید.
• تنزیل شبانه را با استفاده از ترموستات ساعتی و سیستم‌¬های کنترل کامپیوتری مورد بهره برداری قرار دهید ( کاهش دمای طرح زمستانی فضاهای ساختمان را در طول شب و اوقاتی که ساختمان بدون استفاده است، تنزیل شبانه می‌نامند.)
• با کاهش دمای آب گرم مصرفی – حذف سیستم آب گرم مصرفی در بعضی از ساختمان¬‌ها مثل مدارس و ادارات، عایق¬‌کاری لوله¬‌های آب گرم مصرفی و استفاده از محدود¬کننده جریان آب گرم در وسایل بهداشتی به اندازه قابل توجهی در مصرف انرژی صرفه¬‌جویی به عمل¬ خواهد ¬آمد.
• با اینکه از نقطه نظرات صرفه¬‌جویی در مصرف انرژی کاهش آب سرد به اندازه آب گرم حائز اهمیت نمی¬‌باشد، ولی رعایت نکات زیر صرفه‌جویی در انرژی مصرفی را به دنبال خواهد داشت:
کاهش مصرف آب – استفاده از سیفون¬‌های کم مصرف – استفاده از محدود کننده‌¬های جریان آب از دوش حمام – استفاده از شیرهای دستشویی کم مصرف و خودکار – استفاده مجدد از فاضلاب سبک برای شستشوی توالت‌¬ها.
بهره‌برداری و صرفه‌جویی در سیستم‌های سرمایش و تهویه مطبوع
• در تاسیسات تبریدی از حرارت‌های تولید شده می توان استفاده کرد:
از گاز داغ خروجی از کمپرسور – از حرارت دفع شده در کندانسور – از روغن داغ کمپرسور
• سیستم‌های تهویه مطبوع را در ساعات غیر کارکرد خاموش کنید.
• از سیستم‌هایی با دبی هوای متغیر استفاده کنید.
• کندانسورهای سیستم تبرید را مرتب تمیز کنید.
• در سیستم‌های تهویه مطبوع دریچه‌های هواساز و فیلترهای هوا را جهت کاهش مقاومت هوا بازرسی و تمیز کنید.
• حجم هوای تازه مورد نیاز در سیستم‌های تهویه مطبوع را کنترل و کاهش دهید.
• از سیستم‌های تهویه مطبوع فقط برای مکان‌های مورد نیاز واقعی استفاده کنید.
• از کنترل‌های هوشمند برای مکان‌های مورد نیاز و در ساعات مورد لزوم استفاده کنید. باوجود سیستم تهویه مطبوع در ساختمان، برای مکان‌هایی با شرایط مخصوص از دستگاه‌های کوچک و مستقل تهویه مطبوع استفاده کنید. هزینه اضافی این سیستم بزودی از طریق کاهش هزینه‌های اضافی جبران می‌گردد.
• چون مقدار هوای مورد نیاز برای گرمایش، اغلب از هوای مورد نیاز برای سرمایش کمتر است. سرعت بادبزن‌های سیستم تهویه مطبوع را در زمستان کاهش دهید.
• فشار استاتیکی هوای داخل ساختمان را بررسی کنید. فشار کمتر از جو و بیشتر از حد را برطرف کنید تا از افزایش هزینه عملیات تاسیساتی جلوگیری بعمل آید.
• در طراحی مبدل‌های حرارتی کاربرد لوله‌های حرارتی Heat-Pump را مورد مطالعه قرار دهید و از خواص تبادل حرارتی آن‌ها استفاده کنید.
• از چرخ حرارتی (Thermal wheel) در مبدل‌های حرارتی برای بازیافت حرارت استفاده کنید. این مبدل‌ها را ژنراتور گردان و چرخ بازیاب انرژی نیز می‌نامند.
• با استفاده از یک مبدل حرارتی از هوای اگزاستی ساختمان برای بازیافت انرژی استفاده کنید. (هوای اگزاستی گرم در زمستان هوای سرد و تازه ورودی به ساختمان را گرم و برعکس در تابستان سرد می‌کند و مقداری انرژی صرفه‌جویی می‌شود.)
• از پمپ حرارتی (Heat pump) برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی استفاده کنید: در اصل پمپ حرارتی یک سیستم تبرید می‌باشد که می‌توان بوسیله شیر مخصوصی مسیر گاز داغ خروجی را تغییر داده و سیستم را به یک سیستم حرارتی تبدیل کرد. یا اینکه از حرارت تلف شده سیستم تبرید نوعی استفاده صرفه جویانه نمود. اگر سیستم تبریدی دارای (C.O.P) بین 5 تا 7 می‌باشد بدین معنی است که به ازاء هر watt حرارت که به شکل انرژی الکتریکی مصرف می‌شود میانگین watt 6 گرما از دستگاه گرفته می‌شود.آیا می‌توان بیش از این صرفه‌جویی نمود؟
نتیجه:
نتیجه‌ای که از این مقاله تحلیلی حاصل شده است این است که به غیر از چکیده و مقدمه نوشته شده که برای وارد شدن به موضوع لازم بود. کلیه مطالبی که در این مقاله در زمینه اصول کلی بهینه‌سازی مصرف انرژی در معماری یک ساختمان و اصول صرفه‌جویی در مصرف انرژی در گرمایش و بهره‌برداری و صرفه‌جویی در سیستم‌های گرمایش و تاسیسات بهداشتی، همچنین بهره‌برداری و صرفه‌جویی در سیستم‌های سرمایش و تهویه مطبوع بصورت پیشنهادات اجرایی توصیه شده‌اند، چه آن‌هایی که با شماره‌بندی مشخص شده‌اند و چه مطالبی که با علامت از هم تفکیک شده‌اند همگی از نکات مهم طراحی و اجرایی هستند که اگر فقط حدود 50% آن‌ها اجرا شوند بیش از 80% از مصارف فعلی انرژی در ساختمان‌ها صرفه‌جویی خواهد شد.
منابع و ماخذ:
1- کتاب اصول مدیریت انرژی “گرگ.بی.اسمیت”
2- آموزش مدیریت انرژی، فصل هشتم، سازمان بهره‌وری انرژی ایران.
3- اصول تبرید، طراحی سیستم‌های سردکننده، تالیف اصغر حاج سقطی، مهندس جعفری.