مقاله ارزیابی فنی عایق کاری حرارتی در بهینه سازی مصرف انرژی ساختمان های اداری

بخشی از مقاله

ارزیابی فنی عایق کاري حرارتی در بهینه سازي مصرف انرژي ساختمان هاي اداري
چکیده
با توجه به محدودیت منابع انرژي ف سیلی و م صرف حدود 40 در صد از انرژي مورد نیاز کل کشور توسط بخش خانگی، اداري و تجاري، توجه به روشهاي مختلف به منظور بهینهسازي مصرف انرژي در این بخش از اهمیت خاصی برخوردار است. عوامل مختلفی از جمله استاندارد نبودن ساختمانها در کشور، عدم رعایت مبحث 19 مقررات ملی ساختمان، عدم بکارگیري مصالح و تجهیزات ساختمانی عایق و مؤثر در کاهش اتلاف انرژي در یک ساختمان سبب شده که اکثر ساختمانهاي کشور بزرگترین منبع اتلاف انرژي شوند. از اینرو، بررسی راهکارهاي کاهش مصرف انرژي و یا ذخیره آن از طریق برآورد میزان مصرف انرژي در چنین ساختمانهایی ضروري به نظر میرسد. یکی از راهکارهاي برآورد مقدار انرژي مصرفی استفاده از برنامههاي شبیه ساز مصرف انرژي است. در این تحقیق از نرمافزار eQUEST به منظور شبیه سازي و بهینهسازي مصرف انرژي در یک ساختمان اداري- آموزشی واقع در شهر مسجدسلیمان استفاده گردید. نتایج این تحقیق نشان میدهد که عایقکاري پوسته خارجی ساختمان با استفاده از عایقهاي پایه شیمیایی موجود میتواند تا حدود 26 درصد به کاهش مصرف انرژي کمک کند.
واژه هاي کلیدي
عایقکاري حرارتی، بهینهسازي مصرف انرژي، ساختمان اداري،
eQUEST

مقدمه
نیاز به احداث ساختمانهاي جدید اداري، م سکونی، صنعتی، آموزشی و بهداشتی و گرایش به استفاده از تجهیزات انرژيبر، باعث افزایش مصرف انرژي قابل ملاحظ هاي در این بخش گردیده است و در حال حاضر انرژي مصرفی در بخش ساختمان نزدیک به 40 درصد از کل مصرف انرژي در کشور میباشد .[1] یکی از اصولیترین روشها در حل مشکلات مربوط به سیستمهاي تولیدکننده و مصرف کننده انرژي، استفاده از سیستمها و ا ستراتژيهاي کنترل و مدیریت انرژي در ساختمانها میبا شد. لذا دستیابی به روشهایی که در بهینهسازي مصرف انرژي مؤثر میبا شند امري ضروري ا ست. در را ستاي کاهش شدت انرژي در بخش ساختمان، طراحان، مهندسین، معماران و پیمانکاران باید آگاهی و شناخت دقیق نسبت به موضوع بهینهسازي مصرف انرژي در بخش ساختمان به دست آورند، که این امر نیاز به تحقیق و پژوهش را در این زمینه بیش از پیش مشخص میسازد.
در ایران بحث صرفه جویی انرژي از اوایل دهه 1370 و با تصویب مبحث 19 مقرارت ملی ساختمان مربوط به مصرف انرژي در ساختمان در هیات محترم وزیران و الزام به اجراي آن در ساختمانهاي مسکونی و تجاري سراسر کشور وارد مرحله جدید شد
.[2] در حال حاضر اجراي مبحث 19 مقررات ملی ساختمان براي تمامی ساختمانهاي دولتی اجباري است و اجراي آن براي تمامی ساختمانهاي بخش خصوصی واقع در تهران و شهرهاي تابعه از سال 1384 اجباري گردیده است. براي ساختمانهاي واقع در سایر شهرها و استانها نیز مطابق برنامه زمانبندي الزامی گردیده است. این مبحث چندین بار بازنگري شده که آخرین آن در سال 1389 بوده و بعد از بازنگري چاپ و به کلیه ارگانهاي کشوري ابلاغ گردیده است. بر طبق تحقیقات صورت گرفته مزایاي حاصل از انجام اقدامات بهینه سازي براي 20 سال آینده ک شور بر مبناي مبحث 19 مقررات ملی ساختمان حدوداً معادل 42 میلیارد دلار خواهد بود .[2]
صفائی و طالقانی (1384)، در مقالهاي به بهینهسازي مصرف انرژي در یک آپارت مان نمونه 4 طب قه، 4 واحدي در شهر کرج پرداختند. انجام اقدامات بهینهسازي در این آپارتمان (از قبیل دو جداره کردن دیوارهها، استفاده از شیشههاي دو جداره و ...) نشان داد که به ازاي هر مترمربع فضاي آپارتمان سالیانه 0/16 بشکه معادل نفت خام صرفهجوئی بعمل میآید .[3] ابراهیمپور و رحیمی (1391) با ا ستفاده از نرمافزار انرژي پلاس م صرف انرژي براي یک ساختمان آموز شی واقع در شهر تبریز را بد ست آوردند. بر روي این ساختمان تغییرات مختلفی جهت کاهش مصرف انرژي انجام شد و نتایج نشان داد که در ساختمان بهینهسازي شده میزان مصرف انرژي در کل ساختمان، در زمستان حدود 35 درصد و در تابستان حدود 44 درصد و در کل سال 40 در صد کاهش پیدا کرده است. همچنین تغییرات در ساختمان طوري اجرا شده است که کمترین هزینه ممکن به وجود آید .[4] خانمحمدي و همکاران (1392)، در تحقیقی به پتانسیل سنجی و بهینه سازي مصرف انرژي در ساختمانهاي اداري پرداختند. در این تحقیق با بکارگیري روشهاي اصلاحی در مورد
یک نمونه ساختمان اداري نشان داده میشود که با استفاده از تغییرات در جداره هاي ساختمان و عناصري مانند درب ها و پنجرهها و استفاده از تغییراتی جزئی و بهبود سیستم سرمایشی و گرمایشی ساختمان میتوان به مقدار 41 درصد از مصرف انرژي در یک ساختمان بخش اداري صرفه جویی نمود. تحلیلهاي اقتصادي بخوبی این مساله را نشان داد که زمان بازگشت سرمایه گذاري در اکثر موارد کمتر از 5 سال می با شد که کوتاه مدت مح سوب می شود. با توجه به اینکه مد نظر قرار دادن موارد بررسی شده در طراحی هاي اولیه ساختمان به شدت می تواند هزینه هاي فوق الذکر را کاهش دهد .[5]
هدف اصلی از ارائه این مقاله، بهینهسازي مصرف انرژي در ساختمانهاي اداري در آب و هواي گرم و خشک میباشد. در این راستا از نرم افزار eQUEST که توسط وزارت انرژي آمریکا ارائه ردیده به منظور شبیه سازي و بهینهسازي مصرف انرژي در یک ساختمان اداري- آموزشی واقع در شهر مسجدسلیمان استفاده گردید.

معرفی نرم افزار eQUEST
در این تحقیق جهت محاسبه میزان مصرف انرژي از نرمافزار eQUEST استفاده گردید. این نرمافزار ابزاري مفید، سریع و آسان براي تحلیل مصرف انرژي در ساختمان می باشد. موتور محاسباتی این نرمافزار DOE-2.2 است که نسخهاي توسعه یافته از DOE-2 میبا شد .[6] از آنجایی که DOE-2 در طول دو دهه گذ شته به صورت گسترده در سراسر دنیا مورد استفاده قرار گرفته است، میتوان از صحت محاسبات و نتایج آن اطمینان داشت. نرمافزار eQUEST حاصل اضافه کردن لایه واسط کاربري گرافیکی به همراه هدایتگرهاي طراحی که کاربر را گام به گام در طراحی ساختمان کمک میکنند، بر روي نسخه توسعه یافته DOE- 2 میباشد. یکی از مشکلات اساسی تحلیل مصرف انرژي در ساختمان نیاز به دانش زیاد و تجربه در پیچیدگیهاي محاسباتی در این زمینه است. این مشکلات باعث هزینهبر و زمانبر شدن این تحلیل میشود .
بنابراین تکرار محاسبات و مقایسه نتایج آنها همراه با تغییرات طراحی ساختمان امري م شکل ساز خواهد بود. نرم افزار فوق این مشکلات را تاحد امکان براي کاربران خود کاسته است. این نرم افزار دو فرایند هدایت کننده ها مختلف براي کاربران تامین میکند. در این هدایتکنندهها (wizard) گزینههاي مختلف انتخاب اطلاعات مربوط به طراحی در اختیار کاربر قرار میگیرد تا کاربر مرحله به مرحله طراحی خود را تکمیل کند. این نرمافزار به گونهاي تدوین شده است که خود کاربر را گام گام براي تامین اطلاعات مورد نیاز موتور محاسباتی DOE- 2 پیش میبرد.
همانگونه که گفته شد eQUEST ابزاري حرفهاي با کاربري آ سان ا ست که با ا ستفاده از قدرت تحلیل آن با اعمال هزینههاي ناچیز و معقول در طراحی میتوان به تغییراتی بزرگ در مصرف نرژي در بنا دست یافت. این نرمافزار حاصل ترکیب ابزاري براي طراحی بنا، ابزار تعیین کارایی انرژي (EEM) و یک ماژول

نمایشگر گرافیکی نتایج، میباشد. با استفاده از ابزاریهاي طراحی بنایی که به صورت شماتیک درeQUEST تعبیه شده است .[6]
طراح به سمت طراحی بنایی با کارایی مناسب براي صرفه جویی در م صرف انرژي هدایت می شود. این کار م شتمل بر طی مراحلی به صورت گام گام است که در هر مرحله سیستم کمک میکند تا بهترین حالت مصرف انرژي را در آن مرحله از طراحی، براي بناي خود در نظر بگیرید . مواردي نظیر طراحی ساختار، تجهیزات HVAC، کاربري و اندازه ساختمان، چیدمان لایههاي طبقات، مصالح ساختمانی، ا ستفاده از سطوح و فضاها و همچنین نورگیري سیستم در این راستا مد نظر است. ابتدا اطلاعات عمومی ساختمان در فرم هایی پشت سرهم از کاربر اخذ میشود. درادامه، جزئیات طراحی و معماري ساختمان مانند سیستم HVAC وارد می شوند. بعد از ورود اطلاعات توصیف بنا به نرم افزار، eQUEST جزئیات شبیه سازي تخمین م صرف انرژي ساختمان را به عنوان خروجی تولید میکند. این برنامه با استفاده کامل از تمام امکانات DOE_ 2.2، به سرعت خروجیها را تولید میکند. خروجیها میتوانند به صورت نموداري وگرافیکی با شند . [6] همچنین میتوان گزار شها را در قالب هاي جدولی از نرمافزار اخذ کرد. در این نرمافزار میتوان گزارشهاي گرافیکی مقای سهاي حا صل از اجراي شبیه سازيها با طراحیها و شرایط مختلف را نیز، در کنار هم مشاهده کرد. eQUEST با استفاده از DOE_2.2 شبیه سازي دقیقی از مصرف انرژي با توجه به توصیفات بنا به تفکیک ساعت، در دوره اي یک ساله انجام میدهد. محاسبات مربوط به انرژي لازم براي گرمایش و سرمایش به تفکیک ساعات مختلف درطول سال بر مبناي عواملی مانند دیوارها، پنجرهها، شیشهها، ساکنین، درپوشها و سیستمهاي تهویه صورت میپذیرد. این نرمافزار عملکرد فنها، پمپها، چیلرها، دیگهاي بخار و دیگر تجهیزات مصرف کننده انرژي را نیز شبیه سازي میکند. eQUEST چندین قالب گرافیکی را براي نمایش نتایج شبیه سازي در نظر گرفته است. به عنوان نمونه خروجی ها درقالب نمودارهاي گرافیکی سرانه مصرف انرژي سالانه یا ماهانه ساختمان براي مقایسه طراحی هاي مختلف بنا ارائه می شود.[6]
مطالعه موردي
در این بخش مشخصات ساختمان مورد ارزیابی آورده شده است.
ساختمان مورد نظر یک ساختمان اداري (ساختمان آموزش و حراست شرکت بهرهبرداري نفت و گاز مسجدسلیمان) در شهر مسجدسلیمان است. با توجه به گونهبندي ساختمانها، این ساختمان در زمره ساختمانها با مصرف انرژي زیاد قرار میگیرد. شبیه سازي در دو حالت انجام میگیرد. در حالت اول در پوسته خارجی ساختمان از هیچ عایق حرارتی استفاده نمیشود، و در و پنجرهها بصورت تک لایه دوم در پوسته خارجی ساختمان از عایق حرارتی استفاده شده و ساختار در و پنجره بصورت دو لایه میباشد.
مشخصات سازهاي و هندسی ساختمان:
سازه ساختمان در سه طبقه از نوع ا سکلت فلزي با سقفهاي کامپوزیت بتنی میباشد. فرم کلی ساختمان به صورت یک مستطیل چهارگوش میباشد که مساحت خالص هر طبقه 392 مترمربع بوده و شامل طبقه همکف، اول و دوم است. بنابراین مساحت خالص کل ساختمان در حدود 1180 مترمربع است وابعاد ساختمان 15/7 متر در 25 متر میباشد. ارتفاع کف تا کف طبقات 4 متر مییاشد و ارتفاع کف تا سقف 3 متر است یعنی یک متر توسط سقف کاذب براي عبور تأسیسات پوشانیده شده است. تمامی اطلاعات فوق در کاربرگهاي جداگانهاي به دقت به مدل وارد گردید.
الگوي منطقهبندي ساختمان:
یکی دیگر از مواردي که باید در کاربرگها به دقت وارد گردد، الگوي منطقهبندي ساختمان ا ست. یک منطقه دلالت بر م ساحت یا مجموعه فضایی درون ساختمان دارد که داراي الگوهاي یکسان و میزان بهره و اتلاف گرمایشی و کاربرد یکسان است. اگر با چنین توصیفی بخشهاي مختلف زیربنا را منطقهبندي کنیم، سیستم میتواند محاسبات خود را به منظور تحلیل مصرف انرژي روي این الگو پایه گذاري کند. اساس طبقهبندي سادهاي که نرمافزار براي این بخش در نظر گرف ته است، به این ترت یب است که اب تدا نوع منطقهبندي و سپس مشخصات هر منطقه تعیین میشود.
نوع منطقهبندي در دو قالب ا صلی تکمنطقهاي در هر طبقه و یا تفکیک منطقه مرکزي و حاشیهاي در هر طبقه براي تقسیمبندي نوع منطقه در نظر گرفته میشود. در حالت تکمنطقه اي در طبقه بدین معنی است که کل فضا به صورت یک منطقه دیده میشود. حالت پیرامونی و مرکزي بدین معنی است که حاشیه اطراف بنا و محوطه مرکزي آن به مناطق مختلف تق سیم می شود. با توجه به نوع کاربري طبقات و فضاهاي ساختمان حالت چند پیرامونی و مرکزي براي الگوي منطقه بندي در نظر گرفته شد.
ساختار پوسته خارجی و داخلی ساختمان:
منظور از ساختار پوسته ساختمان، ساختار پوسته خارجی ساختمان شامل دیوارهاي خارجی، بام و کف طبقه همکف است.
ساختار کف طبقه همکف شامل بلوکاژ به ضخامت 20 سانتیمتر، بتن با عیار 250 کیلوگرم در مترمکعب به ضخامت 10 سانتیمتر، ملات ما سه و سیمان به ضخامت حدود 3 سانتیمتر و فرش کف با سنگ به ضخامت حدود 2 سانتیمتر میباشد. جزئیات اجرایی کفسازي بام شامل 12 سانتیمتر بتن با عیار 350 کیلوگرم بر مترمکعب، 10 سانتیمتر بتن پوکه جهت شیببندي بام، عایق حرارتی به ضخامت 5 سانتیمتر با عایق حرارتی (فقط در شبیه سازي حالت دوم)، عایقکاري رطوبتی با ایزوگام، سیمان لیسهاي و ملات ماسه و سیمان به ضخامت حدود 4 سانتیمتر و فرش کف بام با موزائیک میباشد. دیوارهاي خارجی به ضخامت 20 سانتیمتري با بلوك سفالی بوده که بین آن عایق حرارتی به ضخامت 5 سانتیمتر قرار گرفته است (فقط در شبیه سازي حالت دوم). ساختارهاي داخلی ساختمان شامل پوشش داخلی سقفها، پوشش دیوارهاي داخلی ساختمان و پوشش داخلی کفهاي میانی در ساختمان میباشد.
پو شش داخلی سقفها شامل سقف کاذب ب سته به کاربري ف ضا از جنس تایل آکوستیک رنگآمیزي شده، آکوستیک الیافی و رابیتس و اندود سیمان میباشد. دیوارهاي داخلی از نوع دیوار آجري 10 سانتیمتري با ملات ما سه و سیمان ا ست. پو شش داخلی کفهاي میانی شامل بتن با عیار 350 کیلوگرم در مترمکعب به ضخامت 10 سانتیمتر، ملات ماسه و سیمان به ضخامت 3 سانتیمتر و فرش کف با سنگ میباشد.
ساختار در و پنجرههاي خارجی ساختمان:
از آنجاییکه درهاي خارجی و پنجرهها نقش مهمی در مصرف انرژي در هر ساختمان دارند، اطلاع از ساختار و مواد و مصالح به کار رفته در آنها اطلاعات مفیدي به منظور شبیه سازي مصرف انرژي در ساختمان در اختیار میگذارند. ساختمان آموزش و حراست داراي دو درب ا صلی خروجی یکی در شمال غربی و دیگري در جنوب شرقی ساختمان میباشد که درب شمالی درب ورودي اداره آموزش و درب جنوبی درب ورودي اداره حراست است. هر دو درب به عرض 1/6 متر ارتفاع 2/3 متر بوده و تماما شیشه از جنس تک جداره شفاف با رنگ مختصر به ضخامت یکچهارم اینچ براي شبیه سازي حالت اول دو جداره با ضخامت 6 میلیمتر با گاز آرگون محبوس بین دو جداره براي شبیه سازي حالت دوم میبا شد. در هر یک از وجوه ساختمان تعدادي پنجره وجود دارد که ارتفاع اغلب آنها 1/5 متر بوده و عرض آنها از 0/5 متر تا 2/4 متر متغیر میباشد. شیشهها بصورت تکجداره شفاف با رنگ مختصر بوده و فاقد سایهبان براي شبیه سازي حالت اول بصورت دو جداره با ضخامتهاي مختلف که بین آنها گاز آرگون وجود دارد براي شبیه سازي حالت دوم ه ستند. م شخ صات و مکان درها و پنجرهها به دقت و با توجه به امکانات نرمافزار با استفاده از نقشههاي پلان ساختمان به مدل وارد شد.
تخصیص محدوده فعالیت و زمان بندي کاربري:
یکی دیگر از مواردي که باید به دقت در نرمافزار وارد شود، تخصیص محدوده فعالیت هر یک از فضاهاي موجود در ساختمان است. در این بخش با توجه به نقشههاي معماري و کاربري در نظر گرفته شده براي هر بخش نظیر دفتر کار، راهرو، سالن کنفرانس، سرویس یهداشتی و ... درصد مساحت اشغال شده براي هر کاربري و تعداد حداکثر ساکنین با توجه به راهنماییهاي موجود تعیین گردیده و به مدل وارد شد. حداکثر تعداد ساکنین در هر واحد ف ضا ب صورت اتوماتیک توسط نرمافزار محاسبه و پیشنهاد میگردد. بهره کل حرارتی تولید شده به خاطر حضور افراد در فضا با ضرب کردن تعداد افراد حا ضر در بهره حرارتی مح سوس و نهان هر فرد بد ست میآید.

در این بخش به منظور محاسبه میزان مصرف انرژي با توجه به نوع ساختمان جدول اصلی زمانبندي دورههاي مختلف استفاده از ساختمان تعیین میگردد. با توجه به اینکه ساختمان اداره آموزش و حراست یک ساختمان اداري است و با توجه به برنامه کاري در وزات نفت زمانبندي آن در طول هفته از شنبه تا چهارشنبه از ساعت 7 صبح تا 6 بعدازظهر و روزهاي پنجشنبه و جمعه از ساعت 9 صبح تا 1 بعدازظهر در نظر گرفته شد.
نوع سیستم تهویه مطبوع ساختمان:
در این بخش نوع سیستم سرمایش و گرمایش ساختمان بر اساس نقشههاي مکانیکال ساختمان به نرمافزار وارد گردید. سیستم سرمایش بصورت کویلهاي انبساط مستقیم و سیستم گرمایش ب صورت مقاومت الکتریکی به مدل وارد گردید. هر دو نوع سی ستم از انرژي الکتریکی جهت سرمایش و گرمایش استفاده میکنند. با توجه به عدم در دست داشتن اطلاعات دقیق از سیستم تهویه مطبوع ساختمان براي بررسی دقیق تاثیر پارامترهاي تهویه مطبوع ساختمان براي برر سی دقیق تاثیر پارامترهاي م صرف انرژي، فرض شده ا ست که سیستم تهویه مطبوع توسط سازنده ساختمان به صورت درست طراحی شده و توانایی جبران بارهاي سرمایی و گرمایی در تمام ساختمان و کل سال دارد. با توجه به مطالب ذکر شده سیستم ایدهآلی براي ساختمان فوق در نرمافزار eQUEST به نام سیستم ایدهآل فرض گردید. این سیستم به این صورت است که توانایی جبران بارهاي سرمایی و گرمایی را در هر زمان از سال براي ساختمان فوق دارد و دماي ساختمان را در دماي دلخواه نگه میدارد. بنابراین در این پژوهش اقدامات بهینهسازي سیستم تأسیسات گرمایی، سرمایی و تهویه مطبوع در نظر گرفته نشده است .[4]
اجراي مدل و نتایج حاصل از شبیه سازي
ب عد از این که اطلا عات ورودي مدل از طریق هدایتگر طراحی شماتیک به پایان رسد، سیستم شروع به شبیه سازي و انجام محاسبات مربوط به ساختمان مینماید. اگر در دادههاي ورودي براي شبیه سازي خطایی وجود داشته باشد، سیستم آنها را در قالب خطا اعلام میکند. در این تحقیق شبیه سازي در دو حالت مختلف انجام میگیرد. در حالت اول ساختمان در پوسته خارجی یعنی پشتبام، دیوارهاي خارجی و طبقه همکف فاقد هرگونه عایق بندي حرارتی ا ست. همچنین پو سته داخلی نظیر سقف طبقات و دیوارهاي داخلی هم عایقکاري حرارتی نشدهاند. درها و پنجره ها از تماما شیشه بوده و از جنس تک جداره شفاف با رنگ مختصر به ضخامت یکچهارم اینچ میباشند و فاقد سایبان هستند. در حالت دوم در پوسته خارجی ساختمان یعنی پ شت بام، از عایق حرارتی پلی یورتان به ضخامت 5 سانتی متر، در دیوارهاي خارجی نیز از عایق حرارتی پلی یورتان به ضخامت 5 سانتی متر استفاده شده است. در این حالت درها و پنجرهها تماما شیشه دوجداره به ضخامت 6 میلیمتر بوده که فاصله بین دو جداره با گاز آرگون پر شده است.