بخشی از مقاله
چکیده
در چند دهه اخیر مصرف انرژی در حوزه های مختلف ابتدا در کشورهای پیشرفته و بعد از آن در تمامی کشورهای جهان، مورد توجه قرار گرفته و در دستور کار دولت ها و صاحبان صنایع و مسولان ذیربط قرار داده شده است. از این رو در تمامی حوزه های مصرف انرژی، محققان بر بهینه سازی مصرف متمرکز شده اند. در این تحقیق از بین روش های موجود، روش ساختمان هوشمند و تکنولوژی نانو در یک ساختمان با ابعاد مشخص توسط نرمافزار MATLAB شبیه سازی و تحلیل گردیدند .
در روش ساختمان هوشمند با بررسی اثر هوشمند سازی در کاهش مصرف انرژی الکتریکی و حرارتی، اثر این روش بر کاهش مصرف مورد سنجش قرار گرفت و در زمینه نانو تکنولوژی نیز اثر این تکنولوژی بر کاهش انتقال حرارت به بیرون از ساختمان شبیه سازی و تحلیل گردید. در هر دو روش با تعریف بردار رندم برای تغییرات مصرف و تغییرات دمایی، تمامی حالات ممکن مورد ارزیابی قرار گرفت. در نهایت به مقایسه اثر هر یک از دو روش، پرداخته شد و به صورت کمی، مقدار هدر رفت انرژی در ساختمان مورد نظر با استفاده از روش های نام برده شده و بدون استفاده از آنها مشخص گردید.
.1 مقدمه
جهان امروز بر خلاف دنیای گذشته که تمام توجه اش به صنایعی چون نفت و انرژی بود ، به سمت فناوری اطلاعات، مواد جدید، بیوتکنولوژی، نانوتکنولوژی و الکترونیک گرایش پیدا کرده است. با توجه به اینکه عمر صنایعی چون نفت روزی به پایان می رسد سرمایه گذاری در بخش علم و فناوری توجیه قانع کننده ای پیدا می کند. انرژی ارزان قیمت با پیشرفت اقتصادی همراه است. توانایی یک ملت برای گسترش منابع جدید انرژی تحت اختیار خویش، می تواند وابستگی به منابع انرژی بین المللی و ذخایر نفتی محدود را کاهش دهد. توانایی های جدید و بهبود بازده تبدیل، ذخیره، انتقال و نگهداری انرژی نیز برای دستیابی و تامین انرژی پاکیزه، فراوان و مطمئن جهت نیازهای داخلی، حیاتی خواهد بود.
بدون تردید یکی از مهمترین موضوعات قرن اخیر در دنیا، مسئلهی انرژی و بهینه سازی مصرف انرژی است. به طورکلی روش های گوناگونی برای حفظ منابع انرژی وجود دارد. معمول ترین روش صرفه جویی می باشد که از طریق فرهنگ سازی میسر است. شهرها مصرف کننده عمده - حدود دو سوم - انرژی در جهان هستند و رشد روزافزون شهرنشینی به افزایش قابل توجه در مصرف انرژی می انجامد. مدیریت انرژی در تعریف به معنای استفاده مقرون به صرفه و کارآمد از انرژی است بسته به نوع مصرفی که یک ساختمان دارد، دستگاه های مصرفی متفاوت اند.
بهینه سازی مصرف انرژی، به معنای کاهش مصرف تا حداقل میزان مصرف مطلوب، امروزه با روش های مختلفی انجام می شود. در روش های مختلف بهینه سازی با توجه به اهمیت موضوع بهینه سازی مصرف، سعی بر آن شده است که از حداکثر تکنولوژی روز استفاده شود تا بهینه سازی به بهترین شکل ممکن انجام شود. بهینه سازی مصرف انرژی به روشهای بسیار متفاوتی میتواند انجام می گیرد. بسته به نوع انرژی مصرفی در ساختمان ها و میزان امکانات در دسترس برای کنترل مصرف انرژی، روش های مختلف بسیار مؤثر وجود دارد.
در این تحقیق به دو دسته از این روش ها خواهیم پرداخت. برای درک بهتر مفهوم بهینه سازی، بهینه سازی مصرف را از ابعاد مختلفی می توان دنبال کرد. آنچه در بسیاری از این ابعاد جالب توجه می باشد این است که به سادگی می توان مصرف انرژی را کاهش داد و حتی کوچک ترین اختلالی در رفع نیازهای مصرفکننده ایجاد نکرد. می توانیم برای سادگی موضوع در نظر بگیریم که اگر در یک ساختمان مسکونی، بتوانیم سیستم یا روشی را مورد استفاده قرار دهیم که از خروج حرارت در روزهای سرد سال جلوگیری کند و از ورود حرارت در روزهای گرم سال نیز جلوگیری کند، در این صورت بدون اینکه سطح رفاه ساختمان را کاهش داده باشیم، بهسادگی از هدر رفت مقدار زیادی از انرژی جلوگیری کرده ایم.
مثال دیگری که می توان برای درک بهتر مفهوم بهینه سازی انرژی زد به این شکل است که اگر ساختمان مسکونی، مجهز به سیستمی می شد که قادر به تشخیص این موضوع باشد که چه زمانی باید مصرف انرژی را به منظور گرمایش، سرمایش یا تهویه و نور مطبوع، کاهش یا افزایش داد و یا قطع کرد، در این صورت به راحتی بسیاری از زمان هایی را که ساکنین ساختمان نیازی به مصرف انرژی ندارند میتوان با این سیستم شناسایی کرد و به راحتی از اتلاف انرژی جلوگیری نمود.
اصطلاح بهینه سازی مصرف از زمانی کاربرد بیشتری پیدا کرد که انرژی و قیمت انرژی و نقش استراتژیک آن اهمیت خود را پیدا نمود. در شیوه های اولیه مصرف، مصرف انرژی به صورت مصرف تا حد رفع نیاز بدون توجه خاص به رعایت ملاحظات مربوط به شیوه مصرف، برای کاهش مصرف بود. اما بعدها مشخص شد که می توان مصرف انرژی برای رفع نیازهای ضروری را بهگونه ای مدیریت کرد که با مصرف کمتر نسبت به مصرف فعلی مصرف کننده، درعینحال که مصرف انرژی را کاهش می دهیم، نیازهای مصرفکننده نیز مانند قبل به خوبی برطرف شود. در کشور ما نیز بهینه سازی مصرف انرژی بیش از یک دهه است که بهصورت جدی دنبال میشود.
در تحقیقی که توسط عبدالسلام ابراهیم پور و همکارانش در سال 2010 انجام شد، با استفاده از نرم افزار انرژی پلاس مصرف انرژی برای یک ساختمان آموزشی با مصرف انرژی زیاد، محاسبه و پس از آن با ایجاد تغیرات مختلفی در ساختمان مذکور جهت کاهش مصرف انرژی، میزان مصرف انرژی در کل ساختمان در سال %40 کاهش پیدا کرده است.
مهناز محمودی و همکارانش راهکاری برای مصرف بهینه انرژی در اقلیم های مختلف در سال 1392 ارائه نمودند. در این پژوهش ضمن تایید کارهای محققین پیشین نتایج ارزنده ای به صورت کمی و کیفی در یک بازه 180 روزه ارائه خواهد شد.
.2 روش پژوهش
روش پژوهش در این تحقیق روشی تحلیلی است که در محیط نرم افزار متلب پیاده سازی خواهد شد. جامعهی آماری ما به خاطر نوع روش پژوهش، تنها یک ساختمان با ویژگی های فیزیکی معین می باشد. زیرا در این گونه پژوهش ها، ما یک ساختمان را ملاک قرار می دهیم و تمام تحلیل های نرم افزاری را روی آن اجرا می کنیم.
به عبارتی دیگر، تحلیل های نرم افزاری ما برای یک ساختمان مسکونی انجام می شود اما نتایج آن کاملا قابل تعمیم به تمام ساختمان های مشابه و یا ساختمان هایی است که تفاوت اندکی با نمونه مورد بررسی دارند.
ساختمان مد نظر یک ساختمان دو طبقه مسکونی، بدون زیرزمین، با ابعاد 20متر در 10 متر است که با طراحی ساختمانی جدید بر اساس آییننامه های ساختمان های شناژی، با دیوارهای ساخته شده از آجر با ملات سیمان با ارتفاع هر طبقه، 3 متر و تعداد 4 پنجره در ضلع طولی هر طبقه و یک پنجره در ضلع عرضی هرطبقه، جمعا 20 پنجره و یک در ورودی می باشد. ابعاد پنجره ها 2متر در 1متر و ابعاد درب 2متر در 2/5 متر می باشد، که از شیشه های معمولی در آنها استفاده شده است.
.1-2 روش خانه هوشمند
میدانیم که بسیاری از اوقات مصرف انرژی در ساختمان های مسکونی بدون نیاز افراد بوده و صرفا علت آن عدم توجه افراد برای کنترل و قطع مصرف می باشد. برای مثال یک ساختمان مسکونی بزرگ را در نظر بگیرید که سیستم روشنایی راهروهای آن همواره فعال است. در این صورت حتی در زمان هایی که نیازی به روشنایی در محیط نداریم نیز انرژی الکتریکی مصرف می شود.
در مثال دیگری میتوان به این موضوع اشاره کرد که بسیاری از مواقع دمای داخلی ساختمان ها در فصل سرما بالاتر از حد مطلوب می شود و افراد با باز کردن پنجره ها برای کاهش دما اقدام می کنند. این کار انرژی زیادی را هدر می دهد. به طور خلاصه در روش خانه های هوشمند، با نصب سنسور - حسگر - به کنترل سطح مطلوب انواع انرژی ها از هدر رفتن انرژی جلوگیری می شود.
ساختمان هوشمند ساختمانی است که کلیهی اجزای داخلی آن به واسطه سیستمی یکپارچه و ایجاد منطقی سازگار با محیط در تعامل باشند. هوشمندی بدان معنا است که سیستم بر اساس حالت های پیش آمده و منطق های تعریف شده اقدام به تصمیم گیری مناسب کند، که این سیستمها به طور کلی به سیستم های سرمایشی، سیستم های گرمایشی و سیستم های الکتریکی و روشنایی تقسیم می شوند.
در واقع مزیت استفاده از سیستم های جدید کاهش مصرف، قابلیت نصب ساده آنها بر روی شبکه های کامپیوتری و کنترل سیستم بدون نیاز به کابل کشی پرهزینه و استفاده از تجهیزات گران قیمت می باشد. با در نظر گرفتن میزان مصرف انرژی و با توجه به روشنایی روز و دمای بیرون، سیستم قادر است یک روش مصرف ارزان قیمت را همراه با صرفه جویی در انرژی انتخاب نماید. در نظر گرفتن دمای مطلوب ساختمان براساس نوع استفاده ای که از آن می شود مصرف انرژی را تا حد بسیار زیادی محدود میکند. این کار با در نظر گرفتن اطلاعات اولیه ای که کارفرما به سیستم می دهد و همچنین داده هایی که سیستم به عنوان پیش فرض دارد از جمله تغییرات روزانه و فصلی شرایط طرح و نحوه انتخاب تجهیزات صورت می گیرد.
در مورد هوشمندسازی روشنایی، اثر این کار را بر مصرف برق بدست می آوریم و در مورد هوشمندسازی کنترل حرارت ساختمان نیز، با توجه به اطلاعات پایه ای که در تحقیقات قبل بدست آمده، اثر این تکنولوژی را در بهینه سازی مصرف گاز طبیعی برای ایجاد حرارت در ساختمانها، تحلیل و محاسبه می کنیم. با توجه به طراحی ساختمان و تعداد لامپ های به کار رفته در سیستم روشنایی آن، و همچنین با توجه به حرارت بیرونی و داخلی ساختمان در روزهای مختلف فصل سرد، محاسبات مورد نظر را برای تعیین میزان صرفه جویی مصرف انجام می دهیم.
