بخشی از مقاله
چکیده
از جمله نیازهای ساختمانهای امروزی، انطباق شرایط و ملزومات آسایش ساکنین با مقتضیات فنی و تکنولوژیهای روز از منظر سیستمهای گرمایشی و سرمایشی است. رشد روزافزون سیستمهای مدیریت ساختمانهای هوشمند و استفاده از فنآوریهای نوین در صرفهجویی مصرف انرژی و کاهش هزینههای جاری ساختمان، موجب رونق استفاده از روشهای نوین گرمایش و سرمایش ساختمان شده است. اخیرا استفاده از شمع انرژی - یا شمع مبدل انرژی - در ساختمانهای نوین رایج شده است که در این پژوهش ضمن معرفی آن، تاثیر استفاده از آن نیز با رویکرد صرفهجویی در مصرف انرژی بررسی خواهد شد. استفاده از شمع انرژی، ضروریات و مقتضیات معماری ساختمان را از نظر فرم ساختمان تحت تاثیر قرار میدهد و ضرورت طراحی متناسب معماری ساختمان را با وجود شمع انرژی اعمال میکند.
-1 مقدمه
معماری در مراحل مختلف طراحی ساختمان، با بهکارگیری ابزارهای لازم و توجه به شرایط بهرهبرداری بنا، میتواند نیاز به استفاده از انرژیهای تجدیدناپذیر را کاهش داده و بر کیفیت زندگی انسان بیافزاید. توجه به میزان مصرف انرژی و لزوم دقت در نگهداری محیط زیست و نیز جلوگیری از هدررفت انرژی در ساختمان، سبب شده است تا معماری به عنوان یکی از دست اندرکاران ساخت بنا، به بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان بهویژه در مرحله طراحی، توجه خاص داشته باشد. صرفنظر از عوامل بیرونی و محیطی، عواملی چون نحوه استقرار ساختمان و فرم ساختمان در میزان اتلاف انرژی نقش مؤثری دارد. مهمترین عامل درباره فرم ساختمان، ابعاد و بزرگی ساختمان است، ساختمانهای متوسط و ساختمانهای اداری یا مسکونی آپارتمانی، اتلاف حرارتی کمتری دارند. آمار نشان داده است که در یک مجموعه ساختمانی اداری، به میزانی که تعداد دفاتر در ساختمان اضافه میگردد، هزینههای انرژی ساختمان کاهش مییابد.
امروزه طراحان ساختمانهای نوین در جستجوی راهکارهایی بهمنظور کاهش مصرف انرژی و جایگزینی سوخت های فسیلی با انرژیهای پاک هستند. منابع انرژی زمین گرمایی، پتانسیل زیادی برای مصرف انرژی هم به صورت مستقیم و هم در استفاده از پیهای عمیق و پمپ حرارتی دارند. گونهای از پیهای عمیق، شمع انرژی است که به طور قابل توجهی هزینه موثر نسبت به سیستم های برودتی مرسوم را کاهش داده و به دلیل استفاده از انرژی تجدیدپذیر و پاک، سازگار با محیط زیست است. ترکیب موازی از چند شمع انرژی و شبکه هیدرولیکی که متصل به پمپ حرارتی است، اجازه استخراج گرما از زمین برای برآوردن نیاز حرارتی در زمستان و خارج نمودن گرمای اضافی ناشی از تهویه مطبوع در فصل تابستان را میدهد. شمع انرژی ممکن است به روش شمع درجا یا شمع مارپیچی اجرا و از بتن مسلح ساخته شود. شمع، شامل لوله های پلی اتیلنی با چگالی بالا - High - density poly-ethylene - HDPE - به منظور انتقال حرارت است.
شکل 1، لوله های پلی اتیلنی در داخل شمع، بالایی: مارپیچی، پایینی:
-2 ملاحظات طراحی ساختمان
طراحی معماری ساختمان از منظر مصرف انرژی، بایستی بهگونهای انجام شود که کمترین تبادل حرارت را با محیط بیرون داشته باشد و به منظور ایجاد وضعیت بهتر، ملاحظات طراحی غیرفعال - Passive - در آن مورد توجه قرار گیرد. همچنانکه پلان فشرده بدون پیشآمدگی و پسرفتگی میزان اتلاف حرارت را کاهش میدهد، پلان غیرفشرده نیز این امکان را ایجاد میکند که از جذب تابش خورشید بیشترین استفاده گردد. در مناطق گرم استفاده از پلانهای فشرده و در مناطق سرد پلانهای غیرفشرده ارجح هستند، به شرط اینکه در مناطق سردسیر عایقهای حرارتی برای جلوگیری از اتلاف حرارت به نحوی طراحی شوند که قابلیت جذب گرمای تابش خورشید را داشته باشد.
-3 تاریخچه استفاده از شمع انرژی
افزایش هزینههای انرژی و مشکلات زیست محیطی، مهندسین را به سوی یافتن راههای تازه برای کسب انرژی ارزان و پایدار سوق داده است؛ از آغاز دهه هشتاد میلادی، استخراج انرژی زمین گرمایی از اجزای پی ساختمان مانند محور شمعها در سال 1385 و از دیوارهای دیافراگمی در سال 1996 در کشورهای اتریش و سوئیس توسعه یافت. مزیت سیستمهای مبدل انرژی زمین گرمایی آن است که از زمین به عنوان منبع ذخیره انرژی استفاده می کند. فنآوری شمع های انرژی در اروپا بسیار موفق بوده است و در کشورهایی مانند بریتانیا به سرعت درحال پیشرفت است
جدول 1، تعداد شمع های انرژی ساخته شده در سال در بریتانیا
مطالعات انجام گرفته در مرکز Deutsches Zentrum fur - DLR - Luft und Raumfahrt واقع در کشور آلمان در زمینه استراتژیهای ممکن برای گسترش انرژیهای تجدیدپذیر نشان داد که در آلمان، انرژی زمین گرمایی همراه با بازیابی انرژی از سیستمهای خورشیدی، بیشترین پتانسیل رشد بلندمدت را دارند
شمع مبدل حرارتی شامل دو سیستم جاذب انرژی و انتقال انرژی گرمایی زمین با استفاده از جریان مایع در لولههایی است که در درون شمعها قرار گرفتهاند. ترکیب موازی از چند شمع مبدل حرارتی و شبکه هیدرولیکی که متصل به پمپ حرارتی است، اجازه استخراج گرما از زمین برای برآوردن نیاز حرارتی در زمستان و خارج نمودن گرمای اضافی ناشی از تهویه مطبوع در فصل تابستان را میدهد.
بهطور کلی شمع انرژی میتواند به صورت پیشساخته یا درجا اجرا گردد. در شمع پیشساخته که به صورت توخالی است، لوله های پلاستیکی - HDPE - به منظور انتقال حرارت - آب شور یا معمولی - در داخل قسمت خالی که در تماس با دیوار داخلی است قرار میگیرند. در شمعهای درجا، این لولهها توسط شبکه آرماتوربندی در بتن ثابت میشوند.
در صورت استفاده از شمعهای پیش ساخته یا درجا، لولهها در کنار شبکه آرماتوربندی نصب میشوند. شکل 2 نصب لولههای جاذب در کنار شبکه آرماتوربندی را نشان میدهد .
شکل :2 نمونه ای از قفس آرماتوربندی شمع انرژی با لوله های جاذب - بالایی - - جزئیات اجرایی شمع، - پایینی -
این سیستم بر اساس ظرفیت بالای انباشت گرمایی بتن شکل گرفته است. انواع مختلفی از سازههای ژئوتکنیکی از قبیل دیوارهای حایل، دالها، پیها و مهارها میتوانند به عنوان یک مبدل حرارتی زمین - Ground Heat Exchanger - GHE عمل کنند. این اعضای بتنی در طراحی ساختمان به کار رفته و به عناصر اضافی مانند سیستمهای مرسوم استفاده از انرژی حرارتی نیاز نیست. با طراحی مناسب سیستم، این امکان وجود دارد که نیاز به چیلر آبی الکتریکی به طور کامل حذف شود.
تجربه جهانی نشان داده است که این سیستم گرمایشی/ سرمایشی امکان ذخیره سازی 2 تا 3 برابری هزینههای مرسوم گرمایش را داشته و علاوه بر این، سهم موثری در حفاظت از محیط زیست توسط انرژی پاک و تجدیدپذیر دارد. هیچ محدودیتی در عمق شمع یا دیوار دیافراگمی تا آنجا که به نصب و راهاندازی سیستمهای جاذب انرژی مربوط میشود، وجود ندارد. انرژی، بالقوه با عمق افزایش مییابد، بنابراین فونداسیونهای عمیق باصرفهتر هستند. از نظر اقتصادی کمترین عمق شمع حدود6 متر است. خاکهای اشباع با نفوذپذیری بالا بسیار مناسب هستند، اما
سیستم در بالا یا پایین رسهای تحکیم یافته اقتصادیتر عمل میکند. ماسه و شن خشک به شمعهایی با عمق بیشتر و همچنین مساحت بزرگتری از جاذب ها نیاز دارند. بسته به خصوصیات خاک و عمق نصب جاذب، برای تولید یک کیلووات گرمایش سطحی بین20مترمربع - در خاک اشباع - و 50 مترمربع - در خاک ماسه خشک - سازه های بتنی در تماس با خاک یا آب زیرزمینی نیاز است .
تکنولوژی شمع انرژی، استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر پاک را امکانپذیر نموده و تقریبا با تمام شرایط زمین سازگار است. این نوآوری، پیشرفت قابل توجهی نسبت به روشهای مرسوم مانند چاه مبدل حرارتی یا زهکشهای زمین نموده است. نظارت بر سایتهای مختلف نشان داده است که دوره بازگشت سرمایهگذاری برای این سیستم جدید گرمایش/سرمایش با پمپهای حرارتی منبع زیرزمینی تقریبا 3 تا 8 سال است؛ البته این مساله بستگی به خصوصیات زمین، سیستم پی، خصوصیات ساختمان و قیمت انرژی دارد.
