بخشی از مقاله
تعیین الگوی بهینه مصرف انرژی روشنایی روز و بار سرمایشی با استفاده از نرم افزار دیزاین بیلدر
چکیده — یکی از بهترین و سریعترین راهکارهای کاهش مصرف انرژی الکتریکی در ساختمان استفاده از روشنایی روز به منظور کاهش مصرف برق در بخش روشنایی میباشد. روشنایی روز در ساختمان از طریق نسبت سطح پنجرهها به سطح ساختمان تعریف و تامین میگردد. تامین روشنایی روز از طریق افزایش نسبت سطح بازشوها در پوسته خارجی به سطح مفید ساختمان باعث افزایش بارسرمایشی و همچنین افزایش خیرگی میگردد. افزایش بار سرمایشی باعث افزایش مصرف انرژی الکتریکی و افزایش خیرگی باعث ایجاد آلودگی نوری و عدم آسایش ساکنین در ساختمان میشود.
در این مقاله سعی شده است تاثیر روشنایی روز بر بار سرمایشی در یک ساختمان اداری فرضی با استفاده از نرمافزار دیزاین بیلدر نسخه 4,2 مورد بررسی قرار گیرد. با تغییر در نسبت سطح بازشوها در پوسته خارجی به سطح مفید ساختمان عوامل دیگری چون مصرف انرژی الکتریکی روشنایی، بار سرمایش و همچنین ضریب روشنایی روز مورد بررسی قرار میگیرد. با بررسی 8 سناریوی تعریف شده در حالات مختلف، الگوی بهینه مصرف انرژی با درنظر گرفتن مصرف انرژی بهینه و آسایش دیدگانی تعیین میگردد.
واژههای کلیدی — بار سرمایشی؛ روشنایی روز؛ مصرف انرژی؛ نسبت سطح بازشو
.1 مقدمه
در فصول گرم سال سرمایش و روشنایی بیشترین سهم مصرف انـرژی الکتریکی را در بخش خانگی و تجاری به خود اختصاص میدهد. استفاده از نورطبیعی، یکی از کارآمدترین روش ها برای به کارگیری انـرژی خورشـید در بنا میباشد. عوامل مختلفی که بر میزان ورود نور طبیعی بـه داخـل فضـا تاثیر میگذارند شامل نوع اقلیم، هندسه و کالبد ساختمان، ابعاد و نحوه قـرار گیری جدارهای نورگذر در نماها، وضعیت و مشخصات محیط اطـراف بنـا، کاربری ساختمان، جهتگیری ساختمان، مصالح جدارهای شیشهای، ابعـاد و محل قرارگیری جدارنورگذرها، سیستم های کنترلی نور روز و میـزان ورود تابش آفتاب به داخل فضا و همچنین نوع و مشخصات سایبانهای احتمـالی داخلی و خارجی میباشد.
در صورتیکه نور طبیعی وارد شده به داخل فضا، کنترل شده نباشد مـی تواند باعث ایجاد خیرگی (glare)، عمق نفوذ کم، ایجاد انعکاس آزار دهنده و عدم یکنواختی شود.[1]
از طرف دیگر با تغییر اقلیم جهانی و گـرم شـدن و همچنـین افـزایش سطح آسایش مردم، تامین سرمایش در فصول گرم سـال نسـبت بـه گذشـته دارای اهمیت بیشتری میباشد. عوامل بسیار زیادی از جمله موارد ذکر شده در بالا بر باربرودتی ساختمان تاثیر دارد که عـایقکـاری پوسـته خـارجی در درجه اول و نسبت سطح بازشوها در پوسته خارجی به سطح مفید ساختمان WR (Window to wall ratio) در درجه دوم قرار دارد.
استفاده از روشنایی روز با افزایش نسبت سـطح بازشـو هـا در پوسـته خارجی به سطح مفید ساختمان، سلامت بصری و جلوگیری از مضرات نور مصنوعی و همچنین کاهش مصرف انرژی الکتریکی در بخش روشنایی را به همراه دارد. اگرچه کاهش استفاده از روشنایی مصنوعی، باعث کـاهش بـار سرمایشی از نظر گرمای تولید شده توسط لامپها میباشد، اما با توجـه بـه اینکه گرمای تولید شده توسط لامپهای کممصـرف نـاچیز مـیباشـد، ایـن میزان بار سرمایشی چندان حائز اهمیت نمیباشد.
افزایش روشنایی روز از طریـق بازشـوها باعـث افـزایش بارسرمایشـی ساختمان در فصول گرم شـده و کـاهش روشـنایی روز باعـث افـزایش بـار روشنایی و استفاده از نور مصنوعی در ساختمان میشود. با اسـتفاده از یـک مدل فرضی میتوان نقطه بهینه این تناقض را مورد بررسی قرار داد.[1]
بر طبق تحقیقات صورت گرفته توسط دانشگاه هاروارد ساختمانهایی با WWR بالاتر از 80 درصد به راحتی میتوان از روشنایی روز بهره جست و از نور مصنوعی استفاده نکرد. این در حالی است که طبق استاندارد فاکتور روشنایی روز بایستی بین 2 تا 5 درصد بوده و بیش از این مقدار باعث سلب آسایش دیدگانی ساکنین میشود که باید در تامین روشـنایی روز بـا در نظـر گرفتن میزان بار سرمایشی به یک حالت بهینه دست یافت.
همچنین طبق پروژه تحقیقاتی موسسه Sefaira اثـر افـزایش روشـنایی روز با استفاده از سیستم کنترلی و بدون سیستم کنترلی بر بار سرمایشی مورد بررسی قرار گرفته است که نتایج نشان مـیدهـد، مطـابق شـکل (1) بـدون سیستم کنترلی افزایش روشنایی روز باعث افزایش 33 درصد بار سرمایشـی در ساختمان و مطابق شکل (2) با سیستم کنترلی باعث افـزایش 20 درصـد بارسرمایشی و کاهش قابل توجهی از بار روشنایی میشود.
شکل :1 تاثیر روشنایی روز بر پارامترهای مصرف انرژی در ساختمان بدون سیستم کنترلی
شکل :2 تاثیر روشنایی روز بر پارامترهای مصرف انرژی در ساختمان با سیستم کنترلی
.2 برنامه شبیهسازی انرژی
با توجه به بررسی پارامترهای مختلف انرژی در ساختمان مدل از جمله میزان شدت روشنایی روز بـا تغییـر در سـطح بازشـوها و تـاثیر آن بـر بـار سرمایشی ساختمان و همچنین استفاده از سیستمهـای کنترلـی روشـنایی، از نرم افزار DesignBuilder نسخه 4.2.0.054 استفاده گردید.
نــرمافــزار DesignBuilder بــرای مدلســازی ســاختمان از جنبــههــای مختلف مثل فیزیـک سـاختمان (مصـالح سـاختمانی)، معمـاری سـاختمان، سیستمهای سرمایشی و گرمایشی، سیستم روشنایی و غیره کـاربرد داشـته و این نرمافزار قابلیت مدلسازی همه جنبههای ساختمان را دارد. این نرمافـزار مدلسازی که یکی از پیشرفتهترین و بـهروزتـرین نـرمافزارهـای دنیـا بـرای مدلسازی ساختمان مـیباشـد، بجـز مدلسـازی بـار گرمایشـی و سرمایشـی ساختمان، مصارف مختلف انرژی ساختمان از قبیل مصرف انرژی گرمایشی، سرمایشی، روشنایی، لوازم خـانگی، آب گـرم مصـرفی و غیـره را بصـورت دینامیک مدلسازی مینماید.
موتور مدلسازی این نرمافزار EnergyPlus است که توسـط دپارتمـان انرژی آمریکا در سال 2011 توسعه یافتـه و بـه عنـوان یکـی از معتبرتـرین نرمافزارهای مدلسازی انرژی، در نوع خود بینظیر است.[2]
.3 مدل فرضی
ساختمان مورد نظر با کاربری اداری در شهر تهران واقع اسـت و دارای 3 طبقه اداری به مساحت حـدود 340 مترمربـع و یـک طبقـه پارکینـگ بـه مساحت 340 مترمربع بـوده و جمـع کـل متـراژ سـاختمان 1360 مترمربـع میباشد. نمایی از ساختمان مدلسازی شده در شکل (3) و مشخصـات کلـی ساختمان مذکور در جدول (1) آورده شده است.
.4 پارامترهای مورد بررسی
پارامترهای زیادی بر مصرف انرژی ساختمان اثر مـیگـذارد کـه بـرای سهولت در تحلیل و بررسی دادهها، تعدادی از این پارامترهـا ثابـت در نظـر گرفته شده است.
.4,1 کاربری
.4,3 پنجرهها
برای تغییر در مقدار روشنایی روز نسـبت سـطح بازشـوهـا در پوسـته خارجی به سطح مفید سـاختمان (WWR) تغییـر مـیکنـد کـه نتـایج آن را میتوان در خروجی دادهها توسط نرم افزار به صورت گراف مشاهده نمود.
.4,4 روشنایی
برای تامین روشنایی از لامپ فلورسنت فشرده (کم مصرف) (Compact fluorescent lamp (CFL)) استفاده گردیده است. برای بررسی تاثیر تغییر روشنایی روز بر روشنایی از سیستم کنترلی در نرمافزار استفاده شده است. این سیستم کنترلی فضای موجود را به ناحیههای روشنایی 1 با پوشش سطح 60 درصد و ناحیه 2 با پوشش سطح 40 درصد تقسیم نموده است. زمانی که میزان روشنایی ناحیه 2 توسط روشنایی روز به 300 لوکس برسد، لامپهای این ناحیه خاموش میگردد. با استفاده از این سیستم کنترلی میتوان تاثیر روشنایی روز در کاهش مصرف انرژی الکتریکی را در بخش روشنایی بررسی نمود. نمایی از فضای سیستم کنترلی نرمافزار در شکل (1) قابل مشاهده میباشد. نکته قابل توجه این است که نرمافزار قابلیت جابجایی و جانمایی صحیح سنسورهای سیستم کنترلی روشنایی را در فضا، جهت قرار دادن در فاصله مناسب از پنجرهها دارد. سنسورهای روشنایی در شکل (5) مشاهده می گردد .[1]
با توجه به شرایط تاثیرگذار بر نوع فعالیت ساکنین اعم از تعـداد افـراد حاضر در هر مترمربع، ساعات حضور افراد، شرایط فعالیت انسان، تجهیزات مورد استفاده و تنظیمات دما و رطوبت، کاربری مدل مورد نظر اداری در نظرگرفته شده است و پارامترهای ذکر شده در بالا در نـرم افـزار ثابـت درنظـر گرفته میشود.
.4,2 سیستم تهویه مطبوع
مصالح به کار رفته شده در دیوار و سقف ساختمان و همچنین سیسـتم تهویه مطبوع در جدول (1) آورده شده که در نرم افزار ثابت در نظـر گرفتـه شده است.
قالب گراف، نمودار و فایل اکسل و پیدیاف به عنوان خروجـی بـه کـاربر ارائه میدهد. با توجه به پارامترهای ورودی تعریف شده در نرمافزار خروجی میـزان مصرف انرژی، گرمای جذب شده و دماها برای سناریوی 1 در شکل (6) به عنوان نمونه آورده شده است.
5 – سناریو های مختلف جهت نتایج
جهت تحلیل تاثیر پارامترهای مورد نظر 8 سناریو در حالات مختلف و مورد بررسی قرار میگیرد. سناریوهای تعریف شده در نرم افـزار در جـدول (2) آورده شده است.
.6 خروجی نرم افزار
همانطور که در بالا به آن اشاره گردید نرمافزار موجود اطلاعات زیادی از جمله میزان مصرف انرژی در بخشهای سرمایش، گرمایش، آب مصرفی، تجهیزات اداری، روشنایی و همچنـین دمـای متوسـط هـوای داخـل، دمـای متوسط هوای بیرون، دمای محسوس سـرمایش و گرمـایش را در بـازههـای زمانی تعریف شده سالیانه، ماهیانه و روزانه و بسیاری دادههـای دیگـر را در
قالب گراف، نمودار و فایل اکسل و پی دی اف به عنوان خروجی به کاربر ارائه میدهد . با توجه به پارامتر های ورودی تعریف شده در نرم افزار خروجی میزان مصرف انرژی ، گرمای جذب شده و دماهای برای سناریو 1 در شکل 6 به عنوان نمونه اورده شده است .
