بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
طراحی سیستم غیرفعال خانه هاي خورشیدي در جنوب شرق ایران و بهینه سازي با الگوریتم ژنتیک
چکیده
در سیستمهاي گرمایش غیر فعال خورشیدي، جمع آوري انرژي خورشیدي و ذخیره سازي آن توسـط اجـزاي خـود سـازمان انجـام میگیرد. در این سیستمها نسبت طول به عـرض سـاختمان، جهـت قرارگیري پنجره ها و مساحت آنها، اسـتفاده از نورگیرهـاي سـقفی، زاویه شیب و مساحت آنها نقش بسیار مهم و کلیدي دارنـد. در ایـن مقاله هدف ارائه طرحی جهت بهرهگیري هرچه بیشـتر سـاختمانها از انرژي خورشیدي با بدست آوردن مقدار بهینه هرکدام از عوامل فوق در مناطق جنوب شرقی ایران است. ابتدا جهت زمینهاي مسکونی که هنوز افراز نشدهاند، مقدار بهینه نسبت طـول بـه عـرض سـاختمانها محاسبه شدهاست. سپس جهت قرارگیري پنجره ها و مساحت آنها و همچنین زاویه شیب نورگیر و مساحت آن جهـت کمتـرین نیـاز بـه استفاده از انرژي هاي کمکی محاسبه شده است. در ساختمانهاي بـا طول زیاد، پنجره به تنهایی پاسـخگوي نیـاز گرمایشـی و روشـنایی ساختمان نیست. لذا با ترکیـب دو سیسـتم پنجـره رو بـه جنـوب و نورگیر مساحت بهینه هرکدام محاسـبه شـده اسـت. در انتهـا بـراي کاهش نیاز گرمایشی ساختمانهاي ساخته شده و در حال بهرهبرداري امکان افزودن یک نورگیر سـقفی بـا مسـاحت بهینـه جهـت تـامین قسمت عمدهاي از نیاز گرمایشی ساختمان مطالعه شده است.
پس از حل مسأله و بدست آوردن مقادیر بهینـه، بـا اسـتفاده از الگوریتم ژنتیک این مسأله مجدداً حل و صحت محاسبات تأیید شده است.
کلمات کلیدي: گرمایش غیرفعال خورشیدي، مساحت بهینه پنجره، مساحت بهینه نورگیر، الگوریتم ژنتیک
مقدمه
توجه به میزان بالاي تابش خورشیدي در مناطق جنـوب شـرقی ایران، زمینه ساز استفاده مناسـب از ایـن نعمـت خـدادادي، جهـت صرفهجویی در مصرف سوخت و کاهش آلاینده هاي زیست محیطی می شود. استفاده حداکثري از این انرژي را می توان از طریـق بهـره گیري از روشـهاي فعـال و غیـر فعـال خورشـیدي محقـق سـاخت. استفاده از سیستمهاي غیر فعال خورشیدي نیاز به صرف هیچ گونـه هزینه اضافهاي ندارد و اقتصادي تـرین روش بهـره گیـري از انـرژي رایگان خورشیدي به شمار می آید.
در این روش، طراحی با توجه به اینکهورن خورشید مسـتقیماً از طریق پنجره ها به فضاي داخل ساختمان وارد و در داخل به انـرژي حرارتی تبدیل می گردد، انجام می شود. دیوارها، کف و وسایل داخل اتاق تابش را دریافت نمـوده و بـه صـورت حـرارت در خـود ذخیـره مینمایند. تا زمانی که دماي فضاي داخلی بالا است، دیوارها و کـف حرارت را از سطح خود به هسته میانی انتقال می دهند اما در هنگام شب، که دماي هواي خارج ساختمان پایین می آید؛ جریان حـرارت برعکس شده و تابش و جابجایی حرارت فضاي داخلـی را در دمـاي مناسب نگه می دارد .[1]
لذا طراحی حرارتی ساختمانهاي خورشـیدي بسـیار وابسـته بـه معماري ساختمان است. زیرا جمع آوري انرژي خورشیدي و ذخیـره سازي آن در اجزاي خود ساختمان انجام می گیرد.
گرم کردن ساختمانها با استفاده از انرژي خورشید، ایده تـازه اي بود که در سالهاي 1930 مطرح و در طول یک دهه بـه پیشـرفتهاي قابل توجهی نائل آمد. اولین خانه خورشیدي در انسـتیتو تکنولـوژي ماساچوست1 آمریکا در سال 1938 ساخته شد. بحران انرژي در سال 1974 و از طرفـــی پیشـــرفت تکنولـــوژي و ســـاخت کلکتورهـــاي خورشیدي و احتمال کاهش و یا اتمام بعضی از منابع زیر زمینی بـار دیگر توجه جهانیان را به انرژي خورشیدي جلب کرد .[2]
در سال 2005 وانگ2 و همکاران براي شهر مونترال کانادا جنس و جهت دیوارهاي ساختمان، مساحت پنجره ها، نسبت طول به عرض ساختمان و مقدار عایق کاري را به عنوان متغیـر در نظـر گرفتنـد و مسئله را با استفاده از الگوریتم ژنتیک از لحاظ مینیمم انرژي کمکی مورد نیاز و مینیمم هزینه بهینه سازي کردنـد. نتـایج بدسـت آمـده توسط آنها نشان می دهد که اگر چـه اسـتفاده از دیوارهـاي سـبک اقتصادي تراست، اما دیوارهاي سنگین از لحاظ میزان انرژي کمکـی مورد نیاز ساختمان به صرفه تر اند. بهترین جهت گیري ساختمان را رو به جنوب و بهترین نسبت طول به عرض سـاختمان را برابـر یـک (ساختمان مربعی شکل) می باشد. آنها مساحت پنجره را بین 20% تا 100% نماي ساختمان متغیر گرفتنـد و بهتـرین نتیجـه را بـراي 20% مساحت نماي ساختمان بدست آوردند [3] و .[4]
در سال 2006 تیومان آکسوي1 و همکارش تأثیر شکل ساختمان و زاویه قرارگیري آن را بر انـرژي گرمـایی مـورد نیـاز سـاختمانهاي مسکونی براي شهر Elazig ترکیه (با آب و هواي سرد) مورد بررسی قرار دادند. نتایج تحقیقات آنها نشان مـی دهـد کـه بهتـرین شـکل ساختمان مربعی و بهترین زاویه قرارگیـري 00 یعنـی رو بـه جنـوب است .[5]
در سال 2008 پانائو2 و همکاران با استفاده از الگـوریتم ژنتیـک براي عرضهاي جغرافیایی 35o تا 50o مقدار بهینه نسـبت طـول بـه عرض و زاویه قرارگیري ساختمانها را بدست آوردند. آنها بیان کردند که براي عرض جغرافیایی 50o بهترین شکل ساختمان مربعی و براي عـرض جغرافیـایی 45o بهتــرین شـکل سـاختمان بــه صـورت یــک مستطیل با طول نامحدود است. نتایج تحقیقات آنها نشان می دهـد که براي کلیه این عرضهاي جغرافیایی زاویه ساختمان بایسـتی بـین 15o تا 15o محدود بماند بجز براي عرض جغرافیـایی 50o کـه زاویه ساختمان می تواند 45o تا 45o باشد .[6]
در کار حاضر با استفاده از روش انرژي غیر قابل بهـره بـرداري ، براي ابعاد و مساحتهاي مختلـف سـاختمان سیسـتمهاي غیـر فعـال خورشیدي طراحی و از لحاظ مینـیمم انـرژي کمکـی بـا اسـتفاده از الگوریتم ژنتیک بهینه سازي شده است. از آنجا کـه در سیسـتمهاي خورشیدي نتایج حاصله به شدت تحت تأثیر عواملی از جمله دمـاي هوا و تغییرات آن در طول شبانه روز، مقادیر تابش، ضریب صافی هوا، عرض جغرافیایی محـل و ... مـی باشـد، نتـایج حاصـل از تحقیقـات پیشین قابل استفاده در ایران نبـوده و پـژوهش حاضـر جهـت ارائـه راهکارهاي جدیدي در مناطق جنوب شرقی ایران صورت گرفته است. جهت اعتبارسنجی روش محاسباتی به کار رفته، پارامترهاي دخیـل در تحقیقات سایر پژوهشگران؛ در محاسبات جایگزین و با توجه بـه تشابه نتایج حاصله صحت روش محاسبات تأیید شده است.
قابلیت بهره برداري از انرژي خورشیدي
قابلیت بهره برداري از انرژي خورشیدي را به صـورت کسـري از تابش خورشیدي که با شدتی بالاتر از یک حد بحرانی دریافـت مـی شود، تعریف می کنند. تابش بحرانی ITc مقدار تابش لازم براي غلبه بر افتها می باشد. یعنی بـراي داشـتن انـرژي مفیـد بایسـتی تـابش ساعتی دریافتی IT از مقدار بحرانی ITc بیشتر باشد وگرنـه تمـام انرژي دریافتی هدر رفته و هیچ دریافت مفیدي وجود نخواهد داشت. امــا اگــر انــرژي دریــافتی از ITc بیشــتر شــود اســتفاده از سیســتم خورشیدي بهصرفه است. بنابراین انرژي قابل استفاده در هـر سـاعت می باشد. علامت مثبت نشان دهنده این است که تنها مقادیر مثبت در نظر گرفته می شوند. قابلیت بهره بـرداري بـراي یک ساعت خاص از یک ماه N روزه که در آن میانگین تشعشع ساعتی مفید می باشد، به صورت زیر تعریف می شود :[7]
قابلیت بهره برداري تابعی از ITc بوده و جهت برقـرار کـردن رابطـه بین و ITc ، یک منحنی توزیع تجمعی بـراي تـابش برخـوردي میتوان رسم کرد. جهت رسم این منحنی از اطلاعات چند ساله براي یک مکان، ماه، جهت و ساعت مورد نظر استفاده می شـود. قابلیـت بهره برداري همچنین مـی توانـد بـر حسـب نسـبت تـابش بحرانـی XC ،که بصورت نسبت تابش ساعتی بحرانی به تابش میانگین ماهانه ساعتی تعریف می شود، رسم گردد:
براي اجتناب از حجم زیاد محاسبات ساعت به ساعت، مفهوم قابلیت بهره برداري به میانگین ماهانه قابلیت بهره برداري روزانه توسعه داده شده است. این قابلیت بهره برداري روزانه بصورت مجموع تـابش بـر روي یک سطح شیبدار براي یک ماه (روي تمام ساعات و تمام روزها) که از تابش بحرانی بالاتر است، تقسیم بر تـابش ماهانـه بـر روي آن سطح، به شکل زیر تعریف می شود:
و جهت طراحی سیستمهاي غیرفعال خورشیدي مبتنی بـر دریافـت مستقیم انرژي خورشیدي و سیستمهاي جاذب از روش انـرژي غیـر قابل بهره برداري3 استفاده می شود.
روش انرژي غیر قابل بهره برداري
روش انرژي غیر قابل بهره بـرداري بـراي طراحـی سیسـتمهاي دریافت مستقیم و سیستمهاي دیوار جاذب، به وسیله مانسون4 ایجاد شد. این روش مبتنی بر این مفهوم است که یک ساختمان گرم شده به روش غیرفعال می تواند به عنوان یک کلکتور با ظرفیـت گرمـایی محدود در نظر گرفته شود. محاسبات براي تخمین انرژي کمکـی در دو حالت حدي گسترش داده شده اند. نخست براي یک ساختمان با ظرفیت حرارتی بینهایت که می تواند تمام انرژي حرارتـی را ذخیـره کند و دیگري براي یک ساختمان با ظرفیت حرارتی صفر کـه هـیچ انرژي را نمی تواند در خود ذخیره کند؛ سپس با توجه به اینکه انرژي کمکی یک ساختمان واقعی بایستی بین ایـن دو حـد باشـد از یـک سري روابط استفاده می شود.
در این روش محاسبات بر اساس اطلاعات ماهانه انجام می شود. در این روش بار حرارتی براي کل ساختمان از جمله پنجـره بدسـت میآید.
انـــرژي خورشـــیدي ماهانـــه جـــذب شـــده در اتـــاق برابـــر می باشد که در آن میانگین تابش جذب شده، ضریب عبور، ضریب جذب، Ar مساحت اتاق و HT تابش روزانه بر روي یک سطح شیبدار است. هنگامی که انرژي خورشـیدي
براي تأمین بار حرارتی ساختمان L کافی نباشد، انـرژي کمکـی LA بایستی تأمین شود. هم چنین در مـواقعی از روز انـرژي خورشـیدي دریافتی بیش از حد مجاز بوده که نمی تواند ذخیره شود و این QD بایستی خارج شود.
در ابتدا یک ساختمان فرضی با ظرفیت حرارتی نامحدود در نظر گرفته می شود. در طول یک ماه، تمامی انرژي جذب شـده در ایـن ساختمان ذخیره مـی شـود و بـه دلیـل ظرفیـت حرارتـی نامحـدود ساختمان، دماي فضاي داخلی ثابت می ماند. این انرژي ذخیره شده براي جبران انرژي کمکی هر زمانی می تواند استفاده شود.
توازن انرژي ماهانه، انرژي کمکی بـراي یـک سـاختمان بـا ظرفیـت حرارتی نامحدود را به شکل زیر می دهد:
سپس یک ساختمان فرضی با ظرفیت حرارتـی صـفر را در نظـر گرفته می شود. از آنجا که هیچ ظرفیت حرارتی وجود ندارد، کسري انــرژي بایســتی بلافاصــله بوســیله انــرژي کمکــی جبــران و انــرژي خورشیدي زیادي بایستی بلافاصله از ساختمان خارج شـود. در ایـن حالت نیز دماي ساختمان ثابت است؛ اما این کـار بـا وارد یـا خـارج کردن انرژي به جاي ذخیره آن انجام مـی گیـرد. بـالانس لحظـه اي انرژي ساختمان، نرخی که در آن انـرژي بایسـتی از سـاختمان خارج شود را مشخص می کند:
تشعشع بحرانی به صورت مقدار تشعشع دریافتی که تنها اتلافـات را جبران می کند، تعریف می شود:
در این حالت، تابش جذب شده که بالاتر از تشعشع بحرانی باشد، غیر قابل استفاده است و بایستی خارج شود. انرژي تلف شده در یک ماه می تواند به شکل زیر نوشته شود:
می توان فرض کرد که در طول یک ماه، ITc ثابت و مقدار میانگین ماهانه آن به شکل زیر است:
معادله (7) با استفاده از تعریف میانگین قابلیت بهره بـرداري ماهانـه ارائه شده توسط معادله (3) به فرم زیر نوشته می شود:
حال می توان مقدار انرژي کمکی مـورد نیـاز سـاختمان بـا ظرفیـت حرارتی صفر را با نوشتن توازن انرژي ماهانه بدست آورد؛ که برابر بار حرارتی به اضافه انرژي تلف شده منهاي انرژي خورشیدي جذب شده است:
معادلات (4) و (10) حدود مقدار انرژي کمکی مورد نیـاز را تعیـین می کنند. یک رابطه حاصل از شبیه سازي ها نشـان مـی دهـد کـه انرژي کمکی براي یک سیستم واقعی در کجا، بین این دو حـد قـرار
می گیرد.این روابط بر اساس کسـر بـار تولیـد شـده بوسـیله انـرژي خورشــیدي بدســت آمــده انــد. نســبت بــار خورشیدي به شکل زیر تعریف می شود:
براي سیستم با ظرفیت حرارتی نامحدود کسر انرژي خورشـیدي بـه
صورت زیر است:
و براي ساختمان با ظرفیت حرارتی صفر:
در شبیه سازي ساختمان با ظرفیت حرارتی محدود فرض شده است که فضاي داخلی ساختمان تنها شامل یک ناحیه در دماي یکنواخت و با ظرفیت حرارتی C می باشد. در حالی که دماي داخلی میتوانـد بین یک ماکزیمم و مینیمم تنظیم شده توسط ترموستات تغییر کند؛ از انرژي کمکی براي نگه داشتن دما در مینیمم دماي تنظـیم شـده توسط ترموستات و از تهویه براي خـروج انـرژي و نگـه داشـتن دمـا پایین تر از ماکزیمم تعیین شده استفاده می شود.
کسر ماهانه انـرژي خورشـیدي f بـراي مـرتبط کـردن نسـبت بـار خورشیدي و نسبت ذخیره به اتلاف انرژي Y استفاده می شود:
که در آنCb ظرفیـت حرارتـی سـاختمان و اخـتلاف دمـاي ماکزیمم و مینیمم (دامنه اي که دماي سـاختمان مـی توانـد تغییـر کند) می باشد. Y نسبت بیشـترین ظرفیـت ذخیـره سـاختمان بـه انرژي خورشیدي تلف شده براي یک ساختمان بـا ظرفیـت حرارتـی صفر در یک ماه می باشـد. سـاختمانها بـا ظرفیـت حرارتـی صـفر و بینهایت به ترتیب مقادیر Y صفر و بینهایت دارند.
معادله کسر انرژي خورشیدي ماهانه f بـر حسـب بـه شکل زیر است
که در آن:
سپس می توان انرژي کمکی مورد نیاز را بـا اسـتفاده از fبدسـت آورد:
حال با توجه به اینکه هدف تعیین پارامترهاي سیستم در حالتی است که انرژي کمکی مینیمم باشد، با تغییـر ایـن پارامترهـا و حـل مسأله در حالات مختلف می توان حالت بهینه را بدست آورد.
حل مسئله در شرایط آب و هوایی جنوب شرقی ایران
تشعشع میانگین ماهانه روي یک سطح افقـی بـراي شـهر هـاي جنوب شرقی ایران از مطالعات مهرابیـان و صـفاري پـور[8] و سـایر اطلاعات هواشناسی نیز از سازمان هواشناسی کشور تهیه شده اسـت. جهت مقدار متوسط ضریب صافی هوا براي شهر هاي جنوب شـرقی
ایـران نیــز از مطالعــات بهــادري نــژاد و میرحســینی اســتفاده شــده است.[9]
در این پژوهش ابتدا با استفاده از ایـن اطلاعـات مقـدار تـابش خورشید بر ضلع جنوبی ساختمان و مقدار انرژي خورشیدي عبـوري از هر متر مربع پنجره رو به جنوب و جذب شده توسط اتاق محاسبه شده است. سپس مقدار بار حرارتی کل ساختمان که شامل اتلافـات ساختمان از دیوارها، کف، سقف، پنجره و همچنین اتلافات ناشـی از نفوذ و نشت هوا می باشد، تعیین گردیده است. جهت بدست آوردن ضرایب انتقال حرارت، یک ساختمان استاندارد که بـر اسـاس اصـول مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان عایق بندي شده در نظر گرفته شده است. پس از عایق کاري ضرایب انتقـال حـرارت سـاختمان بـه شرح زیر می باشند:[10]
بام تیرچه بلوك سفالی با 8 سانتیمتر عایق پلی استایرن:
دیوار بلوك سفالی 15 سانتیمتري با پوشش اندود سیمان و اندود گچ و 5 سانتی متر عایق پشم و شیشه
کف تیرچه بلوك سفالی با 5 سانتیمتر عایق پشم شیشه:
پ
پنجره نیز از نوع دو جداره با قاب پی وي سی است که ضریب انتقال حرارت آن از پیوست 9 مبحث 19 مقررات ملـی سـاختمان بدسـت آمده، که در طول روز بدون پرده و در هنگام شب بـا پـرده داخلـی میباشد .[10]
ضریب انتقال حرارت پنجره دو جداره با قاب پی وي سی بدون پرده داخلی
ضریب انتقال حرارت پنجره دو جداره با قاب پـی وي سـی بـا پـرده داخلی
سپس با استفاده از روش انرژي غیر قابل بهره برداري ، براي ابعـاد و مساحتهاي مختلـف سـاختمان سیسـتمهاي غیـر فعـال خورشـیدي طراحی و از لحاظ مینیمم انرژي کمکی بهینه سازي شده است.
