بخشی از مقاله
طراحی معماری ساختمان با حداقل مصرف انرژی
چکیده
با توجه به جایگاه حفظ محیط زیست و صرفه جویی در منابع پایانپذیر فسیلی، نیاز به بهرهمندی از انرژیهای تجدید پذیر و پاک مانند انرژی خورشیدی و استفاده حداکثری از تهویه طبیعی به منظور سرمایش، روز بـه روز بیشتر احساس میشود. از اینرو بهتر است با رعایت الگوهـا و تکنیـکهـای کـاهش مصـرف انـرژی در بناهـای مسکونی ضمن کاهش هزینه ها و رسیدن به اهدف زیست محیطی، نسبت بـه اهمیـت مسـئله کـاهش مصـرف سوختهای فسیلی و استفاده از انرژیهای پاک قدم برداشت تا ضمن حفظ سـرمایههـای ملـی، از آلـودگیهـای زیست محیطی نیز تا حد امکان جلوگیری نمود. در این مقاله راهکارها و تکنیکهای روز دنیـا در زمینـه بهینـه سازی مصرف انرژی مورد بحث و بررسی قرار گرفتـه و مـدلهای پیشـنهادی بـرای اسـتفاده در سـاختمانهـای مسکونی در ایران ارائه شده است.
واژههای کلیدی: انرژی، بهینه سازی، طراحی ساختمان مسکونی، معماری نوین.
-1 مقدمه
حقیقت فانی بودن منابع و انرژی و نتایج تخریب و از بین رفتن محیط طبیعی به طور شفاف تأثیر عظیمی بر منش زندگی و فرهنگمان خواهد گذاشت. اگر چه برداشت افراد از معماری پایدار متفاوت است اما همه در این نکته که این معماری توجه زیادی به ساخت محیط مصنوع را در نظر گرفتن حفظ منابع طبیعی و تجدید پذیرد و استمرار آن برای آیندگان دارد موافقند . مفهوم معماری پایدار بیشتر از آنکه با نگهداری زندگی مرتبط است به افزایش در کیفیت استاندارد زندگی می پردازد. در این حرکت جهانی ، معماری نیز همسو با سایر دانشمندان در پی یافتن راهکارهای جدید برای تأمین زندگی مطلوب انسان بوده اند ، بدیهی است که زندگی ، کار ، تفریح و استراحت و ... همه و همه فعالیتهایی می باشند که در فضاهای طراحی شده توسط معماران صورت پذیرفته و از آنجا که نقاط ضعف و قوت یک ساختمان بر زیست بوم جهان تأثیر مستقیم خواهد داشت (رنجبر، .(1387 کاربرد مفاهیم پایداری در معماری، مبحثی تازه را به نام معماری با معماری اکولوژیکی یا معماری سبز و یا معماری زیست محیطی باز کرده است که همگی اینها دارای معنای یکسانی بوده و بر معماری سازگار با محیط زیست دلالت دارند.
-2 بحران انرژی و منابع تجدید ناپذیر آن
تعریفی از توسعه پایدار کهعموماًپذیرفته شده است ، تعریف مندرج در گزارش بروتئلند است که طبق آن به » توسعه پایدار آنگونه توسعه ای است که نیازهای انسان حاضر را بدون مصالحه و صرف نظر کردن از توانایی هایی نسل آینده در بر
1
آوردن نیازهایشان ، تأمین نماید . در تعریف فوق سه واژه کلیدی » توسعه « ، » نیاز « و » نسل آینده « تأکید شده است . در اینجا واژه توسعه برخلاف واژه رشد که به مفهوم گسترش فیزیکی و کمی سیستم اقتصادی است ، توسعه دارای مفهوم کیفی است که یا نوعی اعتلا و پیشرفت سروکار دارد که جمیع ابعاد فرهنگی ، اجتماعی و اقتصادی را ملحوظ داشته است . همچنین طرح و نیاز و » نسل آینده « در تعریف مزبور متضمن توجه به مفهوم برابری در استفاده از امکانات چه در چهارچوب درون نسلی و چه در چهارچوب میان نسلی است . باید با یاد داشت در توسعه پایدار به این موارد توجه شود(خواجه پور، : (1388
· توسعه پایدار باید یک تغییر کیفی مثبت در زندگی همه انسانها باشد .
· در توسعه پایدار باید به دوام فرصت ها و توزیع عادلانه آن توجه شود .
· حفظ و حمایت محیط زیست و منابع طبیعی باید در توسعه پایدار لحاظ گردد .
· باید در توسعه پایدار به نیازهای انسانی پاسخ گفته شود .
· توسعه پایدار در حد امکان خود کفا و درونزا است .
-3 اصول معماری پایدار
برخی بناها دارای ویژگیها و خصوصیاتی هستند که آنها را در زمره بناهای پایدار قرار می دهد . اصولی که باید رعایت شود تا یک بنا به عنوان یک معماری پایدار طبقه بندی شود عبارت است از (صابری، :(1385
اصل اول – حفظ انرژی : بنا باید طوری ساخته شود که نیاز ساختمان به سوختهای فسیلی را به حداقل برساند .
اصل دوم – هماهنگی با اقلیم : بناها باید طوری طراحی شوند که با اقلیم و منایع انرژی موجود در محل احداث هماهنگی داشته و کار کند .
اصل سوم – کاهش استفاده از منابع جدید مصالح : ساختمان ها باید به گونه ای طراحی شوند که میزان استفاده از منابع جدید را تا حد ممکن کاهش داده و در پایان عمر مفید خود برای ساختن بناهای جدید ، خود به عنوان منبع جدید به کار روند .
اصل چهارم – برآوردن نیازهای ساکنان : در معماری پایدار بر آورده شدن نیازهای روحی و جسمی ساکنان از اهمیت خاصی برخوردار است .
اصل پنجم – هماهنگی با سایت : بنا باید با ملایمت در زمین سایت خود قرار گیرد و با محیط اطراف سنخیت داشته باشد . اصل ششم – کل گرایی : تمام اصول معماری پایدار باید در یک پروسه کامل که منجر به ساخته شدن محیط زیست سالم یم شود تجسم یابد .
-1-3 معماری پایدار و فن آوری پیشرفته
بیان و ابزار و دستاوردهای علمی و فنی ، همواره از وظایف توسعه معماری مدرن بوده است . مدرنیستهای اولیه معماری نظر لوکوربوزیه وگروپیوس ، به فن آوری به مثابه نیرویی که تغییر را موجب می شد ، توجه می کردند و بنابر همین ملاحظات بود که انسان را در معماری از آن خود ساخت و مورد ستایش قرار داد . (H.kelly,1993 )
-2-3 انواع انرژی های قابل استفاده در ساختمان
تمامی منابع انرژی به دو گروه تجدید ناپذیر و تجدید پذیر تقسیم می شوند .
· منابع تجدید ناپذیر
دو گروه عمده از منابع تجدید ناپذیر انرژی وجود دارند : الف ) سوخت های فسیلی
2
-1 نفت ؛ -2 گاز طبیعی ؛ -3 زغال سنگ . ب ) هسته ای
-1 شکافت ؛ -2 گداخت .
· منابع تجدید پذیر انرژی -1 انرژی باد ؛ -2 زیست توده ؛ -3 برقابی ؛ -4 زمین گرمایی ؛ -5 هیدروژن ؛ -6 خورشیدی .
انرژی باد
ایرانیان باستان از نیروی باد برای پمپ آب استفاده می کردند . آسیاب های بادی اولین بار در قرن دوازدهم وارد اروپا شد. این آسیابها برای قرنها به منظور آسیاب کردن گندم و پمپ آب مورد استفاده قرار می گرفتند .
امروزه توربینهای بادی در حال تجربه احیای مجدد خود می باشند چرا که می توانند انرژی پاک و تجدید پذیر را با همان هزینه انرژی رایج تولید نمایند . در جایی که باد فراوان وجود داشته باشد و هزینه برق نیز گران است نیروی باد اغلب اوقات بهترین منبع انرژی می باشد از آنجا که نیروی خروجی حاصل ازیک توربین باید متناسب با مکعب سرعت باد می باشد ، وجود یک محوطه بادخیز بسیار
اهمیت دارد وانگیزه زیادی نیز وجود دارد که توربین را برای رسیدنبه بادی با سرعت بیشتر ، در ارتفاعی هرچه بیشتر بالا ببرند
. ماشینهای بادی اغلب بر روی دکل قرار می گیرند ( شکل 1و( 2 ولی می توان آنها را بر روی ساختمانها نیز قرار دارد .
شکل شماره-1دکل هایی که باکابل مهارمی شوند اغلب کم هزینه ترمیباشند ولی به زمین بیشتری نیازدارند.
شکل-2قطعات ضروری دریک توربین بادی
3
انرژی زیست توده
درفرآیند فتوسنتز ، انرژی خورشیدی برای استفاده درآینده ذخیره می شود . بدین ترتیب ، گیاهان مشکل پراکندگی و دسترسی متناوب که در استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد را حل می نمایند . این انرژی دخیره شده می تواند به گرما با الکتریسته تبدیل گشته و یا به سوختهایی همچون گاز متان ، الکل و هیدروژن تغییر شکل یابد . از آنجا که انرژی زیست توده تجدید پذیر می باشد و استفاده از آن در کوره های مدرن با مقیاس بزرگ نسبتاً،بدون آلودگی صورت می گیرد این انرژی منبعی بسیار خوب برای انرژی می باشد . دو منبع اصلی انرژی زیست توده در اختیار انسان می باشد :
· گیاهانی که به طور ویژه برای استفاده از انرژی درون آنها پرورش داده می شوند و
· پسماند های آلی بخش کشاورزی ، صنعت و یا مصرف کنندگان ( فصولات ) .
زیست توده ، منبعی مطلوب برای انرژی می باشد ولی مقدار آن از آنجا که این انرژی برای تولید غذا و محصولاتی نظیر الوار مورد نیاز می باشد محدود است . علاوه بر آن ، استفاده از تمامی زیست توده بعنوان انرژی ، خاک را از ماده روبه زوالی که مورد نیاز نسل آینده گیاهان می باشد محروم خواهد ساخت .
انرژی برقابی
استفاده از انرژی آب که انرژی برقابی یا هیدرو الکتریک نیز نامیده می شود دارای تاریخچه ای باستانی می باشد. چرخ بالا زن کار آمدترین نوع از این آسیابهای بادی تشخیص داده شده است ولی نیاز به آبشاری با حداقل 3 متر ارتفاع داشت هنگامی که آب ، ریزش عمودی کمی می داشت چرخ پایین زن ، بهترین نوع آسیابهای بادی تشخیص داده می شد . نیروی حاصل از یک نهر تابعی است از هر دو عامل ریزش و جریان آب . ریزش ، فشاری است که از ترول عمودی آب ناشی می شود واغلب برحسب ( پوند براینج مربع ) بیان می شود . جریان ، میزان آبی است که در یک زمان مشخص از یک نقطه مشخص می گذرد . از آنجا که نیروی خروجی با هر دو عامل ریزش و جریان تناسب مستقیم دارد ترکیبات متفاوت ریزش و جریان به یک اندازه خوب عمل خواهند نمود .
امروزه نیروی آبتقریباً به طور انحصاری برای تولید الکتریسته استفاده می شود . هزینه عمده دراین میان ، اغلب اوقات سری است که برای ایجاد ریزش آب وذخیره آب برای حفظ جریانی یکنواخت ساخته می شود . یکی از مزیت های انرژی برقابی نسبت به برخی منابع تجدید پذیر دیگر ، راحتی نسبی در ذخیره انرژی است ونقیصه عمده آن ، مساحت وسیع اراضی است که برای ایجاد دریاچه آب ، زیر آب فرو می رود . سد در این سامانه ، ریزش مورد نیاز را تأمین کرده ، آب را ذخیره ساخته و آن را به لوله هایی که منتهی به توربین واقع در ارتفاعی پایینتر می باشند منتقل می سازد .
انرژی زمین گرمایی
واژه زمین گرمایی برای توصیف دو سامانه انرژیکاملاًمتفاوت مورد استفاده قرار می گیرد :
· خارج ساختن گرمایی که از اعماق زمین نشأت می گیرد
· تبادل زمینی .
انرژی زمین گرمایی ، در جایی وجود دارد که گرمای کافی از طریق هدایت فوران آذر سنگ ها ( ماگما ) و یا به گردش در آمدن آب های سطحی در اعماق زیاد زمین ، به نزدیکی سطح زمین آورده شده باشد . در مکانهایی معدود نظیر یلوستون ، گرما از طریق آب و نجارداغ درست به سطح زمین منتقل می شود . در مکانهای دیگری نظیر گیسرز در کالیفرنیا شمالی ونیروگاه ها چوبارو در ژاپن از این گرما برای تولید الکتریسته استفاده می شود .
هیدروژن
4
اگر چه هیدروژن یک منبع انرژی نیست با این حال می تواند از نقش مهم در یک اقتصاد پایدار بازی کند . هیدروژن ، سوختی ایده آل بدون خاصیت آلایندگی می باشد زیرا هنگامی که سوزانده می شود تنها آب تولید می گردد . این سوخت هیچ کسی به گرم شدن کره زمین نخواهد کرد . اگر چه هیدروژن فراوان است ولی تمامی این ماده در ترکیباتی نظیر آب محصور گشته است. هیدروژن همتای مناسبی برای منابع متناوب انرژی خورشیدی و باد می باشد که نقیصه اصلی آن ذخیره انرژی است . هنگامی که الکتریسته ما زاد تولید می شود می توان با استفاده ازالکترولیز آب ، هیدروژن تولید نمود .
سیستمهای خورشیدی
سیستمهای خورشیدی ، سیستمهایی هستند که به وسیله آنها انرژی خورشیدی در جهت برآوردن نیازهای جوامع بشری به انرژی استفاده می شود .
-4 الگوهای پیشنهادی
· سیستمهای فتوبیولوژی
· سیستمهای شیمیایی
· سیستمهای فتوولتائیک
· سیستمهای حرارتی
-1-4 سیستمهای فتوبیولوژی
فرآیند فتوسنتز قدیمی ترین و گسترده ترین روش استفاده از انرژی خورشیدی است ، گیاهان تشعشع خورشیدی را جذب کرده و به کمک آن گاز کربنیک و آب را به مواد قندی تبدیل می کنند . در روند این فعل و انفعال گیاهان ، اکسیژن را آزاد و نیتروژن و مواد فسفری را که برای ادامه حیات آنها ضروری است جذب می کنند . نتیجه این فرآیند ذخیره سازی بیولوژیکی انرژی خورشیدی است . انرژی ذخیره شده در جهان از طریق سوزاندن چوب یا تهیه سوختهایی از قبیل الکل و متان بازیابی می شود . امروزه تهیه سوخت از مواد گیاهی به علت بازدهی پایین آن به ندرت انجام می شود . راندمان این فرآیند بین 0/25 درصد تا 0/5 درصد بوده که بطور قابل ملاحظه ای از باز دهی اشکال دیگر استفاده از انرژی خورشیدی کمتر است . حتی با وجود این بازدهی کم ، هزینه تولید انرژی از بعضی از گیاهان یا هزینه تولید سوختهای فسیلی قابل مقایسه می باشد . از سوی دیگر می توان از سلولز ،که نتیجه مستقیم فرآیند فتوسنتز بوده و به مقدار زیادی در مواد مازاد کشاورزی و گیاهی موجود است ،به عنوان یک منبع انرژی زا برای تهیه مواد غذایی یا مواد شیمیایی مورد نیاز صنایع بهره گرفت.( شکل ( 3 چگونگی فرآیند شوق نشان داده شده است .
شکل -3 سیستم مداوم تولیدگازمتان ازتخمیر لجن
5
-2-4 سیستمهای شیمیایی خورشیدی
سیستمهای شیمیایی خورشیدی به دو دسته کلی تقسیم می شوند ؛ الف ) سیستمهای فتوشیمیایی که در آن از تشعشع خورشید در فرآیند های شیمیایی استفاده می شود .
ب ) سیستمهای هلیوترمیک که در آن از خورشید به عنوان منبع حرارت بهره می گیرند . هر دو سیستم سنتز که به دوانرژی حرارتی نورانی نیاز دارد به کار رفته و در نتیجه این فرآیند ها سوخت تولید می شود . (شکل ( 4 نشان می دهد که برای تهیه سوختی مثل هیدروژن ، چگونه از روش فتوشیمیایی ، و یا از روش حرارتی در الکترولیز ، می توان استفاده کرد و هیدروژن ذخیره شده را برای تولید انرژی مکانیکی – حرارتی الکتریکی وغیره بکار برد .
عملیات فتوسنتز در گیاهان وتشکیل سوختهای فسیلی در زیر زمین ، و ذخیره سازی بیولوژیکی انرژی خورشیدی درمواد ، و بالاخره تهیه سوختهایی از قبیل الکل ، متان و هیدروژن ، همگی تابع یک سری فعل و انفعالات شیمیایی بوده و می توان آنها را بخشی از سیستمهای شیمی خورشیدی به حساب آورد .
تهیه الکتریسته با استفاده از سلولهای خورشیدی در رشته شیمی نیز با استفاده از الکترولیز امکان پذیر بوده و بعلاوه از سلولهای فتوالکتریک برای تجزیه شیمیایی و تهیه ذخیره هیدروژن روشهای گوناگون استفاده می شود ( شکل ( 4
شکل -4 شکل شماتیکی دستگاه الکترولیزباسلول نوری که دربیشترتحقیقات شیمیایی ازآن استفاده میشود.
-3-4 سیستم های فتوولتائیک ( ( PV
سیستمی که در آن انرژی خورشیدی بدون بهره گیری از مکانیزم های متحرک وشیمیایی ، به انرژی الکتریکی تبدیل شود . اثر آنرا فتوولتائیک می نامند . عاملی که در این فرآیند بکار می رود سلول خورشیدی نامیده می شود . سلولهای خورشیدی قادرند انرژی تشعشعی خورشید را با بازدهی معادل 5 تا 20درصد مستقیماً به الکتریسیته تبدیل کنند . اگر چه انرژی الکتریکی نوری هنوز به میزان کافی از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نمی باشد ولی در سالهای اخیر کاهش چشمگیری در هزینه های مربوط به بهره برداری از این سیستم ها مشاهده گردیده و انتظار می رود در آینده نیز با تحقیقات لازم در نوع سلولهای نوری کاهش قیمت ادامه یابد .
سلولهای فتوولتائیک با استفاده از اشعه خورشید و سلولهای خورشیدی ، و با ایجاد اختلاف فشار الکتریکی در نیمه هادیهایی که بطور مناسب ساخته شده اند الکتریسیته تولید می شود . امروزه موثرترین و ارزانترین سلولهای خورشیدی ماده ای به نام سیلیسم می باشد . ماسه یکی از منابع مهم سیلیسم بوده که پس از پالایش آن کریستالهای سیلیسم بدست می آید و پس از بریده شدن به صورت صفحه آماده می شود . به عبارت دیگر سلولهای فتوولتائیک که گاه نام سلولهای خورشیدی نیز به آن
6
اطلاق می گردد از پولک هایی ساخته می شوند که نور را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کند . این پولک ها همانند ترانزیستور معمولاً از لایه های نازک یک ماده نیمه هادی مانند سیلیکان با مقادیر کمی افزودنیهای خاص به منظور ایجاد
مازادی از الکترون در یک لایه و کمبودی از الکترون در لایه دیگر ساخته می شوند . فوتون های نور در یک لایه الکترونهای آزاد را بوجود می آورند و یک رشته هادی ، الکترون ها را قادر می سازد که در یک مدار خارجی جریان یافته و به لایه ای که فاقد الکترون است دسترسی پیدا کنند . ( شکل ( 5
شکل -5مقطعی از یک نمونه سلول pv فوتونهای نور، الکترونهای آزاد را تولید میکنند. شبکه فلزی در بالا و صفحه فلزی در پایین، امکان جمع آوری و بازگشت الکترونهای آزاد ازطریق یک مدار الکتریکی خارجی را میسر می سازند.
سلولهای سیلیکاتی تک کریستالی ، کارآمدترین نوع و در عین حال گرانترین نوع از این سلول ها می باشند . برای کاهش این هزینه ، سلولهای فتوولتائیک پلی کریستالی و نازک - فیلم ابداع گشته اند . سلولهای فتوولتائیک نازک – فیلم ازسیلیکان بدون شکل ، دیسلینید ایندیوم مس و یا فلورید کادمیم ساخته شدند . هر چند این سلولها نور خورشید را با نصف بازدهی ( حدود ( % 8 سلولهای سیلیکانی تک کریستالی ( حدود ( % 15 به الکتریسته تبدیل می سازند ، با اینحال هزینه پایین تر آنها هر گاه که مساحت گرد آور محدود نباشد این نقیصه جبران می کند.
-1-3-4 انواع سامانه های فتوولتائیک
دو نوع اصلی از سامانه های فتوولتائیک ( ( PV برای استفاده در ساختمان ها وجود دارد : منفرد و متصل به شبکه . هنگامی که اتصال به شبکه برق ممکن نبوده و یا مور دلخواه نباشد نیاز به یک سامانه منفرد می باشد . در چنین مواردی برای تأمین برق به هنگام شب و یا در روزهای ابری و نیز هنگام نیاز به حداکثر مقدار برق نیاز به چندان انباره می باشد . اندازه آرایه های PVطوری تنظیم می شود که هم بارهای معمول روز هنگام و هم شارژ انباره ها را مهار کنند . انباره ها افزایشی قابل توجه را در هزینه و نگهداری سامانه PVموجب می گردند
در یک سامانه متصل به شبکه ، برای تغییر جریان مستقیم از آرایه PVبه جریان متناوب ( (AC با ولتاژ مناسب شبکه نیاز به یک مبدل می باشد ( شکل . (6
