بخشی از مقاله
چکیده - امروزه مدیریت انرژی به دلیل کمبود منابع انرژی در بخشهای مختلف ازجمله صنعت، تولید و ساختمانها اهمیت ویژهای پیداکرده است. یکی از بخشهای پرمصرف انرژی سیستمهای سرمایش و گرمایش در ساختمانهای مختلف اعم از مسکونی، تجاری و اداری است. از طرفی تمایل برای افزایش سطح آسایش زندگی و تأمین ایمنی افراد با مصرف انرژی همراه است که هزینههای گزاف مصارف انرژی را در پی دارد.
بهاینترتیب از گذشته تا به امروز پژوهشهای زیادی درزمینه مدیریت انرژی صورت گرفته که شاخص اصلی بیشتر این پژوهشها اعمال مدیریت انرژی بدون داشتن چشم اندازه واقعی از میزان محدودیت ها در مدیریت و مصرف انرژی بوده و بعد از ایجاد بستر فیزیکی ساختمان برای مدیریت انرژی راهکار طراحیشده است. در این پژوهش سعی شده با استفاده از نرمافزارهای ازجمله دیزاین بیلدر، ساختمان واقعی طراحی شده و با اتصال این نرمافزار به نرمافزار متلب کار مدلسازی و شناسایی نیز انجامشده است. بهاینترتیب محدودیتهای مدیریت انرژی قبل از ساخت ساختمان نمایش داده شده و دورنمای میزان مصرف انرژی را ارائه میدهد.
-1 مقدمه
پژوهش های اولیه درزمینه ساختمانهای هوشمند در اوایل دهه 1980 آغاز شد .[1] در این کارها از پیوند دو تکنولوژی مدیریت سنتی ساختمان و ارتباطات راه دور برای ایجاد یک اتوماسیون خانگی برای کنترل روشنایی، گرمایش و سرمایش، مسائل امنیتی، بهینهسازی مصرف انرژی و ... استفاده شده است. در همین سالها تکنولوژیهای مختلفی در حال پیشرفت بودند که یکی از آنها صنعت ارتباط از راه دور نام داشته و دومین جریان بزرگ که در آن زمان غیر مرتبط و مجزا از ساختمانهای هوشمند به نظر می رسید، تولید و پیدایش صنعت کامپیوترهای شخصی بود . در اواخر سال 2009 پروتکلهای ارتباطی سیستمهای هوشمند ساختمان طرحریزی شدند و بر روی مدیریت یکپارچه ساختمانها تمرکز شد.
در سالهای - 2010 2015 موضوعاتی نظیر کنترل از راه دور، مدیریت دادهها شبکه، سنجش هوشمند انرژی مصرفی و شبکههای بیسیم بهصورت جدی توسط محققین سراسر دنیا پیگیری شد تا اینکه در اوایل سال 2016 موضوع شبکههای هوشمند مطرح گردید که اساس ان ارتباط اجزای مختلف سیستمهای هوشمند در مقیاس بزرگتر مانند شهر، استان یا کشور است. ساختمان هوشمند شامل نصب و استفاده از سیستمهایی با تکنولوژی پیشرفته و یکپارچه است. این سیستمها با بهکارگیری آخرین تکنولوژیها درصدد آن است که شرایط ایده آل، همراه با مصرف بهینه انرژی را در ساختمانها پدید آورد. ازجمله اهداف سیستم مدیریت هوشمند ساختمان می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- 1 ایجاد محیطی مطلوب برای افراد حاضر در ساختمان
- 2 استفاده بهینه از تجهیزات و افزایش عمر مفید آنها
- 3 ارائه سیستم کنترلی باقابلیت برنامهریزی زمانی عملکرد
- 4 کاهش چشمگیر هزینههای مربوط به نگهداری، بهینهسازی و صرفهجویی در مصارف
- 5 ایجاد سناریوهای مختلف جهت کاهش مصرف انرژی و استفاده از انرژیهای طبیعی
در این پژوهش برخلاف کارهای قبلی از نرمافزار طراحی و مدلسازی ساختمان دیزاین بیلدر با ساختار انرژی پلاس، برای طراحی ساختمان با مصارف مختلف انرژی استفاده شده است. در ادامه با بهکارگیری نرم افزار متلب کار شناسایی سیستم و مدلسازی انجامشده و درنهایت خروجیهای سیستم توسط نرمافزار آزمایش کنترل مجازی ساختمان1 با ساختار محیطی نرمافزاری PtolemyII نمایش داده شده است .[2] ساختار کلی این پژوهش بهگونهای است که در بخش دوم دینامیک و نرمافزارهای مرتبط با مدلسازی ساختمان معرفی شده، بخش سوم روش شناسایی و مدلسازی ارائه شده، درنهایت بخشهای چهار و پنج، به شبیهسازی و نتیجهگیری کار میپردازد.
-2 معرفی دینامیک و نرمافزارهای مرتبط مدلسازی ساختمان
ساختمانهای هوشمند از روش متفاوتی برای طراحی سیستمها استفاده میکند. در اصل در این طراحی باید تکنولوژی سیستمهای مختلف ساختمان را با ویژگی های مربوط به ساخت آن سازگار و هماهنگ کند. در این بخش به نرمافزارهایی که گامبهگام مقدمات طراحی یک ساختمان هوشمند را فراهم میسازد پرداخته میشود. ازجمله تأثیرگذارترین عوامل در این پژوهش ورودیهای سیستم بوده که دبی ورودی هوای سیستم گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع2 میباشد. به عبارتی اگر این سیستم کنترل گردد میتوان به اهداف پژوهش که کاهش مصارف انرژی است تا حد زیادی رسید.
سیستم گرمایش، سرمایش وضعیت هوای ساختمان را کنترل میکند. به عبارتدیگر، این سیستم دما، رطوبت، جریان هوا و کیفیت کلی هوای ساختمان را مشخص و تحت کنترل قرار میدهد. این سیستمها بخشی از انرژی مصرفی و هزینههای مربوط به ساختمانها را به خود اختصاص میدهند .[3] اولین گام، طراحی توسط نرمافزار دیزاین بیلدر انجام می شود که مدلی مشابه ساخت اصلی ساختمان را ارائه می دهد.
نرمافزار دیزاین بیلدر، برای مدلسازی ساختمان از جنبههای مختلف فیزیک ساختمان، معماری ساختمان، سیستم سرمایشی و گرمایشی، سیستم روشنایی و غیره کاربرد داشته و قابلیت مدلسازی همه جنبههای ساختمان را دارد. این نرمافزار همچنین محاسبه میزان روشنایی روز و حتی مدلسازی دینامیک محاسبات پویا3 را دارد که در حال حاضر تنها روش مدلسازی حرارتی از این طریق میباشد. نقش مؤثر این نرمافزار زمانی روشنتر میگردد که در طی مراحل طراحی و مدلسازی ساختمان، با اعمال تغییرات کوچک و بزرگ در طراحی، تأثیرات در میزان مصرف و یا صرفهجویی انرژی ساختمان و با هر یک از فضاها مشخص میشود.
هسته محاسباتی این نرمافزار، انرژی پلاس است که توسط دپارتمان انرژی آمریکا ساختهشده و از دقیقترین نرمافزارهای موجود میباشد. همچنین نرمافزار متلب، برای محاسبات عددی و یک زبان برنامهنویسی میباشد. این نرمافزار میتواند به شناسایی، مدلسازی و کنترلکننده بپردازد. نرمافزار آزمایش کنترل مجازی ساختمان، یک محیط نرمافزاری برای اتصال برنامههای مختلف شبیهسازی توزیع شده است. این نرمافزار بر اساس محیط نرمافزاری PtolemyII و در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی توسط دانشگاه کالیفرنیا توسعهیافته است.
ساخت مدل دینامیکی حرارتی یک ساختمان چند منطقه به مدلسازی هدایت گرمایشی از طریق انتقال حرارتی جریان هوا در میان مناطق دارد .[4] برنامههای انرژی پلاس و متلب در نرمافزار آزمایش کنترل مجازی ساختمان به هم پیوند داده میشود. از مشخصترین عامل پیوند این دو نرمافزار برای نمایش خروجی مناسب و دقیق که میتوان به دادههای متفاوت از این دو نرمافزار اشاره نمود.
-3 شناسایی و مدلسازی سیستم ساختمان
در این مقاله فضای حالت مدل حرارتی یک ساختمان چند منطقه با استفاده از دادههای مربوط به دمای فضای اندازهگیری شناسایی شده است .[5] همان طور که در بخش قبل گفته شد نرمافزار دیزاین بیلدر به طراحی یک واحد از ساختمان میپردازد که دارای چهار منطقه میباشد. این واحد به چهار منطقه حرارتی تقسیم میشود. مدلسازی ساختمان و سیستم گرمایش، سرمایش آن با استفاده از هسته محاسباتی انرژی پلاس یک نرمافزار شبیهسازی انرژی ساختمان ساخته شده توسط وزارت ایالات متحده شده است.
این واحد ساختمان توسط ورودیهایی از قبیل نور خورشید، دمای بیرونی محیط موردنظر وتوان سیستم گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع کنترل دمایی را بر عهده دارد و اثرات مختلفی را به هر منطقه وارد میکند .[6] دادههای ورودی که گفته شد برای شناسایی سیستم مدلسازی موردنیاز می باشد. البته پارامترهای مهمی برای نرمافزار دیزاین بیلدر باید معرفی شود که ازجمله پارامترهای مهم به دادههای اقلیمی شهرهای مختلف ایران و حتی کشورهای دیگر نیازمند می باشد .[7]
در دیزاین بیلدر مهمترین قسمتی که بحث شناسایی و کنترل انجام میگیرد سیستم گرمایش، سرمایش میباشد. در این صورت میتوان مکانیزم بهدستآمده برای طراحی ساختمان نقش مؤثری برای دادههای واقعی طرح داشته باشد. روش مدلسازی با استفاده از شناسایی سیستم و به شرح زیر میباشد 8]،[9
- 1 جمعآوری اطلاعات ورودی/ خروجی
- 2 تخمین پارامترهای مدل فضای حالت
- 3 ارزیابی مدل بهدستآمده
ایده این است که از انرژی پلاس برای تولید دادههای غنی استفاده شود و این دادهها برای شناسایی سیستم موردنظر استفاده میشود. این امر همچنین اجازه میدهد تا اطلاعاتی از عملکرد واقعی یک ساختمان تولید شود که در عمل سخت یا غیرممکن است. طراحی سیگنالهای ورودی در انرژی پلاس انجام میشود که خود یک شبیهسازی یکپارچه با ادغام نرمافزارهای مختلف است.
منظور از مدل فضای حالت و ضرایب ماتریس A,B,C,D و با استفاده از دادههای ورودی، خروجی و تکنیکهای شناسایی برآورد میشود. بردار ورودی u - t - دارای سه سیگنال، درجه حرارت در فضای باز، تابش خورشید مستقیم و قدرت سیستم گرمایش، سرمایش در منطقه حرارتی، در نظر گرفتهشده است. اینها سیگنال های اصلی تأثیرگذار به دمای داخلی هستند. خروجی Y - t - دمای داخلی در منطقه حرارتی در نظر گرفته شده است.
در ورودی u - t - ، تنها سیستم سرمایش، گرمایش و سیستم مطبوع قابل کنترل است. راهحل این است که کنترل دمای گرمای داخلی و تنظیمات خنککننده را کنترل کرد که مستقماًی بر روی توان سیستم گرمایش، سرمایش عمل میکند. طراحی مدل را میتوان از داده های ورودی/ خروجی برآورده کرد. تستها بهطور مداوم نشان می دهد که یک مدل مرتبه ششم - به دلیل دارا بودن از شش ورودی به سیستم - برای مدلسازی دمای محیط کافی است. بهمنظور ارزیابی مقیاسپذیری ساختار مدل - یک مدل فضای حالت مرتبه شش - چندین مدل شناسایی شدهاند.
ماتریس های بهدستآمده سیستم A,B,C,D با استفاده از روش فضای حالت شناسایی سیستم متلب تعیین می شود. در پایان، یک مدل برای هر منطقه حرارتی به دست میآید و مدلها دارای ساختار مشابه هستند، اما ارزش بردار پارامتر آنها متفاوت میباشد - به دلیل ویژگی های مختلف حرارتی آنها - . نهایتاً این مدل بهصورت یک مدل منطقه حرارتی کامل به دست میآید.
