صرفه جویی انرژی در ساختمان

صرفه جویی در مصرف انرژی به معنای کاهش مصرف انرژی و هزینه های مرتبط با آن است. دست یابی به این هدف با روش هایی مختلفی مانند بازیابی انرژی امکان پذیر است. در مباحث صرفه جویی و بهینه سازی مصرف انرژی، صرفه جویی در تمام عمر ساختمان مد نظر است که مواردی مانند هزینه ساخت، هزینه عملکرد، هزینه نگه داری و حتی محاسبه بودجه بندی های مرتبط با تخریب ساختمان پس از پایان عمر مفید آن را شامل می شود. برای طراح و تیم نگه داری، عملکرد مطلوب سیستم درست همانند ملاحظات ساخت و نصب آن بسیار مهم است چرا که صرفه جویی در مصرف انرژی تنها در صورتی امکان پذیر است که سیستم در شرایط کارکرد مطلوب قرار داشته باشد. از این رو انجمن ASHRAE به منظور بهبود عملکرد انرژی در ساختمان ها و در اختیار قرار دادن معیاری مناسب برای مقایسه استاندارد 1/90ASHRAE/IESNA با عنوان «استاندارد انرژی برای ساختمان ها به غیر از ساختمان های کوتاه مرتبه» را منتشر نمود. این استاندارد حداقل شرایطی که برای طراحی ساختمان ها و تاسیسات مکانیکی و الکتریکی باید رعایت شود را مشخص نموده است.

ملاحظات انرژی در ساختمان ها

منظور از مصرف انرژی در یک ساختمان، مصرف از زمان ساخت تا هنگام تخریب ساختمان است.

ملاحظات طراحی

در فرایند طراحی عوامل زیادی وجود دارد که بر بار طراحی سیستم تاثیرگذار است. مثلا پنجره هایی با سطوح بزرگ در هنگام ظهر می توانند ظرفیت سرمایشی سیستم را زیاد کنند. اما اگر این پنجره ها در سمت شمالی ساختمان قرار داشته باشد، بار کمتری به سیستم تحمیل می شود و ظرفیت سرمایشی سیستم چندان زیاد نمی شود. برای در نظر گرفتن چنین ملاحظاتی در هنگام طراحی تاسیسات ساختمان به یک مهندس مکانیک نیاز داریم. روند متداول پروژه به این صورت است که ابتدا معمار، ساختمان را طراحی می کند و سپس نقشه های معماری برای طراحی تاسیسات مکانیکی و سیستم های تهویه مطبوع به یک مهندس مکانیک ارجاع داده می شود. اما این روش ممکن است در تمامی موارد پاسخگوی نیاز پروژه نباشد. به مثال زیر توجه کنید:

فرض کنید در یک ساختمان که در اقلیمی سردسیر واقع شده است، در فضای پیرامون ساختمان از سیستم های آب گرم محیطی استفاده شده است تا از تلفات گرمایی در پوسته خارجی ساختمان کاسته شود. در این حالت اگر با تغییر برخی از ملاحظات معماری تصمیم به استفاده از انواع عایق حرارتی و نصب پنجره های دو جداره و غیره گرفته شود، انتخاب نوع سیستم نیز ممکن است تحت تاثیر قرار گیرد که این مسئله باید در مراحل آغازین پروژه توسط طراح سیستم تهویه مطبوع گرفته شود و به تایید معماری برسد. ضمن آن که در مواردی که تغییر طرح تاسیسات مکانیکی ممکن است منجر به تغییر درآمدهای طراح تاسیسات شود نیز انگیزه وی برای کاهش هزینه ساختمان و توجه به مسائلی مانند بهینه سازی مصرف انرژی از میان می برد. بنابراین برای رفع چنین مشکلاتی اگر درآمد طراح تاسیسات متناسب با کاهش هزینه های مرتبط با ساختمان در قسمت انرژِی باشد انگیزه خوبی برای کاهش هزینه مصرف انرژی و در پیش گرفتن راهکارهای صرفه جویی انرژی در فرد ایجاد خواهد شد.

به عنوان مشوق هایی دیگر اگر کارفرما علاوه بر ترغیب طراح برای کاهش هزینه های اولیه و هزینه های جاری سیستم تهویه مطبوع، بخشی از درآمد حاصل از کاهش هزینه های مربوط به مصرف انرژی در پنج سال اول که حاصل استفاده از سیستم جدید در مقایسه با هزینه های مصرفی سیستم های قدیمی است به عنوان کارمزد در قرارداد تیم تاسیسات تعیین کند، بخش بیشتری از توان و تخصص تیم تاسیسات به راهکارهای کاهش هزینه انرژی معطوف می شود. به این ترتیب با وجود پرداخت هزینه ای به عنوان مشوق تیم تاسیسات از جانب کارفرما، حداقل نیمی از هزینه های مربوط به مصرف انرژی در پنج سال اول و کل بازگشت سرمایه ناشی از کاهش مصرف در باقی عمر ساختمان برای کارفرما ذخیره می شود که صرفه جویی قابل توجهی به شمار می رود.

هرچند که ممکن است این گونه به نظر آید که چنین ایده هایی برای کارفرما جذابیتی ندارد، اما نکته جالب توجه آن است که در حال حاضر تعداد زیادی از کارفرمایان پس از اتمام مراحل ساخت پروژه و اجرای تمامی قسمت های آن تصمیم به بهینه سازی مصرف انرژی می گیرند و تمامی هزینه های مرتبط با دستمزد طراحی، اجرا، تخریب و بازسازی مجدد قسمت های تخریب شده را نیز با کمال میل پرداخت می کنند. بنابراین اگر چنین ایده های در همان روند ابتدایی طراحی و اجرای پروژه به کار گرفته شود قطعا مورد استقبال قرار خواهد گرفت.

ملاحظات اجرایی

ارائه یک طرح خوب اما اجرایی ضعیف و بی کیفیت، پروژه را به یک زحمت بیهوده تبدیل می کند. به عنوان مثال در ساختمانی که سیستم های تهویه مطبوع با کیفیتی در آن تعبیه شده است، اگر اجرای سازه و ملاحظات معماری به درستی در آن رعایت نشده باشد، بخش عمده ای از تلاش های تیم تاسیسات در راستای بهینه سازی مصرف انرژی از طریق درز ها، تلفات حرارتی پوسته ساختمان و غیره از بین می رود که این مسئله علاوه بر افزایش هزینه های جاری پروژه، کارایی سیستم تهویه مطبوع را نیز کاهش می دهد. ضمن آن که برای کارکرد صحیح تاسیسات مکانیکی، علاوه بر استاندارد بودن تجهیزات و ساخت دستگاه، ملاحظات دیگری مانند نصب و راه اندازی صحیح سیستم نیز باید مورد توجه قرار گیرد چرا که عدم رعایت ملاحظات یاد شده می تواند به شدت راندمان دستگاه را کاهش دهد.

ملاحظات راهبری

اگر تیم تاسیسات از نحوه کارکرد و چگونگی راهبری سیستم آگاهی نداشته باشد احتمال بالایی وجود دارد که رعایت نکردن الزامات مربوطه منجر به کاهش کارایی سیستم شود. بنابراین آگاهی از نحوه طراحی سیستم کمک شایانی به درک صحیح از سیستم، راهبری اصولی و بهبود وضعیت نگه داری سیستم می کند. کاتالوگ های فنی و دستورالعمل های نصب و راه اندازی مربوط به تجهیزات اطلاعات مفیدی را در این زمینه در اختیار تیم تاسیسات قرار می دهد. البته معمولا در چنین منابعی اطلاعات چندانی در خصوص نحوه کارکرد اجزای مختلف سیستم وجود ندارد.

ملاحظات نگه داری

عدم نگه داری مناسب تاسیسات موجب می شود تا کارایی سیستم به شدت کاهش یابد و حتی می تواند منجر به خرابی بهترین و با کیفیت ترین سیستم ها نیز بشود. لقی پرده های دمپرها، پر شدن برج های خنک کننده از رسوب و بسیاری از موارد مشابه می تواند باعث گسترده شدن مشکلات سیستم و افزایش ضرورت نگه داری سیستم شود.

سه راهکار برای صرفه جویی در مصرف انرژی

سه راهکار اصلی برای کاهش مصرف انرژی مربوط به تاسیسات عبارتند از: خاموش کردن دستگاه، کم کردن ظرفیت خروجی سیستم و تعویض سیستم های قدیمی

خاموش کردن دستگاه

خاموش کردن دستگاه همواره ساده ترین و کم هزینه ترین راه برای کاهش مصرف انرژی به شمار می رود و کارایی بالایی نیز دارد. بنابراین در زمان هایی که نیازی به کارکرد دستگاه نیست می توان برای کاهش مصرف انرژی سیستم، آن را خاموش کرد. به طور کلی راهکار های مختلفی برای کاهش زمان کارکرد دستگاه به حداقل و ایجاد شرایط برای خاموش کردن دستگاه وجود دارد.

بهترین زمان برای فراهم آوردن امکان استفاده از این قابلیت، یکی در هنگام طراحی اولیه سیستم و دیگری در هنگام اجرای آن است. برای مثال یک ساختمان چهار طبقه را در نظر بگیرید. اگر این ساختمان کاملا محصور باشد، تاسیسات روشنایی آن در تمام طول روز باید روشن باشند، از این رو، اولین راهکاری که می توان برای روشن نگه داشتن مسیر پلکان ساختمان در طول روز در چنین ساختمانی در پیش گرفت، ایجاد نورگیرهای بزرگ در هنگام اجرای سازه است. ضمن آن که تنظیم روشنایی سیستم به کمک زمان بندی ساعتی نیز امکان پذیر است. گزینه بهتر برای کنترل روشنایی، استفاده از انواع حسگرهایی مانند فتوسل است. همچنین می توانیم سیستم را طوری طراحی کنیم که فقط در هنگام نیاز از تاسیسات روشنایی استفاده شود. به این منظور می توان از کلیدهای تایمر دار استفاده کرد. به این ترتیب، شخص هنگام ورود به ساختمان می تواند با فشردن کلید مربوط به تاسیسات روشنایی مسیر پله ها را برای مدت مشخصی مثلا ده دقیقه روشن نگاه دارد. البته در چنین حالتی دو مورد باید مد نظر قرار گیرد. اول این که شخصی که وارد راه پله می شود باید به راحتی بتواند در هنگام تاریکی کلید را پیدا کند و اگر هم کسی در حالی که لامپ روشن است وارد شود با فشار دادن کلید، باید بتواند سیستم را دوباره فعال کند تا مدت زمان کافی برای پیمودن مسیرش را داشته باشد. برای جلوگیری از خاموش شدن سیستم در مسیر راه پله می توان از حسگر های حساس به حرکت برای روشن نگه داشتن یا روشن کردن مجدد سیستم استفاده کرد.

در این مثال دیدیم که انتخاب یک ایده مناسب در هنگام طراحی ساختمان، مانند ایجاد پنجره های بزرگ در مسیر راهرو در مثال بالا، می توان شرایطی برای خاموش کردن سیستم در برخی از زمان های شبانه روز را فراهم آورد. با در نظر گرفتن مواردی مانند این مثال می توان به کمک خاموش کردن سیستم در مواقعی که به آن نیاز نداریم در مصرف انرژی صرفه جویی کرد.

کم کردن ظرفیت خروجی سیستم

کم کردن ظرفیت خروجی سیستم به منزله کاهش ظرفیت خروجی با وجود تامین نیاز های کاربری است. در گذشته که با آگاهی از میزان دی اکسیدکربن موجود در هوا می توان مقدار هوای تازه ارسالی به داخل ساختمان را به حداقل میزان مورد نیاز کاهش داد. به عبارت دیگر اگر مقدار دی اکسید کربن موجود در هوا نمایانگر تعداد افراد حاضر در اتاق باشد می توان میزان هوای تازه (تهویه) در سیستم را تابعی از میزان دی اکسید کربن موجود در سیستم دانست.

می توان مثال های زیادی در زمینه کاهش مصرف انرژی با کاهش ظرفیت خروجی سیستم ارائه کرد که در ادامه این بخش به ذکر دو نمونه اکتفا می کنیم.

تنظیم مجدد دما در وضعیت گرمایشی

در گذشته دیدیم که در هنگام کاهش نیاز گرمایی ساختمان می توان با تنظیم مجدد دما، دمای آب گرم ارسالی به سیستم لوله کشی را کاهش داد. البته این کاهش دما می تواند منجر به افزایش زمان کارکرد پمپ نیز بشود. بنابراین انتخاب صحیح در واقع ایجاد تعادلی منطقی میان زمان کارکرد پمپ و دمای آب گرم ارسالی به سیستم است.

تنظیم مجدد دمای آب سرد

در بسیاری از مواقع، نیاز سرمایی ساختمان با حداکثر ظرفیت سرمایشی سیستم تطابق ندارد. بنابراین به استثنای اقلیم های گرم و مرطوب که رطوبت بسیار بالایی دارند و بخش عمده ای از کارکرد سیستم به منظور رطوبت گیری از هواست، می توان با تنظیم عملکرد سیستم سرمایشی و کاهش دمای آب سرد متناسب با نیاز ساختمان، مصرف انرژی را کاهش داد.

تعویض سیستم های قدیمی

تعویض سیستم های قدیمی با سیستم های جدید و راندمان بالا یکی دیگر از روش های کاهش هزینه انرژی به شمار می رود. البته توجیه کردن این روش در عمل به دلیل هزینه های بالای آن بسیار دشوار است. مثلا تصمیم گیری در خصوص تعویض یک دیگ در ساختمان با عمر چهل سال با بازده تقریبی پنجاه درصد با یک دیگ جدید با بازده تقریبی هفتاد درصد که در نهایت منجر به صرفه جویی بیست و هشت درصدی در مصرف سوخت و بازگشت سرمایه دوازده ساله می شود، بسیار کار سختی به نظر می رسد.

بنابراین به طور معمول زمانی از این روش استفاده می شود که یکی از اجزای مرتبط دچار مشکل شده باشد. برای مثال تعویض یک پنجره تک جداره نو با یک پنجره دو جداره که بازگشت سرمایه آن در مدت حدودا سی سال صورت می گیرد رویکرد منطقی و عقلانی به نظر نمی رسد ولی در صورتی که به دلیل خرابی همین پنجره تک جداره، تعویض آن ضرورت داشته باشد، خرید یک پنجره دو جداره معقول خواهد بود. در بسیاری از موارد نیز تعمیر سیستم موجود می تواند موجب افزایش کارایی سیستم و بازگشت سرمایه مناسبی شود. مثلا تعمیر مشعل یک دیگ چهل ساله می تواند کارکرد آن را تا حد مطلوبی بهبود بخشد.

بعد از آشنایی با راهکارهای کلی صرفه جویی در مصرف انرژی با استانداردی که حداقل الزامات را برای صرفه جویی در مصرف انرژی برای ساختمان های نو ساز و ساختمان های قدیمی بازسازی شده تعیین می کند آشنا می شویم.

استاندارد 2004-1، 90ASHRAE/IESNA

انجمن ASHRAE و انجمن IESNA با همکاری  یکدیگر استاندارد 2004-1، 90ASHRAE/IESNS با عنوان «استاندارد برای ساختمان ها به غیر از ساختمان کوتاه مرتبه» را تدوین و منتشر کرده اند. این استاندارد هر سه سال یک بار به صورت پیوسته مورد بازنگری مجدد قرار می گیرد. در این کتاب از معیار های نسخه 2004 این استاندارد استفاده شده است. این استاندارد به همراه یک کتاب راهنما ارائه شده است که مکمل استاندارد اصلی به شمار می رود.

این استاندارد، هدف خود را این گونه بیان می کند: «به حداقل رساندن نیاز انرژی برای همه ساختمان ها غیر از ساختمان های مسکونی کوتاه مرتبه».

در این استاندارد حداقل ها بیان شده است و دو روش برای رسیدن به هدف را این چنین توصیف می کند:

1. دست یابی به چشم انداز های طرح و الزامات عملکردی آن
2. به کارگیری روش بودجه بندی هزینه انرژی

بنابراین استاندارد با ملزم کردن ساختمان های اداری به رعایت قوانین و معیار های مربوطه، بازده انرژی را در آن ها از یک مقدار حداقل بالاتر می برد.

دست یابی به چشم انداز های طرح و الزامات عملکردی آن

این استاندارد در هر بخش، گستره خاصی را هدف می گیرد. بخش اول استاندارد به قوانین و مقررات اجرایی مربوطه می پردازد و نکات قانونی مربوط را در قالب آیین نامه های اداری تشریح می کند.

بخش پنجم از استاندارد 90،1: پوسته خارجی ساختمان

مخاطب اصلی این بخش از استاندارد معماران هستند تا در انتخاب اجزای مختلف ساختمان از قبیل سقف ها، دیوار ها، کف ها و بازشوهای ساختمان معیارهای مرتبط با بهینه سازی انرژی را در اختیار قرار دهد. هدف این بخش از استاندارد، ارائه راهنمایی های لازم برای دست یابی به طرحی است که در تمامی اقلیم ها با شرایط آب و هوایی مختلف، راهکاری مطمئن و قابل دست یابی برای بهینه سازی و صرفه جویی در مصرف انرژی ساختمان پاسخ گوی نیاز پروژه باشد. این استاندارد مناطق آب و هوایی را به هشت گروه تقسیم بندی می کند. این هشت گروه با توجه به شاخص هایی مانند رطوبت، خشکی یا ساحلی بودن به بخش های ریز تری تقسیم می شوند. در میان هشت گروه از اقلیم های معرفی شده در این استاندارد، منطقه ای همیشه گرم بدون نیاز به گرمایش تا منطقه ای همیشه سرد بدون نیاز به سرمایش وجود دارد. به این ترتیب طراح پس از تشخیص آب و هوای مربوط به منطقه طراحی، ملاحظات طراحی، نیاز های ساختمان و مصالح مورد نیاز را با توجه به الزامات انتقال حرارت از جدولی که در این استاندارد قرار داده شده استخراج می کنند. لازم به ذکر است که این استاندارد برای ساختمان های مسکونی به دلیل کارکرد و گستره وسیع تر آن ها، قوانین سخت گیرانه تری را تعیین نموده است.

مشکل اساسی در بسیاری از ساختمان های نوساز عدم اطلاع طراح و تیم اجرایی از معیار های استاندارد مرتبط با آب بندی پوسته خارجی ساختمان است که در استاندارد 1/90ASHRAE/IESNA بر اساس آزمایش های انجام شده اطلاعاتی کاربردی و مفید را در اختیار قرار می دهد. البته باید به این نکته نیز اشاره شود که در این استاندارد شاخصی برای تعیین مقدار اتلاف انرژی در ساختمان ارائه نشده است.

بخش ششم از استاندارد1 ،90- : تهویه مطبوع

این بخش از استاندارد برای انتخاب سیستم های تهویه مطبوع و مشخصات عملکردی آن ها تدوین و منتشر شده است. طبق معیار های این استاندارد، برای ساختمان های یک یا دو طبقه یا ساختمان هایی که مساحت کل آن ها کمتر از m²2300 است می توان طراحی سیستم تهویه مطبوع را بر مبنای یک سیستم تک منطقه ای برای کل ساختمان پیش برد. این بخش از استاندارد الزامات ساده ای را مطرح می کند که منجر به انتخاب صحیح و ساده تجهیزات و سیستم های تهویه مطبوع می شود. در این بخش همچنین جداولی برای تعیین نیاز های ساختمان ارائه شده است که به طراح کمک می کند در بسیاری از موارد به سادگی به معیار های طراحی مناسب برای تامین نیاز های ساختمان دست پیدا کند.

معیار ها و الزاماتی که برای ساختمان های بزرگ در این استاندارد مطرح شده کمی بیشتر است. کارایی تجهیزات سرمایشی را بر مبنای دو شاخص می توان تعیین نمود:

1. ضریب عملکرد، ضریب کارایی یا COP
2. مقدار بار جزئی یکپارچه یا IPLV

ضریب عملکرد یا COP نسبت گرمای دریافت شده توسط سیستم سرمایشی به کل انرژی داده شده به آن است. به عنوان مثال برای چیلرهای هوایی حداقل ضریب عملکرد در حدود 2.8 است. یعنی در این چیلرها به ازای هر kW1 توان ورودی چیلر باید kW2.8 ظرفیت سرمایشی ایجاد شود. در مقابل برای انواع چیلرهای آبی ضرایب عملکرد تا محدوده 6.1 نیز وجود دارد. برای مثال ضریب عملکرد چیلرهای سانتریفیوژ با ظرفیت بالا تقریبا دو برابر ضریب عملکرد چیلرها متداول با ظرفیت های متداول است.

در گذشته گفتیم که به طور کلی، سیستم های بزرگ تر در مقایسه با سیستم های با ظرفیت کم کارآمد تر هستند. این موضوع درباره چیلرها نیز صدق می کند. البته باید به این نکته نیز اشاره کرد که ضریب عملکرد تنها معیاری برای سنجش میزان کارایی سیستم سرمایشی نیست، بلکه مصارف دیگری مانند هزینه پمپ گردش آب کندانسور و برج خنک کننده و تجهیزاتی مانند آن نیز در ارزیابی کلی موثر است. ملاحظات دیگری مانند تلفات گرمایی از سیستم لوله کشی نیز از دیگر مسائلی است که باید در نظر گرفته شود.

نکته دیگر آن که علاوه بر انرژی ورودی به یک سیستم، بسیاری از سیستم های بزرگ در اغلب اوقات کارکرد خود با تمام ظرفیت کار نمی کنند. از این رو برای کسب اطمینان از این که کارایی پایین سیستم در بار جزئی تاثیر قابل توجهی بر کاهش کلی کارایی سیستم بر جای نگذارد، شاخصی به عنوان «مقدار بار جزئی یکپارچه» که به اختصار به آن IPLV می گویند تعریف می شود. IPLV میانگین وزنی مقدار COP سیستم تحت بار کامل و بار جزئی است و در سیستم های سرمایشی بزرگ که منبع انرژی ورودی آن ها برق است به جای COP از IPLV برای سنجش میزان کارایی سیستم استفاده می شود.

استاندارد 90.1 بعد از معرفی نحوه سنجش میزان کارایی یک سیستم سرمایشی، استاندارد ها و ملاحظات مرتبط با بازرسی و نصب سیستم را هدف قرار می دهد که شامل مواردی از قبیل عایق کاری، بالانس سیستم و کنترل دستی آن است.

بخش هفتم از استاندارد 90،1: تامین آب گرم مصرفی

این بخش از استاندارد 90.1 در رابطه با تامین آب گرم مصرفی برای کاربری های مختلفی از جمله مصارف خانگی، تجاری، استخرهای شنا و غیره می باشد. این الزامات مواردی مانند کارایی سیستم، سیستم توزیع آب گرم، ملاحظات مربوط به عایق کاری، کنترل دما و مواردی از این قبلی را شامل می شود.

بخش نهم از استاندارد 90،1: تاسیسات روشنایی

طبق آمار موجود به طور متوسط سی و پنج درصد از انرژی مصرفی در ساختمان های ایالات متحده صرف روشن نگه داشتن تاسیسات روشنایی می شود. در استاندارد 90.1 مقدار مشخصی به عنوان نیاز روشنایی ساختمان برحسب وات بر متر مربع (W/m²) بیان شده است که طراح بر مبنای آن می توان طراحی کل ساختمان یا طراحی هر یک از فضا های داخلی ساختمان را انجام دهد. این استاندارد محدوده روشنایی هر کاربری خاص را با توجه به نیاز و اهمیتی که هر کاربری دارد مشخص می کند. برای مثال راهرو ها در یک ساختمان مسکونی یا اداری می توانند تا 5 روشنایی داشته باشند که این مقدار برای راهروی بیمارستان ها به 11 افزایش پیدا می کند.

بخش یازدهم از استاندارد 90،1: روش بودجه بندی هزینه انرژی

روش بودجه بندی هزینه انرژی رویکردی است که دست طراح را برای تامین نیاز های ساختمان به شرط آن که از محدودیت های آیین نامه زیر پا گذاشته نشود باز می گذارد.

برای استفاده از روش بودجه بندی هزینه انرژی، تیم طراحی باید هزینه انرژی مصرفی یک ساختمان و تجهیزات تعبیه شده در آن را محاسبه کرده و این هزینه را با هزینه انرژی مورد نیاز برای تجهیزات اصلی ساختمانی که توسط تیم طراحی انتخاب شده است مقایسه کند.

بودجه بندی هزینه انرژی (ECB) به نرم افزار ارزیابی انرژی ساعت به ساعت ساختمان نیاز دارد. البته در این استاندارد نرم افزار خاصی برای استفاده مشخص نشده است، اما صحت عملکرد نرم افزار و خروجی آن مورد تاکید قرار گرفته است. در شبیه سازی انرژی هر ساختمان باید انرژی مصرفی تمامی تاسیسات محلی در نظر گرفته شود. در این روش، ابتدا پوسته خارجی ساختمان و عملکرد تجهیزات بر مبنای تخمین های اولیه ارزیابی می شود تا بودجه بندی کلی هزینه انرژی به دست بیاید و سپس با استفاده از سطوح خارجی و تجهیزات حقیقی این ارزیابی دوباره تکرار می شود. نتیجه مطلوب زمانی حاصل می شود که هزینه انرژی که طراحی بر مبنای آن صورت گرفته است از بودجه بندی هزینه انرژی فراتر نرود. البته باید به این نکته نیز اشاره کرد که بسیاری از سازمان ها و برنامه های کاهش مصرف انرژی مانند برنامه «مدیریت طراحی محیطی و انرژی» که به اختصار به آن LEED می گویند، جهت گیری اصلی در راستای دست یابی به استاندارد های انرژی بالاتری نسبت به حداقل ها می باشد. برای مثال در برنامه LEED طراحی ساختمان هایی توصیه شده است که در مقایسه با ساختمان های متداول مصرف انرژی کمتری دارند. به این ترتیب طراحان می توانند ساختمانی با رعایت معیار ها مطرح شده در چنین برنامه هایی، ساختمان هایی را طراحی کنند که هزینه انرژی آن ها چند درصد کمتر از هزینه انرژی مصرفی در یک طراحی استاندارد با رعایت حداقل ها باشد. به عنوان مثال در برنامه LEED کاهش پانزده الی شصت درصدی هزینه های انرژی مصرفی نسبت به حداقل معیار های مشخص شده در استاندارد 90.1 باشند، مورد استقبال قرار گرفته شده است.

در پایان باید به این نکته اشاره کرد که مصرف نسبی انرژی نیز باید در مقابل هزینه انرژی مصرفی مورد ارزیابی قرار گیرد. در همین راستا و به منظور ارائه روشی کاربردی برای ارزیابی و کنترل مصرف انرژی در ساختمان، یک بخش مفید و غیر الزامی از استاندارد در پیوست G گنجانده شده است که در آن معیار های مربوطه مطرح شده است. این پیوست به این منظور تدوین و منتشر شده است که مقایسه طراحی های ساختمان ها با بهره وری انرژی بالا را بر مبنای بازدهی انرژی و نه هزینه انرژی تسهیل کند.

اگر از استاندارد 90.1 در طراحی های خود استفاده می کنید، به یاد داشته باشید که کتاب راهنمای این استاندارد توضیحات ساده و مفیدی درباره نحوه استفاده از آن، توضیح معیار ها و شیوه اجرای استاندارد را ارائه می کند.

بازیابی گرما

با رعایت نکات گفته شده در استاندارد 90.1 طراحان با کاهش نیاز انرژی سیستم یا بازیابی آن می توانند انرژی استفاده شده در سیستم را به حداقل میزان خود برسانند. به طور کلی در روند طراحی، کاهش مصرف انرژی به بازیابی آن تقدم دارد. زیرا بازیابی انرژی معمولا انرژی با ارزش کمتری را تولید می کند. مثلا آب کندانسور از یک چیلر با دمای35 درجه سانتی گراد حداکثر می تواند آبی با دمای 32 درجه سانتی گراد را تولید کند. هرچند که این دما نیز به نوبه خود با ارزش است اما کافی نیست زیرا ما به دمای 60 درجه سانتی گراد نیاز داریم. بنابراین در چنین مواردی بهترین انتخاب، استفاده از دستگاه هایی است که با دمای کمتری کار می کنند. کاهش دمای آب گرم در یک سیستم نیازمند افزایش سطح تبادل حرارت است و البته گاهی با وجود افزایش سطح تبادل هم امکان تامین بخشی از نیاز با استفاده از این سیستم ها وجود دارد.  یک مثال کاربردی از چنین سیستمی، استفاده از دیگ تقطیری در سیستم گرمایش از کف است. دیگ های تقطیری نوعی از دیگ ها هستند که در آن ها یک دودکش اضافی برای بازیابی گرمای دود و محصولات احتراق تعبیه شده است. در این دودکش بخار تقطیر شده و گرمای خود را از دست می دهد و به این ترتیب بازده سیستم از هشتاد و دو درصد به نود و پنج درصد افزایش می یابد. از سوی دیگر به دلیل آن که سیستم گرمایش از کف با دمای پایین تری کار می کند استفاده از منابع دیگری مانند آب کندانسور نیز برای آن مناسب است. نکته دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد آن است که در دیگ های تقطیری، تقطیر در دمایی کمتر از 57 درجه سانتی گراد صورت می گیرد و نگه داری دمای دیگ های معمولی در دمایی نزدیک به دیگ های تقطیری 57 بازده آن ها را کاهش می دهد.

کویل های بازیابی انرژی

یکی از روش های بازیابی انرژی، استفاده از کویل های بازیابی انرژی است که در شکل 1 ساختار کلی آن نشان داده شده است. برای مثال در فصل تابستان هوای تخلیه شده از داخل ساختمان سرمای خود را به هوای تازه ورودی به ساختمان می دهد و در فصل زمستان هم هوای گرم داخل در هنگام خروج، هوای ورودی را گرم می کند.

در دماهای میانی این سیستم از مدار خارج می شود چرا که در این وضعیت سیستم کارایی بسیار کمی دارد. همچنین هنگامی که دما کمتر از دمای انجماد باشد از یک شیر سه راهه برای اختلاط محلول ضدیخ یا اتیلن گلیکول در کویل استفاده می شود. در هوای سرد مقداری از هوای سرد برای جلوگیری از سرمایش اضافی از مسیر کنارگذر عبور داده می شود. به این ترتیب مخلوط سیال سردی که از روی کویل هوای رفت و سیالی که از مسیر کنار گذر عبور می کند، به دمایی می رسد که به اندازه کافی بالاست تا از ایجاد برفک روی کویل هوای تخلیه جلوگیری نماید. حداکثر مقدار سرمایشی که می توان با استفاده از کویل هوای تخلیه به دست آورد محدود به دمایی است که ایجاد برفک روی کویل آغاز می شود. در دما های پایین، برفک ایجاد شده روی کویل تخلیه انتقال حرارت را به میزان زیادی محدود می کند.

در شکل 1 در جلوی کویل هوای خروجی یک فیلتر وجود دارد که برای جلوگیری از تجمع گرد و خاک روی کویل به خصوص در هوای مرطوب الزامی است. کویل بازیابی گرما سه ویژگی اصلی دارد:

1. جریان هوای خروجی با جریان هوای ورودی مخلوط نمی شود و این موضوع در مکان هایی مانند بیمارستان ها دارای اهمیت بالایی است.
2. نیازی به نزدیک بودن دو کویل در سیستم نیست. مثلا در کتابخانه هوای ورودی از قسمت پایین وارد شده و هوای خروجی از سقف خارج می شود. در این حالت دو کویل با لوله کشی به هم متصل می شوند.
3. این کویل ها فقط گرمای محسوس را انتقال می دهند و بخار را در هوای خروجی تقطیر نمی کنند.

لوله های گرمایی

لوله های گرمایی، لوله های بلندی هستند که دارای برآمدگی هایی برای تزریق مبرد می باشند (شکل 2). میزان و نوع ماده مبرد به میزان دمای مورد نیاز بستگی دارد. در عمل این لوله ها تقریبا افقی بوده و یک طرف آن ها برای تبخیر ماده مبرد حرارت داده می شود. به این ترتیب، بخار مبرد لوله را پر می کند و یک طرف آن ها برای تبخیر ماده مبرد حرارت داده می شود. به این ترتیب، بخار مبرد لوله را پر می کند و دوباره در قسمت سرد لوله تقطیر می شود. استفاده از این روش بسیار کارآمد است.

به طور معمول این سیستم متشکل از مجموعه ای از لوله هاست که سطح خارجی آن ها دارای پره و قسمت مرکزی آن ها مجهز به یک تیغه جداکننده است. در شکل 3 نمایی از چگونگی عملکرد یک لوله گرمایی نشان داده شده است که در آن تبادل حرارت میان هوای خروجی و هوای تازه ورودی در یک دستگاه هواساز انجام می شود. برای تنظیم مقدار انتقال حرارت انجام شده در یک طرف یا در هر دو طرف لوله ها مقداری اختلاف ارتفاع ایجاد می شود.

هوای سرد خارج در گذر از روی کویل گرم می شود. این گرما باعث تقطیر مبرد در لوله شده و موجب جاری شدن مبرد به سمت هوای خروجی می شود. مبرد به دلیل قرار گیری در مسیر هوای گرم خروجی دوباره تبخیر شده و این چرخه تکرار می شود. برای کاهش عملکرد سیستم می توان انتهای سرد آن را مقداری بالا برد. ادامه این کار باعث قطع جریان مبرد در سسیتم می شود. شکل 3 کارکرد سیستم در فصل زمستان را نشان می دهد. برای کارکرد سیستم در فصل تابستان نیز کافی است که جای ورودی و خروجی را عوض کرد.

لازم به ذکر است که این سیستم صرفا برای انتقال گرمای محسوس استفاده می شود. هرچند که می توان با اجازه تقطیر مبرد در انتهای سرد دستگاه گرمای نهان را هم در آن منتقل کرد. با چهارده ردیف لوله می توان بازده این سیستم را به هشتاد و پنج درصد رساند. با افزایش یک لوله بازده سیستم رشد کمتری دارد و انتخاب اقتصادی این سیستم تا ده ردیف لوله است. یکی از بهترین مزیت های این سیستم تداخل بسیار پایین جریان هوای ورودی و خروجی است که مانع از آلوده شدن هوای تازه ورودی به سیستم می شود.

چرخ لانه زنبوری

مواد جاذب رطوبت از جمله مواد شیمیایی هستند که توانایی جذب رطوبت و گرمای نهان را دارند و هنگامی که در معرض هوای خشک و سرد قرار داده شوند می توانند رطوبت و گرمای نهان را مجددا به هوا پس دهند. در شکل 4 سمت چپ، ساختاری لانه زنبوری دیده می شود که در آن از مواد شیمیایی خاصی که سریعا گرما و رطوبت را جذب می کنند استفاده شده است. برای درک بهتر این مسئله فرض کنید که در یک روز گرم تابستانی هستیم. هوای خروجی سرد تر و خشک تر از هوای ورودی است (شکل 4 سمت راست). به این ترتیب پس از جذب گرما و رطوبت در دهانه ورودی، هوای تازه خنک می شود. در این حالت سیستم چرخان، گرما و رطوبت را به هوای خروجی می دهد.

یکی از معایب چرخ لانه زنبوری آن است که هنگامی که شبکه لانه زنبوری در جهت جریان قرار می گیرد، مقداری از آلاینده های خروجی را هم به همراه خود به هوای ورودی اضافه می کند که البته در عمل راهکار های مختلفی برای کاهش این اثر وجود دارد ولی نمی توان آن را به طور کامل از میان برداشت.

صرفه گر های سمت آب و سمت هوا

صرفه گر سمت هوا

در قسمت های قبل ساختار و عملکرد صرفه گر سمت هوا در واحد های هوا رسان معرفی شد. صرفه گر سمت هوا امکان استفاده از صد در صد هوای خارج را فراهم می آورد و به این ترتیب می توان از هوای خارج برای تامین نیاز سرمایی ساختمان استفاده کرد. به این روش اصطلاحا سرمایش مستقل گفته می شود. البته در برخی منابع به اشتباه به آن سرمایش رایگان گفته می شود، در حالی که هیچ چیز در این سیستم رایگان نیست! بلکه هزینه اجرای صرفه گر سمت هوا و نگه داری از آن بالاتر از یک سیستم متداول است و ضمنا در شرایط آب و هوایی خاص، ساعاتی که صرفه گر قادر به صرفه جویی مصرف انرژی است محدود می باشد. در شرایط آب و هوایی گرم و مرطوب تعداد ساعات کمی است که آنتالپی هوای خارج از آنتالپی هوای برگشت کمتر است. بنابراین به عنوان مثال طبق استاندارد 1/90 ASHRAE در اکثر مکان های واقع در ایالت فلوریدای آمریکا نیازی به استفاده از صرفه گر سمت هوا نیست.

یکی از شرایط مهم در استفاده از صرفه گر ها این است که کنترل کننده های آن ها باید به صورت یکپارچه با سیستم های سرمایش مکانیکی باشند که این عمل باعث جلوگیری از افزایش ظرفیت سرمایشی سیستم مکانیک می شود. استاندارد 90.1 الزامات خاصی را در استفاده از صرفه گر ها اعلام می دارد و به طور خاص استفاده از کنترل کننده هوای مخلوط شده در صرفه گر ها را در سیستم هایی که به بیش از یک منطقه سرویس می دهند منع می کند. در عوض، این استاندارد استفاده از ترموستات هوای رفت را در کویل سرمایی و صرفه گر الزامی می داند. این کنترل کننده ها تا زمانی که شیر بسته باشد درست کار می کنند. اما اگر به دلیل فرسودگی یا نصب نادرست، این شیر ها باز بمانند، صرفه جویی در انرژی سیستم آن مقدار که انتظار می رود نخواهد بود. نکته دیگر آن که در این روش، نگه داری از سیستم اهمیت بالایی دارد در غیر این صورت باید از روشی استفاده کنیم تا باز بودن شیر ها را به ما اپراتور سیستم برساند.

مزایای صرفه گر سمت هوا

• — افت فشار کم در سمت هوا
• — کاهش مصرف انرژی ناشی از کارکرد سیستم سرمایش مکانیکی
• — کاهش مصرف آب در برج های خنک کننده

معایب سیستم صرفه گر سمت هوا

• — هزیه اولیه بالا در این سیستم برای ورودی و خروجی صد در صد هوا؛ این هزینه برای سیستم های بزرگ تر شامل فن برگشت هم می شود.
• — هزینه های جاری بالاتر در سیستم های الکتریکی
• — نیاز بیشتر برای رطوبت گیری در فصل زمستان

صرفه گر سمت آب

صرفه گر سمت آب دارای یک کویل آب سرد در مسیر جریان قبل از کویل سرمایی است. در این روش، آب سرد می تواند از یک برج خنک کننده یا مبدل حرارتی صفحه ای تامین شود. این سیستم را می توان برای دست یابی به اهداف مختلف و در اندازه های متفاوت اجرا کرد. یک مثال از آن در شکل 5 ارائه شده است. در این مثال، شیر سه راهه مقدار آب ورودی به کویل صرفه گر را تنظیم می کند و شیر دو راهه آب اضافی را برای جلوگیری از سرمایش بیش از حد در کندانسور به مدار بر می گرداند. به یاد داشته باشید که در چنین کاربردی، شیر سه راهه را می توان با دو شیر دو راهه نیز جایگزین نمود.

هد کندانسور مقدار افت فشاری است که ماده مبرد در داخل کندانسور خواهد داشت. اگر این هد تامین نشود، شیر باز می شود تا جریان آب را در کندانسور کاهش دهد. در روزهای سرد هنگامی که دمای آب سرد خروجی از برج کمتر از حد معمول کاهش می یابد، مسیر کنارگذر باز می شود تا از سرد شدن بیش از حد آب کندانسور جلوگیری شود.

مزایای صرفه گر سمت آب

• — صرفه گر سمت آب با پیش سرمایش هوا مصرف انرژی ناشی از کارکرد کمپرسور را کاهش می دهد.
• — بر خلاف صرفه گر سمت هوا که به کانال با اندازه کامل برای ورود و خروج هوا نیاز دارد، صرفه گر سمت آب صرفا به دو لوله رفت و برگشت نیاز دارد.
• — صرفه گر سمت آب نیاز به رطوبت گیری کمتر دارد که نتیجه آن کاهش هزینه کارکرد سیستم است.

معایب سیستم صرفه گر آب

• — مقاومت بیشتر در مقابل جریان و هزینه بیشتر به دلیل افزایش مصرف انرژی فن
• — کارکرد بیشتر برج خنک کننده و کاهش عمر آن
• — افزایش هزینه مصرف آب و مواد شیمیایی

سرمایش تبخیری

سرمایش تبخیری مستقیم

سیستم سرمایش تبخیری مستقیم، رطوبت را مستقیما وارد هوا کرده و دمای هوا را با آنتالپی ثابت کاهش می دهد. این کار در هوای خشک و گرم برای رسیدن به هوای مطبوع کفایت می کند. ولی در آب و هوای مرطوب رضایت بخش نخواهد بود. البته در مکان هایی مانند گلخانه ها می توان از این روش برای رطوبت زنی استفاده کرد.

سرمایش تبخیری غیر مستقیم

در این روش از تبخیر برای سرد کردن یک سطح سرد مانند کویل استفاده می کنند و این سطح سرد وظیفه خنک کردن هوای ورودی را بر عهده خواهد داشت. در سیستم سرمایش تبخیری هم دما و هم آنتالپی هوا کاهش می یابد و برای تمام مناطق با اقلیم های مختلف قابل بهره برداری است. این دو فرآیند در نمودار سایکرومتریک شکل 6 نشان داده شده است. شکل 5 نحوه کارکرد سیستم سرمایش تبخیری غیر مستقیم را در قالب صرفه گر سمت آب نشان می دهد که قبل از کویل سرمایی قرار گرفته است. این ساختار یکی از چینش های متداول در سیستم سرمایش دو مرحله ای است. چینش دیگری در شکل 7 آمده است.

در سیستم سرمایش تبخیری غیر مستقیم، هوای ورودی در محل ورود هوا به سیستم از روی آب خنکی که به سمت پایین در جریان است عبور کرده و باعث تبخیر و سرد شدن آن می شود. این فرایند در شکل 7 نشان داده شده است.

دستگاه هوا ساز با توجه به شرایط آب و هوایی منطقه می تواند با هزینه ای اندک، به اندازه سی الی هفتاد درصد از حداکثر بار سیستم را کاهش دهد که نتیجه آن صرفه جویی قابل توجه در مصرف انرژی خواهد بود. در صورتی که برگشتی از ساختمان به عنوان هوای عبوری از روی آب به کار گرفته شود، عملکرد این سیستم را می توان به میزان قابل توجهی افزایش داد.

در فصل نوزدهم از هندبوک Systems and Equipment از مجموعه هند بوک های چهار گانه انجمن ASHRAE می توان به نکات زیر دست پیدا کرد:

«سیستم های سرمایش تبخیری مستقیم در اقلیم های گرم و خشک در مقایسه با سیستم های سرمایشی انبساط مستقیم (DX) به طور معمول هفتاد درصد مصرف انرژی کمتری دارند.»

مزایای اصلی سیستم های سرمایش تبخیری عبارتند از:

• — کاهش قابل توجه در هزینه اولیه و مصرف انرژی
• — کاهش ظرفیت حداکثر سیستم و کاهش اندازه تجهیزات تبرید مکانیکی
• — قابلیت ترکیب با سیستم های سرمایش مختلف

کلام آخر آن که عیب بزرگ سیستم های سرمایش تبخیری آن است که معمولا این طراحان سیستم تهویه مطبوع هستند که قابلیت این سیستم ها را دست کم گرفته یا آن را درک نمی کنند!

کنترل فشار ساختمان

کنترل فشار ساختمان تاثیر مهمی بر ملاحظاتی مانند صرفه جویی انرژی، ایجاد جریان های شدید هوا و کوران در نزدیکی بازشو ها و تامین شرایط آسایش در داخل ساختمان دارد. در اقلیم هایی با آب و هوای گرم و مرطوب ایجاد فشار مثبت نسبی در داخل ساختمان موجب می شود تا هوای گرم و خشک داخل ساختمان از نفوذ هوای رطوبت خارج به نافذ دیوار ها و ایجاد قارچ و کپک در آن ها جلوگیری می کند. در مقابل در اقلیم هایی با آب و هوای سرد، وجود اندکی فشار منفی در داخل ساختمان به منظور جلوگیری از نفوذ رطوبت داخل به دیوار ها مفید خواهد بود چرا که نفوذ رطوبت به منافذ ساختمان ممکن است تقطیر یا منجمد شود و به سازه آسیب وارد کند.

هنگامی که سیستم مجهز به صرفه گر سمت هواست یا با صد در صد هوای خارج کار می کند، همان مقدار هوا باید از ساختمان خارج شود. در سیستم های کوچک این خروجی برای تخلیه هوای داخل تعبیه نمی شود. بلکه منافذ متداولی که در اتاق وجود دارد و مسیر های متداول هوا به اندازه کافی برای عبور هوای اضافی داخل و ایجاد توازن بین فشار هوا کافی خواهد بود.

در اقلیم هایی با آب و هوای معتدل و مرطوب، در سیستم هایی با اندازه متوسط از دمپرهای بارومتریک استفاده می شود. این دمپر ها هنگامی که فشار هوای داخل ساختمان از فشار هوای خارج بیشتر شود باز شده و هوا را به بیرون هدایت می کند. به خاطر داشته باشید که اگر دمپر بارومتریک در مسیر جریان باد قرار داشته باشد، بسته شده و اگر در سمت مقابل آن باشد باز می شود زیرا نمای ساختمان در طرف خلاف باد دارای فشار منفی است.

در سیستم های بزرگ تر مجهز به صرفه گر معمولا برای کنترل فشار هوای داخل ساختمان از فن برگشت و دمپر استفاده می شود. ساده ترین و البته ناکارآمد ترین روش برای کنترل فشار هوای داخل ساختمان آن است که عملکرد دمپر های هوا و فن برگشت مستقل از یکدیگر به صورت مجزا کنترل شود. اما روش بهتر آن است که به منظور تامین یک حداقل فشار در خروجی، یک کنترل کننده سرعت برای فن برگشت، جریان هوای آن در یک مقدار حداقل تنظیم کند.

تحریریه تیم خدمات فنی مهندسی به فیکس