امروزه، با اعمال روش هاي نوين، مي توان درصد بالايي از سوخت براي تأمين گرمايش و يا سرمايش مناسب ساختمان را كاهش داد. اين روش ها، هنوز تحت مطالعه اند و بايد با بررسي دقيق آنها و اعمال اين شيوه هاي نوين، از مصرف بي رويه انرژي در اين زمينه كاست. مقاله حاضر، پژوهشي است ازشهرام دلفاني دانشجوي دكتراي تبديل انرژي و عضو هيأت علمي مركز تحقيقات ساختمان و مسكن كه در آن، به روش هاي اجرايي كاستن از بار سوخت مصرفي براي سيستم هاي گرمايشي و سرمايشي اشاره شده است.
سيستم هاي گرمايشي و سرمايشي، بزرگ ترين مصرف كنندگان انرژي در ساختمان به شمار مي روند. مقدار بسيار قابل ملاحظه اي از انرژي به گرمايش و سرمايش اختصاص دارد. ميزان انرژي مصرفي در خصوص تأمين آب گرم بهداشتي نيز در حدود ۱۶ درصد است كه مي توان به تقريب دريافت كه حدود ۵۷ درصد انرژي صرف تأمين شرايط آسايش حرارتي و برودتي يك ساختمان مي شود. اين در حالي است كه در كشورهاي توسعه يافته، تخمين دقيق بارهاي حرارتي و برودتي، استفاده از سيستم هاي با راندمان بالا، به كارگيري انواع ابزارهاي كنترل كننده ميزان مصرف انرژي و در نهايت استفاده از انواع تجهيزات و مصالح كاهنده مصرف انرژي، امري متداول و اجباري است.
متأسفانه در ايران، نه تنها در تعيين بارهاي گرمايشي و سرمايشي ساختمان ها دقت نمي شود، بلكه پايين بودن راندمان تجهيزات تأسيسات ساختماني، بكار نگرفتن وسائل كنترل كننده و همچنين استفاده نكردن از كاهنده هاي مصرف انرژي مزيد برعلت شده و بررسي هاي حاكي از بالا بودن انرژي مصرفي در خصوص گرمايش، سرمايش و تأمين آب گرم بهداشتي نسبت به كشورهاي پيشرفته دارد، به گونه اي كه ميزان مصرف انرژي در ساختمان، ۴۰ درصد انرژي كشور را به خود اختصاص مي دهد. آنچه در اين مقاله مورد ارزيابي و تحليل قرار گرفته است، معرفي روش هايي است كه با اعمال آنها، راندمان و كارآيي اين سيستم ها افزايش پيدا مي كند.
راهكارهاي صرفه جويي انرژي در ساختمان
به منظور صرفه جويي در مصرف انرژي، سيستم هاي گرمايشي و سرمايشي و تهويه مطبوع لازم است كه مراحل و قدم هاي زير در جهت كاهش مصرف انرژي برداشته شود.
استانداردسازي شرايط محيط بيرون
با توجه به آن كه نوع شرايط هواي بيرون (ميزان دما، رطوبت، جهت و ميزان وزش باد) تأثير زيادي بر تعيين بارهاي گرمايشي و سرمايشي و ميزان انتقال حرارت ساختمان، يا انتقال حرارت بيرون دارد، لذا لزوم استانداردسازي اين شرايط و تعيين شرايط استاندارد شده هوا براي تك تك شهرها و مناطق مختلف ايران داراي اهميت ويژه اي است. متأسفانه در ايران، معمولاً براي محاسبه بارها، بدترين شرايط دمايي و رطوبتي ملحوظ و در نهايت ميزان انرژي مورد نياز بسيار فراتر از حد واقعي محاسبه مي شود.
به عنوان مثال در جدول (۱) مقايسه بين دماهاي استاندارد شده و استاندارد نشده در تابستان و زمستان نشان داده شده است. مي توان با دقت بسيار خوبي نتيجه گيري كرد كه براي شرايط آسايش در داخل ساختمان، ميزان انرژي گرمايشي در حالت استاندارد شده حداقل ۱۵ درصد و مقدار انرژي سرمايشي در حدود ۲۱ درصد كمتر از حالت متداول است.
جدول ۱ - مقايسه دماي استاندارد و غير استاندارد تابستاني و زمستاني براي شهر تهران
شرايط مربوط به معماري و فيزيك و مصالح ساختمان
نوع جهت گيري جغرافيايي ساختمان، قابليت ساختمان به منظور بهره گيري از انرژي خورشيد، طراحي ساختمان با كمترين سطح خارجي، استفاده از عايق ها در ديوارها، كف و سقف، به كارگيري انواع شيشه هاي دو يا چند جداره، درز بند كردن انواع بازشوها و كل ساختمان و پايين آوردن ميزان نفوذ هوا، درزبندي كانال هاي هوايي و ... از جمله مواردي هستند كه به كاهش بارهاي سرمايشي و گرمايشي ساختمان كمك شاياني مي كنند.
هر چه راندمان ساختمان در اين مورد بيشتر باشد، سيستم هاي تأسيساتي كوچك تر و بالطبع هزينه هاي انرژي مصرفي نيز كاهش مي يابد. در جدول ۲ مقايسه اي بين محاسبات بارهاي گرمايشي و سرمايشي در شرايط متداول و در شرايط بهينه سازي شده در خصوص مصرف انرژي آمده است. ملاحظه مي گردد كه ميزان انرژي مورد نياز جهت گرمايش به ۴۷ درصد و انرژي مورد نياز جهت سرمايش در حدود ۴۴ درصد مقدار اوليه كاهش يافته است. به همين ترتيب هزينه انرژي گرمايشي ساليانه به ۳۷ درصد و هزينه انرژي سرمايشي ساليانه نيز به ۴۷ درصد مقدار اوليه كاهش يافته است. (جدول شماره ۲)
تخمين صحيح تجهيزات گرمايشي و سرمايشي
تعيين سايز صحيح تجهيزات سرمايشي و گرمايشي ساختمان هاي مسكوني، كليد مهمي براي رسيدن به شرايط مناسب آسايش داخل ساختمان و كاهش مصرف هزينه هاي اوليه و جاري اين گونه سيستم هاست. هنگامي كه ميزان انرژي بالاتر از حد مورد نياز تخمين زده مي شود، ميزان هزينه هاي اوليه افزايش يافته و به اين طريق، راندمان كلي كاهش مي يابد. لازم به ذكر است كه اين امر از طرف ديگر ، افزايش هزينه انرژي مصرفي را به دنبال خواهد داشت.
در شرايط آب و هوايي مرطوب، تخمين دقيق دستگاه ها اهميت بيشتري مي يابد. چرا كه انتخاب دستگاه هاي بزرگ باعث كوتاهي فاصله زماني روشن و خاموش شدن دستگاه ها شده و اين امر كنترل اندك رطوبت را در پي خواهد داشت. از طرف ديگر روشن و خاموش شدن مكرر و بسيار زياد، باعث كاهش راندمان كل سيستم نظير دستگاه هاي تهويه مطبوع، بويلر و پمپ و ... شده و خرابي اين گونه دستگاه ها را موجب خواهد شد.
در سيستم هاي هوايي استفاده از تجهيزات با ظرفيت هاي بالا موجب به كار گيري فن هاي بزرگتر و افزايش نشتي از كانال هاي هوا به واسطه افزايش فشار داخل كانال شده كه اين امر تأثير بسزايي در افزايش مصرف انرژي و كاهش راندمان كلي دارد. همچنين انتخاب تجهيزات بزرگتر موجب افزايش مصرف انرژي در روزهاي بسيار گرم تابستان و بسيار سرد زمستان مي شود. كه در اين خصوص، آمارها نشان مي دهد سيستم هايي ۵۰ درصد بزرگتر از حد مورد نياز در حدود ۱۳ درصد مصرف انرژي بيشتري دارند.
جدول ۲ - مقايسه ميزان انرژي در دو حالت متداول و ملحوظ نمودن شرايط بهينه سازي شده براي يك ساختمان با مساحت ۲۰۰۰ فوت مربع
بهسازي سيستم هاي سرمايشي و گرمايشي
همانگونه كه پيش از اين بيان شد، انتخاب دستگاه ها با سايز مناسب يكي از مناسب ترين راهكارها در زمينه صرف جويي انرژي است. اما به منظور انتخاب سيستم گرمايشي و سرمايشي مناسب بايد در گام اول به دنبال بهترين اجزاء از نظر راندمان عملكردي بود. در جدول ۳ توان بالقوه صرف جويي انرژي در انواع سيستم گرمايشي و سرمايشي ذكر شده است.
در گام بعدي بايد به اين نكته توجه كرد كه با وجود انتخاب اجزاي مناسب، ممكن است اندركنش اين اجزاء با يكديگر موجب دور شدن از راندمان مناسب شود. به عنوان مثال، چيلرها (حتي در صورتي كه از نوع با راندمان بالا نيز انتخاب شوند) براي كاركرد با راندمان بالاتر بايد آب خنك تري را از برج خنك كن دريافت كنند. كه اين امر با مصرف انرژي بيشتر توسط فن موجود در برج خنك كن محقق مي شود. مثال فوق نشان مي دهد كه علاوه بر اهميت و لزوم استفاده از اجزاي سرمايشي و گرمايشي با راندمان بالا، لازم است بهينه سازي انرژي مورد استفاده توسط جميع اين اجزاء و اندركنش آنها نيز مورد توجه قرار گيرد. در اين مقاله به سيستم هاي سرمايش و گرمايش مركزي به عنوان مهمترين مصرف كننده هاي انرژي در ايران و راهكارهاي مربوط به كاهش مصرف انرژي اينگونه سيستم ها پرداخته شده است.
جدول ۳ - توان بالقوه سيستم هاي سرمايشي و گرمايشي جهت كاهش مصرف انرژي
سيستم هاي سرمايشي مركزي
هر سيستم سرمايشي شامل اجزاي مختلفي است كه بايد به نحوي با يكديگر كار كنند كه راندمان كل به بالاترين حد خود برسد.
پيشرفته كردن هر سيستمي در حالت كلي به افزايش راندمان اجزاء و با شرط جامع نگري در كاهش مصرف انرژي بستگي دارد.
چيلر تراكمي به چهار دسته سانتريفوژ، مارپيچي، حلزوني و رفت و برگشتي تقسيم بندي مي شوند كه براي هر كدام از ايشان كاربردهاي خاصي نيز متصور است. در حالت كلي در چيلرهاي قديمي به ازاي هر تن تبريد در حدود ۸/۰تا يك كيلووات برق مصرف مي شد كه امروزه با پيشرفتهاي حاصله در زمينه ساخت انواع چيلر به ازاي هر تن تبريد فقط ۴۵/. كيلو وات برق مصرف مي شود.
پيشرفته كردن برج هاي خنك كن
در سيستم هاي سرمايشي مركزي، گرما بايد به محيط بيرون انتقال داده شود كه برج هاي خنك كن اين وظيفه را برعهده دارند. برج هاي خنك كن در حقيقت يك مبدل حرارتي بزرگ بوده كه وظيفه انتقال حرارت را از كندانسور سيستم سرمايشي به بيرون در تماس آب (به صورت پاششي يا ثقلي) با هواي بيرون را برعهده دارند.
جريان هواي مورد نياز معمولاً از طريق فن هاي سانتريفوژ يا محوري تأمين مي شود. اگر فن در انتهاي پايين برج نصب شود برج خنك كن از نوع فشاري و اگر فن در بالاي برج نصب شود، به آن برج خنك كن مكشي مي گويند. متداولترين نوع برج خنك كن، نوع مكشي است كه از نظر عملكردي داراي راندمان بهتري نسبت به نوع ديگر است. لكن نوع فشاري داراي صداي كمتري بوده و جاي كمتري را نسبت به نوع مكشي اشغال مي كند.
در هر دو نوع برج هاي خنك كن، هدف افزايش نرخ انتقال حرارت از آب به هواست. كه اين امر با اضافه تر شدن سطح تماس بين آنها امكان پذير است. به همين دليل، اين سطوح همواره در معرض تشكيل رسوب، خوردگي و رشد ميكرو ارگانيزم ها بوده كه در نهايت تأثير مخرب و كاهنده اي بر روي عملكرد برج خنك كن و در نهايت سيستم سرمايشي دارد. امروزه از مواد شيميايي، سيستم هاي توليد كننده ازن، سيستم هاي مغناطيسي براي جلوگيري از خرابي برج هاي خنك كن استفاده مي شود.
يكي ديگر از بهسازي ها در زمينه بهبود راندمان برج هاي خنك كن، استفاده از فن هاي دور متغير به جاي فن هاي دور ثابت است. به اين معنا كه به جاي نصب فن هاي بزرگ در مواقع پيك بار، از فن هاي دور متغير استفاده مي شود تا بتواند در دور هاي پايين تر نيز به آساني كار كند. چرا كه قدرت فن با توان سوم دبي تغيير مي كند. يعني در صورت كاهش ۲۰ درصد دبي فن، ميزان توان فن و انرژي الكتريكي ورودي به آن ۴۹ درصد مقدار توان اوليه كاهش پيدا مي كند.
سيستم گرمايش مركزي
ديگ هاي بكار رفته در سيستم هاي گرمايشي قديمي در بهترين حالت داراي راندماني در حدود ۶۵ درصد تا ۷۵ درصد هستند كه تنظيم نشدن دقيق، خرابي ها و مشكلات متعدد راندمان اينگونه سيستم ها را به كمتر از ۵۰ درصد مي رساند. در صورتي كه امروزه پيشرفت هاي حاصله در زمينه توليد ديگ ها، رسيدن به راندماني در حدود ۸۵ درصد تا ۹۵ درصد را ممكن ساخته است.
در حالت عملي همانگونه كه در جدول (۳) ذكر شد، مي توان در سيستم هاي متداول گرمايشي در حدود ۱۰ درصد تا ۳۰ درصد در مصرف انرژي گرمايشي با رعايت دو شرط زير، بعد از تخمين دقيق بار حرارتي مورد نياز ساختمان صرفه جويي كرد:
جدول ۴ - مقايسه ميزان ظرفيت انواع چيلر تراكمي و ميزان مصرف برق هريك به ازاي واحد تن تبريد
استفاده از بويلرهاي با سايز مناسب
بهترين روش براي كاهش مصرف انرژي در سيستم هاي گرمايشي، جايگزين كردن بويلرها و ديگر اجزاي جديد با نمونه هاي قديمي تر و با راندمان پايين تر است. راندمان بويلرها با افزايش سطح تماس و انتقال حرارت بين آب و محفظه احتراق، همچنين بالا رفتن راندمان احتراق افزايش مي يابد. پيش از جايگزيني و بكارگيري بويلرهاي جديد، لازم است نكاتي از قبيل تخمين صحيح بار گرمايشي، اطمينان از صرفه اقتصادي نصب بويلرهاي جديد و در نهايت امكان استفاده از چند بويلر كوچك به جاي يك بويلر بزرگ به گونه اي كه فراخور ميزان گرمايش لازم به صورت مرحله اي شروع به كار كنند.) مورد مطالعه قرار گيرد.
استفاده از سيستم هاي نوين گرمايشي و سرمايشي
استفاده از سيستم هاي نويني كه مصرف انرژي پاييني داشته و عمدتاً بر مبناي گرمايش و سرمايش تشعشعي و خورشيدي تعريف مي شوند،مي تواند كمك شاياني در جهت كاهش مصرف انرژي بكند. نكته مهم در اين گونه سيستم ها، آن است كه هزينه اوليه اين سيستم ها ممكن است نسبت به سيستم هاي متداول بالا باشد، لكن ميزان كاهشي كه در مصرف انرژي موجب مي شود به گونه اي است كه استفاده از آنها را توجيه پذير مي كند به عنوان مثال سيستم هاي گرمايش كفي و سيستم هاي گرمايشي تشعشعي از جمله اين گونه سيستم ها هستند كه بين ۲۰ تا ۵۰ درصد در مصرف سوخت صرفه جويي به دنبال خواهد داشت.
نتيجه
در اين مقاله به راهكارهاي مختلف در جهت اصلاح ساختمان ها از نقطه نظر كاهش مصرف انرژي پرداخته شده است. طراحي دقيق ساختمان از نظر معماري، انتخاب مصالح مناسب، تخمين دقيق انرژي مورد نياز ساختمان، انتخاب سيستم هاي گرمايشي و سرمايشي با ظرفيت مناسب و راندمان بالا، استفاده از ابزار و تجهيزات كنترلي و... از جمله اين راه حل هاست.
نكته مهم آن كه در انجام فرايند اصلاح، بهسازي و بكارگيري تمهيدات مختلف در اين خصوص بايد مواردي چون رسيدن به نقطه آسايش، كاهش مصرف انرژي، تعمير و نگهداري به گونه اي باشد كه افزايش هزينه هاي اوليه احتمالي را توجيه پذير كند.
تحقيقات انجام شده در زمينه كاهش مصرف انرژي كه در اين مقاله به آن پرداخته شده به خوبي نشان دهنده توان بالقوه در اين مورد است. با توجه به صرف انرژي بسيار زياد در بخش ساختمان بكارگيري اين تمهيدات، نه تنها توجيه پذير، بلكه اعمال هرچه سريع تر آن ضروري به نظر مي رسد.
