امکان سنجی ساخت ساختمان انرژی صفر در منطقه سرد و نیمه خشک ایران (مطالعه موردی : شهر مشهد)

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره پنج، مرداد ماه 99

امکان سنجی ساخت ساختمان انرژی صفر در منطقه سرد و نیمه خشک ایران

(مطالعه موردی : شهر مشهد)

نیما امانی[1]^*

nimaamani@iauc.ac.ir   

مصطفی مقدس مشهد[2]

چکیده

زمینه و هدف: این مطالعه به امکان سنجی و طراحی ساختمان انرژی صفر در اقلیم سرد و نیمه خشک می پردازد. در این مطالعه با استفاده از سیستم ها و تکنیک های معماری غیرفعال خورشیدی برای استفاده حداکثری از انرژی های تجدیدپذیر، مقدار انرژی مصرفی کاهش داده می شود.

روش بررسی: مطالعه موردی یک ساختمان مسکونی یک طبقه به مساحت 100 مترمربع با 4 نفر ساکن در آب وهوای سرد و خشک شهر مشهد در شمال شرق ایران است. برای شبیه سازی گرمایی، اطلاعات آب وهوایی (دمای هوا، ساعت آفتابی، باد، بارش و تابش ساعتی خورشید) منطقه مورد مطالعه از ایستگاه هواشناسی منطقه و پایگاه داده های آب وهوایی نرم افزارMeteonorm   تهیه شد. برای شبیه سازی و تحلیل گرمایی دینامیکی سازه، نرم افزار DesignBuilder به کار گرفته شده است.

یافته ها: نتایج این شبیه سازی کاهش 30 درصدی مصرف انرژی سالانه  ساختمان را با رعایت اصول طراحی غیرفعال (انتخاب جهت بهینه، دیوار ترامب، سایه بان، انتخاب عایق مناسب) از  KWh3/2544 به   KWh1776  نشان می دهد. سپس با داشتن انرژی مورد نیاز سالانه، به طراحی سیستم فتوولتائیک خورشیدی با نرم افزار PVsyst پرداخته شد و انرژی استحصالی سالانه سیستم  KWh1/2629 برآورد شده است.

بحث و نتیجه گیری: مقایسه تطبیقی مقادیر یاد شده با اعمال ضریب اطمینان 4/1، نشان می دهد ساخت ساختمان انرژی صفر دراقلیم سرد و خشک امکان پذیر است و برای نیل به ساخت پایدار و سازگار با محیط زیست، گامی موثر به حساب می آید.

واژه های کلیدی: مدیریت انرژی، ساختمان انرژی صفر، توسعه پایدار، انرژی پلاس، فئوولتائیک.

The Feasibility of Construction of Zero-Energy Building in the Cold and Semi-Arid Climate (Case Study: Mashhad)

Nima Amani[3]*

nimaamani@iauc.ac.ir

Mostafa Moghadas Mahshad[4]

Abstract

Background and Objective: The objective of this study is to evaluate and design a zero energy building in cold and dry climates. In this study, energy consumption will be reduced by using of the solar-powered systems and techniques for the use of maximum energy from renewable sources.

Method: A residential building is evaluated as a case study. This building includes one floor with an area of 100 square meters with 4 people in cold and dry climate of Mashhad in the north east of Iran. For thermal simulation, weather information (temperature, air, sunshine, wind, rain, and sunlight) is obtained from the weather station and climate database and the Meteonorm software. Design Builder software is used to simulate and analyze the dynamic heat of the structure.

Findings: The results of this simulation show that 30% of the annual energy consumption of the building, taking into account the principles of inactive design (optimal selection, wall truss, shade, appropriate fitting) will be reduced from 2544.3 KWh to 1776 KWh. Subsequently, with the annual energy requirement, PVSyst software is designed to design a photovoltaic solar system with an annual energy of 2629.1 KWh.

Discussion and Conclusion: The comparative comparison of equation values by applying a 1.4 coefficient of confidence indicates that construction of zero-energy building is possible in a cold and dry climate and is created to achieve sustainable and environmentally sustainable.

Keywords: Energy Management, Zero Energy Building, Sustainable Development, Energy Plus, Photovoltaics.

مقدمه

مطالعات انجام شده توسط سازمان بین المللی توسعه و همکاری اقتصادی OECD نشان می دهد که ساختمان ها 50 درصد مواد خام دنیا را استفاده می کنند، در حالی که بسیاری از آن ها منابع تجدیدناپذیر می باشند. در واقع ساختمان ها عامل تولید بیش از 46 درصد کل گازهای گلخانه ای تولید شده در سرتاسر جهان هستند (1). طبق گزارش IPCC از زمان انقلاب صنعتی تا پایان قرن بیستم دمای کره زمین 5/0 درجه سانتی گراد افزایش یافته و غلظت لایه اوزون به طور متوسط در نقاط مختلف زمین 20 درصد تقلیل یافته است (2).  در ایران، به عنوان یک کشور در حال توسعه، ساختمان های مسکونی در انتشار 25% از کل تولید گازهای گلخانه ای کشور سهیم اند (3). در گزارش روابط عمومی مرکز پژوهش های مجلس شورای اسلامی، دفتر مطالعات انرژی آمده است که ایران در رتبه یازدهم پرمصرف ترین کشورها از نظر مصرف انرژی قرار دارد (5،4). با توجه به این اطلاعات تلاش برای کاهش مصرف سوخت های فسیلی، ساخت ساختمان های بهینه از نظر مصرف انرژی و استفاده از منابع انرژی های تجدیدپذیر برای تولید انرژی، ضروری است. یکی از اقداماتی که در این راستا در برنامه های کلان کشورهای پیشرفته صورت می گیرد، تلاش جهت احداث ساختمان های انرژی صفر  (ZEB) است که با کیفیت بالا درکاهش مصرف انرژی و سازگاری با محیط زیست، استانداردهای موجود در بررسی معماری پایدار نظیر LEED   و BREEAM   را در عمل اجرا کرده و با بکارگیری فناوری های کارآمد و به روز، زمینه را برای توسعه تکنولوژی و دانش فنی در این زمینه فراهم می کند (6). دستورالعمل بهینه سازی انرژی در ساختمان ها  (EPBD)، مصوب پارلمان و شورای اروپایی در ارتباط با بازده انرژی ساختمان، اتحادیه اروپا مشتمل بر 28 کشور اروپایی را متعهد می‌سازد تا تمامی ساختمان های تجاری و مسکونی را به انرژی نزدیک به صفر در سال 2019 برای همه ساختمان های عمومی جدید و 2021 برای تمامی ساختمان های جدید برساند (8،7). در آمریکا نیز به موجب قانون تصویب شده در سال 2007 به منظور حمایت از ایجاد ساختمان هایی با مصرف خالص انرژی صفر، تا سال 2040 نیمی از ساختمان های تجاری و تا سال 2050 تمام ساختمان های تجاری آمریکا مصرف خالص انرژی آنها باید صفر باشد (9). از این رو تحقیقات بیشتر با استفاده از تجزیه و تحلیل نرم افزاری به نظر می رسد در بهره وری انرژی و عملی کردن ساخت ساختمان های کارا با مصرف نزدیک به انرژی صفر، ضروری باشد. در جدول 1 بررسی بر روی ساختمانهای صفر انرژی در پایگاههای علمی معتبری نظیر Sciencedirect، Taylor & Francis، Wiley و ASCE انجام شده است (18-10).  با نگاهی جدول زیر می توان دریافت که هیچ تحقیقی در جهان برای بررسی و امکان سنجی و شبیه سازی ساختمان انرژی صفر در اقلیم سرد و نیمه خشک با استفاده از نرم افزارهای Meteonorm، PVsyst، EcotectAnalysis و DesignBuilder یافت نشد. در این مقاله، یک مطالعه موردی در فاز طراحی، برای انتخاب بهترین جهت ساخت و شبیه سازی کامپیوتری در منطقه سرد و نیمه خشک شهر مشهد با استفاده از نرم افزارهای ECOTECT و DesignBuilder با در نظر گرفتن تمامی چهارچوب های موردنیاز انتخاب شده است. برخی مطالعات برای بررسی بهره­وری انرژی از یک نرم­افزار در تمامی مراحل ترسیم و تجزیه­تحلیل و شبیه­سازی گرمایی استفاده می­کنند و این خود احتمال خطا را افزایش می­دهد. در این مطالعه با بررسی نقاط قوت و ضعف نرم­افزارها، در هر مرحله یکی از قوی­ترین نرم­افزارها به کار گرفته شده است. برای کاهش خطای ترسیم و حجم­سازی از نرم­افزار AutoCAD در مرحله­ ترسیم استفاده شده است. برای تجزیه و تحلیل داده­های اقلیمی ابزار Weather tool در نرم­افزار Ecotect به کار گرفته می­شود. برای شبیه­سازی و تحلیل دینامیکی گرمایی ساختمان از نرم­افزار DesignBuilder و برای طراحی و برآورد انرژی تجدیدپذیر استحصالی از نرم­افزار PVsyst استفاده می­شود.

جدول 1- مطالعات پیشین در مورد ساختمان انرژی صفر (10-18)

Table 1. Previous studies on zero energy building

روش تحقیق

بخش ساختمان با مصرف بیش از 40 درصد کل انرژی تولید شده در کشور بیش ترین میزان مصرف انرژی را به خود اختصاص داده است (19). بنابراین حمایت از استفاده انرژی های زیست محیطی و توسعه ساختمانهای سبز و صفرانرژی به یک فعالیت مهم در ایران تبدیل شده است. مطالعه موردی یک ساختمان مسکونی یک طبقه به مساحت 100 مترمربع با 4 نفر ساکن در آب وهوای سرد و خشک شهر مشهد در شمال شرق ایران است. از لحاظ استاندارد مبحث 19 مقررات ملی ساختمان، این واحد مسکونی در گروه 2 قرار دارد به این معنی که الزام آن به صرفه جویی در مصرف انرژی در حد متوسط بوده و بنابراین طراحی آن بصورت انرژی صفر توجیه پذیر است (20). یک مطالعه موردی برای انتخاب بهترین جهت ساخت و شبیه سازی کامپیوتری در منطقه سرد و نیمه خشک با استفاده از نرم افزارهای ECOTECT و DesignBuilder با در نظر گرفتن تمامی چهارچوب های مورد نیاز انتخاب شده است. تحقیق حاضر در سال 1396 صورت گرفته است. جدول2 روند طراحی ساختمان صفر انرژی را نشان می دهد.

جدول 2-  مراحل طراحی ساختمان صفرانرژی

Table 2. Design stages of zero energy building

این مطالعه در چهار مرحله انجام گرفته است. مرحله­ی اول شامل جمع­آوری داده­ها و تحلیل سایت در طول گرم­ترین ماه تابستان و سردترین ماه زمستان در آب ­وهوای سرد و نیمه­خشک است. داده­های جمع­آوری شده در دو گروه قرار دارند. دسته­ اول مجموعه­ای از اطلاعات دمایی سالانه و دسته­ی دوم لیستی از معرفی اجزای ساختمان شامل مشخصات مصالح و جزئیات اجرایی آن­هاست. این داده­ها برای شبیه­سازی کامپیوتری به منظور تحلیل گرمایی مدل، بررسی عملکرد انرژی آن و طراحی سیستم فتوولتائیک مناسب در نرم­افزارها، استفاده می­شوند. مهم­ترین اطلاعات تحلیل شده مربوط به جهت مناسب سازه برای استفاده حداکثری از خورشید، میزان انرژی موردنیاز سالانه­ ساختمان و میزان انرژی استحصالی از سیستم خورشیدی در آب­وهوای سرد و نیمه­خشک است. در مرحله­ دوم مدل کامپیوتری برای اعتبار بخشیدن به طراحی پیشنهادی با استفاده از داده­های محاسبه شده، شبیه­سازی می­شوند. DesignBuilder یک نرم­افزار گرافیکی شبیه­سازی مصرف انرژی در ساختمان است که حل مسئله آن توسط موتور قدرتمند "انرژی پلاس" انجام می­شود. موتور شبیه­سازی انرژی پلاس توسط بخش انرژی آمریکا در سال 2011 توسعه یافته و به عنوان یکی از معتبرترین نرم­افزارهای مدل سازی انرژی شناخته شده است. اعتبار نرم­افزار انرژی پلاس بر اساس استانداردهای Bestest  و اشری14  تایید شده است (22،21). نرم­افزارهای شبیه­سازی انرژی از قبیل eQuest، DesignBuilder و ECOTECT به طور گسترده­ای برای مدل­سازی عملکرد انرژی ساختمان­ها استفاده می­شوند (23). برای طراحی سیستم انرژی تجدیدپذیر از نرم­افزار PVsyst استفاده می­شود. PVsyst نرم افزاری جامع و کاربردی در زمینه­ی کار با سیستم­های خورشیدی می­باشد که شامل مجموعه ابزارهای لازم برای مطالعه و تحقیق، سایزبندی، شبیه­سازی و آنالیز داده­های سیستم­هایPV است. این نرم­افزار که به طور مستمر در دانشگاه ژنو سوئیس توسعه می­یابد، از مهم­ترین و پرکاربرترین نرم­افزارها در زمینه­ طراحی سیستم­های خورشیدی می باشد. در مرحله­ سوم، 2 ساختمان یکی با رعایت اصول طراحی پایدار (دیوار ترامب، انتخاب جهت بهینه، سایه­بان، انتخاب عایق مناسب) و یک نمونه بدون این اصول، تحت شرایط مختلف برای مقایسه­ عملکرد انرژی و محیطی آن­ها، طراحی و شبیه­سازی می­شوند. همچنین در این مرحله، سیستم سلول خورشیدی (فتوولتائیک) برای کسب هر چه بیشتر انرژی تجدیدپذیر طراحی می­شود. در مرحله­ نهایی یک مقایسه­ تطبیقی برای مشخص کردن میزان کاهش انرژی با رعایت اصول طراحی پایدار، و همچنین امکان­سنجی برای ساخت ساختمان انرژی صفر در اقلیم سرد و نیمه­خشک انجام می­شود. از آن­جا که منظور از ساختمان انرژی صفر، نوع متصل به شبکه­ آن است، چنانچه در چند روز ابری متوالی انرژی استحصالی کمتر از حد نیاز شود، ساختمان، انرژی خود را از شبکه­ سراسری برق تامین می­کند و در روز­هایی که سیستم مازاد انرژی داشت، این انرژی به شبکه تزریق شده و بنابراین امکان مقایسه­ انرژی سالانه­ مورد نیاز سازه و انرژی استحصالی سیستم انرژی تجدیدپذیر وجود دارد.

داده های آب و هوایی

شهر مشهد در ارتفاع 990 متر از سطح دریا در عرض جغرافیایی 3/36 درجه­ شمالی و طول جغرافیایی 6/59 درجه­ شرقی واقع شده است (GMT +3: 50). این شهر از لحاظ توپوگرافی متشکل از دو عارضه­ی کوهستان و دشت است؛ بر طبق طبقه­بندی­های اقلیمی، مشهد در اقلیم سرد و نیمه­خشک واقع شده است (24). میانگین دمای سالانه مشهد 3/15 درجه سانتی گراد و مقدار بارش سالانه­ی آن 38/217 میلی­متر است. گرم­ترین ماه سال تیر ماه با متوسط 4/27 درجه سانتی­گراد و سردترین ماه، دی ماه با متوسط حدود 3/3 درجه سانتی گراد است (25). داده­های آب­وهوایی 12 سال مشهد (2014-2002) از ایستگاه هواشناسی منطقه مطابق با توصیه­نامه­ آن ایستگاه به عنوان شاخص سالانه جمع­آوری شده است. این مجموعه از اطلاعات آب ­وهوایی در مدل­سازی گرمایی برای پیش­بینی مصرف سالانه­ انرژی و جهت بهینه­ ساختمان در شرایط مختلف آب ­وهوایی استفاده شده است. این داده­ها ضمن مقایسه با فایل خروجی از پایگاه داده­ای نرم­افزار Meteonorm در ابزار Weathertool از نرم­افزار ECOTECT وارد شده و به صورت نتایج تحلیل­شده نمایش داده شده است [26]. این ابزار می­تواند میزان دریافت تابش خورشیدی بر روی یک صفحه عمودی به مساحت یک متر مربع را در دوره­ی گرم، سرد و تمام سال محاسبه کرده و مناسب­ترین و نامناسب­ترین جهات ساختمان را از نظر دریافت تابش به دست آورد. ماه­های سرد سال برای شهر مشهد شامل دسامبر، ژانویه و فوریه، و ماه­های گرم سال ژوئن، جولای و آگوست است. شکل 1 نقاله­ی خورشیدی را برای بررسی میزان تابش جهات مختلف قابل مشاهده است. طیف زرد نشان دهنده­ دامنه­ بهینه­ استقرار ساختمان و طیف قرمز نشان­دهنده­ دامنه­ نامناسب استقرار ساختمان از نظر تابش خورشیدی است.

شکل 1- نقاله­ خورشیدی مناسب­ترین و نامناسب­ترین جهات ساختمان

Figure 1. The most appropriate and inappropriate of solar conveyer of building directions

همچنین بادهای غالب شهر مشهد از جهت شرق به غرب می­باشد و بنابراین طول اضلاع ساختمان در جهت شرق به غرب تا حد ممکن باید کم باشد تا ساختمان در زمستان در معرض کم­ترین اثر بادهای نامطلوب قرار گیرد. پلان ساختمان در جهتی طراحی می­شود که در تابستان در معرض بادهای خنک شمالی و در زمستان مصون از بادهای سرد باشد. پلان ساختمان برای استفاده­ حداکثری از گرمایش خورشیدی و روشنایی طبیعی دارای کشیدگی شرقی - غربی بوده و فضاهای پرکاربرد در ضلع جنوبی و فضاهای کم­کاربرد در ضلع شمالی آن جای دارند (شکل 2)

شکل 2- پلان ساختمان مدل شده

Figure 2. Building plan

فایل اقلیمی یک ساعته برای شهر مشهد با فرمت epw بر اساس داده­های اقلیمی سال­های 2010 - 1991 با استفاده از پایگاه داده­ی نرم­افزار Meteonorm و بر اساس مشخصات جغرافیایی شهر مشهد در جدول 3 نشان داده شده است.

جدول3- مشخصات جغرافیایی مشهد

Table 3. Geographic profile of Mashhad

مشخصات مدل و داده­های نرم­افزاری

شبیه­سازی برای یک ساختمان مسکونی به مساحت 100 مترمربع و ارتفاع 3 متر، انجام شده است  (جدول 4).

جدول 4- مشخصات مصالح المان­ها در نرم­افزار دیزاین بیلدر

Table 4. Specification of material elements in the DesignerBuilder software

بر اساس استفاده­ مسکونی، تعداد چهار نفر به صورت تمام وقت در تمام روزهای سال در نظر گرفته شده است و امکان استفاده از نور طبیعی در جهت های شمال، جنوب و شرق فراهم است. جدول 5 داده­های ورودی به نرم­افزار DesignBuilder را نشان می­دهد. 

جدول 5- داده­های ورودی به نرم­افزار دیزاین بیلدر

Table 5. Input data to DesignBuilder software

برای بررسی و مقایسه­ میزان انرژی مصرفی سالانه­ی ساختمان مدل­سازی شده با ساختمانی که در آن اصول طراحی پایدار رعایت نشده است، روند شبیه­سازی را مجددا در یک ساختمان مشابه از نظر تعداد ساکن و مساحت و نواحی گرمایی، بدون در نظر گرفتن زاویه­ مناسب و سایر اصول و سیستم­های طراحی غیرفعال انجام گرفته است جدول (6 و7).

جدول 6- مشخصات مصالح المان­ها در نرم­افزار دیزاین بیلدر برای ساختمان معمولی

Table 6. Specification of material elements in the DesignerBuilder software for usual building

جدول 7- داده­های ورودی به نرم­افزار دیزاین بیلدر برای ساختمان معمولی

Table 7. Input data to DesignBuilder software for usual building

داده­های ورودی به نرم افزار PVsyst برای طراحی سیستم فتوولتائیک خورشیدی مشخص شده است (جدول 8). زاویه­ شیب بهینه برای پنل­ها در مشهد 30 درجه است (27).

جدول 8- داده­های ورودی به نرم­افزار PVsyst

Table 8. Input data to PVsyst software

برای طراحی سیستم خورشیدی در PVsyst، ابتدا فایل اقلیمی با پسوند dat، خروجی از پایگاه داده­ نرم­افزار Meteonorm فراخوانی می­شود. شکل 3 اطلاعات ورودی برای طراحی سیستم فتوولتائیک در PVsyst را نشان می­دهد. این اطلاعات شامل نوع سلول­های خورشیدی، نوع آرایه­ سلول­های خورشیدی، نوع ماژول خورشیدی، گام استقرار برای همپوشانی سایه، زاویه­ی شیب پنل­ها، عرض پنل­ها، تعداد و توان اسمی پنل­ها می­باشد.

شکل 3- اطلاعات ورودی برای طراحی سیستم فتوولتائیک در PVsyst

Figure 3. Input information for designing the photovoltaic system in PVsyst

شبیه­سازی نرم­افزار

در این مطالعه، شبیه­سازی در نرم­افزار DesignBuilder انجام شده است. این نرم­افزار قادر به محاسبه­ انرژی مصرفی در بازه­های زمانی کمتر از یک ساعت بوده و قادر است فضای یک ساختمان را که از چندین منطقه­ حرارتی، دمایی و با شرایط تهویه متفاوت تشکیل شده است، شبیه­سازی نماید و از این رو برای محاسبه میزان انرژی مصرفی ساختمان مناسب است (21). بنابراین DesignBuilder به عنوان نرم­افزار شبیه­سازی این تحقیق انتخاب شد. همچنین برای طراحی سیستم انرژی تجدیدپذیر از نرم­افزار PVsyst استفاده شده است. نتایج شبیه­سازی با استفاده از ابزار DesignBuilder Results Viewe در جداولی مشتمل بر میزان انرژی سالیانه­ی مورد نیاز سازه، میزان انرژی مورد نیاز سازه در هر مترمربع، میزان مصرف کربن سازه در طول چرخه حیات سازه، میزان تولید سالیانه­ی گازهای گلخانه­ای، برآورد میزان بازیافت و پسماند سازه­ای در دوره­ی عمر مفید سازه در قالب یک فایل html تهیه شد. میزان انرژی مورد نیاز مدلی را که با رعایت اصول طراحی پایدار و معماری غیرفعال (انتخاب جهت بهینه، دیوار ترامب، سایه­بان، انتخاب عایق مناسب) شبیه­سازی شده است (شکل a4).

شکل 4- نتایج شبیه­سازی ساختمان در نرم­افزار دیزاین بیلدر: گزارش انرژی سالانه­ مصرفی ساختمان(a)و بدون معماری غیر فعال (b)

Figure 4. Simulation results in DesignBuilder: Annual report of building Energy Consumption (a); No deactivated architecture (b)

مقدار انرژی مورد نیاز برای هر مترمربع از این ساختمان برابر ²kWh/m 54/6 است و مجموع انرژی سالیانه­ مورد نیاز این ساختمان با در نظر گرفتن تجهزات برقی شامل سیستم روشنایی LED، کامپیوتر، پمپ، چیلر و انواع تجهیزات معمول آشپزخانه و اداری، برای چهار نفر ساکن این ساختمان برابر با kWh/m²   69/1776 است (شکل 4a).میزان انرژی مورد نیاز مدلی که بدون رعایت اصول طراحی پایدار و معماری غیرفعال (انتخاب جهت بهینه، دیوار ترامب، سایه­بان، انتخاب عایق مناسب) شبیه­سازی شده است (شکل 4b). انرژی سالیانه­ مورد نیاز یک ساختمان معمولی بدون رعایت اصول معماری غیرفعال، با در نظر گرفتن تجهزات برقی شامل سیستم روشنایی رشته­ای، کامپیوتر، پمپ، چیلر و انواع تجهیزات معمول آشپزخانه و اداری، برای چهار نفر ساکن این ساختمان برابر kWh 3/2544 و مقدار انرژی مورد نیاز برای هر مترمربع از این ساختمان برابر 2kWh/m 85/9 است (شکل 4b). محور افقی ماه­های سال و محور عمودی مقدار متوسط انرژی استحصالی را برای هر ماه برحسب kWh/day می باشد (شکل 5). مطابق این نمودار بیشترین انرژی در ماه­های ژوئن، جولای، آگوست و سپتامبر و کم­ترین مقدار آن در ماه­های نوامبر، دسامبر، ژانویه و فوریه تولید می­شود. مقایسه­ی این میزان تولید انرژی با متوسط نیاز انرژی ماهانه­ نشان می­دهد در ماههای جولای و آگوست مازاد انرژی داریم که به شبکه توزیع برق تزریق می­شود و در ماه­های دسامبر و ژانویه کمبود انرژی داریم که بایست از طریق شبکه توزیع برق، تامین شود.  میزان انرژی استحصالی سالانه­ این سیستم خورشیدی kWh/year 1/2629 است (شکل 5).

شکل 5- نمودار تولید انرژی  سیستم فتوولتائیک به تفکیک ماه در PVsyst

Figure 5. Energy production diagram of photovoltaic system by month in PVsyst

تحلیل مقایسه­ای

نتایج تحلیل گرمایی ساختمان با رعایت اصول پایداری و بدون رعایت این اصول، و میزان انرژی استحصالی سالانه­ی سیستم فتوولتائیک مشخص شده است (جدول 9). یکی از دلایل اتلاف حرارت در ساختمان، رفتارها و عادات بعضا نادرست کاربران است. باز کردن پنجره برای بازیابی آسایش حرارتی به علت بیش­گرمایش در فصل سرد و بالا رفتن رطوبت در فصل گرم و استفاده از روشنایی مصنوعی به رغم وجود روشنایی طبیعی کافی به علت طراحی نادرست فضا از این عادات می­باشد. با توجه به کیفی بودن این رفتار و وجود خطاهای مدل­سازی، یک ضریب اطمینان 4/1 برای بالا بردن امنیت انرژی در ساختمان مدل­سازی شده در نظر گرفته شده است.

جدول 9- مقایسه­ی نتایج نرم­افزارها

Table 9. Comparison of software results

از آن­جا که ساختمان انرژی صفر از نوع متصل به شبکه­ است، چنانچه در چند روز ابری متوالی انرژی استحصالی کمتر از حد نیاز شود، ساختمان انرژی خود را از شبکه­ سراسری برق تامین می­کند و در روز­هایی که سیستم مازاد انرژی داشت، این انرژی به شبکه تزریق می­شود و بنابراین امکان مقایسه­ انرژی سالانه­ مورد نیاز سازه و انرژی استحصالی سیستم انرژی تجدیدپذیر وجود دارد؛ با توجه به این­که میزان انرژی استحصالی سیستم فتوولتائیک kWh 1/2629  بیشتر از انرژی مورد نیاز سازه با احتساب ضریب اطمینان kWh  8/2487  است، می­توان نتیجه گرفت ساخت ساختمان انرژی صفر در اقلیم سرد و نیمه­خشک مشهد امکان­پذیر است، اگرچه نیاز به تحلیل اقتصادی دارد. در بخش قبل، تحلیل ECOTECT جهت مناسب سازه در این منطقه را راستای شمال- جنوب به طرف جنوب مشخص کرد. رعایت اصول معماری پایدار و غیرفعال نظیر استفاده از دیوار ترامب، سایه­بان و درختان سوزنی­برگ در جبهه­ بادگیر پلان و انتخاب جهت بهینه­ سازه برای استفاده حداکثری از خورشید با توجه به بادهای اطراف آن، باعث کاهش حدود 30% انرژی در ساختمان مورد مطالعه شد و این مقدار را از kWh 3/2544 در سال به kWh 1777  در سال کاهش داد. 

نتیجه گیری

در این پژوهش، یک مطالعه موردی در فاز طراحی، برای انتخاب بهترین جهت ساخت و شبیه سازی کامپیوتری در منطقه سرد و نیمه خشک با استفاده از نرم افزارهای ECOTECT و DesignBuilder با در نظر گرفتن تمامی چهارچوب های موردنیاز انتخاب شده است. در این مطالعه با بررسی نقاط قوت و ضعف نرم­افزارها، در هر مرحله یکی از قوی­ترین نرم­افزارها به کار گرفته شده است. برای کاهش خطای ترسیم و حجم­سازی از نرم­افزار AutoCAD در مرحله­ ترسیم،  و برای تجزیه و تحلیل داده­های اقلیمی ابزار Weather tool در نرم­افزار Ecotect به کار گرفته شده است. برای شبیه­سازی و تحلیل دینامیکی گرمایی ساختمان از نرم­افزار DesignBuilder و برای طراحی و برآورد انرژی تجدیدپذیر استحصالی از نرم­افزار PVsyst استفاده شد. از آن­جا که بسیاری از شهرهای ایران دارای آب ­وهوای سرد و نیمه­خشک هستند، مقدار مصرف انرژی این مناطق قابل توجه است. در این مطالعه با هدف بررسی، امکان­سنجی و شبیه­سازی ساختمان انرژی صفر در اقلیم سرد و نیمه­خشک شهر مشهد، نرم­افزار Meteonorm و ابزار Weathertool برای تجزیه و تحلیل داده­های آب­وهوایی منطقه مورد مطالعه به کار گرفته شده است. برای ترسیم و حجم­سازی ساختمان مورد مطالعه از نرم­افزارهای AutoCAD و ECOTECT، برای شبیه­سازی گرمایی از نرم­افزار DesignBuilder و برای طراحی سیستم انرژی تجدیدپذیر از نرم­افزار PVsyst استفاده شده است. نتایج تحلیل­های انجام شده با این مجموعه نرم­افزار، انرژی مورد نیاز سالانه­ یک ساختمان مسکونی به مساحت 100 مترمربع و ارتفاع 3 متر با 4 نفر ساکن، که با رعایت اصول طراحی پایدار و معماری غیرفعال (دیوار ترامب، انتخاب جهت بهینه، سایه­بان، انتخاب عایق مناسب) در آب­وهوای سرد و نیمه­خشک شبیه­سازی شده را kWh 1777 نشان می­دهد؛ به منظور چشم­پوشی از خطاهای مدل­سازی، با در نظر گرفتن ضریب اطمینان 4/1، این انرژی  kWh8/2487 برآورد شده و متناسب با آن، سیستم انرژی تجدیدپذیر فتوولتائیک با ظرفیت تولید  kWh1/2629 برای این ساختمان طراحی شده است. با مقایسه­ی تطبیقی این اعداد می­توان نتیجه گرفت ساخت ساختمان انرژی صفر در اقلیم سرد و نیمه­خشک مشهد امکان­پذیر است. رعایت اصول معماری پایدار و غیرفعال باعث کاهش حدود 30% انرژی در ساختمان مورد مطالعه شد و این مقدار را از kWh 3/2544 در سال به kWh 1777 در سال کاهش داد که برای رسیدن به ساخت پایدار و سازگار با محیط­زیست، گامی موثر به حساب می­آید.    

Reference

1. Sadeghi, F.,2016. Green architecture and advanced materials and technologies, ١st. Edition, Osman, A., Firs and Last Pub: Tehran. (In Persian)
2. IPCC., 2016. Intergovernmental Panel on Climate Change, see information in:Http:www.ipcc.ch   
3. Eshraghi, J., Narjabadifam, N., Mirkhani., N., Khosroshahi, S. S., and Ashjaee., M., 2014. A comprehensive feasibility study of applying solar energy to design a zero energy building for a typical home in Tehran. Energy and Buildings, Vol. 72, pp.329-338.
4. GES., 2017. Global Energy Statistical Yearbook, see information in: www.https://yearbook.enerdata.net/electricity-domesticconsumption-data-by-region.html#wind-solar-shareelectricity-production.html.
5. Islamic Consultative Parliament Research Center. www.rc.majlis.ir .2017. (In Persian)
6. Wang, L., Gwilliam, J., and Jones, Ph., 2009. Case study of zero energy house design in UK, Journal of Energy and Building, Vol. 41, No.11, pp.1215-1222.
7. Arbabian, H., 2016. Optimize energy consumption in buildings. 3st. National Conference in Energy, Departmen of Built Environment, Iran University of Science & Technology, Tehran, Iran. (In Persian) 
8. Osmani, M., and O’Reilly, A., Feasibility of zero carbon homes in England by A house builder’s perspective,” Building and Environment, Vol. 44, pp. 1924 -1917.
9. Ghobadian, V., and Feyz M. 2010. Environmental design theoretical and applied principles of energy use in building. Watson and Kent., 1st. Edition, University of Tehran Pub., Tehran. (In Persian)
10. Ferrari, S., and Beccali, M., 2017. Energy-environmental and cost assessment of a set of strategies for retrofitting a public building toward nearly zero-energy building  target,” Sustainable Cities and Society , Vol. 32, pp. 226-234.
11. Charisi, S., 2017. The role of the building envelope in achieving nearly-zero energy buildings (nZEBs). International Conference on Sustainable Synergies from Buildings to the Urban Scale, Procedia Environmental Sciences 38, pp.115 – 120.
12. Albadry, S., Tarabieh, Kh., and Sewilam, H., 2017.  Achieving net zero-energy buildings through retrofitting existing residential buildings using PV panels, International Conference – Alternative and Renewable Energy Quest, AREQ, 1-3 February, Spain.
13. Zhou, Zh., Feng, L., Zhang, Sh., Wang, Ch., Chen, G., Du, T., Li, Y.,  and Zuo, J., 2016. The operational performance of net zero energy building: a study in China. Applied Energy, Vol. 177, PP. 716-728.
14. Lizana, J., Chacartegui, R., Barrios-Padura, A., and Valverde, J. M., 2017. Advances in thermal energy storage materials and their applications towards zero energy buildings: a critical review. Applied Energy, Vol. 203, pp. 2019-239.
15. Li, H.,  Zhang, R., Feng, G., Huang, K., and Cao, C., 2015. Simulation and comparison of heating and cooling load between a zero-energy building and a common building in severe cold region. ٩th International Symposium on Heating, Ventilation and Air Conditioning (ISHVAC) and the 3rd International Conference on Building Energy and Environment (COBEE).
16. Amani, N.,  2017. Energy efficiency using the simulation software of atrium thermal environment in residential building: a case study. Advances in Building Energy Research, Taylor & Francis, https://doi.org/10.1080/17512549.2017.1354781
17. Heravi, G., and Qaemi, M., 2014. Energy performance of buildings: the evaluation of design and construction measures concerning building energy efficiency in Iran. J.Energy and Buildings, Vol. 75, pp. 456–464.
18. Cellura, M., Guarino, F., Longo, S., Mistretta, M., 2015. Different energy balances for the redesign of nearly net zero energy buildings: an Italian case study.  Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 45, pp. 100-112.
19. Institute of Standards and Industrial Research of Iran, ISIRI-ISO, 2011. Energy Management Systems –Requirements With Guidance For Use. 1st. Edition, Identical with ISO 50001.
20. National Building Regulations of Iran, Section 19., 2010. Energy saving. Iran Developmetn Pub., Tehran. (In Persian)
21. Zomorodian, Z., and Tahsildoost, M., 2015. Validation of energy simulation software in building with experimental and comparative approach. Iranian Journal of Energy, Vol. 18, No.4. (In Persian)
22. Naghdalizadeh, Sh., and Heybati, M.R., 2015. The feasibility study of building design with zero energy consumption in Iran, 7th National Conference on Renewable and Efficient Energy, IRIB International Conference Center, Tehran. (In Persian)
23. Ham, Y., Golparvar-Fard, M., 2013. Epar: energy performance augmented reality models for identification of building energy performance deviations between actual measurements and simulation results. Energy and Buildings, Vol.63, PP. 15–28.
24. Kasmaei, M., 2006. Climate and Architecture, Soil Pub., Tehran. pp.200-238. (In Persian)
25. Climate. 2016. Average weather of Iran, available at: http://www.iran.climatemps.com/
26. Sabet Dizavandi, L., 2017. Analysis and prediction of time variations of temperature and rainfall in Mashhad, MSc Thesis, Islamic Azad University, Science and Research Branch, Tehran. (In Persian)
27. Taheri, Z., Abbaspoor, M.H., Tabasizadeh, M., Abootorabi, H., 2013. Determine the slope and direction of installation of solar systems in Mashhad, 2st. National Conference on New and Clean Energy, Hamedan, Iran. (In Persian)