ارزیابی فنی و اقتصادی ساختمان تجاری انرژی خالص صفر در شهر اهواز با در نظرگرفتن قابلیت اطمینان

نوع مقاله : مستخرج از پایان نامه

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق قدرت، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، گروه برق و کامپیوتر، تهران، ایران.

2 استادیار، گروه برق و کامپیوتر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران(مسئول مکاتبات).

3 دانشیار، گروه برق و کامپیوتر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

10.22034/jest.2018.21553.3076

چکیده

زمینه و هدف : گسترش مولدهای برق وابسته به انرژی باد و خورشید، موجب توسعه­ی ساختمان­های مجهز به منابع تجدیدپذیر شده‌است. طراحی ساختمان انرژی صفر از بعد فنی و اقتصادی هدف اصلی این مقاله است. در بعد فنی ظرفیت منابع تجدیدپذیر، نوع مصالح، محل و جهت ساخت، ارتفاع با توجه به نوع بارهای الکتریکی سرمایشی و گرمایشی تعیین می­شود. در بعد اقتصادی، با کمک تحلیل هزینه­ی فایده، به صرفه­بودن احداث این گونه ساختمان­ها مورد بررسی قرار می­گیرد.
روش  بررسی : در این مقاله در ابتدا میزان پتانسیل انرژی خورشیدی محاسبه می­شود، در ادامه با توجه به مشخصات اقلیمی شهر اهواز میزان بار الکتریکی، گرمایشی و سرمایشی محاسبه می­شود و با استفاده از مدل­های نرم­افزاری این داده­ها صحت­سنجی می­شوند. با بررسی نرم­افزاری و مدل­سازی با استفاده از نرم­افزار AutoCAD و نرم افزارتحلیلی Design builder  بهترین طرح فنی استخراج و برای انتخاب اندازه سیستم از نرم­افزارSystem Advisor model (SAM) استفاده می­شود و مدل نرم­افزاری سیستم سرمایش خورشیدی با نرم­افزار PISTACHE شبیه­سازی می­گردد و برای تحلیل اقتصادی از اندازه­گیری ارزش خالص فعلی(NPW) و نرم­افزار COMFAR استفاده می شود. چشم­انداز در نظر گرفته شده برای طراحی ساختمان، 20 ساله می­باشد.
یافته­ها : با استفاده از ارزیابی فنی به روش عددی و نرم افزاری انتخاب بهترین طرح فنی در ساختمان با کاربری تجاری با مساحت کل زمین 1500 متر مربع و زیر بنای460متر مربع با تعداد 15 واحد تجاری در دو طبقه بررسی شد که نتایج تحقیق نشان می­دهد ساختمان با توجه به شرایط آب و هوایی در شهر اهواز 15 درجه نسبت به جنوب طراحی و احداث شود تا بیش‌ترین تابش به سمت بام ساختمان در تابستان و همچنین بدنه­ی ساختمان در زمستان را داشته باشیم. علاوه بر این با در نظر گرفتن قابلیت اطمینان و متصل­بودن ساختمان به برق شبکه­ی سراسری مشخص گردید که مشکلات تامین بار در ساختمان به حداقل ممکن می­رسد و ساختمان می­تواند با شبکه داد و ستد داشته باشد به طوری که در تابستان باید از شبکه­ی سراسری برق گرفت و در زمستان برق اضافی به شبکه­ تزریق گردد.
بحث و نتیجه­گیری : در پایان با استفاده از تحلیل فنی نشان داده می­شود که نیازهای حرارتی و برودتی ساختمان را می­توان از انرژی خورشیدی با در نظر گرفتن قابلیت اطمینان تامین کرد و همچنین با تحلیل اقتصادی نشان داده می­شود که طراحی ساختمان انرژی صفر نسبت به حالت غیربهینه­ی ساختمان دارای سود خالص می­باشد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می­باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و دوم، شماره شش، شهریور  ماه 99

ارزیابی فنی و اقتصادی ساختمان تجاری انرژی خالص صفر در شهر اهواز

با در نظرگرفتن قابلیت اطمینان

 

سید محمدامین موسویسادات[1]

حسین محمدنژاد شورکایی[2]

h-mohamadnejad@srbiau.ac.ir

سودابه سلیمانی[3]

تاریخ دریافت: 01/08/95

تاریخ پذیرش: 02/03/96

چکیده

زمینه و هدف : گسترش مولدهای برق وابسته به انرژی باد و خورشید، موجب توسعه­ی ساختمان­های مجهز به منابع تجدیدپذیر شده‌است. طراحی ساختمان انرژی صفر از بعد فنی و اقتصادی هدف اصلی این مقاله است. در بعد فنی ظرفیت منابع تجدیدپذیر، نوع مصالح، محل و جهت ساخت، ارتفاع با توجه به نوع بارهای الکتریکی سرمایشی و گرمایشی تعیین می­شود. در بعد اقتصادی، با کمک تحلیل هزینه­ی فایده، به صرفه­بودن احداث این گونه ساختمان­ها مورد بررسی قرار می­گیرد.

روش  بررسی : در این مقاله در ابتدا میزان پتانسیل انرژی خورشیدی محاسبه می­شود، در ادامه با توجه به مشخصات اقلیمی شهر اهواز میزان بار الکتریکی، گرمایشی و سرمایشی محاسبه می­شود و با استفاده از مدل­های نرم­افزاری این داده­ها صحت­سنجی می­شوند. با بررسی نرم­افزاری و مدل­سازی با استفاده از نرم­افزار AutoCAD و نرم افزارتحلیلی Design builder  بهترین طرح فنی استخراج و برای انتخاب اندازه سیستم از نرم­افزارSystem Advisor model (SAM) استفاده می­شود و مدل نرم­افزاری سیستم سرمایش خورشیدی با نرم­افزار PISTACHE شبیه­سازی می­گردد و برای تحلیل اقتصادی از اندازه­گیری ارزش خالص فعلی(NPW) و نرم­افزار COMFAR استفاده می شود. چشم­انداز در نظر گرفته شده برای طراحی ساختمان، 20 ساله می­باشد.

یافته­ها : با استفاده از ارزیابی فنی به روش عددی و نرم افزاری انتخاب بهترین طرح فنی در ساختمان با کاربری تجاری با مساحت کل زمین 1500 متر مربع و زیر بنای460متر مربع با تعداد 15 واحد تجاری در دو طبقه بررسی شد که نتایج تحقیق نشان می­دهد ساختمان با توجه به شرایط آب و هوایی در شهر اهواز 15 درجه نسبت به جنوب طراحی و احداث شود تا بیش‌ترین تابش به سمت بام ساختمان در تابستان و همچنین بدنه­ی ساختمان در زمستان را داشته باشیم. علاوه بر این با در نظر گرفتن قابلیت اطمینان و متصل­بودن ساختمان به برق شبکه­ی سراسری مشخص گردید که مشکلات تامین بار در ساختمان به حداقل ممکن می­رسد و ساختمان می­تواند با شبکه داد و ستد داشته باشد به طوری که در تابستان باید از شبکه­ی سراسری برق گرفت و در زمستان برق اضافی به شبکه­ تزریق گردد.

بحث و نتیجه­گیری : در پایان با استفاده از تحلیل فنی نشان داده می­شود که نیازهای حرارتی و برودتی ساختمان را می­توان از انرژی خورشیدی با در نظر گرفتن قابلیت اطمینان تامین کرد و همچنین با تحلیل اقتصادی نشان داده می­شود که طراحی ساختمان انرژی صفر نسبت به حالت غیربهینه­ی ساختمان دارای سود خالص می­باشد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می­باشد.

واژه­های کلیدی : ساختمان تجاری، انرژی صفر، تجدیدپذیر، فتوولتائیک، ارزش فعلی

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 22, No.6,August, 2020

 

 


Technical and Economical Assessment of a Net Zero Energy Commercial Building Connected to the Network in Ahvaz, Considering Reliability Constraint

 

 

Mohammad Amin Musavi Sadat[4]

Hossein Mohammadnejad Shourakayi*[5]

h-mohamadnejad@srbiau.ac.ir

Soudabeh Soleimani[6]

Accepted: 2017.05.23

Received: 2016.10.22

Abstract

Background and Objective: The expansion of wind and solar power generators has led to the development of buildings equipped with renewable sources. The main purpose of this article is to design a zero energy building from a technical and economic point of view. In the technical dimension, the capacity of renewable sources, type of materials, location and direction of construction, height are determined according to the type of electric cooling and heating charges. In the economic dimension, with the help of cost-benefit analysis, the cost-effectiveness of constructing such buildings is examined.

Methods: In this paper, first the amount of solar energy potential is calculated, then according to the climatic characteristics of Ahvaz city, the amount of electric, heating and cooling load is calculated and using software models, these data are correct. They are measured. By examining software and modeling using AutoCAD software and Design builder analytical software, the best technical design is extracted and System Advisor model (SAM) software is used to select the system size and the cooling system software model is used. The solar is simulated with PISTACHE software and the Net Present Value (NPW) measurement and COMFAR software are used for economic analysis. The landscape intended for the design of the building is 20 years old.

Finding: Using numerical and software technical evaluation, the selection of the best technical design in a commercial building with a total land area of ​​1500 square meters and 460 square meters of infrastructure with 15 commercial units on two floors was reviewed. The research results show that the building with Paying attention to the weather conditions in the city of Ahvaz, 15 degrees to the south should be designed and constructed so that we have the most radiation towards the roof of the building in summer and also the body of the building in winter. In addition, considering the reliability and connectivity of the building to the electricity of the national network, it was determined that the problems of load supply in the building are minimized and the building can trade with the network so that in summer, electricity must be supplied from the national grid and in winter, additional electricity must be injected into the grid.

Discussion and Conclusion: Finally, using technical analysis, it is shown that the thermal and refrigeration needs of the building can be met from solar energy with regard to reliability, and also economic analysis shows that the design of the building is zero energy compared to The non-optimal condition of the building has a net profit and is economically viable.

Key words: Commercial Building, Zero Energy, Renewable, Photovoltaic, Actual Value

 

مقدمه

محدود بودن ذخایر سوخت­های فسیلی و همچنین آلودگی­های محیط زیستی ناشی از سوزاندن آن‌ها باعث گسترش مباحث مربوط به محیط زیست و انرژی شده است. از اوایل دهه­ی 1970 میلادی، بحران انرژی و تخریب لایه­ی ازن و گرم­شدن کره­ی زمین موجب اعمال قوانین برای کنترل مصرف انرژی را فراهم آورد. از آن زمان، مبحث توسعه و طراحی پایدار به عنوان یکی از مباحث مهم در طراحی ساختمان­های انرژی صفر مطرح شد. احداث ساختمان انرژی صفر از نظر مصالح ساخت و زاویه قرارگیری ساختمان، ارتفاع و نوع سیستم­های سرمایشی و گرمایشی و مهم‌تر از همه بحث اقتصادی بودن آن، جنبه­های مجهولی می­باشد که در این مطالعه به بررسی دقیق آن پرداخته خواهد شد. بنا بر اطلاعات منتشر شده در ترازنامه انرژی سال 1394، در کشور ما بیش‌ترین میزان مصرف انرژی به ترتیب در بخش­های خانگی و تجاری، صنعت، حمل و نقل و کشاورزی است. بر اساس این آمار، مصرف انرژی در بخش خانگی و تجاری 4/55، صنعت 5/41 درصد، حمل و نقل 41 و کشاورزی 5/6 درصد بوده است. به عبارت دیگر، بیش‌ترین سهم مصرف انرژی به بخش خانگی و تجاری تعلق دارد و این در حالی است که در کشورهای توسعه­یافته این بخش به­ مراتب سهم کم‌تری را نسبت به بخش صنعت به خود اختصاص می­دهد(1).

ارزش بالای انرژی، محدودیت در منابع اولیه انرژی­های متداول و بالارفتن مداوم مصرف انرژی در ساختمان، مهندسین را بر آن داشت که با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر بخشی از انرژی موردنیاز ساختمان شامل روشنایی، حرارتی و سرمایشی را تامین کنند و رفته­رفته این روند توسعه پیدا کرد که همه­ی انرژی مورد نیاز ساختمان را بتوان از این منابع تامین کرد. از آنجایی که در این ساختمان­ها هیچ­گونه انرژی فسیلی مصرف نمی­شود با نام "ساختمان انرژی صفر " شناخته می­شوند(3،2).

احداث ساختمان انرژی صفر از نظر نوع مصالح، محل و جهت ساخت، ارتفاع و نوع سیستم­های سرمایشی و گرمایشی و مهم‌تر از همه بحث اقتصادی­بودن آن جنبه­های مجهولی می­باشد که در این مطالعه به بررسی دقیق آن پرداخته خواهد شد. بدین ترتیب با بررسی نرم­افزاری و مدل‌سازی از طریق نرم­افزار اتوکد، طرح اصلی ساختمان با موقیت­ فضاهای داخلی آن طراحی می­گردد و با نرم­افزار طراحی DesignBuilder ، شناسایی و محاسبه­ی بارهای حرارتی(گرمایش و سرمایش) ساختمان با توجه به شرایط آب و هوایی شهر اهواز انجام می­گیرد. طراحی سیستم خورشیدی با در نظرگرفتن سیستم­های پشتیبان، توسط نرم­افزار Dispatche انجام گرفت و برای انتخاب اندازه­ی سیستم از نرم­افزار System Advisor Model(SAM) استفاده شده است که در آن انتخاب نوع صفحه­ی خورشیدی، محل نصب ماژول­ها، نوع اینوتر و غیره استفاده­شده در ساختمان مشخص گردید. در پایان، با استفاده از ارزیابی اقتصادی به روش عددی ارزش خالص فعلی و نرم­افزار COMFAR، طراحی بهینه­ی ساختمان مورد بررسی قرار می­گیرد که آیا این طراحی صرفه­ی اقتصادی دارد یا خیر.

مشخصات ساختمان مورد مطالعه

طراحی پلان با فرض تجاری بودن ساختمان صورت گرفته است که خلاصه‌ای از مشخصات آن در جدول 1 آورده شده است.

 

 

جدول 1 - مشخصات تفکیکی فضاهای ساختمان

Table 1 – Denotative characteristic of dimensions of building

واحد

مقدار

اطلاعات ساختمان

 

436

مساحت فضای کنترل­شده

 

1469

حجم ساختمان

 

740

مساحت پوسته خارجی

 

336/0

میانگین ضریب انتقال حرارت وزنی پوسته

 

استفاده از سایبان مناسب سبب سایه­افکنی روی پنجره‌های جنوبی در تابستان خواهد گشت تا بار سرمایشی کاهش یابد.
توضیحات یادشده در شکل­ 1 نشان داده شده است که موقعیت خورشید را در روز  15 جولای (تابستان) و در ساعت 15 نشان می‌دهد.

 

 

 

 

 

 

 

 


                شکل1 - موقعیت خورشید در یک ظهر تابستانی

Figure1 – Position of sun in a summer afternoon

 

 

در مورد روشنایی باید در نظر داشت که اکثر فضاها در طراحی معماری به گونه ای طراحی شده­اند تا بتوانند از نور طبیعی استفاده حداکثری نمایند. استفاده از پنجره‌های زیاد با مشخصات حرارتی بالا در سمت جنوب ساختمان و طراحی صحیح آنها، چرخش 15 درجه‌ای ساختمان به سمت غرب و موارد دیگر از جمله راهکارها برای استفاده حداکثری از روشنایی طبیعی بوده است. با در نظرگرفتن ضرایب هم‌زمانی، مجموع توان­های سیستم روشنایی و دیگر تجهیزات بر حسب (W) به همراه متراژ فضاهای ساختمان در جدول 2 آمده است.

 

 

جدول 2-  مشخصات تفکیکی فضاهای ساختمان

Table 2 - Denotative characteristic of dimensions of building

توان کل(w)

مقدار(m2)

فضا

توان کل(w)

مقدار(m2)

فضا

227

65/13

فروشگاه -13

272

45/20

فروشگاه -01

227

65/13

فروشگاه -14

227

2/14

فروشگاه -02

5/214

12

فروشگاه -15

5/309

5/29

فروشگاه -03

347

75/69

راهرو طبقه­ی همکف

5/309

5/29

فروشگاه -04

347

65/66

راهرو طبقه­ی اول

227

65/13

فروشگاه -05

248

35/19

سرویس طبقه­ی همکف

5/234

65/13

فروشگاه -06

248

35/19

سرویس طبقه­ی اول

5/234

12

فروشگاه -07

210

4

اطلاعات

272

35/19

فروشگاه -08

5/37

85/8

ورودی

5/234

65/13

فروشگاه -09

227

65/13

فروشگاه -10

5/309

835/28

فروشگاه -11

5/309

3/28

فروشگاه -12

 

از آنجایی که اجرای سیستم‌های انرژی ‌نو تنها در ساختمان‌هایی با مشخصات حرارتی مناسب‌ اجرا می‌گردد(توجیه اقتصادی)، فرض می‌کنیم عایق‌کاری پوسته­ی ساختمان، تعویض درب­‌ها و پنجره‌ها و درزبندی برای این ساختمان انجام شده و مشخصات حرارتی بهینه است. همچنین تمامی تجهیزات الکتریکی مانند رایانه‌ها و سیستم روشنایی، از بین بهینه‌ترین پربازده‌ترین انتخاب شده است. سازه­ی به کار گرفته­شده در پوسته­ی ساختمان متوسط وزن بوده و مشخصات دیوارها در جدول 3 آورده شده است.

 

 

جدول 3- مشخصات روشنایی و تجهیزات ساختمان

Table 3 - Characteristic of illustration and components of building

ضریب هدایت حرارتی

ضخامت(m)

فضا

84/0

105/0

نمای آجری (روشن)

15/1

02/0

ملات ماسه سیمان

034/0

15/0

پلی‌استایرن اکسترود

51/0

1/0

بتن

4/0

025/0

گچ و خاک

 

 

با توجه به مقادیر ارایه ­شده میزان ضریب انتقال حرارت سطحی ساختمان203/0 و مقدار ضریب انتقال حرارت سطحی برای سقف 24/0 طراحی و محاسبه گشته است. این در حالی است که در صورت عدم استفاده از عایق، ضریب انتقال حرارت دیوار 5/1 و ضریب انتقال حرارت سقف 13/2 به دست می­آید.

با توجه به مقادیر ارایه­شده میزان ضریب انتقال حرارت سطحی ساختمان203/0 و مقدار ضریب انتقال حرارت سطحی برای سقف 24/0 طراحی و محاسبه گشته است. این در حالی است که در صورت عدم استفاده از عایق، ضریب انتقال حرارت دیوار 5/1 و ضریب انتقال حرارت سقف 13/2 به دست می­آید.

محاسبه­ی بار طراحی و شبیه­سازی مصرف

بارهای حرارتی مورد نیاز هر کدام از فضاها توسط نرم­افزارهای
Energy Plus و Design Builder محاسبه گشته که در ادامه به ارایه­ی نتایج شبیه‌سازی‌های نرم‌افزاری ساختمان می‌پردازیم(12،11).

به منظور محاسبه­ی بار سرمایشی از نرم‌افزار Design Builder استفاده شده است. میزان بار سرمایشی و گرمایشی ساختمان به ترتیب kW 6/46 و kW 65/20 بدست آمده است(برای ساختمان با پوسته غیربهینه، این مقادیر به ترتیب  kW46/81 و kW 5/33 است). دقت گردد بار گرمایشی و سرمایشی محاسبه­شده در این بخش، به عنوان بیشینه نیاز ساختمان جهت تامین گرمایش و سرمایش بوده و با مصرف انرژی سالیانه، ماهیانه و ... متفاوت است. در شکل­های 2 و 3 جزییات این بارها آمده است.

 

 

 

 

 

 

 

شکل 2- بخش­های مختلف بار سرمایشی ساختمان(تعادل حرارتی)

Figure 2 – The several sections of cooling load of building (the thermal balance)

 

 

 

 

 

 

 

 


                شکل3 - بخش­های مختلف بار گرمایشی ساختمان(تعادل حرارتی)

Figure 3 – The several sections of heating load of building (the thermal balance)

 

 

همان­گونه که مشاهده می‌گردد، بخش عمدهای از بار سرمایشی مربوط به تابش خورشید و بخش عمده بار گرمایشی مربوط به هوای مورد نیاز تهویه می‌باشد.

در ادامه مصارف انرژی چون سرمایشی، گرمایشی، آبگرم مصرفی، روشنایی و تجهیزات به صورت ساعتی، روزانه و ماهیانه در ساختمان شبیه‌سازی شده است. در جدول 4 مقادیر بارهای سرمایشی (بدون در نظرگرفتن راندمان سیستم­های تولید آن‌ها)، روشنایی و تجهیزات آورده شده است. در واقع جهت رسیدن به ساختمان انرژی صفر، نیاز است این مصارف در محل تامین گردند. دقت گردد با توجه به اقلیم گرم اهواز، نوع کاربری ساختمان(تولید بالای حرارت به واسطه­ی تجهیزات و نفرات در کنار عدم کارکرد در شب) و پوسته بسیار بهینه­ی ساختمان(حرارت تولیدی نفرات و تجهیزات به واسطه­ی عایق مناسب و جرم حرارتی در داخل فضا حفظ می­گردد) نیاز گرمایش و آب گرم مصرفی دما بالا بسیار کم بوده و از آن چشم‌پوشی شده است.

دقت گردد در رابطه با شاخص سرمایش هنوز میزان راندمان تجهیز سرمایشی وارد نشده است. برای مثال اگر COP سیستم سرمایشی خود را 5/4 ثابت در نظر بگیریم، شاخص مصرف برق سرمایش برابر با kWh/m2 5/38 به دست خواهد آمد. دقت گردد با توجه به اقلیم شهر اهواز، پوسته با مقاومت حرارتی بالا و کاربری ساختمان نیاز اندک سرمایشی در فصول سرد نیز محاسبه شده است که از آن‌ها صرف نظر شده است.

 

جدول 4-  بارهای ماهیانه­ی سرمایش، روشنایی و تجهیزات در ساختمان

Table 4 – Monthly cooling loads, illustration loads and components in building

بار سرمایشی (kwh)

تجهیزات برقی(kwh)

روشنایی

(kwh)

ماه

بار سرمایشی (kwh)

تجهیزات برقی(kwh)

روشنایی

(kwh)

ماه

13435

376

352

جولای

---

364

300

ژانویه

13688

376

264

آگوست

---

340

345

فوریه

10526

364

256

سپتامبر

3252

376

365

مارس

8919

376

395

اکتبر

5713

340

336

آوریل

3920

364

386

نوامبر

9714

376

367

می

---

352

380

دسامبر

11221

364

335

جوئن

 

 

در شکل‌های 4 تا 9 نتایج شبیه‌سازی توسط در بازه­های ساعتی، روزانه و ساعتی و در رابطه با داده‌های سایت، داده‎‌های مربوط به نفوذ هوا و تهویه، سوخت‌های مصرفی، شرایط آسایش حرارتی، تولید دی­اکسید­کربن و بارهای سیستم آورده شده است.

 

 

 

 

 

 

 

 


شکل4 - داده‌های روزانه سایت (دمای خشک، نقطه شبنم و تابش خورشید)

Figure 4- The daily data of site (Dry temperature, Dew point, Reflection of sun)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

  شکل5 - نتایج ساعتی مربوط به پارامترهای آسایش حرارتی در ساختمان (دما و رطوبت نسبی)

Figure 5- hourly results of thermal comfort parameters in building (Temperature and relative humidity)

 

 

 

 

 

 

 

 


شکل 6-  نتایج ماهیانه بارهای اکتسابی و خورشیدی

Figure 6– Monthly results of adventitious and solar loads

 

 

 

 

 

 

 

 

 


شکل7 - نتایج ساعتی بارهای اکتسابی و خورشیدی

Figure 7- Hourly results of adventitious and solar loads

 


مدل­سازی سیستم سرمایش خورشیدی

همان­گونه که اشاره نمودیم، طراحی سیستم خورشیدی را با درنظر داشتن سیستم‌های پشتیبان یا کمکی انجام خواهیم داد. مدل کامل خورشیدی طراحی­شده شامل مدارات تولید(کلکتورهای خورشیدی، گرمایش کمکی و سرمایش کمکی)، مدارات انتقال (مخزن ذخیره، چیلر جذبی و سیستم دفع حرارت) و بخش بهره‌وری(گرمایش، سرمایش و آب گرم مصرفی) می‌باشد. شبیه­سازی این قسمت با استفاده از نرم­افزار Pistache انجام شده است(13). سیستم سرمایشی خورشیدی با کسر خورشیدی 50% طراحی شده است و چیلر جذبی مورد استفاده SAKURA SHL با ظرفیت kW20 و ضریب عملکرد 72/0 می‌باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 


شکل8 - نتایج ساعتی تفکیکی بارهای سرمایشی و گرمایشی ساختمان

Figure 8 – The hourly and denotative of cooling and heating of building

 

 

 

 

 

 


شکل 9 - نتایج ساعتی تولید co2

Figure 9- Hourly results of CO2 production

 

 

در این مقاله برای انتخاب نوع ماژول مورد استفاده از موارد موجود در کشور با کیفیت بالا مدل LG250S1C-G2 از کارخانه سازنده LG با توان نامی‌250 وات برای استفاده در ساختمان انرژی صفر انتخاب شده است. این مدل ماژول از تک کریستال‌های سیلیکون ساخته شده است که 593/1 متر مربع مساحت دارد و از شصت سلول تشکیل شده است. بازدهی این صفحه خورشیدی به صورت نامی ‌71/15% می‌باشد. برای انتخاب اندازه­ی سیستم با داشتن اطلاعات بار مصرفی به صورت ساعتی و استفاده از نرم­افزار System Advisor Model یک آرایه شامل 78 ماژول طراحی شده است تا توان نامی 20 کیلووات را در زمان کارکرد استاندارد تولید کند(14). انحراف زاویه­ای مناسب برای ماژول‌ها پس از بررسی چند باره 30 درجه انتخاب شده است.

اگرچه امکان تعبیه تجهزات لازم بر روی ماژول‌ها برای تعقیب
خورشید در یک یا دو محور برای کسب حداکثر بازدهی وجود دارد اما بدلیل گران و پیچیده بودن این تجهیزات سازه نگهدارنده صفحات به صورت ثابت در نظر گرفته شد. برای این آرایه از یک عدد اینورتر 18 کیلووات برای تبدیل برق مستقیم به متناوب با بازدهی 95% استفاده می‌شود.­ بدین ترتیب مجموع 124 متر مربع از صفحات باید برای تولید الکتریسیته مورد نیاز استفاده شود. این مساحت صفحات با احتساب فضای لازم بین صفحات قسمت عمده ای از سطح بام و در صورت نیاز محوطه ساختمان را خواهد پوشاند.

در شکل 10 تولید انرژی خالص خروجی برای سیستم در هر ماه نمایش داده شده است. بدیهی است این نمودار در تطابق کامل با نمودار تابش افقی می‌باشد. بر طبق مدل سیستم در ماه­های دسامبر، ژانویه و فوریه کم‌ترین میزان تابش و تولید انرژی را خواهیم داشت.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


شکل 10 - انرژی خالص خروجی ماهانه

Figure 10 – Monthly output pure energy

 

 

در پایان بخش شبیه­سازی طراحی ساختمان از دید فنی، خلاصه نتایج مربوط به تولید و مصرف انرژی در ساختمان در شکل11 آورده شده است. در این جدول مصارف جانبی سیستم‌های سرمایشی و گرمایشی هم‌چون پمپ‌ها و فن واحد HRV آورده شده است. در این جدول Eaux و Eauxsol به ترتیب کل مصرف برق سیستم­های سرمایشی و کل مصرف برق سیستم‌های خورشیدی می­باشد.

 

 

 

 

 

 

 

 


شکل 11 - خلاصه نتایج مربوط به تولید و مصرف انرژی در ساختمان

Figure 11 – The summary results of production and consumption of energy in building

 

ارزیابی اقتصادی

 

در این مقاله تا به حال به بررسی فنی طراحی یک ساختمان انرژی صفر پرداختیم. در این قسمت به این امر می­پردازیم که آیا طرح پیشنهادی از لحاظ اقتصادی توجیه­پذیر می­باشد یا خیر.

برای مقایسه توجیه­پذیری طراحی پیشنهادی از روش NPW یا روش ارزش خالص فعلی استفاده می­کنیم(15). یکی از ابزارهای مورد نیاز برای ارزیابی اقتصادی استفاده از دیاگرام نقدی می­باشد که در شکل 13 ترسیم شده است.

نرخ تنزیل در نظر گرفته­شده برای پروژه را با توجه به نرخ رسمی
اعلام­شده توسط بانک مرکزی برای پروژه­های عمرانی، 12 % در نظر می­گیریم. برای محاسبه­ی NPW با استفاده از دیاگران نقدی، ابتدا هزینه­های هر ماه را با نرخ تبدیل 1%  (12% / 12 )  به پایان سال می­بریم و با جمع هزینه­ها به یک هزینه­ی واحد سالیانه می­رسیم.

سپس با توجه به نامحدودبودن عمر پروژه با استفاده از رابطه­ی  ارزش خالص فعلی آن‌ها را به دست می­آوریم و با جمع آن با هزینه­های اولیه به NPW می­رسیم.

 

 

 

 

 

 

 

 


شکل 12 - دیاگرام جریان نقدی

Figure 12 – Diagram of cash flow

 

 

برای محاسبه­ی نرخ NPW، ابتدا با توجه به رابطه­ی زیر نرخ هزینه مربوط به هر ماه را محاسبه می­کنیم. که در جدول 5 آمده است.

پس دیاگرام جریانات نقدی که در شکل 12 آمده است به دیاگرام شکل 13 تبدیل می­شود.

 

 

جدول 5- مقادیر مربوط به نرخ هزینه برای ماه­های سال

Table 5 – The values of cost rate for months of a year

نرخ هزینه($)

ماه

نرخ هزینه($)

ماه

191/165

آگوست

433/49

ژانویه

820/143

سپتامبر

771/44

فوریه

700/130

اکتبر

971/122

مارس

485/94

نوامبر

196/132

آوریل

286/43

دسامبر

153/177

می

876/1458

مجموع

440/181

جوئن

 

 

429/173

جولای

 

 

شکل 13 - دیاگرام جریان نقدی جدید

Figure 13 – The new diagram of cash flow

 

 

در جدول 6 ریز هزینه­های لازم برای ساخت پروژه آورده شده
است.

 

 

جدول 6- ریز هزینه­های مورد نیاز برای ساخت پروژه

Table 6 – Detail requeired costs for project

نرخ F($)

لیست هزینه­ها

543/376411

هزینه­ی ساخت ساختمان تجاری

151/5907

هزینه عایق­کاری و تمهیدات صرفه­جویی انرژی

096/999

لوازم اداری ساختمان

976/526

هزینه­ی کلی سیستم خورشیدی طراحی­شده

143/2838

هزینه­ی صفحه خورشیدی

نرخ F ($)

لیست هزینه­ها

111/163

هزینه­ی اینورتر

846/225

هزینه­ی دستگاه بازیافت انرژی انتخاب­شده

 

با توجه به رابطه­ی هزینه و اطلاعات جدول 6 ارزش فعلی برابر است با:

 

 

 

حال می­توانیم NPW را حساب کنیم و آن را NPW1 نام­گذاری می­کنیم.

 

هزینه اولیه

 


 

 

 

لازم به ذکر است عدد منفی در نظر گرفته­شده به خاطر ماهیت هزینه است و لازم به یادآوری است برای هزینه­های اولیه فقط هزینه ساخت ساختمان انرژی و لوازم اداری ساختمان در نظر گرفته شده است. همانند مراحل بالا به محاسبه NPW ساختمان بهینه می­پردازیم با این فرض که علاوه بر تفاوت در هزینه­های اولیه با ساختمان قبلی که هزینه­های دیگری هم‌چون هزینه کلی سیستم خورشیدی طراحی­شده، هزینه صفحه­ی خورشیدی، هزینه­ی اینورتر و هزینه­ی دستگاه بازیافت انرژی انتخاب­شده را نیز در نظر می­گیریم و همچنین به خاطر طراحی سیستم خورشیدی  در سه ماه اول و دو ماه آخر سال مازاد تولید برق داریم که درآمدی از محل فروش آن به سازمان برق عایدمان می­شود. با توجه به مبالغ موجود برای پرباری، میان­باری و کم­باری ساختمان طراحی­شده نرخ هزینه برابر با 517/38 دلار می­باشد.

 ارزش فعلی برابر است با:

 

 

 

حال می­توانیم NPW را حساب کنیم و آن را NPW2 نام­گذاری می­کنیم.

 

 

 

 

حال برای مقایسه­ی دو طراحی بهینه و غیربهینه بایستی مقدار سود خالص را حساب کنیم:

 

 

 

 

 

با توجه به مثبت­شدن مقدار خالص فایده­مندی نتیجه می­شود ساخت ساختمان دوم (بهینه) موجب کاهش هزینه می­شود. در پایان به محاسبه­ی دوره­ی بازگشت سرمایه می­پردازیم که به صورت زیر حاصل می­شود:

 

 

 

بنابراین دوره­ی بازگشت سرمایه 79/6 سال می­باشد.


نتیجه­گیری

استفاده از انرژی خورشیدی در طراحی ساختمان انرژی صفر، سبب کاهش مصرف انرژی می­شود. با استفاده از نرم­افزار AutoCAD و نرم افزارتحلیلی Design builder  بهترین طرح فنی استخراج و برای انتخاب اندازه سیستم از نرم­افزارSystem Advisor model(Sam) استفاده می­شود و مدل نرم­افزاری سیستم سرمایش خورشیدی با نرم­افزار PISTACHE شبیه­سازی می­گردد، و برای تحلیل اقتصادی از روش ارزش­گذاری فعلی استفاده می­شود. مشخصات پوسته ساختمان نقش اساسی روی بارهای سرمایشی و گرمایشی ایفا می‌نمایند. به منظور محاسبه­ی بار سرمایشی از نرم‌افزار دیزاین‎‌بیلدر استفاده شده است. میزان بیشینه­ی بار سرمایشی و گرمایشی ساختمان به ترتیب kW 6/46 و kW 65/20 بدست آمده است(برای ساختمان با پوسته غیربهینه، این مقادیر به ترتیب  kW46/81 و kW 5/33 است) که برای تامین حدود 40 درصد بارهای سرمایشی از چیلر جذیبی با کلکتور خورشیدی لوله­ی خلا استفاده شده است. کاهش میزان بارهای سرمایشی و گرمایشی به‌گونه‌ای که حد آسایش ساکنین نیز از بین نرود (در اینجا دمای ترموستات برای سرمایش و گرمایش به ترتیب    25 و 20 درجه سانتی‌گراد در نظر گرفته شد)، سبب کاهش سایز تجهیزات تولیدکننده سرما و گرما خوهد شد. از طرفی بکارگیری حداکثری روشنایی طبیعی، استفاده از سیستم بازیافت حرارت تهویه، استفاده از پنجره‌های پربازده، استفاده از سایبان، تجهیزات برقی پر راندمان و .... سبب کاهش چشمگیر مصرف انرژی در ساختمان شده است به­ گونه‌ای که کل مصرف (سرمایش، گرمایش، تجهیزات گازی و برقی، آبگرم مصرفی و روشنایی) در ساختمان 31141 کیلووات ساعت می­باشد، در صورتی که تولید برق توسط پنل­های فتوولتاییک 32017 کیلووات ساعت حاصل گردید. در پایان با استفاده از تحلیل اقتصادی به این نیز نشان داده شد که طراحی ساختمان انرژی صفر نسبت به حالت غیربهینه­ی ساختمان دارای سود خالص می­باشد و از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می­باشد.

 


منابع

  1. Hosseini SE, Andwari AM, Wahid MA, Bagheri G. ,2013. A review on green energy potentials in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews;vol.533,pp.27-34.
  2. Torcellini P, Pless S, Deru M, Crawley D, . 2006. Zero energy buildings: a critical look at the definition. National Renewable Energy Laboratory and Department of Energy, US
  3. Deng S, Wang R, .Dai Y2014. How to evaluate performance of net zero energy building–A literature research. Energy;vol.71,pp.1-16.
  4. Serag-Eldin M,. 2010. editor Thermal design of a modern, two floor, zero energy house in a desert compound. Thermal Issues in Emerging Technologies Theory and Applications (ThETA), 2010 3rd International Conference on.
  5. Moore T, Morrissey J., 2014. Lifecycle costing sensitivities for zero energy housing in Melbourne, Australia. Energy and Buildings.vol.79.pp.1-11.
  6. 6.         Lu Y, Wang S, Yan C, Huang Z.2017. Robust optimal design of renewable energy system in nearly/net zero energy buildings under uncertainties. Applied Energy. vol.87.pp.62-71.
  7. Saberbari E, Saboori H, editors.2014. Net-zero energy building implementation through a grid-connected home energy management system. Electrical Power Distribution Networks (EPDC), 2014 19th Conference on;
  8. Shen L, Pu X, Sun Y, Chen J.2016. A study on thermoelectric technology application in net zero energy buildings. Energy. vol.113. pp.9-24.
  9. Bisegna F, Burattini C, Manganelli M, Martirano L, Mattoni B, Parise L, editors.2016. Adaptive control for lighting, shading and HVAC systems in near zero energy buildings. Environment and Electrical Engineering (EEEIC), 2016 IEEE 16th International Conference on.
  10. Zhang S, Zhuang Z, Hu Y, Yang B, Tan H. 2016. Applicability Study on a Hybrid Renewable Energy System for Net-Zero Energy House in Shanghai. Energy Procedia.vol.88.pp.768-74.
  11. Molenaar KR, Gransberg DD.2001. Design-builder selection for small highway projects. Journal of Management in Engineering. vol17(4).pp14-23.
  12. Wasilowski HA, Reinhart CF, editors.2009 Modelling an existing building in DesignBuilder/EnergyPlus: custom versus default inputs. Proc Of 11th International IBPSA Conference, Glasgow.
  13. Matiello P, de Melo AC, editors.2011. PiStache: implementing π-calculus in scala. Brazilian Symposium on Formal Methods.
  14. Blair N, Dobos A, Freeman J, Neises T, Wagner M, Ferguson T, et al.2014. System advisor model, sam 2014.1. 14: General description. Nat Renew Energy Lab, Denver, CO, USA, Tech Rep NREL/TP-6A20-61019.
  15. Pennisi G, Scandizzo PL.2006. Economic evaluation in an age of uncertainty. Evaluation. vol.12(1)pp.77-94.

 

 

 



[1] - کارشناسی ارشد در رشته مهندسی برق قدرت، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات، گروه برق و کامپیوتر، تهران، ایران.

[2] -استادیار، گروه برق و کامپیوتر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران(مسئول مکاتبات).

[3] - دانشیار، گروه برق و کامپیوتر، واحد علوم و تحقیقات، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

[4]-M.Sc., Electrical Engineering, Department of Electrical and Computer Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad university, Tehran, Iran 

[5]-Assistant Professor, Department of Electrical and Computer Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran 

[6]-Associate Professor, Department of Electrical and Computer Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran 

  1. Hosseini SE, Andwari AM, Wahid MA, Bagheri G. ,2013. A review on green energy potentials in Iran. Renewable and Sustainable Energy Reviews;vol.533,pp.27-34.
  2. Torcellini P, Pless S, Deru M, Crawley D, . 2006. Zero energy buildings: a critical look at the definition. National Renewable Energy Laboratory and Department of Energy, US
  3. Deng S, Wang R, .Dai Y2014. How to evaluate performance of net zero energy building–A literature research. Energy;vol.71,pp.1-16.
  4. Serag-Eldin M,. 2010. editor Thermal design of a modern, two floor, zero energy house in a desert compound. Thermal Issues in Emerging Technologies Theory and Applications (ThETA), 2010 3rd International Conference on.
  5. Moore T, Morrissey J., 2014. Lifecycle costing sensitivities for zero energy housing in Melbourne, Australia. Energy and Buildings.vol.79.pp.1-11.
  6. 6.         Lu Y, Wang S, Yan C, Huang Z.2017. Robust optimal design of renewable energy system in nearly/net zero energy buildings under uncertainties. Applied Energy. vol.87.pp.62-71.
  7. Saberbari E, Saboori H, editors.2014. Net-zero energy building implementation through a grid-connected home energy management system. Electrical Power Distribution Networks (EPDC), 2014 19th Conference on;
  8. Shen L, Pu X, Sun Y, Chen J.2016. A study on thermoelectric technology application in net zero energy buildings. Energy. vol.113. pp.9-24.
  9. Bisegna F, Burattini C, Manganelli M, Martirano L, Mattoni B, Parise L, editors.2016. Adaptive control for lighting, shading and HVAC systems in near zero energy buildings. Environment and Electrical Engineering (EEEIC), 2016 IEEE 16th International Conference on.
  10. Zhang S, Zhuang Z, Hu Y, Yang B, Tan H. 2016. Applicability Study on a Hybrid Renewable Energy System for Net-Zero Energy House in Shanghai. Energy Procedia.vol.88.pp.768-74.
  11. Molenaar KR, Gransberg DD.2001. Design-builder selection for small highway projects. Journal of Management in Engineering. vol17(4).pp14-23.
  12. Wasilowski HA, Reinhart CF, editors.2009 Modelling an existing building in DesignBuilder/EnergyPlus: custom versus default inputs. Proc Of 11th International IBPSA Conference, Glasgow.
  13. Matiello P, de Melo AC, editors.2011. PiStache: implementing π-calculus in scala. Brazilian Symposium on Formal Methods.
  14. Blair N, Dobos A, Freeman J, Neises T, Wagner M, Ferguson T, et al.2014. System advisor model, sam 2014.1. 14: General description. Nat Renew Energy Lab, Denver, CO, USA, Tech Rep NREL/TP-6A20-61019.
  15. Pennisi G, Scandizzo PL.2006. Economic evaluation in an age of uncertainty. Evaluation. vol.12(1)pp.77-94.