طراحی و ارائه الگوریتم انتخاب سیستم تهویه مطبوع بهینه ساختمان

سیستم تهویه مطبوع عمده ترین مصرف کننده انرژی در ساختمان می باشد. لذا کاهش مصرف انرژی با در نظر گرفتن شرایط آسایش، از مهم ترین سیاست های  کلان کاهش مصرف انرژی و استفاده از انرژی ذخیره شده در بخش های مولد است در این مقاله، تاثیر نوع سیستم تهویه مطبوع یک ساختمان بر کاهش میزان مصرف انرژی آن مورد بررسی قرار می گیرد و با استفاده از آن یک الگوریتم جدید برای انتخاب سیستم تهویه مطبوع بهینه ساختمان ارائه می شود. این الگوریتم قابلیت اجرا برای ساختمان های در حال ساخت و ساختمان های ساخته شده را دارد، به منظور ارزیابی عملکرد روش پیشنهادی یک ساختمان مسکونی پنج طبقه  در شهر تهران به عنوان مورد مطالعاتی در نظر گرفته شده و مراحل بر روی مدل این ساختمان شبیه سازی شده است، مقایسه بین مدال و ساختمان واقعی از لحاظ  مصرف انرژی برای فصل سرمایش و گرمایش کمتر از یک درصد خطا نشان می دهد، که مقدار قابل قبولی می باشد.

١-مقدمه

طبق آمار منتشر شده در آمریکا در سال (۲۰۱۵)، حدود ۴۰ درصد کل انرژی این کشور، در ساختمان های مسکونی و تجاری مورد استفاده قرار گرفته است و ۴۰ درصد از انتشار گازهای گلخانه ای در اثر این مصرف اتفاق افتاده است [۱]. مطابق ترازنامه انرژی سال (۱۳۹۲) در ایران، حدود ۳۴ درصد از کل انرژی به دست آمده از فرآورده های نفت و گاز طبیعی، در ساختمانهای مسکونی، عمومی و تجاری مصرف شده است [۲] از اینرو می توان گفت به طور متوسط در حدود ۵۰ درصد انرژی مصرف شده در ساختمان ها، صرف سیستم تهویه مطبوع می شود [۳]، بنابراین عدم کارایی مناسب سیستم های تهویه مطبوع و سیستم های کنترلی مربوط به آن، در بسیاری از ساختمانها منجر به هدر رفت وسیع انرژی می شود.

استفاده از روش های جدید در طراحی و یا بهینه سازی سیستم های موجود با هدف کاهش مصرف انرژی در این بخش، تاثیر قابل توجهی بر اقتصاد و شرایط زیست محیطی خواهد داشت. دستیابی به کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها به صورت کلی، نیاز به بازنگری در کل فرآیند طراحی، ساخت و عملکرد ساختمان در مصرف انرژی دارد. در ساختمانهای مسکونی از سیستم های تهویه مطبوع مختلف به منظور فراهم کردن شرایط آسایش افراد ساکن استفاده می شود. این سیستم ها شامل اجزای متفاوت و زیادی از جمله چیلر، بویلر، مبدل حرارتی، پمپ و فن میباشند. در حال حاضر سیستم تهویه مطبوع ساختمان ها معمولا با اضافه بار نسبت به بار واقعی ساختمان طراحی می شود تا در صورت نیاز به بار حرارتی بیشتر، قادر به تامین شرایط آسایش باشند. این امر باعث هدر رفت زیاد انرژی در زمان های خارج از پیک بار می شود.

برای بهینه سازی مصرف انرژی در سیستم های تهویه مطبوع روش های موثری از جمله اعمال روش های کنترلی مناسب وجود دارد، اما در گام اول بایستی سیستم مناسب و بهینه برای هر ساختمان انتخاب شود و سپس روش های کنترلی بر روی آن اعمال گردد، به این ترتیب می توان به بالاترین بازده انرژی در ساختمان دست یافت. کاهش مصرف انرژی در سیستم های تهویه مطبوع می تواند تاثیر چشمگیری بر کاهش مصرف انرژی ساختمان داشته باشد، زیرا این بخش بزرگترین مصرف کننده انرژی در ساختمان است. لذا مطالعات زیادی در این زمینه صورت گرفته است. هدف کلی بسیاری از این پژوهش ها طراحی بهینه و مناسب ساختمانها در مرحله قبل از ساخت می باشد. در این مقالات عموما به تاثیر و اهمیت انتخاب مصالح، نوع پنجره ها و عایق کاری پرداخته شده است (۴-۵]. به عنوان نمونه سبحان با بررسی تاثیر مصالح مختلف بر کاهش مصرف انرژی در مجتمع های مسکونی نشان داده است، می توان با استفاده از عایقکاری جداره ها حدود ۱۱/۷ درصد و با استفاده از شیشه های هوشمند الکترو کور میک حدود ۲۷/۳ درصد از صرف انرژی ساختمان کاست. همچنین با اجرای هم زمان عایق کاری جداره ها و استفاده از شیشه های الکتروکورومیک می توان نزدیک به ۴۶٫۳ درصد در مصرف انرژی صرفه جویی کرد (۶)

ويرتا و همکارانش به بررسی تاثیر انواع سیستم تهویه مطبوع بر روی دو ساختمان با مشخصات متفاوت پرداخته اند. ایشان نشان داده اند که طراحی مناسب ساختمان و سیستم تهویه مطبوع آن تا ۷۵ درصد در میزان مصرف انرژی صرفه جویی ایجاد می کند [۷] Kong و همکارانش در پژوهشی به ارائه یک روش برای کاهش میزان مصرف انرژی و هزینه اولیه، با استفاده از طراحی سیستم انرژی ساختمان بر مبنای بهینه سازی چند منظوره پرداخته اند. در این روش از الگوریتم ژنتیک برای بهینه سازی استفاده شده است. هم چنین این روش بر روی دو ساختمان کوچک مورد آزمایش قرار گرفته است. نتایج در مورد یکی از ساختمان ها نشان می دهد با افزایش ۴ درصدی قیمت تجهیزات اولیه می توان مصرف انرژی را تا ۱۴ درصد کاهش داد [۸]. استفاده از روش های متفاوت کنترلی به منظور بهبود عملکرد سیستم تهویه مطبوع یکی از مهم ترین رویکردها در کاهش مصرف انرژی ساختمان ها می باشد.

در بین این روش ها، استفاده از شبکه عصبی [۹]، کنترل پیش بین مبتنی بر مدل (۱۰-۱۲) و منطق فازی [۱۳] در پژوهش های اخیر متداول تر بوده است. بررسی عملکرد روش های پیشنهادی برای کاهش مصرف انرژی ساختمان در مرحله مقدماتی نیاز به مدل دقیقی از ساختمان دارد [۱۴]. لذا افزایش دقت مدل سازی با استفاده از روش هایی نظیر روش جعبه خاکستری ا۱۵] و نرم افزارهای تحلیل انرژی ساختمان مانند Energy Plus و Design Builder [۱۶ و ۱۷] در پژوهش ها مورد توجه قرار گرفته است. با وجود تحقیقات بیان شده، تاکنون پژوهش جامعی درباره الگوریتم انتخاب سیستم تهویه مطبوع بهینه برای هر ساختمان قبل از مرحله ساخت ارائه نشده است. بنابراین در این مقاله به ارائه یک الگوریتم جهت تعیین سیستم تهویه مطبوع ساختمان پرداخته شده است. به منظور بررسی عملکرد الگوریتم پیشنهادی، یک ساختمان مسکونی در شهر تهران به عنوان مورد مطالعاتی، مدلسازی و صحه گذاری شده است. سیستم های تهویه مطبوع مختلف بر روی مدل ساختمان اجرا شده و با مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی و برآورد هزینه های تامین، نصب و نگهداری و هزینه های مصرف انرژی، سیستم بهینه انتخاب می شود .

۲- ارائه الگوریتم انتخاب سیستم تهویه مطبوع بهينه

در این پژوهش سعی شده است یک روش کلی برای طراحی سیستم تهویه مطبوع بهینه ساختمان های بزرگ قبل از مرحله ساخت ارائه شود. همچنین این الگوریتم می تواند به منظور بررسی عملکرد سیستم تهویه مطبوع ساختمان های ساخته شده به کار گرفته شود. هدف کلی این الگوریتم کاهش میزان انرژی مصرفی در ساختمان از طریق کاهش مصرف انرژی در سیستم های سرمایش و گرمایش می باشد. مزیت این روش، قابلیت انتخاب سیستم بهینه در مرحله اولیه است. همچنین سیستم های کنترلی متفاوت می توانند در مراحل بعدی بر روی این سیستم های بهینه اعمال شود و مصرف انرژی با این روش نیز کاهش پیدا کند. الگوریتم پیشنهادی شامل چندین مرحله است که در ادامه ارائه می شود.

۲-۱ – انتخاب ساختمان

این الگوریتم قابلیت اجرا برای ساختمان های در مرحله طراحی و با ساخته شده را دارد. سیستم تهویه مطبوع بهینه با در نظر گرفتن میزان مصرف انرژی و جنبه های اقتصادی برای ساختمان پیشنهاد می شود. در مورد ساختمان های ساخته شده امکان اصلاح و بهبود بازدهی انرژی از طریق تغییرات قابل اجرا در ساختمان وجود دارد. همچنین با طراحی و اعمال سیستم های کنترلی می توان میزان مصرف انرژی را در این ساختمان ها کاهش داد.

۲-۲- جمع آوری اطلاعات

پس از انتخاب نوع ساختمان، مشخصات ساختمان برای مدل سازی مورد نیاز می باشد. بنابراین اطلاعاتی نظیر نقشه های معماری ساختمان، نوع مصالح و جهت گیری بنا می باید مورد بررسی و تحلیل قرار گیرد. همچنین برای ساختمان های ساخته شده اطلاعاتی نظیر برنامه حضور افراد در ساختمان و زمان روشن و خاموش شدن سیستم تهویه مطبوع از ساکنین ساختمان جمع آوری می شود تا با تعریف آنها دقت مدل سازی افزایش یابد.

۲-۳- مدل سازی و صحه گذاری

پس از جمع آوری و تحلیل مشخصات ساختمان می باید میزان تبادل و مصرف انرژی ساختمان مدل سازی شود. روش های متفاوتی برای مدل سازی ساختمان ها وجود دارد. روش پیشنهادی در این الگوریتم استفاده از نرم افزار های تحلیل و شبیه سازی انرژی است، در این زمینه نرم افزارهای زیادی وجود دارند که با توجه به پیشرفت تکنولوژی های مربوط به مدل سازی و شبیه سازی توسعه پیدا کرده اند Quest Energy Plus و Modelica از پر استفاده ترین برنامه های شبیه سازی ساختمان هستند (۱۸ و ۱۹).

در این الگوریتم از نرم افزار Design Buildier به عنوان ابزار مدل سازی ساختمان استفاده میشود Design Builder یک واسط گرافیکی (GUI) برای نرم افزار Energy Plus است، که می تواند تخمینی دینامیک از انرژی مصرفی سرمایش و گرمایش در فصول مختلف، به کاربر ارائه دهد. برای شبیه سازی یک ساختمان در نرم” افزار Design Builder بایستی داده های اولیه به صورت دقیق به نرم افزار وارد شود، تا مدل ایجاد شده رفتار حرارتی مشابه با ساختمان داشته باشد. این اطلاعات در مرحله قبل جمع آوری شده است. به این ترتیب یک مدل اولیه از ساختمان ایجاد میشود. در مورد ساختمان های ساخته شده می توان با استفاده از قبوض برق و با سنسورهای دما در صورت وجود) مدل ایجاد شده را صحه گذاری کرد .

۲-۴ – طراحی و انتخاب سیستم های تهویه مطبوع

در این مرحله انواع سیستم های تهویه مطبوع که امکان اجرای آن ها با توجه به کاربری و موقعیت منطقه ای ساختمان وجود داشته باشد، طراحی و بر روی مدل اجرا می شوند. یکی از مهم ترین مراحل طراحی یک سیستم تهویه مطبوع، انتخاب نوع سیستم است. در این انتخاب بایستی ملاحظات زیر در نظر گرفته شود : شرایط آسایش مورد نظر و چگونگی تامین آن : شرایط کارکرد سیستم ظرفیت سیستیم وضعیت جانمایی و اشغال فضا توسط سیستم هزینه های بهره برداری مانند هزینه های مصرف برق، گاز، آب و هزینه های اولیه، تعمیر و نگهداری با توجه به موارد بیان شده، سیستم های متناسب برای هر ساختمان اتنخاب و طراحی می شوند.

۲-۵ – شبیه سازی و محاسبه میزان مصرف انرژی

پس از طراحی هر یک از سیستم های تهویه مطبوع، شبیه سازی مدل ساختمان به منظور مقایسه میزان مصرف انرژی انجام می شود، برای به دست آوردن میزان مصرف انرژی سیستم تهویه مطبوع، شبیه سازی در بازه های زمانی که در آن سیستم سرمایش روشن است صورت می گیرد. از آنجایی که سیستم ها با جزئیات طراحی شده اند، امکان محاسبه میزان مصرف انرژی برای هر قسمت سیستم تهویه مطبوع و در نتیجه مقایسه بخش های مختلف وجود دارد.

تفکیک میزان مصرف انرژی در بخش های مختلف ساختمان در یک روز از فصل سرمایش در شکل (۱) نشان داده شده است، از نتایج شبیه سازی در محاسبه هزینه انرژی مصرفی استفاده می شود. این هزینه ها بر اساس تعرفه مصرف برق و با لحاظ کردن تصاعدی بودن مصرف محاسبه می شوند، بنابراین بازی شبیه سازی با پستی منطبق بر بازه قبوض برق ساختمان انتخاب شود.

۲-۶- برآورد هزینه

هزینه های تامین، نصب و راه اندازی سیستم های انتخاب شده در مراحل قبل با استعلام از شرکتها و نمایندگی های سیستم های تهویه مطبوع به دست آورده می شود. همچنین هزینه انرژی مصرفی برای هر سیستم در مدت زمان مصرف، با استفاده از نتایج شبیه سازی مدل و تعرفه های انرژی موجود قابل محاسبه می باشد، مجموع این هزینه ها، هزینه کلی هر سیستم را مشخص می کند. به این ترتیب مسائلی مانند بازگشت هزینه اولیه و هزینه های انرژی هر سیستم قابل ارزیابی می باشد.

۷-۲ – تحلیل و انتخاب سیستم بهینه

در گام نهایی، با در نظر گرفتن هزینه های کلی، هزینه های انرژی و همچنین مزایا و معایب هر سیستم بهترین و کارآمدترین سیستم برای ساختمان انتخاب می شود. هدف این الگوریتم انتخاب سیستم سرمایش و گرمایش بهینه برای هر ساختمان با اولویت کاهش میزان مصرف انرژی و با در نظر گرفتن جنبه های اقتصادی است در شکل (۲) مراحل الگوریتم ارائه شده به صورت فلوچارت نشان داده شده است.

٣- اعتبار سنجی الگوریتم پیشنهادی

به منظور ارزیابی عملکرد این الگوریتم و امکان سنجی اجرای آن، در ادامه از یک ساختمان موجود در شهر تهران به عنوان مورد مطالعاتی استفاده شده است .

۱-۳- انتخاب و مشخصات ساختمان

ساختمان مورد مطالعه در سال (۱۳۹۱) در شمال شهر تهران ساخته شده است. این ساختمان دارای پنج طبقه مسکونی با نقشه یکسان و دو طبقه شامل سالن ورزشی و استخر، اتاق تاسیسات، انباری، لابی و پارکینگ می باشد، هر طبقه مساحتی برابر ۳۲۱ متر مربع دارد، بنابراین مساحت کلی ساختمان ۲۲۴۷ متر مربع خواهد بود. سایر اطلاعات مربوط به هندسه از نقشه های معماری ساختمان به دست آورده می شوند. پنجره های ساختمان از نوع دو جداره هستند و فضای بین دو شیشه با ۱۲ میلی متر گاز آرگون پر شده است، جنس و مصالح استفاده شده در دیوارهای داخلی و خارجی از سازندگان با جمع آوری و در جدول (۱) آورده شده است ساختار سیستم تهویه مطبوع ساختمان مورد مطالعه در نرم افزار Design Builder در شکل (۳) نمایش داده شده است.

سیستم سرمایش ساختمان، یک سیستم تمام آب شامل چیلر آب خنک و فن کویل است. آب سرد تهیه شده در چیلر از طریق لوله کشی به فن کویل های موجود در فضاهای مختلف ساختمان برده می شود. سیستم سرمایش معمولا از اوایل خرداد ماه شروع به کار می کتف

گرمایش ساختمان از طریق بویلر و فن کویل صورت می گیرد. سیستم گرمایش علاوه بر گرمایش ساختمان در فصول سرد، وظیفه تولید آب گرم مصرفی در تمام فصول و تولید آب گرم برای استخر را دارد. بنابراین سیستم گرمایش در تمام فصول سال روشن است، اما عمده بار آن معمولا از اوایل آبان ماه تا اواخر اسفند یعنی فصول سرد سال اتفاق می افتد. تعیین برنامه زمانی روشن و خاموش بودن سیستم تهویه مطبوع از مهم ترین پارامتر های مدل سازی درست ساختمان میباشد

۳-۲ – مدل سازی

برای شروع مدل سازی در نرم افزار Design Builder، ابتدا باید هندسه بنا در نرم افزار ایجاد شود، برای مدل سازی بهتر از نرم افزار تخصصی Revit استفاده شده است، تا بتوان هندسه بنا را با جزئیات کامل و دقیق ایجاد نمود. Revit نرم افزار قدرتمندی در معماری است، که قابلیت ایجاد هندسه های پیچیده در فضای سه – بعدی را دارد. مدل ایجاد شده را می توان به محیط Design Builder وارد کرد. با توجه به مشخصات و نقشه های معماری، ساختمان در ۷ بخش و ۱۰۹ منطقه مدل سازی می شود شکل (۴) نمایی از مدل ساختمان در نرم افزار Design Builder و طبقه اول ساختمان را نشان می دهد. در گام بعدی، اطلاعاتی نظیر تعداد افراد ساکن در ساختمان و الگوی حضور افراد، دمای مورد نیاز سرمایش و گرمایش، میزان آب گرم مصرفی، میزان مصرف وسایل متفرقه استفاده شده و بر اساس اطلاعات به دست آمده از سازندگان و ساکنین ساختمان به نرم افزار داده می شود.

Design Builder این اطلاعات را تحت عنوان نیاز می شناسند. در قسمت بعد، مشخصات دیوارهای داخلی و خارجی، سقف و کف، شامل مصالح استفاده شده و ضخامت برای همه قسمت های ساختمان، مطابق جدول (۱) به نرم افزار داده می شود. در مرحله بعد نوع و جنس در و پنجره ها برای قسمت های مختلف ساختمان تعریف می شود. سیستم روشنایی و میزان مصرف در هر قسمت به طور جداگانه مشخص می گردد. در ادامه مشخصات سیستم تهویه مطبوع ساختمان باید به طور دقیق برای نرم افزار تعریف شود. سیستم تهویه مطبوع وظیفه دارد نیازهای تعریف شده برای ساختمان را تامین کند. به این ترتیب با وارد کردن کلیه مشخصات ساختمان در بخش های مربوط، مدل سازی ساختمان در نرم افزار Design Builder کامل می شود و می توان در گام بعدی شبیه سازی و تحلیل ساختمان را انجام داد. شبیه سازی مدل در بازه های مختلف زمانی، خروجی هایی نظیر شرایط آسایش حرارتی (دما و رطوبت نسبی)، بارهای داخلی، میزان مصرف انرژی الکتریکی و گاز و میزان تولید گاز دی اکسید کربن را ارائه می دهد. در شکل رنگ قرمز انرژی مصرفی برای تولید آب گرم مصرفی، رنگ آبی روشن انرژی مصرفی سیستم سرمایش، رنگ آبی تیره انرژی مصرفی وسایل برقی و رنگ زرد انرژی مصرفی سیستم روشنایی را بر حسب کیلو وات نشان می دهد.

۳-۳ – صحه گذاری

برای اطمینان از عملکرد صحیح مدل، بایستی رفتار و نتایج حاصل از شبیه سازی، با ساختمان واقعی مقایسه شود. درصد خطای مدل سازی نشان می دهد پاسخ مدل تا چه اندازه به پاسخ سیستم واقعی نزدیک است. چون ساختمان مسکونی است و سنسورهای دمای نصب شده در محل های مختلف آن دما را فقط به صورت لحظه ای نشان می دهند و این اطلاعات در جایی ذخیره و نگهداری نمی شوند، نمی توان از پارامتر دما برای صحه گذاری مدل استفاده کرد، لذا در این پژوهش برای صحه گذاری مدل، از قبوض برق و گاز مصرفی ساختمان در طول سال استفاده می شود در شکل های (۵) و (۶) نمونه ای از قبوض ساختمان نشان داده شده است صحه گذاری مدل در سه بازه زمانی جداگانه صورت می گیرد تا عملکرد ساختمان در فصل روشن بودن سیستم سرمایش، روشن بودن سیستم گرمایش و خاموش بودن هر دو سیستم ارزیابی شود. میزان خطای نتایج حاصل از شبیه سازی و تحلیل مدل در نرم افزار Design Builder، در بازه های زمانی مختلف و ہراساس مدت زمان قبض های برق و گاز ساختمان، در جدول (۲) آورده شده است. همان طور که از جدول مشاهده می شود، میزان درصد خطای مدل نسبت به ساختمان مقدار قابل قبولی است، بنابراین می توان گفت مدل رفتار حرارتی مشابه با رفتار حرارتی ساختمان واقعی دارد، بنابراین می توان از آن در تحلیل انرژی ساختمان بهره برد.

۴-۳ – بررسی انواع سیستم های تهویه مطبوع

در این بخش انواع سیستم های تهویه مطبوع مناسب برای ساختمان مورد بررسی، طراحی و بر روی مدل ساختمان در نرم افزار Design Builder قرار داده می شود، تا با شبیه سازی در بازه های زمانی متناسبه میزان مصرف انرژی هر سیستم محاسبه گردد. سیستم های تهویه مطبوع به دلیل گستردگی به شکل های متفاوتی دسته بندی می شوند. یکی از عمده ترین این دسته ها مستقل یا مرکزی بودن سیستم تهویه مطبوع است. مزیت اصلی سیستم های تهویه مطبوع مرکزی، کاهش چشمگیر مصرف انرژی ساختمان و ارتقای سطح آسایش کاربران می باشد.

همچنین با حذف کندانسورها در بخش سرمایش سیستم تهویه مطبوع مستقل و پکیج ها و آبگرم کن ها در بخش گرمایش سیستم تهویه مطبوع مستقل، در هزینه های معماری ناشی از اختصاص فضا برای این تجهیزات و مخفی کردن آنها در نمای ساختمان صرفه جویی می شود. علاوه بر این انتخاب سیستم مرکزی می تواند منجر به کاهش ظرفیت پست های برق، تابلوها، کابل کشی ها، کنتور برف واحدها و کلیه موارد مربوط به آن شود. بزرگترین مزیت سیستم های تهویه مطبوع مستقل، استقلال واحدها در زمان روشن و خاموش شدن سیستم می باشد. با توجه به موارد بیان شده و مشخصات ساختمان مورد مطالعه، در این پژوهش صرفا سیستم های تهویه مطبوع مرکزی که استفاده از آنها برای این ساختمان توجیه فنی دارد، مورد ارزیابی و مقایسه قرار گرفته اند.

برای مقایسه اختلاف میزان مصرف انرژی سرمایش، در سیستم های تهویه مطبوع متفاوت، مدل ساختمان را در فصول گرم سال که در آنها سیستم سرمایش روشن است، در نظر گرفته و شبیه سازی در این بازه زمانی با چند نوع سیستم سرمایش متفاوت طراحی شده انجام می شود. در ابتدا توضیح مختصری از این سیستمها بیان شده است ۲۰-۲۲]. نتایج با استفاده از جدول (۳) و شکل (۷) مقایسه خواهند شد.

*سیستم سرمایش با چیلر هوا خنک و حجم هوای متغیر (VAV’ ) از انواع سیستم های تهویه مطبوع تمام هوا می باشد.

در این سیستم ها هوای سرد یا گرم در دستگاه مرکزی تولید و به وسیله باکت به فضاهای ساختمان منتقل می شود، در سیستم های حجم متغیر کنترل سرمایش با گرمایش با ثابت نگه داشتن دمای هوای ورودی و تغيير حجم هوا از طريق دمپر انجام می شود. برای مقایسه، همین سیستم سرمایش با چیلر هوا خنک بر روی مدل ساختمان اعمال شده است .

*سیستم سرمایش با چیلر هوا خنگ و حجم های ثابت (CAV) : سیستم حجم هوای ثابت یکی دیگر از انواع سیستم های تهویه مطبوع تمام هوا می باشند. در این سیستم ها کنترل سرمایش و گرمایش به وسیله تغییر دمای هوای تامینی انجام می شود و حجم هوای ورودی به فضا ثابت است. این سیستم بیشتر برای فضاهایی مناسب است که کنترل فشار در آنها اهمیت دارد. عمده ترین ایراد این سیستم مصرف بالای انرژی به دلیل اتلاف انرژی سرمایش، گرمایش و فن می باشد.

*سیستم سرمایش با چیلر هوا خنک و جریان متغیر سیال (VRF)’ : سیستم های تهویه مطبوع VRF از چندین واحد داخلی متصل به یک واحد خارجی تشکیل شده اند، که توانایی تولید سرما و گرما به صورت همزمان را دارند، نیاز به لوله کشی از مقطع طبقات تا پشت بام و جانمایی و نصب تعداد زیادی کندانسور در یک محوطه مشخص از نقاط ضعف این سیستم می باشد.

*عدم نیاز به مصرف آب از مهم ترین مزایای این سیستم تهویه مطبوع است، استفاده از این سیستم بیشتر برای کاربردهای زیر مناسب می باشد .

-مکان هایی که نیاز به سرمایش موضعی داشته باشند،

-ساختمان های تجاری بزرگ و پاساژها

-محل هایی که هر قسمت از آن دمای خاصی نیاز دارد و با انتخاب دما به عهده افراد است مثل بیمارستان ها

-سیستم سرمایش با چیلر هوا خنک و فن کویل: چیلر هواخنک و فن کویل به عنوان سیستم سرمایش ساختمان در نظر گرفته می شود تا از لحاظ میزان مصرف انرژی با چیلر آب خنک مقایسه شود.

برای مقایسه اختلاف میزان مصرف انرژی گرمایش، در سیستم های تهویه مطبوع متفاوت، مدل ساختمان را در فصول سرد سال که در آنها سیستم گرمایش روشن است، در نظر گرفته و شبیه سازی در این بازه زمانی با چند نوع سیستم گرمایش مرکزی متفاوت انجام می شود.

*سیستم گرمایش با بوبلر و گرمایش از کف، آب گرم تولید شده توسط بویلر وارد لوله هایی که در کف ساختمان قرار گرفته است، می شود. هوای روی لوله ها از طریق انتقال حرارت تابشی و جابه جایی طبیعی گرم شده و به سمت بالا حرکت می کند و هوای سرد جایگزین آن می شود. مهم ترین اشکال این سیستم ها، عدم دسترسی برای تعمیرات می باشد. از مزایای این سیستم می توان به موارد زیر اشاره کرد.

* تبادل کم دما بین کف و دیوارهای سرد .

*سطح تابشی بسیار بزرگ (مساحت فضای گرمایش) .

*دمای پایین آب در حال گردش در سیستم گرمایش از کف (بین ۳۵ تا ۵۰ درجه سانتی گراد).

*سیستم گرمایش با بوبلر و رادیاتور: آب گرم تولید شده توسط بویلر وارد رادیاتور ها می شود (۲۳) در جدول (۴) و شکل (۸) نتایج مقایسه انواع سیستم های گرمایش نشان داده شده است.

۵-۳ – برآورد و مقایسه هزینه

در این بخش اجزا مختلف انواع سیستم های تهویه مطبوع با توجه به نیاز ساختمان و با استفاده از اطلاعات به دست آمده از کاتالوگ ها انتخاب می شود. در مرحله بعد به منظور برآورد و مقایسه هزینه ها قیمتهای سیستم های مختلف یک برند، از شرکت سازنده یا نمایندگی استعلام گرفته می شود (۲۴و۲۵) سعی شده است تجهیزات سیستم های مختلف تا حد امکان از یک برند و یا از برندهای با کیفیت مشابه انتخاب شوند، تا هزینه های اولیه سیستم ها قابل مقایسه باشد. همچنین هزینه انرژی مصرفی در یک فصل سرمایش، با استفاده از داده های شبیه سازی مدل در نرم افزار و تعرفه انرژی محاسبه می شود. تعرفه برق و گاز مصوب سال (۱۳۹۵) در شهر تهران در جداول (۵) و (۷) آورده شده است.

تصاعدی بودن هزینه های مصرف با پستی در محاسبات لحاظ شود، برای بررسی میزان مصرف انرژی و بازگشت هزینه سیستم های مختلف، مدت بهره برداری ده ساله در نظر گرفته می شود، این مدت زمان با توجه به عمر مفید تجهیزات و خدمات شرکت های ارائه دهنده انتخاب شده است، محاسبات مصرف انرژی برای مدت ده سال، با در نظر گرفتن میانگین ۱۰% افزایش تعرفه های انرژی برای هر سال انجام گرفته است (۲۶ و ۲۷). به این ترتیب می توان به بررسی و مقایسه سیستم های مختلف برای یک ساختمان بر اساس تخمین هزینه های کلی مصرف انرژی پرداخت، نتایج مربوط به مقایسه انواع سیستم های گرمایش در جدول (۶) و نتایج مربوط به مقایسه انواع سیستم های سرمایش در جدول (۸) نمایش داده شده است.

۴- تحلیل نتایج

۱-۴- سیستم های سرمایش

سیستم های تهویه مطبوع از نظر بازدهی انرژی، هزینه اولیه و هزینه های جاری می توانند مورد بررسی و مقایسه قرار بگیرند. هدف از این بررسی انتخاب سیستم بهینه برای هر ساختمان است، تا به این ترتیب در مصرف انرژی و هزینه ها صرفه جویی ایجاد شود. برای مقایسه سیستم های سرمایش از جداول مربوط و نمودارهای شگل (۹) استفاده می شود. در این نمودارها میزان هزینه ها بر واحد مترمربع ساختمان نشان داده شده است، تا امکان مقایسه و تخمین هزینه برای ساختمان های مشابه فراهم باشد.

با توجه به اطلاعات جمع آوری شده و نتایج شبیه سازی، در مورد مقایسه بین سیستم چیلر آب خنک و سیستم چیلر هوا خنک می توان گفت هزینه اولیه نصب چیلرهای آب خنک، به دلیل وجود برج خنک کن و نیاز به لوله کشی، از هزینه راه اندازی اولیه نصب چیلرهای هواخنک، ۱۰۰ میلیون ریال بیشتر است، که این اختلاف هزینه اولیه در طول مصرف به دلیل بازدهی بالاتر این چیلرها جبران می شود. مصرف برق سیستم چیلر آب خنک در طول یک سال ۸۴ میلیون ریال کمتر از سیستم چیلر هواخنک خواهد بود. به این ترتیب هزینه اولیه اضافی در طول دو سال جبران می شود این در حالیست که با استفاده از این سیستم در طول ۱۰ سال، حدود ۵۰۰ مگاوات ساعت در مصرف انرژی برق صرفه جویی خواهد شد.

مصرف انرژی مربوط به سیستم سرمایش، در حالت استفاده از سیستم چیلر هواخنک به عنوان سیستم سرمایشی تهویه مطبوع ساختمان، در حدود دو برابر مصرف انرژی در حالت استفاده از سیستم چیلر آب خنک است. همچنین در حالت استفاده از سیستم چیلر آب خنک، به دلیل گردش آب تا برج خنک کن در سیکل سرمایش چیلر، مصرف انرژی مربوط به پمپها بسیار بیشتر از سیستم چیلر هواخنک است، بنابر نتایج ارائه شده، استفاده از چیلر آب خنک به جای چیلر هوا خنک در سیستم سرمایش ساختمان های مشابه در شهر تهران، توجیه فنی و اقتصادی دارد علاوه بر مطالب بیان شده، چیلرهای آب خنک معمولا عمر بالاتری نسبت به چیلرهای هوا خنک دارند.

عمر مفید چیلرهای آب خنک ۲۰ تا ۲۵ سال و چیلرهای هوا خنک ۱۰ تا ۱۵ سال تخمین زده می شود، که دلیل این موضوع نصب چیلرهای هوا خنک در محیط های باز می باشد [۲۸]. بزرگترین مزیت استفاده از سیستم چیلر هواخنک در مقایسه با سیستم چیلر آب خنک ، حذف برج خنک کننده و در نتیجه نیاز هایی مثل آب جبرانی، تصفیه آب، تعمیرات و نگهداری می باشد . در مورد انتخاب تحویل دهنده مقایسه بین فن کویل، هواساز حجم ثابت و هواساز حجم متغیر صورت گرفته است.

بنابر نتایج ارائه شده، استفاده از هواساز حجم متغیر و حجم ثابت به دلیل استفاده از داکت به جای فن کویل، هزینه اولیه را به ترتیب به مقدار ۷۴۶/۴ و ۹۴۱۴ میلیون ریال نسبت حالت استفاده از فن کویل کاهش می دهد. استفاده از این سیستم ها همراه با چیلر هوا خنک، در طول ۱۰ سال مصرف انرژی برق را به ترتیب ۱۶۸ و ۲۵۴ مگاوات ساعت نسبت به استفاده از سیستم فن کویل و چیلر هوا خنک افزایش می دهد و هزینه کلی برای هواساز حجم متغیر و حجم ثابت به ترتیب ۲۰۶ و ۱۲۱ میلیون ریال نسبت به استفاده از فن کویل افزایش دارد، از نظر صرفه اقتصادی کلی و تمرکز بر میزان مصرف برق و با توجه به تاثیر کاهش مصرف انرژی بر کاهش میزان مصرف سوخت و آلودگی، استفاده از فن کویل برای این ساختمان توجیه پذیر خواهد بود .

با توجه به جداول مربوطه میزان مصرف انرژی در سیستم VRF نسبت به سیستم تهویه مطبوع ساختمان یعنی چیلر و فن کویل، به مقدار قابل توجهی بیشتر است برای مدت ۱۰ سال این سیستم در مقایسه با چیلر آب خنک و فن کویل ۳۰۰ مگاوات ساعت مصرف بیشتر دارد. هزینه کلی این سیستم برای مدت ۱۰ سال ۶۱۵ میلیون ریال بیشتر از سیستم چیلر آب خنک و فن کویل خواهد بود. همچنین به دلیل جدید بودن این تکنولوژی و عدم وجود تجربه کافی برای تعمیرات، پراکندگی کندانسورهای موجود و گران بودن قطعات یدکی، هزینه های نگهداری این سیستم ها بالا می باشد. این در حالیست که طول عمر سیستم های VRF در حدود ۱۵ سال و طول عمر سیستم های چیلر آب خنک و فن کویل در حدود ۲۵ سال می باشد. با توجه به تمام موارد ذکر شده، استفاده از سیستم چیلر و فن کویل به نسبت سیستم VRF برای این ساختمان اقتصادی تر خواهد بود.

۲-۴ – سیستم های گرمایش

برای مقایسه از جداول مربوط و شکل (۱۰) استفاده می شود. در این مقاله دو نوع سیستم گرمایش متفاوت با سیستم اصلی ساختمان مورد بررسی قرار گرفته است. سیستم گرمایشی بویلر و گرمایش از کف، مصرف انرژی را نسبت به سیستم اصلی ساختمان (بویلر و فن کویل) افزایش داده است.

در سیستم گرمایش از کف زمان پاسخ گویی سیستم بسیار کند می باشد، یعنی زمان زیادی لازم است تا گرما از مصالح کف ساختمان عبور کرده و به گل برساند. همچنین در صورت اضافه بار زمان زیادی برای کاهش دما مورد نیاز است تعمیر و نگهداری این سیستم ها با مشکلات زیادی همراه است. علاوه بر این برای فصل در همایش هایی از یک توزیع کننده مانند. فن کویل یا هواساز استفاده شود. سیستم گرمایشی بویلر و رادیاتور، مصرف انرژی را به نسبت سیستم گرمایش ساختمان، یعنی بویلر و فن کویل افزایش داده است این مقدار افزایش در مقایسه با سیستم گرمایش از کف بیشتر بوده است.

هزینه اولیه برای این سیستم تا حد زیادی از دو سیستم دیگر پایین تر است و می تواند به عنوان سیستم گرمایشی فعلی ساختمان مورد استفاده قرار گیرد، با این وجود سیستم فن کویل به دلیل مشترک بون دستگاه توزیع کننده در سرمایش و گرمایش از لحاظ صرفه جویی در فضای ساختمان و اصول زیباسازی نسبت به رادیاتور دارای مزیت می باشد.

با توجه به هدف مهم کاهش مصرف انرژی استفاده از سیستم پویلر و فن کویل به دلیل صرفه جویی ۶۰۰۰۰ و ۵۰۰۰ مترمکعب معادل با ۵۲۰ و ۶۳۰ مگا وات ساعت نسبت به گرمایش از کف و رادیاتور در مصرف گاز در طول ۱۰ سال به عنوان سیستم گرمایشی ساختمان توصیه می شود .

۵- نتیجه گیری

در این مقاله یک الگوریتم جدید به منظور انتخاب سیستم تهویه مطبوع بهینه برای ساختمانهای در حال ساخت و یا اصلاح و بهبود عملکرد ساختمان های ساخته شده ارائه شده است. یک ساختمان مسکونی در شهر تهران به عنوان مورد مطالعاتی مورد بررسی قرار گرفته است تا عملکرد روش پیشنهادی ارزیابی و اعتبار سنجی شود. با شبیه سازی ساختمان و اجرای الگوریتم طراحی شده دیده می شود که سیستم چیلر و فن کویل برای ساختمان مورد مطالعه در این پژوهش، انتخابی مناسب با در نظر گرفتن مصرف انرژی و هزینه ها می باشد، همان گونه که در این پژوهش سیستم تهویه مطبوع بهینه بر اساس امکان سنجی و کمترین میزان مصرف انرژی برای یک ساختمان مسکونی اتنخاب شد، می توان از این روش برای تعیین سیستم تهویه مطبوع بهینه ساختمان های در حال ساخت استفاده کرد در کشور ما سوخت های فسیلی اصلی ترین منبع تامین انرژی در بخش های مختلف است. از سوی دیگر ساختمان های تجاری و مسکونی از عمده ترین مصرف کنندگان انرژی هستند. به دلیل کاهش منابع و افزایش آلودگی ناشی از سوخت های فسیلی، کاهش میزان مصرف انرژی بایستی در اولویت طراحی ساختمان ها و انتخاب سیستم تهویه مطبوع آنها قرار بگیرد.

مراجع

[1] U.S. DOE, Buildings Energy Data Book, http://buildingsdatabook.eren.doe.gov/ (2014).

WWW.SID.ir

[۲] ترازنامه انرژی، معاونت امور برق و انرژی، دفتر برنامه ریزی کلان برق و انرژی (۱۳۹۲

[3] Europe’s Buildings under the Microscope, Buildings Performance Institute Europe,(2011).کارایی

(۴) فخری، زه تاساء ا، امیدی آوج، مریم.. “بررسی مصالح هوشمند در معماری نوین و تاثیرات آن در افزایش ساختمان “، اولین کنفرانس تخصصی معماری و شهرسازی ایران، تهران (۱۳۹۴)

[5] Lobaccaro, G., Fiorito, F., Masera, G., and Poli, T., “District Geometry Simulation: a

Study for the Optimization of Solar Facaded in Urban Canopy Layers”, Energy Procedia, Vol. 30, pp. 1163-1172, (2012).

|| نسيم سبحان، ل ” بررسی تاثیر مصالح مختلف بر کاهش مصرف انرژی در مجتمع های مسکونی با استفاده از نرم افزار

” Design Builder

17] Virta, M., Itkonen, H., Mustakalliol, P., Kosonen, R., and Oy, H., “Energy EfficientHVAC-System and Building Design”.

[8] Kong, D.S., Jang, Y.s., and Huh, J.H., “Method and Case Study of Multiobjective

Optimization-based Energy System Design to Minimize the Primary Energy use and Initial Investment Cost”, MDPI Journal, Energies, Vol. 8, pp. 6114-6134, (2015).

[9Nassif, N., “Modeling and Optimization of HVAC Systems using Artificial Neural

Network and Genetic Algorithm”, Building Simulation, Vol. 7, Issue 3, pp. 237-245, (2016).

(10) Martincevic, A., Vasak, M.,and Lesic, V., “Model Predictive Control for Energy-saving

and Comfortable Temperature Control in Buildings”, 24th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED), Athens, Greece, 21-24 June (2016).

(11) Raissi Dehkordi, V., and Candanedo, J.A., “A Multi-level MPC Simulation Study in a

School Building”. International High Performance Buildings Conference, Indiana, USA, (2016).

(12) Lauro, F., Moretti, F., Capozzoli, A., and Panzieri, S., “Model Predictive Control for

Building Active Demand Response Systems”, Energy Procedia, Vol. 83, pp. 494-503, (2015).

[13] خدایاری، ع ر “طراحی کنترلر یا منطق فازی برای بهبود عملکرد سیستم های HVAC”, کارشناسی ارشد، دانشگاه

خواجه نصیرالدین طوسی (۱۳۸۵)

[14) Hazyuk, I, Ghiaus a, C.and Penhouet, D., “Optimal Temperature Control of

Intermittently Heated Buildings using Model Predictive Control: Part 1 – Building modeling”, Building and Environment, Vol. 51, pp. 379-387. (2011).

WWW.SID.ir

[15] نظری، م.، غفاری، ع.، “طراحی مدل برخط سیستم تهویه مطبوع اتاق تمیز به منظور ارزیابی روش های کنترلی با روش

جعبه خاکستری”، مجله مهندسی مکانیک مدرس، مهر ۱۳۹۵، دوره ۱۶، شماره ۱۳، ویژه نامه مجموعه مقالات کنفرانس، ص ص ۱۷۱-۱۷۴. |

(16) Lam, K.P., Zhao, J., Ydstie, B.E., Wirick, J., and Qi, M., “An Energy Plus whole

Building Energy Model Calibration Method for Office Buildings using Occupant Behavior Data Mining and Empirical Data”, ASHRAE/IBPSA-USA Building Simulation Conference, Atlanta, GA, pp. 160-167, (2014).

[17] Esabegloo, A., Haghshenas, M, and Borzoui, M., “Comparing the Results of Thermal

Simulation of Rasoulian House in Yazd by Design Builder Software, with Experimental Data”, International Journal of Architecture & Urban Planning, Vol. 26, pp. 121-130 (2016).

[18] Crawley, D.B., Hand, J.W., Kummert, M., and Griffith, B.T., “Contrasting the

Capabilities of Building Energy Performance Simulation Programs”, Building and Environment, Vol. 43, No. 2, pp. 661-673. (2008).

(19) EnergyPlus, EnergyPlus Engineering Reference: the Reference to EnergyPlus

Calculations, Lawrence Berkeley National Laboratory, (2009).

(20) McDowall, R., “Fundamentals of HVAC Systems”, Elsevier Science & Technology,

(2007).

[21] وکیل الرعایا، و “طراحی سیستمهای تهویه مطبوع با نرم افزار Carrier V45 “چاپ سوم، انتشارات صانعی (۱۳۹۳)

(22) خاکپور، ب.، “سیستم های تاسیسات تهویه مطبوع”، چاپ اول، انتشارات بزدا (۱۳۹۰).

(23) ایزدخواه، م.، خالی مقدم، که یزدانی، ک، گرمایش از کف”، چاپ دوم، انتشارات نوآور (۱۳۹۳) ۲۴۱) شرکت تهویه نیا، نماینده انحصاری سیستم های تهویه مطبوع سرمایشی و گرمایشی برندهای اجنرال، گری، هیتاچی ويؤمن و سایر برندها در ایران (‘http://www.nia-ir.Cott)

(أ25) شرکت سوپر پایپ

http://www.superpipe.ir [26] وزارت نیرو، شرکت های توزیع نیروی برق، شرکت توزیع نیروی برق استان تهران (‘

p://WWW.IVEde, if الك

(27) شرکت ملی گاز ایران، شرکت گاز استان تهران (

http://www.tehrangasco.ir )

(28) Barot, J.M., “Comparative Analysis of HVAC System Based on Life Cycle Cost

Analysis”. Journal of Engineering Research and Applications Vol. 4, pp. 171-174, (2014).

Abstract

HVAC systems are the biggest energy consumers in buildings. Hence, reducing energy consumption in this sector, while maintaining thermal comfort can be one of the vital policies in order to use saved energy in industrial section. In this paper, we proposed an HVAC system optimization algorithm to analyze and compares the effect of using different HVAC systems on energy consumption reduction. The purpose of this algorithm is to choose the best HVAC system for a building with respect to energy consumption in the pre-construction stage or to improve and optimize its performance in the constructed buildings. The performance of the proposed algorithm is based on choosing the right HVAC system with respect to the reduction of the energy consumption in the building and initial and current costs. A five story residential building in Tehran has been considered as a case study to analyze proposed algorithm performance. The comparison between the model and building’s real energy consumption shows less than one percent error which is acceptable.