کتاب مقدمه‌ای بر مسکن صفر انرژی

عنوان صفحه
مقدمه 11
فصـل اول: مسکن و انرژی 15
اصل حفاظت انرژی در معماری 17
انرژی و محیط‌زیست 18
مدیریت انرژی 19
انرژی مصرفی جهت ساخت بنا 20
انرژی مصرفی در استفاده از بنا 21
فصـل دوم: مفهوم ساختمان صفر انرژی 39
توسعه پایدار، انرژی صفر 39
موقعیت جهانی انرژی 39
پایداری در معماری 40
ابعاد معماری پایدار 41
تعریف مفهوم کلی ساختمان انرژی صفر 41
بحران انرژی و ضرورت ساختمان انرژی صفر 43
منابع ذخیره انرژی و انواع آن 48
اصل حفاظت انرژی در معماری 50
بهینه‌سازی انرژی 51
انرژی و محیط‌زیست 53
بررسی اجمالی انرژی صفر 54
بررسی ساختمان انرژی صفر 56
اصول ساختمان انرژی صفر 59
بررسی کاهش انرژی در ساختمان انرژی صفر 60
انرژی‌های نهان 60
ایزولاسیون 61
مدیریت انرژی 61
تولید انرژی در ساختمان 62
بایسته‌های طراحی ساختمان انرژی صفر 64
اصول طراحی ساختمان انرژی صفر 65
انرژی مصرفی جهت ساخت بنا 65
انرژی مصرفی در استفاده از بنا 66
نکات اجرایی در ساختمان انرژی صفر 68
چالش‌های معماری انرژی صفر در ایران 68
معرفی نرم ‌افزارهای شبیه‌سازی انرژی 70
فصـل سوم: نمونه مطالعاتی مسکن برای دستیابی به مفهوم صفر انرژی 73
روش انجام مطالعات: 73
روش مطالعه 73
ابزارهای گردآوری اطلاعات مطالعه 74
شناخت مکان (مطالعات سایت) 74
مشخصات کلی شهر اصفهان 74
ویژگی‌های اقلیمی شهر اصفهان 75
راهبردهای طراحی در اقلیم و معماری اصفهان 79
ویژگی‌های معماری بومی مناطق گرم و خشک 79
فرم ساختمان در اقلیم گرم و خشک 80
تهویه مورد نیاز در اقلیم گرم و خشک 81
انتخاب مصالح ساختمانی متناسب با اقلیم گرم و خشک 81
مکان‌یابی ساختمان جهت طراحی و انتخاب مصالح با رویکرد کاهش مصرف انرژی در اقلیم اصفهان 82
یافته های حاصل از تحقیقات پژوهشگر 86
تحلیل مدل: 87
منـابع و مآخـذ 95

انرژی مصرفی جهت ساخت بنا

با وجود آنکه در تعاریف ارائه ‌شده از ساختمان‌های صفر انرژی، مباحث مربوط به انرژی مصرف ‌شده جهت ساخت بنا مورد کم ‌توجهی قرار گرفته است، مؤسسات تبیین و تدوین رتبه‌بندی انرژی ساختمان‌ها این عوامل را به‌ دقت بررسی نموده و امتیاز ویژه‌ای را برای آن در نظر گرفته‌اند. کنسول ساختمان‌های سبز آمریکا به نام رهبری در طراحی انرژی و محیط و شیوه موسسه تحقيقات ساختمان انگلستان به نام روش ارزیابی محیطی مصالح استفاده ‌شده در ساخت بنا را به ‌دقت مورد بررسی قرار داده‌اند. به ‌طور کلی انرژی مصرف ‌شده جهت ساخت در دو بخش مصالح مانند چوب و سازه بتنی و فولادی مورد بررسی قرار گرفته است (روگرز 2019).

در راستای انتخاب صحیح مصالح کم‌ کربن و کم انرژی برای ساختمان، ضروری است که طراح بنا ارزیابی عمر مفيد مصالح را در نظر داشته باشد. ارزیابی عمر مفید مصالح به بررسی تمامی اثرات زیست‌ محیطی مصالح می‌پردازد. این ارزیابی شامل رد پای کربن[1]، ضریب کل انرژی مصرفی[2]، تأثیرات زیست‌محیطی و اقتصادی مصالح ساختمانی از لحظه استخراج از معادن، هنگام تولید، در طول حمل‌ و نقل، در هنگام استفاده و نگهداری و تا زمان بازیافت با استفاده مجدد می‌باشد (خیاطیان،1396).

انرژی مصرفی در استفاده از بنا

اصول طراحی ساختمان‌های صفر انرژی جهت کاهش مصرف انرژی هنگام استفاده از بنا به پنج دسته عمده تقسیم می‌شود:

جلوگیری از اتلاف انرژی: در طراحی ساختمان‌های صفر انرژی، جلوگیری از تلفات انرژی مهم‌ترین عامل صرفه‌جویی در مصرف انرژی است. تلفات انرژی کمتر به معنی نیاز به تولید گرما یا سرمای کمتر توسط دستگاه‌های تهویه مطبوع است. تلفات انرژی در ساختمان عموماً از جداره‌ها صورت می‌گیرد؛ بنابراین تمامی جداره حرارتی یا به ‌عبارت‌ دیگر مرز فضاهای تهویه شده با فضاهای تهویه نشده باید در پلان و مقطع مشخص‌شده و به ‌صورت کامل و پیوسته عایق باشد. نکته بسیار مهم در طراحی جداره حرارتی ساختمان‌ها حذف پله‌ای حرارتی می‌باشد. پله‌ای حرارتی محل اتصال اجزاء ساختمان (عموماً سازه) از داخل بخش‌های تهویه شونده به خارج از این محدوده هستند. این اتصال در صورت عدم ایزولاسیون و ایجاد شکست حرارتی صحیح باعث اتلاف انرژی از طریق رسانش می‌باشد (کاظمی،1396).

تجهیزات کم‌مصرف: استفاده از تجهیزات و وسایل منازل مسکونی تنها به تجهیزات الکترونیکی محدود نمی‌شود. در راستای کنترل میزان مصرف آب‌های شیرین، محدودیت‌هایی بر مبنای تعداد ساکنین خانه تدوین‌شده است (کنر،1396).

استفاده حداکثری از انرژی خورشید و باد: با توجه به اینکه حدود ۵۰% از انرژی خانه‌های معمولی توسط سیستم‌های سرمایشی و گرمایشی مصرف‌شده و سهم روشنایی نور طبیعی حدود ۸۰٪ از کل انرژی مصرفی خانه‌ها می‌باشد، استفاده حداکثری از انرژی خورشید و باد جهت سرمایش و گرمایش و به‌کارگیری نور طبیعی جهت روشنایی منازل اجتناب‌ناپذیر است. بر طبق استانداردهای تدوین‌شده توسط رهبری در طراحی انرژی و محیط، ۹۰٪ از فضای اشغال‌ شده خانه‌ها باید دارای نور و منظر طبیعی باشد. در این راستا طراحان باید به ضریب نور طبیعی توجه ویژه‌ای داشته باشند. حداقل میزان نور طبیعی برای فضاهای منازل مسکونی ۲ می‌باشد. سیستم‌های سرمایش و گرمایشی نقش بسزایی را در کاهش بار حرارتی ساختمان ایفا می‌کنند (حاج سقطی،1398).

استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر: در تعریف ساختمان‌های صفر انرژی چنین عنوان شد که این بناها مقدار انرژی اندک لازم جهت ایجاد شرایط آسایش ساکنین را از طريق انرژی‌های تجدیدپذیر تأمین می‌کنند. با وجود آنکه انرژی‌های تجدیدپذیر تنها 7/16 درصد کل انرژی تولید شده در دنیا را به خود اختصاص داده‌اند، شتاب افزایش استفاده از این منابع تجدیدپذیر کاملاً چشمگیر است (خیاطیان،1396).

سیستم‌های هوشمند نظارت و کنترل انرژی در ساختمان: مطالعات انجام‌ شده نشانگر این است که یکی از دلایل اصلی مصرف بالای انرژی بی‌دقتی در استفاده از تجهیزات است؛ بنابراین تطبیق با استانداردهای خانه‌های صفر انرژی برای ساکنینی که به شیوه زندگی بهینه عادت ندارند بسیار دشوار است. علاوه بر این ساکنین یک‌ خانه زمان لازم برای نظارت بر تمامی بخش‌های منزل را نداشته و همچنین اطلاعات چندانی از نحوه کار سیستم‌های تأسیساتی ندارند؛ بنابراین لزوم استفاده از یک شبکه هوشمند جهت نظارت و کنترل بر تمامی بخش‌های خانه به‌صورت ۲۴ ساعته، ضروری می‌نماید. این شبکه به ‌عبارت ‌دیگر مدیریت هوشمند ساختمان نام دارد. شبکه مذکور به یک یا چند کنترل‌کننده منطقی قابل ‌برنامه‌ریزی متصل شده و وظیفه نظارت و کنترل بخش‌های تأسیساتی ساختمان را به عهده دارد. درواقع در این سیستم، تمامی سیستم‌های پیشین به یک واحد کنترل ‌کننده مرکزی وصل می‌شود که خود به وب سرور متصل است. سیستم هوشمند کنترل روشنایی[3]، سیستم هوشمند پیش‌بینی وضع هوا[4] و همچنین سیستم کنترل هوای مناطق حرارتی از زیرمجموعه‌های شبکه

هوشمند ساختمانی می‌باشند (بوگن بیلیانتون،2017).

کیفیت مصالح ساختمان جهت بهینه سازی مصرف انرژی

انتخاب مصالح در مناطق سرد: در مناطق سرد هدف اصلی حفظ حرارت در داخل ساختمان است و عمده ترین عامل در این مورد، مقاومت حرارتی دیوارهای جانبی ساختمان است. انتخاب مصالح در مناطق گرم: مهمترین عوامل تعیین کننده ی ویژگی مصالح ساختمانی مناسب برای مناطق گرم، حداکثر دمای روزانه هوا و دامنه نوسان آن است. مقدار پرتوی خورشید جذب شده در دیوار نیز، از عوامل مهم دیگری است که به جهت قرارگیری و رنگ سطح خارجی دیوار بستگی دارد. مهمترین ویژگی مصالح ساختمانی به مقاومت حرارتی(R) و ظرفیت حرارتی (Q) آن بستگی دارد. به طور خلاصه، مصالح مفید برای خنک نگه داشتن ساختمان به صورت طبیعی عبارتند از: دیوارهای بتنی با ظرفیت حرارتی زیاد که سطح خارجی آنها به وسیله یک لایه عایق حرارتی مانند پشم سنگ یا پلاستیک منبسط شده که خود بوسیله مصالح ضدرطوبت پوشانده شدند، پوشیده شده است .

نحوه استفاده از انرژی در ساختمان های انرژی صفر

ساختمانها انرژی صفر، انرژی در دسترس را برای تامین نیازهای الکتریسیته، گرمایشی با سرمایشی مورد استفاده قرار می دهد. در مورد هر خانه تکنولوژیهای ریز تولید مختلف ممکن است برای تامین گرما و الکتریسیته برای ساختمان بوسیله سلول های خورشیدی یا توربین های بادی برای الکتریسیته و سوخت های فسیلی یا جمع کننده های گرمای خورشیدی مرتبط با مخزن انرژی گرمایی فصلی (STES) برای گرم کردن فضای آزاد مورد استفاده قرار بگیرد. یک مخزن انرژی گرمایی فصلی را می توان برای سرما سازی در تابستان بوسیله ذخیره کردن سرمای زیرزمین در زمستان مورد استفاده قرار داد. برای سرو کار داشتن با نوسانات مورد نیاز، ساختمانهای انرژی صفر غالبا به شبکه الکتریسیته متصل می شوند و الکتریسیته را به شبکه منتقل می کند البته در زمانیکه مازاد باشد و زمانیکه الکتریسیته کافی تولید نمی شود الکتریسیته را به طرف خود می کشد . ساختمانهای دیگر ممکن است به طور کامل خودکار باشند. مصرف انرژی غالبأ زمانی موثرتر می باشد که در یک منطقه ولی در مقیاس ترکیبی به عنوان مثال یک گره خانه ها، مسکن های گروهی، منطقه، روستا و غیره. به جای خانه به خانه انجام شود. یک بهره انرژی از چنین مصرف منطقه ای از انرژی، حذف مجازی افت انتقال و توزیع الکتریسیته می باشد. مقدار این اتلاف ها در حدود ۲٫۷ تا ۴ / ۷ درصد از انرژی منتقل شده می باشد. مصرف انرژی در کاربردهای تجاری و صنعتی بایستی از نقشه برداری هر منطقه بهره مند شود. تولید کالا تحت مصرف انرژی فسیلی صفر به موقعیت منابع حرارت مرکزی زمین، نیروی میکرو محرکه آب، خورشیدی و باد برای حفظ این مفهوم نیازمند می باشد. مجاورت های انرژی صفر، همچون ایجاد Bed ZED در انگلستان و آنهایی که به سرعت در کالیفرنیا و چین در حال گسترش می باشند ممکن است از طرح های تولید توزیع شده استفاده کنند. این ممکن است در بعضی موارد شامل گرمای منطقه، آب سرد برای مردم، توربین های باد مشترک و غیره باشد.

طرحهای حاضر برای استفاده از تکنولوژیهای ZEB برای ساخت کل شهرهایی که از انرژی صفر یا مستقل از شبکه استفاده می کنند وجود دارد.

بررسی نمونه های موردی ساختمان صفر انرژی در جهان

خانه الکوترا در کانادا

اولین خانه ساخته‌ شده در کانادا به‌عنوان یکی از پروژه‌های برتر ZE  در سال 2007 شناخته ‌شده است. هدف از طراحی خانه این بوده است که با ترکیب تکنیک‌های ساخت ‌و ساز کارآمد انرژی و سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر، راهنمای انرژی مؤثری را برای خانه‌های کانادا به دست آورند و اثرات منفی روی محیط‌زیست را به حداقل برساند.

مصرف انرژی ساختمان: با توجه به محل قرارگیری ساختمان و پس از تعیین متوسط دماهای داخل، مشخص شد که گرمایش فضا بخش مهمی از مصرف انرژی سالانه را شامل می‌شود. در این خانه برای گرمایش فضاها از سیستم حرارتی BIPV تعبیه‌شده در بام ساختمان استفاده کردند که بار گرمایش را در ماه‌های گرم سال حدود ۳۸۰۰ کیلووات ساعت کاهش داد (کاظمی،1396).

برای نشان دادن اثر انرژی صفر ساختمان، به کمک روش اندازه‌گیری خالص، با توجه به تکنولوژی‌های تجدیدپذیر نصب ‌شده در خانه نمودار زیر ترسیم می‌گردد. همان‌طور که ملاحظه می‌شود، در این منحنی میزان مصرف و تولید انرژی برای این ساختمان نشان داده‌ شده و تعادل خالص، به مفهوم انرژی خالص صفر، مشخص‌شده است. مازاد انرژی تولیدشده توسط فن‌آوری انرژی‌های تجدیدپذیر برای تغذیه شبکه بکار می‌رود (کاظمی،1396).

آپارتمان مسکونی کوپاس در فنلاند

این ساختمان به‌عنوان اولین ساختمان مسکونی با مجموع انرژی صفر در کشور فنلاند و در شهر کوپاس می‌باشد که در ۴ طبقه و ۴۷ واحد برای دانش آموزان معلول در فوریه سال ۲۰۱۱ ساخته‌ شده است. میانگین دمای متوسط سالانه این منطقه کمتر از ۳ درجه می‌باشد و هزینه ساخت آن بدون در نظر گرفتن پارکینگ برابر ۲۷۰۰ یورو به ازا هر مترمربع است (بوگن بیلیانتون،2017).

به دنبال هزینه بالا و بازدهی پایین انرژی خورشیدی در کشورهای شمال اروپا، کم کردن مصرف انرژی از هدف‌های اولیه و مهم در طراحی می‌باشد. برای رسیدن به این مهم، کم کردن هدایت حرارتی و جلوگیری از نشت هوا یکی از راه‌ها می‌باشد که با استفاده از عوامل زیر امکان‌پذیر است.

• بالا بردن میزان عایق‌ها و جلوگیری از ایجاد پل حرارتی با استفاده از سازه‌های با Value
• استفاده از در و پنجره با هدایت حرارتی پایین
• اختصاص فضای کوچک‌تر به درها و پنجره‌ها
• درزبندی تمام اجزاء به‌ کار رفته در ساختمان (بوگن بیلیانتون،2017).