کتاب کاهش مصرف انرژی در سامانه تهویه مطبوع ساختمان

مقدمه 9
فصـل اول 13
ساختمان سبز 13
فصـل دوم 23
الگوی استفاده از المان های سبز 23
المان¬های سبز مرتبط با کاهش مصرف انرژی-نمای بیرونی 25
روزنه 25
روزنه و انواع آن 25
انواع پنجره هوشمند 26
الکترو کرومیک 27
ترموکرومیک 29
فوتوولتا کرومیک 33
گاز کرومیک 34
کریستال مایع 35
نتایج حاصل از بررسی پنجره های هوشمند 35
توجیه اقتصادی استفاده از پنجره های هوشمند 36
دیوار¬ها 37
دیوار خورشیدی غیر عامل 37
دیوارهای بتنی سبک 41
دیوار با ذخیره گرمای نهان 41
بام 41
بام سبز 42
ساختار بام سبز 43
بام فتوولتاییک 44
ساختار بام فتوولتاییک 45
بام تبخیری 45
بام خنک (بازتاب دهنده تشعشعات خورشید) 46
المان¬های سبز مرتبط با کاهش مصرف انرژی – داخل ساختمان 47
تهویه 47
اصول خنک کاری 47
خنک کاری به کمک طراحی نما 48
خنک کاری بر اساس روش های منفعل و ترکیبی 48
فری کولینگ 49
خورشیدی غیر فعال 51
المان¬های سبز مرتبط با تولید انرژی – انرژی حرارتی 53
آبگرم کن خورشیدی 53
المان¬های سبز مرتبط با تولید انرژی-انرژی الکتریکی 54
انرژی خورشیدی متمرکز شده 54
سلول خورشیدی 54
موتور استرلینگ 55
فصـل سوم 57
نرم افزار HEED و اعتبار سنجی آن 57
شبیه سازی ساختمان در نرم افزار هید 58
خروجی¬های نرم افزار هید 62
اعتبار سنجی محاسبات و نتایج نرم افزار هید 64
فصـل چهارم 69
شبیه سازی و تحلیل مطالعه موردی در نرم افزار HEED 69
نتایج حاصل از شبیه سازی 71
تحلیل نتایج شبیه سازی 73
حرکت به سمت ساختمان سبز 77
منـابع و مآخـذ 85
منابع 85

ساختمان سبز
طبق تعریف اداره توسعه پایدار فدرال آمریکا” ساختمان سبز به عنوان عمل: ۱) افزایش بهره وری ساختمان ها در حوزه های مرتبط با استفاده از انرژی، آب و مواد، و ۲) کاهش اثرات جانبی ساختمان بر سلامت انسان و محیط زیست، از طریق مکان یابی، طراحی، ساخت، بهره برداری و تعمیر و نگهداری بهتر، و حذف این اثرات در طول چرخه کامل حيات” تعریف می شود. ساختمان¬های سبز و ساختمان¬هایی با مصرف انرژی صفر بهترین راه حل های موجود برای مقابله با مشکلات پیرامون مصرف انرژی و آلایندگی حوزه ساختمان به شمار می آیند. این نوع ساختمان به علت طراحی (جانمایی) بهینه، استفاده از انرژی های تجدید پذیر و بهره مندی از عناصر سازگار با محیط زیست کمترین میزان مصرف انرژی و تولید آلایندگی را دارا می باشد.
در دهه ۱۹۳۰ فن آوری های جدید صنعت ساختمان، چشم¬انداز شهری را دگرگون کردند. ظهور تهویه مطبوع، لامپ های کم وات فلورسنت، سازه¬های فولادی، شیشه های باز تابنده و در دسترس بودن سوخت های فسیلی ارزان امکان ساختن سازه های شیشه ای و فولادی محصور با گرمایش و سرمایش مطبوع را میسر می¬ساخت. این فن آوری¬ها آغازی بر یک حرکت پسرونده در معماری شدند که در آن معماران شروع به نادیده گرفتن مسائل آب و هوا و اثرات آنها بر ساختمان و ساکنان کردند. افزایش پیچیدگی در صنعت نیز موجب تخصصی تر شدن حرفه¬ها شد و در نتیجه آن مهارت¬های عمومی که پیشتر نزد معماران تجربی بود از دست رفت. این تخصصی¬تر شدن باعث افزایش عدم ارتباط بین حرفه¬ها و در نتیجه فقدان سیستم¬های جامع متفکر در طراحی بخش های مختلف ساختمان شد[۴]
در زمانی که “مکعب¬های شیشه¬ای بلند مرتبه به نماد شهرهای آمریکا تبدیل شده بود (حدود ۱۹۷۰)، گروهی خلاق، متفکر و پیشرو از معماران، زیست بوم شناسان و طرفداران محیط زیست تحت تاثیر جنبش¬های فزاینده زیست محیطی و هزینه¬های گزاف سوخت (که در طول دهه ۱۹۷۰ رایج بود) قرار گرفتند. پیدایش این دو سناریو در نهایت منجر به ایجاد جنبش ساخت سبز شد.
در ۲۲ آوریل سال ۱۹۷۰، که به پیشنهاد سناتور وقت گیلورد نلسون “روز زمین” نام گرفت، به این مفهوم جديد ساختمان اعتبار تازه¬ای بخشیده شد، اما تحریم نفتی اوپک در سال ۱۹۷۳ بود که مانند جرقه ای برای شروع، باعث رشد جنبش های زیست محیطی و متعاقبا تلاش¬ها برای ساخت و ساز سبز شد. در این سال موسسه آمریکایی معماران کمیته انرژی را تشکیل داد. این کمیته به دو گروه تقسیم شد. یک گروه برای رسیدن به صرفه جویی انرژی نگاه خود را به سمت رویکرد منفعل، مانند بکار بردن مواد انعکاس دهنده در بام و مکان یابی سازگار با محیط زیست ساختمان ها معطوف کرد. در حالی که گروه دیگر بیشتر به دنبال راه حل¬های برخواسته از تکنولوژی، مانند استفاده از پنجره سه جداره متمرکز شده بود[۵]
به مجرد اینکه نگرانی¬ها پیرامون انرژی فروکش کرد، حرکت به سمت ساختمان سبز و محیط زیست به طور کلی کند شد، اما هسته گروه معماران که خود را وقف محیط زیست کرده بودند به پیشبرد مفهوم ساختمان سبز ادامه دادند. در میان این معماران و سازندگان می¬توان به زوج ویلیس فابر و دوماس در انگلستان اشاره کرد که در طول دهه هفتاد از مفاهیم طراحی سبز مثل استفاده از چمن در سقف ، استفاده از آتریوم (نوعی نورگیر) جهت بهره مندی از نور روز ، پنجره های آینه کاری شده و … بهره می گرفتند [3].
در اواخر دهه هفتاد، سراسر دهه هشتاد، و در اوایل دهه نود، تحقیقات زیادی پیرامون افزایش کارآمدی در حوضه انرژی صورت گرفت. نتایج این مطالعات منجر به کارآمدتر شدن صفحات خورشیدی، تولید دیوارهای کار¬آمد پیش ساخته، سیستم های تصفیه آب و استفاده مستقیم از نور خورشید از طریق پنجره به منظور کاهش مصرف انرژی روشنایی در طول روز گردید[۴]
مقالاتی که در حوزه ساختمان سبز منتشر می شوند را می¬توان در حوزه محتوا به سه دسته “المان محور”، “دیدگاه محور” و ناحیه¬ای که از هم پوشانی این دو مقوله حاصل می¬شود؛ “المان – دیدگاه محور” تقسیم بندی نمود.

منظور از المان سبز، تمامی اجزاء فیزیکی و ملموس و همچنین رفتارها و عناصر ناملموسی است که طبق تعریف اداره توسعه پایدار فدرال آمریکا باعث افزایش بهره وری ساختمان ها در حوزه های مرتبط با استفاده از انرژی، آب و مواد و کاهش اثرات جانبی آن بر سلامت انسان و محیط زیست و در یک کلام “سبز بودن” یک ساختمان می¬شود. از جمله موضوعاتی که در این حوزه مورد توجه است می¬توان به ۱- بام سبز ۲- سرمایش وگرمایش بدون هزینه (رایگان) 3- مباحث مربوط به سلول¬های خورشیدی و ادغام آن¬ها در بام ساختمان ۴ -مصالح ساختمانی برگشت پذیر به طبیعت ۵- استفاده از انرژی¬های تجدید پذیر در قالب میکرو توربین¬ها، سیستم¬های تولید همزمان انرژی و حرارت ۶- پنجره¬های هوشمند ۷- بررسی کیفیت آب و همچنین هوای داخل و … اشاره کرد. برای نمونه سادینی و همکاران یک بررسی فنی و جامع پیرامون اجرای نمای ساختمان و پیشرفت های صورت گرفته در حوضه بازده انرژی آن ها را ارائه کرده اند.
آنچه باعث ایجاد مقوله “دیدگاه محوری” در میان مقالات شده، رویکردی است که نویسندگان در آن بطور کلی به بررسی و ارزیابی ابزار¬های سنجه (اندازه گیری) سبز بودن ساختمان و موشکافی در مزایا، مشکلات و معضلات سبز نشینی پرداخته¬اند. موضوعات مطرح در این مقوله عبارتند از: 1- توسعه روش های رتبه بندی ساختمان ۲- مدل¬¬های ارزیابی ساختمان سبز ۳- بهینه سازی طراحی ۴- توسعه استاندار¬های ساختمان سبز ۵- بررسی مشکلات اجتماعی سبز نشینان ۶- بررسی بازار ساختمان سبز ۷- بررسی میزان رضایت مندی ساکنین ساختمان¬های سبز و غیره. برای مثال شی و همکاران [۵] تعارضات میان اهداف مختلف توسعه ساختمان سبز را بررسی کردند. ژائو و همکاران [۴] مشکلات اجتماعی مربوط به ساختمان سبز مانند درک اولیه مصرف کنندگان، قصد خرید، نیازهای اجتماعی و انسانی، نگرش عمومی و رفتارها و پذیرش اجتماعی را مورد مطالعه قرار داده اند. از همپوشانی این دو حوزه محتوا، مقوله “المان دیدگاهی” به وجود می¬آید. برای مثال وانگ و همکاران [۶] یک روش برای بهینه سازی اشکال ساختمان با استفاده از الگوریتم ژنتیک ارائه کرده اند. در واقع در این مقاله با استفاده از پیشنهاد یک دیدگاه (الگوریتم بهینه سازی) شکل ساختمان که از المان¬های سبز به حساب می آید بهینه می¬شود. برخی از برجسته¬ترین مطالعات صورت گرفته در این سه حوزه محتوا به قرار زیراند: دل باريو [۷] یک مدل ریاضی حساس، البته ساده سازی شده از رفتار حرارتی پویای پشت بام¬های سبز واقعی معرفی کرده است. وی چندین تحلیل حساسیت پارامتری به منظور ارزیابی پتانسیل خنک کاری بام های سبز در فصل تابستان انجام داده است. نتیجه گیری اصلی این تحلیل آن است که بام¬های سبز به عنوان دستگاه¬های خنک کننده عمل نمی¬کنند اما به عنوان یک عایق، باعث کاهش شار حرارتی از طریق سقف (بام) می شوند. وینتر و هستنز [۸] دو مکتب فکری را مقایسه کردند. یک مکتب بر استفاده از مواد و ساختمان “سبز”، در حالی که دیگری بر استفاده از انرژی و ساختمان¬های خورشیدی تاکید دارد. خانه ای که به عنوان یک خانه خورشیدی با صرف هدف انرژی بسیار پایین در طول حیاتش طراحی و ساخته شده، در جنوب نروژ واقع شده است در این مطالعه، نسخه ساخته شده (که پیشتر ذکر شد) با چهار نسخه دیگر مقایسه شده است: دو نسخه که در آن خانه با توجه به شرایط مقررات جدید ملی ساختمان نروژ طراحی شده (مقرراتی که هنوز اجباری نشده)، یک نسخه که در آن خانه با توجه به استانداردهای موجود در نروژ طراحی شده و یک نسخه که در آن خانه با توجه به اصول مورد استفاده توسط معماران حال حاضر در ساخت و ساز ساختمان سبز” در نروژ طراحی شده است. نتایج نشان می¬دهد که ساختمان¬های خورشیدی انرژی کلی (شامل حرارتی و الکتریکی) کمتری مصرف می¬کنند. نتایج همچنین نشان می¬دهد که تفاوت اندکی بین رویکردهای این دو مکتب فکری وجود دارد. بهترین ساختمان¬ها به طور کلی آن¬هایی هستند که خورشیدی، کم مصرف و “سبز” باشند.
نیاچو و همکاران [۹] به تجزیه و تحلیل خواص حرارتی و مطالعه کارایی انرژی بام سبز پرداخته اند. تحقیقات آن¬ها در دو مرحله اجرا شده است: در گام نخست، اندازه های سطح گسترش یافته حاصل از بام سبز و درجه حرارت هوا در محیط داخلی و خارجی ساختمان که در آن بام سبز نصب شده بود گرفته شد و در مرحله دوم مطالعه، خواص حرارتی بام سبز و همچنین صرفه جویی در انرژی، از طریق یک روش ریاضی مورد بررسی قرار گرفت.
چیانگ و لاى [۱۰] روش شناسی توسعه شاخص¬های جامع ارزیابی محیط داخلی و محیط زیست را معرفی کرده اند. آنها این شاخص ها را با بررسی متون مختلف و با توجه بیشتر بر جنبه های عملی، اقتصادی و میزان امکان پذیری تعیین کرده اند. دسته بندی¬هایی که آنها در نظر گرفته اند شامل آکوستیک، ارتعاشات، نور، آسایش حرارتی، کیفیت هوای داخل ساختمان، کیفیت آب و الکترومغناطیس می¬باشد. هدف آن¬ها از این مقاله به دست آوردن شاخص¬های اساسی از طریق مشاوره تخصصی برای ارزیابی کمی ساختمان های موجود است. در نهایت با استفاده از روش فرآیند تحلیل سلسله مراتبی (AHP) در میان دسته ها و برای این شاخص های وزنی در نظر گرفتند.
باهاج [۱۱] برخی از فن آوری¬های رقابتی در بام فتوولتائیک را بررسی و مسائل مطرح شده پیرامون ادغام کامل فتوولتائیک در ساختارهای بام را مورد ارزیابی قرار داده است. او به طور کلی درباره ملزومات مطرح در یک بام فتوولتائیک ایده آل و برخی از متغیرهای مربوط به آن نیز بحث کرده است. او در این مطالعه نشان داده که استراتژی¬های در دسترس فعلی برای ادغام درست عناصر فتوولتائیک به عنوان کاشی بام و یا شینگل های مورد استفاده در ساختمان شیب دار محدود است.
اولگیای و هرت [۱۲] مفهوم ظرفیت محیط زیستی را به یک زمینه معماری گسترش، و ظرفیت حمل را به عنوان یک ابزار وابسته به زمان و منطقه جهت ارزیابی کارایی طراحی زیست محیطی ساختمان توسعه دادند. آن¬ها یک خانه روستایی واقع در کلرادو ، با مصرف انرژی پایین، که تمامی مصالح بکار رفته در آن پایه بیولوژیکی دارند را به منظور نشان دادن کاربرد این روش مورد ارزیابی قرار داده¬اند. در پایان تاثیر زیست محیطی ناشی از مصرف انرژی و مواد بکار رفته را تشریح و میزان کارایی استراتژی خود را برای کاهش مخاطرات زیست محیطی ساختمان¬های معمولی بررسی کرده¬اند.
چونگی و همکاران [۱۳] یک رویکرد طراحی منفعل یکپارچه برای کاهش نیاز به خنک کاری برای آپارتمان¬های بلند از طریق بهبود طراحی نمای ساختمان توصیف کردند. نتایج آن ها نشان می¬دهد که صرفه جویی ۳۱٫۴ درصدی در انرژی سالانه مورد نیاز جهت خنک کاری و ۳۶٫۸ درصدی در اوج بار مورد نیاز خنک کاری برای آپارتمان پایه را می¬توان با این روش به دست آورد. با این حال، تمام استراتژی¬های منفعل اثری حاشیه¬ای در بار خنک کاری دارند، اغلب کمتر از ۱٪.
وانگ و همکاران [۶] یک روش برای بهینه سازی اشکال ساختمان در طرح با استفاده از الگوریتم ژنتیک ارائه کرده¬اند. نمایش¬های هندسی مختلفی را برای زیربنای ساختمان در نظر گرفتند. یک مدل بهینه سازی با توجه به متغیرهای مربوط به شکل و چند مورد دیگر از متغیرهای طراحی نمای ساختمان مانند نسبت ابعاد پنجره و سایه بان ها ایجاد کردند.
هزینه چرخه عمر و اثرات زیست محیطی چرخه عمر به عنوان دو تابع هدف برای ارزیابی عملکرد یک طراحی ساختمان سبز در نظر گرفته شدند. نهایتا به عنوان مطالعه موردی یک ساختمان اداری با یک کف معمولی به شکل پنج ضلعی را تعریف و توسط الگوریتم ژنتیک چند هدفه بهینه سازی کردند.
پاول و تیلور [۱۴] برداشت درک ساکنان از رفاه و رضایت در یک ساختمان دانشگاهی “سبز” و دو ساختمان دانشگاهی “معمولی” را با استفاده از یک پرسشنامه که از آن¬ها خواسته بود به محیط کار خود از نظر زیبایی شناسی، آرامش، نورپردازی، آکوستیک، تهویه مطبوع، دما، رطوبت، و رضایت کلی امتیاز دهند اندازه گیری کردند. ساختمان دانشگاه ها در Albury – Wodonga شهری در جنوب شرقی استرالیا واقع می¬باشند. ساختمان سبز، که به طور طبیعی تهویه می¬شود، از زمین کوبیده شده و مواد بازیافتی ساخته شده است. ساختمان معمولی مجهز به سیستم¬های گرمایش و تهویه مطبوع بوده و در ساخت و ساز آن از آجر بهره گرفته شده است. آنها هیچ مدرکی برای این باور که “ساختمان های سبز راحت تر هستند” نیافتند. در واقع، تنها تفاوت بین دو نوع ساختمان این بود که ساکنان ساختمان سبز به احتمال زیاد به در محیط کار خود را به عنوان گرم بودند، و ساکنان که احساس گرم به احتمال زیاد به توصیف محیط کار خود را به عنوان فقیر بودند. جالب اینکه سایر جنبه های راحتی، از جمله مسائل مربوط به زیبایی شناسی، آرامش، روشنایی، تهویه، آکوستیک و رطوبت، در نظر ساکنین این دو نوع ساختمان بصورت یکسان و به یک اندازه درک شده بود
. چان و همکاران [۱۵] وضعیت بازار ساختمان سبز را در مقایسه با بازار عمومی ساختمان بررسی و علت (دلیل) اقتصادی سهامداران برای سرمایه گذاری در بازار ساختمان سبز را از منظر طراحان ساختمان مورد ارزیابی قرار داده اند. داده¬ها را با استفاده از پرسشنامه ای که بین طراحان ساختمان در هنگ کنگ و سنگاپور توزیع شده بود جمع آوری کردند. پس از تجزیه و تحليل داده¬های این نظرسنجی، آنها یافته های خود پیرامون دلایل اقتصادی سهامداران برای ایفای نقش در بازار ساختمان سبز، مطلوب¬ترین شرایط مورد نیاز برای ترویج کسب و کار ساختمان سبز و موانع مهم موجود که مانع محبوبیت ساختمان سبز می شوند را ارائه کردند
راج و ولراج [۱۶] یک بررسی دقیق بر روی کارهای انجام شده توسط محققان مختلف در زمینه خنک کاری رایگان و یا خنک کاری با تهویه انجام داده اند. علاوه بر این، آنها چالش های عمده و حقایق مطرح شده در استفاده از مواد تغییر فاز دهنده برای طراحی سیستم خنک کننده رایگان مانند مقاومت حرارتی هوا و مواد تغيير فاز دهنده و هندسه محفظه مورد بحث قرار دادند. آنها همچنین لیستی از مواد تغییر فاز دهنده قابل استفاده برای خنک کاری رایگان را هم ارائه دادند.
سادیتنی و همکاران [۳] یک بررسی فنی جامع پیرامون اجزای نمای ساختمان و پیشرفت های صورت گرفته در حوضه بازده انرژی آن ها را ارائه کرده اند. آن ها انواع مختلف دیوار با کارایی انرژی بالا، فن آوری های مختلف روزنه و پیشرفت¬های صورت گرفته در انواع بام کار آمد ساختمان از جمله بام سبز، فتوولتائیک، بازتاب دهنده های تشعشعات خورشیدی و بام های خنک کننده تبخیری را مورد بحث و بررسی قرار داده¬اند. در این مقاله اثرات مواد ذخیره کننده انرژی گرمایی و مواد تغییر فاز دهنده در بار سرمایش/گرمایش ساختمان و اوج بار مصرفی بحث شده است. استفاده از مواد ذخیره کننده انرژی حرارتی به عنوان یک روش صرفه جویی در انرژی در مکان هایی که تفاوت زیادی بین دمای هوای محیط بیرون و داخل در روز و شب وجود دارد موثر است.
دوبل و دی [۱۷] نتایج حاصل از نظر سنجی¬هایی که پیرامون ارزیابی ساکنین پس از تصرف ساختمان سبز در سال¬های اخیر در سیدنی استرالیا صورت گرفته است را دنبال کرده¬اند. با استفاده از پرسشنامه¬هایی که با نگرش زیست محیطی همراه بودند مشخص شد که سطح رضایت ساکنین ساختمان های سبز بطور مثبتی با اعتقادات زیست محیطی در ارتباط اند. ساکنینی که سطوح بالاتری از نگرانی¬های زیست محیطی داشتند نسبت به ساختمان خود بخشنده تر بودند، به ویژه ساختمان هایی که جنبه¬های از طراحی سبز، مانند تهویه طبیعی از طریق پنجره های قابل حرکت را از خود بروز داده بودند. ساکنین “سبز” با وجود انتقادهایی که نسبت به کیفیت محیط داخلی ساختمان داشتند، آمادگی چشم پوشی و گذشت بیشتری در مواجهه با شرایط غیر ایده آل نسبت به همتایان “قهوه ای” (غیر سبز) از خود نشان دادند. نتایج آن ها مهر تاییدی است بر این فرضیه که نگرش های طرفدار محیط زیست بطور نزدیکی با “عامل بخشش” قوی تر که اغلب در ساختمان های سبز مشاهده شد همراه است، اما علت هنور نامعلوم باقی مانده است.
روزیک و باتلس [۱۸] سیستم¬های مختلف سرمایش، گرمایش و تولید قدرت (توان) ساختمان که بر پایه انرژی¬های تجدید پذیر بنا شده اند را ارائه و با سیستم BCHP معمولی و قدیمی¬تر مقایسه کرده اند. هدف اصلی آن¬ها در این مقاله یافتن طراحی مطلوب، برای مرکز تحقیقات انرژی خورشیدی از دیدگاه مدیریت زیست محیطی و انرژی است. از این رو، آن ها سیستم BCHP جذبی را با دو سیستم دیگر: خورشیدی – زمین گرمایی و خورشیدی مقایسه و ارزیابی کرده اند. در این مطالعه انرژی اولیه مورد نیاز و میزان کاهش تولید CO، هزینه¬های اولیه، هزینه های عملیاتی، هزینه تعمیر و نگهداری و دوره بازگشت سرمایه به عنوان شاخص های کلیدی عملکرد در نظر گرفته شده اند. روزیک و باتلس کارایی انرژی سیستم BCHP خورشیدی را ارزیابی و به عنوان معیار در تمام زیرساخت¬های انرژی ساختمان مرکز تحقیقات انرژی خورشیدی واقع در پردیس دانشگاه آلمریا اعمال کرده¬اند. نتایج حاصل از مقایسه آن¬ها نشان می¬دهد که تنها سیستم BCHP خورشیدی پتانسیل صرفه جویی در مصرف انرژی را داراست. در طول یک سال سیستم BCHP خورشیدی ۶۱ درصد کمتر از سیستم BCHP معمولی و قدیمی انرژی اولیه مصرف می¬کند
فومو [۱۹] یک بررسی به روز در اصول اولیه برآورد انرژی ساختمان ارائه کرده است. او یک طبقه بندی برای مدل¬های برآورد انرژی که با نرم افزار شبیه¬سازی انرژی کل ساختمان توسعه یافته اند پیشنهاد کرد و اعتبارسنجی خود را بر اساس طبقه بندی های مختلفی که در بررسی مکتوبات موجود در این حوضه پیدا کرده بود انجام داد.