شبیه سازی انرژی

از جمله مهم ترین عناصر تأثیرگذار بر مصرف انرژی در بخش ساختمان، می توان به شرایط اجتماعی و اقتصادی، فرهنگ مصرف انرژی، ویژگی های جغرافیایی و اقلیمی شهر، نقش شهر، کارایی سیستم های تأمین و مصرف انرژی و ویژگی های کالبدی فضایی ساختمان ها و بافت های مسکونی اشاره کرد که در این میان فرم شهری، به میزان قابل توجهی امکان کاهش مصرف انرژی را از طریق برنامه ریزی و طراحی فراهم می سازد. رهیافت کارایی انرژی به عنوان یکی از اهرم های تقویت پایداری بوم شناختی، از جمله ابعاد اصلی پنج گانه توسعه پایدار به شمار می آید که با هدف کاهش رشد تقاضای انرژی، تقلیل قابل توجه مصرف سوخت های فسیلی و به دنبال آن، افزایش عرضه انرژی سالم همراه است. لذا با بهره گیری از این رویکرد در فرایند طراحی مجموعه های ساختمانی و بافت های شهری، می توان کمک شایانی به بهبود وضعیت بهره وری انرژی در بخش ساختمان نمود. پژوهش پیشِ رو با ترکیب روش های توصیفی تحلیلی، مطالعات گونه شناختی، ترسیم و شبیه سازی مدل ها، به دنبال تحلیل 8 گونه فرم ساختمانی قالب در دوره های تاریخی شهر اصفهان و 4 الگوی بلوک شهری، از منظر کارایی انرژی است. به این منظور، با استفاده از شبیه سازی، ارتباط مابین متغیرهای تحقیق مشخصه های کالبدی و فضایی فرم شهری (فرم ساختمانی و بلوک شهری) و میزان مصرف انرژی (انرژی مصرفی جهت گرمایش، سرمایش و روشنایی) در هریک از الگوهای پیشنهادی، مورد سنجش قرار گرفت. بر اساس نتایج حاصل از پژوهش، الگوی بهینه توده گذاری ساختمان های مسکونی به شدت تحت تأثیر عوامل مورفولوژیک همچون همجواری ها، فرم، ابعاد و الگوی ساختمان، الگوی بلوک بندی و نیز ساختار فضایی شبکه ارتباطی است که در این میان، نقش الگوی ساختمان و ساختار شبکه ارتباطی پر رنگ تر است. لذا به کمک شبیه سازی مصرف انرژی، پیش از اجرای طرح و یا در مرحله ارائه گزینه های پیشنهادی، می توان به فرم های بهینه در اجزا (ساختمان های منفرد) و ترکیب های شهری (بافت های مسکونی) دست یافت.

معماری بومی در هر اقلیم با محیط پیرامون خود هماهنگ بوده و در تمامی خرد اقلیمها، فرمت و کالبد معماری از کل تا جزء در راستای پاسخگویی به شرایط محیطی و به منظور آسایش و راحتی انسان، شکل گرفته ا ست . در این راستا، حفظ ساختمان در برابر سرمای محیط و استفاده ی بهینه از نور خورشید به عنوان منبع گرما در نواحی سرد کشورمان، که طول دوره ی سرما بسیار طولانیتر از دوره ی گرما می باشد، همواره الویت طراحی معماران سنتی اینمناطق بوده است. پوسته های ساختمانی مرز بین فضای داخل و خارج ساختمان هستند و نقش مؤثری در کاهش مصرف انرژی بر عهده دارند. از میان پوسته ها و جداره های مختلف پرکاربرد در مناطق مختلف سردسیر، نماهای دوپوسته یکی از بهینه ترین انتخابها در مدیریت تعامل بین فضای داخلی و خارجی بوده است . ارزیابی نقشه ها و مشاهدات میدانی صورت گرفته از جداره ها و بازشوهای موجود در ساختمانهای سنتی شهر تبریز، که قدمت بیشتر آنها به دوران قاجار بر می گردد، حاکی از کاربست بازشوهای دو جداره ای است که به منظور ورود حداکثری نور و حداقل اتلاف حرارتی مورد استفاده قرار گرفته است. در این مقاله از روش تحقیق کمی با تکنیک های مدل سازی عددی برای یک نمونه ی موردی شاهد استفاده شده و هدف اصلی آن اعتبارسنجی به تفکر معماران سنتی بر مبنای مدلسازی عددی بازشوهای دوپوسته در ساختمانهای واقع در اقلیم سرد است. از اینرو، با شبیه سازی انرژی یک واحد آزمایشی شاهد به ابعاد 4×5 متر واقع در اقلیم سرد تبریز با هندسه، جانمایی و مشخصات مصالح بازشوهایی تقریباً منطبق بر بازشوهای خانه های قدکی و گنجه ای زاده، عملکرد نمای دوپوسته در کاهش مصرف انرژی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج شبیه سازی نشان می دهد که مصرف انرژی گرمایشی در واحد شاهد مورد نظر با استفاده از نمای دوپوسته و با در نظر گرفتن تمامی فرضیات بکار رفته در شبیه سازی ها حدود 64/42 % کاهش می یابد.

امروزه انرژی یکی از مهم ترین شاخصه های اقتصادی است و تامین آن از ابزارهای سیاسی دولت ها به شمار می رود. با توجه به محدودیت منابع انرژی و روند روبه رشد بهای آن، اقدامات بسیاری در جهت کاهش مصرف آن انجام شده است. از آنجا که بیشترین میزان مصرف انرژی مربوط به بخش ساختمان است (حدود 40 درصد از کل مصرف انرژی) و بخش عمده آن صرف سرمایش، گرمایش و تهویه می شود؛ راهکارهای طراحی غیرفعال، کمک قابل توجهی به کاهش مصرف انرژی می کنند. یکی از روش های تهویه غیرفعال در ساختمان، استفاده از دودکش خورشیدی است که عملکردی آن شبیه عملکرد بادگیر در غیاب باد است. بدین ترتیب که دودکش خورشیدی با کمک انرژی تجدیدپذیر خورشید و با به کارگیری پدیده اثر دودکشی در یک کانال هوا، تهویه مورد نیاز فضاهای مجاور خود را فراهم می کند. با توجه به اقلیم های متنوعی که در ایران وجود دارد، به منظور مطالعه کارایی دودکش خورشیدی در اقلیم های مختلف ایران، مدل دودکش خورشیدی متصل به یک اتاق فرضی، در چهار شهر به عنوان نمونه انتخاب شده از چهار اقلیم ایران بررسی شدند. به دلیل عدم دسترسی به نمونه های اجرا شده، شبیه سازی کامپیوتری به عنوان روش جایگزین برای مطالعات میدانی انتخاب شده است. نتایج ارائه شده، برگرفته از شبیه سازی با کمک نرم افزار انرژی پلاس است. در این تحقیق پس از مشخص شدن مناسب ترین اقلیم برای استفاده از دودکش خورشیدی، عوامل دیگر موثر بر عملکرد دودکش خورشیدی در یک اقلیم خاص، بررسی می شوند.

بر اساس آمار منتشره در حوزه انرژی، امروزه ساختمان ها به عنوان بزرگترین منبع مصرف انرژی شناخته می شوند. به این دلیل پیشرفت های فناوری در حوزه ساخت و ساز بیش از پیش به سمت راهکارهای نوین در جهت کاهش مصرف انرژی در این بخش تمرکز یافته اند. دستیابی به راه حل هایی همسو با محیط زیست در راستای حرکت به سمت توسعه پایدار در بخش معماری، مورد نظر معماران و طراحان قرار گرفته است. فناوری های تطبیق پذیر در پوسته های ساختمانی به منظور استفاده از انرژی های تجدید پذیر بخش مهمی از این دست تلاش ها را در بر می گیرد. پوسته های متشکل از صفحات فتوولتاییکی که از نور خورشید انرژی الکتریکی تولید می کنند، به عنوان بخشی حایز اهمیت در کاهش وابستگی ساختمان ها به انرژی های فسیلی شناخته می شوند. استفاده از تکنیک های کم هزینه و اثر بخش در زمینه ی معماری کمک شایانی به بهبود فرآیند ساخت نموده است. این تحقیق بر آنست تا تاثیر بهره گیری از تکنیک کاغذ و تا را در صفحات فتوولتایک به کار رفته در نمای ساختمان ها به منظور افزایش دریافت تابش خورشیدی بررسی کند. این امر با استفاده از نرم افزارهای شبیه ساز پارامتریک(گرسهاپر) و انرژی(لیدی باگ) انجام گرفته است. پس از تحلیل و بررسی کلی انواع مختلف روش های اوریگامی و نمونه های به کار گرفته شده در صنعت ساختمان و همچنین موارد موجود در طبیعت، 4 مورد به عنوان مدول های پایه برای بررسی بیشتر و مدلسازی در افزونه ی لیدی باگ نرم افزار گرسهاپر انتخاب شدند. مدول های شبیه سازی شده با استفاده از افزونه ی گالاپاگوس بر اساس الگوریتم ژنتیک بهینه سازی شدند تا بهینه ترین حالت آنها برای دریافت حداکثر میزان تابش خورشیدی به دست آید. نتایج این پژوهش نشان می دهد تغییر چینش وجوه مختلف صفحات فتوولتاییک با استفاده از تکنیک اوریگامی نسبت به مدول پایه ی یک متر مربعی عمودی در نمای جنوبی ساختمان، می تواند بین 3.44 تا 11.39 درصد میزان تابش دریافتی از خورشید را افزایش دهد.

اکنون احداث ساختمان های بلندمرتبه در حالی رو به گسترش است که ملاحظات اقلیمی مشخصی در طراحی و اجرا پیش بینی نمی شود و غالباً تصمیمات طراحی، مشابه بناهای میان مرتبه و کوتاه مرتبه صورت می گیرد و از مهم ترین دلایل این امر، فقدان پژوهش های تخصصی مرتبط در کشور است. هدف تحقیق حاضر تبیین چارچوب های اقلیمی به منظور گزینش الگوهای بهینه در طراحی بناهای بلندمرتبه با رویکرد کاهش مصرف منابع انرژی در راستای تدوین ضوابط طراحی اقلیمی است. در همین راستا پژوهش حاضر به روش تحلیلی توصیفی با رویکرد کمی هفت شاخص اصلی مؤثر بر کاهش مصرف انرژی شامل فرم ساختمان، فرم و نسبت سطح بازشو، زاویه چرخش، عمق سایه بان، نوع و ضخامت عایق حرارتی و جنس شیشه جدار خارجی را در حالت های مختلف با کاربرد نرم افزار شبیه ساز انرژی جهت یافتن حالت بهینه به لحاظ صرفه جویی انرژی مورد مقایسه قرار می دهد. نتایج تحلیل داده ها نشان می دهد نسبت سطوح بازشو، جنس شیشه و عمق سایه بان تأثیرگذارترین شاخص ها و فرم بنا، جهت چرخش بنا، فرم و ابعاد بازشوها کم اثرترین آن ها بر اهداف پژوهش هستند. هم چنین ساختمان هایی با فرم مستطیل با کشیدگی شرقی غربی و پنجره های افقی با سایه بان های افقی به عمق 100 سانتی متر در اضلاع جنوبی و شرقی و سایه بان های عمودی به عمق 150 سانتی متر در اضلاع شمالی و غربی دارای عملکرد مطلوبی در زیراقلیم مطالعاتی بوده و حداقل مصرف انرژی را دارند.

تهویه غیرفعال روشی کم مصرف از لحاظ انرژی است که می تواند هوای نامطلوب داخل را از ساختمان خارج کند. یکی از روش های تهویه غیر فعال استفاده از دودکش خورشیدی است که در یک کانال هوا، با استفاده از انرژی خورشید و با کمک پدیده اثر دود کشی تهویه فضاهای مجاور، تأمین می شود. در این پژوهش ابتدا عوامل مؤثر بر کارآیی دود کش خورشیدی از جمله مصالح، عرض دیوار جاذب، مساحت خروجی هوا از دود کش بررسی شد. سپس تأثیر تعداد طبقات بر نرخ تهویه مورد مطالعه قرار گرفت و در نهایت در یک جدول مساحت فضاهایی که در طبقات مختلف دود کش خورشیدی قادر به تأمین نیاز تهویه آن است، ارائه شد. همچنین عملکرد دود کش خورشیدی در فصول سرد سال بررسی شد. به دلیل رایج نبودن ساخت دود کش های خورشیدی، امکان دسترسی به نمونه های اجرا شده وجود ندارد، از این رو شبیه سازی کامپیوتری مدل ها، در نرم افزار انرژی پلاس به عنوان روش جایگزین برای مطالعات میدانی انتخاب شد. مدل های دود کش خورشیدی متصل به یک ساختمان اداری هفت طبقه در اقلیم گرم و خشک شهر اصفهان در روز 31 تیرماه به عنوان نماینده یک روز گرم و ماه های گرم به صورت میانگین مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که افزایش ارتفاع دود کش خورشیدی، قدرت تهویه آن را بالا می برد. همچنین مناسب ترین مصالح و ابعاد بهینه دیوار جاذب، ورودی و خروجی هوا نیز مشخص شد. 

گلخانه های خورشیدی در زمره راه کارهای غیرفعال نگهداشت انرژی در ساختمان محسوب می گردند. در این پژوهش تعیین مدل بهینه گلخانه خورشیدی در شهر کرمانشاه به عنوان یکی از شهرهای ناحیه اقلیمی سرد و کوهستانی کشور که استفاده از گلخانه خورشیدی در آن توجیه پذیر می نماید مدنظر قرار گرفته است بر این اساس و با استفاده از نرم افزار انرژی پلاس با چند متغییر اساسی در عملکرد حرارتی گلخانه همچون جهت گیری، ابعاد و زاویه شیب سقف، جداره نورگذر و عایق بندی حرارتی، شرایط بهینه به صورت قیاسی تحلیل شده است. در این تحقیق، از بارگذاری داده های آب و هوایی ایستگاه هواشناسی فرودگاه کرمانشاه در نرم افزار استفاده گردیده است. به منظور اعتبارسنجی، نسبت به ساخت نمونه واقعی اقدام و عملکرد حرارتی این دو طی یک آزمایش میدانی 72 ساعته با هم مقایسه شد. نتایج بیانگر آن است که علی الرغم وجود اختلاف در دماهای ثبت شده خصوصا طی 24 ساعت سوم اما روند تغییرات دمایی آنها همگام است و تحلیل آمار توصیفی و نمودار پراکنش خطی داده های حاصل از آنها با استفاده از نرم افزار اس پی اس اس بیانگر پراکنش و رابطه خطی نسبتا قوی پیرامون خط رگرسیونی می باشد. در این تحقیق از روش های توصیفی، تحلیلی تجربی و قیاسی استفاده گردیده است.

از آنجا که40٪ از مصرف انرژی مربوط به بخش ساختمان است و بخش عمده آن صرف سرمایش و گرمایش می شود، راهکارهای طراحی غیرفعال، کمک قابل توجهی به کاهش مصرف انرژی می کند. یکی از روش های تهویه غیرفعال، استفاده از دودکش خورشیدی است که با کمک انرژی تجدیدپذیر خورشید و با به کارگیری پدیده اثر دودکشی در یک کانال هوا، تهویه مورد نیاز فضاهای مجاور خود را فراهم می کند. به دلیل عدم دسترسی به نمونه های مختلف اجرا شده، شبیه سازی کامپیوتری به عنوان روش جایگزین برای مطالعات میدانی انتخاب شده است. نتایج ارائه شده، برگرفته از شبیه سازی مدل های مختلف دودکش خورشیدی متصل به یک ساختمان اداری هفت طبقه با کمک نرم افزار انرژی پلاس است. مدل های مختلف با ابعاد متفاوت دودکش خورشیدی با هم مقایسه شدند. همچنین مدل ها در صورتی که همه طبقات به دودکش خورشیدی متصل باشند و در حالت هایی که هر طبقه به صورت منفرد به دودکش متصل باشد، شبیه سازی شده اند. در این تحقیق، تاثیر به کارگیری دودکش خورشیدی بر تهویه فضاهای متصل به آن در اقلیم گرم و خشک شهر اصفهان بررسی شده است. همچنین مساحت فضاهایی که دودکش خورشیدی با ابعاد بهینه، در هر طبقه قادر به تامین تعویض هوای مورد نیاز آن است، مورد توجه قرار گرفته است.

انرژی قابل توجهی برای تأمین و حفظ شرایط محیطی برای آسایش حرارتی در ساختمان های مسکونی بلندمرتبه مصرف می شود که به میزان زیادی به مؤلفه های طراحی پوسته بستگی دارد. لذا برای رسیدن به مقادیر بالای صرفه جویی انرژی در ساختمان ها، ابتدا اقدامات طراحی با تأثیر زیاد باید تعریف و سپس بهینه سازی شوند. این پژوهش به دنبال پاسخ به پرسش چگونگی تأثیر مؤلفه های پوسته ساختمان بر مصرف انرژی ساختمان مسکونی بلندمرتبه در اقلیم گرم و خشک است. بنابراین، پژوهش حاضر با هدف دستیابی به مؤلفه های بهینه طراحی پوسته در ساختمان های بلندمرتبه در اقلیم گرم و خشک پرداخته تا سبب برقراری شرایط آسایش حرارتی و ذخیره انرژی اولیه (الکتریسیته و گاز طبیعی) شود. به این منظور، یک ساختمان مسکونی بلندمرتبه موجود به عنوان نمونه موردی در اصفهان انتخاب گردیده تا مصرف انرژی قبل و بعد از بهینه سازی با استفاده از نرم افزار شبیه سازی کامپیوتری DesignBuilder مقایسه شود. تجزیه و تحلیل مطابق با شبیه سازی های انرژی نشان داده است که هر یک از مؤلفه های پوسته در خور تغییرات فراوانی در زمینه کاهش مصرف انرژی ساختمان هستند. سه مؤلفه ای که برای بالا بردن عملکرد انرژی پوسته ساختمان انتخاب شده است شامل نسبت پنجره به دیوار، ویژگی های شیشه و مصالح پوسته است. نتایج نشان داده است که نسبت پنجره به دیوار 20 درصد به میزان 04/11 درصد نسبت به مدل پایه (50 درصد) عملکرد مناسب تری دارد. همچنین نمای پوسته ای با شیشه ای سه جداره شفاف به ضخامت 4 میلی متر و لایه گاز آرگون 10 میلی متر بیش ترین صرفه جویی در انرژی کل را به دنبال دارد. در شرایط آب و هوایی گرم و خشک پلاستر سیمان عملکرد بهتری نسبت به سایر مصالح نشان داده است. این مطالعه سبب طراحی پوسته با کارایی بالا می شود و صرفه جویی قابل توجهی در مصرف انرژی (حدود 5/12 درصد برای انرژی کل، 16 درصد برای گرم کردن و 29 درصد برای خنک کردن) به همراه دارد. همچنین باعث افزایش 5/2 درصدی انرژی روشنایی الکتریکی می شود.

شبیه سازی انرژی از متداول ترین روش های تحلیل انرژی در محیط ساختمان و معماری است که در دهه اخیر در کشور ما با اقبال فراوان دانشجویان و استادان این حوزه مواجه شده است. در حال حاضر، این آموزش به صورت رسمی و غیر رسمی در دانشکده های معماری به ویژه در مقاطع کارشناسی ارشد صورت می گیرد. گرچه کاربرد شبیه سازی انرژی ساختمان مزایای بسیاری دارد، با توجه به پیچیدگی های این ابزارها، دستیابی به نتایج با دقت و صحت مطلوب، نیازمند توجه به پارامترهایی معین است. متأسفانه، در کشور ما درخصوصروشوکیفیتآموزششبیه سازی انرژی ساختمان و محیط شهری به دانشجویانرشتهمعماری و شهرسازیپژوهشیانجامنشدهاست. پژوهش حاضر با هدف بررسی شرایط موجود در آموزش شبیه سازی انرژی ساختمان و محیط شهری و با استفاده از روش پژوهش کیفی صورت گرفته و میزان آگاهی دانشجویان در زمینه مهم ترین مسائل مرتبط تحلیل شده است. برای جمع آوری داده ها از مصاحبه و پرسشنامه نیمه باز استفاده شد و جامعه آماری دانشجویان و دانش آموختگان کارشناسی ارشد معماری در چهار دانشگاه کشور بودند. نتایج پژوهش نشان دهنده میزان آگاهی اندک دانشجویان از مقوله های اساسی شبیه سازی انرژی است. بر اساس نتایج، میزان توجه دانشجویان به مسائل اساسی در شبیه سازی انرژی ساختمان در مواردی چون دانش پایه، اعتبارسنجی درونی و میزان عدم قطعیت نتایج اندک است.

استفاده از انرژی های فسیلی و به تبع آن انتشار گازهای گلخانه ای علت اصلی تغییرات اقلیمی می باشند که از چالش های اصلی بشر در زمان کنونی و همین طور در آینده به شمار می آیند. ساختمان ها به عنوان مصرف کننده نصف انرژی جهان در فرایند ساخت و بهره برداری دارای ظرفیت ویژه ای در کاهش مصرف انرژی هستند. یکی از راهکارهای اساسی برای تخمین و کاهش مصرف انرژی در ساختمان، استفاده از شبیه سازی انرژی است. هدف این مطالعه، بررسی جامع ادبیات موجود در حوزه شبیه سازی انرژی در ساختمان براساس مطالعات پیشین است تا توصیف کاملی از تحقیقات انجام شده دراین زمینه ارائه دهد. بااستفاده از یک روش تحقیق سیستماتیک، اطلاعات استخراج شده از پایگاه اسکوپوس بین سال های ۱۹۸۲تا۲۰۲۲میلادی، پیش پردازش و دسته بندی شدند. بابررسی تعداد 2929سند علمی و باتوجه به اهداف عملکردی مطالعه بیبلومتریک، روندها و افول، مهمترین مقالات، نویسندگان، کشورها در حوزه مشخص شد. همچنین، باتوجه به اهداف شبکه ای، الگوهای هم استنادی مؤثر شناسایی شدند و سپس با تحلیل محتوای آشکار کلمات کلیدی نقاط داغ در حوزه مشخص شد. درنهایت، شکاف ها و روندهای تحقیقات آینده در حوزه شبیه سازی انرژی در ساختمان شناسایی و معرفی شدند.