سیستم های گرمایشی و سرمایشی، بزرگ ترین مصرف کنندگان انرژی در ساختمان به شمار می روند.
مقدار بسیار قابل ملاحظه ای از انرژی به گرمایش و سرمایش اختصاص دارد.
میزان انرژی مصرفی در خصوص تأمین آب گرم بهداشتی نیز در حدود ۱۶ درصد است که می توان به تقریب دریافت که حدود ۵۷ درصد انرژی صرف تأمین شرایط آسایش حرارتی و برودتی یک ساختمان می شود.
این در حالی است که در کشورهای توسعه یافته، تخمین دقیق بارهای حرارتی و برودتی، استفاده از سیستم های با راندمان بالا، به کارگیری انواع ابزارهای کنترل کننده میزان مصرف انرژی و در نهایت استفاده از انواع تجهیزات و مصالح کاهنده مصرف انرژی، امری متداول و اجباری است.
متأسفانه در ایران، نه تنها در تعیین بارهای گرمایشی و سرمایشی ساختمان ها دقت نمی شود، بلکه پایین بودن راندمان تجهیزات تأسیسات ساختمانی، بکار نگرفتن وسائل کنترل کننده و همچنین استفاده نکردن از کاهنده های مصرف انرژی مزید برعلت شده و بررسی های حاکی از بالا بودن انرژی مصرفی در خصوص گرمایش، سرمایش و تأمین آب گرم بهداشتی نسبت به کشورهای پیشرفته دارد، به گونه ای که میزان مصرف انرژی در ساختمان، ۴۰ درصد انرژی کشور را به خود اختصاص می دهد.
آنچه در این مقاله مورد ارزیابی و تحلیل قرار گرفته است، معرفی روش هایی است که با اعمال آنها، راندمان و کارآیی این سیستم ها افزایش پیدا می کند.
راهکارهای صرفه جویی انرژی در ساختمان به منظور صرفه جویی در مصرف انرژی، سیستم های گرمایشی و سرمایشی و تهویه مطبوع لازم است که مراحل و قدم های زیر در جهت کاهش مصرف انرژی برداشته شود.
استانداردسازی شرایط محیط بیرون با توجه به آن که نوع شرایط هوای بیرون (میزان دما، رطوبت، جهت و میزان وزش باد) تأثیر زیادی بر تعیین بارهای گرمایشی و سرمایشی و میزان انتقال حرارت ساختمان، یا انتقال حرارت بیرون دارد، لذا لزوم استانداردسازی این شرایط و تعیین شرایط استاندارد شده هوا برای تک تک شهرها و مناطق مختلف ایران دارای اهمیت ویژه ای است.
متأسفانه در ایران، معمولاً برای محاسبه بارها، بدترین شرایط دمایی و رطوبتی ملحوظ و در نهایت میزان انرژی مورد نیاز بسیار فراتر از حد واقعی محاسبه می شود.
به عنوان مثال در جدول (۱) مقایسه بین دماهای استاندارد شده و استاندارد نشده در تابستان و زمستان نشان داده شده است.
می توان با دقت بسیار خوبی نتیجه گیری کرد که برای شرایط آسایش در داخل ساختمان، میزان انرژی گرمایشی در حالت استاندارد شده حداقل ۱۵ درصد و مقدار انرژی سرمایشی در حدود ۲۱ درصد کمتر از حالت متداول است.
مقایسه دمای استاندارد و غیر استاندارد تابستانی و زمستانی برای شهر تهران شرایط مربوط به معماری و فیزیک و مصالح ساختمان نوع جهت گیری جغرافیایی ساختمان، قابلیت ساختمان به منظور بهره گیری از انرژی خورشید، طراحی ساختمان با کمترین سطح خارجی، استفاده از عایق ها در دیوارها، کف و سقف، به کارگیری انواع شیشه های دو یا چند جداره، درز بند کردن انواع بازشوها و کل ساختمان و پایین آوردن میزان نفوذ هوا، درزبندی کانال های هوایی و ...
از جمله مواردی هستند که به کاهش بارهای سرمایشی و گرمایشی ساختمان کمک شایانی می کنند.
هر چه راندمان ساختمان در این مورد بیشتر باشد، سیستم های تأسیساتی کوچک تر و بالطبع هزینه های انرژی مصرفی نیز کاهش می یابد.
در جدول ۲ مقایسه ای بین محاسبات بارهای گرمایشی و سرمایشی در شرایط متداول و در شرایط بهینه سازی شده در خصوص مصرف انرژی آمده است.
ملاحظه می گردد که میزان انرژی مورد نیاز جهت گرمایش به ۴۷ درصد و انرژی مورد نیاز جهت سرمایش در حدود ۴۴ درصد مقدار اولیه کاهش یافته است.
به همین ترتیب هزینه انرژی گرمایشی سالیانه به ۳۷ درصد و هزینه انرژی سرمایشی سالیانه نیز به ۴۷ درصد مقدار اولیه کاهش یافته است.
(جدول شماره ۲) تخمین صحیح تجهیزات گرمایشی و سرمایشی تعیین سایز صحیح تجهیزات سرمایشی و گرمایشی ساختمان های مسکونی، کلید مهمی برای رسیدن به شرایط مناسب آسایش داخل ساختمان و کاهش مصرف هزینه های اولیه و جاری این گونه سیستم هاست.
هنگامی که میزان انرژی بالاتر از حد مورد نیاز تخمین زده می شود، میزان هزینه های اولیه افزایش یافته و به این طریق، راندمان کلی کاهش می یابد.
لازم به ذکر است که این امر از طرف دیگر ، افزایش هزینه انرژی مصرفی را به دنبال خواهد داشت.
در شرایط آب و هوایی مرطوب، تخمین دقیق دستگاه ها اهمیت بیشتری می یابد.
چرا که انتخاب دستگاه های بزرگ باعث کوتاهی فاصله زمانی روشن و خاموش شدن دستگاه ها شده و این امر کنترل اندک رطوبت را در پی خواهد داشت.
از طرف دیگر روشن و خاموش شدن مکرر و بسیار زیاد، باعث کاهش راندمان کل سیستم نظیر دستگاه های تهویه مطبوع، بویلر و پمپ و ...
شده و خرابی این گونه دستگاه ها را موجب خواهد شد.
تعیین سایز صحیح تجهیزات سرمایشی و گرمایشی ساختمان های مسکونی، کلید مهمی برای رسیدن به شرایط مناسب آسایش داخل ساختمان و کاهش مصرف هزینه های اولیه و جاری این گونه سیستم هاست.
در سیستم های هوایی استفاده از تجهیزات با ظرفیت های بالا موجب به کار گیری فن های بزرگتر و افزایش نشتی از کانال های هوا به واسطه افزایش فشار داخل کانال شده که این امر تأثیر بسزایی در افزایش مصرف انرژی و کاهش راندمان کلی دارد.
همچنین انتخاب تجهیزات بزرگتر موجب افزایش مصرف انرژی در روزهای بسیار گرم تابستان و بسیار سرد زمستان می شود.
که در این خصوص، آمارها نشان می دهد سیستم هایی ۵۰ درصد بزرگتر از حد مورد نیاز در حدود ۱۳ درصد مصرف انرژی بیشتری دارند.
جدول ۲ - مقایسه میزان انرژی در دو حالت متداول و ملحوظ نمودن شرایط بهینه سازی شده برای یک ساختمان با مساحت ۲۰۰۰ فوت مربع بهسازی سیستم های سرمایشی و گرمایشی همانگونه که پیش از این بیان شد، انتخاب دستگاه ها با سایز مناسب یکی از مناسب ترین راهکارها در زمینه صرف جویی انرژی است.
اما به منظور انتخاب سیستم گرمایشی و سرمایشی مناسب باید در گام اول به دنبال بهترین اجزاء از نظر راندمان عملکردی بود.
در جدول ۳ توان بالقوه صرف جویی انرژی در انواع سیستم گرمایشی و سرمایشی ذکر شده است.
در گام بعدی باید به این نکته توجه کرد که با وجود انتخاب اجزای مناسب، ممکن است اندرکنش این اجزاء با یکدیگر موجب دور شدن از راندمان مناسب شود.
به عنوان مثال، چیلرها (حتی در صورتی که از نوع با راندمان بالا نیز انتخاب شوند) برای کارکرد با راندمان بالاتر باید آب خنک تری را از برج خنک کن دریافت کنند.
که این امر با مصرف انرژی بیشتر توسط فن موجود در برج خنک کن محقق می شود.
مثال فوق نشان می دهد که علاوه بر اهمیت و لزوم استفاده از اجزای سرمایشی و گرمایشی با راندمان بالا، لازم است بهینه سازی انرژی مورد استفاده توسط جمیع این اجزاء و اندرکنش آنها نیز مورد توجه قرار گیرد.
در این مقاله به سیستم های سرمایش و گرمایش مرکزی به عنوان مهمترین مصرف کننده های انرژی در ایران و راهکارهای مربوط به کاهش مصرف انرژی اینگونه سیستم ها پرداخته شده است.
جدول ۳ - توان بالقوه سیستم های سرمایشی و گرمایشی جهت کاهش مصرف انرژی سیستم های سرمایشی مرکزی هر سیستم سرمایشی شامل اجزای مختلفی است که باید به نحوی با یکدیگر کار کنند که راندمان کل به بالاترین حد خود برسد.
پیشرفته کردن هر سیستمی در حالت کلی به افزایش راندمان اجزاء و با شرط جامع نگری در کاهش مصرف انرژی بستگی دارد.
چیلر تراکمی به چهار دسته سانتریفوژ، مارپیچی، حلزونی و رفت و برگشتی تقسیم بندی می شوند که برای هر کدام از ایشان کاربردهای خاصی نیز متصور است.
در حالت کلی در چیلرهای قدیمی به ازای هر تن تبرید در حدود ۸/۰تا یک کیلووات برق مصرف می شد که امروزه با پیشرفتهای حاصله در زمینه ساخت انواع چیلر به ازای هر تن تبرید فقط ۴۵/.
کیلو وات برق مصرف می شود.
پیشرفته کردن برج های خنک کن در سیستم های سرمایشی مرکزی، گرما باید به محیط بیرون انتقال داده شود که برج های خنک کن این وظیفه را برعهده دارند.
برج های خنک کن در حقیقت یک مبدل حرارتی بزرگ بوده که وظیفه انتقال حرارت را از کندانسور سیستم سرمایشی به بیرون در تماس آب (به صورت پاششی یا ثقلی) با هوای بیرون را برعهده دارند.
جریان هوای مورد نیاز معمولاً از طریق فن های سانتریفوژ یا محوری تأمین می شود.
اگر فن در انتهای پایین برج نصب شود برج خنک کن از نوع فشاری و اگر فن در بالای برج نصب شود، به آن برج خنک کن مکشی می گویند.
متداولترین نوع برج خنک کن، نوع مکشی است که از نظر عملکردی دارای راندمان بهتری نسبت به نوع دیگر است.
لکن نوع فشاری دارای صدای کمتری بوده و جای کمتری را نسبت به نوع مکشی اشغال می کند.
در هر دو نوع برج های خنک کن، هدف افزایش نرخ انتقال حرارت از آب به هواست.
که این امر با اضافه تر شدن سطح تماس بین آنها امکان پذیر است.
به همین دلیل، این سطوح همواره در معرض تشکیل رسوب، خوردگی و رشد میکرو ارگانیزم ها بوده که در نهایت تأثیر مخرب و کاهنده ای بر روی عملکرد برج خنک کن و در نهایت سیستم سرمایشی دارد.
امروزه از مواد شیمیایی، سیستم های تولید کننده ازن، سیستم های مغناطیسی برای جلوگیری از خرابی برج های خنک کن استفاده می شود.
یکی دیگر از بهسازی ها در زمینه بهبود راندمان برج های خنک کن، استفاده از فن های دور متغیر به جای فن های دور ثابت است.
به این معنا که به جای نصب فن های بزرگ در مواقع پیک بار، از فن های دور متغیر استفاده می شود تا بتواند در دور های پایین تر نیز به آسانی کار کند.
چرا که قدرت فن با توان سوم دبی تغییر می کند.
یعنی در صورت کاهش ۲۰ درصد دبی فن، میزان توان فن و انرژی الکتریکی ورودی به آن ۴۹ درصد مقدار توان اولیه کاهش پیدا می کند.
سیستم گرمایش مرکزی دیگ های بکار رفته در سیستم های گرمایشی قدیمی در بهترین حالت دارای راندمانی در حدود ۶۵ درصد تا ۷۵ درصد هستند که تنظیم نشدن دقیق، خرابی ها و مشکلات متعدد راندمان اینگونه سیستم ها را به کمتر از ۵۰ درصد می رساند.
در صورتی که امروزه پیشرفت های حاصله در زمینه تولید دیگ ها، رسیدن به راندمانی در حدود ۸۵ درصد تا ۹۵ درصد را ممکن ساخته است.
در حالت عملی همانگونه که در جدول (۳) ذکر شد، می توان در سیستم های متداول گرمایشی در حدود ۱۰ درصد تا ۳۰ درصد در مصرف انرژی گرمایشی با رعایت دو شرط زیر، بعد از تخمین دقیق بار حرارتی مورد نیاز ساختمان صرفه جویی کرد: جدول ۴ - مقایسه میزان ظرفیت انواع چیلر تراکمی و میزان مصرف برق هریک به ازای واحد تن تبرید استفاده از بویلرهای با سایز مناسب بهترین روش برای کاهش مصرف انرژی در سیستم های گرمایشی، جایگزین کردن بویلرها و دیگر اجزای جدید با نمونه های قدیمی تر و با راندمان پایین تر است.
راندمان بویلرها با افزایش سطح تماس و انتقال حرارت بین آب و محفظه احتراق، همچنین بالا رفتن راندمان احتراق افزایش می یابد.
پیش از جایگزینی و بکارگیری بویلرهای جدید، لازم است نکاتی از قبیل تخمین صحیح بار گرمایشی، اطمینان از صرفه اقتصادی نصب بویلرهای جدید و در نهایت امکان استفاده از چند بویلر کوچک به جای یک بویلر بزرگ به گونه ای که فراخور میزان گرمایش لازم به صورت مرحله ای شروع به کار کنند.) مورد مطالعه قرار گیرد.
استفاده از سیستم های نوین گرمایشی و سرمایشی استفاده از سیستم های نوینی که مصرف انرژی پایینی داشته و عمدتاً بر مبنای گرمایش و سرمایش تشعشعی و خورشیدی تعریف می شوند،می تواند کمک شایانی در جهت کاهش مصرف انرژی بکند.
نکته مهم در این گونه سیستم ها، آن است که هزینه اولیه این سیستم ها ممکن است نسبت به سیستم های متداول بالا باشد، لکن میزان کاهشی که در مصرف انرژی موجب می شود به گونه ای است که استفاده از آنها را توجیه پذیر می کند به عنوان مثال سیستم های گرمایش کفی و سیستم های گرمایشی تشعشعی از جمله این گونه سیستم ها هستند که بین ۲۰ تا ۵۰ درصد در مصرف سوخت صرفه جویی به دنبال خواهد داشت.
نتیجه در این مقاله به راهکارهای مختلف در جهت اصلاح ساختمان ها از نقطه نظر کاهش مصرف انرژی پرداخته شده است.
طراحی دقیق ساختمان از نظر معماری، انتخاب مصالح مناسب، تخمین دقیق انرژی مورد نیاز ساختمان، انتخاب سیستم های گرمایشی و سرمایشی با ظرفیت مناسب و راندمان بالا، استفاده از ابزار و تجهیزات کنترلی و...
از جمله این راه حل هاست.
نکته مهم آن که در انجام فرایند اصلاح، بهسازی و بکارگیری تمهیدات مختلف در این خصوص باید مواردی چون رسیدن به نقطه آسایش، کاهش مصرف انرژی، تعمیر و نگهداری به گونه ای باشد که افزایش هزینه های اولیه احتمالی را توجیه پذیر کند.
تحقیقات انجام شده در زمینه کاهش مصرف انرژی که در این مقاله به آن پرداخته شده به خوبی نشان دهنده توان بالقوه در این مورد است.
با توجه به صرف انرژی بسیار زیاد در بخش ساختمان بکارگیری این تمهیدات، نه تنها توجیه پذیر، بلکه اعمال هرچه سریع تر آن ضروری به نظر می رسد.