ساختمان های سبز و انرژی صفر (بخش اول)

۷ ماه قبل ۲۸۸ ۰

۴۰ درصد کل انرژی سوخت فسیلی در آمریکا و اتحادیه اروپا را ساختمانهای قدیمی مصرف می‌کنند. این ساختمان ها تولید کننده‌های مهم گازهای گلخانه ای محسوب می‌شوند. در دنیای امروز با توجه به محدود بودن منابع سوخت فسیلی ساختمان‌ها، صنایع و دیگر ارگانها به سمت استفاده از دیگر انرژی‌های موجود در زمین مانند انرژی خورشیدی، بادی، زیست انرژی، آبی و ... نموده اند.

ساختمانی با برآيند مصرف انرژی آلاینده کربن صفر سالیانه را ساختمان انرژی صفر می نامند. ساختمانهایی که انرژی مضاعفی را در طول سال تولید می‌کنند، ساختمانهای انرژی مضاعف می نامند. ساختمانهایی که انرژی نسبتاً بیشتری نسبت به انرژی تولیدی، مصرف می‌کنند، ساختمان انرژی نزدیک به صفر یا خانه‌های انرژی خیلی کم نامیده شوند.

اصل مصرف انرژی شبکه صفر، بعنوان یک ابزار برای کاهش آلایندگی کربن و وابستگی به سوخت های فسیلی در نظر گرفته می‌شوند. گرچه ساختمانهای انرژی صفر حتی در کشورهای توسعه یافته نیز  غیر متداول می‌باشند ولی روز به روز  اهمیت و محبوبیت پیدا می‌کنند.

اکثر ساختمانهای انرژی صفر از شبکه الکتریکی  برای ذخیره انرژی استفاده می‌کنند ولی بعضی از آنها هم مستقل از شبکه می‌باشند. انرژی معمولاً از طریق ترکیب تکنولوژی تولید انرژی همچون تکنولوژی خورشیدی و باد تولید می‌شود. همچنین می توان مصرف کل انرژی  با طراحی یک سیستم HVAC  کارآمد و تکنولوژیهای روشنایی کاهش داد. کاربرد انرژی صفر با کاهش هزینه تکنولوژیهای انرژی جایگزین و افزایش هزینه سوخت‌های فسیلی بیشتر خواهد شد.

این ساختمانها می‌توانند از شبکه تامین انرژی جدا و مستقل باشد بدین ترتیب انرژی به صورت محلی و از طریق ترکیبی از فناوری‌های تولید انرژی‌های نو از قبیل خورشیدی، بادی، بیوسوخت و ... تامین  می‌گردد. آن در حالی است که می توان با استفاده از تکنولوژی‌های خاص برای سیستم‌های روشنایی و گرمایش و سرمایش فوق پربازده، مصرف انرژی را نیز کاهش داد. به عبارت دیگر در یک ساختمان انرژی صفر قبل از تولید انرژی پاک، به بهینه‌سازی مصارف انرژی در بخش‌های مختلف ساختمان پرداخته شده است و با استفاده هوشمندانه از تکنولوژی تجدید پذیر تعادل میان تولید و مصرف  انرژی برقرار می‌کند.

ساختمان های انرژی صفر و سبز

در حال حاضر ساختمان‌های اداری و مسکونی در حدود ۴٪ از مصرف انرژی‌های فسیلی کشور را به خود اختصاص داده است. گرچه ساختمان‌های با مصرف انرژی صفر حتی در کشورهای پیشرفته امروز بسیار کمیاب و حتی نایاب هستند، اما به دلیل مستقل بودن از سوخت فسیلی  و کمک در کاهش آلایندگی کربنی  در حال رشد بوده و توجه بسیاری را به خود جلب نموده است.

ساختمان های انرژی صفر و سبز

 

طراحی و ساخت ساختمان انرژی صفر

با صرفه ترین مرحله از لحاظ هزینه برای کاهش مصرف انرژی در یک ساختمان معمولاً در طول فرایند طراحی اتفاق می‌افتد. برای رسیدن به مصرف انرژی کارآمد، طراحی انرژی صفر بطور قابل ملاحظه‌ای از عملکرد قراردادی ساخت متفاوت می‌باشد. طراحان موفق ساختمان انرژی صفر معمولاً اصول انرژی خورشیدی غیرفعال آزمایش شده از لحاظ زمانی یا شرایط مصنوعی که با امکانات مکان کار می‌کنند را ترکیب می‌کنند. یکی ازابزارهای تحلیل انرژی ساختمان به همراه روشنایی دریافتی ابزار مدل سازی اطلاعات ساختمان BIM  بوده که کمک بسزایی در بهبود عملکرد ساختمان در مرحله طراحی و در نتیجه بهره مندی از نتایج آن در مرحله بهره برداری می باشد.

ابزارهای شبیه سازی سه بعدی پیچیده برای طرح ریزی چگونگی عملکرد ساختمان با یک سری متغیرهای طراحی در دسترس هستند. از جمله متغیرهای طراحی، جهت گیری  ساختمان نسبت به موقعیت روزانه و فصلی خورشیدی، نوع و نحوه قراگیری و عمق بیرو زدگی پنجره و در، نوع عایق و مقادیر عناصر ساختمانی، هواگیری، بهره‌وری و بازده تجهیزات گرمایشی، سرمایشی، روشنایی و تجهیزات دیگر و همچنین آب و هوای منطقه می‌باشند. این شبیه سازی ها به طراحان برای پیش بینی چگونگی ساخت ساختمان کمک می‌کنند و طراح را قادر می‌سازد تا مفاهیم اقتصادی و مالی را در آنالیز منفعت هزینه یا حتی ارزیابی مناسبتر چرخه زندگی الگو برداری کنند.

استفاده از انرژی در ساختمان انرژی صفر

ساختمانها انرژی صفر، انرژی در دسترس را برای تامین نیازهای الکتریسیته، گرمایشی یا سرمایشی مورد استفاده قرار می‌دهد. در مورد هر خانه تکنولوژیهای ریز تولید مختلف ممکن است برای تامین گرما و الکتریسیته برای ساختمان بوسیله سلول‌های خورشیدی یا توربین‌های بادی برای الکتریسیته و سوخت‌های فسیلی یا جمع‌کننده‌های گرمای خورشیدی مرتبط با مخزن انرژی گرمایی فصلی برای گرم کردن فضای آزاد مورد استفاده قرار بگیرد. یک مخزن انرژی گرمایی فصلی را می‌توان برای سرما سازی در تابستان بوسیله ذخیره کردن سرمای زیرزمین در زمستان مورد استفاده قرار داد. برای مقابله با نوسانات احتمالی، ساختمانهای انرژی صفر غالباً به شبکه الکتریسیته متصل می‌شوند و الکتریسیته را به شبکه منتقل می‌کنند. همچنین در زمانیکه الکتریسیته کمتر از نیاز باشد و زمانیکه الکتریسیته کافی تولید نمی‌شود الکتریسیته را به طرف خود می‌کشد.

برخی ساختمانها ممکن است به طور کامل خودکار باشند. مصرف انرژی غالباً زمانی موثرتر می‌باشد که در یک منطقه ولی در مقیاس ترکیبی به عنوان مثال یک گروه خانه‌ها، مسکن‌های گروهی، منطقه، روستا و غیره به جای خانه به خانه انجام شود.  یک مزیت چنین حالتی حذف مجازی افت انتقال و توزیع الکتریسیته می‌باشد. مقدار این اتلاف‌ها در حدود 7.2 تا 7.4 درصد از انرژی منتقل شده می‌باشد. مصرف انرژی در کاربردهای تجاری و صنعتی بایستی از نقشه برداری هر منطقه بهره‌مند 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 می‌باشد.

این مدل از پیاده سازی ساختمان های انرژی صفر در انگلستان و کالیفرنیا و چین به سرعت در حال گسترش می‌باشند. این مدل ممکن است در بعضی موارد شامل گرمای منطقه، آب سرد برای مردم، توربین‌های 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 می‌کنند وجود دارد.

مصرف انرژی در مقابل حفظ انرژی 

یکی از موضوعات اصلی از منظر طرح ساختمان انرژی صفر در مورد تعادل بین ذخیره انرژی و مصرف توزیع شده انرژی تجدیدپذیر (انرژی خورشیدی و انرژی باد) می‌باشد. اکثر خانه‌های انرژی صفر از ترکیب این دو استراتژی استفاده می‌کنند. چنین خانه‌هایی در مکانهایی پدیدار می شوند که کمک‌های مالی قدرت زایی نوری قابل توجه ‌باشد(در برخی مناطق کمک‌های مالی قابل توجهی از طرف دولت برای سیستم‌های الکتریکی خورشیدی فتو ولتایک (قدرت زای نوری) و توربین‌های بادی و غیره وجود دارد). ولی بسیاری از خانه‌های به اصطلاح انرژی صفر همچنان صورتحساب خدمات همگانی دارند. این نوع مصرف انرژی بدون ذخیره مازاد انرژی ممکن است از لحاظ هزینه با قیمت فعلی الکتریسیته تولید شده با تجهیزات قدرت زای نوری (بسته به قیمت محلی شرکت نیروی برق) مؤثر نباشد و همچنین ممکن است به انرژی و منابع بیشتر نیاز داشته باشند بنابراین این روش کاربرد کمتری دارد.

ساختمان های انرژی صفر و سبز

تاثیر کاربری ساختمان بر مصرف انرژی

انرژی استفاده شده در یک ساختمان می‌تواند به شدت بسته به کاربری آن متغیر باشد. پذیرش اینکه چه چیزی راحت در نظر گرفته می‌شود به طور گسترده متنوع می‌باشد. مطالعات انجام شده روی خانه‌های مشابه در ایالت متحده آمریکا، تفاوتهای زیادی را در مصرف انرژی نشان داده‌اند. بعضی از خانه‌ها بیش از دو برابر نسبت به خانه‌های دیگر انرژی مصرف می‌کنند. نوع کاربری میتو اند از تفاوت‌ها در تنظیم ترموستات‌ها، سطوح متغیر روشن سازی و آب داغ و مقدار دستگاههای الکتریکی متغیر یا بارهای اتصالی استفاده شده متغیر باشد.

مزایای ساختمان انرژی صفر

1.  در امان بودن مالکان ساختمان از افزایش آتی قیمت انرژی

2. آسایش بیشتر بعلت درجه حرارت‌های داخلی یکنواخت تر (این را می‌توان با نقشه‌های مقایسه‌ای خطوط هم دما نشان داد)

3. نیاز به انرژی کمتر

4. هزینه کلی کمتر نگهداری بعلت کارایی افزایش یافته انرژی

5. کاهش هزینه‌های کلی ماهیانه زندگی

6. اعتبار افزایش یافته مثلاً سیستم‌های فتوولتائیک ۲۵ سال گارانتی دارد که به ندرت در طول مشکلات آب و هوا خراب می‌شوند. (سیستم‌های فتوولتائیک در سال ۱۹۸۲ در غرفه نمایشگاه جهانی انرژیEPCOT  والت دیزنی مورد استفاده قرار گرفت و تا به امروز بعد از ۳ تند باد اخیر همچنان خوب کار می‌کند.)

7. هزینه ساخت و ساز جدید در مقایسه با اضافه کردن تکنولوژی جدید به طرح بعدی به حداقل می‌رسد.

8. بهای بیشتر فروش

9. قیمت ساختمان انرژی صفر نسبت به ساختمان مشابه معمولی بایستی هر زمان که هزینه انرژی افزایش پیدا می‌کند، افزایش یابد.

10. محدودیت‌های قانونی آینده و مالیات ها/ جریمه‌های آلایندگی کربن ممکن است، تکنولوژیهای جدیدسازی را به ساختمان‌های ناکارآمد اعمال کند.

11. استفاده بهینه از ضایعات چوبی و تولید زیست سوخت

12. تعادل مصرف انرژی با درخواست انرژی

13. کاهش مصرف الکتریسیته

14. حذف سیستمهای زائد مصرف کننده انرژی

15. کاهش ۵۰٪ مصرف آب آشامیدنی

16.  استفاده از سیستم تهویه بدون وسیله مکانیکی

ساختمان های انرژی صفر و سبز

 

معایب ساختمان انرژی صفر

۱. هزینه‌های اولیه بالا و نیاز به آموزش‌های کاربری ساختمان : تلاش برای درک مزایای ساختمان های انرژی صفر و کمک‌های مالی مورد نیاز می‌باشد. طراحان یا خانه سازهای بسیار اندکی دارای مهارت‌ها یا تجربه لازم برای ساخت ساختمانهای انرژی صفر هستند.

کاهش‌های احتمالی در هزینه‌های آتی انرژی تجدید شدنی شرکت خدمات همگانی ممکن است ارزش مقدار سرمایه در کارایی انرژی را کاهش دهد. قیمت تکنولوژی تجهیزات سلول‌های خورشیدی فتوولتائیک جدید تقریباً ۱۷ درصد هر ساله کاهش می‌یابد. مقدار سرمایه در سیستم تولید الکتریسیته خورشیدی کاهش می‌یابد. کمک‌های مالی موجود همانطور که تولید انبوه فتوولتائیک قیمت آینده را  کاهش می‌دهد به تدریج متوقف می‌شود.

۲. کمبود دانش فنی توانایی‌ها و تجربیات لازم در طراحی و ساخت ساختمان‌های مصرف انرژی صفر : چالش برای بازیابی هزینه‌های اولیه بالاتر برای فروش مجدد ساختمان. بسیاری از ارزیابها از مدل های انرژی بی اطلاع هستند، در حالیکه هر خانه ممکن است از متوسط انرژی صفر شبکه در طول یک سال استفاده کند و همچنین ممکن است در زمانیکه اوج تقاضا برای شبکه اتفاق می‌افتد به انرژی نیاز داشته باشد. در چنین موردی ظرفیت شبکه بایستی الکتریسیته را برای تمام بارها تامین کند. بنابراین یک ساختمان انرژی صفر ممکن است ظرفیت مورد نیاز نیروگاه برق را کاهش ندهد. بدون پوشش گرمایی بهینه شده، انرژی موجود، انرژی سرمایشی و گرمایشی و استفاده از منبع بیشتر از مورد نیاز می‌شود.

تکنولوژی سلولهای فوتوولتاییک باعث کاهش قیمت‌ها در حدود ۱۷٪ شده است این امر باعث خواهد شد تا هزینه سرمایه‌گذاری در سیستم‌های تولید انرژی مبتنی بر انرژی خورشیدی نیز کاهش  یابد. ساختمان انرژی صفر بنا به تعریف سطح حداقل عملکرد گرمایشی و سرمایشی را تضمین نمی‌کند. بنابراین به سیستم‌های انرژی تجدیدشدنی بیش از اندازه بزرگ این امکان را می‌دهد تا شکاف انرژی را پر کنند. انرژی خورشیدی جذب شده از طریق پوسته ساختمان فقط در قسمت جنوبی آن بیشترین بازده را دارد ودر سایر جهات به دلیل وجود سایه بازدهی آن کاهش بیشتری خواهد داشت. 

ماهیت ساختمان انرژی صفر

ساختمان های انرژی صفر بر چهار نوع می باشند.

1. ساخت و ساز با تقاضای برق همراه با نصب و راه اندازی سیستم  فتوولتاییک

2. ساخت و ساز با تقاضای برق و یک توربین بادی در محل

3. فتوولتاییک، شیوه حرارت خورشیدی، پمپ حرارتی: ساختمان‌های نسبتاً کوچک، گرما و تقاضای برق و همچنین نصب و راه اندازی سیستم فتوولتاییک در ترکیب با یک کلکتور حرارتی خورشیدی،  پمپ گرما و ذخیره‌سازی گرما را بر عهده دارد.

4. باد، شیوه حرارت خورشیدی، پمپ حرارتی: ساختمان‌های نسبتاً کوچک، گرما و تقاضای برق و همچنین یک توربین بادی در ترکیب با یک کلکتور حرارت خورشیدی ، پمپ گرما و ذخیره‌سازی گرما را بر عهده دارند.

ساختمان صفر انرژی به عنوان یک ساختمان بهره‌ور انرژی قادر به تولید برق، یا دیگر حامل‌های انرژی از منابع تجدید پذیربه منظور برطرف ساختن نیاز انرژی اش، می‌باشد. از این رو به طور ضمنی بر روی ساختمان‌های متصل به یک زیرساخت انرژی و البته نه برروی ساختمان‌های مستقل توجه وجود دارد.

با این ملاحظه اصطلاح ساختمان خالص صفر انرژی می‌تواند برای ارجاع به ساختمان‌های متصل به زیر ساخت انرژی استفاده گردد، در حالی که اصطلاح ساختمان صفر انرژی کلی تر می‌باشد و ممکن است ساختمان‌های مستقل را نیز شامل شود.

هدف ساختمان سبز و معماری پایدار استفاده کارآمدتر از منابع و کاهش تاثیر منفی ساختمان در محیط می‌باشد. ساختمانهای انرژی صفر  در نهایت به هدف اصلی ساختمان سبز برای کاهش کامل یا قابل توجه  مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای برای حیات ساختمان می‌رسند. ساختمانهای انرژی صفر هم ممکن است و هم ممکن نیست در تمام مناطق سبز در نظر گرفته شوند (مثل کاهش مواد زائد یا استفاده از مصالح بازیافت ساختمانی و ....)

همچنین ساختمانهای انرژی صفر شبکه تاثیر اکولوژیکی بسیار کمتری در حیات ساختمان در مقایسه با ساختمانهای سبز دیگر که به انرژی وارداتی و یا سوخت‌های فسیلی نیاز دارند و نیازهای ساکنین را برآورده می‌سازند، دارند.

بعلت چالش‌های طراحی و حساسیتی که برای برآورده کردن نیازهای یک ساختمان و ساکنین آن به طور کارآمد با انرژی تجدیدپذیر (خورشیدی، باد، گرمای زمین و غیره) مورد نیاز می‌باش، طراحان بایستی اصول کلی طراحی را بکار بگیرند و از دارایی‌های در دسترس که بطور طبیعی رخ می‌دهند بهره ببرند (مثل جهت یابی غیرفعال خورشیدی، تهویه طبیعی، روشنایی روز، حجم گرمایی و  خنک سازی شبانه)

برخی نمونه های اجرا شده ساختمان انرژی صفر

1. ۲۰۰۱: ساختمانهایی با مصرف انرژی صفر در واشنگتون دی سی

2.  ۲۰۰۳: شرکت میلر، ساخت اولین ساختمان انرژی صفر در  آریزونا

3.  ۲۰۰۳: ساخت خانه موریسون با مصرف انرژی صفر، کالیفرنیا

4.  ۲۰۰۴: شرکت پاردی هومز، ساخت مجموعه خانه‌هایی به مساحت ۵۳۰۰ فوت مربع با مصرف انرژی صفر در لاس وگاس

5. شهرکی با انرژی صفر، شهری بدون نیاز به کربن شهرک مصدر در امارات (نورمن فاستر و همکاران)

6.  ۱۳۹۱ : اولین ساختمان انرژی صفر ایران از سوی شرکت مشاوران بهسازی نوسازی انرژی (مبنا) اجرا گردید. (در گفتارهای آتی چگونگی طراحی و اجرای آن آورده خواهد شد.)

 

لینک های مرتبط :

ساختمان های سبز و انرژی صفر (بخش دوم:بررسی و طبقه بندی ساختمان های انرژی صفر)

ساختمان های سبز و انرژی صفر (بخش سوم:رویکردهای جایگزین در صفر انرژی خالص)

 

نگارش : بهنام آسایش


۰ دیدگاه