چگونه با شبیه سازی ساختمان، مصرف انرژی را کاهش دهیم؟ (معرفی نرم افزارها و ابزارها)

امروزه با رشد جمعیت و افزایش نیاز به فضاهای ساختمانی، مصرف انرژی در این بخش به یکی از مهم‌ترین چالش‌ها تبدیل شده است. ساختمان‌ها سهم زیادی از مصرف انرژی را به خود اختصاص می‌دهند و همین امر موجب شده است که بهینه‌سازی در طراحی، ساخت و بهره‌برداری آن‌ها اهمیت ویژه‌ای پیدا کند. در این مقاله به تحلیل شبیه‌سازی انرژی ساختمان به‌عنوان ابزاری نوین و کارآمد می‌پردازیم و ابزارهای و نرم‌افزارهای رایج در این زمینه را معرفی می‌کنیم.

خلاصه این مقاله را از طریق فایل صوتی زیر بشنوید:

انرژی‌های تجدیدپذیر

همان‌طور که می‌دانیم، یکی از تقسیم‌بندی‌های رایج و پرکاربرد برای انواع انرژی، تقسیم آن‌ها به 2 نوع تجدیدپذیر و تجدیدناپذیر است. البته اصطلاح تجدیدناپذیر بودن به این معنا نیست که این نوع از انرژی‌ها امکان به‌وجود آمدن مجدد را ندارند، بلکه این مفهوم در مقایسه با طول عمر انسان‌ها معنا می‌شود. به این ترتیب که اگر منبعی در زمانی در مقیاس زمانی عمر انسان به‌طور طبیعی دوباره جایگزین شود، منبع تجدیدپذیر به حساب می‌آید.

مهم‌ترین دسته از این منابع، منابعی با انتشار کربن صفر مانند انرژی خورشیدی، باد، باران، جزر و مد و ... هستند. به گزارش شبکه بین‌المللی سیاست‌گذاری انرژی‌های تجدیدپذیر برای قرن ۲۱ (REN21)، در سال ۲۰۲۳، سهم انرژی‌های تجدیدپذیر در تولید برق جهانی به‌طور میانگین به بیش از ۳۰٪ رسیده است. انرژی‌های تجدیدپذیر دارای مزایای و معایبی هستند که در جدول زیر به آن‌ها اشاره شده است.

چرا ساختمان‌ها در مصرف انرژی اهمیت دارند؟

آمارها نشان می‌دهند بیش از ۴۰٪ از مصرف انرژی جهان که در واقع بزرگ‌ترین سهم از مصرف انرژی محسوب می‌شود، مربوط به صنعت ساختمان و ساختمان‌سازی است. پس لازم است توجه ویژه‌ای به این حوزه داشته باشیم. همان‌ظور که در مقاله آشنایی با مدل‌سازی اطلاعات ساختمان BIM  اشاره شد، شبیه‌سازی انرژی یکی از گام‌های فرایند مدل‌سازی اطلاعات ساختمان است. بنابراین برای در نظر گرفتن دغدغه‌های مرتبط با بهینه‌سازی مصرف انرژی و ایجاد راه‌حل‌های مناسب برای بهینه‌سازی مصرف انرژی، نیاز به شبیه‌سازی وجود دارد.

همان‌طور که در جدول بالا اشاره شد انرژی‌های تجدیدپذیر در کنار مزایایی که دارند، معایبی مثل هزینه بالای تولید و نصب تجهیزات لازم و یا طولانی‌شدن زمان بازگشت سرمایه را نیز شامل می‌شوند. وجود این معایب باعث می‌شود قبل از اجرای هر طرح انرژی برای ساختمان‌ها، به شبیه‌سازی ساختمان و طرح‌های پیشنهادی بپردازیم و میزان تحقق اهداف را بررسی کنیم تا از خطاهای احتمالی جلوگیری شده و باعث هدر رفت زمان و هزینه نشود.

البته از آنجایی که یکی از اولین خروجی‌های این شبیه‌سازی‌ها برآورد مصرف انرژی به تفکیک بارهای برودتی، حرارتی، روشنایی و ... است، حتی برای انتخاب و چیدمان وسایلی که با انرژی‌های تجدیدناپذیر مثل سوخت‌های فسیلی کار می‌کنند نیز کاربرد دارند.

به‌طور کلی، شبیه‌سازی‌های ساختمان از دیدگاه انرژی با دو رویکرد انجام می‌شود:  

• برای ساختمان‌هایی که قرار است جدید ساخته شوند تا بتوان میزان مصرف انرژی، روشنایی، انتشار کربن و ... پیش‌بینی کرد.  
• برای ساختمان‌هایی که قبلا ساخته شده‌اند، وضعیت موجود را مدل کنیم و در واقع ممیزی انجام می‌دهیم تا ببینیم با چه راه‌حل‌هایی می‌توانیم این ساختمان را به یک ساختمان انرژی‌مثبت و پایدار تبدیل کنیم.

شبیه‌سازی انرژی ساختمان

شبیه‌سازی انرژی ساختمان که به آن مدل‌سازی انرژی ساختمان (BEM) نیز گفته می‌شود، فرایندی محاسباتی است که با به‌کارگیری محاسبات مبتنی بر فیزیک، عملکرد انرژی یک ساختمان را با مدل‌کردن ویژگی‌های فیزیکی و عملیاتی آن شبیه‌سازی می‌کند. این روش به ذینفعان امکان می‌دهد تا پیش از ساخت یا بازسازی یک ساختمان، میزان مصرف انرژی، راحتی حرارتی، بارهای روشنایی و نیازهای سیستم گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) را تخمین بزنند. با وارد کردن پارامترهایی مانند هندسه ساختمان، جنس مصالح، داده‌های آب‌وهوایی، الگوهای اشغال و مشخصات تجهیزات، نرم‌افزارهای شبیه‌سازی قادرند پیش‌بینی کنند که ساختمان در شرایط مختلف چگونه عمل خواهد کرد.

هدف اصلی شبیه‌سازی مصرف انرژی ساختمان، کمک به فرایند تصمیم‌گیری در طراحی و بهره‌برداری بهینه از نظر مصرف انرژی است. این روش به معماران و مهندسان اجازه می‌دهد تا تاثیر انتخاب‌های طراحی مختلف یا اقدامات صرفه‌جویی انرژی مانند عایق‌بندی بهتر، روشنایی کارآمد یا ادغام انرژی‌های تجدیدپذیر را بر مصرف کلی انرژی و هزینه‌های مرتبط ارزیابی کنند. در طول سال‌ها، شبیه‌سازی عملکرد انرژی مبتنی بر رایانه نقش مهمی در پیشرفت روش‌های ساخت ساختمان‌های کم‌مصرف داشته و به ابزاری ضروری در پروژه‌های ساخت‌وساز نوین و بازسازی تبدیل شده است.

شبیه‌سازی مصرف انرژی ساختمان با وجود مزایای فراوانی که دارد، دقت آن به کیفیت داده‌های ورودی و همچنین کالیبراسیون مدل در برابر عملکرد واقعی ساختمان بستگی زیادی دارد. پژوهش‌های انجام شده در این زمینه، بر ضرورت استفاده از رویکردهای سیستماتیک برای اعتبارسنجی مدل‌های شبیه‌سازی تاکید دارند و چالش‌هایی مانند جمع‌آوری زمان‌بر داده‌ها و تفاوت‌های میان مصرف پیش‌بینی‌شده و واقعی انرژی را مورد توجه قرار می‌دهند. هنگامی که شبیه‌سازی به‌درستی کالیبره و اعتبارسنجی شود، این ابزار به وسیله‌ای قدرتمند برای بهینه‌سازی عملکرد ساختمان، کاهش اثرات زیست‌محیطی و دستیابی به اهداف پایدار تبدیل می‌شود.

معرفی ابزارهای شبیه‌سازی انرژی ساختمان

از حدود 20 تا 30 سال پیش، نرم‌افزارهایی در زمینه شبیه‌سازی انرژی ساختمان طراحی شده و توسعه یافته‌اند. هدف این گونه نرم‌افزارها، کاهش مصرف انرژی ساختمان، ارزیابی عملکرد ساختمان در شرایط آب‌وهوایی مختلف و تحلیل اقتصادی و بازگشت سرمایه هستند. این ابزارها با مدل‌سازی تعامل بین ساختمان، سیستم‌های مکانیکی (گرمایش، سرمایش، تهویه)، شرایط آب‌وهوایی خارجی، الگوهای استفاده کاربران و سایر عوامل، به طراحان و مهندسان و کمک می‌کنند تا به این اهداف برسند.

یکی از این نرم‌افزارها، دیزاین بیلدر DesignBuilder است. همان‌طور که در دوره آموزش دیزاین بیلدر Design Builder تدریس می‌شود، این نرم‌افزار یک نرم‌افزار قدرتمند برای شبیه‌سازی انرژی ساختمان، تحلیل راحتی حرارتی، نور طبیعی و جریان هوا است که بر پایه موتور محاسباتی EnergyPlus (توسعه‌یافته توسط آژانس انرژی آمریکا) ساخته شده است. این نرم‌افزار با ارائه یک رابط گرافیکی کاربر پسند، امکان مدل‌سازی سه‌بعدی ساختمان و تعریف دقیق اجزای پوسته، سیستم‌های مکانیکی، الگوهای استفاده و شرایط آب‌وهوایی را فراهم می‌کند.

دیزاین بیلدر برای مهندسان و معماران در فازهای طراحی و هم برای تحلیل‌های تخصصی انرژی مناسب است و به‌طور گسترده در پروژه‌های گواهی‌های سبز (مانند LEED) و رعایت مقررات ملی ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله ویژگی‌های این نرم‌افزار عبارتند از:

• رابط کاربری گرافیکی و سه‌بعدی برای مدل‌سازی آسان ساختمان
• قابلیت مدل‌سازی سیستم‌های HVAC پیچیده
• پشتیبانی از استانداردهای بین‌المللی
• امکان انجام تحلیل حساسیت و بهینه‌سازی پارامترهای طراحی

یک نرم‌افزار پرکاربرد دیگر در زمینه شبیه‌سازی انرژی سازمان، نرم‌افزار ترنسیس TRNSYS است. TRNSYS (Transient System Simulation Tool) یک نرم‌افزار مدولار و بسیار انعطاف‌پذیر برای شبیه‌سازی سیستم‌های دینامیکی، به‌ویژه در حوزه‌های انرژی تجدیدپذیر، سیستم‌های گرمایش و سرمایش و عملکرد انرژی ساختمان است. این نرم‌افزار با رویکردی مبتنی بر بلوک‌های ساختاری یا Typeها، امکان مدل‌سازی دقیق و سفارشی از تعامل بین ساختمان، سیستم‌های HVAC، منابع انرژی تجدیدپذیر، ذخیره‌سازهای حرارتی و الگوهای مصرف را فراهم می‌کند.

TRNSYS عمدتا در تحقیقات پیشرفته، طراحی سیستم‌های انرژی پیچیده و شبیه‌سازی‌های بلادرنگ (real-time) مورد استفاده قرار می‌گیرد و به دلیل دقت بالا و قابلیت سفارشی‌سازی گسترده، در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی جهان پرکاربرد است. مهم‌ترین قابلیت‌های این نرم‌افزار که در دوره آموزش ترنسیس TRNSYS نیز تدریس می‌شوند عبارتند از:

• تحلیل سیکل‌های ترمودینامیکی در شرایط آب ‌و هوایی مختلف
• مدل‌سازی و ارزیابی سیستم‌های تهویه مطبوع با ماژول TRNBuild
• اتصال TRNSYS به نرم ‌افزارهایی مثل MATLAB و Fluent برای انجام پروژه‌های پیچیده‌تر
• بهینه‌سازی انرژی و تجهیزات صنعتی با استفاده از داده‌های دقیق شبیه‌سازی

جمع‌بندی

همان‌طور که در این مقاله پرداختیم، شبیه‌سازی انرژی ساختمان روشی کارآمد برای کاهش هزینه‌ها و بهبود عملکرد حرارتی و زیست‌محیطی ساختمان‌ها است، با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی مانند DesignBuilder و TRNSYS، می‌توان الگوهای مصرف انرژی را به‌طور دقیق بررسی کرده و راهکارهایی عملی برای بهینه‌سازی ارائه داد. بدین ترتیب شبیه‌سازی انرژی ساختمان، طراحی و بهره‌برداری را به یکدیگر پیوند می‌زند. اگر به موضوعات دیگر مرتبط با صنایع ساختمانی علاقه‌مند هستید، دوره‌های گروه آموزشی پارس پژوهان که به صورت کاربردی و پروژه‌محور طراحی شده‌اند، کمک زیادی به شما خواهند کرد.

نویسنده: رضا صفایی، کارشناس مدیریت صنعتی