وحید جعفری
حامد توسلی
ایمان زینلی
دانشجویان کارشناسی ارشد مهندسی برق
اشاره: جای تردیدی نیست که یکی از مهمترین چالش‌ها و موضوعات جنجال برانگیز قرن جاری در سراسرجهان، مسئله انرژی است. به طور کلی روش‌های گوناگونی برای حفظ منابع انرژی وجود دارد. معمول‌ترین روش صرفه‌جویی است که از طریق فرهنگ‌سازی میسر است.جدیدترین ایده برای حفظ انرژی استفاده از تجهیزات و سیستم‌های جدید است که به همین منظور در نظر گرفته شده‌اند که سیستم‌های مدیریت انرژی ساختمان از این جمله‌اند.ساختمان هوشمند ساختمانی است که«دربردارنده محیطی پویا و مقرون به صرفه بوسیله یکپارچه‌کردن چهار عنصر اصلی یعنی سیستم‌ها، ساختار، سرویس‌ها و مدیریت و رابطه میان آنها است». یک ساختمان هوشمند این مزایا را از طریق سیستم‌های کنترلی هوشمند ارائه می‌کند. در این مقاله ضمن معرفی سیستم‌های مدیریت انرژی در ساختمان، به بررسی انواع آن، روش‌های پیاده‌سازی، موارد کاربرد و همچنین میزان تاثیر آن در مدیریت مصرف و بهینه‌سازی انرژی می‌پردازیم.
چرایی مدیریت انرژی در صنعت ساختمان
مدیریت انرژی در تعریف به معنای استفاده مقرون به صرفه و کارآمد از انرژی است. بسته به نوع مصرفی که یک ساختمان دارد دستگاه‌های پرمصرف متفاوتند.به عنوان مثال در ساختمان‌های اداری و تجاری دستگاه تهویه مطبوع و سیستم روشنایی مرکزی پرمصرف‌ترین هستند.البته کاربرد سیستم‌های HVAC مصرف انرژی را تا حد زیادی با کاهش روبرو ساخته است.در جهت کاهش هزینه‌های صنعت ساختمان و استفاده بهینه از تکنولوژی و بکارگیری فناوری ارتباطات و رایانه عملکرد سیستم‌های مدیریت و اتوماسیون ساختمان چشمگیرتر می‌شوند که در مجموع صرفه‌جویی انرژی را در بر خواهد داشت.
در واقع مزیت استفاده از سیستم‌های جدید کاهش مصرف قابلیت نصب ساده آنها بر روی شبکه‌های کامپیوتری (PC)و کنترل سیستم بدون نیاز به کابل‌کشی پرهزینه و استفاده از تجهیزات گران قیمت است. با در نظر گرفتن میزان مصرف انرژی و با توجه به روشنایی روز ودمای بیرون، سیستم قادر استیک روش مصرف ارزان قیمت را همراه با صرفه‌جویی در انرژی انتخاب کند. در نظر گرفتن دمای مطلوب ساختمان براساس نوع استفاده‌ای که از آن می‌شود مصرف انرژی را تا حد بسیار زیادی محدود می‌کند. این کار با در نظر گرفتن اطلاعات اولیه‌ای که کارفرما به سیستم می‌دهد و همچنین داده‌هایی که سیستم به عنوان پیش‌فرض دارد از جمله تغییرات روزانه و فصلی شرایط طرح و نحوه انتخاب تجهیزات صورت می‌گیرد. در نتیجه پروسه مصرف تصاعدی انرژی و ایجاد هزینه‌های بالا برای نگهداری ساختمان از بین می‌رود. به این ترتیب سیستم‌های مدیریت انرژی در ساختمان (EMS) تعریف می‌شوند
EMSها با تنظیم عملکرد ساعتی ویا دورهای تجهیزات از مصرف بی‌رویه آن جلوگیری می‌کنند. برای شناخت اهمیت اقتصادی سیستم‌های مدیریت انرژی اشاره به این موضوع کافی ست که استفاده از EMS دریک ساختمان تک عملکردی هزینه‌ای به مقدار 100 دلار در پی دارد. در حالی‌که کنترل عادی همان ساختمان با روش‌های سنتی هزینه‌ای معادل 1000 دلار دربردارد.
انواع سیستم‌های EMS و کاربری‌های مختلف:
همانطور که در قسمت قبل اشاره کردیم EMSها سیستم کنترلی هستند که با تنظیم عملکرد ساعتی ویا دورهای تجهیزات از اتلاف انرژی جلوگیری می‌کند. به این معنا که زمان و رنج خاموش و روشن شدن دستگاه را با توجه به داده‌های از پیش تعیین شده‌ای براساس یک سیستم یکتا و به کمک ساعت‌های کنترلی کنترل می‌کند.
سیستم مدیریت ساختمان:
اولین سیستم‌های مدیریت(BMS) در اوایل سال 1970 معرفی شدند. طرح ساختمان اولیه هوشمند‌سازی از دانشگاه میشیگان ایالات متحده امریکا شروع شد و در ساختمان‌های دانشگاه آریزونا در سال 1995 اجرا گشت.سیستم‌های مدیریت و اتوماسیون ساختمان علاوه‌بر کنترلی کردن تمام تجهیزات داخل یک خانه،سیستم‌های ایمنی و امنیتی کاملی را ایجاد می‌کند که در برابر سرقت، آتش‌سوزی، نشت گاز و. .. می‌توانند خانه را محافظت کنند.
این سیستم‌ها عبارتند از:
سیستم تهویه، سیستم ایمنی، سیستم اعلام و اطفای حریق، سیستم مدیریت روشنایی و انرژی سیستم‌های کنترل هوشمند دارای انعطاف بالایی خواهند بود که می‌توان براحتی آنها را با نیازهای مختلف منطبق کرد. همچنین در هنگام بهره‌برداری براحتی می‌توان عملیات تغییر و بهینه‌سازی برای راهبری بهتر و کاهش هزینه‌های انرژی و کاهش هزینه‌های تعمیراتی را انجام داد. درساختمان هوشمند بسیاری از اعمالی که ساکنان از روی عادت و بصورت غیر ارادی انجام می‌دهند، توسط سیستم‌های هوشمند انجام می‌شود که باعث صرفه‌جویی در زمان و هزینه‌ی نیروی انسانی می‌شود. با بکارگیری انواع و اقسام سنسورهای حسی در داخل و خارج ساختمان و با بکارگیری یک شبکه و سیستم واحد می‌توان بصورت دائمی و بلادرنگ اطلاعات دما، فشار، رطوبت، دبی هوا، میزان اکسیژن و دی اکسید کربن را در اختیار داشت و از آنها در جهت رسیدن به شرایط ایده آل استفاده کرد. در زمان کارکرد سیستم هوشمند ساکنان در جهت صرفه‌جویی مصرف انرژی حق باز کردن پنجره‌ها را نخواهند داشت و درساختمان‌های اداری قبل از اتمام ساعت کار این سیستم بصورت اتوماتیک و متناوب شروع به خاموش کردن سیستم‌های تهویه مطبوع می‌کند. دریک ساختمان هوشمند با امکانات بوجود آمده می‌توان در هر زمان میزان مصرف انرژی بر پایه مصرف انرژی سوخت و برق را بدست آورد و از آن در جهت کاهش مصرف انرژی و بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان بهره برد. سیستم مدیریت ساختمان(BMS)امکان کنترل مجزای هریک از زیر سیستم‌ها و هم کنترل یکپارچه آنها را در اختیار کاربر می‌گذارد. در ایران نیز دریکی دو سال اخیر بحث مدیریت و حفظ انرژی جای خود را در مسایل مصرف انرژی باز کرده است. این در حالی است که به عنوان مثال در ایران و در فصل تابستان در حدود 25 درصد مصرف برق توسط کولرهای آبی و گازی و خانگی است. و همچنین طبق آخرین آمار خانه‌های ایرانی به طور متوسط 5 تا 10درصد انرژی را به شکل‌های گوناگون هدر می‌دهند.
پیشنهاد نصب BMS در دو حالت زیر داده می‌شود:
- چنانچه طرح بسیار پیچیده باشد ویا از سیستم HVAC استفاده شود.
- انرژی نهایی که به کمک BMS ذخیره می‌شود متناسب با هزینه مصرفی برای سیستم باشد.
تا اینجا بیشترین کاربرد BMS در سیستم‌های تهویه مطبوع و حرارت مرکزی و اطفاء حریق و سایر موارد تاسیساتی ذکر شد.کاربرد دیگر BMS در سیستم‌های روشنایی مرکزی است. در این مورد نیز باید راندمان انرژی و بارهای حرارتی ناشی از سیستم‌های روشنایی را با شرایط آسایش و برآورد قیمت مقایسه کرد و حالت بهینه را در نظر گرفت. استفاده از لامپ‌های فلورسنت و لامپ‌ها ونورافکن‌های کم مصرف ولی با راندمان بالا پیشنهاد می‌شود.
انواع سیستم‌های BMS
Time-of-data scheduling:این نوع که می‌توان از آن به عنوان سیستم با برنامه زمانبندی روزانه یاد کرد براساس فهرست زمانبندی که به عنوان داده در اختیار آن قرار می‌گیرد و به کمک ساعت‌های الکترومکانیکی در عملکردهای گوناگون به کار برده می‌شود. این سیستم بیشتر در زمان تعطیلات و ساعاتی از روز که کنترل شخصی میسر نیست مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور عمده موارد استفاده از این نوع سیستم به صورت زیر خلاصه می‌شود:
- سیستم روشنایی داخلی و خارجی ساختمان ·
- کنترل حرارتی محیط و تنظیم درجه حرارت داخلی ·
- تهویه مطبوع هوای محیط ·
- کنترل فن‌های تهویه و تخلیه (مکنده) ·
Temperature/time optimization: این نوع سیستم که معادل فارسی آن سیستم بهینه‌سازی دما براساس زمان است، تامین کننده کنترل عملگرهای چند کاره و کنترل پیشرفته دما است. در این سیستم‌ها دمای هوای داخل و خارج به طور مداوم ثبت می‌شود بنابراین زمان خاموش و روشن شدن سیستم با تغییرات دما تعیین می‌شود. کاربرد عمده آن در سرمایش و گرمایش تهویه مطبوع است. این نوع سیستم با ذخیره عملکرد قادر است بهترین نتیجه و راندمان را در ازای کمترین هزینه مالی در امر صرفه‌جویی در انرژی ارائه دهد. همچنین به علت پیچیدگی خاص سیستم معمولا ازیک صرفه‌جو هم استفاده می‌شود. وجود دمپرهای کنترلی در سیستم می‌تواند ورود و خروج هوا به محیط را در زمان مطلوب میسر سازد
Demand control systems: این نوع سیستم که معادل فارسی آن سیستم کنترل خواستاری است در حقیقت مشابه سیستم بهینه‌سازی زمان- دما است با این تفاوت که با اتصال ساعت‌های کنترلی به سیستم مصرف جریان برق را نیز کنترل می‌کند. مزیت این سیکل در بررسی بارهای مطلوب و میزان مصرف برق است که در آخر با بالانس کردن این دو مورد مصرف انرژی را به حداقل مقدار خود می‌رساند.موارد استفاده از این نوع عبارتند از: حرارت مرکزی و تهویه مطبوع موتور کمپرسورهای هوایی سیستم ضدسرقت (دزدگیر) و قفل مرکزی سیستم هشدار آتش و اطفاء حریق خودکار. همچنین این نوع سیستم با کاهش بارهای غیر ضروری ساختمان که با توجه به ورودی در نظر گرفته شده تعیین می‌شود به میزان قابل‌توجهی کاهش در مصرف برق و بالتبع هزینه برق مصرفی را در پی دارد. از جمله ویژگی‌های خاص سیستم گزارش شرایط محیط (به عنوان مثال دما و رطوبت نسبی و… در مورد تهویه مطبوع و حرارت مرکزی) است.
روش‌های کاهش اتلاف انرژی در صورت عدم وجود EMS
اشاره به این نکته ضروری است که EMSها همیشه سودمند نیستند. علت اصلی استفاده از EMS صرفه‌جویی در انرژی و به دنبال آن صرفه‌جویی در هزینه‌ها است. گاهی هزینه مالی نصب دریک ساختمان با عملکرد عادی بسیار بالاتر از میزان صرفه‌جویی مالی ناشی از حفظ انرژی EMS است. در نتیجه بهتر است قبل از نصب سیستمیک آنالیز کلی بین هزینه‌های مصرفی برای نصب و سایر فاکتورها از جمله نوع ساختمان عملکرد و نوع اشتغال آن اندازه و ابعاد ساختمان و تعداد سیستم‌های کنترلی درون آن انجام شود. در موارد عادی با در نظر گرفتن اصول زیر می‌توان به میزان قابل‌توجهی از اتلاف انرژی جلوگیری کرد:
- عایق‌های حرارتی: وجود عایق در دیوارها، سقف و کف اتاق‌ها مصرف انرژی را تا 25 درصد کاهش می‌دهد. در مورد سقف‌های سفالی باید از عایق‌هایی که به صورت فویل دولایه هستند استفاده کرد. پیشنهاد می‌شود چنانچه زیر کف خالی باشد هوای داخل این فضا نیز تهویه شود.
- جلوگیری از تهویه طبیعی: جلوگیری از نفوذ هوا از طریق درها و پنجره‌ها و سایر درروها به کمک نوارهایی که به همین منظور در نظر گرفته شده است مقدور است. همچنین کاهش سطح پنجره و استفاده از شیشه‌های دوجداره از اتلاف گرما یا سرما جلوگیری می‌کند.
- کنترل نور خورشید: استفاده از سایبان‌های داخلی و خارجی و شیشه‌های رنگی و رفلکس تا حد زیادی اثر نور خورشید را کاهش می‌دهد.
- انتخاب نوع موتور : نوع موتوری که برای دستگاه‌های تهویه و … در نظر می‌گیریم باید به گونه‌ای باشد که علاوه‌بر قیمت مناسب ویژگی‌های مطلوب دیگری از جمله بی‌صدا و بدون لرزش بودن را نیز دارا باشد.
هزینه پیاده‌سازی BMS در ابتدا ممکن است زیاد به نظر برسد اما پیاده‌سازی این سیستم، باعث بازگشت سرمایه خواهد داشت:هدف اصلی استفاده از سیستم BMS دریک ساختمان، ذخیره‌سازی انرژی و مصرف صحیح و بهینه از امکانات است، که نتیجه این هدف علاوه بر ذخیره‌سازی انرژی، بازگشت سرمایه اولیه که صرف اجرای BMS شده است می‌شود. بحث دیگری که در بازگشت سرمایه نقش دارد مصرف بهینه از امکانات است که باعث افزایش عمر تجهیزات می‌شود: مثلا در سیستم تاسیسات مکانیکی با تقسیم زمان‌های کارکرد بین تمام اعضای یک مجموعه (مثل مجموعه پمپ‌های سیرکولاسیون) فشار کاری بین همه اعضا تقسیم می‌شود. و ضمن اینکه از غیر فعال بودن یک بخش از مجموعه بطور دائم جلوگیری می‌کند که خود باعث بهتر عمل کردن تمام مجموعه می‌شود.
با توجه به آنچه تا کنون گفته شد می‌توان نتیجه گرفت که BMS برنامه‌ای است با ویژگی‌های زیر:
1- سیستم کاهش هزینه که قادر به کنترل مصرف انرژی است و در نتیجه امر نگهداری ساختمان را آسان‌تر می‌سازد.
2- سیستمی برای آسان‌سازی عملکرد و مختصر کردن تجهیزات کاربردی در عین ایجاد آسایش و رفاه در ساختمان.
3 - سیستمی انعطافپذیر با ویژگی user friendly
5- سیستمی برای کنترل و بهبود عملکرد تجهیزات نصب شده و جلوگیری از پیشامد شرایط بحرانی.
با توجه دقیق‌تر به جزئیات کار در بحث ممیزی انرژی و بررسی و برآورد هزینه مصرفی در کاربردهای گوناگون می‌توان به سه مقوله زیر دست یافت:
1- صرفه‌جویی بدون هزینه:به کمک تنظیم محسوس سیستم‌های کنترلی می‌توان با هدایت عملکرد تجهیزات تغییرات عمده و مفیدی در روند عملکرد دستگاه ایجاد کرد که این طرح تقریبا بدون هزینه است.
2- صرفه‌جویی با هزینه بسیار کم:این روند در بخش‌هایی که متناوباً مورد استفاده قرار می‌گیرند از جمله موارد زیر کاربرد دارد:
کنترلر سیستم روشنایی، سوئیچ زمانی در سیستم آبگرمکن ویا کنترلرهای حرارت مرکزی.
3- صرفه‌جویی در مقیاس بالا:این روند در طرح‌هایی به کار می‌رود که نیازمند ایجاد تغییرات عمده ویا تغییر مکان درنقشه و همچنین مستلزم بکارگیری تجهیزات بسیار مدرن یا حساس هستند. به عنوان مثال جایگزینی سیستم بویلر و مشعل حرارتی با هدایتگر گاز داغ در واحد آب گرم ویا سیستم‌های دارای چیلر و همچنین در جایی که مصرف همزمان برق و گرما داریم. در حالت کلی می‌توان 3درصد تا 6درصد صرفه‌جویی در هزینه را برای ساختمان‌هایی که مصرف بسیار بالا دارند در نظر گرفت. این در حالی است که در نهادهای چند منظوره سالانه با 3درصد تا 4درصد صرفه‌جویی در مصرف روبرو هستیم. بطور میانگین در بحث ذخیره‌سازی انرژی حدود 25 الی 30 درصد کاهش مصرف وجود داشته است و بازگشت سرمایه در اثر استفاده از ساختار BMSدر حدود 2.5 الی 3 سال امکان‌پذیر است.
نشریه پنجره ایرانیان، سال پنجم ، شماره 56 ، خردادماه 1391
