راهکارهای طراحی واحدهای مسکونی صفر انرژی با رویکرد شرایط اقلیمی ایران

ساختمانهای تجاری و مسکونی هر ساله مصرف کننده حدود ٪۴۰ از انرژی کل دنیا هستند و ۷۰٪ مصرف گاز طبیعی کشور ما نیز مربوط به سیستم گرمایش ساختمانهاست. مصرف انرژی در ساختمان، یک سوم مصرف انرژی سالانه کشور را به خود اختصاص می‌دهد؛با توجه به افزایش قیمت انرژی، در دسترس نبودن همیشگی این منابع، اثرات زیان بار زیست محیطی استفاده از این منابع موجب شده که ساختمانهایی با مصرف انرژی صفر طرفداران بسیاری پیدا کند. در نتیجه طراحی ساختمانهای صفر انرژی هدفی مهم در حفاظت از محیط زیست در معماری و شهرسازی به شمار می‌رود. هم اکنون در نقاط مختلف دنیا به خصوص ایالات متحده آمریکا، کانادا، سنگاپور، استرالیا و انگلستان پروژه‌های ساختمان‌های صفر انرژی در حال انجام است. اقلیم مناطق هم در تعیین نوع ساختمان و سرپناه هم در میزان و مقدار نیاز افراد به مصرف انرژی و هم در تأمین آن گاهی به عنوان عامل محدود کننده و گاهی به صورت یک عامل مؤثر نقش تعیین کننده ای ایفا می‌کند. از این رو فرآیند تعیین، شناخت و کنترل تأثیرات اقلیمی بر مقدار مصرف انرژی در هر منطقه حائز اهمیت زیادی است. نحوه بهره گیری از شکل های متنوع انرژی برای مقاصد گوناگون انواع ساختمانها و نیز برای جوامع و افراد مختلف بسیار متفاوت بوده است.

از آنجا که بخش اعظمی از مصرف انرژی سالیانه هر کشور مربوط به بخش ساختمان است بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان از اهمیت خاصی برخوردار است تحقیقات حاکی از استفاده تقریباً ۳۸ کل انرژی مصرف شده در ایران در بخش ساختمان است که تقریباً ۳۹ این مقدار انرژی از فرآورده های نفتی ۵۰٪ آن از گاز طبیعی و بقیه از الکتریسیته تأمین می‌شود ارزش مالی و اعتباری انرژی مصرف شده در بخش ساختمان در ایران در سال ۲۰۰۱ میلادی بالغ بر ۵/۵ میلیارد دلار بوده است که پیش بینی میشود تا پایان سال ۲۰3۰ به 2۵۷۰۶ میلیارد دلار برسد. مقایسه میزان مصرف سرانه نشان داده است که در ایران میزان مصرف انرژی به ازای هر مترمربع در بخش ساختمان و مسکن 6/2 تا ۴ برابر این مقدار در کشورهای صنعتی است. آمار و ارقام ارائه شده نشانگر فاصله چشمگیر مصرف انرژی در بخش ساختمان در کشور ما با استانداردهای جهانی است در سالهای اخیر توجه همه محققان و دست اندرکاران مصرف انرژی در بخش ساختمان به بحث صرفه جویی در مصرف انرژی و یافتن راهکارهای مناسب و کارا برای حفظ منابع انرژی جلب شده است بهینه سازی مصرف انرژی در سیستمهای گرمایش و سرمایش ساختمان برخلاف سایر سیستمهای تبدیل انرژی با عوامل محدود کننده ای نظیر شرایط آسایش حرارتی روبرو است. در اغلب موارد کم کردن مصرف انرژی در ساختمان باعث بدتر شدن شرایط آسایش حرارتی می‌گردد؛ بنابراین باید در پی راهکارهایی بود که بتوان علاوه بر حفظ شرایط آسایش حرارتی در محدوده قابل قبول مصرف انرژی را نیز کاهش داد.

ساختمان‌های با انرژی و آلایندگی صفر (ZEB) به عنوان پاسخی به بحران انرژی و تغییرات اقلیمی مطرح شده‌اند. این مفهوم که از دهه ۱۹۷۰ ریشه دارد، به ترکیب فناوری‌های انرژی تجدیدپذیر با طراحی بهینه ساختمان برای کاهش مصرف انرژی اشاره دارد.  ZEB‌ها به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که در طول یک سال، انرژی مورد نیاز خود را به‌طور کامل از منابع تجدیدپذیر تأمین کرده و تولید انرژی آنها با میزان مصرفشان برابر باشد. با این حال، نبود تعریف مشترک از این ساختمان‌ها، منجر به رویکردهای متنوع و بعضاً محدود به پروژه‌های خاص شده است.

2-انواع ساختمان‌های با انرژی صفر (ZEB)

ساختمان‌های با انرژی صفر (ZEB) بر اساس معیارهای مختلفی دسته‌بندی می‌شوند. در ادامه به بررسی انواع ZEB و ویژگی‌های هر یک پرداخته می‌شود:

2-1-انرژی محل صفر (خالص انرژی صفر مورد نیاز محیط)

در این نوع ساختمان، انرژی تجدیدپذیر تولید شده در محل، حداقل به اندازه انرژی مصرفی ساختمان در طول یک سال است. به عبارت دیگر، ساختمان به‌طور کامل انرژی مورد نیاز خود را از طریق منابع تجدیدپذیر تولید می‌کند و هیچ گونه انرژی اضافی از شبکه دریافت نمی‌کند. این رویکرد بر تولید و مصرف انرژی در محل تأکید دارد و هدف آن ایجاد تعادل بین انرژی تولیدی و مصرفی در طول یک سال است.

2-2-انرژی منبع صفر (خالص انرژی صفر مورد نیاز منبع)

در این نوع ZEB، انرژی تولید شده از منابع تجدیدپذیر، حداقل به اندازه انرژی مصرفی ساختمان در طول یک سال است. با این تفاوت که این رویکرد به انرژی اولیه مورد نیاز برای تولید، پردازش و تحویل انرژی توجه می‌کند. برای محاسبه انرژی منبع، از ضریب تبدیل منبع به محل استفاده می‌شود. این ضریب، انرژی ورودی و خروجی ساختمان را بر اساس انرژی اولیه محاسبه می‌کند. این نوع ZEB به‌طور کلی تأثیرات زیست‌محیطی مرتبط با تولید و انتقال انرژی را نیز در نظر می‌گیرد.

2-3-هزینه‌های انرژی صفر (خالص هزینه صفر انرژی)

در این نوع ساختمان، هزینه‌های پرداختی مالک به شبکه برای انرژی مصرفی، با درآمد حاصل از صادرات انرژی تولیدی به شبکه در طول یک سال برابر است. به عبارت دیگر، ساختمان به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که هزینه‌های انرژی خالص آن در طول سال صفر باشد. این رویکرد بیشتر بر جنبه‌های اقتصادی تمرکز دارد و هدف آن ایجاد تعادل بین هزینه‌های انرژی و درآمد حاصل از تولید انرژی است.

2-4-تولید آلاینده‌های صفر (خالص گسیل صفر انرژی)

در این نوع ZEB، ساختمان انرژی تجدیدپذیر بدون آلودگی تولید یا خریداری می‌کند تا انرژی مصرفی خود را در طول سال جبران کند. این نوع ساختمان‌ها کمترین میزان انرژی هدررفته از منابع تجدیدپذیر را دارند. آلاینده‌های متداول مانند دی‌اکسید کربن (CO2)، اکسیدهای نیتروژن (NOx) و اکسیدهای گوگرد (SOx) باید توسط ساختمان جبران شوند. برای محاسبه کل آلاینده‌های تولید شده، انرژی وارد شده و صادر شده در مضرب‌های آلاینده‌ها ضرب می‌شود.

این رویکرد بر کاهش تأثیرات زیست‌محیطی ساختمان‌ها از طریق جبران آلاینده‌های تولید شده تمرکز دارد.

3-ساختمان‌های متصل به شبکه (Grid-Connected ZEB)

ساختمان‌های ZEB متصل به شبکه، انرژی تولیدی مازاد بر مصرف خود را به شبکه تزریق می‌کنند و در زمان نیاز، انرژی مورد نیاز خود را از شبکه دریافت می‌کنند. این نوع ساختمان‌ها از شبکه به‌عنوان یک منبع ذخیره انرژی استفاده می‌کنند.این رویکرد به ساختمان‌ها اجازه می‌دهد تا در زمان‌های مختلف سال، تعادل بین تولید و مصرف انرژی را برقرار کنند. برای طراحی واحدهای مسکونی صفر انرژی در ایران، با توجه به تنوع اقلیمی کشور، راهکارهای متفاوتی برای هر منطقه پیشنهاد می‌شود. این راهکارها شامل راهبردهای طراحی غیرفعال، طراحی فعال، و مدیریت انرژی هستند. راهکارهای طراحی واحدهای مسکونی صفر انرژی در شرایط اقلیمی ایران طراحی واحدهای مسکونی صفر انرژی در ایران نیازمند ترکیبی از استراتژی‌های غیرفعال، فعال و مدیریت مصرف انرژی است که متناسب با شرایط اقلیمی مختلف کشور تنظیم شود.

3-1- طراحی غیرفعال (Passive Design)

در این روش، بهینه‌سازی پوسته ساختمان از طریق عایق‌بندی حرارتی دیوارها، سقف و کف با موادی مانند پلی‌یورتان و پشم سنگ، شیشه‌های دوجداره و سه‌جداره برای کاهش اتلاف انرژی، و پوسته‌های هوشمند با مواد تغییر فازدهنده (PCM) جهت تنظیم دما انجام می‌شود. تهویه طبیعی با جهت‌گیری مناسب ساختمان، استفاده از بادگیرهای مدرن در مناطق گرم و خشک و بهره‌گیری از پنجره‌های هوشمند نقش مهمی در کاهش مصرف انرژی دارد. علاوه بر این، مدیریت انرژی خورشیدی با استفاده از سایه‌بان‌های متحرک، دیوارهای ترومب، رنگ‌های بازتاب‌دهنده در مناطق گرم و رنگ‌های جاذب گرما در مناطق سرد باعث افزایش بهره‌وری انرژی ساختمان می‌شود.

3-2-طراحی فعال (Active Design)

در این روش، بهره‌گیری از انرژی‌های تجدیدپذیر از طریق نصب پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک (PV) و هیبریدی (PVT) برای تأمین برق و گرما و استفاده از آبگرمکن‌های خورشیدی برای تأمین آب گرم مصرفی اهمیت دارد. سیستم‌های مدیریت انرژی شامل ذخیره‌سازی انرژی با باتری‌های لیتیوم-یونی، کنترل هوشمند مصرف برق، و سنسورهای هوشمند برای تنظیم دما، نور و تهویه به بهینه‌سازی مصرف کمک می‌کنند. همچنین، استفاده از پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی (GSHP)، سرمایش تبخیری در مناطق خشک، و گرمایش از کف در مناطق سرد باعث کاهش وابستگی به سیستم‌های پرمصرف انرژی می‌شود.

3-3- مدیریت مصرف انرژی و بهینه‌سازی عملکرد ساختمان

مدیریت هوشمند انرژی ساختمان (BEMS) از طریق هوش مصنوعی و اینترنت اشیا (IoT) برای تنظیم مصرف انرژی در طول روز و بهره‌گیری از پروتکل‌های هوشمند برای کنترل سیستم‌های مختلف انجام می‌شود. علاوه بر این، استفاده از سیستم‌های جمع‌آوری آب باران، بازیافت آب خاکستری و تصفیه آب فاضلاب خانگی به کاهش مصرف آب و افزایش پایداری ساختمان کمک می‌کند.

4-راهکارهای اختصاصی برای اقلیم‌های مختلف ایران

اقلیم	راهکارهای ویژه
گرم و خشک (مانند یزد و اصفهان)	استفاده از دیوارهای ضخیم، بادگیرهای مدرن، سایه‌بان‌های متحرک، سیستم سرمایش تبخیری، رنگ‌های بازتاب‌دهنده
سرد و کوهستانی (مانند تبریز و همدان)	پنجره‌های دوجداره، دیوارهای ترومب، گرمایش از کف، ذخیره‌سازی حرارت با PCM، پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی
معتدل و مرطوب (مانند شمال کشور)	تهویه طبیعی، استفاده از سقف‌های سبز، طراحی بام‌های شیب‌دار برای دفع رطوبت، کنترل رشد گیاهان روی ساختمان
گرم و مرطوب (مانند بندرعباس و چابهار)	افزایش ارتفاع ساختمان برای تهویه بهتر، استفاده از سایه‌بان‌های بزرگ، بهینه‌سازی جهت‌گیری باد، سیستم‌های خنک‌کننده تبخیری

5-جمع بندی و نتیجه‌گیری

طراحی واحدهای مسکونی صفر انرژی (ZEB) به عنوان راهکاری پایدار برای بهینه‌سازی مصرف انرژی و کاهش اثرات زیست‌محیطی مطرح شده است. در ایران، تنوع اقلیمی ایجاب می‌کند که استراتژی‌های طراحی متناسب با هر منطقه انتخاب شوند. راهکارهای ارائه‌شده برای دستیابی به ZEB در ایران شامل دو بخش اصلی است: ۱) طراحی غیرفعال، ۲) طراحی فعال و مدیریت انرژی می باشد.در بخش طراحی غیرفعال، استفاده از عایق‌های حرارتی، شیشه‌های‌ دوجداره، تهویه طبیعی، سایه‌بان‌های هوشمند و مواد تغییر فازدهنده (PCM) نقش مهمی در کاهش اتلاف انرژی دارد. همچنین، جهت‌گیری مناسب ساختمان و بهره‌گیری از فناوری‌های سنتی مانند بادگیر در مناطق گرم و خشک، به بهینه‌سازی مصرف انرژی کمک می‌کند. در بخش طراحی فعال و مدیریت انرژی، استفاده از پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک‌(PV)، سیستم‌های گرمایش و سرمایش کم‌مصرف مانند پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی (GSHP) و سرمایش تبخیری، به همراه مدیریت هوشمند انرژی و ذخیره‌سازی برق در باتری‌ها تأثیر قابل‌توجهی در خودکفایی انرژی ساختمان دارد.

در نهایت، برای موفقیت این رویکرد در ایران، لزوم تدوین استانداردهای ملی برای طراحی ZEB، ترویج فناوری‌های نوین، حمایت‌های دولتی و تشویق سرمایه‌گذاری در بخش انرژی‌های تجدیدپذیر ضروری است.