تحلیل انرژی و طراحی اقلیمی ویلای مسکونی در قطر

پروژه‌ها

انرژی

تحلیل انرژی و طراحی اقلیمی ویلای مسکونی در قطر

مطالعه تطبیقی عملکرد حرارتی و بهینه‌سازی مصرف انرژی با استفاده از DesignBuilder

مشخصات پروژه

عنوان پروژه:

شبیه‌سازی و مدل‌سازی انرژی ویلای مسکونی دو طبقه

مکان پروژه:

دوحه، قطر

سال انجام:

۲۰۲۲

اقلیم:

تابستان‌های بسیار گرم و مرطوب و زمستان‌های معتدل

هدف کلی پروژه:

کاهش حداقل ۵٪ مصرف برق سالانه، افزایش آسایش حرارتی، کاهش انتشار آلاینده‌ها و ارائه الگویی برای طراحی پایدار

مشاور انرژی:

دکتر امیرحسین جانزاده

نمونه‌های مورد بررسی:

ابزارهای مورد استفاده:

۱) DesignBuilder(EnergyPlus): شبیه‌سازی دقیق بار سرمایشی و گرمایشی، جریان هوا، تابش خورشید، شاخص‌های آسایش حرارتی PMV/PPD، مصرف انرژی و انتشار کربن
۲) HAP Software: تحلیل اقلیم و تخمین بار سرمایشی اولیه
۳) SolidWorks: مدل CAD سه‌بعدی، تحلیل انتقال حرارت پوسته ساختمان وتهیه‌ی داده‌ها برای شبیه‌سازی

معرفی پروژه

قطر یکی از کشورهایی‎ است که بیشترین سرانه‌‏ی مصرف انرژی خانگی را دارد. تابستان‌های بسیار گرم و مرطوب سبب می‌شود تا ۶۰% الی ۷۰% برق مصرفی خانه‌ها صرف سیستم‌های تهویه مطبوع شود. از این رو حتی اصلاحاتی کوچک در طراحی پوسته‌‏ی ساختمان می‌تواند منجر به صرفه‌جویی انرژی قابل توجه و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای شود.
این پروژه با تمرکز بر ویلای مسکونی دو طبقه، تأثیر پانل‌های SIP در مقایسه با عایق متداول را بررسی می‎‌کند. ترکیب شبیه‌سازی دقیق در DesignBuilder و مدل CAD در SolidWorks، امکان تحلیل هم‌زمان مصرف انرژی، بار سرمایشی و گرمایشی و آسایش حرارتی را فراهم نمود.

اهداف کلان پژوهش

کاهش حداقل ۵٪ مصرف برق سالانه
بهبود آسایش حرارتی داخلی مطابق استاندارد ASHRAE 55
تحلیل عملکرد مصالح شامل ICF، اسپری فوم و SIP از نظر انتقال حرارت، دوام، هزینه و سازگاری زیست‌محیطی
کاهش انتشار CO₂ ناشی از مصرف انرژی
ارائه الگوی طراحی پایدار و کم‌مصرف در اقلیم‌های گرم و مرطوب

ابزار تحلیل انرژی DesignBuilder

شبیه‌‎سازی دقیق هندسه ساختمان، مصالح و شرایط اقلیمی واقعی
تحلیل بارهای سرمایشی و گرمایشی، جریان هوا، تابش خورشیدی، انتقال حرارت پوسته و شاخص‌های آسایش(PMV/PPD)
بررسی سناریوهای مختلف مصالح و عایق‌ها برای انتخاب بهینه‌ترین گزینه
تولید داده‌های ساعتی، ماهانه و سالانه مصرف انرژی و انتشار CO₂
تحلیل اثر تغییرات کوچک در طراحی پوسته بر کاهش مصرف انرژی و افزایش آسایش حرارتی
امکان شبیه‌سازی تأثیر عوامل طراحی اقلیمی مانند جهت‌گیری ساختمان، سایه‌اندازی پنجره‌ها و پوشش‌های سقف، بر کاهش بار سرمایشی و گرمایشی

تحلیل تطبیقی نتایج شبیه‌سازی

۱) مصرف انرژی و انتشار کربن؛

جدول روبه رو بیان می‏‌کند:

بیشترین صرفه‌جویی مصرف برق در ماه‌های گرم تابستان (جولای و آگوست) رخ داده و تا ۷٪ کاهش مصرف مشاهده شده‌‏است.
کاهش انتشار CO₂ با SIP حدود ۹۰ کیلوگرم در سال، در مقیاس ملی می‌تواند به کاهش صدها تن CO₂ کمک کند.
تحلیل ساعتی نشان می‌دهد که کاهش مصرف برق با SIP عمدتاً در ساعات اوج تابش خورشید رخ می‌دهد.

۲) بار سرمایشی و گرمایشی؛

بررسی‏‌ها حاکی از آن است:

جرم حرارتی بهتر پوسته‌‏ی SIP موجب کاهش نوسانات دمای داخلی تا ۳–۴ درجه سانتی‌گراد در ساعات اوج گرما شده‌‏است.
سیستم HVAC کوچکتر، کم‌مصرف‌تر و اقتصادی‌تر عمل کرده‌‏است.
تحلیل ماهانه نشان می‌دهد که بیشترین کاهش بار سرمایشی را در ماه‌های جولای و آگوست و بیشترین کاهش بار گرمایشی را در ماه‌های دسامبر و ژانویه شاهدیم.

۳) آسایش حرارتی و شاخص PMV؛

بر اساس تحلیل‏‌ها:

افزایش ساعات آسایش حرارتی از ۷۲٪ به ۹۰٪، شاخص PMV را در محدوده خنثی حفظ نموده‏‌است.
تحلیل ماهانه و ساعتی نشان داد که بیشترین آسایش حرارتی در ماه‌های تابستان و بهار حاصل شده‎‌‎است.
کاهش رطوبت نسبی داخلی، بهبود کیفیت هوای داخلی و آسایش ساکنان را به همراه دارد.

۴) تحلیل مصالح ساختمانی؛

نتایج تحقیق نشان می‌دهد:

SIP بهترین گزینه از نظر عملکرد حرارتی، اقتصادی و زیست‌محیطی است.
طول عمر بالای SIP و مقاومت در برابر رطوبت و تابش خورشید سبب کاهش هزینه‌‏ی نگهداری و صرفه‌جویی بلندمدت انرژی می‌شود.
تحلیل چرخه عمر مصالح(LCA) نشان می‌دهد که SIP کمترین ردپای کربنی را نسبت به ICF و اسپری فوم دارد.

تحلیل طراحی اقلیمی ویلا

یکی از مهم‌ترین جنبه‌های این پروژه، بررسی نحوه‌‏ی تعامل ساختمان با شرایط اقلیمی خاص دوحه است. اقلیم قطر با تابستان‌های بسیار گرم(تا بیش از ۴۵ درجه سانتی‌گراد) و رطوبت نسبی بالا(اغلب بالای ۶۰٪) شناخته می‌شود.
در چنین شرایطی، طراحی اقلیمی پوسته‏‌ی ساختمان نقشی اساسی در کاهش بار سرمایشی و افزایش آسایش حرارتی ایفا می‌نماید.

۱) پوسته حرارتی و مصالح؛

انتخاب SIP(Structural Insulated Panels) به عنوان مصالح پوسته، مزیت‌های کلیدی زیر را به همراه داشته‌است:

حذف پل‌های حرارتی و ایجاد یک لایه عایق پیوسته
مقاومت بالا در برابر تابش شدید خورشید و رطوبت محیطی
کاهش نوسانات دمای داخلی و تأمین شرایط پایدارتر برای ساکنان
سیستم روشنایی مجهز به سنسورهای حضور و نور محیطی
کنترل خودکار تجهیزات HVAC متناسب با داده‌های دما و حضور
تهویه‌ی طبیعی کنترل‌شده جهت کاهش مصرف برق تجهیزات مکانیکی

۲) جهت‌گیری ساختمان؛

شبیه‌سازی‌ها در DesignBuilder نشان می‏‌دهد که جهت‌گیری بهینه‏‌ی نماها و کاهش سطح بازشوهای غربی، تا ۸٪ در کاهش بار سرمایشی اثرگذارست. سایه‌اندازی مؤثر برای پنجره‌های جنوبی نیز به کنترل تابش مستقیم کمک می‏‌کند.

۳) سایه‌اندازی و رنگ مصالح؛

استفاده از سایبان‌های افقی و عمودی برای پنجره‌ها، تابش مستقیم خورشید را به حداقل رسانده‏‌است.
پوشش‌های بازتابنده سقف باعث کاهش جذب حرارت خورشیدی و در نتیجه کاهش بار سرمایشی می‌شود.

۴) تهویه طبیعی و جریان هوا؛

بر اساس داده‌‏های نرم‌‎افزاری، مسیرهای جریان هوا بررسی شدند؛ نتایج نشان داد که در صورت طراحی مناسب بازشوها، تهویه‏‌‌ی طبیعی می‌تواند تا ۲۵٪ نیاز سرمایشی را جبران کند.

۵) آسایش حرارتی؛

شرایط داخلی در محدوده‌ی آسایش استاندارد ASHRAE 55 قرار گرفته‌‎است. استفاده از SIP سبب شد تا شاخص PMV در اکثر ساعات سال نزدیک به صفر(حالت خنثی) باقی بماند.
در مجموع، طراحی اقلیمی این ویلا نشان داد که حتی ترکیب ساده‌ای از مصالح عایق مناسب(SIP)، جهت‌گیری درست، سایه‌اندازی مؤثر و تهویه ‏ی طبیعی می‌تواند بار سرمایشی را به میزان قابل توجهی کاهش داده، مصرف انرژی را کم کند و آسایش حرارتی ساکنان را بهبود بخشد.

نتیجه‌گیری جامع و تحلیلی

تحلیل انجام‌شده روی ویلای مسکونی در قطر نشان داد که استفاده از Structural Insulated Panels (SIP) نتایجی به دنبال دارد:

مصرف برق سالانه را بیش از ۵٪ کاهش داده و در مقیاس ملی اثر بزرگی دارد.
بار سرمایشی ساختمان را کاهش داده و نیاز به سیستم HVAC کوچک‌تر و کم‌مصرف‌تر را فراهم می‌کند.
ساعات آسایش حرارتی مطابق استاندارد ASHRAE 55 به ۹۰٪ افزایش یافت.
انتشار سالانه CO₂ کاهش یافته و ساختمان گامی به سمت معماری پایدار برداشت.
هزینه اولیه SIP با صرفه‌جویی در انرژی و کاهش هزینه‌های عملیاتی در مدت کوتاهی جبران می‌شود.
تحلیل اقتصادی، زیست‌محیطی و چرخه‌ی عمر مصالح نشان داد، SIP با دوام بالا، نصب سریع و عملکرد حرارتی عالی، بهترین گزینه برای پروژه‌های مسکونی در اقلیم گرم و مرطوب است.
بهبود پوسته‌ی ساختمان حتی به صورت کوچک، آسایش ساکنان، کاهش مصرف انرژی و پایداری محیط زیست را به شکل قابل توجهی افزایش می‌دهد.
ترکیب SIP با تهویه‎‌ی طبیعی، سایه‌اندازی و انرژی‌های تجدیدپذیر می‌تواند ساختمان را به سمت Net Zero Energy و معماری پایدار هدایت کند.

برای مشاوره و مدیریت مصرف انرژی پروژه‌های خود با ما در ارتباط باشید.