1-مقدمه

در دهه اخیر بارشد ساخت و ساز و همچنین استفاده هر چه بیشتر از تجهیزات تاسیسات گرمایشی و سرمایشی ساختمان می توان تاثیر این رشد را درمصرف هر چه بیشتر انرژی های فسیلی و الکتریکی توسط تاسیسات ساختمان به خصوص تاسیسات سرمایش و تهویه مطبوع احساس کرد. با توجه یه میانگین های مصرف انرژی درساختمان های مسکونی به طور متوسط مصرف انرژی الکتریکی درفصول گرم تقریبا دو برابر مصرف در فصول سرد است. ازآنجایی که بخش بزرگ برق تولیدی درکشور ایران توسط نیروگاههای حرارتی تامین می شود، مصرف بالای انرژی الکتریکی به معنای مصرف زیاد سوخت های غیر قابل تجدیدفسیلی می باشد. ( شکل 1 ) رشد مصرف برق خانگی طی 10 سال گذشته را نشان می دهد که دیده می شود ، افزایش مصرف برق خانگی طی ده سال حدود دو برابر شده است .

موضوع به کارگیری سامانه مدیریت ساختمان به اوایل دهه 1960 باز می گردد که با گذشت زمان پیشرفت های سخت افزاری و نرم افزاری توسعه یافته است . یکی از اهداف به کار گیری سامانه BMS ساده سازی نظارت و مدیریت عملکرد تجهیزات مختلف در ساختمان ها از جمله تاسیسات مکانیکی ساختمان ها می باشد. با به کار گیری این سامانه کاهش چشمگیری در هزینه های نیروی کار و همچنین انرژی مصرفی می باشد که به تبع آن محیطی با آرامش بیشتر درساختمان ایجاد می شود، به کارگیری و استفاده از مونیتورینگ انرژی در ساختمان یکی از مسایل پیچیده می باشد . مطالعات انجام شده نشان داده است که حدود 82 درصداز ساختمان هایی با هدف کنترل و مونیتورینگ انرژی ازسامانه BMS استفاده می کنند.

روش های بهینه سازی و مدیریت انرزی درساختمان درحالت کلی به دو روش صورت می پذیرد:

• روش های بهینه سازی ساکن وثابت انرژی (Statics)
• روش های بهینه سازی پویا (Dynamics)

در روش ساکن مشخصات کارکردی دستگاه ها و تجهیزات تاسیساتی ثابت تنظیم می شود و با تغییرات دمایی و همچنین تغییرات بار گرمایی ساختمان شرایط کارکردی تجهیزات تغییر کرده و مصرف انرژی را مدیریت می کند .

با توجه به مساله که ایجاد سازگاری و شرایط آسایش در مجیط مسکونی وهر ساختمان تابع عوامل ترمو دینامیکی چون دما و رطوبت و شرایط تایش خورشید می باشد و از آنجایی که تاسیسات گرمایش تهویه مطبوع د رساختمان ها براساس قوانین علمی و ترمو دینامیکی شرایط آسایش را در ساختمانمهیا می کنند با مدیریت کارکرد بهینه آنها می توان میزان مصرف انرژی این تجهیزات را نیز کاهش داد که از اهداف پیاده سازی سامانه مدیریت دربخش انرژی می باشد .

2- تاسیسات گرمایشی

در صنعت تاسیسات گرمایشی ساختمان در کشور ایران سامانه های عمومی و فراگیر تاسیسات حرارتی موجود در کشور بیشتر از تکنولوژی قدیمی استفاده می کنند که فاقد کارایی و راندمان لازم  در بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی می باشند در این سامانه ها کنترل دما در تاسیسات حرارتی ساختمان به روش سنتی و توسط تنظیم درجه حرارت ترموستات دیگ بخار آب گرم می باشد و همچنین کنترل دقیقی بر دمای آب گرم مصرفی چرخشی در سامانه و کنترل و نظارت دقیقی برمیزان دمای مور نیاز آب گرم مصرفی چرخشی در سامانه و کنترل و نظارت دقیقی بر میزان دمای مورد نیاز آب گرم مصرفی صورت نمی گیرد و سامانه قادر به درک و شناسایی مناسب ترین وضعیت کنترل بار حرارتی ساختمان جهت دسترسی به الگوی صحیح مصرف انرژی توام با ایجاد محدوده آسایش حرارتی برای ساکنین نمی باشد .

در اینگونه از سامانه های تاسیساتی گرمایشی با کنترل دستی و با گرم شدن دمای محیط خارج ساختمان (شکل 2)، هیچگونه پاسخی در وضعیت کنترلی تاسیسات حرارتی دیده نمی شود و همچنین دمای داخل ساختمان با اختلاف3  درجه سانتی گراد بین 27 تا 30 درجه می باشد که خارج از محدوده آسایش حرارتی است .

اصول بهینه سازی و مدیریت مصرف انرژی توسط سامانه مدیریت ساختمان در تاسیسات حرارتی ساختمان اندازه گیری و مونیتورینگ دما و دریافت اطلاعات از سنسور های حراراتی می باشد . این سنسورها بر روی مسیر رفت آب گرم مصرفی ، کلکتور رفت تاسیسات و محیط خارج ساختمان نصب می شوند . سپس پردازنده سامانه ، اطلاعات دریافتی را تحلیل و مطابق پارامترهای کنترلی تنظیم شده مشعل ها را در زمان های مقتضی روشن و وضعیت آب گرم مصرفی در حالت تابستانی بودن تاسیسات حرارتی و گرمایش آب گرم مصرفی در حالت زمستانی بودن تاسیسات حرارتی را کنترل می نماید.

در سامانه کنترل هوشمند تاسیسات حرارتی ، دمای آب گرم مصرفی با دو دمای حداقل در دو زمان متفاوت درطی شبانه روز به طور دلخواه تنظیم و کنترل می شود؛ به عنوان مثال از ساعت 5 تا 24 دمای آب گرم مصرفی بر روی 50 درجه سانتی گراد تنظیم می شود و از ساعت 24 تا 5 صبح که زمان استراحت افراد و عدم استفاده از آب گرم می باشد ، این دما به 45 در جه سانتی گراد تقلیل می یابد . همچنین کنترل گرمایش توسط یک منحنی حرارتی انجام می شود .از نظر اجرایی با استفاده از یک سامانه مدیریت ساختمان در بخش تاسیسات گرمایشی می توان متناسب با میزان گرمای مورد نیاز در ساعت های مختلف شبانه روز و همچنین متناسب با تقاضای بار گرمایی سیستم ، تعداد شعل های در سرویس را کم یا زیاد می نماید . در این صورت تلفات حرارتی سامانه گرمایشی به شدت کاهش یافته و به میزان قابل توجهی در مصرف انرژی صرفه جویی می گردد. نحوه کلی عملکرد سامانه به این صورت می باشد که یک دیگ به عنوان دیگ پیشرو در سرویس بوده و در صورت نیاز و طبق پارامترهای کنترلی تعریف شده ، سایر مشعل ها در صورت نیاز وارد کار می شوند . در پژوهشی که توسط سازمان بهینه سازی مصرف انرژی با همکاری شرکت پیشران انرژی به صورت آز مایشی با پیاده سازی سامانه مدیریت ساختمان در بخش تاسیسات گرمایشی در تعدادی از ساختمان های دولتی به اجرا گزاشته شد ، تاثیر چشمگیر اجرای این سامانه در کاهش مصرف سوخت و انرژی دیده شده است که به طور اجمالی نتایج این پایش در جدول 1 دیده می شود؛ میزان مصرف براساس متر مکعب گاز مصرفی در سال می باشد . اگر به صورت آماری میزان کاهش مصرف سوخت و انرژی در این ساختمان ها را بررسی کنیم ، به متوسط کاهش مصرفی حدود 40 درصد دیده می شود که رقم قابل ملاحظه ای می باشد .

1-2  تجهیزت الکتریکی سامانه های گرمایشی

در تاسیسات گرمایشی ساختمان همواره بخشی از انرژی مصرفی در بخش تجهیزات کارکردی تاسیسات از جمله پمپ های ایجاد جریان گردشی آب گرم و آبگرم بازگشتی به دیگ می باشد . یکی دیگر از موارد بهینه سازی مصرف انرژی با استفاده از سامانه های مدیریت ساختمان در بخش تاسیسات گرمایشی ساختمان ،کنترل عملکرد پمپ های سیرکلاسیون است که علاوه بر کاهش مصرف سوخت و انرژی الکتریکی ، موجب افزایش عمر مفید و کاهش استهلاک الکترو پمپ های سیرکلاسیون و در نتیجه کاهش هزینه های تعمیرات و نگهداری سامانه تاسیساتی می شود که در اغلب موارد هزینه های بالایی دارد . بررسی های انجام شده در موارد اجرایی کاهش مصرف انرژی در این بخش را در زمان کار چیزی نزدیک به 10 درصد نشان داده است . در نهایت در بخش تاسیسات گرمایشی ساختمان و موتور خانه می توانیم موارد ذیل را به عنوان مزایای به کار گیری سامانه مدیریت ساختمان در بخش تاسیسات گرمایشی ذکر کرد:

- کاهش هزینه ها و صرفه جویی در مصرف سوخت تا 60 درصد در ساختمان های اداری و تجاری و تا 20 درصد کاهش آلاینده های زیست محیطی و بهبود شرایط زیستی.

- قابلیت اجرا در ساختمان هایرد حال احداث و یا مورد بهره برداری

- جلوگیری از هدر رفت سرمایه اولیه با میزان صرفه جویی بالا در انرژی

- تثبیت محدوده آسایش حرارتی متناسب یا تغییرات دمای محیط خارج ساختمان

- سهولت کاربرد و امکان تنظم برنامه های کنترلی برحسب نوع کاربری ساختمان

- کاهش استهلاک و افزایش عمر مفیدتجهیزات حرارتی

3- تاسیسات تهویه مطبوع

باتوجه به اقلیم گرم شهرها در ایران سامانه های تهویه مطبوع و ایجاد سرمایش در ساختمان ها از عوامل مهم و موثر در ایجاد آسایش ساکنین ساختمان میباشد . براساس مطالعات انجام شده و به استناد ترازنامه انرژی کشور که هر ساله منتشر می شود ، مصرف انرژی الکتریکی در دهه گذشته رشد فزاینده ای داشته است . همچنین با توجه به این نمودار مصرف رشد مصرف در بخش خانگی و ساختمانی که عمدتا" غیر مولد هستند عاملی است که ضرورت برنامه ریزی جهت کاهش مصرف در این بخش را نشان می دهد. انرژی الکتریکی می تواند باعث توسعه و رونق بخش های مولد کشور باشد و کاهش مصرف و بهینه سازی مصرف در این بخش از عوامل موثر در توسعه سریعتر می باشد.

یکی از متداول ترین تجهیزات سرمایش و تهویه مطبوع در ساختمان ها مسکونی در ایران سامانه های حجم ثابت هوا می باشند . در این سامانه ها حجم ثابتی از هوا توسط دمنده توسط مبدل سردمی شود و داخل فضاهای مختلف ساختمان توزیع می شود . معمولا از چیلر ها به همراه برج خنک کننده جهت ایجاد بار برودتی جهت خنک کردن هوای دمیده شده استفاده می شود . با پیاده سازی سامانه مدیریت ساختمان در بخش تهویه مطبوع و تاسیسات برودتی ساختمان مصرف انرژی الکتریکی که عمده انرژی مصرفی در تاسیسات تهویه مطبوع می باشد بهینه می شود . در این بخش روش هایی را که این سامانه در مدیریت مصرف انرژی در بخش تهویه مطبوع به کار می گیرد و تاثیر هر کدام بررسی می شود .

4- روش تنظیم مجدد آب کندانسور در چیلر

در دستگاه های چیلر تراکمی که متداول ترین نوع چیلرها می باشند ، مقدار زیادی انرژی الکتریکی در کمپرسور جهت متراکم کردن گاز مبرد مصرف می شود و از آنجایی که دمای آب ورودی به دستگاه چیلر بستگی به دمای آب خروجی از برج خنک کن دارد هر چه قدر این دما پایین تر باشد، بازدهی چیلر بیشتر و بنابراین مصرف انرژی الکتریکی کمتر می باشد . با توجه به اینکه ظزفیت برج خنک کن وابستگی مستقیم به دمای هوای آزاد در ارتباط با کندانسور دارد ، هرگونه کاهش در دمای هوای  آزاد باعث افزایش بازدهی می شود . با پیاده سازی سیستم مدیریت ساختمان در بخش تهویه مطبوع براساس اندازه گیری دماهای داخلی و خارجی محیط هم چنین تنظیم دمای نقطه کارکرد سامانه که در شکل نشان داده شده است زمان به کار افتادن و شروع به کار سامانه سرمایشی جهت رسیدن به سطح مناسب دمایی در فضای ساختمان محاسبه و انجام می شود . جهت دستیابی به این نتایج برنامه بهینه سازی راه اندازی دستگاه هواساز ( air handling unit ) تا آنجایی که امکان پذیر باشد شروع به کار دستگاه را به تاخیر می اندازد و این مرحله تا جایی است که حجم متغیر هوا دهی (Variable air volume  ) در ظرفیت کاهش یافته و شروع به کار می کند (شکل 4). این راهکار می تواند فصلی و همچنین با توجه به شرایط متغیرهای ساختمان تغییرکند قابل تطبیق باشد.

5- روش روشن و خاموش کردن بهینه سامانه

میزان مصرف انرژی الکتریکی موتور الکتریکی دمنده ها و فن های هواساز را از طریق راهکار روشن و خاموش کردن بهینه دستگاه مدیریت کرد . کارایی این روش بر این اساس است روشن کردن دیرتر از نیاز و خاموش کردن زودتر دستگاه ها بدون اینکه تاثیر قابل ملاحظه ای بر آسایش ساکنین داشته باشد می تواند زمان مصرف را کاهش بدهد . با توجه به بالا بودن جرم ساختمان های ساخته شده در ایران وابسته به مصالح به کار رفته است و به دلیل ظرفیت حرارتی جرم ساختمان که نگهدارنده بار برودتی می باشد ، این روش می تواند باعث کاهش زمان کارکرد موتور دمونده سامانه باشد که نتیجه آن در مرحله اول کاهش مصرف انرژی و در نهایت بالاتر رفتن عمر دستگاهها می باشد . براساس دما نواحی مختلف ساختمان که بیشترین میزان بار گرمایشی و بار سرمایشی وارد بر ساختمان را مشخص می کند و همچنین اندازه گیری میزان گرمایش و سرمایش برنامه کنترلی تجهیزات تاسیساتی روش توقف بهینه کارکرد تجهزات تهویه مطبوع سطح مناسبی از ذخیره سازی انرژی مصرفی را ایجاد می کند .

6- روش سیکل برنامه ریزی کارکردسامانه در شب

این راهکار با استفاده از محدوده های پایین در فصول گرم به وسیله جریان هوای دستگاه هواساز هنگامی که دمپرهای هوا بسته است کار می کند . سامانه کنترل الکترونیکی در اغلب موارد ظرفیت هوادهی فن را کاهش می دهد که نتیجه آن کاهش انرژی مصرفی است .

روش محدوده کارکرد انرژی صفر

با استفاده و به کارگیری این روش در محدوده هایی از کارکرد که باند مرده انرژی نامیده می شود، تولید سرمایش متوقف می شود (شکل 7). در این راهکار از دمای هوای محیط بیرون از ساختمان استفاده می شود، همچنین با کنترل دمپر مخلوط هوا جهت استفاده از هوای بیرون در صورت مناسب بودن جهت خنک کاری فضای داخلی ساختمان استفاده می شود .

در این تحقیق با بررسی نتایج پیاده سازی و تاثیر سامانه مدیریت ساختمان در بخش تاسیسات گرمایشی و همچنین تهویه مطبوع راهکارهایی از امکاناتی که سامانه مدیریت ساختمان در بخش تاسیسات مکانیکی ساختمان در اختیار طراحان و مهندسان می گذارد، مدیریت عملکرد سامانه های HVAC درساختمان ها ارائه گردیده است .