یکی از مهمترین موضوعاتی که در چند دهه اخیر مورد توجه اکثر کشورهای صنعتی پیشرفته بوده است بحث جلوگیری از اتلاف انرژی می‌باشد. اهمیت این بحث در سالهای نخست دهه 1960 زمانی که تقاضا برای عرضه ذخایر نفتی و انرژی ناشی از آن افزایش چشمگیری یافت روشن شد.
توجه به این موضوع که منابع سوخت فسیلی محدود و روبه کاهش هستند مسئولین را به فکر یافتن روش‌هایی جهت استفاده بهینه از انرژی انداخت. به طور کلی روش‌های گوناگونی برای حفظ منابع انرژی وجود دارد. معمول‌ترین روش صرفه‌جویی می‌باشد که از طریق فرهنگ سازی میسر است.
همچنین می‌توان منابع انرژی را جایگزینی برای منابع سوخت‌های فسیلی در نظر گرفت از جمله انرژی تابشی خورشید و یا جریان الکتریسیته و…. جدیدترین ایده برای حفظ انرژی استفاده از تجهیزات و سیستم‌های جدید می‌باشد که به همین منظور در نظر گرفته شده‌اند. سیستم‌های مدیریت انرژی ساختمان از این جمله‌اند.
مدت زیادی نیست که بحث درباره موضوع ساختمانهای هوشمند در محافل عمومی مطرح گردیده است. یک ساختمان هوشمند ساختمانی است که در بر دارنده محیطی پویا و مقرون به صرفه بوسیله یکپارچه کردن چهار عنصر اصلی یعنی سیستمها، ساختار، سرویسها و مدیریت و رابطه میان آنها می‌باشد»
یک ساختمان هوشمند این مزایا را از طریق سیستم‌های کنترلی هوشمند ارائه می‌نماید. این سیستمها عبارتند از:
(Heating, Ventilation and Air – Conditioning (HVAC
Fire safety
Security
Energy/lighting management
در ایران نیز در یکی 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% مصرف برق توسط کولرهای آبی و گازی و خانگی می‌باشد. و همچنین طبق آخرین آمار خانه‌های ایرانی به طور متوسط 5% تا 10% انرژی را به شکل‌های گوناگون هدر می‌دهند.
با توجه به اهمیت مدیریت انرژی در ساختمان روش‌های گوناگونی برای جلوگیری از اتلاف انرژی در این مقاله پیشنهاد شده است. که امروزه به عنوان اصل مهم در ساخت و سازها مدنظر قرار می‌گیرد.
مقدمه:
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.
امروزه در ساختمانهای مجهز به کمک کنترلرهای پیشرفته و پیچیده می‌توان با کاهش تعداد تجهیزات میزان اتلاف انرژی را نیز کاهش داد. به بیان کاملا ساده کنترلرهای ساختمان میزان مطلوب مشخصه خاصی را در حد تعیین شده نگه می‌دارد. این مشخصه می‌تواند سیستم روشنایی یا گرمایش و سرمایش و …باشد. همچنین استفاده از عایق در دیوارها و استفاده از شیشه‌های دو جداره در پنجره‌ها می‌تواند اتلاف انرژی را تا حد چشمگیری کاهش دهد.
در واقع مزیت استفاده از سیستم‌های جدید energy savingقابلیت نصب ساده آنها بر روی شبکه‌های کامپیوتری (pc) و کنترل سیستم بدون نیاز به کابل کشی پرهزینه و استفاده از تجهیزات گران قیمت می‌باشد. با در نظر گرفتن میزان مصرف انرژی با توجه به روشنایی روز و دمای بیرون سیستم قادر است یک روش مصرف ارزان قیمت را همراه با صرفه‌جویی در انرژی انتخاب نماید. 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 پیش فرض 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 و یا دوره‌ای تجهیزات از مصرف بی‌رویه آن جلوگیری می‌نمایند.
برای شناخت اهمیت اقتصادی سیستم‌های مدیریت انرژی اشاره به این موضوع کافیست که استفاده از EMSدر یک ساختمان تک عملکردی هزینه‌ای به مقدار 100$در پی دارد. در حالیکه کنترل عادی همان ساختمان با روش‌های سنتی هزینه‌ای معادل 100000$دربر دارد.
به طور خلاصه می‌توان گفت که در نظر گرفتن بحث energy savingاستفاده از سیستم‌های مدیریت انرژی (EMS) می‌تواند در حدود 10 تا 30% کاهش قیمت و هزینه در پی دارد. از این رو این موضوع از نظر اقتصادی و سیاسی در بسیاری از کشورها اهمیت یافته و استفاده از این سیستمها در اغلب کشورهای اروپایی و آمریکا روند روبه رشدی دارد.
انواع سیستم‌های EMSو کاربری‌های مختلف:
همانطور که در قسمت قبل اشاره کردیم EMSها سیستم کنترلی هستند که با تنظیم عملکرد ساعتی و یا دوره‌ای تجهیزات از اتلاف انرژی جلوگیری می‌نماید. 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.
BMS :
BMSراه حل جامعی برای مدیریت ساختمان پیشنهاد می‌کند. شبکه BMSترکیبی است برای تامین نیازهای مدیریتی ساختمان به همراه امنیت در عملکرد و راحتی در جنبه علمی موضوع. پروفیل اصلی سیستم با داشتن یک شبکه ارتباطی گسترده هر نوع کنترل و اندازه‌گیری خصوصی را رد می‌کند.
پیشنهاد نصب BMSدر دو حالت زیر داده می‌شود:
(a) چنانچه طرح بسیار پیچیده باشد و یا از سیستم HVACاستفاده شود.
(b) انرژی نهایی که به کمک BMSذخیره می‌شود متناسب با هزینه مصرفی برای سیستم باشد.
تا اینجا بیشترین کاربرد BMSدر سیستم‌های تهویه مطبوع و حرارت مرکزی و اطفاء حریق و سایر موارد تاسیساتی ذکر شد. کاربرد دیگر BMSدر سیستم‌های روشنایی مرکزی می‌باشد. در این مورد نیز باید راندمان انرژی و بارهای حرارتی ناشی از سیستم‌های روشنایی را با شرایط آسایش و برآورد قیمت مقایسه نمود و حالت بهینه را در نظر گرفت. استفاده از لامپ‌های فلورسنت و لامپ‌ها و نورافکن‌های کم مصرف ولی با راندمان بالا پیشنهاد می‌شود. (روشنایی در مکان‌های عمومی براساس ساعات عملکرد منطقه تعیین می‌شود).
مورد دیگر استفاده از دستگاههای EMSدر صنعت می‌باشد که بسیار گسترده نیز هست. به عنوان مثال می‌توان از سیستم‌های هیدرولیک و آبگرمکن‌های خورشیدی نام برد.
انواع سیستم‌های BMS
Time-of-data scheduling :
این نوع که می‌توان از آن به عنوان سیستم با برنامه زمان بندی 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)
– ترموستات‌های مستقیم و معکوس
Temperature/time optimization :
این نوع سیستم که معادل فارسی آن سیستم بهینه سازی 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 می‌باشد. 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 از یک 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 می‌باشد در حقیقت مشابه سیستم بهینه‌سازی زمان- دما می‌باشد با این تفاوت که با اتصال ساعت‌های کنترلی به سیستم مصرف جریان برق را نیز کنترل می‌نماید. 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 قابل توجهی 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) می‌باشد.
روش‌های کاهش اتلاف انرژی در صورت عدم وجود EMS:
اشاره به این نکته ضروری است که EMSها همیشه سودمند نمی‌باشند. علت اصلی استفاده از EMSصرفه‌جویی در انرژی و به دنبال آن صرفه‌جویی در هزینه‌ها می‌باشد. گاهی هزینه مالی نصب EMSدر یک ساختمان با عملکرد عادی بسیار بالاتر از میزان صرفه‌جویی مالی ناشی از حفظ انرژی می‌باشد. در نتیجه بهتر است قبل از نصب سیستم یک 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 قابل توجهی از اتلاف انرژی جلوگیری نمود:
– عایق‌های حرارتی ـ وجود عایق در دیوارها، سقف و کف اتاق‌ها مصرف انرژی را تا 25% کاهش می‌دهد.
در مورد سقف‌های سفالی باید از عایق‌هایی که به صورت فویل دولایه هستند استفاده نمود. پیشنهاد می‌شود چنانچه زیر کف خالی باشد هوای داخل این فضا نیز تهویه شود.
– جلوگیری از تهویه طبیعی ـ 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 دو جداره از اتلاف گرما یا سرما جلوگیری می‌کند.
– کنترل نور خورشیدـ استفاده از سایبان‌های داخلی و خارجی و شیشه‌های رنگی و رفلکس تا حد زیادی اثر نور خورشید را کاهش می‌دهد.
– انتخاب نوع موتور ـ نوع موتوری که برای دستگاههای تهویه و …در نظر می‌گیریم باید به گونه‌ای باشد که علاوه بر قیمت مناسب ویژگی‌های مطلوب دیگری از جمله بی‌صدا و بدون لرزش بودن را نیز دارا باشد.
نتایج:
با توجه به آنچه تا کنون گفته شد می‌توان نتیجه گرفت که BMSبرنامه‌ای 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 آسان سازی عملکرد و مختصر نمودن تجهیزات کاربردی در عین ایجاد آسایش و رفاه در ساختمان.
3- سیستمی انعطاف‌پذیر با ویژگی user friendly.
4- سیستمی برای کنترل و بهبود عملکرد تجهیزات نصب شده و جلوگیری از پیشامد شرایط بحرانی.
ذخیره انرژی :
سیستم با درنظر داشتن دمای اتاق براساس نوع عملکرد و استفاده از آن با توجه به اطلاعات اولیه و اطلاعات ثانویه‌ای که به صورت خیلی مختصر بیانگر تغییرات روزانه یا فصلی متغیرها و نحوه انتخاب دوره‌های زمانی می‌باشد و همچنین با توجه به روشنایی روز و دمای طرح خارجی برنامه مصرفی را ارائه می‌دهد که هم کم هزینه می‌باشد و از طرفی هم صرفه‌جویی در مصرف انرژی را مدنظر قرار می‌دهد. همین طور سیستم قادر است هزینه‌های مصرفی و میزان صرفه‌جویی را به کارفرما گزارش دهد. به این ترتیب پروسه مصرف تصاعدی و گران انرژی حذف می‌شود.
قابلیت انعطاف:
یکی از مهمترین ویژگی‌های BMSکه آن را کاربردی می‌نماید قابلیت انعطاف است. به این معنا که می‌توان انواع تغییرات را با توجه به نیاز ساختمان و با حداقل نرم‌افزار در آن ایجاد نمود بدون آنکه نیازی به بکارگیری سخت‌افزارهای پیچیده و زاید و سرمایه‌گذاری پر هزینه باشد. در واقع سیستم به صورت یک شبکه کاملاً گسترده طراحی می‌شود که به راحتی بر روی pcقابل نصب است و به کمک استانداردهای مایکروسافت می‌توان آن را در هر زمان که بخواهیم به روز نمود.
قابلیت اعتبار :
BMSیک سیستم کاملا قابل اعتماد است و بسیار دقیق عمل می‌کند. به این ترتیب که بر عملکرد کل شبکه نظارت نموده و ازمصرف بی‌رویه انرژی و پیشامد موقعیت‌های بحرانی جلوگیری می‌نماید. این سیستم در بسیاری از شبکه‌های متنوع از جمله تهویه مطبوع سرمایش و گرمایش ساختمان سیستم‌های کنترلی امنیتی ناظر آسانسور و مدیریت مرکزی تجهیزات نصب شده قابل استفاده می‌باشد.
از لحاظ هزینه زندگی:
در طراحی سیستم با توجه به اختیاراتی که داریم ابتدا باید به ارزیابی هزینه‌های جاری بپردازیم. در این مورد باید به راندمان مصرف انرژی و صرفه‌جویی آن توجه داشت. در اینجا محل ساختمان و جهت آن ثبات دما، تاثیر باد، آب و هوا، روشنایی و تهویه طبیعی در بررسی اهمیت زیادی دارد. در ساختمان‌هایی که مصرف بالای انرژی دارند باید حتما یک آنالیز بر روی هزینه دوره‌ای زندگی (lcc) انجام شود و بر این اساس به طراحی اصولی پرداخت که در واقع تاثیر مستقیم بر روی هزینه‌ها دارند.
در انتخاب تجهیزات و سرویسها توجه به این نکته ضروری است که حتما یک بالانس بین قیمت و هزینه اتصال و نصب و نگهداری و میزان صرفه‌جویی در مصرف انرژی صورت گیرد. چیزی که برای مدیریت پروژه اهمیت دارد هزینه نهایی می‌باشد که حتما باید مدنظر قرار گیرد.
سرمایه‌گذاری برتر:
اهمیت BMSاز این جهت است که معمولا هزینه‌هایی که برای نصب و راه‌اندازی سیستم صرف می‌شود معمولا بین 3 تا 5 سال به طور کامل احیا می‌شود و به این ترتیب با داشتن وسیله‌ای برای صرفه‌جویی در مصرف و همچنین می‌توان به حفظ و تامین سرمایه اصلی به میزان کاملا مطلوب و مدیریت زمان دست یافت.
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، کنترلر سیفون توالت، vending machineها و یا کنترلرهای حرارت مرکزی.
3- صرفه‌جویی در مقیاس بالا : این روند در طرح‌هایی به کار می‌رود که نیازمند ایجاد تغییرات عمده و یا تغییر مکان در نقشه 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 و یا سیستم‌های دارای چیلر و همچنین در جایی که مصرف همزمان برق و گرما داریم (combined heat & power).
آنچه تاکنون گفته شد نتایج حاصل از یک برنامه جامع مدیریت انرژی بود که در حالت ایده‌آل بسته به میزان انعطاف‌پذیری آن حدود 15 تا 25% سود سالیانه در بر دارد.
در حالت کلی می‌توان 3% تا 6% 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 3% تا 4% صرفه‌جویی در مصرف روبرو هستیم. نمودارهایی که در ادامه می‌آیند نرخ هزینه را براساس مدت زمان نصب نشان می‌دهند.