تاثیر ابعاد، موقعیت و جهت پنجره بر مصرف انرژی با روش BIM

#خلاصه

در صنعت بهبود بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها، پنجره‌ها نقشی اساسی در مصرف انرژی ساختمان‌ها ایفا می‌کنند. اگرچه مطالعات زیادی در مورد تولید پنجره کارآمد در انرژی صورت گرفته است، اما نیاز به یک مطالعه همه جانبه که تاثیر اندازه، موقعیت مکانی و جهت پنجره‌ها بر روی مصرف انرژی را اندازه‌گیری کند، به شدت احساس می‌شود. این مقاله، به عنوان یک مطالعه موردی بر روی یک خانه مسکونی ارائه شده است. برای درک بهتر از تاثیر پنجره بر روی مصرف انرژی ساختمان، 65 حالت مختلف طراحی با متغیرهای اندازه، موقعیت مکانی و جهت پنجره‌ها در نظر گرفته شده است. مدل‌های اطلاعاتی ساختمانی (BIM) برای هر سناریو خاص با استفاده از نرم افزار AUTODESK REVIT و جهت محاسبه کل مصرف انرژی از نرم افزار AUTODESK GREEN BUILDING استفاده شده است. در فاز اول آنالیز، نسبت پنجره به دیوار (WWR) و موقعیت مکانی پنجره مورد مطالعه قرار گرفتند تا تاثیرات آن‌ها بر روی مصرف انرژی ارزیابی گردد. نتایج اولیه به دست آمده در این فاز نشان می‌دهند که مصرف انرژی کل با نسبت پنجره به دیوار (WWR) رابطه مستقیم دارد. مطالعات نشان می‌دهند در حالتی که نسبت پنجره به دیوار برابر با 20 باشد، موقعیت مکانی پنجره بیشترین تاثیر را بر روی مصرف انرژی خواهد داشت. با استفاده از نتایج بدست آمده، در فاز بعدی، موقعیت مکانی پنجره در جهت‌های مختلف مورد مطالعه قرار گرفت تا تاثیر مصرف انرژی با تغییر جهت پنجره‌ها مورد بررسی قرار گیرد. نتایج نشان می‌دهد در حالتی که پنجره‌ها در ارتفاع میانی (با هر جهت مکانی) قرار گیرند، میزان مصرف انرژی به کم‌ترین مقدار خود می‌رسد و پنجره‌های قرار گرفته در بخش شرقی بیشترین تاثیر را بر روی مصرف انرژی خواهند داشت.

#معرفی

ساختمان‌ها به عنوان مصرف کننده بیش از 40% انرژی در دنیا، به طور قابل توجهی گاز کربن بیشتری نسبت به باقی صنایع (حتی بخش حمل و نقل) تولید می‌کنند. با افزایش نگرانی در مورد تاثیرات زیست محیطی ساختمان‌ها، سازمان‌های خصوصی و عمومی خواستار طراحی و ساخت ساختمان‌ها با هدف کاهش تاثیرات زیست محیطی شده‌اند. در همین زمینه، مطالعات زیادی در خصوص طراحی ساختمان‌ها و بهره‌وری انرژی آن‌ها انجام شده است. در ساختمان‌های امروزی، پنجره‌ها حداقل 10% از مصرف انرژی ساختمان‌ها را به عهده دارند. در عین حال و با توجه به پیچیده شدن سازه‌های ساختمان، نیاز به انجام مطالعات پیچیده‌تر و گسترده‌تری برای بررسی فاکتورهای مختلف طراحی بر روی مصرف انرژی است. این مقاله، قصد دارد تا تاثیر طراحی، اندازه، موقعیت مکانی و جهت پنجره‌ها را بر روی گرمایش و سرمایش ساختمان اندازه‌گیری کند و عملکرد انرژی را مورد بررسی قرار دهد.

کل فرآیند شبیه سازی به دو فاز تقسیم بندی شده است. در فاز اول، با در نظر گرفتن 29 سناریو مختلف سعی شده تا تاثیر اندازه و موقعیت مکانی پنجره بر روی مصرف انرژی ساختمان مورد بررسی قرار گیرد. در فاز بعدی، با در نظر گرفتن 36 سناریو مختلف سعی شده تا موقعیت مکانی و جهت پنجره بر روی مصرف انرژی ساختمان مورد بررسی قرار گیرد. این مطالعه به صورت مطالعه موردی بر روی یک خانه مسکونی واقع شده در شهر ونکوور کانادا با مساحت 1620 فوت مربع صورت گرفته است. این خانه به عنوان نمونه آزمایشی در پردیس دانشگاه بریتیش کلمبیا (UNIVERSITY OF BRITISH COLUMBIA) توسط کمپانی خانه‌های هوشمند AYO ساخته شد.

#تاثیر پنجره بر روی مصرف انرژی ساختمان

یک رویکرد اصلی در طراحی‌های کم مصرف، سرمایه‌گذاری بر روی فرم و نقشه ساختمان است (مانند پنجره‌ها و دیوارها). مقالات زیادی در خصوص بررسی تاثیر نقشه بر روی مصرف انرژی صورت گرفته است. به طور ویژه، چند مطالعه در خصوص تاثیر طراحی پنجره بر روی کاهش مصرف انرژی ساختمان با در نظر گرفتن فاکتور‌هایی مثل اندازه پنجره، موقعیت مکانی، خصوصیات شیشه (شیشه‌های عایق میزان مصرف انرژی را کاهش می‌دهند) و جهت پنجره‌ها صورت گرفته است. در اولین مطالعات صورت گرفته در این زمینه، یک یا دو فاکتور به صورت همزمان بررسی شدند. همچنین تاثیر اندازه پنجره به صورت تنها و تکی مورد بررسی قرار گرفت و همچنین چند مطالعه نیز بر روی خصوصیات شیشه‌ها و اندازه پنجره‌ها به صورت همزمان انجام شد. اما همچنان نیاز به مطالعه با در نظر گرفتن سه فاکتور به صورت همزمان محسوس بوده است. همانطور که طراحی ساختمان‌ها، هر روزه پیچیده‌تر و پویاتر می‌شوند، باید یک تحلیل کامل و همه جانبه با استفاده از فاکتورهای مهم در طراحی پنجره نیز انجام شود.

#مدلسازی اطلاعاتی ساختمان برای آنالیز انرژی

با توجه به مطالعات قبلی، مدلسازی اطلاعاتی ساختمان (BIM) به عنوان یک ابزار مفید برای ارزیابی انرژی ساختمان محسوب می‌شود. استفاده از ابزار BIM بعنوان منبع اطلاعات برای بررسی انرژی باعث می‌شود تا داده‌های ورودی موثرتر و نتایج به دست آمده موثق‌تر باشند. به علاوه، BIM این اجازه را می‌دهد تا به یک مدل دیجیتالی کنترل شده پارامتریکی جهت اتصال به نرم‌افزار‌های شبیه سازی دسترسی داشته باشید. برای طراحان بسیار ساده است تا از ارزیابی عملکردهای بدست آمده توسط BIM در نرم‌افزارهای دیگر که با آن آشنایی بیشتری دارند استفاده نمایند. بهترین مزیت BIM در آن است که نتایج آنالیز انرژی فورا نمایش داده شده و می‌توان با تغییر در طراحی، تاثیر آن‌ها بر روی بررسی انرژی را فورا مشاهده نمود.

#اهداف تحقیق و متدولوژی

هدف این تحقیق، ارزیابی تاثیر طراحی پنجره بر روی مصرف انرژی ساختمان بوده است. از آنجایی ترکیب عوامل مختلف طراحی بر روی مصرف انرژی ساختمان دخیل هستند، از سه فاکتور پنجره شامل اندازه، موقعیت مکانی و جهت آن به صورت همزمان برای طراحی سناریوهای مختلف استفاده شده است. انتظار می‌رود تا نتایج به دست آمده از این تحقیق در مورد تاثیر طراحی پنجره بر روی مصرف انرژی ساختمان، به عنوان یک راهنما و نقشه راه برای طراحان محسوب گردد.

در این مقاله، اندازه پنجره به معنای نسبت پنجره به دیوار بوده که با محاسبه مساحت به دست آمده از تقسیم سطح شیشه ساختمان بر سطح دیوار ساختمان بدست می‌آید. موقعیت مکانی پنجره به معنای ارتفاع پنجره از سطح زمین بوده و به سه دسته پایین، میانه و بالا تقسیم بندی می‌شود. موقعیت مکانی بالا زمانی رخ می‌دهد که پنجره با قسمت بالای دیوار تراز شده باشد، موقعیت مکانی میانه به معنای قرار گرفتن نقطه وسط پنجره در نقطه وسط دیوار بوده و موقعیت مکانی پایین زمانی رخ می‌دهد که پایین پنجره در محل پایین دیوار قرار گرفته باشد. در نهایت، جهت پنجره به معنای آن است که پنجره در کدام جهت جغرافیایی (شمالی، جنوبی، شرقی یا غربی) قرار داده شده است. مصرف انرژی کلی در این مقاله به معنای مصرف سالانه گرمایش و سرمایش است.

متدولوژی مقاله در نمودار شماره 1 نمایش داده شده است. بنا بر مدل‌های آماده شده توسط BIM، هندسه مدل‌های پنجره بدون در نظر گرفتن سایه‌های بیرونی و نمای خارجی ساده سازی شده است تا فقط به آنالیز تاثیر پنجره پرداخته شود. همه خصوصیات مربوط به مصرف انرژی در تمام مدت انجام تحقیق ثابت نگه داشته شده‌اند تا دیگر فاکتورها تاثیری بر آنالیز نداشته باشند.

آنالیز انرژی در دو فاز با 65 سناریو مختلف انجام شده است. در بخش اول، اندازه و موقعیت مکانی پنجره در قالب 29 سناریو متفاوت (مطابق نمودار شماره 2) مورد بررسی قرار گرفتند. شبیه سازی انرژی بر روی هر سناریو صورت گرفته و نتایج بررسی شدند. نتایج به دست آمده نشان می‌دهند اندازه پنجره چگونه بر روی مصرف انرژی تاثیر می‌گذارد و اینکه در صورت تغییر موقعیت مکانی، کدام اندازه پنجره بیشترین تاثیر را بر روی مصرف انرژی خواهد داشت.

در بخش اول، موقعیت مکانی پنجره و جهت آن در 36 سناریو مختلف اعمال شدند. 9 سناریو بر روی هر جهت جغرافیایی شمالی، جنوبی، شرقی و غربی. نمودار شماره 3 نشان دهنده سناریوهای مربوط به پنجره‌های تعبیه شده در سمت شمالی است. سپس موقعیت مکانی پنجره‌های شمالی با ثابت نگه داشتن موقعیت مکانی پنجره‌های طرف‌های دیگر، تغییر کرده است. بررسی‌ها نشان می‌دهند که کدام ترکیب موقعیت مکانی پنجره‌ها کمترین مصرف انرژی را داشته و کدام سمت ساختمان بیشترین تاثیر را بر روی مصرف انرژی خواهد داشت. BIM با استفاده از REVIT ساخته شده و شخصی سازی شده است. شبیه سازی انرژی با استفاده از GREEN BUILDING STUDIO که به نرم‌افزار REVIT متصل شده، انجام شده است.

نمودار شماره 1: متدولوژی تحقیق

نمودار شماره 2: سناریوهای تغییر موقعیت مکانی و اندازه پنجره

نمودار شماره 3: سناریوهای تغییر موقعیت مکانی و جهت پنجره (پنجره های شمالی)

#فعالیت های انجام شده در تحقیق

#مدل اصلی

برای انجام آنالیز رفتاری انرژی، یک مدل BIM ساده سازی شده بر اساس مدل BIM یک خانه مسکونی واقعی ساخته شد. این خانه، دو اتاق و یک سرویس بهداشتی در هر طبقه و یک اتاق نشیمن که دو طبقه را به هم متصل می کند دارد. در همه اتاق‌ها پنجره تعبیه شده است به جز اتاق انباری در طبقه اول که هیچ پنجره‌ای در آن مشاهده نمی‌شود. مطابق شکل شماره 4، خصوصیات خانه نظیر زمان‌های حضور ساکنین در خانه، نور تابیده شده به خانه و مبلمان موجود در خانه در همه سناریوها ثابت در نظر گرفته شد. همه المان‌های خارجی مثل سازه‌ها، سایه‌ها و درب‌ها صرف نظر شده‌اند تا فقط تاثیرات پنجره‌ها بر روی مصرف انرژی ساختمان مورد مطالعه قرار گیرد.

مطابق شکل شماره 4، (b) نشانگر مدل اصلی BIM ساختمان و (c) یک مدل BIM ساده سازی شده جهت آنالیز انرژی در تحقیق هستند.

شکل شماره 4: (a) شامل تنظیمات خصوصیات ساختمان، (b) شامل مدل BIM اصلی، (c) شامل مدل ساده سازی شده BIM

#فرآیند آنالیز انرژی و نتایج بدست آمده

#تاثیر اندازه پنجره و موقعیت مکانی آن بر روی مصرف انرژی

جهت ارزیابی تاثیر اندازه پنجره و موقعیت مکانی آن بر روی مصرف انرژی ساختمان، اندازه پنجره و موقعیت مکانی آن به 29 سناریو مختلف تغییر داده شدند. نسبت پنجره به دیوار (WWR) از 0 تا 100% با نرخ رشد 10% و موقعیت مکانی پنجره در حالت‌های پایین، میانه و بالا تغییر داده شدند (مطابق نمودار شماره 5). نمودار شماره 5 تصاویری از مدل BIM که شامل سناریوهای 10% و 20% است را نشان می‌دهد. همانگونه که مشاهده می‌شود، موقعیت مکانی پنجره در ارتفاع‌های بالایی، میانه و پایین تغییر داده می‌شوند. به دلیل آنکه اتاق انبار هیچ پنجره‌ای ندارد، در طبقه اول فقط یک پنجره و دو پنجره مجزا نیز در طبقه دوم وجود دارد. شبیه سازی انرژی بعد از اعمال هر سناریو متفاوت انجام شده و نتایج جمع آوری گردیدند.

نمودار شماره 5: تصاویری از تغییر سناریوهای اندازه و موقعیت مکانی پنجره (پنجره‌های شمالی)

نمودار شماره 6، افزایش مصرف انرژی سالانه در صورت بزرگ‌تر شدن اندازه پنجره را بدون در نظر گرفتن موقعیت مکانی پنجره نمایش می‌دهد. کم‌ترین میزان مصرف انرژی در صورتی که نرخ پنجره به دیوار 0 باشد برابر با 2923 کیلووات در ساعت خواهد بود. همچنین بیشترین میزان مصرف انرژی در صورتی که نرخ پنجره به دیوار برابر با 100 باشد برابر با 4250 کیلووات در ساعت است. فاصله بین این دو مقدار مصرف انرژی برابر با 1330 کیلووات در ساعت است که نشان‌می دهد اندازه‌ی پنجره‌ها تاثیر زیادی بر روی مصرف انرژی ساختمان دارند. به همین دلیل، طراحان باید با دقت زیاد، تاثیر اندازه پنجره را مدنظر قرار داده و فقط در پی افزایش اندازه پنجره به جهت نمای بهتر و ورود نور بیشتر به داخل ساختمان نباشند. نمودار شماره 7 نشان دهنده تغییر در مصرف انرژی ساختمان در صورت تغییر موقعیت مکانی پنجره با اندازه‌های مختلف است. بیشترین تفاوت مقدار مصرف انرژی در صورتی که نسبت پنجره به دیوار برابر با 20 درصد باشد برابر با 23 کیلووات در ساعت خواهد بود. در نتیجه، اگرچه تاثیر ناچیزی مشاهده می‌شود، موقعیت مکانی پنجره در حالتی بیشترین تاثیر را بر روی مصرف انرژی دارد که نسبت دیوار به پنجره برابر با 20 درصد باشد. همانطور که دیگر اندازه‌های پنجره تاثیر زیاد یا کمی بر روی مصرف انرژی ندارند، می‌توان این‌گونه در نظر گرفت که موقعیت مکانی پنجره در حالتی که نسبت دیوار به پنجره مقداری غیر از 20 درصد باشد، تاثیر آنچنانی بر روی مصرف انرژی نخواهد داشت.

نمودار شماره 6: مقدار مصرف انرژی سالانه در صورت تغییر اندازه و موقعیت مکانی پنجره

نمودار شماره 7: تغییر مقدار مصرف انرژی با تغییر موقعیت مکانی پنجره در هر اندازه از پنجره

# تاثیر موقعیت مکانی پنجره و جهت آن بر روی مصرف انرژی

در فاز دوم، تاثیر موقعیت مکانی پنجره و جهت آن در سناریوهای مختلف ارزیابی شد. نسبت پنجره به دیوار برابر با مقدار ثابت 20% در نظر گرفته شد (زیرا مطابق نتایج بدست آمده، 20% بیشترین تاثیر را بر روی افزایش مصرف انرژی ساختمان دارد). دیگر سناریوها با اندازه‌های متفاوت پنجره به گونه‌ای فرض شده‌اند که هیچ تاثیری نداشته یا کمترین تاثیر را بر روی مصرف انرژی داشته باشند. به منظور تخمین و محاسبه تاثیر موقعیت مکانی پنجره در هر طرف از ساختمان، سناریوها مطابق نمودار شماره 8 ساخته شدند. موقعیت مکانی پنجره در نمای شمالی از بالا به پایین تغییر داده شد، در حالی که پنجره‌های دیگر طرف‌های ساختمان در موقعیت مکانی ثابت در نظر گرفته شدند. همین سناریو برای سه جهت دیگر (غربی، شرقی و جنوبی) نیز اعمال گردید. سپس بررسی ‌های انجام شده بر روی نتایج به دست آمده از سناریوهای مختلف صورت پذیرفت تا متوجه شویم که کدام ترکیب از موقعیت مکانی پنجره‌ها کم‌ترین میزان مصرف انرژی را دارد و کدام طرف از ساختمان بیشترین تاثیر را بر روی مصرف انرژی خواهد داشت.

نمودار شماره 8: تصاویری از سناریوهای متفاوت از موقعیت مکانی پنجره و جهت آن (پنجره‌های شمالی)

نتایج بدست آمده در جهت‌های مختلف طبقه بندی شدند (مطابق جدول شماره 9). اسم سناریو نشان می‌دهد که پنجره‌ها با چه موقعیت مکانی در ساختمان قرار گرفته‌اند. برای نمونه، HIGH-NORTH-MIDDLE به معنای آن است که پنجره‌ها در موقعیت مکانی بالایی قرار گرفته‌اند، البته به جز پنجره‌های طرف شمالی که در میانه ساختمان قرار گرفته‌اند. کم‌ترین میزان مصرف انرژی برابر با 3116 کیلووات در ساعت در میانه است (زمانی که همه پنجره‌ها در ارتفاع میانه قرار گرفته باشند). همچنین بیشترین میزان مصرف انرژی برابر با 3146.965 کیلووات در ساعت در موقعیت مکانی میانه- شرق- پایین است (زمانی که پنجره‌های شرقی در پایین قرار داده شده و باقی پنجره‌ها در میانه ساختمان قرار گرفته باشند). نمودار شماره 10 نشان دهنده تغییر در میزان مصرف انرژی با ایجاد تفاوت در موقعیت مکانی پنجره در هر جهت جغرافیایی است.

بیشترین میزان تغییرات برابر با 1% در سناریو پنجره‌های طرف شرق است که یعنی پنجره‌های سمت شرق بیشترین تاثیر را بر روی میزان مصرف انرژی خواهند داشت. پنجره‌های قرار گرفته در دیگر طرف‌های ساختمان تاثیر کم یا ناچیزی بر روی میزان مصرف انرژی دارند.

نمودار شماره 9: میزان مصرف انرژی سالانه در صورت تغییر موقعیت مکانی و جهت جغرافیایی پنجره

نمودار شماره 10: تغییر در میزان مصرف انرژی با تغییر موقعیت مکانی پنجره در هر جهت جغرافیایی

#نتیجه‌گیری

برای بررسی تاثیر طراحی پنجره بر روی میزان مصرف انرژی ساختمان، اندازه پنجره، موقعیت مکانی پنجره و جهت پنجره‌ها در 65 سناریو مختلف تغییر داده شده و میزان مصرف انرژی برای سرمایش و گرمایش ساختمان در هر سناریو تحلیل شد. در ابتدا، اندازه و موقعیت مکانی پنجره در 29 سناریو متفاوت تغییر داده شدند. نتایج شبیه سازی انرژی نشان دادند که میزان مصرف انرژی سالانه با بزرگ‌تر شدن اندازه پنجره افزایش پیدا خواهد کرد و موقعیت مکانی پنجره تاثیر بسزایی بر روی مصرف انرژی نخواهد داشت. همچنین این نتایج نشان دادند که اندازه پنجره، یک فاکتور بسیار مهم و حیاتی است که باید در فاز طراحی پنجره و طراحی ساختمان مدنظر قرار گیرد. به علاوه، تفاوت میزان مصرف انرژی با تغییر موقعیت مکانی پنجره در اندازه‌های مختلف پنجره نشان داد که موقعیت مکانی پنجره در حالتی بیشترین تاثیر را بر روی مصرف انرژی ساختمان خواهد داشت که نسبت دیوار به پنجره برابر با 20% باشد. در این حالت، تفاوت میزان مصرف انرژی برابر با 30 کیلووات در ساعت است که رقم ناچیزی محسوب می‌شود، اما انتظار می‌رود که این تفاوت در ساختمان‌هایی با ابعاد بزرگ‌تر به مراتب بیشتر شود. در فاز بعدی، موقعیت مکانی پنجره در هر جهت جغرافیایی ساختمان در 36 سناریو مختلف اعمال شد. میزان مصرف انرژی در حالتی به پایین‌ترین مقدار می‌رسد که تمامی پنجره‌ها در ارتفاع میانه باشند. همچنین نتایج نشان دادند که پنجره‌های قرار گرفته در سمت شرقی ساختمان بیشترین تاثیر را بر روی مقدار کلی مصرف انرژی خواهند داشت. تاثیر این عامل برابر با 1% از میزان کل مصرف انرژی ساختمان است. اما انتظار می‌رود که در ساختمان‌هایی با ابعاد بزرگ‌تر، تاثیر این المان بیشتر از قبل باشد. در نتیجه، پنجره‌های قرار گرفته در شرق ساختمان باید با در نظر گرفتن تاثیر بیشتر آن‌ها بر روی مصرف انرژی ساختمان طراحی گردند.

محدودیت‌ها و تحقیقات بعدی

همانگونه که این مقاله بر روی ساختمانی با ابعاد و مقیاس کوچک بنا شده است، مصرف انرژی نیز به تبع اندازه ساختمان کم خواهد بود. پس، اختلاف میزان مصرف انرژی در ساختمان‌هایی با ابعاد کوچک‌تر ناچیز است. اگر همین متدولوژی برای ساختمان‌هایی با مقیاس و ابعاد بزرگتر اعمال گردد، تفاوت مصرف انرژی به مراتب بیشتر شده و شما را به فکر صرفه‌جویی در هزینه انرژی فرو خواهد برد. در نتیجه، تحقیقات بعدی باید بررسی میزان مصرف انرژی را بر روی ساختمان‌هایی با ابعاد بزرگ‌تر انجام دهند. همچنین این مقاله محدودیت‌هایی نظیر مورد مطالعه قرار گرفتن ساختمان قرار گرفته در شهر ونکوور کانادا را داشته است. باید این ارزیابی در موقعیت‌های مکانی متفاوت و با زاویه تابش خورشید متفاوت نیز صورت پذیرد. به علاوه، در این مقاله از نمای ظاهری (زیبایی بصری) صرف نظر شده است تا نتایج مصرف انرژی جهت سرمایش و گرمایش ساختمان مورد مطالعه قرار گیرند. در پروژه‌های واقعی، باید در هنگام طراحی ساختمان و طراحی پنجره به زیبایی بصری پروژه نیز توجه نمود. همچنین میزان نور وارد شده به ساختمان نیز در این مقاله ثابت و صفر در نظر گرفته شد، اما در صورت تغییر مقیاس ساختمان و درخواست مشتری جهت ورود نور بیشتر به ساختمان، باید فاکتور تابش نور به داخل ساختمان را نیز در نتایج قرار داد.