کاربرد رایانه در مهندسی
مدل اطلاعات ساختمان بر اساس ارزیابی عملکرد انرژی / اکسرژی در مراحل اولیه طراحی
"مدل اطلاعات ساختمان بر اساس ارزیابی عملکرد انرژی / اکسرژی در مراحل اولیه طراحی"
ترجمه :
میر شاهرخ خباز، دانشجوی دکتری عمران – مهندسی و مدیریت ساخت
به دلیل افزایش آگاهی از تغییرات آب و هوایی و قوانین ساخت وساز در سرتاسر جهان، طراحان ساختمان باید به طور قابل توجهی عملکرد انرژی را در ساختمان های خود در نظر بگیرند. اخیراً، شبیه سازی عملکرد انرژی ساختمان غالبا پس از مرحله طراحی انجام می گیرد و بنابراین در طرح تصمیم گیری ادغام نشده است. به منظور ارزیابی وابستگی های معیار کارایی بر روی شکل ظاهری، مصالح و سیستم های فنی و ارزیابی عملکرد ساختمان، باید به صورت یکپارچه در پروسه طراحی وارد گردند. در این رویکرد، از ظرفیت مدل های اطلاعاتی ساختمان در ذخیره سازی اطلاعات چند رشته ای برای دستیابی به پارامترهای ضروری محاسبات عملکردی، استفاده می شود. علاوه بر محاسبات تعادل انرژی، محتوای اکسرژی نیز به منظور ارزیابی کیفیت منابع انرژیکه باعث بالابردن انعطاف پذیری در بهینه سازی طراحی ساختمان می شود.
یکی از اهداف مدل سازی اطلاعات ساختمان، ایجاد همکاری مؤثرتر بین ذینفعان در یک پروسه ساخت است. این امر با ذخیره سازی اطلاعات طراحی مناسب در هر گام پروسه طراحی بدست می آید. این قابلیت مدل در بکار رفتن به عنوان یک وابسته، مخزن داده های چند رشته ای، موجب رویکرد جدیدی روی یکپارچه سازی آنالیزهای عملکردی به سمت امکان طراحی می شود. پارامترهایی که در طول پروسه طراحی تعریف می شوند، می توانند در طول پروسه طراحی بدست آیند و ویرایش بشوند و برای محاسبات عملکردی استفاده بشوند.
آنالیز عملکرد
ابزارهای زیادی برای آنالیزهای عملکرد محاسباتی، توسعه یافته است، تا به اکنون کاربرد آنها و تأثیر آنها روی پروسه طراحی "نسبتاً محدود" بوده است. ابزارها برای آنالیز عملکردی می تواند به دو گروه متفاوت تقسیم بندی شود، یا براساس یک مدل محاسباتی استاتیکی یا یک مدل محاسباتی فیزیکی.
- مدل های محاسباتی فیزیکی
مدل های محاسباتی فیزیکی محاسبات دقیق تری از وظیفه های (TASK ) ریز شده بعلاوه امکان مصرف انرژی کلی بدست می دهد. از بارها، روشنی روز و انرژی خورشیدی منطقه تا جریان های هوایی چند جهته، محاسبات بسیار دقیق برای هر وظیفه مهندسی ممکن، در دسترس است. تمام ابزار خارجی به ورودی هندسه طراحی برای تعریف مدل شبیه سازی نیاز دارد. این امر بیشتر با وارد کردن هندسه یا بازسازی دستی آن در هر نرم افزار، انجام می شود.
- مدل های محاسباتی استاتیکی
مدل های محاسباتی استاتیکی، مدل های ساده شده ای برای تخمین کل تقاضای انرژی، گرما یا تقاضای انرژی روشنایی می باشند. به جای محاسبه پردازش های فیزیکی در ساختمان، فاکتورهای یافت شده به طور تجربی اعمال می شوند. در مقایسه با ورودی های ضروری برای مدل های فیزیکی، اطلاعات ریز کمتری برای محاسبات مورد نیاز است، بنابراین ورود پارامتر را راحت می کند. اگرچه نتایج خیلی دقیق نیستند، شاخص عملکردی ارائه شده قادر به قضاوت در مورد عملکرد ساختمان هستند.
آنالیز انرژی
جهت بهره برداری کردن از حفظ راحتی کاربر و عملی بودن، یک ساختمان نیاز به یک مقدار تعریف شده از انرژی دارد که باید تأمین شود. مقدار تقاضا محاسبه می شود، فقدان های انرژی انباشته می شود مانند انتقال و تهویه فقدان های گرمایی پوشش های ساختمانی. حصول انرژی داخلی توسط لوازم خانگی و کاربران و نیز حصول انرژی خورشیدی از طریق منافذ، مقدار انرژی گرمایی که باید تهیه شود را کاهش می دهند. با کسر کردن حصولات از فقدان های کل، تقاضای انرژی کلی که باید تحویل داده شود، نتیجه می شود (شکل 1).
شش شاخص عملکرد کلیدی برای نشان دادن عملکرد انرژی ساختمان محاسبه می شود.
1- اتلاف انتقال حرارتی پوشش ها ( کف، پشت بام، پنجره، دیوار و ... )
2- اتلاف گرمایی تهویه
3- حصول گرمای خورشید از پنجره ها
4- حصول گرمای داخلی ( توسط کابران و لوازم )
5- نیروی روشنایی خاص
6- محاسبات و نمایش نتیجه تقاضای حرارت
آنالیز اکسرژی
برخلاف انرژی، اکسرژی می تواند با کاهش پتانسیل یک منبع انرژی برای انجام کاری، از بین برود. این امر می تواند با یک مثال ساده نشان داده بشود: در یک محوطه، یک پروسه حرارتی برای گرم کردن آب جهت گرمایش استفاده می شود. یک منبع اکسرژی مانند بنزین، دمای 900 درجه سانتیگراد را تحویل می دهد، آب را به یک دمای حداکثر 60 درجه سانتیگراد می رساند. فقط یک مقدار کوچک گرمای تحویل داده شده برای گرم کردن آب استفاده می شود، باقیمانده به محیط اطراف پراکنده می شود. براساس قانون اول ترمودینامیک، مقدار اولیه انرژی داخل محیط هنوز همان مقدار است. وقتی بنزین سوخته است، پتانسیل آب و محیط اندکی گرم شده برای انجام کار بیشتر، خیلی کمتر از پتانسیل بنزینی است که استفاده می شود. پتانسیل از بین رفته است، اکسرژی نقصان پیدا کرده است. بنابراین اکسرژی می توان به عنوان "بخش ارزشمند انرژی" توصیف بشود. روش آنالیز اکسرژی می تواند جهت "راهنمایی تلاش ها جهت کاهش منابع غیرمؤثر در سیستم های موجود" استفاده بشود.
محاسبات انرژی / اکسرژی از زنجیره گرمایی
محاسبات انرژی و اکسرژیِ زنجیره گرمایی باید در جهت مخالف توسعه تقاضای گرمایی انجام بشوند همانطور که در شکل زیر می بینیم. تقاضای هر زیر گروه باید توسط زیرگروه قبلی ارضا بشود.
ابزار Design Performance Viewer (DPV)
مدل های ریاضی برای محاسبه انرژی و اکسرژی در برنامه نویسی نرم افزاری بکار می روند. مقادیر پارامتری ضروری برای محاسبات مستقیماً از پایگاه اطلاعاتی مدل ساختمان بدست می آیند. به منظور دستیابی به پایگاه اطلاعاتی مدل، درخواست میانجی برنامه ریزیِ (API ) تامین شده توسط ویراستار مدل، استفاده می شود.
مدل ساختمان از یک طراحی خاص در ویراستار بنا می شود. یکبار که پارامترهای ضروری تنظیم می شوند، DPV به عنوان یک درخواست خارجیِ بیرون از ویراستار شروع می شود. در طول پروسه طراحی، کاربر می تواند بین محاسبات و تصویر میانجی ابزار و مدل ساختمان طراحی خودش، راه بگزیند. در کنار پیشرفت طراحی ساختمان، عملکرد نتیجه شده می تواند در هر زمانی ارزیابی شود. روش های ورود و خروج فرعی یا وارد کردن داده های دستی نیاز نیست.
تمام داده های هندسی مانند مساحت ها و احجام بطور اتوماتیک از هندسه مدل گرفته می شود. برای محاسبات انرژی و اکسرژی، 9 پارامتر اضافی باید به ویژگیهای شی اتاق ها، دیوارها و پنجره ها اضافه شود.
یک جنبه مهم دیگر، مجسم سازی نتایج است. برای درک سریع و ذاتی، نمایش اینکه نتایج، چطور بطور معمول در نرم افزار شبیه سازی انجام می شوند - در ردیف های بی پایان اعداد – کافی نیست. بازخورد بینایی سریع برای تفسیر سریع نتایج، ضروری است؛ مجسم سازی گرافیکی مناسب باید بکار گرفته شود.
ابزار وابسته به نمونه اصلی DPV ، قادر به تعادل برقرار کردن بین اندازه گیری های ممکن برای افزایش عملکرد کلی ساختمان می باشد. نتایج محاسبات مدل انرژی ساده شده ی بکار رفته، با نتایج یک نرم افزار تجاری و مجاز که برای تأیید مطابقت با قوانین EnEV استفاده می شود، مقایسه می شود. نتایج، انحراف کمتر از 5% را نشان می دهند که شایسته بودن را برای ارزیابی عملکرد مرحله اولیه فرض شده، به اثبات می رساند.
استفاده از مدلسازی اطلاعات ساختمان برای تحقق ارزیابی عملکردی انرژی و اکسرژی سریع، امکان یک دید یکپارچه تر از ساختمان را در طول مراحل اولیه طراحی فراهم می کند. با بکار گرفتن مفهوم اکسرژی ثابت شد که تعاریف دقیق تر بازدهی در ساختمان، امکان پذیر است. این امر قادر به تعادل برقرار کردن بین کیفیت های متفاوت انرژی برای اهداف متفاوت است. مفهوم "اکسرژی پایین" –بهینه کردن استفاده از بخشی از انرژی با پتانسیل بالا- انعطاف پذیری بیشتری را برای طراح ساختمان جهت انتخاب اندازه گیری های مناسب برای یک بهینه سازی پیشنهاد می دهد. به دلیل دید دقیق تر روی کیفیت های متفاوت انرژی و افزایش نتیجه انعطاف پذیری ساختمان، مفهوم انرژی کم باید با یک تعریف دقیق تر اکسرژی کم جایگزین بشود.
منبع :
Building Information Model based energy/exergy performance assessment in early design – stages - Automation in Construction (2009) - Arno Schlueter, Frank Thesseling
آرشيو مطالب...