بهره وری انرژی در ساختمان بلند مطالعه موردی ساختمان ستاره آبی در شیکاگو

چکیده:

تمرکز اصلی این پروژه بر روی بهینه‌سازی انرژی و طراحی بهره‌وری منابع برای ساختمان بلند پینشهادی یعنی ستاره آبی، واقع شده در شهر شیکاگو، و همچنین ترکیب ویژگی‌های بالقوه LEED با آن می‌باشد. در این پروژه، برخی از تکنولوژی‌های خلاقانه موثر در انرژی بر اساس تحلیل آب و هوا مورد استفاده قرار می‌گیرند که علاوه بر در نظر گرفتن توابع معماری، شکل (ظاهر) ساختمان، ساختار بیرونی، سیستم ذخیره و مصرف آب، توانایی ساخت و غیره به طور همزمان دارای مطالعاتی در مورد رویکردهای شهر عمودی و ایده‌های طراحی و برنامه‌ریزی در زمینه شهر پایدار می‌باشند. با توجه به شبیه‌سازی انرژی و محاسبه کارآیی، سه عامل مهم: نرخ صرفه‌جویی سالانه انرژی، انرژی تجدیدپذیر در محل و کاهش مصرف آب مورد بررسی قرار می‌گیرند تا دسترسی به امتیازات مورد تایید گواهینامه LEED(گواهی مدیریت انرژی)  ممکن گردد که می‌تواند سطح پایداری از ساختمان را از یک جنبه خاص با یک عدد نشان دهد.

1- مقدمه

پروژه مورد نظر، ستاره آبی، در منطقه کسب و کار مرکزی شیکاگو واقع شده است مساحت کل زیر بنا در حدود 23667 m²  است.سایت ساختمان نیز در مجاورت لوپ شیکاگو، پارک‌های عمومی و دریاچه میشیگان و برج قرار گرفته است و اگر ساخته شود، به عنوان نقطۀ عطف پایدار در افق شیکاگو به کار می‌رود (شکل 1 و جدول 1).

ساختمان‌های بلند (ساختمان‌های بلند مرتبه و آسمان‌خراش‌ها)، گونه شناسی غالب معماری در آینده به شمار می‌روند . سیستم ساختاری عمده این ساختمان بلند، به صورت سیستم مورب همراه با ستون‌های داخلی است. برای این‌که ساختمان جوابگوی بافت اصلی شهر باشد، شکل نقشه کف به صورت یک مربع در پایه است که به تدریج به یک شانزده‌ضلعی، یک چند ضلعی با 16 ضلع و زوایای کنج برابر، تبدیل شده است. (شکل 2).

برای بهبود بهره‌وری انرژی کل در ساختمان در فرآیند طراحی شماتیک، از استراتژی‌های مختلف بهره‌وری انرژی، ویژگی‌های معماری ساختمان نظیر بهینه‌سازی جهت گیری، شکل ساختمان، ساخت و ساز محوطه و سیستم‌های پنجره و غیره استفاده شده است و طراحیِ جایگزینِ مربوطه نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته و براساس عملکرد انرژی و کیفیت محیط داخلی ارزیابی می‌شوند، به عنوان مثال، شرایط نور داخلی که نقش مهمی در راحتی و کارآیی ساکنان ایفا می‌کند.

ساختمان بلند مورد نظر از شکل‌های متقارن برای پلان طبقه استفاده می‌کند. پلان طبقه ساختمان در سطح زمین با توجه به سیستم زمین، زیر ساخت اصلی شهری و بافت شهر دارای فرم مربعی شکل است و به تدریج در سطوح بالا به شکل دایره‌ای تبدیل می‌شود که می‌تواند مقاومت خمشی همگرا را با توجه به ممان اینرسی سطحی معادل آن در تمام جهات تولید کند.

این فُرم از ساختمان‌های بلند نه تنها به دلیل توجه به بهره‌وری ساختاری بلکه در نتیجه بهره‌وری انرژی نیز ایجاد شده است. پوشش کارآمد انرژی در ساختمان با کاهش نسبی مساحتِ سطوحّ پوشش دهنده تلف انرژی و افزایش نور خورشید و توانایی عدم پذیرش گرما فراهم می‌شود. به طور خلاصه، بهبود بهره‌وری انرژی کل ساختمان یکی از اهداف اصلی در طراحی یک ساختمان بلند و پروژه تحقیقاتی آن می‌باشد (شکل 3).

 

2- اهمیت پژوهش

غالباً تصور می‌شود که ساختمان‌های بلند عمدتاً به دلیل مقادیر زیاد موارد مورد نیاز برای سازه، ناپایدار هستند. از یک طرف، ساخت و ساز ساختمان‌های بلند اغلب با مصرف انرژی زیاد (انرژی-بَر) همراه است و از سوی دیگر، تجزیه و تحلیل‌های کمکی برای بررسی درستی این جمله و پشتیبانی عددی از آن انجام شده است . به طور کلی یک ساختمان بلند به عنوان طراحی میزان تحمل نسبت به بار گرانشی خود، باز رلزله و بار باد در نظر گرفته می‌شود . فنآوری منفعل ساختمان عنصری است که توسط یک معمار برنامه‌ریزی شده و نخستین گام برای کاهش انرژی ساختمان با تمرکز بر روی طراحی می‌باشد . این مطالعه، با تمرکز بر ارزیابی عملکرد انرژی ستاره آبی، درک بهتری از انرژی و طرح بهره‌وری انرژی برای ساختمان‌های بلند در مناطق سرد را فراهم خواهد ساخت. این امر می‌تواند در درک بیشتر تحلیل مصرف سالانه انرژی در Equest  و تحلیل طرح در Ecotect کمک نماید. علاوه بر این، انتظار می‌رود این مطالعه در ارائه دانش با ارزش مورد نیاز برای محاسبه کاهش آب مفید باشد. ضمناً تمرکز پژوهش در محاسبه امتیازات LEED مطابق با LEED 2009 بر تغییرات تابش خورشید، انرژی تجدیدپذیر، مواد ساختمان و حتی شکل آن قرار گرفته است تا سرمایه اجتماعی کاربران بهبود یابد.

طراحی و برنامه‌ریزی شهرهای جدید براساس موارد زیادی صورت می‌پذیرد اما LEED، مهم‌ترین رویکردی است که باید مورد مطالعه قرار گیرد تا اطمینان حاصل شود که حرکت شهر همگام با طراحی ساختمانی است که از تکنولوژی‌ها و استراتژی‌ها برای بهبود عملکرد در زمینه‌های خاص با توجه به صرفه‌جویی انرژی، جیره‌بندی آب، کاهش انتشار دی اکسید کربن و افزایش کیفیت زیست‌محیطی  در فضاهای داخلی و کاهش اثر زیست‌محیطی ساختمان در فضای اطراف استفاده می‌کند.

3- تحلیل آب و هو و اقلیم

مطابق با ASHRAE ، شیکاگو شهری که ساختمان مورد نظر در آن بنا شده، دارای آب و هوای سرد و مرطوب بوده و به عنوان منطقه 5A مشخص شده است (شکل 4).

شکل 1: ستاره آبی: مشخصه جدید افق شیکاگو

جدول 1: اطلاعات پروژه ستاره آبی

Chicago, US (411 47′ N; 871 45′ W)	مکان
188,479 m2 (2,028,838 sf.)	مجموع مساحت ناخالص طبقه
89	مجموع سطوح
96,092 m2 (1,034,362 sf.)	مجموع مساحت طبقه اداری
409	مجموع اتاق های مهمان هتل
310	مجموع واحدهای آپارتمانی
1120	مجموع فضای پارکینگ

 

اطلاعات آب و هوایی مورد استفاده در پروژه در دپارتمان انرژی آمریکا، وب سایت داده‌های آب و هوایی نرم افزار شبیه‌سازی Energyplus (ایستگاه هواشناسی در فرودگاه Midway واقع شده است، شکل 5) موجود است. با توجه به تحلیل آب و هوا، می‌توان به نتایج زیر دست یافت:

1) رطوبت: تغییر قابل توجهی در رطوبت نسبی در طول یک‌سال وجود ندارد.

2) دما: دما متوسط روزانه در بیشتر ماه‌ها پایین‌تر از محدوده دمای آسایش حرارتی است. بنابراین نیازهای گرمایشی در فصل زمستان در شهر شیکاگو از لحاظ HDD و CDD نسبتاً از نیازهای سرمایشی در تابسان بیشتر است.

3) تابش خورشیدی: در طول هفته‌های تابستان از هفته 17‌ام تا 38ام و هفته‌های زمستان از هفته 42ام تا 52ام، تابش مستقیم و فراوان خورشید وجود دارد. تابش خورشید در یک سال دارای تغییرات بسیار ملایم است.

4) باد: در یک روز زمستانی نسبت به تابستان، باد بزرگ‌تر و دائمی‌تر است. سرعت باد غالب، نزدیک به 12 مایل در ساعت است.

4- بررسی سایه و نور روز

سایت ساختمان در یک منطقه متراکم شهری واقع شده است. می‌توان مشاهده کرد که با توجه به ساختمان‌های بلند اطراف، سایت به طور قابل ملاحظه‌ای تحت نفوذ سایه  قرار دارد. تاثیر‌پذیری سایه‌بان از سایه در بعد از ظهر بسیار بیشتر از تاثیر آن در طول صبح است.

با توجه به محاسبه نفوذ سایه‌ می‌توان دریافت که حداکثر درصد سایه‌بان برای سایت در روز، 87% است در حالی که بیشترین درصد سایه‌بان برای سایت در بعد از ظهر 100% می‌باشد. همچنین می‌توان نتیجه گرفت که تابش شدیدتر خورشید  در طول تابستان از 8:00 تا 14:00 رخ می‌دهد. این امر نشان می‌دهد هر پانل PV در سطح زمین سایت به علت اثر سایه‌ای ساختمان‌های اطراف نمی‌تواند به نحو احسن کار کند (شکل 6).

ساختمان دارای شکلی به صورت نواربندی و طرح‌های دایره‌ای برای طبقات است که از یک طبقه همکف مربعی شکل به تدریج منتقل می‌شود. با این شکل، اثر نفوذ سایه به حداقل رسیده و می‌توان در سطح میدان به نور طبیعی بیشتری دست یافت. با توجه به تحلیل سایه و اشعه خورشید، می‌توان محدوده و تنوع سایه داخلی و همچنین انتقال نور خورشید در طول یک دوره خاص را تعیین نمود که برای طراحی مفید می‌باشد.

توصیه می‌شود که قوانین مساحتی که با توجه به نور خارجی مستقیماً قابل دسترسی است در طرح‌های آینده هسته مرکزی ساختمان‌های بلند مرتبه در نظر گرفته شود . عوامل نور طبیعی برای سطح زمین و همچنین سطح شدت روشنایی که در نور روزانه و مولفه آسمان منعکس شده است را می‌توان در Ecotect محاسبه نمود که با توجه به شکل مختلف ساختمان، گزینه‌ها پیشنهادی برای طرح و مواد، یک معیار کَمّی برای مقایسه کیفیت نور طبیعی فراهم می‌کند. ضریب پیک نور روزانه در سطح زمین 90/7% است (شدت روشنایی آسمان ابری، 8500 lx در نظر گرفته می‌شود)، سطح روشنایی اکثر مناطق در پارک مرکزی بیشتر از 80% می‌باشد. شکل ساختمان و تخصیص مواد در نما می‌تواند سطح نور روزانه بیرونی را تا حدی تحت تاثیر قرار دهد (شکل‌ها 7 و 8).

5– شبیه‌سازی آزمایش

داده‌های دقیق مساحت طبقات از برنامه طبقه در مدل BIM ساختمان استخراج شده‌اند. مصرف سالانه انرژی ساختمان و همچنین تمام گزینه‌های جایگزین در مقایسه با تنظیمات پیش ‌فرض-هوشمند مدل محاسبه می‌شوند. مدل‌های مختلف جایگزین برای ارزیابی عملکرد انرژی در ساختمان مورد نظر، مخصوصاً بهره‌وری انرژی در شکل ساختمان با مساحت یکسان در کل طبقات ایجاد شده است:

 188,527 متر مربع

مصرف سالانه کل انرژی (از جمله برق و گاز) ساختمان بلند مورد نظر و سه گزینه جایگزین به عنوان نمونه: ساختمان بلند با طرح مربعی شکل طبقات، ساختمان بلند با طرح T شکل طبقات و ساختمان بلند با طرح صلیب برای طبقات را می‌توان به عنوان یک عدد Btu تنها در جدول 2 محاسبه کرد . می‌توان نتیجه گرفت که برخلاف انتظار، هر ترکیب نواری‌شکل با طرح دایره‌ای طبقات در نمای ساختمان‌های بلند، از نظر انرژی کارآمدترین شکل نخواهد بود حتی اگر نسبت سطح مقطع آن به حجم نسیتاً کمتر از سایر گزینه‌ها باشد. از نظر نرخ مصرف انرژی کل بر اساس محاسبه Equest که در DOE-2 موتور شبیه‌سازی انرژی استخراج شده است، این حالت تنها کارآمدتر از گزینه پیشنهادی 3 است. اما از نظر مصرف برق، فُرم مخروطی پیشنهادی یکی از بهترین موارد است. دلیل آن، این است که مدل Equest نمی‌تواند شکل واقعی ساختمان مورد نظر را منعکس کند. زیرا هنگامی‌که خروج‌کاری کف در طرح طبقات در پوسته ساختمان صورت می‌گیرد و پوسته خارجی با چندین چرخش در ترکیب نوار‌بندی شده ایجاد می‌شود، تعداد زیادی پل حرارتی در معرض هوای بیرون وجود دارند. اما در ترکیب واقعی ساختمان مورد نظر، همه دال‌های طبقه توسط سیستم پوششی محصور شده‌اند. این یک محدودیت ذاتی در برنامه‌ریزی شبیه‌سازی انرژی است. با ساده‌سازی شکل ظاهری ساختمان و قرار دادن عایق در مناطق دال، می‌توان عملکرد واقعی حرارتی را بهتر منعکس نمود (شکل 9 و 10).

محاسبه نرخ مصرف انرژی کل تقریباً برای هر 4 جهت اصلی یکسان است. شمال، شرق، جنوب و غرب که بیانگر مشخصه شبه-همسانگرد حرارتی در شکل منحصربه فرد ساختمان مورد نظر می‌باشند (جدول 3). شکل ساختمان بلند مطرح شده برای بیشتر طبقات دارای طراحی دایره‌ای شکل می‌باشد که می‌توان آنرا تا حدودی به عنوان یک شکل همسانگرد در نظر گرفت و دارای خواص فیزیکی مشابه برای هر 4 جهت اصلی می‌باشد (شکل 11 و 12). به این دلیل است که قرار گرفتن ساختمان در معرض خورشید و باد تقریباً پس از چرخش ساختمان به وسیله 901 ثابت مانده است و در نتیجه بار گرمایشی و سرمایشی مشابهی در چهار جهت اصلی ایجاد می‌گردد.

جدول 2: مصرف سالانه انرژی در 4 ساختمان بلند لا شکل‌های مختلف در طرح طبقات

نرخ مصرف کلی انرژی	نرخ مصرف گاز	نرخ مصرف برق	شکل
414,316	150,958	77.18	شکل مورد نظر
376,394	108,256	78.58	Alt 1 (مربع)
394,478	125,974	78.69	Alt 2 (T شکل)
421,023	149,580	79.55	Alt 3 (صلیب)

جدول 3: مصرف انرژی سالانه در ساختمان بلند مورد نظر هنگامی که تنظیمات جهتی در Equet تغییر می‌یابد.

نرخ مصرف کلی انرژی	نرخ مصرف گاز	نرخ مصرف برق	جهت
414,316	150,958	77.18	شمال
414,338	150,980	77.18	شرق
414,316	150,958	77.18	جنوب
414,349	150,990	77.18	غرب

 

6: بهینه سازی عملکرد انرژی

6-1- ساده‌سازی مدل انرژی

چند روش ساده در مدل قبلی انرژی به منظور تسهیل در محاسبه انرژی Equet و بدون از دست دادن دقت مورد نظر در محاسبات در نظر گرفته می‌شوند. در ابتدا 89 پوسته ساختمانی منحصربه فرد در هر طبقه در 4 پوسته عمومی مطابق با کارکرد اصلی ساختمان دوباره سازماندهی می‌شوند. پوسته عمومی 01 برای پایین‌ترین بخش طبقات اداری در نظر گرفته شده است در حالی که پوسته عمومی 02 برای بالاترین بخش طبقات اداری است. پوسته عمومی 03 برای کل طبقات هتل و پوسته عمومی 04 برای طبقات آپارتمانی قرار گرفته در قسمت بالا انتخاب شده‌اند. (جدول 4)

جدول 4: اطلاعات کلی از پوسته‌های ساختمان

فرآیند ساده سازی مدل و مدل ساده شده نهایی در شکل‌های 13 و 14 دیده می‌شوند. با انجام چند محاسبه آزمایشی، مدل ساده شده از لحاظ مصرف سالانه انرژی در ساختمان می‌تواند عملکرد مشابهی مانند مدل اصلی ساختمان از خود نشان دهد. در محاسبه واقعی صرفه‌جویی انرژی، از افزایش دهنده طبقات برای تشریع بیشتر روند محاسبه استفاده می‌شود. مدل ‌ساده شده انرژی با مناطقی که از نظر انرژی دارای عملکرد مشابهی باشند، طبقه‌بندی شده و در مقایسه با مدل اصلی، مساحت پل حرارتی را کاهش می‌دهند. تایید شده است که مدل ساده‌ شده و مدل اصلی می‌توانند عملمرد مشابهی را تولید کنند. تحلیل انرژی ارائه شده در زیر، برای سرعت بخشیدن به شبیه‌سازی انرژی در صدها مورد طراحی به جای مدل اصلی کاملاً بر مبنای مدل ساده شده استوار است.

6-2: شبیه‌سازی انرژی براساس انواع متمایز پوشش شیشه‌ای (العاب)

پنجره‌بندی، بخش آسیب‌پذیر یک ساختمان از نظر اتلاف انرژی است. انواع مختلف پوشش شیشه‌ای برای پنجره‌های بیرونی در مدل ساختمان در نظر گرفته شده و میزان مصرف انرژی سالانه محاسبه و با دو مورد پایه مقایسه شد: یک مورد نوع پوشش شیشه‌ای تک‌جداره و دیگری مدل پایه استاندارد ASHRAE برای منطقه 5A می‌باشد (شیکاگو به این منطقه تعلق دارد).

دو نمونه محاسبات (مدل پایه استاندارد ASHRAE و پوشش شیشه‌ای تک‌جداره 1001) و سایر انواع مختلف پوشش شیشه‌ای در شکل‌های 15 و 16 ذکر شده‌اند. نرخ‌های مصرف سالانه انرژی با انواع مختلف پوشش شیشه‌ای شبیه‌سازی شده و در جدول 5 ارائه شده‌اند. با توجه به نتایج بدست آمده، می‌توان دریافت که پوشش شیشه‌ای با کارآیی بالا می‌تواند نقش مهمی در بهبود بهره‌وری انرژی ایفا نماید. اما فناوری‌های کنونی پوشش شیشه‌ای دارای محدودیت‌های خاصی نیز می‌باشند، نرخ صرفه‌جویی انرژی در آن در مقایسه با مدل پایه استاندارد ASHRAE و به علت به روززسانی این مدل در صنعت شیشه، 10% کمتر است. در طرح ارائه شده در شیکاگو، با استفاده از پنجره هایی با کارایی ارزیابی بالای NFRC، در مقایسه با مورد تک جداره‌ای بودن پنجره می‌توان نزدی 20% در صرفه‌جویی انرژی مشارکت داشت و می‌توان 6% صرفه‌جویی انرژی براساس مدل پایه استاندارد ASHRAE تولید نمود که معادل با امتیازات قابل دسترس 3LEED می‌باشند (شکل 17). باید بین قیمت افزایش ساخت و ساز در نتیجه استفاده از پوشش شیشه‌ای با کارایی بالا و مزیت صرفه‌جویی در انرژی با در نظر گرفتن یک مدت زمان طولانی، تعادل برقرار باشد.