2 . روش شناسی
این روش، دادههای هواشناسی را برای ارزیابی تأثیر مناطق متنوع آب و هوایی مراکش بر مصرف انرژی ساختمان و اثربخشی سیستمهای بام سبز ادغام میکند. این مطالعه شش منطقه آب و هوایی متمایز را بررسی می کند که هر کدام دارای ویژگی های خورشیدی و حرارتی منحصر به فرد هستند. اجزای کلیدی ساختمان، مانند طبقههای همکف، دیوارها، سقفها و پنجرهها برای عملکرد حرارتی (مثلاً U-value) آنالیز میشوند و شبیهسازیها با استفاده از نرمافزار DesignBuilder و EnergyPlus پتانسیل بامهای سبز را برای کاهش تقاضای انرژی و انتشار CO 2 ارزیابی میکنند . این رویکرد تضمین میکند که شرایط آب و هوایی منطقه در بهینهسازی طرحهای ساختمانی کارآمد در نظر گرفته میشود.
2.1 . داده های هواشناسی
آب و هوای مراکش در سراسر مناطق آن تنوع قابل توجهی را نشان می دهد، که در نتیجه شرایط جوی متنوعی ایجاد می کند که به طور قابل توجهی بر مصرف انرژی ساختمان و اثربخشی استراتژی های بام سبز تأثیر می گذارد. آب و هوای کشور به شش منطقه مجزا طبقه بندی می شود که هر کدام با الگوهای منحصر به فرد قرار گرفتن در معرض خورشید، نوسانات دما و نیازهای حرارتی مشخص می شوند [36] . این تغییرات نیازمند رویکردهای مناسب برای طراحی ساختمان و اقدامات بهره وری انرژی، مانند بام های سبز است که می تواند چالش های اقلیمی خاص هر منطقه را برطرف کند.
همانطور که در [ شکل 1 ] و [ شکل 2 ] نشان داده شده است، شرایط آب و هوایی در مراکش با تغییرات دمایی فصلی و سطوح بالای تابش خورشیدی مشخص شده است . دامنه وسیع دما نیاز حیاتی به راه حل هایی را برجسته می کند که تنظیم حرارتی موثر در طول سال را فراهم می کند. اوج تابش خورشیدی در طول ماه های تابستان رخ می دهد و به طور قابل توجهی باعث افزایش تقاضای سرمایش در ساختمان ها می شود.
این تحقیق از داده های هواشناسی جامع مشتق شده از نرم افزار مترونوم [37] استفاده می کند که شامل پروفایل های ساعتی دما، تابش خورشیدی، رطوبت و سرعت باد می شود. این مجموعه داده ها پایه ای قوی برای شبیه سازی و تجزیه و تحلیل عملکرد بام های سبز در شرایط آب و هوایی محلی فراهم می کند. با ادغام این دادهها در فرآیند ارزیابی، هدف این مطالعه ارزیابی دقیق ظرفیت استراتژیهای بام سبز برای کاهش انتشار CO2 و مصرف انرژی در ساختمانهای اداری مراکش است.
2.2 . توضیحات ساختمان
ساختمان اداری مورد مطالعه یک سازه یک طبقه است که دارای پنجره های بزرگ برای به حداکثر رساندن نور طبیعی است. نمای بیرونی آجری آن هم جرم حرارتی و هم عایق را ارائه می دهد، در حالی که سقف تخت برای یکپارچه سازی سیستم های بام سبز ایده آل است. [ جدول 2 ] اجزای ساختمان را شامل طبقه همکف، دیوارها، سقف و پنجره ها، تجزیه و تحلیل خواص مواد و معیارهای عملکرد انرژی، مانند مقادیر U و نرخ انتقال خورشیدی، نشان می دهد. یک مدل سه بعدی از ساختمان نیز ارائه شده است که طراحی آن را نشان می دهد و مزایای بالقوه استراتژی های بام سبز را در کاهش مصرف انرژی و انتشار کربن برجسته می کند.
تجزیه و تحلیل دو سناریو را ارزیابی می کند: یک سقف با بستر (بدون گیاه) و یک بام سبز با پوشش گیاهی. مورد دوم شامل ویژگیهای مختلف کارخانه است که تحت سناریوهای مختلف مدلسازی شدهاند تا تأثیر آنها بر عملکرد حرارتی و مصرف انرژی ساختمان، همانطور که در [ جدول 3 ] به تفصیل ارزیابی شود. عمق بستر، خواص هیدرولیکی و خصوصیات حرارتی در تمام سناریوها ثابت نگه داشته شد، پارامترهای اولیه کارخانه در نظر گرفته شده عبارتند از:
- •شاخص سطح برگ (LAI): این شاخص کل سطح برگ در واحد سطح زمین را نشان می دهد. سناریوها از مقادیر پایین LAI، شبیهسازی پوشش گیاهی پراکنده تا مقادیر بالای شاخص سطح برگ، که پوشش گیاهی متراکم را نشان میدهند، متغیر است.
- •ارتفاع گیاه (H): ارتفاع پوشش گیاهی بر اثر سایه و گردش هوا در بالای سقف تأثیر می گذارد. تغییرات ارتفاع گیاه برای ارزیابی تأثیر آنها بر تنظیم حرارتی مدلسازی میشود.
- •حداقل مقاومت روزنه ای (MSR): این پارامتر حداقل مقاومت روزنه در برابر تبادل گاز را تعیین می کند که مستقیماً بر میزان تبخیر و تعرق تأثیر می گذارد.
این مطالعه این پارامترها را تحت شرایط مختلف آب و هوایی ارزیابی میکند تا تأثیر آنها بر تقاضای انرژی گرمایشی و سرمایشی ساختمان و انتشار CO2 مرتبط را ارزیابی کند . سناریوهای بام سبز با سقف زیرلایه پایه مقایسه می شوند تا صرفه جویی در انرژی و کاهش انتشار حاصل از طراحی بهینه بام سبز را کمیاب کنند.
[ جدول 4 ] خلاصه ای دقیق از الگوهای اشغال ساختمان اداری، تنظیمات گرمایش و سرمایش و تهویه مکانیکی را ارائه می دهد. این شامل اطلاعات مربوط به تراکم اشغال، فاکتورهای فعالیت، دمای نقطه تنظیم گرمایش و سرمایش و کارایی سیستم (CoP) است. جدول همچنین برنامه های عملیاتی هر سیستم را که برای بهینه سازی بهره وری انرژی در طول روز طراحی شده است، نشان می دهد. اعداد در ستون برنامه زمانی (0، 0.25، 0.5، 0.75، 1) سطوح اشغال را نشان می دهند که به صورت کسری از حداکثر تراکم یا استفاده در بازه های زمانی خاص بیان می شود.
شکل 1 . دمای هوای بیرون در مناطق مختلف آب و هوایی مراکش در طول سال.
شکل 2 . تابش خورشید در مناطق مختلف آب و هوایی مراکش در طول سال.
جدول 2 . خلاصه ای از اجزای ساختمان و ویژگی های عملکرد انرژی.
| جزء | توضیحات | مدل سه بعدی |
|---|---|---|
| زمین | طبقه همکف، با مساحت 76.467 متر مربع ، از لایههایی تشکیل شده است: کفپوش چوبی 30 میلیمتری، کفپوش 70 میلیمتری، 100 میلیمتر بتن ریختهگری شده، و عایق فوم اوره فرمالدئید 133 میلیمتر، که یک U-value برابر با 0.249 W/m2 K را برای عایق کاری حرارتی فراهم میکند . |
![]() |
| دیوارها | دیوارها دارای یک لایه بیرونی آجری 100 میلی متری، عایق پلی استایرن اکسترود شده XPS به طول 40 میلی متر، بلوک بتنی متوسط 100 میلی متری و گچ کاری 13 میلی متری هستند که منجر به U-value 0.590 W/m 2 K می شود. مساحت دیوارها بر اساس جهت گیری: m290, 290 و 27 در جهت متفاوت است . 36.909 متر مربع در 0 درجه و 180 درجه. | |
| سقف | سقف با پوشش 76.467 متر مربع ، از سطح زیرین 200 میلی متر (بدون گیاه) و 200 میلی متر دال بتن هوادهی، با مقدار U 0.629 W/m 2 K تشکیل شده است که عایق حرارتی متوسطی را تضمین می کند. سناریوهای گیاه بام سبز، با ارتفاع خاص، شاخص سطح برگ و حداقل مقاومت روزنه ای، بهره وری انرژی و عملکرد زیست محیطی را که در جدول 3 توضیح داده شده است، بیشتر می کند . | |
| پنجره | این پنجره دارای نسبت پنجره به دیوار 30 درصد، ارتفاع 1.50 متر، ارتفاع آستانه 0.80 متر و فاصله 5.00 متر است. ضریب افزایش حرارت خورشیدی 0.691، با انتقال مستقیم خورشیدی 0.624 و انتقال نور 0.744 است. U-value 1.960 W/m 2 K است که عایق متوسطی را ارائه می دهد. |
جدول 3 . پارامترهای زیرلایه و سطوح گیاهی برای بام سبز
| سلول خالی | سطح بستر | سلول خالی | سطوح گیاهی | سلول خالی |
|---|---|---|---|---|
| بام سبز | ضخامت نیرو (m) رسانایی (W/mK) گرمای ویژه (J/kg-K) چگالی (kg/m 3 ) ضریب بخار |
0.200 1.000 1000 1900 150 |
ارتفاع بوته ها (متر) شاخص سطح برگ انعکاس برگ انتشار برگ حداقل مقاومت روزنه ای (s/m) حداکثر رطوبت حجمی در اشباع حداقل مقدار رطوبت حجمی باقیمانده رطوبت حجمی اولیه محتوای رطوبت حجمی اولیه |
0.100≤اچ≤0.300 1.000≤LAI≤3.000 0.220 0.950 100≤MSR≤300 0.500 0.010 0.150 |
جدول 4 . بررسی اجمالی سیستم های اشغال، گرمایش، سرمایش و تهویه.
| سلول خالی | اشغال | سیستم گرمایش | سیستم خنک کننده | تهویه مکانیکی |
|---|---|---|---|---|
| فعالیت | ضریب: 0.90 | نقطه تنظیم: 22 درجه سانتی گراد بازگشت: 12 درجه سانتی گراد |
نقطه تنظیم: 24 درجه سانتی گراد بازگشت: 28 درجه سانتی گراد |
4 دقیقه هوای تازه (مجموع هر نفر + هر منطقه) |
| برنامه ریزی کنید | تراکم: 0.1110 نفر در متر مربع تا: 07:00، 0، تا: 08:00، 0.25، تا: 09:00، 0.5، تا: 12:00، 1، تا: 14:00، 0.75، تا: 0.10:00، تا: 0.10:00 تا: 19:00، 0.25، تا: 24:00، 0، |
CoP: 2.00 تا: 05:00، 0.5، تا: 19:00، 1، تا: 24:00، 0.5، |
CoP: 2.50 تا: 05:00، 0، تا: 19:00، 1، تا: 24:00، 0، |
تراکم: 0.1110 نفر در متر مربع تا: 07:00، 0، تا: 08:00، 0.25، تا: 09:00، 0.5، تا: 12:00، 1، تا: 14:00، 0.75، تا: 0.10:00، تا: 0.10:00 تا: 19:00، 0.25، تا: 24:00، 0، |
2.3 . مدل ریاضی
مدل سازی و تحلیل سازه های ساختمانی به همراه شبیه سازی با استفاده از نرم افزار DesignBuilder انجام شد. شبیهسازی دیوار از روش CTF استفاده میکند که یک رویکرد فضای حالت است که در EnergyPlus ادغام شده است [38] ، [39] . علاوه بر این، الگوریتمهای همرفت تطبیقی برای سطوح بیرونی و داخلی برای افزایش دقت شبیهسازیهای رفتار حرارتی اعمال شد [40] ، [41] ، [42] .
2.3.1 . بودجه انرژی شاخ و برگ
تعادل انرژی در لایه شاخ و برگ را می توان به صورت ریاضی بیان کرد همانطور که در [معادل نشان داده شده است. (1) ].(1)ɛɛɛɛɛافf=σfمنس↓1-αf+ɛfمنمنr↓-ɛfσتیf4+σfɛgɛfσɛ1تیg4-تیf4+اچf+Lf
کجاσfپارامتری است که تحت تأثیر شاخص LAI محاسبه شده است که در [معادل ارائه شده است. (2) ].(2)σf=0،9-0،7هxص-0،75Lالفمن
این معادله برای تشعشعات موج کوتاه و بلند جذب شده و منعکس شده توسط پوشش گیاهی، با در نظر گرفتن بازتاب های متعدد و انتشار بین شاخ و برگ و سطوح زمین، محاسبه می شود. شارهای گرمای محسوس و نهان نیز در این تعادل انرژی ادغام می شوند، که نشان دهنده فرآیندهای تبادل حرارتی است که از طریق همرفت و تبخیر رخ می دهد.
انتقال حرارت معقول بین سطح برگ و هوای اطراف (نزدیک تاج پوشش) یک جزء کلیدی در تعادل انرژی لایه شاخ و برگ است. شار حرارتی محسوس تحت تأثیر تفاوت دما بین سطح برگ و هوای نزدیک به تاج پوشش، و همچنین سرعت باد و LAI است. معادله شار حرارتی محسوس همانطور که در [معادل نشان داده شده است. (3) ].(3)اچf=1،1Lالفمنρالفfسیص،الفسیfدبلیوالفfتیالفf-تیfکجاρالفfمیانگین چگالی هوا را نشان می دهد، که همانطور که در [معادل نشان داده شده است. (4) ]،دبلیوالفfسرعت باد برگ است که در [معادل. (5) ].(4)ρالفf=0،5ρالف-ρf(5)دبلیوالفf=0،83σfدبلیوسیساعتnf+1-σfدبلیو
دمای هوای داخل شاخ و برگ یک میانگین وزنی بین دمای هوا، دمای برگ و دمای زمین است که در [معادل نشان داده شده است. (6) ].(6)تیالفf=1-σfتیالف+σf0،3تیالف+0،6تیf+0،1تیgضریب انتقال حجیم با استفاده از فرمول Deardorff همانطور که در [معادل نشان داده شده است. (7) ]،سیساعتnfبر اساس ثابت فون کارمن، ارتفاع ابزار، ارتفاع جابجایی صفر و طول زبری محاسبه میشود که در [معادل. (8) ].(7)سیf=0،011+0،3دبلیوالفf(8)سیساعتnf=کv2lnزالف-زدزof-2
فرمولاسیون برای ارتفاع جابجایی صفر و طول زبری در [معادل نشان داده شده است. (9) ].(9)زد=0،701زf0.979،زo=0،131زf0.997فرآیند از دست دادن آب از طریق تعرق در شار گرمای نهان در لایه شاخ و برگ مرکزی است. تعرق با باز و بسته شدن روزنه ها کنترل می شود که انتشار بخار آب از برگ به اتمسفر را تنظیم می کند. مقاومت در برابر انتشار بخار آب که به مقاومت روزنه ای معروف است، نقش مهمی در تعیین شار گرمای نهان دارد. مقاومت روزنه ایrسبا فرمولی که در [معادل نشان داده شده است. (10) ].(10)rس=rس،مترمنnLالفمنf1f2f3
f1،f2، وf3فاکتورهای اصلاح کننده بر اساس تابش خورشیدی، رطوبت خاک و اختلاف فشار بخار هستند که به ترتیب در [معادل نشان داده شده است. (11) و (12) و (13) ].(11)1f1=مترمنn1،0،004منس↓+0،0050،810،004منس↓+1(12)1f2=0wساعتهnθr>θ¯θ-θrθمترالفx-θrwساعتهnθr≤θ¯≤θمترالفx(13)1f3=هxص-gدهf،سالفتی-هالف
مقاومت کل در برابر انتشار بخار ترکیبی از مقاومت روزنه ای و آیرودینامیکی است. مقاومت آیرودینامیکیrالفمقاومت در برابر انتشار بخار تحمیل شده توسط لایه مرزی در سطح برگ همانطور که در [معادل ارائه شده است. (14) ]. این ضریب رطوبت سطحr”نشان دهنده نسبت مقاومت آیرودینامیکی به مقاومت کل است که همانطور که در [معادل نشان داده شده است. (15) ]. تعیین می کند که رطوبت چقدر راحت از برگ به جو منتقل می شود.(14)rالف=1سیfدبلیوالفf(15)r”=rالفrالف+rس
سپس شار گرمای نهان در [معادل. (16) ].(16)Lf=لfLالفمنρالفfسیfدبلیوالفfr”qالفf-qf،سالفتینسبت اختلاطqالفfمیانگین وزنی نسبت های اختلاط هوا و تاج است که بسته به پوشش گیاهی و رطوبت حجمی خاک در [معادل. (17) ].(17)qالفf=1-σfqالف+σf0،3qالف+0،6qf،سالفتیr”+0،1qf،سالفتیمg1-σf0،61-r”+0،11-مg
گرمای نهان تبخیرلfبا دما نسبت معکوس دارد و با استفاده از فرمول Henderson-Sellers در [معادل. (18) ].(18)لf=1،91846.106تیfتیf-33،912
2.3.2 . بودجه انرژی خاک
تعادل انرژی در سطح خاک تا حد زیادی توسط خواص حرارتی خاک، وسعت پوشش گیاهی تعیین می شود.σf) و میزان رطوبت خاک. هنگامی که پوشش گیاهی به طور متراکم سطح خاک را می پوشاند، نوسانات روزانه دمای سطح به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. بودجه انرژی کامل در سطح خاک در [معادل. (19) ].(19)ɛɛɛɛɛافg=(1-σf)منس↓1-αg+ɛgمنمنr↓-ɛgتیg4-σfɛgɛfσɛ1تیg4-تیf4+اچg+Lg+ک∂تیg∂z
این معادله شار حرارتی محسوس، شار گرمای نهان، و اثرات بازتاب های متعدد تابش موج بلند و موج کوتاه را محاسبه می کند. عبارت نهایی در سمت راست نشان دهنده هدایت گرما به بستر خاک است که توسط Sailor [43] توضیح داده شده است .
2.3.3 . بودجه انرژی گرمایش و سرمایش
EnergyPlus سیستمهای VRF AC را با متعادل کردن گرمای هوای منطقه برای هماهنگی با تنظیمات ترموستات شبیهسازی میکند. این اولویت بندی حالت، از جمله ملاحظات بازیابی گرما را در نظر می گیرد. این مدل همچنین تأثیر کندانسور را بر راندمان ارزیابی میکند، با محاسبات عملکرد بهینهسازی شده برای سرمایش و گرمایش، همانطور که توسط هانگ و همکاران توسعه و تأیید شده است. [44] . انرژی مصرف شده توسط کندانسور پمپ حرارتی در حالت سرمایش با استفاده از [معادل. (20) ]، در حالی که در حالت گرمایش، با استفاده از [معادل. (21) ].(20)قدرتسی=س̇سی،کل،رتبه بندی شده است×CAPFTسیسیOپسی×EIRFTسی×EIRFPLRسی×HPRTF(21)قدرتاچ=س̇اچ،کل،رتبه بندی شده است×CAPFTاچسیOپاچ×EIRFTاچ×EIRFPLRاچ×HPRTF×Eمنآریخ زدایی کنید21راوستاد مستندات دقیقی از عملیات این معادلات ارائه می دهد [45] .
2.3.4 . انتشار CO 2 از بودجه انرژی
انتشار CO 2 ناشی از مصرف برق در EnergyPlus با استفاده از ضریب انتشار CO 2 خاص منبع برق محاسبه می شود. این ضریب، که بر حسب کیلوگرم CO 2 در هر کیلووات ساعت (kgCO 2 / kWh) اندازه گیری می شود، ترکیب انرژی مورد استفاده برای تولید برق (به عنوان مثال، زغال سنگ، گاز طبیعی یا انرژی های تجدید پذیر) را منعکس می کند.
کل مصرف برق در این ضریب ضرب می شود تا انتشار CO 2 برآورد شود . ضریب انتشار بسته به منطقه متفاوت است و تفاوت در منابع انرژی شبکه را به حساب می آورد. این رویکرد ارزیابی دقیق اثرات زیست محیطی ساختمان را امکان پذیر می کند و به طور یکپارچه با تجزیه و تحلیل سایر آلاینده های مرتبط با انرژی ادغام می شود [46] .
2.4 . اعتبار سنجی رویکرد شبیه سازی
اعتبار سنجی رویکرد شبیه سازی بر اساس یک تحلیل مقایسه ای بین یافته های مطالعه ما و یافته های S. Hamdaoui و همکاران است. [47] . این مقایسه بر انرژی مورد نیاز سالانه برای گرمایش و سرمایش به عنوان تابعی از نسبت پنجره به دیوار (WWR) متمرکز است. WWR که به صورت درصد بیان می شود، با تقسیم کل سطح لعاب ساختمان بر سطح دیوار پوشش خارجی تعیین می شود.
شکل 9 از S. Hamdaoui و همکاران. مطالعه رابطه بین WWR و تقاضای انرژی را برای مطالعه موردی سوم در شش منطقه آب و هوایی نشان میدهد. همانطور که در شکل و [ شکل 3 ] نشان داده شده است، با افزایش WWR، نیاز گرمایش سالانه کاهش می یابد. این نتیجه به دلیل مقدار قابل توجهی از گرمای خورشیدی که از طریق پنجره ها منتقل می شود، انتظار می رود که نیاز به گرمایش را کاهش می دهد. برعکس، نیازهای خنککننده با افزایش WWR بهطور قابلتوجهی افزایش مییابد که ناشی از همان افزایش گرمای خورشیدی است.
حساسیت انرژی سالانه گرمایش و سرمایش به یک سقف با بستر (بدون گیاه) به خواص حرارتی خاک نسبت داده می شود که می تواند بر تقاضای گرمایش تأثیر منفی بگذارد. سقف های دارای خاک دارای جرم حرارتی قابل توجهی هستند، گرما را در طول روز از ساختمان جذب می کنند اما به آرامی آن را آزاد می کنند، که می تواند گرمایش داخلی را به تاخیر بیندازد و نیاز به انرژی را در دوره های سردتر افزایش دهد.
شکل 3 . یافته های مطالعه ما و S. Hamdaoui و همکاران. [47] .
شکل 4 . تأثیر ارتفاع گیاه بر نیازهای انرژی گرمایشی و سرمایشی در مناطق آب و هوایی مراکش
اعتبار مدل بام سبز EnergyPlus، که در این مطالعه گنجانده شده است، با استفاده گسترده و دقت آن در شبیهسازی انرژی ساختمان پشتیبانی میشود. این مدل مدل پوشش گیاهی FASST را که توسط سپاه مهندسین ارتش ایالات متحده ایجاد شده است، برای شبیه سازی انتقال گرما و رطوبت از طریق سطوح پوشش گیاهی ادغام می کند. پایایی آن در مطالعه ای توسط Sailor و همکاران نشان داده شده است. [43] ، که در آن شبیهسازیهای یک بام سبز نظارتشده در فلوریدا با دادههای میدانی با بایاس 2.9 درجه سانتیگراد و RMSE 4.1 درجه سانتیگراد برای پیشبینی دمای سطح خاک مطابقت نزدیکی داشت. تجزیه و تحلیل حساسیت پارامترهایی مانند ضخامت خاک، شاخص سطح برگ (LAI) و نرخ آبیاری، دقت آن را در پیشبینی تقاضای انرژی و کاهش انتشار CO 2 تایید میکند و کاربرد آن را در ارزیابی عملکرد بام سبز تقویت میکند.
با استفاده از این چارچوب معتبر، مطالعه حاضر پیشبینی قابل اعتمادی از پتانسیل بام سبز برای کاهش CO2 در ساختمانهای اداری مراکش تضمین میکند . رویکرد شبیهسازی، کارایی و دقت محاسباتی را متعادل میکند و بینش قوی در مورد عملکرد حرارتی ساختمانها در مناطق مختلف آب و هوایی مراکش ارائه میکند. این بیشتر مناسب بودن EnergyPlus را برای ارزیابی نقش حیاتی پارامترهای طراحی بام سبز در کاهش تقاضای انرژی و کاهش انتشار CO 2 تایید می کند .


Leave A Comment