Optimizing the Insulation Thickness of the Building in Different Climatic Conditions with an Environmental Approach

1-  مقدمه

بیش از یک سوم از انرژی تولیدی در سطح جهان صرف استفاده از وسایل گرمایشی و سرمایشی می­شود؛ لذا صرفه‌جویی در مصرف انرژی توسط این وسایل، سهم زیادی در کاهش کل انرژی مصرفی خواهد داشت ]1[. بحث صرفه‌جویی در انرژی و عایق‌کاری حرارتی از زمان بحران انرژی در سطح بین‌المللی به طور جدی مطرح شد و اقدامات زیادی به منظور پایین آوردن میزان مصرف انرژی صورت گرفته است. بالا رفتن هزینه­ی سوخت در چند دهه­ی اخیر باعث تحولات زیادی در صنایع و ساختمان‌سازی به منظور کاهش مصرف انرژی شده است؛ به همین دلیل در سال­های اخیر به منظور کاهش مصرف انرژی در بخش­های مختلف از جمله ساختمان، فعالیت­هایی صورت گرفته است ]2[.

   از عوامل مهم در زمینه کاهش مصرف انرژی در ساختمان، بررسی شرایط آب و هوایی برای تعیین ضخامت بهینه عایق است. علی بولاتورک ]3[، به تعیین ضخامت بهینه عایق پلی‌استایرن انبساطی برای 6 شهر مختلف کشور ترکیه به روش  پرداخت. وی ضخامت بهینه عایق برای شهرهای با آب و هوای گرم را بین 2/3 تا 8/3 سانتی­متر و برای شهرهای با آب و هوای سرد را بین 6/1 تا 7/2 برآورد کرد. همچنین، در نتایج وی، به‌طور کلی میزان صرفه‌جویی انرژی برای شهرهای مختلف کشور ترکیه از 47/8 تا 19/12 دلار بر متر مربع و مدت زمان بازگشت سرمایه از 39/3 تا 81/3 سال نتیجه شد. دمبایسی و همکاران ]4[، با استفاده از روش ترمواقتصادی به بررسی ضخامت بهینه عایق پلی‌استایرن انبساطی برای شهرهای آنکارا، ازمیر، ترابزن و کارس در کشور ترکیه پرداختند که نتایج تحقیق آنها نشان داد که برای شهرهای مذکور به ترتیب 6/4، 7/7، 6 و 7/10 سانتی­متر به عنوان ضخامت بهینه عایق پلی‌استایرن انبساطی نیاز است. همچنین، بیشترین مقدار صرفه‌جویی انرژی در شهر کارس با 6/56 درصد و کمترین میزان صرفه‌جویی انرژی در شهر ازمیر محاسبه شد.

   از عوامل مهم دیگر در زمینه کاهش مصرف انرژی در ساختمان، استفاده از انواع مختلف عایق­های به‌کار رفته در جداره ساختمان است که در این خصوص تحقیقات متعددی انجام گرفته است. حسن ]5[ با استفاده از روش روز- درجه، بار حرارتی ساختمان را محاسبه و به تعیین ضخامت بهینه یک عایق پلیمری (پلی‌استایرن اکسترود شده) و یک عایق معدنی (پشم شیشه) در ساختمان­ پرداخت. نتایج به دست آمده حاکی از آن بود که استفاده از عایق­های حرارتی پلی‌استایرن اکسترود شده و پشم شیشه در ساختمان باعث می­شود هزینه­ای بالغ بر 22 دلار در هر متر مربع از دیوار ساختمان در طول عمر ده سال صرفه‌جویی شود. بنی اسدی و همکاران ]6[، با کمک نرم‌افزار Energy Plus به عنوان یک شبیه‌ساز انرژی و روش الگوریتم ژنتیک برای یافتن ضخامت بهینه عایق، به تأثیر ماده­ی عایق تغییر فاز دهنده^[1] (PCM) در کنار عایق­های رایج دیگری مثل پشم سنگ و پلی‌استایرن انبساطی در کشور ایران پرداختند. به طوری که در ایران ضخامت بهینه PCM بدون در نظر گرفتن شرایط اقتصادی برای شهرهایی چون: تهران، اصفهان، شیراز، یزد، بندرعباس و تبریز محاسبه گردید و تحقیقات ایشان نشان داد که برای مناطق جنوبی کشور ایران ضخامت بهینه عایق PCM تقریبا برابر با صفر بوده، ولی در مناطق سرد ضخامت بهینه بیشتر از 6 سانتی­متر است. از دیگر نتایج پژوهش آنان این بود که با توجه به وضعیت اقتصادی در حال حاضر کشور ایران، استفاده از عایق­های دیگر مورد بررسی، بسیار با صرفه­تر از عایق PCM خواهد بود.

   از پارامترهای مهم دیگر در تعیین ضخامت عایق بهینه نیز می­توان به بررسی عایق‌کاری جهت­های مختلف دیوارهای ساختمان اشاره نمود. داواس ]7[، با استفاده از روش هزینه چرخ عمر به بررسی ضخامت بهینه عایق پلی استایرن انبساطی و میزان صرفه‌جویی انرژی در کشور تونس برای بازه زمانی 30 سال پرداخت. طبق نتایج وی، دیوارهای جنوبی با ضخامت بهینه­ی 1/10 سانتی­متر و صرفه‌جویی انرژی 33/71 درصد و همچنین مدت بازگشت سرمایه 29/3 سال از نظر اقتصادی بهترین دیوار برای عایق‌بندی است. او همچنین دریافت که جهت دیوار تأثیر کمی بر تغییر تعیین ضخامت بهینه عایق دارد اما تأثیر بیشتری بر صرفه‌جویی انرژی خواهد داشت و بیشترین مقدار صرفه‌جویی انرژی، 78/23 دلار بر متر مربع برای دیوار شرقی است.

   اوزل ]8[، یک تحلیل انرژی– اقتصادی و زیست‌محیطی در شرایط آب و هوایی سرد با در نظر گرفتن جهت‌گیری ساختمان در بازه زمانی 20 سال انجام داد. طبق نتایج وی، مناسب‌ترین جهت برای عایق‌کاری ساختمان نیز، دیوارهای جنوبی با ضخامت 2/9 سانتی­متر از عایق پلی استایرن اکسترود شده می­باشد. شکل (2-11)، نتیجه به دست آمده برای سقف ساختمان از تحقیقات اوزل برای مناطق سرد آب و هوایی را نشان می­دهد. او همچنین در تحقیق دیگری ]9[ به تأثیر قرارگیری موقعیت عایق حرارتی در دیوار ساختمان برای شهر الازیگ در کشور ترکیه پرداخت، به طوری که سه حالت مختلف شامل: قرارگیری عایق در لایه خارجی، میانی و داخلی دیوار را مورد بررسی قرار داد. نتایج تحقیق او نشان داد که بارهای سالیانه و ضخامت بهینه عایق با تغییر قرارگیری در موقعیت عایق حرارتی، تغییری چندانی نمی­یابند و فقط بیشترین نوسان حرارت در تابستان و زمستان برای حالتی که عایق در لایه­ی میانی دیوار باشد رخ می­دهد؛ اما اگر عایق در لایه بیرونی دیوار باشد، کمترین نوسان در دما اتفاق می­افتد. در این تحقیق، هدف بررسی تأثیر بهینه‌سازی ضخامت عایق ساختمان از منظر زیست‌محیطی است. بنابراین، در این پژوهش سعی شده است تا مناسب‌ترین ضخامت عایق با در نظر گرفتن تأثیرات زیست محیطی برای ساختمان نمونه مورد نظر به دست آید.

2- روش تحقیق

2-1- ساختمان مورد بررسی

در این پژوهش، به مدل‌سازی یک ساختمان نمونه از نقشه­های اجرایی مسکن مهر در اقلیم­های متفاوت آب و هوایی ایران، با کمک نرم‌افزار دیزاین بیلدر پرداخته می­شود و میزان مصرف انرژی گرمایشی و سرمایشی ساختمان در شرایط مختلف آب و هوایی، مورد بررسی قرار می­گیرد.

   در ابتدا به کمک دستورات ترسیمی، ساختمان مورد نظر در محیط نرم‌افزار ترسیم می­شود. سپس با اعمال کردن مصالح دیوارها، بازشوها، تعیین سیستم گرمایشی و سرمایشی و تعیین کاربری ساختمان، به محاسبه بار حرارتی مجموعه پرداخته می­شود و مصارف مختلف انرژی مدل‌سازی خواهد شد.

   طبقات ساختمان با توجه به نقشه­های اصلی، در نرم‌افزار دیزاین بیلدر مدل‌سازی شده و تمامی بخش­های مختلف خانه، شامل: آشپزخانه، اتاق خواب­ها، حمام، سرویس بهداشتی، هال و پذیرایی و همچنین، پاگرد و راه پله به طور دقیق مدل‌سازی شده است.

   نقشه ساختمان مورد نظر از ساختمان‌های ساخته شده در مسکن مهر پرند انتخاب شده است که یک ساختمان تیپ چهار طبقه­ی چهار واحدی می­باشد. مساحت هر واحد 90 متر مربع و مساحت زیر بنا 1442 متر مربع است.

   در طبقه­ی همکف، پارکینگ و انباری­ها و اتاق سرایدار و در هر واحد از طبقات تیپ ساختمان نیز 4 نفر با متابولیسم یک انسان بالغ در نظر گرفته شده است.

   نقشه پلان طبقه تیپ و نمای ساختمان مورد نظر در شکل 1 نشان داده شده ­است. جنس دیوارهای خارجی از بیرون به داخل به ترتیب شامل: 5/1 سانتی­متر سنگ نمای گرانیت، 5/1 سانتی متر ملات، 10 سانتی­متر آجر، لایه عایق متغیر و 3 سانتی­متر گچ می­باشد. شماتیک ساختار دیوار خارجی ساختمان نیز در شکل 2 نشان داده شده است.

2-2- شرایط آب و هوایی

در این تحقیق، تأثیر شرایط آب و هوایی بر ضخامت بهینه عایق با در نظر گرفتن 6 شهر با آب و هوای متنوع در کشور ایران شامل تهران (گرم و خشک)، اصفهان (گرم و خشک)، تبریز (سرد و خشک)، رشت (معتدل و مرطوب)، آبادان (گرم و نیمه مرطوب)، بندرعباس (گرم و مرطوب) مورد بررسی قرار گرفته است. شکل 3، مناطق مختلف آب و هوایی کشور ایران را نشان می­دهد.

2-3- تحلیل زیست محیطی

امروزه برای بررسی اثرهای زیست محیطی ( )، تنها میزان انتشار این گاز در داخل ساختمان بر اثر مصرف انرژی گرمایشی یا سرمایشی را مد نظر قرار نمی­دهند، بلکه میزان تولید این گاز در تمامی مراحل استخراج تا تولید و حمل‌ونقل مصالح ساختمانی نیز تحت بررسی قرار داده می­شود. در این مقاله، با استفاده از نتایج شبیه‌سازی انرژی توسط موتور شبیه‌سازی انرژی پلاس در نرم‌افزار دیزاین بیلدر، به منظور تحقیق تأثیرات زیست‌محیطی عایق، میزان نشر گاز (  در هنگام مصرف گاز و برق در داخل ساختمان و همچنین میزان تولید این گاز از هنگام استخراج ماده عایق تا کارگذاری آن در دیوار ساختمان، محاسبه و  بررسی شده است.

که در آن،  مقدار ماده عایق استفاده شده به عنوان مصالح ساختمانی که ضخامت آن در این پژوهش متغیر است و N بازه زمانی در نظر گرفته شده برای محاسبه میزان تأثیر زیست محیطی مصرف برق ) و گاز  می­باشد. در انتهای این پژوهش مقدار ، برای ضخامت بهینه عایق­های مختلف و برای هر شهر که از نظر انرژی- اقتصادی به دست آمده است، به صورت کیلوگرم بر متر مربع برآورد و در جدول نشان داده شده است­.

3- بحث و نتایج

نتایج میزان انتشار کلی گاز (  در جدول 1 نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می­شود، کمترین میزان ضخامت عایق در منطقه آب و هوایی معتدل و مرطوب (رشت) برابر با 3/6 سانتی متر و بیشترین ضخامت عایق در منطقه سرد و خشک (تبریز) برابر با 6/8 سانتی متر به‌دست آمده است. میزان انتشار کلی گاز دی اکسید کربن در بازه ده سال در مناطق آب و

هوایی گرم- خشک شهرهای تهران و اصفهان به ترتیب حدود 425 و 435 کیلوگرم بر مترمربع، در منطقه گرم سرد- خشک (تبریز) حدود 350 کیلوگرم بر مترمربع، در منطقه معتدل- مرطوب (رشت) حدود 760 کیلوگرم بر مترمربع، در منطقه گرم- نیمه- مرطوب (آبادان) حدود 760 کیلوگرم بر مترمربع و در نهایت، در منطقه گرم- مرطوب (بندرعباس) حدود 770 کیلوگرم بر متربع است. همان‌طور که مشاهده می­شود، میزان انتشار کلی گاز دی اکسید کربن در بازه ده سال در منطقه آب و هوایی سرد- خشک و گرم- مرطوب به ترتیب کمترین و بیشترین است.

جدول 1 ضخامت بهینه مناطق آب و هوایی مختلف و اثرهای زیست‌محیطی آن

Table 1 Optimum insulation thickness in different climate zones and the environmental effects

3-1- مقایسه ضخامت بهینه عایق با مبحث 19 مقررات ملی ساختمان

در مبحث نوزدهم از مقررات ملی ساختمان که برای کشور ایران تنظیم شده است، ضوابط طرح، محاسبه و اجرای عایق‌کاری حرارتی و سیستم­های تأسیساتی گرمایشی، سرمایشی، تهویه، تهویه مطبوع، تأمین آب گرم مصرفی و روشنایی الکتریکی در ساختمان­ها تعیین می­شود و شامل دو روش کارکردی و تجویزی است. در روش کارکردی حداکثر ضریب انتقال حرارت مجاز برای ساختمان­ها با شرایط مختلف در شهرهای ایران ارائه شده و اصول کلی ضروری در مورد سیستم­های طراحی شده، جهت به حداقل رسانیدن مصرف انرژی بیان می­گردد [10]. در این روش می­توان ضریب انتقال حرارت دیوار به دست آمده را با حداکثر ضرایب تعریف شده از این روش برای مناطق مختلف آب و هوایی مقایسه نمود. همچنین، در روش تجویزی راه حل­های فنی مختلف برای تعیین طراحی قسمت­های مختلف تشکیل‌دهنده پوسته­ی خارجی ساختمان ارائه می­گردد و حداکثر ضریب مقاومت حرارتی جداره­های ساختمان تعریف شده است که می­توان ضریب مقاومت حرارتی جداره­های ساختمان مورد نظر را با این ضرایب مقایسه نمود ]10[. مقدار ضریب هدایت حرارتی و ضریب مقاومت حرارتی ضخامت بهینه کلی دیوار ساختمان مورد نظر با مقدار حداکثر مجاز ضریب هدایت حرارتی از روش کارکردی و ضریب مقاومت حرارتی از روش تجویزی مقررات ملی ساختمان در مبحث 19 برای هر شهر در جدول 2 مقایسه شده است. همان‌طور که از نتایج پیداست، مقدار ضریب هدایت حرارتی و مقاوت حرارتی به دست آمده برای ضخامت­های بهینه کلی عایق پلی استایرن انبساطی برای تمامی زوج سیستم­های گرمایشی و سرمایشی در شهرهای مذکور، کوچک­تر از مقدار حداکثر مجازِ ضریب هدایت حرارتی (با استفاده از روش کارکردی) و مقاومت حرارتی (با استفاده از روش ترویجی) تعیین شده برای دیوار خارجی ساختمان­های مسکونی در مبحث 19 مقررات ملی ساختمان می­باشد که این امر نشان دهنده­ی مقرون به صرفه بودن دیوار مورد نظر در کشور ایران است.

جدول 2 مقایسه ضخامت عایق بهینه کلی با مبحث 19 مقررات ملی ساختمان

Table 2 Calculation of optimum insulation thickness by Mabhas 19

4- نتیجه‌گیری

در این مقاله، ضخامت بهینه عایق برای ساختمان‌های مناطق مختلف آب و هوایی با استفاده از شبیه­سازی یک ساختمان نمونه در نرم‌افزار دیزاین بیلدر به‌دست آمده است. افزایش ضخامت عایق در ساختمان باعث کاهش مصرف گاز ( ) و اثرهای مخرب زیست محیطی آن در ساختمان به دلیل کاهش مصرف انرژی توسط سیستم­های گرمایشی و سرمایشی می­شود. اما از طرفی افزایش ضخامت عایق در ساختمان نیز باعث افزایش گاز ( ) از هنگام استخراج ماده اولیه عایق تا انتقال این مواد به کارخانه و ساخت آن به عنوان مصالح و در نهایت حمل‌ونقل آن به محل ساخت ساختمان می­شود. در نتیجه تأثیر زیست محیطی افزایش ضخامت عایق متأثر از این دو عامل خواهد بود. بر اساس نتایج به‌دست آمده، میزان انتشار کلی گاز دی اکسید کربن در بازه ده سال در منطقه آب و هوایی سرد- خشک و گرم- مرطوب به ترتیب کمترین و بیشترین است.

5- مراجع

[1] B. Comakli, B. Yüksel, "Optimum insulation thickness of external walls for energy savings", Applied Thermal Engineering, Vol. 23, pp. 473– 479, 2003.

[2] S. Jaber, S. Ajib, "Optimum, technical and energy efficiency design of residential building in Mediterranean region", Energy and Buildings, Vol. 43, pp. 1829–1834, 2011.

[3]  A. Bolattürk, "Determination of optimum insulation thickness for building walls with respect to various fuels and climate zones in Turkey", Applied Thermal Engineering, Vol. 26, pp. 1301–1309, 2006.

[4]  Ö. A. Dombayci, Ö. Atalay, Ş. G. Acar, E. Y. Ulu, H. K. Ozturk, Thermoeconomic method for determination of optimum insulation thickness of external walls for the houses: Case study for Turkey, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 22, 1-8, 2017.

[5]  A. Hasan, Optimizing insulation thickness for buildings using life cycle cost, Applied Energy, 63(2), 115-124, 1999.   

[6]  A. Baniassadi, B. Sajadi, M. Amidpour, N. Noori, Economic optimization of PCM and insulation layer thickness in residential buildings, Sustainable Energy Technologies and Assessments, 14, 92-99, 2016.

[7]  Daouas, Naouel, "A study on optimum insulation thickness in walls and energy savings in Tunisian buildings based on analytical calculation of cooling and heating transmission loads", Applied Energy, 88.1, 156-164, 2011.

[8] M. Ozel, Thermal, economical and environmental analysis of insulated building walls in a cold climate, Energy Conversion and Management, 76, 674-684, 2013.

[9] M. Ozel, "Thermal performance and optimum insulation thickness of building walls with different structure materials", Applied Thermal Engineering, Vol. 31, pp. 3854 - 3863, 2011.

[10] Ministry of Housing and Urban Development - Deputy of Housing and Construction, “National Building Regulations of Iran - Topic 19 - Energy Conservation in Buildings”, Iran Development Publishing, 25- 49, 2010. (In Persian فارسی)