مصرف انرژی در ساختمان های اداری

انرژی که برای گرمایش، سرمایش، روشنایی فضای کاری و خانه ها مصرف می شود، حدود یک سوم مصرف انرژی در ایالات متحده آمریکا را تشکیل می دهد. خانه ها و فضاهای کاری، با این که بزرگ ترین مصرف کنندگان انرژی در این کشور هستند، قرار است بیشترین کاهش در مصرف انرژی را نیز به نام خود ثبت نمایند. برنامه هایی مانند « Energy Star» و «راهبری در طراحی زیست محیطی و انرژی « LEED»، کاهش مصرف انرژی را از جنبه های سبز و پایایی ساختمان را مورد هدف قرار داده اند.ANSI/ASHRAE/IESNA Standard 90.1 با نام «استاندارد انرژی برای ساختمان ها به استثنای ساختمان های کوچک مسکونی» و همچنین دستور العمل های انرژی ایالتی، استاندارد ها و قواعد محرک این حرکت به شمار می آیند. افزایش هزینه های انرژی نیز، این حرکت را از نظر جنبه های اقتصادی آن تسریع می نماید. بنابراین انتظار می رود نتایج خوبی از این برنامه ها حاصل گردد.

در طول پانزده سال گذشته، تقاضای برق مورد نیاز برای روشنایی فضاهای تجاری به نصف کاهش یافته است. استفاده از روشنایی روز، چراغ های کم نور شونده، حس گرهای حضور افراد و غیره، توانسته اند این کاهش قابل توجه را ایجاد نمایند. مصرف انرژی رایانه ها، نمایشگرها، دستگاه های کپی، فکس و دیگر لوازم اداری نیز کاهش چشمگیری یافته است. کاهش چهل تا شصت درصدی نیز در میانگین بارهای سرمایش داخلی به چشم می خورد. به عنوان مثال، بازسازی یک ساختمان اداری با مساحت 10000 فوت مربع با سن ده سال با بکارگیری تجهیزات روشنایی و اداری جدید، می تواند 20 کیلووات از بار الکتریکی اوج و بیش از 5/5 تن بار تهویه مطبوع را کاهش دهد. مسلم است که این صرفه جویی های انرژی با گذشت زمان بیشتر، مصرف انرژی را نیز بنام خود ثبت نمایند. اما عدم ارزیابی تاثیراتی که بر روی سیستم های تهویه مطبوع رخ خواهد داد، می تواند منجر به بروز مشکلاتی در زمینه آسایش ساکنین و کیفیت هوای داخلی ساختمان گردد. قواعد سرانگشتی که برای دهه های متمادی تقریبا ثابت باقی مانده بود، به نظر می رسد که دیگر صحت گذشته را از دست داده است. در واقع، آنچه که از نظر صرفه جویی در انرژی بسیار ایده آل به نظر برسد، شاید سیستم تهویه مطبوع ساختمان را تبدیل به دستگاه تولید شکایات ساکنین نموده و در برخی موارد، کابوسی واقعی در مورد کیفیت هوای داخل به شمار می آید.

تغییر الگوی مصرف داخلی

بارهای موجود در فضای داخلی از قبیل روشنایی، تجهیزات و ساکنین، با پیدایش دفاتر کاری باز تا حدودی تغییر کرده اند. سطوح روشنایی در این اماکن کمتر شده است (که البته به دلیل الزامات موجود در دستورالعمل های جدید است) ولی بار مصرف انرژی الکتریکی توسط دستگاه های جدید اداری تا حدودی افزایش یافته است. چگالی متوسط افراد حاضر در محل تقریبا بدون تغییر باقی مانده است.

گرمای محسوس به ازای هر نفر به میزان 250 Btuh در این محل، معادل w 73/0 بر هر فوت مربع تغییر، باقی مانده است. در اواسط دهه 1980، لامپ های دارای چگالی 2/2 تا 5/2 وات به ازای فوت مربع، معمول بودند. استارت های الکترونیکی لامپ های فلوئورسنت نسبت به استارت های مغناطیسی دارای مزیت های زیادی هستند لامپ های چهل واتی T12 جای خود را به لامپ های 34 واتی T8 و سپس لامپ های T5 داده اند. میزان روشنایی در صفحات رایانه ای کاهش پیدا کرده و استفاده از روشنایی مستقیم/ غیرمستقیم با انرژی پایین، تبدیل به روشی استاندارد شده است. برخی از دستورالعمل های انرژی در حال حاضر میزان روشنایی در ساختمان های اداری را به 2/1 وات به ازای هر فوت مربع محدود می نمایند. طراحی دقیق (چراغ ها، طرح مبلمان، انتخاب رنگ ها و غیره، این امکان را ایجاد می کند که بدون این که کیفیت روشنایی از دست رفته و یا هزینه های بالایی تحمیل شود، مقدار 1.0w به ازای هر فوت مربع به راحتی به دست آید. برخی از مالکان ساختمان در حال کار بر روی روش هایی برای کاهش بار روشنایی ساختمان هایشان تا میزان0.5w در هر فوت مربع می باشند.هر چند بار روشنایی پایین آمده است، اما استفاده از تجهیزات اداری به مراتب نسبت به گذشته افزایش داشته است. تعداد دستگاه های کپی، فکس، اسکنر، رایانه های شخصی و چاپگرها طی سال های اخیر افزایش قابل توجهی نشان می دهد. حتما به یاد دارید که قبلا رایانه های معدودی در هر شرکت وجود داشت، ولی حالا روی هر میز یک رایانه وجود دارد. به همین قیاس، قبلا از یک یا دو چاپ گر مشترک در شرکت ها استفاده می شد، اما حالا تقریبا برای هر اتاق، حداقل یک چاپگر در نظر گرفته شده است. بار تجهیزات دفتری از 0.75 تا 1.0w به ازای هر فوت مربع، به 1.5 تا 2.0w در هر فوت مربع افزایش یافته است.

چاپ گرهای لیزری و همچنین دستگاه های کپی کوچک، در این اواخر قیمت های بسیار مناسبی پیدا کرده اند. حتی بسیاری از دستگاه های فکس نیز به صورت لیزری در آمده اند. نمایشگر های رایانه ای، از نوع تک رنگ سبز 12 اینچی به حداقل 17 اینچ رنگی ارتقا یافته و به همین دلیل برق مصرفی این نمایشگرها به مراتب بالاتر رفته است. تحقیقات انجام شده نشان داده است که تا سال 1994، نمایشگرهای رایانه ای بیشترین انرژی کارکرد رایانه ها را تشکیل می دهند. این تحقیقات همچنین نشان داده است که اطلاعات موجود بر روی برچسب مشخصات تجهیزات اداری، بسیار بالاتر از مصرف انرژی واقعی آن هاست. هر چند چگالی تجهیزات اداری در چند سال گذشته حدود 1.4 تا 1.8w بر فوت بوده است، اما این مقدار در حال کاهش یافتن است. بهبودهای صورت گرفته در مواردی مانند حالت آماده به کار “stand-by”، به خصوص حالات صرفه جویی کننده در انرژی، به این مساله کمک زیادی نموده اند. تجهیزاتی که دارای مشخصه “Energy Star” هستند، تبدیل به تجهیزات استاندارد شده اند.

استفاده از تجهیزات به صورت شبکه نیز در کاهش بارهای مضاعف نقش بسزایی دارد. دستگاه های جدیدی که نقش دستگاه کپی، اسکنر، فکس و چاپ گر را به طور همزمان بازی می کنند، بسیار رایج شده اند. تونرهای جدید دستگاه کپی، نیاز به حرارت کمتری برای نشستن بر روی سطح کاغذ دارند. این دستگاه های جدید، در عین این که فضایی نصف فضای تجهیزات ده سال گذشته اشغال می کنند، مصرف انرژی بسیار کمتری نیز پیدا کرده اند. در حال حاضر، حداکثر چگالی تجهیزات به سمت 1.0w بر فوت مربع پیش می رود و بزرگ ترین تغییری که در این رابطه قابل ذکر است، پیدایش نمایگرهای کریستال مایع (LCD) است. این نمایشگرها، مصرف برق بین 35 تا 50 وات دارند، در حالی که نمایشگرهای اشعه کاتدی (CRT) معمولی با همان اندازه، بین 120 تا 150 وات مصرف دارند. با پایین تر آمدن قیمت این نمایشگرها، به نظر می رسد که در آینده به صورت نمایشگرهای استاندارد در فضاهای اداری و همچنین خانگی مطرح شوند.

تولید گرمای کمتر، سرمایش مورد نیاز پایین تر

در اوایل دهه ی 1990، فضاهای داخلی معمولی با استفاده از اختلاف دمای «تغذیه به فضا» معادلF20، برای بارهای اوج 0.8 تا1.0cfm به ازای فوت مربع طراحی شده بودند. مقادیر هوای تغذیه برای بار ناشی از حضور افراد، با روشنایی و همچنین بار دستگاه های موجود، تا اواخر دهه ی 1990 یعنی زمانی که پیشرفت های قابل توجهی در زمینه ی روشنایی به وجود آمد و کاهشی 30 تا 40 درصدی را باعث گردید، تقریبا ثابت باقی ماند.

فضاهای جدید و بازسازی شده با استفاده از سیستم های روشنایی پیشرفته و همچنین بار کاهش یافته نمایشگرهای LCD، می توانند در شرایط اوج سرمایشی بین 0.35 تا 0.4cfm به ازای هر فوت مربع کاهش ایجاد نمایند. اما در این مقدار پایین cfm به ازای فوت مربع، مشکل آغاز می گردد. برنامه ریزی در این زمینه کار ساده ای نیست، زیرا موارد صرفه جویی در انرژی روشنایی و تجهیزات رایانه ای، تنها با گذشت زمانی طولانی از مرحله تکمیل طراحی و ساخت امکان پذیر خواهد بود. اغلب دیفیوزها قادر نیستند 0.4cfm به ازای فوت مربع هوای تغذیه را به مقدار کافی برای پوشش دهی مناسب محل مورد نظر تامین نمایند. هوای کم سرعت به مقدار کافی در محیط پراکنده نشده و فقط در همان راستا به سمت پایین حرکت خواهد کرد. بنابراین افرادی که زیر دریچه های هوای تغذیه قرار می گیرند احساس سرما کرده و دیگران، هیچ حرکت هوایی در اطراف خودنداشته و بنابراین احساس گرما و کلافگی خواهند کرد. هوای سردتر از سمت سقف حرکت کرده و با هوای گرم مخلوط می شود. در ارتفاع 6 فوتی، دمای هوا F75 است. اثربخشی تهویه می تواند رفاه مناسب را در فضای مورد نظر حفظ نماید.

یک سیستم حجم هوای متغیر (VAV) می تواند به کمتر از 20.0cfm بر هر فوت مربع در بارهای کاهش یافته نیاز داشته باشد. تنها انواع معدودی از دیفیوزر های القای بالا/ دمای پایین و دیفیوزر های چند شبکه ای قابل تنظیم می توانند در این مقدار جریان هوا، شرایط مناسب را تامین نمایند و البته این نوع دیفیوزرها در بسیاری از ساختمان های اداری نصب نشده اند. در اختلاف دمای F20 و جریان هوای 0.35cfm در فوت مربع، یک دیفیوزر 150cfm بایستی 430 فوت مربع را پوشش دهد که حداقل 10 فوت فضای موثر پراکنش برای دیفیوزر در چهار جهت مورد نیاز خواهد بود. در 75 درصد بار (112 cfm)، همان دیفیوزر نیاز به پراکنش بین 9 تا 10 فوت خواهد داشت. دریچه های خطی و برخی دریچه های القای بالا، جزء معدود ابزارهایی هستند که این الزامات را برآورده می سازند. اگر توزیع هوا در نظر گرفته نشود، اولین نشانه بروز مشکل در ساختمان هایی که از انرژی پایینی استفاده می کنند، وجود شکایاتی در مورد سرد و گرم بودن یک محل خاص خواهد بود. مشکلات جدی تری نیز در نواحی گرم تر و دارای تابستان های مرطوب دیده می شود (دما های حباب تر طراحی بالاتر از C76). با کاهش گرمای محسوس تا 50 درصد یا بیشتر، بار نهان تبدیل به بخش بزرگ تری از کل گرمای تولید شده در فضا خواهد شد. بارهای داخلی امروزی می توانند نسبت گرمای محسوس (SHR) بین 85 تا 90 درصد داشته باشند. کاهش تولید گرما در سیستم های روشنایی و تجهیزات موجود در محل می تواند این مقدار را به 65 تا 75 درصد کاهش دهد. نیمی از هوای تغذیه برای فضای معمولی امروزی، هنوز هم به مقدار مشابهی از هوای خارج نیاز دارد. مقدار 20 cfm هوای خارجی به ازای هر نفر و یک نفر به ازای 100 فوت مربع، معادل حداکثر 0.2 cfm به ازای فوت مربع هوای خارجی خواهد بود. در مقایسه با مقادیر 0.35 تا 0.4cfm بر فوت مربع که برای سرمایش فضا مورد نیاز است، درصد هوای خارجی از 25 تا 35 درصد به 50 درصد یا بیشتر افزایش می یابد. درصد بالاتر نسبت هوای خارجی، مقدار بار نهان بر روی کویل های خنک های کننده را افزایش داده و مقدارSHR را بیش از پیش کاهش خواهد داد. کویل های خنک کننده با شرایطی روبرو خواهند شد که در آن شرایط، نمی توانند رطوبت را از هوا بزدایند. یک کویل محاسبه شده برای 80 درصد SHR نخواهند توانست با افت SHR رطوبت هوا را بزداید (در بارهای سطحی خنثی، بار محسوس و SHR بیشتر افت می کنند). به خصوص کویل های آب سرد، بدون بار گرمای محسوس برای زدایش گرمای نهان، آسیب پذیرترند. کویل خنک کننده که برای برای تطابق دقیق با بار موجود انتخاب شده است، دارای 11 درصد ظرفیت نهان اضافی است. در 1.8w به ازای فوت مربع، ظرفیت کویل 8 درصد کمتر از مقدار مورد نیاز برای برآورده ساختن نیاز بار نهان است. سطوح رطوبت نسبی بالای 60 درصد کاملا محتمل به نظر می رسد. در شرایط سردتر، می توان سطح بالای رطوبتی را انتظار داشت. تمام مشکلات رطوبتی مربوط به میزان بالای رطوبت می تواند در این شرایط در ساختمان آغاز شده و گسترده شود. غیر از هوای خشک زمستانی، شرایط معدودی وجود دارد که می تواند هوای ساختمان را خشک نگه دارد. سیستم HVAC در این شرایط می تواند منشا بروز مشکلاتی از قبیل رشد قارچ و کپک ها و دیگر مشکلات کیفیت هوای داخلی گردد.