دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

چکیده

امروزه مشکلات و موانع موجود بر سر راه افزایش ظرفیت تولید انرژی، خصوصا انرژی الکتریکی و افزایش روز افزون تقاضا برای آن موجب شده است که جوامع پیشرفته دنیا در پی راهکارهایی اساسی برای بهره گیری مناسب تر از منابع تولید پراکنده، بهینه سازی انرژی و مدیریت سمت تقاضا باشند .امروزه با بهره گیری از امکانات و فن آوری های بکار رفته در خانه های هوشمند، مشترکین خانگی که سهم عمده ای از جامعه مصرف را تشکیل می دهند، نه تنها قادر هستند تا هزینه مصرف انرژی خود را کاهش دهند بلکه بخشی از نیازمندی خود را نیز از طریق مدیریت منابع تولید محلی مرتفع سازند. بر اساس توضیحات داده شده هدف اصلی این مقاله ارائه مدلی جهت مدیریت انرژی و به عبارتی ارائه و بکارگیری راه های بهینه تولید، ذخیره و مصرف انرژی در خانه های هوشمند می باشد. در این راستا مهم ترین چالش هماهنگی و بهینه سازی همزمان منابع تولید و مصرف انرژی در یک خانه هوشمند می باشد. بنابراین در مدل ارائه شده مدیریت بهره برداری از ادوات خانگی و واحدهای محلی با توجه به قیود مختلف و اهداف گوناگون و گاها متناقض صورت می پذیرد. همچنین، زمانبندی عملکرد منابع تولیدی و بارهای قابل کنترل خانگی در بازه زمانی مورد مطالعه همزمان صورت می پذیرد چراکه عملکرد بهینه این دو مقوله به لحاظ زمانی بسیار به یکدیگر وابسته می باشد. از طرفی رفتار خانه های هوشمند در حوزه های الکتریکی و حرارتی به خوبی مدل شده و ارزیابی مناسبی از اقدامات کنترلی و بهینه سازی انرژی صورت می گیرد.

مدل حرارتی خانه انرژی صفر

به منظور ارائه راه کاری مناسب و عملی جهت کنترل تولید، ذخیره و مصرف انرژی حرارتی و برودتی در یک خانه انرژی صفر ضرورى است تا درک درستی از منابع تولید و اتلاف انرژی موجود داشته باشیم. بیان دیگر، پیاده سازی هرگونه تدبیر مناسب در حوزه بهینه سازی انرژی حرارتی و برودتی خانه انرژی صفر در گرو شناسایی دقیق رفتار حرارتی آن و عوامل دخیل در تغییر این رفتار می باشد.

سیستم گرمایش/سرمایش از كف

با در نظر گرفتن یک سیستم سرمایش یا گرمایش از کف به عنوان یک منبع حرارتی در خانه، میزان انتقال حرارت بین نقاط مختلف در هر ساعت عبارت است:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-2)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

(3-3)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

(3-4)

که مطابق شکل (3-2) ، io∅ میزان شارش حرارت از طریق مقاومت حرارتی Rioو بین هوای داخل ساختمان و فضای بیرون از آن می باشد،fi ∅میزان شارش حرارت از طریق مقاومت حرارتیRfi و بین کف و هوای داخل ساختمان است وfg∅ میزان شارش حرارت از طریق مقاومت حرارتیRfg و بین کف و زمین خانه می باشد. بطور مشابه، Tin، Tout، Tfو Tg به ترتیب بر دمای هوای داخل ساختمان، دمای بیرون خانه، دمای کف و دمای زمین دلالت دارند.

3-1-2- تابش خورشید

اثر مستقیم و غیرمستقیم تابش خورشید برابر است با:
(3-6)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

که در رابطه(3-6) ، Teqout دمای معادل هوای بیرون ساختمان در نتیجه تابش خورشید و Tsurf دمای سطح قرار گرفته در عرض تابش می باشد. چنانچه T(eq-out)معین باشد، میزان انتقال حرارت از یک سطح خارجی ساختمان با ضریب انتقال حرارت کلی U ، مقاومت حرارتی Rsi و مساحت Asبه داخل ساختمان عبارت است از:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-7)

3-1-3- وزش باد

طبق پیشنهادات ارائه شده، ضریب انتقال حرارت تلفیق) همرفت و تابشی (از سطوح خارجی ساختمان برای زمستان و تابستان و با فرض سرعت باد 6/7 و 3/4 متر بر ثانیه برای فصول مزبور عبارت است:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-8)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

(3-9)

به طور مشابه، ضریب انتقال حرارت از سطوح داخلی ساختمان که متاثر از نفود باد می باشد، برای تمامی فصول برابر است با:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-10)

3-1-4- سطح فعالیت فیزیکی افراد

می توان کل حرارت انتقال یافته مابین بدن و محیط را )از طریق همرفت و تابش (بطور ساده تر و در قالب یک شارش گرمایی بصورت رابطه (3-12) تعریف نمود:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-11)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-12)

که RClothمقاومت حرارتی واحد پوشش بر حسب ( m^2 °_c)⁄wاست و تاثیر شارش های گرمایی به روش های هدایت، همرفت و تابش از پوست بدن تا سطح خارجی لباس را مدل می کند. بطور مشابه، Tskin دمای متوسط پوست بدن و Rcombines مقاومت معادل حرارتی می باشد.

3-1-5- عملکرد سیستم روشنایی، تجهیزات و وسایل خانگی

با در نظر گرفتن تأثیر کلیه عوامل عنوان شده در رفتار حرارتی و برودتی یک ساختمان، اینک می توان رفتار حرارتی یک ساختمان را بر اساس مجموعه ای از معادلات کوپل شده انرژی که تغییرات زمانی دمای هوای داخل ساختمان و کف را نشان می دهند، مدل نمود:
( 3-15 )

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
( 3-16 )

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

که ∆‎hstep گام زمانی مورد مطالعه )مثلاً 1 ساعت و mfmi و cp,f cp,i به ترتیب جرم و ظرفیت گرمایی ویژه کف )هوای داخل ساختمان( می باشند(h) bp∅ حرارت دریافتی در زمان h از منابع نامحسوس داخلی شامل فعالیت فیزیکی افراد، سیستم روشنایی، تجهیزات و وسایل خانگی است، حال آن که(h) sf∅ حرارت دریافتی از تابش مستقیم آفتاب بر کف خانه می باشد که به صورت زیر قابل محاسبه است:
(3-17)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

در رابطه فوق f∝ ضریب جذب نور برای کف و Asfسطح آفتابگیر کف خانه می باشد

3-1-6- مدل منابع انرژی محلی

3-1-6-1 -سیستم تولید هم زمان برق و حرارت

در یک سامانه تولید هم زمان برق و حرارت، توان گرمایی خروجی CHP و در صورت نیاز بویلر پشتیبان در هر ساعت طوری تعیین می شود که دمای منبع آب گرم در حد مطلوب نگه داشته شود. تابع به روزرسانی دمای منبع آب گرم ) Tst یا همان دمای تعادل آب موجود در آن (به صورت زیر قابل محاسبه می باشد:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

(3-19)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-20)

به ترتیب حجم منبع آب و تقاضای آب گرم در لحظه hمی باشد، TCW و(h) Tb بر دمای آب سرد ورودی به منبع و دمای محل نگهداری منبع دلالت دارند، Astمساحت رویه منبع و Rstمقاومت عایقی آن می باشد. باید اشاره نمود در این مدلسازی فرض شده است که حجم آب داخل منبع همواره ثابت است و در صورت خروج حجم معینی از آب با دمای Tst همان مقدار آب با دمای اولیه به TCWوارد منبع می شود.

3-1-6-2- ذخیره كننده انرژی الکتریکی

رفتار یک ذخیره کننده انرژی الکتریکی نظیر باتری ها در قالب یک تابع زمانی از وضعیت انرژی آن مطابق رابطه (3 – 21) قابل توصیف است:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-21)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-22)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-23)

که SOC(h) میزان شارژ )یا انرژی الکتریکی موجود (باتری در لحظه h‏، ‎SOCmin و SOCmax به ترتیب حدود بالا و پایین مربوط به متغیر SOC و EBatt ظرفیت کل باتری بر حسب کیلووات ساعت است. به همین منوال،(h) P_Batt^ch و(h) P_Batt^dch پایه توان های خروجی باتری در حالت شارژ و دشارژ می باشند که مطابق روابط زیر به یک مقدار حداکثری محدود می شوند:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
( 3-24 )

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
( 3-25 )

که Pchmax و Pdchmax به ترتیب بر حداکثر میزان توان شارژ و یا دشارژ ذخیره کننده اشاره دارند، ηch و ηdch
بازدهی شارژ و دشارژ باتری می باشند و υBatt (h) یک متغیر باینری برای نشان دادن وضعیت شارژ و یا دشارژ ذخیره کننده در هر لحظه از زمان می باشد 1) :شارژ و:0 دشارژ( .

3-1-6-3- مدل بار الکتریکی و پاسخگویی تقاضا

میزان توان مصرفی در لحظه h عبارت است از:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

( 3-26 )

که(h) Si یک متغیر باینری برای نشان دادن وضعیت تجهیز نام در زمان h (1: روشن و 0: خاموش( و N تعداد تجهیزات قابل کنترل است. همچنین، باید اشاره نمود که وضعیت تجهیز iام در زمانی خارج از بازه مجاز استفاده از آن صفر می باشد.
مضاف بر مورد عنوان شده، یک معمول دیگر برای حداکثر توان مصرفی یک خانه در هر لحظه وجود دارد که به صورت زیر قابل ارائه می باشد:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
( 3-31 )

که(h) PDfix,kتوان مصرفیk امین بار ثابت (غیرقابل کنترل) در لحظه h ، M تعداد بارهای ثابت و PD,max سقف توان مصرفی خانه در آن لحظه می باشند.
هدف: بیشینه ساختن آسایش مشترک
بطور کلی راحتی و آسایش بدن انسان متأثر از سه عامل محیطی به نام های دما، رطوبت نسبی و جریان هوا است که از میان آنها دمای محیط نقش برجسته ای را ایفا می نماید .مشاهده می شود که غالب افراد پوشیده در بازه دمایی 23 تا 27 درجه سانتیگراد احساس راحتی و آسایش می کنند، حال آنکه این بازه دمای برای فراد غیرپوشیده از 29 تا 31 درجه سانتیگراد تعریف می شود .بر این اساس می توان گفت که آسایش فیزیکی مشترک به عنوان یک مولفه مهم در بحث مدیریت انرژی خانگی قابل طرح بوده و می توان آنرا مطابق رابطه  (35-3) به بیان ریاضی ارزش گذاری نمود:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
( 3-35 )

که(h) CLth نشانگر میزان آسایش ساکنین خانه در حوزه حرارتی بوده و به صورت زیر تعریف می شود:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-36)

در رابطه فوق،(h) Tset دمای مطلوب داخلی و تعیین شده از سوی مشترک بوده و ∆Tth میزان تغییرات دمایی مجاز برای درجه حرارت هوای داخل ساختمان می باشد. بطور مشابه،(h) βhو(h) βc ضرایب جریمه معرفی شده برای درجه حرارت های پایین تر و بالاتر از حد مطلوب مشترک می باشند تابع توزیع (h)CLth نیز در شکل (3-2) نشان داده شده است.

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

شکل(3-2) تابع توزیع میزان آسایش دمایی مشترک

3-2-3-4- مدل بهینه سازی پیشنهادی

با توجه به مطالب ارائه شده در بخش های قبل، مشاهده می شود که مسأله بهینه سازی پیشنهادی در این کار متشکل از سه هدف متمایز و مجموعه ای از قیود تساوی و نامساوی است که باید در فرایند بهینه سازی توامان مدنظر قرار گیرند. همچنین، نظر به اینکه هر مشترک به دنبال حصول حداکثر آسایش و رضایتمندی خود با صرف حداقل هزینه می باشد، لذا می توان تابع بهینه سازی نهایی را بصورت نسبتی از هزینه کل مصرف انرژی به میزان کل آسایش و رضایتمندی بدست آمده، تعریف نمود. بر این اساسی، مدل بهینه سازی پیشنهادی عبارت خواهد بود از:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-37)

که در آن، و ضرایب وزن دهی مربوط به آسایش و رضایتمندی مشترک بوده تابع هدف ترکیبی باید به موازات مدلی حرارتی و الکتریکی در قالب یک مسأله بهینه سازی جامع مدهای و از سوی خود کاربر مشخص می شود ، قید تعادل بار و تولید در دو حوزه الکتریکی و حرارتی نیز بعنوان یک شرط لازم باید ملاک عمل باشد .مدل ریاضی این قیود با توجه به منابع و مصارف انرژی مفروض عبارت است از:

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-38)

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
(3-39)

فصل چهارم: شبیه سازی و مطالعات موردی

پارامترهای مورد استفاده در شبیه سازی وسایل قایل کنترل موجود در خانه انرژی صفر شامل تجهیزات الکتریکی-حرارتی، واحد تولید برق و حرارت همزمان مبتنی بر سلول سوختی، تانک ذخیره کننده آب داغ، سیستم سرمایش و گرمایش از کف و ذخیره ساز انرژی الکتریکی به ترتیب در جداول (4-1) و (4-5) آورده شده است.
(جدول 4-2) داده های مربوط به واحد تولید برق و حرارت مبتنی بر سلول سوختی

واحد مقدار پارامتر واحد مقدار پارامتر
kW 2 pthaux,min kW 0/3 PeCHP,min
kW 19 Pthaux,max kW 1/5 PeCHP,max
m3/h ‏92/4‏×‏3‏-‏10 Gref kW/h 0/9 PeCHP,ramp
Cent/start 8 SCHP % 86  و 70 و 30 ηaux ηeth ,

(جدول 4-3) داده های مربوط به تانکر آب داغ

واحد مقدار پارامتر واحد مقدار پارامتر
Lit 200 Vtot m2 1/99 A_st
c.  80و 60 Tst,max,𝑇𝑠𝑡,𝑚𝑖𝑛 m2c./W 2/818 Rst
c. 10 Tcw kWh/Lit c. 0/00117 Cw

داده های مربوط به ذخیره ساز انرژی الکتریکی (جدول 4-5)

واحد مقدار پارامتر واحد مقدار پارامتر
% 80-20 SOC kWh 24 EBatt
%  87 و90 ηdch, ηch kWh 3/3 Pdh/dch,max

زمانبندی انرژی مصرفی تجهیزات مورد استفاده در خانه انرژی صفر در (جدول 4-6) ارائه شده است.
داده های مربوط به برنامه ریزی زمانی انرژی مصرفی تجهیزات (جدول 4-6)

W EEC LOT PTR UTR تجهیز
1 1 2 14:00-8:00 21:00-7:00 ماشین لباسشویی
2 1/4 2 18:00-14:00 18:00-6:00 ماشین ظرفشویی
1 1/8 1 11:00:17:00 21:00-9:00 خشک کن لباس
2 1/1 1 7:00-5:00 13:00-1:00 اتو
2 0/65 1 12:00-9:00 20:00-8:00 جاروبرقی
3 0/9 1 14:00-11:00 19:00-8:00 ماکروفر
3 0/6 2 17:00-14:00 18:00-10:00 پلوپز
3 1 1 7:00-6:00 12:00-4:00 کتری برقی
3 0/8 1 8:00-6:00 10:00-1:00 توستر

داده های مورد نیاز برای این دو مطالعه موردی به ترتیب در شکل های (5-4) و (7-4) ارائه شده است. لازم به ذکر است که قیمت گاز در طول دوره برنامه ریزی همواره برابر با مقدار ثابت 33 cent/m3 در نظر گرفته می شود.

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

شکل (3-4) قیمت انرژی الکتریکی در طول دوره 24 ساعته

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد
شکل (4-4) تابش خورشیدی برای دو فصل سرد و گرم سال

4-1-1 – شرایط آب و هوایی مختلف

هدف این قسمت بررسی رفتار حرارتی خانه انرژی صفر و صحت سنجی عملکرد مدل بهینه سازی ارائه شده در طی فرآیند گرمایشی و سرمایشی می باشد .برای این منظور شبیه سازی ها ابتدا برای شرایط آب و هوایی سرد و سپس شرایط آب و و هوایی گرم انجام می گیرد.

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

شکل (6-4) شارش حرارتی بین قسمت های مختلف خانه در شرایط آب و هوایی گرم

4-1-2- الگوهای تبادلی متنوع

اثر الگوهای مبادلاتی انرژی میان شبکه و خانه انرژی صفر و ارزیابی رفتار مشترک در قبال هر یک از الگوها، در این قسمت مورد بررسی قرار می گیرد. برای این منظور سه سناریوی قیمت گذاری زمان واقعی، زمان مصرف و نرخ ثابت مورد بررسی قرار می گیرند. لازم به ذکر است که در این بررسی توابع هدف هزینه و سطح آسایش به صورت همزمان در نظر گرفته می شوند. برای قیمت گذاری زمان مصرف دوره برنامه ریزی به سه قسمت مساوی تقسیم شده و قیمت انرژی الکتریکی در هر دوره میانگین قیمت زمان واقعی در آن دوره در نظر گرفته می شود. همچنین، نرخ ثابت برابر با میانگین قیمت انرژی الکتریکی در طول دوره برنامه ریزی در نظر گرفته می شود .این الگوهای قیمت گذاری برای شرایط آب و هوایی گرم در شکل های (18-4) نشان داده شده است.

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

شکل(7-4) تعرفه های قیمت گذاری انرژی الکتریکی در شرایط آب و هوایی گرم

لازم به ذکر است که در روش قیمت گذاری نرخ ثابت، برنامه ریزی تجهیزات الکتریکی قابل کنترل تنها با در نظر گرفتن قید آسایش مشترک انجام می گیرد.

دست یابی به مصرف سالانه و ماهانه صفردر ساختمان های مسکونی در آب و هوای گرم و سرد

شکل (10‏-‏4‏)‏‏ برنامه ریزی وسایل قابل کنترل تحت الگوی Flat

فصل پنجم: نتیجه گیری

مدل پیشنهادی در این مقاله از روشی هوشمند برای مدیریت بهینه انرژی در خانه انرژی صفر استفاده می کند. برای این منظور از یک شاخص ترکیبی که به معنای کاهش بیشتر هزینه ها ضمن ارتقای هرچه بیشتر رفاه و آسایش مشترک می باشد استفاده شده که در قیاس با سایر روش ها و تحت شرایط مختلف کاری و محیطی سبب بهبود هرچه بیشتر سطح رفاه و آسایش و کاهش هزینه های مشترک می شود .نتایج شبیه سازی در شرایط آب و هوایی مختلف نشان داد که عملکرد روش پیشنهادی در شرایط گرم و سرد متفاوت است .در شرایط آب و هوایی گرم با توجه به تاثیر شرایط خارجی نظیر تابش مستقیم و غیر مستقیم خورشید، میزان حرارت ورودی به داخل خانه افزایش یافته که خود سبب تقاضای بیشتر بار سرمایشی و استفاده مضاعف از سیستم سرمایشی جهت حفظ دمای مطلوب می شود. همچنین مشاهده شد که روش پیشنهادی در مقایسه با شرایطی که تنها برنامه ریزی اقتصادی از خانه انرژی صفر مد نظر باشد، سبب افزایش چشمگیر رفاه و آسایش مشترک می شود .از طرفی نشان داده شد که رفتار مشترک تحت الگوهای قیمت گذاری مختلف تغییر می کند.