مقدمه
انرژی بعنوان یکی از مهمترین عوامل تولید و همچنین به عنوان یکی از کاالها و خدمات مورد نیاز در مصرف نهایی از نظراقتصادی دارای اثرات مهمی می باشد و در جهان کنونی و با محدودیت شدید سوخت های فسیلی و افزایش جمعیتی که دنیا با آن روبرو می باشد، یکی از اقداماتی که می تواند شرایط را بهبود بخشد، مصرف صحیح در تمام حوزه های انرژی می باشد.
در این راستا سیستم ها و تجهیزات و تکنولوژی های گوناگونی به وجود آمده اند که در سالیان زیادی در کشورهای دیگر به آن پرداخته و در زندگی روزمره انسان از آن بهره گرفته شده است. یکی از این اقدامات هوشمندسازی ساختمان هاست که شرایط جلوگیری از حجم زیاد اتالف انرژی را به خود اختصاص می دهد. سیستم ها و تجهیزاتی که در این حوزه به کار گرفته می شود میزان دخالت دست و فکر انسان را محدود نموده و با به کارگیری هوش انسانی در تجهیزات و با توجه به مدارهای به کاررفته می تواند زمینه کنترل و مدیریت مصرف انرژی را انجام دهد. اقدامات اصالحی مختلفی ارائه می شود که انسان میتواند با رعایت آنها در مصرف درست برق، آب و گاز و… کمک کند، اما بی درنگ در تمام شرایط و حاالت آن فاکتورها را رعایت نمی نمایند و چندان کمکی به این حوزه نخواهد شد. ساختمانها بخش مهمی از ثروت ملی ما محسوب می شوند. معمارآلمانی آکسل ریتر می گوید: » استفاده از مواد و مصالحی که خصوصیات آنها تحت اثرگرما، نور یا رطوبت تغییر پیدا می کنند موجب انقالبی در معماری خواهند شد. ساختمانهای آینده قادر خواهند بود که رنگ، اندازه و شکل خود را در تبادل با محیط پیرامون تغییر دهند. معماران آینده قادر به طراحی ساختمانهایی خواهند بود که هندسه آنها مطابق با وزن انسان هایی که درون ساختمان هستند تغییر یابند«.
بعد از انقالب صنعتی که فناوری های نوین به صنایع وارد شدند، این روند به طور مداوم ادامه پیدا کرد، بطوری که تمامی اجزای زندگی امروزی انسانها وابسته به فناوری های نوین و برتر است. ورود فناوری های جدید تنها منابع تولیدی را تحت تأثیر قرار ندادند، بلکه این فناوری های نوین و جدید، صنعت ساختمان را نیز تحت تأثیر خود قرار داده است. به طوری که امروزه در بیشتر ساختمانهای ساخته شده گوشه ای از این فناوری ها را استفاده کرده اند)مانند سیستم های اعالن حریق،سیستم های دزدگیر و …(. این فناوری ها عالوه بر آسایش و امنیت و راحتی که برای ساکنان آن فراهم می کند، از مصرف ناخواسته انرژی درساختمان جلوگیری می نماید. این فناوری ها را امروزه به نام ساختمان های هوشمند می شناسند و ساختمان هوشمند، ساختمانی است که به ساکنین آن راحتی، امنیت، آسایش را هدیه می دهد و از اتالف انرژی جلوگیری می کند. هوشمند سازی ساختمان همه بخش های مختلف یک ساختمان را در برمی گیرد: بخش های مکانیکی ساختمانی،کنترل و مدیریت امنیت نور، نگهداری و تعمیرات، شبکه های محلی مدیریت انرژی و … .
تکنولوژی ساختمان هوشمند امکانات متنوع و گسترده ای در اختیار می گذارد که هر شخص نسبت به عالقه و سلیقه خود می تواند از تمامی یا تنها بخشی از آن بهره مند گردد. با کمک این تکنولوژی تمامی وسایل و تجهیزات داخل ساختمان، برحسب خصوصیات محل و نیاز استفاده کنندگان، توسط صفحه ای نمایش داده می شوند و از همانجا قابل کنترل و مدیریت هستند ویژگی منحصر به فرد این تکنولوژی، ایجاد هماهنگی و یکپارچه سازی بین کلیه ی سیستم هایی است که تا کنون بهصورت منفرد استفاده می شده اند و بدین ترتیب در محدوده وسیعی امکان طراحی، نصب و استفاده می دهد. از فواید اصلی این تکنولوژی در کنار ایجاد راحتی و امنیت بیشتر، می توان به صرفه جویی در مصرف انرژی اشاره کرد.
فلسفه اصلی تکنولوژی ساختمان هوشمند بر اساس محوریت بخشیدن به شخص استفاده کننده و نیازهای او پایه ریزی شده،به درخواست های امروز و آینده پاسخی ساده و مناسب می دهد و قابلیت هماهنگ شدن با تکنولوژی بعدی را داراست.در نهایت هدف از معرفی ساختمان هوشمند افزایش آگاهی انسان برای استفاده از اینگونه ساختمانها و رفاه و ارامش بیشتروی می باشد. با استفاده از سیستم هوشمند انسان قدر به کنترل ساختمان محل زندگی خود در فواصل دور و نزدیک بوده وامکان صرفه جویی بیشتر در مصرف انواع انرژی های مورد استفاده انسان مانند گاز، برق و استفاده از سایر انرژی های طبیعی مانند انرژی خورشید را برای وی امکان پذیر می سازد.
تعریف هوشمندی
کلمات ( Adaptive )سازگار، (Sensitive )حساس، (Smart )باهوش همه برای ساختارها ومصالحی به کارمی روند که که شامل حسگرها ومحرک ها(Actuator )،بوده وتوانایی سازگاری اتحریکات محیطی مانندبارهاوتحریکات خارجی رادارند.
معماری هوشمند پویا است: پویایی به این معناست که پارامترهای عملکردی اصلی خود را با توجه به تقاضا ونیازهای شرایط متغیر و پویا تغییرمی دهد.سامانه هوشمند سامانه ای است که قادربه تجربه اندوزی واستفاده ازاین تجربیات درشرایط جدیداست که با استفاده ازاین ویژگی پویایی و خودسازماندهی سامانه تضمین می شود. ویژگی های اصلی معماری هوشمند به شرح زیراست:
.1 پویایی وفعال بودن
.2 انعطاف پذیری وسازگاربامحیط
.3 واکنش پذیری وپاینده بودن
مصالح هوشمند با سیستم هوشمند متفاوت است.مصالح هوشمند اغلب جزیی کوچک اماحیاتی ازیک سیستم هوشمندهستند.
سیستم هوشمند مجموعه ای ازافراد و مصالح هوشمند وعملکردهای چندمنظوره آنها است.سازه های هوشمند به سادگی یا ازمصالح هوشمند ساخته می شوند یا از مجموعه ای ازمحرک ها، حسگرها وهوش نرم افزاری ایجاد می شوند.
ضرورت معماری هوشمند
امروزه با پیشرفت انسان در زمینه های علم و تکنولوژی های جدید اثر خود را در همه زمینه های زندگی انسان بر جای گذاشته اند. از طرفی به دلیل کمبود منابع و انرژی های مورد نیاز لزوم استفاده بهینه از منابع طبیعی الزم می باشد. معماری هوشمند با مدیریت استفاده بهینه از منابع و تنظیم شرایط محیط زندگی، آسایش محیطی را برای انسان به وجود می آورد.
ساختمان هوشمند
ساختمانها خود گونه ای از تکنولوژی هستند که خود را با تکنولوژی های جدیدتر وفق می دهند و از آن بهره می گیرند .اگرچه ابداع و نوآوری در ساختمانها است اما به این معنی نیست که لزوما تبادل اطالعات در ساختمان موجب می شود آن را هوشمند بنامیم. ساختمان هوشمند باید با محیط سازگاری داشته باشد. ایده اصلی یک ساختمان هوشمند ارتباط و یکپارچگی میان دسترسی ها، نوردهی ، امنیت ، نظارت ، مدیریت و ارتباط از راه دور می باشد. ساختمان هوشمند به عنوان یک رابط بین کاربر و محیط اطراف یا به عبارتی بین خواسته های کاربران و محیط زیست قرار دارد که با رفتار هوشمندانه استفاده بهینه ازمحیط و منابع را امکان پذیر میکند. در واقع یک بنای هوشمند بنایی است ک کارایی و راندمان ساکنانش را افزایش داده وامکان مدیریت موثر را بر اساس مقتضیات خاص و با کمترین هزینه فراهم آورد.
تعریفی که در ایالت متحده آمریکا درباره یک ساختمان هوشمند عنوان می شود این چنین است :
ساختمان هوشمند
ساختمانی است که در بر دارنده محیطی پویا و مقرون به صرفه به وسیله یکپارچه کردن چهار عنصر اصلی یعنی سیستم ها،ساختار، سرویس ها و مدیریت و رابطه میان آنها می باشد.معماری هوشمند نه تنها خود را با شرایط محیطی بیرون و درون ساختمان وفق می دهد بلکه با شرایط اجتماعی ، سیاسی ،تاریخی نیز همراه می شود.
اغلب ساختمانهای هوشمند سه ویژگی مهم دارند:
.1 کنترل خودکار
.2 تلفیق تنظیمات انجام شده و بازخورد آن
.3 توانایی یادگیری و تنظیم عملکرد براساس تغییرات محیطی و کسانی که از آن بهره می برند.
هوشمند سازی ساختمان
سیستم مدیریت هوشمند با استفاده از فناوری های کنترلی و مدیریت منابع، کنترل یک ساختمان را بسته به نوع کاربری آن) مسکونی ، اداری ، تجاری ، …) در دست می گیرد. استفاده از سیستم مدیریت هوشمند باعث می شود تا تاثیر عواملی مانندخطای نیروی انسانی ، میزان پیش آمد های خارج از کنترل و سوانح کاهش پیدا کرده و باعث افزایش اطمینان از عملکردصحیح تاسیسات و تجهیزات ساختمان و بهبود امنیت ساختمان می شود.
کارکرد سیستم های مختلف جانبی مانند سیستم های خورشیدی، سیستم های تولید برق و … که دارای سیستم های کنترل جداگانه می باشند از طریق برقراری ارتباط سیستم مورد نظر با سیستم مدیریت مرکزی قابلیت تعریف در سیستم مرکزی وکنترل آنها وجود دارد.
در تعریف کلی هوشمند سازی تاسیسات می توان این چنین شرح نمود که ساختمانی که تمامی تجهیزات و المان های وابسته، دارای قابلیت کنترل و برنامه ریزی بوده و بتوان در تعامل با یکدیگر با منطق تعریف شده به طور یکپارچه از آن بهره برداری نمود.
اهداف مدیریت هوشمند
از اهداف سیستم مدیریت هوشمند ساختمان می توان به موارد زیر اشاره کرد :
- ایجاد محیطی مطلوب برای افراد حاضر در ساختمان
- استفاده بهینه از تجهیزات و افزایش عمر مفید آنها
- ارائه سیستم های کنترلی با قابلیت برنامه ریزی زمانی عملکرد
- کاهش چشم گیر هزینه های مربوط به نگهداری و بهینه سازی و صرفه جویی در مصرف انرژی
- عدم نیاز به پیمانکاران دائمی ساختمان
- امکان مانیتورینگ و کنترل تمامی نقاط تحت کنترل از طریق یک PC و یا اینترنت
- باتوجه به یکپارچه سازی ساختمان تمام تجهیزات به صورت هماهنگ کار کرده و امکان تداخل و بروز مشکالت ناشی از عدم هماهنگی از بین می رود.
- امکان رفتن گزارش های آماری از تمامی تجهیزات و عملکرد آنها
وظایف سیستم هوشمند
برخی وظایف سیستم مدیریت هوشمند ساختمان به شرح زیر است:
1. کنترل تاسیسات مکانیکی و الکتریکی
2.کنترل سیستم های روشنایی
3.کنترل تهویه مطبوع
4.سیستم اعالم حریق و کنترل دود
5. کنترل تردد و حفاظت
6. مدیریت آسانسورها در زمانهای خاص
زیر سیستم های قابل کنترل در ساختمانهای هوشمند
برخی زیر سیستم های کنترلی را که در ساختمان های هوشمند قابل استفاده و کنترل هستند به شرح زیر است :
سیستم توزیع دیتا ، سیستم اطفاء حریق، سیستم کنترل شرایط دمایی ، سیستم کنترل روشنایی ، کنترل دسترسی و امنیت ساختمان ، سیستم توزیع تلفنی ، سیستم آنتن مرکزی و توزیع سیگنال ، سیتم آبیاری خودکار ، کنترل تاسیسات استخر،سوناو جکوزی ، آیفون تصویری ، سیستم خبری خطرات احتمالی( زمین لرزه و…)
قابلیت ها و مزایای سیستم های مدیریت هوشمند
.1 افزایش رفاه محیطی و لوکس نمودن ساختمان با مکانیزه کردن سامانه های موجود
.2 پوسته های هوشمند قسمتی از ساختمان های هوشمند را تشکیل می دهند و به عنصر هایی از یک ساختمان اطلاق می شوند که ساختمان را در بر میگیرند . طراحی و اجرای چنین پوسته هایی بیشترین پتانسیل های کنترل کننده محیط های داخلی ساختمان را دارا هستند. این کنترل ها در زمینه های نور ، گرمایش ، سرمایش، صدا و تهویه انجام می شوند.)
3. مواردی که ساختمان های هوشمند توانایی پاسخگویی به آن را دارد شامل موارد زیر است :
I. توانایی ایجاد تغییرات در آب و هوای خارج از ساختمان نظیر تغییر دما، رطوبت ، سطح روشنایی و …
II. توانایی ایجاد تغییرات در آب و هوای داخل ساختمان نظیر جذب دما در هنگام افزایش ساکنین ،تجهیزات و …
III. ایجاد تغییرات برحسب موارد مورد نیاز ، تغییر در نوع کاربری ، تغییر برحسب نیاز ساکنین و …
.4 بهینه سازی مصرف انرژی با بهره برداری بهینه از انواع سوخت و جلوگیری از اتالف منابع تجدید ناپذیر و ارتقاء کارایی مدیریت انرژی
.5 کنترل سیستم های روشنایی
.6 کنترل تهویه مطبوع و سیستم های گرمایشی و سرمایشی
7. اعمال مدیریت در سیستم های حفاظتی و ایمنی
I. سیستم کنترل گاز و دود
II. سیستم اعلام و اطفاء حریق
8. تسهیل امور نظارتی و سرپرستی در ساختمان مانند کنترل تردد ، دوربین مداربسته ، اطلاع کامل از ساختمان ، کنترل سیستم صوتی و تصویری و آنتن مرکزی و توزیع سیگنال ، آیفون تصویری ، سیستم آبیاری خودکار و …
9. تبادل اطالعات و داده ها در سطح ساختمان
10.کاهش هزینه های شارژ و نگهداری
11. کاهش نیروی انسانی درگیر در ساختمان و خطاهای ناشی از عملکرد آنها
12. افزایش عمر مفید تجیزات به کار رفته در ساختمان از طریق بکار گیری بهینه آنها
13.کنترل در ، پنجره ، پره ، کرکره و سایبان
14. کنترل وسایل الکتریکی ساختمان
15.کنترل از راه دور ساختمان با استفاده از SMS ، تلفن گویا و اینترنت
نحوه عملکرد سیستم های هوشمند
1. ورودی سیستم که وظیفه دریافت اطالعات رابه وسیله ابزارهای دریافت کننده برعهده دارد.سیستم های ورودی
شامل:
I. حسگرها
II. بایگانی اطالعات و روجوع مجدد
III. برنامه ریزی دستی
IV. اینترنت
.2 پردازش و تحلیل داده های اطالعاتی
.3 خروجی سیستم در مواجهه با اطالعات دریافت شده توسط ورودی، پس ار پردازش آنها تصمیمات الزم را اتخاذ می کند.
.4 مالحظات زمانی موجب می شوند تصمیمات اتخاذ شده در زمان مقرر رخ دهند.
چگونگی دسترسی و کنترل امکانات در ساختمانهای هوشمند به قرار زیر است:
.1 صفحه کنترل مرکزی
.2 کنترل با استفاده از امواج رادیویی
.3 کنترل از راه دور
.4 سناریو
.5 اتوماسیون
.6 سیستم مدیریت یکپارچه اطالعات (MIS)
.7 سیستم شبکه گسترده اطالعات(WAN)
.8 سیستم توزیع برق اضطراری (GPS,UPS)
.9 سیستم های اخباری خطرات احتمالی)سیستم لرزه (
.11 یکپارچه سازی زیر سیستم های کنترلی
BMS چیست؟
سامانه مدیریت یکپارچه و هوشمند ساختمان(Syetem Management Building = BMS)، به مجموعه سخت افزار ونرم افزارهایی اطالق می شود که به منظور پایش و کنترل یکپارچه قسمت های مهم و حیاتی ساختمان نصب می شود. وظیفه این مجموعه، پایش مداوم بخش های مختلف ساختمان و اعمال فرامین به آنها به نحوی است که عملکرد اجزای مختلف ساختمان متعادل با یکدیگر و در شرایط بهینه و با هدف کاهش مصارف ناخواسته و تخصیص منابع انرژی فقط به فضاهای درحین بهره برداری باشد.
BMS می تواند در بر گیرنده تمام سرویس های الکتریکی ، مکانیکی و حفاظتی ساختمان باشد. این سرویس ها شامل گرمایش ، سرمایش ، تهویه مطبوع ، آسانسور ، نیروگاه برق اضطراری ، پله برقی ، کنترل روشنایی ، دوربین مداربسته ، اعلام و اطفای حریق ، کنترل تردد و … هستند.
زیر سامانه های به کار رفته در BMS
این زیر سامانه ها عبارتند از:
.0 سامانه کنترل روشنایی(Control Lighting )
.2 سامانه کنترل دسترسی (Control Access)
.9 سامانه درب های کنترلی (Less Key)
.4 سامانه کنترل تردد
.5 سامانه کنترل دما(HVAC)
.6 سامانه تلویزیون مدار بسته(TV CC)
.1 سامانه اعالم حریق آدرس پذیر(FAS)
.1 سامانه اطفاء حریق
.3 سامانه توزیع تلفنی (TEL)
.01 سامانه آنتن مرکزی و توزیع سیگنال IF ، RF( SMATV )
.00 سامانه توزیع برق اضطراری(UPS , GPS)
.02 سامانه اعالم خطرات احتمالی ( سامانه لرزه)
.09 سامانه کنترل مرکزی
مصالح و فراورده های نوین
مصالحی که در ذیل به توضیح آنها می پردازیم ؛ مصالح و مواد خامی هستند که دارای پتانسیل های خاص و کاربردی درزمینه معماری و ساخت و ساز می باشند. این فهرست با توجه به ویژگی ها ، ساختار و خصوصیات درونی این مواد تهیه شده است .
.1 مصالح بازیافتی : این مصالح اساسا از مواد دست دوم و زباله های تمیز، تهیه می شوند . برای تهیه مصالح بازیافتی، قسمت های ارزشمند مصالح دست دوم مورد استفاده قرار می گیرد ولی به هر حال فرآورده حاصله معموال کیفیت پایین تری نسبت به مصالح اصلی دارد .امروزه استفاده از مصالح بازیافتی با توجه به اصول معماری پایدار بسیار مورد توجه قرار گرفته است. تصاویر0و2 نمونه های استفاده از این مصالح ر ا در یک پروژه مسکونی در کشور ژاپن نشان میدهد .
تصاویر 0و:2کاشی های بازیافت شده از شیشه و متریال های زائد
مجموعه مسکونی میساوا، ژاپن – نخستین نمونه جهانی ساختمانهای صفر -انرژی
.2 مصالح تجزیه پذیر زیستی : ترکیبات تشکیل دهنده این مصالح به گونه ای است که پس از پا یان عمرو مدفون شدن در زیر خاک به طور کلی توسط جانوران میکروسکوپی موجود در خاک تجزیه می شوند .بنابراین تهدیدی برای آلودگی محیط زیست محسوب نمیشوند.
.3 زیست مواد : شامل پالستیک ها و مصالح دیگری است که از منابع تجدیدپذیر ساخته می شوند . تحقیقی که در حال حاضر بر روی این مواد بسیارمورد توجه است، استفاده از باکتری خاصی است که مصرف می کند و قادر به متالشی نمودن گاز 2CO این پالستیک هاست.
.4 مصالح تغییر ناپذیر : مصالحی هستند که تاثیرات فیزیکی و شیمیایی بر آنها اثر ندارد . مثالی ازاین نوع مصالح، آلیاژ فوالد می باشد
.5 مصالح هوشمند : این مصالح که بحث اصلی مقاله پیش رو هستند، مواد و فرآورده هایی هستند که خاصیت تغییرپذیری دارند و قادرند مشخصه های ظاهری و یا درونی خود را در پاسخ به تاثیرات فیزیکی و شیمیایی به صورت برگشت پذیر تغییر دهند.
.6 مصالح هیبرید یا پیوندی : این مصالح با تلفیق حداقل دو ترکیب متفاوت ساخته می شوند .مثل تلفیق ترکیبات طبیعی و مصنوعی.
.7 مصالح با ساختار فسیل واره : نوعی مصالح مرکب با الیه های ملحق شده تدریجی می باشند. این مصالح نتیجه یک تغییر پیوسته در ویژگی های مصالح است . مثالی از این نوع مصالح نفت خام می باشد که از قرار گرفتن الیه های متعدد در طول سالیان متمادی ایجاد میشود.
.8 نانو متریال )مصالح نانو(: مصالحی هستند که از موادی با مقیاس نانو )یک میلیاردم ( ساخته می شوند ونقاط اشتراک زیادی با مصالح هوشمند دارند . مواد با ساختار نانو به عنوان پوشش نهایی در ساخت فرآورده ها به کار میروند. به عنوان مثال درپوششهای هوشمند ضد خوردگی، تصفیه کننده هوا، تمیز کننده سطوح و پوشش های زیست فعال کاربرد دارند)تصاویر9و 4
-3 تصاویر 3و4 : مصالح نانو مقیاس یك میلیاردم
مصالح هوشمند
مصالح هوشمنداصطالحی جدید برای مصالح و فراورده هایی است که به شرایط و رویداد های محیطی واکنش نشان می دهند.به عبارت دیگر این مصالح قابلیت تغییر پذیری داشته و قادرند شکل، فرم ، رنگ و انرژی درونی خود را به طرز برگشت پذیردرپاسخ به تاثیرات فیزیکی یا شیمیایی محیط اطراف تغییر دهند. اگر مصالح را به سه گروه مصالح غیرهوشمند ، نیمه هوشمند و هوشمند طبقه بندی کنیم ، گروه اول یعنی مصالح غیر هوشمند ویژگی خاص باال را ندارند . نیمه هوشمند ها تنها قادرند در پاسخ به تاثیرات محیط شکل و فرم خود را برای یک بار یا مدت زمان اندکی تغییر دهند اما در مصالح هوشمند این تغییرات تکرار پذیر و قابل برگشت خواهد بود.
مصالح هوشمند تحت عنوان مصالح ” انعطاف پذیر ” و ” تطبیق پذیر ” نیز شناخته می شوند و این به دلیل ویژگی خاص آنها در تنظیم نمودن خود با شرایط می باشد .
متغیرهای تاثیر گذار ششیمیایی و فیزیکی که در زیر معرفی شده اند ، محرک هایی هستند که مصالح هوشمند در برابر آنها از خود عکس العمل نشان می دهند:
.1 نور اشعه UV: بخش فرابنفش ومرئی اشعه الکترو مغناطیسی
.2 دما : تغییرات دمایی که یک سیستم فیزیکی مثل بدن انسان ایجاد می نماید
.3 فشار : اختالف فشار ایجاد شده در یک ناحیه
.4 میدان الکتریکی : میدان ایجاد شده پیرامون یک بار الکتریکی
.5 میدان مغناطیسی : میدان ایجاد شده پیرامون یک آهنربا یا یک بار الکتریکی متحرک
.6 محیط شیمیایی : حضور یک عنصر یا ترکیب شیمیایی خاص مثل آب
طبقه بندی مصالح هوشمند
به طور کلی مصالح ساختمانی موجود اعم از سنتی ، طبیعی و مصنوعی با توجه به خصوصیات آنها از جمله نمود ظاهری ،بافت ، ترکیب شیمیایی ، خواص مکانیکی و فیزیکی ، اثر محیطی و … طبقه بندی می شوند. اما در طبقه بندی مصالح هوشمند عالوه بر در نظر داشتن مشخصه های فوق خواص دیگری که به طور ویژه به تمیز دادن مصالح هوشمند از مصالح سنتی مربوط می شوند نیز لحاظ شده است. درواقع طبقه بندی پیشنهادی مصالح هوشمند بر پایه سه خاصیت زیر ارائه شده اند .
.0 مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر خواص درونی :
I. مصالح هوشمند تغییر شکل دهنده
II. مصالح هوشمند تغییر رنگ دهنده
III. مصالح هوشمند تغییر پیوند دهنده
.2 مصالح هوشمند دارای قابلیت مبادله انرژی:
I. مصالح هوشمند ساطع کننده نور
II. مصالح هوشمند تولید کننده الکتریسیته
III. مصالح هوشمند ذخیره کننده انرژی
.3 مصالح هوشمند دارای قابلیت تغییر و مبادله مواد درونی
اما آنچه که در سیستم طبقه بندی مصالح هوشمند اهمیت دارد این است که با توجه به مباحث مطرح در زمینه توسعه پایدارکه دغدغه اصلی قرن پیش رو است ، هریک از این مصالح چه عملکردهایی از لحاظ تعامل با محیط زیست ، دوام و پایداری ،امکان بازیافت مجدد ، زیبایی و مطلوبیت و … دارد.
صرفه جویی در انرژی
سیستم های هوشمند بر تمام ساختمان با کمترین هزینه انسانی کنترل دارند. سیستم های هوشمند 91 الی 41 درصد درمصرف انرژی صرفه جویی می کنند. ABB در زمینه صرفه جویی انرژی تحقیقاتی کرده که نتایج آن به صورت ذیل است :
تحقیقات بر روی ساختمان های هوشمند
انسانها در بدو پیدایش در آرزوی مکانی امن و مطمئن برای زندگی بوده اند و برای رسیدن به این آمال هیچوقت دست ازتالش و تحقیق بر نداشته اند. حال در هزاره سوم و عصر ارتباطات و کامپیوتر تنها ساختمانهای هوشمند هستند که به این خواسته جامه عمل می پوشاند. ساختمان هوشمند با Energy Saving در کاهش هزینه های ساختمان کمک شایانی می کند. آمارها نشان میدهد در سال 2111 میزان اتالف انرژی در یک ساختمان سنتی 93211 کالری بوده است که در یک ساختمان هوشمند نزدیک به نصف این مقدار است . در جهت کاهش هزینه های صنعت ساختمان و استفاده بهینه از تکنولوژی و بکار گیری فناوری ارتباطات و رایانه عملکرد سیستم های مدیریت و اتوماسیون ساختمان چشمگیر تر می گردند که در مجموع صرفه جویی انرژی را در بر خواهد داشت به طوریکه صرفه جویی های ناشی از بکارگیری این سیستم ها درمدت زمان کوتاهی موجب جبران هزینه های مربوطه می شود . سیستم های کنترل هوشمند دارای انعطاف باالیی خواهند بودکه میتوان به راحتی آنها را با نیازهای مختلف منطبق نمود. همچنین در هنگام بهره برداری به راحتی میتوان عملیات تغییر وبهینه سازی برای راهبری بهتر و کاهش هزینه های انرژی و کاهش هزینه های تعمیراتی را انجام داد. یک ساختمان هوشمندبنا به تعریف انستیتو ساختمان های هوشمند بنایی است که با استفاده بهینه از چند عنصر پایه : سازه و سیستم و خدمات ومدیریت و روابط درونی آنها ، محیطی مناسب و دارای صرفه اقتصادی ایجاد نماید. در ساختمان هوشمند بسیاری از اعمالی که ساکنان از روی عادت و به صورت غیر ارادی انجام می دهند توسط سیستم های هوشمند انجام می گردد که باعث صرفه جویی در زمان و هزینه نیروی انسانی می گردد. با به کار گیری انواع و اقسام سنسور های حسی در داخل و خارج ساختمان وبا به کار گیری یک شبکه و سیستم واحد میتوان به صورت دائمی و بالدرنگ اطلاعات دما، فشار ، رطوبت ، دبی هوا ، میزان اکسیژن و دی اکسید کربن را در اختیار داشت و از آنها در جهت رسیدن به شرایط ایده آل استفاده کرد. در یک ساختمان هوشمند با امکانات نرم افزاری به وجود آمده می توان نمودارهای مختلفی را برحسب زمان در اختیار داشت و از آنها در جهت بهبود کیفی شرایط زیستی و حداکثر استفاده از هوای طبیعی را برای ساکنین به وجود آورد . در زمان کارکرد سیستم هوشمند ساکنان در جهت صرفه جویی مصرف انرژی حق باز کردن پنجره ها را نخواهند داشت و در ساختمانهای اداری قبل از اتمام ساعت کار این سیستم به صورت اتوماتیک و متناوب شروع به خاموش کردن سیستم های تهویه مطبوع می کند. در یک ساختمان هوشمند با امکانات به وجود آمده می توان در هر زمان میزان مصرف انرژی بر پایه مصرف انرژی سوخت و برق را بدست آورد و از آن در جهت کاهش مصرف انرژی و بهینه سازی مصرف سوخت در ساختمان ) مبحث نوزدهم – مقررات ملی ساختمان ( بهره برد. بیشترین مصرف انرژی در ساختمان توسط سیستم روشنایی بوجود می آید که با هوشمند سازی این سیستم می توان از اتالف انرژی تا حد زیادی جلوگیری کرد که این عمل با ترکیب روشنایی روز و روشنایی مصنوعی به بهترین نحو و خاموش کردن چراغ ها در زمان بدون مصرف به وجود می آید . سیستم های مدرن مدیریت ساختمان امروزه برپایه وب – Base Web – نگاشته می شوند که بزرگترین حسن آن در به کار گیری امتیازات شبکه جهانی اینترنت و کنترل ساختمان از راه دور توسط سیستم های ارتباطی متداول در دنیا است به این صورت که با راه اندازی سایت ساختمان مورد نظرو با وارد کردن شناسه کاربری و رمز عبور می توان از هر مکانی بر ساختمان احاطه داشت. در این گونه ساختمانها میتوان با نصب تابلوهای نمایشگر الکترونیکی در مکانهای خاص ساختمان و نمایش دادن اطالعات مختلف از سیستم های کنترلی ساختمان ، زندگی را برای ساکنین لذت بخش کرد.
ضرورت بهینه سازی در مصرف انرژی
علاوه بر بار اقتصادی عوامل دیگری موجب ضرورت بهینه سازی مصرف انرژی می شوند . این عوامل عبارتند از :
- باال بودن رشد جمعیت و نیاز به تقاضای بیشتر انرژی
- محدودیت منابع انرژی به دلیل تهدید ناپذیر بودن آنها
- رشد باالی مصرف انرژی به دلیل الگوی ناصحیح مصرف انرژی
- عدم وجود سیستم بازیافت انرژی
- وجود صنایع و کارخانجات فرسوده
- متکی بودن اقتصاد ملی به درآمدهای نفتی
- افزایش گازهای گلخانه ای و باران های اسیدی
ساختمان های صفر انرژی(ZEH )
تعریف ساختمانهای صفر انرژی از نظر دپارتمان انرژی آمریکا (DOE ): ” ساختمانهایی که در آنها از طریق به کار گیری تکنولوژی تجدید پذیر ، میان مصرف و تولید انرژی تعادل برقرار می گردد. بر طبق تعریف DOE انرژی صفر از لحاظ ظاهرهیچ گونه تفاوتی با ساختمان های معمولی ندارد .)فیروزی و همکاران0932،( صفر انرژی ساختمانی است که بسیار کارا بوده و انرژی خود را خود تولید می نماید و در طول یکسال به اندازه مصرف انرژی ، انرژی تولید می کند . ساختمانهای انرژی صفر دو جهت گیری مشخص دارند .
.1 کاهش نیاز به انرژی
.2 تولید انرژی از منابع قابل بازیافت
نکات مربوط به ساختمان صفر انرژی
.1 مصرف انرژی صفر نیست
.2 این ساختمانها بی نیاز از وسایل رفاهی نیستند
.9 صفر انرژی به معنای جیره بندی انرژی نیست
.4 انرژی در این ساختمانها نامتناهی است
اصول طراحی ساختمانهای صفر انرژی
اصل کلی در طراحی این ساختمانها بر کاهش هرچه بیشتر مصرف انرژی می باشد . انجمن خانه های صفر انرژی کانادا دو راهکار کلی برای طراحی این خانه ها ارائه می دهد:
1. طراحی مناسب ساختارو فیزیک بنا که با رعایت اصول آن کاهش 11 درصدی مصرف انرژی را شاهد هستیم.
2. استفاده از منابع انرژی های تجدید پذیری مانند انرژی خورشیدی ، باد ، زیست سوخت . این امر با به کار گیری تکنولوژی های برگشت پذیر در این خانه ها میسر می گردد .
نمونه های موردی ساختمانهای صفر انرژی
1. احداث شهر افقی خورشیدی در ایتالیا
سه گروه معماری و طراحی صنعت ساختمان با نامهای OFF ، PRو Nageotte Samuel ایتالیا اقدام به طراحی شهر افقی خورشیدی کرده است که سیستم مصرفی انرژی این شهر با استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر چون سلولهای خورشیدی و انرژی باد کردهاند که توانسته نقش عمدهای را در ارایه فناوریهای نوین سبز در صنعت ساختمان سازی جهان ایفا کند.
البته باید خاطرنشان ساخت که شهر نامبرده به اتوبان خورشیدی نیز شناخته شده است، چرا که این شهر کامالً به صورت یک اتوبان و پل پایه دار طراحی شده که شهروندان از طریق عبور از سطح خارجی این پل افقی رفت و آمد کرده و پایه های آن را نیز به عنوان محل سکونت برگزیده اند.
.2 جزیره یZira ، شهری با تبادل انرژی صفر
جزیره زیرا توسط گروه معماری BIG در دریای خزر و در خلیج باکو در کشور آذربایجان اجرا شده است.
ویژگی های این طرح، برداشتی از خورشید، باد و آب است .
جزیره زیرا، شهری تفریحی است که شامل هفت قله می باشد. در این جزیره، میزان تبادل انرژی، صفر می باشد و مدلی بسیار سازگار با محیط زیست و همچنین الگوهای توسعه شهری است. فرم کوه ها نقش بسیارمهمی در اکوسیستم منطقه ایفا خواهند کرد. سیستم گرمایش و سرمایش در این جزیره از طریق پمپ های متصل به دریای خزر انجام می گیرد .همچنین سلول های فتوولتائیک در پشت بام ها و نمای ساختمان ها استفاده شده است.
3. برج های 95 متری الله ای و تولید انرژی الکتریکی
هر روز ایده های جدیدی برای تولید انرژی از خورشید وارد می شود. در این پروژه، شرکتی به نام AORA دراسپانیا یک طرح قدیمی را نوسازی کرده و از آن جهت تامین انرژی الکتریکی استفاده می کند. در این روش،نور خورشید به دام انداخته شده و از گرمای آن استفاده می شود. 50 عدد آینه قرار است انرژی نور خورشید را به سمت یک برج الله ای شکل با ارتفاع 95 متر بازتاب کنند.
آینه ها در طول روز خورشید را ردیابی کرده و نور را دقیقا روی برج متمرکز می کنند. در مرکز این برج اشعه های متمرکز شده دمای هوای موجود در آن فضا را گرم می کند. این هوا فشرده می شود و می تواند گرمایی تا 0111 درجه سانتیگراد تولید کند.
سپس این هوای فوق العاده گرم به سمت لوله هایی هدایت و در آنجا جهت تامین انرژی مورد نیاز برای گردش یک توربین و در نهایت تولید انرژی الکتریکی استفاده می شود.
.4 تولید برق با استفاده از انرژی امواج دریا
یکی از این نیروگاه ها که درالرانس فرانسه واقع می باشد که در سال 0366 شروع به کار نموده است. این نیروگاه برقی در حدود 241 مگا وات را برای 241111 خانه تامین می کند . میزان برق تولیدی این نیروگاه برابر یک پنجم برق تولیدی یک نیروگاه فسیلی یا هسته ای و 01 برابر برق تولیدی دومین نیروگاه بزرگ جزر ومدی جهان در آناپولیس کانادا است که حدود 01 مگاوات برق تولید می کند.
.5 شهر مصدر، نخستین شهر با انرژی های تجدید پذیر
شهر مصدر در 01 کیلومتری ابوظبی، پایتخت امارات متحده عربی و در بیابان ساخته میشود، در منطقه ای که نسبت به سایر مناطق امارات دمایی مطلوب دارد .در زمستان اختالف دمای این شهر با سایر مناطق مشهود نیست، اما در تابستان دمای این منطقه با دیگر مناطق امارات تفاوتی قابل ملاحظه دارد.
شهر مصدر در جهتی ساخته شده که وزش بادهای داغ در روز به حد اقل برسد. در اطراف شهر هم دیواری کشیده شده تا از ساکنان در برابر بادهای شدید و داغ و سر و صدای اطراف محافظت شود.
برج های بادی “مصدر سیتی” بادهای خنک اطراف را گرفته و وارد ساختمانها میکنند. در ساختمانها موارد حفاظتی ضخیمی علیه گرما در نظر گرفته شده است. پنجره ها به شیشه هایی مجهزند که کمترین گرما را عبور میدهند. خانه ها انرژی خود را انرژی خورشیدی تأمین میکنند و در آنها با بهرهگیری از دستگاههای دارای فناوری پیشرفته تالش شده تا هدررفت انرژی به کمترین میزان ممکن برسد.
در ساختمانهای مصدر از باالترین استانداردهای مربوط به ذخیره آب استفاده شده است. حدود 11 درصد از آب مصرفی بازیافت میشود و آب زاید نیز بعد از پاکسازی صرف اهدافی نظیر آبیاری خواهد شد.
فیزیك ساختمانهای صفر انرژی
اصول مطرح شده برای کاهش مصرف انرژی :
.1 شکل کلی بنا تا حد امکان مربع و مستطیل به نحوی که دارای حداقل گوشه و دیوار های محیطی باشد
.2 حداکثر تعداد پنجره در جبهه جنوبی و حداقل تعداد در جبهه شمالی
.3 تعداد بازشو های خارجی در حداقل
تکنولوژی های ساختمان صفر انرژی
باتوجه به نوع ساختمان تعداد و نوع استفاده از تکنولوژی ها تعیین می شود. در این ساختمانها از ترکیب تکنولوژی ها استفاده می شود و متکی بر نوع خاصی نیستند. تکنولوژی های مطرح در ساختمانهای صفر انرژی به شرح زیر است :
- فوتوولتیک (PV )که در دو نوع کریستالین و آمورف قابلیت استفاده دارند
- باد انرژی (Micro Wind-Turbine)
- زیست سوخت
- گرمایش خورشیدی که به دو صورت Flat و لوله ای انجام پذیر است
- استفاده از سامانه های ایستای خورشیدی که متداول ترین آنها گلخانه خورشیدی است.
نتیجه گیری
باتوجه به افزایش روزافزون جمعیت و به تبع آن استفاده بی رویه از منابع انرژی تجدید ناپذیر، لزوم صرفه جویی در مصرف انرژی ، نقش سیستم های مدیریت هوشمند (BMS )را در زندگی امروزه و آینده انسان بسیار پررنگ کرده است. از طرفی تکنولوژی با این فلسفه گسترش یافته تا زندگی راحتی را با کمترین هزینه برای انسان فراهم کند . ساختمان هوشمند بنای است که کارایی و راندمان ساکنانش را افزایش داده و امکان مدریت موثر و خودکار ساختمان را براساس مقتضیات خاص و با صرفه اقتصادی فراهم کند. با پیشرفت فناوری ارتباطات ، مخابرات ، رایانه و با استفاده از سیستم های هوشمند و کاهش هزینه استفاده از این سیستم ها به طور موازی و همزمان قادر خواهیم بود که مدیریت و کنترل ساختمان را بر عهده بگیریم به عبارت دیگر با استفاده صحیح یک سیستم هوشمند بهره وری از ساختمان افزایش یافته و هزینه ها کاهش می یابد و درمصرف انرژی تا 41 درصد صرفه جویی خواهد شد به گونه ای که با صرفه جویی ناشی از به کار گیری این سیستم ها در مدت زمان کوتاهی و در حد کالن هدر رفت انرژی بسیار کاهش خواهد یافت. ساختمان های هوشمند تلفیقی از اجزا و مصالح هوشمند و عملکرد چند منظوره آنها هستند. استفاده از مصالح هوشمند عمر ساختمان را از 51 به 011 سال افزایش داده و سبب صرفه جویی در هزینه های نگهداری آن می شود. ساختمان های صفر انرژی )ZEH )، با این فلسفه شکل گرفت که از یک سو نیاز انسان به انرژی به صورت روز افزون افزایش می یابد و از سوی دیگر نیاز است تا مصرف سوخت های فسیلی وغیرقابل بازیافت و آلودگی ناشی از آنها کاهش یابد. به عبارتی ” صفر انرژی” امکان زندگی و فعالیت را در فضایی فراهم میکند که از مصرف سوخت های فسیلی بی نیاز است را پیشنهاد می کند. این ساختمان ها براساس میزان نیاز خود به انرژی در طول سال اقدام به تولید انرژی می کند . مصالح استفاده شده در این ساختمان ها هوشمند بوده و از منابع تجدید پذیر تهیه می شوند. این مصالح به طور تقریبی توان پایان ناپذیری دارند ، آنها می توانند نسبت به محیط اطراف خود چنان واکنش دهند که مصالح طبیعی قادر به آن نیستند. مصالح هوشمند قادرند تحولی مثبت در معماری ، ساخت و ساز و روش زندگی ایجاد کنند : مثل دیواری که در هنگام نشت گاز یا اتصال الکتریکی در خانه ، هشدار می دهد . این مصالح طبق دستورات برنامه ریزی شده برای آنها می توانند تغییر رنگ دهند ، الکتریسیته تولید کنند و همچنین با استفاده از این مصالح می توان در مصرف انرژی صرفه جویی کرده و همچنین مصالح هوشمند به طور مستقیم یا غیر مستقیم انرژی مورد نیاز خود را از محیط پیرامون میگیرند. در نتیجه این مصالح قادرند تقاضا برای منابع انرژی های گران قیمت و استفاده از متریال های خام را تعدیل کنند. در پایان الزام به ذکر است که این تکنولوژی در ایران هنوز نتوانسته به طور موثر نقش ایفا کند، که دلیل آن عدم آکاهی مردم و قیمت باالی نصب و اجرای سیستم های هوشمند می باشد . امید است این تکنولوژی جدید بتواند به عنوان یک فناوری قوی و پویا در زندگی انسانها نقش خود را به بهترین شکل ایفا کند.
