همچنین مصرف انرژی برای برقراری شرایط آسایش در ساختمان‌ها، سهم بسزایی را به خود اختصاص داده است. از آنجایی که مصرف انرژی در ساختمان‌های کشور به عنوان یک بخش غیر مولد، بیشترین سهم را در بین کلیه بخش‌های مصرف، به خود اختصاص داده است، بررسی راه‌های کاهش مصرف انرژی و یا ذخیره آن در ساختمان‌ها ضروری است. لذا قبل از هر کاری باید میزان انرژی مصرفی در بنا سنجیده شود که مهم‌ترین و بهترین راه‌های بررسی آن استفاده از برنامه‌های شبیهسازی انرژی است.
رویکردها و راهبردهای کاهش مقدار مصرف انرژی در ساختمان، در دو بخش اصلی طراحی ساختمان‌های انرژی کارا و بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان‌های موجود، قابل بررسی است. با ظهور فناوری‌های مختلف، پیچیدگی و هزینه‌های اجرایی نیز افزایش‌یافته و تصمیم‌گیری در رابطه با انتخاب بهینه‌ترین راهکارهای کاهش مصرف انرژی در ساختمان‌ها اهمیت بیشتري پیدا میکند. از سویی، تعامل بین عناصر طراحی، اقلیم، کاربران، سیستمهای سرمایش، گرمایش، تهویه و روشنایی بسیار پیچیده است و تنها با استفاده از نرم‌افزار های شبیهسازی همه عوامل درگیر در کارایی انرژی ساختمان قابل بررسی است.
به همین دلیل، استفاده از برنامه‌های شبیهسازی مصرف انرژی ساختمان، به‌عنوان ابزار تجزیه و تحلیل عملکرد حرارتی و بصری ساختمان‌ها از ابتدای دهه هفتاد میلادی آغاز شد و به مرور بسیار گسترش یافت. با استفاده از شبیهسازی انرژی در فرایند طراحی، امکان ارزیابی تمامی گزینه‌ها و تصمیمات مختلف طراحی به روش‌های نسبتاً یکپارچه امکان‌پذیر است. ازاین‌رو، نرمافزارهای شبیهسازی انرژی متعددی با قابلیت‌های مختلف از ساده تا پیشرفته و نیز با سطح دقت متفاوت طی سال‌های اخیر توسعه یافته‌اند و استفاده از آنها رایج شده است.
بررسی نرم افزارهای شبیهسازی انرژی در ساختمان
علاوه بر نرم افزارهای شبیه سازی که جهت پرزانته به کار می‌روند، در زمینه طراحی پایدار، نیز نرم افزارهایی برای محاسبات انرژی وجود دارند، و آنالیز مباحث مربوط به انرژی، در بخش ساختمان را انجام می دهند. از دهه ۶۰ میلادی که نخستین نرم افزارهای شبیه سازی انرژی تولید شدند تا به امروز توان و کارایی این نرم افزارها در انجام محاسبات پیچیده بیشتر شده است. به طور کلی نرم افزارهاي انرژی و ساختمان را میتوان در چهار مقوله آنالیز حرارتی، سیالات، روشنایی و آکوستیک طبقه‌بندی کرد.
همچنین نرم افزارهای شبیهسازی انرژی ابزاری هستند که برای پیش‌بینی رفتار مصرف انرژی ساختمان متناسب با نحوه تأمین آسایش، در دوره‌ی زمانی یک ساله و با قابلیت گزارش‌دهی‌های متنوع، ایجاد شده‌اند. دانش ساختمان‌سازی امروز در همکاری با متخصصین نرم‌افزار و تکنولوژی اطلاعات، ابزارهای فراوانی با عنوان نرمافزارهای شبیهسازی، برای بررسی عملکرد ساختمان پیش از اجرای آن فراهم آورده است. نرمافزارهای شبیهسازی انرژی از جمله این ابزارها به شمار می‌روند که برای پیش‌بینی رفتار مصرف انرژی ساختمان متناسب با نحوه تأمین آسایش، در دوره زمانی یک ساله و با قابلیت گزارش‌دهی‌های متنوع، ایجاد شده‌اند. سه کارکرد اصلی برای این نوع از ابزارها میتوان متصور شد:
پایه تصمیمات طراحی: برخی از نرمافزارهای شبیهسازی انرژی به دلیل قابلیت‌های متنوع می‌توانند پایه تصمیمات طراحی قرار گیرند. در این نوع از نرم‌افزارها کلیه‌ی عوامل تأثیرگذار بر مصرف انرژی ساختمان به صورت یکپارچه و همزمان شبیهسازی می‌شوند و در نتیجه اثرات متقابل آنها بر یکدیگر از جهت میزان مصرف و شرایط آسایشی ایجاد شده، در شبیهسازی لحاظ می‌شود. از جمله این نرم‌افزارها میتوان به انرژی پلاس و دیزاین‌بیلدر اشاره کرد.
پیش‌بینی مصرف انرژی: تعامل بین عناصر طراحی، اقلیم، کاربران، سیستمهای تهویه و روشنایی بسیار پیچیده است و تنها با استفاده از نرمافزارهای شبیهسازی انرژی میتوان تمام فاکتورهای مداخله‌گر در فرایند را بررسی کرد. برای جلوگیری از نقصهای عمده در طرح، معمار نیاز دارد مصرف انرژی ساختمان را در مراحل اولیه‌ی فرایند طراحی، ارزیابی کند. برنامه‌های شبیهسازی انرژی به طراحان کمک می‌کنند تا پیش‌بینی‌های قابل اطمینانی از عملکرد ساختمان بر اساس شرایط آب و هوایی و سایر پارامترهای تاثیرگذار داشته باشند.
ابزار مقایسه راهبردها: کارکرد دیگر نرمافزارهای شبیهسازی انرژی را میتوان قابلیت مقایسه‌ای آنها دانست که بر اساس این قابلیت میتوان میزان اثربخشی راهبردهای مختلف فعال و غیر فعال کاهش مصرف انرژی را از جهت مصرف انرژی و ایجاد آسایش با یکدیگر مقایسه نموده و راهکارهای اثربخش‌تر را انتخاب نمود.
بهره‌گیری از نرمافزارهای شبیهسازی انرژی مستلزم طی سه مرحله اصلی است:
مرحله اول انتخاب نرم‌افزار: نرمافزارهای شبیهسازی انرژی ساختمان در سال‌های اخیر توسعه بسیاری یافته‌اند. نرمافزارهای شبیهسازی مختلفی با خصوصیات و توانایی‌های متفاوتی وجود دارند که می‌توانند میزان مصرف انرژی را با دقتهای متفاوت اندازه‌گیری کنند. باید در نظر داشت که همه نرم‌افزارها قابلیت پشتیبانی از کلیه مدل‌های ساختمان شامل معماری، ساختار، تأسیسات مکانیکی و تأسیسات برقی را دارا نمی‌باشند. از جمله پرکاربردترین نرمافزارهای شبیهسازی انرژی که اخیراً توسعه زیادی پیدا کرده‌اند، میتوان به انرژی پلاس، ترنسیس، اکوتکت، دیزاین بیلدر، بلست، ایکوئست، انرژی10، ESP-r، DOE-2، ASEAM، HAP و PHPP ا اشاره کرد.
یکی از پرکاربردترین نرمافزارهای دینامیک شبیهسازی انرژی، نرم‌افزار انرژی پلاس است که بیشتر عناصر معماری، ساختاری، محیطی و تاسیساتی مورد نیاز در ساختمان‌های انرژیکارا را شبیهسازی میکند. این نرم‌افزار که به صورت رایگان از سایت وزارت انرژی آمریکا قابل دانلود است، فاقد رابط کاربر گرافیکی بوده و نتایج آن در قالب فایل‌های اکسل ارائه می‌شوند. با توجه به اهمیت و مرجعیت این نرم‌افزار و به منظور توسعه کاربرد آن برخی نرمافزارهای واسط به منظور ایجاد رابط گرافیکی با نرم‌افزار انرژی پلاس ایجاد شده‌اند که از جمله آنها میتوان به DesignBuilder و OpenStudio اشاره کرد.
در انتخاب نرم‌افزار شبیهسازی انرژی لازم است به قابلیت‌های نرم‌افزار در پشتیبانی مدل‌های ساختمان متناسب با خواسته‌ها و اهداف پروژه توجه نمود.
مرحله دوم تهیه فایل اقلیمی: نرمافزارهای شبیهسازی انرژی معمولاً برای تعیین شرایط حرارتی فضاهای داخلی ساختمان، محاسبات را به صورت ساعتی انجام می‌دهند و این کار مستلزم استفاده از داده‌های ساعتی عناصر اقلیمی شامل تابش آفتاب، دما، رطوبت و ... است. این داده‌های اقلیمی باید در تمام ۸۷۶۰ ساعت سال مشخص باشند. از آنجا که این داده‌ها به صورت معنی‌داری از سالی به سال دیگر تغییر می‌کنند، لازم است داده‌های آب و هوایی سالانه مشخصی تهیه شود که بتواند تغییرات آب‌وهوایی را در کل سال نشان دهد. این داده‌ها معمولا در قالب فایل‌هایی با پسوند epw, wea, TMY موجود هستند. تاکنون در مورد تهیه چنین داده‌هایی برای تمامی شهرهای ایران اقدامی صورت نگرفته لیکن این فایل‌ها برای شهرهای تهران، تبریز، شیراز، اصفهان، یزد و بندرعباس تهیه شده و در سایت وزارت انرژی امریکا قرار گرفته است.
مرحله سوم تعیین داده‌های ورودی و خروجی: هرچند اطلاعات مورد نياز براي انجام شبيه‌سازي و خروجی‌های حاصل از شبیهسازی انرژی در نرم‌افزارهاي گوناگون متفاوت است، به طور خلاصه مي‌توان موارد زير را به عنوان ورودي‌ها و خروجي‌هاي اين نرم‌افزارها برشمرد که عموماً از استانداردهای موجود و از جمله استاندارد اشری قابل استخراج است:
اطلاعات آب‌و هوایی: اطلاعات آب و هوايي، پايه‌ي شبیهسازی انرژی است. این اطلاعات همانگونه که ذکر شد در قالب فایل‌هایی با پسوندهای مختلف، توسط نرمافزارهای خاصی تهیه می‌شود که از جمله‌ی متداول‌ترین آنها فایل‌های . epw است که نرم‌افزار انرژی پلاس و سایر نرم‌افزارهایی که از موتور شبیهسازی آن استفاده می‌کنند، آن را به عنوان فایل ورودی می‌پذیرند.
هندسه ساختمان: شكل و اندازه و نوع همجواري مناطق حرارتي، بازشوها، سايه‌اندازها، جهت قرارگيري ساختمان نسبت به خورشيد و ساير اطلاعات مربوط به حجم ساختمان با تعريف هندسه‌ي ساختمان براي نرم‌افزار مشخص می‌شود.
نوع ساخت‌‌و‌ساز: شامل نوع سازه، مشخصات مصالح استفاده شده و خصوصيات لایه‌های مختلف جداره‌هاي ساختمان است.
اطلاعات مربوط به زمان‌های استفاده از ساختمان و تعداد ساكنان: نرمافزارهای شبیهسازی انرژی می‌توانند ميزاني از بار داخلي ساختمان‌ها را كه در اثر حضور ساكنين ايجاد مي‌شود، با استفاده از يك برنامه‌ي زمانبندي ساعت به ساعت تعيين نمايند. نوع پوشش و ميزان فعاليت افراد در اين زمان‌ها نيز از جمله اطلاعاتی است كه نرم‌افزارها براي شبيه‌سازي دريافت می‌کنند.
نوع و میزان استفاده از تأسیسات مکانیکی: وارد نمودن اطلاعات مربوط به تأسیسات مکانیکی، يكي از دشوارترين مراحل كار كردن با نرم‌افزارهاي شبیهسازی انرژی براي معماران است. با توجه به تاثيرگذاري مستقيم این تجهيزات بر تأمين آسايش حرارتي و ميزان مصرف انرژي در ساختمان، در برخي نرم‌افزارهاي شبيه‌ساز انرژي، تعريف مشخصات اين تجهيزات براي انجام شبيه‌سازي الزامي است. در برخي ديگر از نرم‌افزارها مي‌توان يكي از سيستم‌هاي پيش‌فرض را براي نرم‌افزار تعيين کرد.
نوع و ميزان بهره‌گيري از ساير تجهيزات همچون اداری و روشنايي
ساير اطلاعات موردي: اين اطلاعات بسته به نوع مسأله متفاوت است و مثلاً مي‌تواند برنامه باز و بسته بودن بازشوها و يا دريچه‌ها باشد.
ذکر این نکته قابل توجه است نقش موثر این نرم افزار زمانی روشن تر می‌گردد که در طی مراحل طراحی و مدلسازی ساختمان، با اعمال تغییرات کوچک و بزرگ در طراحی، تاثیرات این تغییرات در میزان مصرف و یا صرفه جویی انرژی ساختمان و یا هریک از فضاها مشخص می‌شود. همچنین که بالا بودن هزینه سرمایه گذاری و دوره بازگشت سرمایه طولانی در پروژه‌های بهینه‌سازی مصرف انرژی ساختمان‌ها، ارزیابی دقیق راهکارهای کاهش مصرف انرژی را قبل از اجرا ضروری کرده است. بدلیل گستردگی پارامترهای دخیل در مصرف انرژی، تصمیم‌گیری در رابطه با استراتژی‌ها و اجزا طراحی عملا بدون استفاده از ابزارهای شبیهسازی امکان‌پذیر نیست.
نویسنده: مهیار پیرباوقار عضو سازمان نظام مهندسی گیلان (پژوهشگر و نویسنده کتاب شبیه سازی انرژی با نرم افزار دیزاین بیلدر)
