راهکارهای نوین برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان‌ها در دوران بحران انرژی
دبیر ستاد هوافضا، حمل‌ونقل و شهرسازی معاونت علمی بر ضرورت گذار از ساختمان‌های سنتی به سامانه‌های هوشمند و داده‌محور با استفاده از فناوری‌هایی چون حسگرها و کنتورهای هوشمند تأکید...
به گزارش پایگاه خبری پژوهندگان عصر، در عصر حاضر، مفهوم ساختمان از یک فضای چهار دیواری بتنی و آجری به یک سیستم زنده و هوشمند تغییر کرده است. این فضا با بهره‌گیری از حسگرها، اینترنت اشیاء و فناوری‌های نوین، قادر است مصرف انرژی خود را به‌صورت لحظه‌ای مدیریت کند، بخشی از برق مورد نیاز خود را از انرژی خورشیدی تأمین نماید و کمترین آسیب را به محیط‌زیست وارد کند. بحران ناترازی برق و گاز به همراه تغییرات اقلیمی نشان‌دهنده این است که ادامه روش‌های سنتی در ساخت‌وساز دیگر امکان‌پذیر نیست و ساختمان‌ها باید به سازه‌هایی کم‌مصرف، خودکفا و هوشمند تبدیل شوند. در این راستا، «ویرایش پنجم مبحث ۱۹ مقررات ملی ساختمان» دیگر صرفاً یک آیین‌نامه کاغذی نیست، بلکه به یک استاندارد الزامی فناورانه برای تغییر کلیه فرایندهای ساخت‌وساز تبدیل شده است؛ استانداردی که به گفته حسین افشین، معاون علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان رئیس‌جمهور، مرز بین ساختمان‌های سنتی و ناکارآمد گذشته و ساختمان‌های پیشرفته آینده را مشخص می‌کند.
بر اساس این رویکرد، نه تنها صدور پایان‌کار ساختمان‌ها به رعایت دقیق این مقررات وابسته است، بلکه مفهوم قدرت مهندسی نیز دستخوش تغییر شده است؛ قدرتی که دیگر در وزن آهن و بتن خلاصه نمی‌شود، بلکه در «سرعت ساخت»، «هوشمندسازی»، «شفافیت و اندازه‌گیری مصرف انرژی» و «کاهش تولید آلاینده‌ها و کربن» تجلی می‌یابد. در همین راستا و برای بررسی عمیق‌تر این تحولات، در بخش نخست این گفتگوی تفصیلی به سراغ مهندس حسین شکری، دبیر ستاد توسعه اقتصاد دانش‌بنیان هوافضا، حمل‌ونقل و شهرسازی معاونت علمی، فناوری و اقتصاد دانش‌بنیان ریاست جمهوری رفته‌ایم تا زوایای پنهان و آشکار گذار از ساختمان‌های ایستا به سیستم‌های هوشمند انرژی‌محور را واکاوی کنیم. در این گفتگو، شکری بر ضرورت گذار از ساختمان‌های سنتی به سامانه‌های هوشمند و داده‌محور با استفاده از فناوری‌هایی چون حسگرها و کنتورهای هوشمند تأکید دارد. وی همچنین به نقش کلیدی انرژی خورشیدی در مدیریت پیک‌بار و کاهش کربن نهفته در ساختمان‌ها اشاره کرده و ضرورت ارتقاء هوشمندی فراتر از صرف اتصال به اینترنت (IoT) را مطرح می‌سازد.
مشروح این گفتگو در نوشتار زیر قابل مشاهده است؛ *آقای شکری. مبحث ۱۹ مقررات ملی ساختمان به‌رغم پیشینه طولانی‌مدت، در مواجهه با واقعیت‌های میدانی مصرف انرژی، دچار یک «پارادوکس اجرایی» است. با توجه به سهم ۴۰ درصدی بخش ساختمان در مصرف انرژی کشور، به نظر شما چرا این مبحث تا امروز نتوانسته است به یک ضابطه بازدارنده یا پیشران تبدیل شود و برای عبور از این بن‌بست، چگونه باید از «ضوابط کاغذی» به سمت «پایش عملکردی، فناورانه و هوشمند» حرکت کنیم؟ مبحث ۱۹ مقررات ملی ساختمان با هدف کاهش مصرف انرژی و ارتقای بهره‌وری انرژی در ساختمان‌ها تدوین شده است. اهمیت این موضوع در شرایط فعلی کشور دوچندان است چراکه با مسئله رشد مستمر تقاضای انرژی، شدت بالای مصرف و ناترازی در برخی حامل‌ها مواجه هستیم. در چنین شرایطی، راهکار صرفاً افزایش تولید و توسعه ظرفیت عرضه نیست و بخش مهمی از راه‌حل باید از مسیر مدیریت مصرف، افزایش بهره‌وری و کاهش اتلاف انرژی در سمت تقاضا دنبال شود.
بر اساس آمارهای منتشرشده، میزان مصرف انرژی در کشور به‌طور قابل‌توجهی بالاتر از میانگین جهانی است و مصرف بخش خانگی نیز سهم زیادی از مصرف را به خود اختصاص می‌دهد؛ بنابراین، اصلاح الگوی مصرف و افزایش بهره‌وری در ساختمان‌ها می‌تواند یکی از مؤثرترین مسیرهای کاهش فشار بر شبکه انرژی کشور باشد. در این میان یک نقطه مداخله بسیار مهم است. بخش قابل‌توجهی از انرژی در ساختمان‌ها صرف گرمایش، سرمایش، تأمین آب گرم، روشنایی و بهره‌برداری از تجهیزات می‌شود و به همین دلیل، بهبود عملکرد ساختمان‌ها می‌تواند در مقیاس ملی آثار قابل‌توجهی داشته باشد. از طرف دیگر، امروز فناوری‌های نوین این امکان را فراهم کرده‌اند که از یک ساختمان صرفاً مصرف‌کننده انرژی به یک سیستم قابل‌اندازه‌گیری و قابل‌کنترل برسیم. فناوری‌هایی مانند کنتورهای هوشمند، حسگرها، سامانه‌های مدیریت انرژی ساختمان (EMS)، کنترل هوشمند تأسیسات، تجهیزات با راندمان بالا، پوسته‌های ساختمانی با عملکرد حرارتی مناسب، انرژی خورشیدی، ذخیره‌سازی انرژی، BIM و دوقلوی دیجیتال می‌توانند در اندازه‌گیری، پایش و بهینه‌سازی مصرف نقش مؤثری داشته باشند؛ بنابراین، از نگاه ما، مبحث ۱۹ صرفاً یک مجموعه ضوابط ساختمانی نیست بلکه می‌تواند بخشی از راهکار برای افزایش بهره‌وری انرژی باشد که برای تحقق آن باید در کنار اصلاح و اجرای مؤثر مقررات، از ظرفیت فناوری‌های نوین، داده و شرکت‌های دانش‌بنیان نیز استفاده کنیم و عملکرد ساختمان‌ها را در دوره بهره‌برداری قابل‌ارزیابی کنیم و در نهایت مصرف انرژی در بخش ساختمان را که هم‌اکنون سهم بیش از ۴۰ درصدی را از کل مصرف انرژی سالانه کشور دارند، مدیریت کنیم.
*در ویرایش پنجم، تمرکز ویژه‌ای بر «مدیریت انرژی در چرخه عمر» صورت گرفته است. برای عملیاتی‌سازی این رویکرد، چگونه باید از قابلیت‌های حسگرها، کنتورهای هوشمند و زیرساخت‌های پایش در ایجاد یک «ردپای انرژی» (Energy Footprint) دقیق برای تجهیزات و ساختمان استفاده کنیم تا کاربر از یک مصرف‌کننده منفعل به یک بازیگر فعال در مدیریت انرژی تبدیل شود؟ شرکت‌های دانش‌بنیان چقدر در این مسیر حرکت کرده‌اند؟ برای اینکه مدیریت انرژی در ساختمان از یک الزام مقرراتی به یک فرآیند واقعی و قابل‌اندازه‌گیری تبدیل شود، نخستین نیاز، دسترسی به داده دقیق و مستمر است. حسگرها، کنتورهای هوشمند و سامانه‌های مدیریت انرژی ساختمان (EMS) این امکان را فراهم می‌کنند که مصرف و تولید انرژی در ساختمان به‌صورت مستمر اندازه‌گیری، پایش، تحلیل و مدیریت شود. بدون داده، مدیریت انرژی عملاً مبتنی بر برآورد است؛ اما با داده می‌توان عملکرد واقعی ساختمان را ارزیابی و برای بهینه‌سازی آن تصمیم‌گیری کرد.
خوشبختانه شرکت‌های فناور و دانش‌بنیان کشور در این حوزه راهکارها و نوآوری‌های خوبی توسعه داده‌اند و ظرفیت مناسبی برای بومی‌سازی فناوری‌های پایش و مدیریت هوشمند انرژی وجود دارد. تجربه اجرای این راهکارها نیز نشان داده است که پایش هوشمند می‌تواند در شناسایی الگوهای مصرف، تشخیص مصارف غیرضروری، شناسایی رفتارهای غیرعادی تجهیزات و در نهایت کاهش و بهینه‌سازی مصرف انرژی بسیار مؤثر باشد. نکته مهم این است که این فناوری نباید صرفاً در اختیار مدیر تأسیسات یا اپراتور ساختمان باشد؛ بلکه باید اطلاعات قابل‌فهم و قابل‌استفاده را به خود مصرف‌کننده نیز ارائه کند. برای مثال، یک مصرف‌کننده خانگی می‌تواند بر اساس الگوی مصرف فعلی خود، پیش‌بینی کند که در پایان ماه چه میزان هزینه انرژی خواهد داشت. حتی می‌توان این امکان را فراهم کرد که کاربر یک سقف هزینه مشخص برای مصرف انرژی خود تعیین کند و سامانه به او نشان دهد که برای رسیدن به آن هدف، چقدر باید مصرف خود را کاهش دهد و این کاهش مصرف را در کدام بخش‌ها می‌تواند با کمترین دشواری ایجاد کند.
گام مهم، ماشین لباسشویی و سایر تجهیزات چه میزان انرژی مصرف کرده‌اند و کدام‌یک سهم بیشتری در مصرف داشته است؟ این داده، می‌تواند برای تجهیزات مختلف یک ساختمان نوعی «فوت‌پرینت مصرف انرژی» ایجاد کند؛ به این معنا که کاربر بتواند ببیند در یک دوره مشخص، هر یک از تجهیزات اصلی مانند یخچال، کولر، سیستم گرمایشی، ماشین لباسشویی و سایر تجهیزات چه میزان انرژی مصرف کرده‌اند و کدام‌یک سهم بیشتری در مصرف داشته است. این قابلیت، یک تحول در رفتار مصرف‌کننده ایجاد می‌کند. وقتی به فرد فقط گفته شود «کمتر مصرف کنید»، تصمیم‌گیری دشوار است؛ اما وقتی به او نشان دهیم کدام وسیله، در چه زمانی و به چه میزان مصرف می‌کند و با چه اقدامی می‌توان این مصرف را کاهش داد، مدیریت مصرف به یک اقدام مشخص و قابل‌اجرا تبدیل می‌شود. در واقع، هدف نهایی ما باید عبور از «اندازه‌گیری مصرف» به سمت اندازه‌گیری، تحلیل، پیش‌بینی و ارائه توصیه هوشمند برای بهینه‌سازی مصرف باشد.
ترکیب کنتورهای هوشمند، حسگرها، سامانه‌های EMS، تحلیل داده و هوش مصنوعی می‌تواند این امکان را فراهم کند که هر ساختمان نه‌تنها میزان مصرف خود را بداند، بلکه علت مصرف، محل ایجاد اتلاف و راهکار کاهش آن را نیز شناسایی کند. این موضوع در اجرای واقعی و اثربخش ویرایش پنجم اهمیت ویژه‌ای دارد؛ زیرا در نهایت موفقیت یک برنامه مدیریت انرژی زمانی قابل‌سنجش است که بتوانیم عملکرد واقعی ساختمان را در طول دوره بهره‌برداری اندازه‌گیری کنیم، میزان صرفه‌جویی را بسنجیم و اطلاعات لازم را در اختیار مدیر ساختمان و مصرف‌کننده قرار دهیم.
*بسیاری از پروژه‌های فعلی با برچسب «ساختمان هوشمند»، صرفاً درگیر اتصالات پایه اینترنت اشیاء (IoT) هستند. تعریف شما از «هوشمندی واقعی» چیست؟ آیا ما باید به سمت معماری‌های «شناختی و تصمیم‌گیر» حرکت کنیم که ساختمان را از یک مجموعه تجهیزات متصل به اینترنت، به یک سیستم عاملِ پاسخگو و بهینه‌ساز ارتقا دهد؟ اتصال تجهیزات به اینترنت و امکان ارتباط و کنترل آن‌ها از راه دور، یکی از اجزای مهم ساختمان هوشمند است. این قابلیت به کاربران اجازه می‌دهد وضعیت تجهیزات و بخش‌های مختلف ساختمان را از هر مکانی پایش و کنترل کنند و در حوزه‌هایی مانند امنیت، کنترل دسترسی، روشنایی، سرمایش و گرمایش و مدیریت تجهیزات کاربردهای گسترده‌ای پیدا کرده است. این قابلیت به حوزه انرژی نیز تسری پیدا کرده و امروز راهکارهای جذابی برای مدیریت و بهینه‌سازی مصرف انرژی حتی در زمان عدم حضور افراد در ساختمان ایجاد شده است.
برای مثال، کاربر می‌تواند از راه دور وضعیت سیستم سرمایش یا گرمایش را مشاهده و تنظیم کند، تجهیزات غیرضروری را خاموش کند یا سامانه به‌صورت خودکار بر اساس زمان‌بندی، حضور یا عدم حضور افراد و الگوی مصرف، عملکرد تجهیزات را تنظیم کند. حتی می‌توان شرایطی را تعریف کرد که ساختمان پیش از ورود کاربر، صرفاً به اندازه موردنیاز برای رسیدن به شرایط مطلوب آماده شود و در زمان خالی بودن ساختمان، تجهیزات با حداقل مصرف فعالیت کنند. اما هوشمندی ساختمان در اتصال تجهیزات به اینترنت خلاصه نمی‌شود. مفهوم هوشمندی زمانی محقق می‌شود که ساختمان بتواند داده‌های مربوط به مصرف، شرایط محیطی و عملکرد تجهیزات را جمع‌آوری کند، این داده‌ها را تحلیل کند و بر اساس نتایج تحلیل، به‌صورت خودکار یا نیمه‌خودکار تصمیم مناسب بگیرد و عملکرد خود را بهینه کند.
بنابراین می‌توان گفت سه مؤلفه اصلی ساختمان هوشمند عبارت‌اند از داده، تحلیل و اقدام؛ یعنی ساختمان باید بتواند وضعیت خود را بسنجد، آن را تحلیل کند و متناسب با شرایط، واکنش مناسب نشان دهد. در حوزه انرژی، این هوشمندی می‌تواند به معنای پیش‌بینی مصرف، تشخیص الگوهای غیرعادی، مدیریت بار، کنترل تأسیسات، بهینه‌سازی مصرف در زمان عدم حضور، استفاده بهینه از انرژی خورشیدی و حتی هماهنگی میان تولید، ذخیره‌سازی و مصرف انرژی باشد. در این زمینه شرکت‌های دانش‌بنیان توانمندی اقدام به تولید محصول کرده‌اند که از مهم‌ترین محصولات آن‌ها می‌توان به سیستم‌های مدیریت موتورخانه و انرژی میترینگ اشاره نمود. این محصولات توانسته‌اند پس از نصب در پروژه‌های گوناگون، تاییدیه‌های لازم را در خصوص صحت عملکرد و تأثیرات آن بر کاهش مصرف انرژی اخذ نمایند.
در نهایت باید به این نکته اشاره نمود که هدف از هوشمندسازی ساختمان صرفاً افزایش تعداد تجهیزات متصل نیست بلکه باید به افزایش آسایش و ایمنی کاربران، کاهش مصرف و هزینه انرژی، کاهش استهلاک تجهیزات و ارتقای بهره‌وری کلی ساختمان منجر شود. به همین دلیل، ساختمان هوشمند را باید یک سیستم تصمیم‌گیر و پاسخگو دانست، نه صرفاً مجموعه‌ای از تجهیزات متصل به اینترنت. اگر ساختمان‌ها را به عنوان سلول‌های بنیادی یک شهر در نظر بگیریم، داده‌های خروجی آن‌ها (مثل مصرف حامل‌ها، کیفیت هوا و بار حرارتی) باید در چه سطحی استانداردسازی شوند تا از حالتِ «جزیره‌ای» خارج شده و به یک مرکز داده متصل شوند.