ارائۀ یک مدل بهینه‌سازی چندهدفه برای افزایش کارایی انرژی در ساختمان‌های مسکونی

نوع مقاله: مقاله علمی پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس‌ارشد مهندسی صنایع، دانشکدۀ مهندسی صنایع، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 دانشیار گروه مهندسی صنایع، دانشکدۀ مهندسی صنایع، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 دانشیار گروه مدیریت صنعتی، دانشکدۀ مدیریت، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

امروزه با توجه به اهمیت موضوع انرژی، این مبحث یکی از موضوعات مورد توجه در محافل اقتصادی شده است. مطابق با آمار ترازنامۀ انرژی، بیش از یک سوم انرژی کشور در بخش ساختمان مصرف می‌شود. با توجه به اتلاف زیاد انرژی در ساختمان‌های موجود و نیز، کارایی پایین سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی، انتخاب راهکار مناسب برای کاهش مصرف و اتلاف انرژی در این بخش حائز اهمیت بسیار است. در این تحقیق با استفاده از مدل‌سازی ریاضی، راهکاری برای انتخاب ترکیب مناسبی از مصالح ساختمانی و سیستم‌های تهویۀ مطبوع فعال و غیرفعال در ساختمان‌های مسکونی ارائه شده است تا با استفاده از آن، هزینه­ها و همچنین میزان انرژی حرارتی مصالح ساختمان حداقل شود. مدل ارائه شده برای یک ساختمان مسکونی در شهر تهران به اجرا درآمد و ترکیب‌های بهینۀ مصالح، با توجه به الزامات مبحث 19 مقررات ملی ساختمان مشخص شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Presenting a Multi-objective Optimization Model to Improve Energy Consumption Efficiency of Residential Buildings

نویسندگان [English]

  • Mahboobeh Rahmani 1
  • Hamed Shakouri Ganjavi 2
  • Aliyeh Kazemi 3
1 MSc. of Industrial Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
2 Associate Prof. of Industrial Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Associate Prof. of Industrial Management, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

Nowadays, considering the importance of the energy issue, it has become a major concern of economic topic. According to the energy balance sheet data, more than one third of the total energy consumption in Iran is consumed in the building sector. With regard to the massive waste of energy in the existing buildings, as well as the low efficiency of heating and cooling systems, seeking the right solution to reduce energy consumption in this sector is of utmost important. In this study, based on mathematical modeling, a solution has been presented to help us choose a proper combination of primary building materials and active or inactive air conditioning systems for residential buildings. It aimed to minimize both costs and thermal energy consumption of building materials. The proposed model has been utilized for a residential building in Tehran. Then, the optimal combinations of materials have been determined based on national building regulations (code 19).

کلیدواژه‌ها [English]

  • Energy Efficiency
  • Heating and cooling systems
  • Multi-objective optimization
  • residential buildings
  • simulation
ابراهیم‌پور، ع.، معرفت، م. و محمدکاری، ب. (1383). بهینه‌سازی عایق­کاری در ساختمان‌های با استفاده مداوم در شرایط اقلیمی ایران از لحاظ بارهای حرارتی سالیانه. مجلۀ علمی پژوهشی مدرس، 17، 52-33.
ابراهیمی‌سالاری، ت.، محتشمی، م.، ضیایی، ع. و صالح‌نیا، ن. (1390). ممیزی انرژی در ساختمان‎های مسکونی شهر مشهد و مقایسۀ کارایی مصرف گاز در سیستم‎های گرمایشی متفاوت. اولین کنفرانس بین‌المللی رویکردهای نوین نگهداشت انرژی، تهران، دانشگاه صنعتی امیرکبیر.
اربابیان، ه. (1380). بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان. سومین همایش ملی انرژی، تهران.
ارشاد لنگرودی، س.، اکبری، م.، ارشادلنگرودی، ا.، یوسفی، ع. (1382). فناوری‌های نوین در ساخت پنجره‌های با اتلاف انرژی پایین. سومین همایش بین‌المللی بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان، تهران.
امدادی، آ. علی‎پور، ن.، نعمتی‌چاری، م. دورمحمدی، ح. (1381). اثرات عایق سازی حرارتی دیوارهای ساختمانی ساخته شده با بتن سبک در کاهش مصرف سوخت و هزینۀ تمام شده. دومین همایش بین‌المللی بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان، تهران.
براتی، ب. (1382). نقش ویژگی‌های اقلیمی ساختمان‌های مسکونی در تأمین بهینۀ گرمایش و سرمایش. سومین همایش بین‌المللی بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان، تهران.
پولادی، ع.، مجتهدزاه، ف. (1381). کاهش تلفات حرارتی و برودتی و صرفه‎جویی انرژی در دو ساختمان نمونه و همجوار با عایقکاری حرارتی (نمونۀ طراحی شده و در حال اجرا). دومین همایش بین‌المللی بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان، تهران.
ترازنامه انرژی سال 1393. (1395). وزارت نیرو، معاونت امور برق و انرژی، دفتر برنامه‌ریزی کلان برق و انرژی.
توکلی­مقدم، ر.، علینقیان، م.، نوروزی، ن.، سلامت­بخش، ع. (1390). حل یک مدل جدید برای مسئلۀ مسیریابی وسائط نقلیه با در نظر گرفتن ایمنی در حمل و نقل مواد خطرناک. مهندسی حمل و نقل، 2 (3)، 237-223.
حسین‌آبادی، س.، لشکری، ح.، سلیمانی‌مقدم، م. (1391). طراحی اقلیمی ساختمان­های مسکونی شهر سبزوار با تأکید بر جهت‎گیری ساختمان و عمق سایبان. جغرافیا و توسعه، 27، 116-103.
حیدری، ش. (1388). دمای آسایش حرارتی مردم شهر تهران. نشریۀ هنرهای زیبا ـ معماری و شهرسازی، (38)، 44-5.
خلجی‌اسدی، م. عابدی، ز.، شرعی، ن. (1388). سیستم‌های ترکیبی خورشیدی راه‌حلی نوین برای گرمایش در ساختمان‌ها. علوم و تکنولوژی محیط زیست، (3)، 28-15.
دقیق، ر.، مشتاق، ج. (1382). انتخاب بهینۀ سیستم‌های شیشه و پنجره به‎منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی. سومین همایش بین‌المللی بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان. تهران.
ذوالفقاری، ع.، معرفت، م. (1389). معیارهای نوین طراحی سیستم‎های سرمایش و گرمایش در ساختمان‎ها بر مبنای ایجاد شرایط آسایش حرارتی. دومین همایش فناوری­های نوین ساختمانی و صنعتی سازی، تهران.
رضایی حریری، م.ت.، فیاض، ر. (1380). محدودۀ آسایش حرارتی در تهران. محیط­شناسی، 27(28)، 17-13.
سلطانی، م.، یوسفی‌کما، ح. (1384). بررسی اثر پنجره‌های با کارایی حرارتی بالادر تغییر هزینه‌ها و انرژی مصرفی ساختمان. چهارمین همایش بین‌المللی بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان، تهران.
شاه‌محمدی، ف.، عظیمی، ع.، کاظم‌زاده‌حنانی، س. (1385). شبیه‌سازی و بهینه‌سازی مصرف انرژی گرمایشی ساختمان. پنجمین همایش بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان، تهران.
شکوری‌گنجوی، ح.، نظرزاده، ج. (1383). مطالعۀ اثر تغییرات دمای هوا بر میانگین زمان مصرف روزانۀ انرژی الکتریکی در کشور. نشریۀ انرژی ایران، (20)، 40-27.
عابدی، ا.، خسرویان، ک. (1391). ارزیابی فنی و اقتصادی انواع چیلر باتوجه به قانون هدفمندشدن یارانه­ها، نهمین کنفرانس بین‌المللی انرژی، تهران.
عربی، م.، دهقانی، م. (1389). بررسی فنی و اقتصادی سیستم های چیلر جذبی خورشیدی در ایران. مجلۀ مهندسی شیمی ایران، (46)، 72-60.
عظمتی، ع.، حسینی، ح. (1392). بررسی تأثیر جهت‌گیری ساختمان‌های آموزشی بر بارهای حرارتی و برودتی در اقلیم‌های مختلف. علوم و تکنولوژی محیط زیست، (57)، 157-147.
علیپور، ن.، امدادی، آ.، جلیلی، م.، صادق‌آزر، م. (1381). بررسی روش‌های مختلف عایق­سازی ساختمان‌های بتنی دیوار باربر و مقایسه فنی و اقتصادی آن­ها. دومین همایش بین‌المللی بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان، تهران.
کاظمی، م. (1392). ارزیابی انرژی چرخۀ عمر ساختمان‌ها با در نظر گرفتن مصارف انرژی ساخت مصالح ساختمانی مختلف در ایران و انتخاب ساختمان با الگوی مناسب، پایان‌نامۀ کارشناسی ارشد، دانشگاه تهران.
گیلانی، س.، محمدکاری، ب. (1390). بررسی عملکرد گرمایشی گلخانه‎های خورشیدی در ساختمان‎های مسکونی اقلیم سرد (نمونۀ موردی: شهر اردبیل). مجلۀ مهندسی مکانیک مدرس، (2)، 157-147.
محمودی‌زرندی، م.، پاکاری، ن.، بهرامی، ح. (1391). ارزیابی چگونگی تأثیرگذاری بام سبز در کاهش دمای محیط. فصلنامۀ علمی پژوهشی باغ نظر، (20)، 82-73.
معرفت، م.، امیدوار، ا. (1387). رابطه‌ای برای پیش‌بینی ساعت به ساعت دمای پانل‌های فلزی با دمای متغیر تطبیقی در سیستم‌های سرمایش تابشی سقفی. مجلۀ فنی و مهندسی مدرس، (32)، 31-13.
معرفت، م.، امیدوار، ا. (1388). پدیدۀ نامطلوب سرمایش موضعی و تأثیر آن بر مصرف انرژی در سامانه‌های گرمایش از کف. مجلۀ فنی و مهندسی مدرس ـ مکانیک، (37)، 39-50.
مهدوی‌نژاد، م. (1392). الگوی انرژی دوستی در ساختمان براساس رفتار حرارتی بام. نقش جهان، 3(2)، 42-35.
مهدوی‌نژاد، م.، هادیان­پور، م. (1394). مقایسۀ تحلیلی عملکرد نرم­افزارهای شبیه­ساز مبحث نوزده مقررات ملی. نامۀ معماری و شهرسازی، (15)، 56-43.
یزدان‌داد، ح.، امامی، س.، هاشمی، ن. (1389). ارزش‌ها و کارکردهای محیط زیستی بام‌های سبز در توسعه پایدار شهری. نخستین همایش ملی توسعۀ پایدار شهری، دانشگاه گیلان.
Abedi, H. & Khosravian, K. (2010). Technical and economical comparison of compression and sbsorption chillers. The first national conference on chiller and cooling tower, Iran. (in Persian)
Alipour, N., Emdadi, A, Jalili, M. & Sadegh-Azar, M.S. (2002). Technical and economic analysis of different methods for insulation of load-bearing wall concrete buildings, The second international conference on fuel conservation in building, Iran. Tehran. (in Persian)
Antipova, E., Boer, D, Guillen-Gosalbez, G., Cabeza, L.F. & Jimenez, L. (2014). Multi-objective optimization coupled with life cycle assessment for retrofitting building. Energy and Buildings, 82, 92-99.
Arabi, M. & Dehghani, M.R. (2000). Technical and economical study on application of absorption solar chiller in Iran. Iranian Chemical Engineering Journal, 9(46), 60-72. (in Persian)
Arbabian, H. (2001). Optimization of energy efficiency in buildings. The 3rd National Energy Congress, Iran, Tehran. (in Persian)
Asadi, E., Da Silva, M.G., Antunes, C.H. & Dias, L. (2012). Multi-objective optimization for building retrofit strategies: A model and an application. Energy and Buildings, 44, 81-87.
Asadi, E., Da Silva, M.G., Antunes, C.H., Dias, L. & Glicksman, L. (2014). Multi-objective optimization for building retrofit: A model using genetic algorithm and artificial neural network and an application. Energy and Buildings, 81, 444-356.
Atlanta: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. (2009). ASHRAE Handbook, Fundamentals.
Azemati, A.A. & Hosseini, H. (2014). Effect of Educational Building’s Direction on Cooling and Heating Loads in Different Regions. Journal of Environmental Science and Technology, 15(2), 147-157. (in Persian)
Banting, D., Li, J., Missios, P., Au, A, N. Currie, B.A. & Verrati, M. (2005). Report on the Environmental Benefits and Costs of Green Roof Technology for the city of Toronto. Ryerson University.
Barati, Gh. (2003). The role of climatic characteristics of residential buildings to provide optimal heating and cooling. The third international conference on fuel conservation in building. Iran, Tehran. (in Persian)
Bolattürk, A. (2008). Optimum insulation thicknesses for building walls with respect to cooling and heating degree-hours in the warmest zone of Turkey. Building and Environment, 43(6), 1055-1064.
Carreras, J., Pozo, C., Boer, D., Guillen-Gosalbez, G., Caballero, J.A., Ruiz-Femenia, R. & Jimenez, L. (2016). Systematic approach for the life cycle multi-objective optimization of buildings combining objective reduction and surrogate modeling. Energy and Buildings, 130, 506-518.
Daghigh, R. & Moshtagh, J. (2003). The optimal choice of glass and window systems for energy conservation. The third international conference on fuel conservation in building, Iran, Tehran. (in Persian)
Daouas, N. (2011). A study on optimum insulation thickness in walls and energy savings in Tunisian buildings based on analytical calculation of cooling and heating transmission loads. Applied Energy, 88(1), 156-164.
Delgarm, N., Sajadi, B., Kowsary, F. & Delgarm, S. (2016). Mluti-objective optimization of the building energy performance: A simulation-based approach by means of particle swarm optimization (PSO). Applied Energy, 170, 293-303.
Diakaki, C., Grigoroudis, E. & Kolokotsa, D. (2008). Towards a multi-objective optimization approach for improving energy efficiency in buildings. Energy and Buildings, 40(9), 1747-1754.
Diakaki, C., Grigoroudis, E. & Kolokotsa, D. (2013). Performance study of a multi-objective mathematical programming modelling approach for energy decision-making in buildings. Energy, 59, 534-542.
Ebrahimi.S, T., Mohtashami, M., Ziaee, A. & Salehnia, N. (2011). Energy auditing of residential buildings in Mashhad and comparision of the gas consumption efficiency for different heating systems. The first international conference on new approaches towards energy conservation, Tehran, Amir Kabir University. (in Persian)
Ebrahimpour, A., Marefat, M. & Mohammadkari, B. (2004). Insulation in buildings used regularly in Iran climatic conditions in terms of annual thermal loads. Modares Technical and Engineering, 17, 33-52. (in Persian)
Emdadi, A, Alipour, N., Namatichari, M. & Dourmohammadi, H. (2002). The effects of thermal insulation of building walls made of lightweight concrete in reducing fuel consumption and cost. The second international conference on fuel conservation in building, Iran, Tehran. (in Persian)
Energy Balance. Ministry of Energy. Available at: http://pep,moe.org.ir, Accessed 17 June 2016. (in Persian)
Ershad.L, S, Akbari, M. & Yousefi, A.A. (2003). New technologies in the construction of windows with low energy loss. The third international conference on fuel conservation in building, Iran, Tehran. (in Persian)
Fanger, P.O. (1970). Thermal comfort: analysis and applications in environmental engineering. New York.
Gilani, S. & Mohammadkari, B. (2011). Investigation of Greenhouse’s Thermal Performance in Residential Buildings of Cold Climate Case Study: City of Ardebil. Modares Mechanical Engineering, 11(2), 147-157. (in Persian)
Hart, M. & De Dear, R. (2004). Weather sensitivity in household appliance energy end-use, Energy and Buildings, 1, 161-174.
Heidari, SH. (2009). Comfort Temperature of Iranian People in City of Tehran. Honar-Ha-Ye-Ziba (Memari-Va-Shahrsazi), 17, 5-14. (in Persian)
Hosseinabadi, S., Lashkari, H. & Salmanimoqadam, M. (2012). Climatic Design of Residential Building of Sabzevar with Emphasis on Building Orientation and Depth of Canopy. Geographiy and Development Iraninan Journal, 10(27), 103-116. (in Persian)
Kazemi. M (2014). Life cycle energy assessment of buildings with consideration energy consumption materials production in Iran to choose with appropriate pattern. Msc Thesis, University of Tehran. (in Persian)
Khalaji. A., Abedi, Z. & Sharee-Heidari, N. (2009). Solar combi-systems: a new solution for heating buildings. Journal of Environmental Science and Technology, 11(3), 15-28. (in Persian)
Mahdavinejad, M.J. & Fakhari, M. (2013). Stablishment of Optimum Designing Pattern in Buildings Roof Shape Based on Energy Loss. Naqshejahan, 3(2), 35-42. (in Persian)
Mahdavinejad, M.J. & Hadiyanpour, M. (2015). Analytical Comparison of the Performance of Simulation Software Programs for Iranian Building Code 19. Journal of Architecture and Urban Planning, 8(15), 43-56. (in Persian)
Mahmoody, Z., Pakari, N. & Bahrami, H. (2012). The effect of green roof on reducing environment temperature. Bagh-I-Nazar, 9(20), 73-82. (in Persian)
Marefat, M. & Omidvar, A. (2011). Undesired Local Cooling Phenomenon and Its Effect on Energy Consumption in Floor Heating Systems. Modares Mechanical Engineering, 9(1), 39-50. (in Persian)
Marefat. M. & Omidvar, A. (2014). Effects of Adaptive Temperature Metal Panels on Thermal Comfort and Energy Consumption of Radiant Ceiling Cooling Systems. Modares Mechanical Engineering, 8(1), 13-32. (in Persian)
Mihalakakou, G. & Ferrante, A. (2000). Energy conservation and potential of a sunspace: sensitivity analysis. Energy Conversion and Management, 41, 1264-1247.
Ortiga, J., Carles Bruno, J., Coronas, A. & Grossman, I.E. (2007). Review of optimization models for the design of polygeneration systems in district heating and cooling networks. The 17th European Symposium on Computer Aided Process Engineering.
Pouladi, A. & Mojtahedzadeh, F. (2002). Heating and cooling loss reduction and energy savings in two adjacent sample buildings by using thermal insulation. The second international conference on fuel conservation in building, Iran, Tehran. (in Persian)
Rezayi.H, M.T. & Fayyaz, R. (2001). Thermal comfort Condition in Tehran. Journal of Environmanetal Studies, 27(28), 13-17. (in Persian)
Shahmohammadi, F., Azimi, A. & Kazemizadeh, H. S. (2006). Simulation and optimization of heating energy consumption of buildings. The 5th international conference on fuel conservation in building, Iran, Tehran.
(in Persian)
Shakouri.G, H. & Nazarzadeh, J. (2004). Analysis of temperature changes effect on the average of daily electrical energy consumption in Iran. Iranian Journal of Energy, 9(1), 27-40. (in Persian)
Soltani, M. & Yousofikoma, H. (2005). Investigating the effect of high thermal efficiency windows on changing cost and energy consumption of buildings. The 4th international conference on fuel conservation in building, Iran, Tehran. (in Persian)
Tavakolimoghadam, R., Alinaghian, M., Norouzi, N. & Salamatbakhsh, AR. (2011). Solving a NewVehicle Routing Problem Considering Safety in Hazardous Materials Transportation. Quarterly Journal of Transportation Engineering, 2(3), 223-237. (in Persian)
Wang, F., Yoshida, H. & Ono, E. (2009). Methodology for optimizing the operation of heating/cooling plants with multi-heat-source equipments. Energy and Buildings, 41(4), 416-425.
Yazdandad, H, Emami, S. & Hashemi, N. (2010). Environmental values and functions of green roofs on urban sustainable development. The first national conference on sustainable urban development, Iran, Gilan. (in Persian)
Zinzi, M. & Agnoli, S. (2012). Cool and green roofs. An energy and comfort comparison between passive cooling and mitigation urban heat island techniques for residential buildings in the Mediterranean region, Energy and Buildings, 55, 66-76.
Zolfaghari, A. & Marefat, M. (2010). New criteria for designing of heating and cooling systems in buildings based on thermal comfort conditions. The Second Conference on New Building Technologies and Industrialization, Iran, Tehran. (in Persian)