طراحی و اجرایی ساختمان انرژی صفر (Zero Energy)

 مفهوم پایداری
مفهوم پایداری در دهه 1970 میلادی، نتیجه رشد منطقی آگاهی تازه نسبت به مسائل جهانی محیط زیست و توسعه و تحت تاثیر جنبش های محیط زیست دهه 1960 میلادی است. معماری پایدار عنوان عامی است که در رویکردهای معماری خاصه در اواخر قرن 20 میلادی مورد توجه قرار گرفته است. موضوع طراحی پایدار در ادامه جنبش های سبز پست مدرنیستی اما با رویکردی جامع نگرتر در حوزه معماری و در ارتباط با مفاهیمی همچون ” توسعه” و “نیاز” می باشد.
مفهوم توسعه پایدار به معنی ارائه راه حل هایی در مقابل الگوهای سنتی کالبدی، اجتماعی و اقتصادی توسعه است که بتواند از بروز مسائلی همچون نابودی منابع طبیعی، تخریب اکوسیستم ها، آلودگی، افزایش بی رویه جمعیت، رواج بی عدالتی و پایین آمدن کیفیت زندگی انسان ها جلوگیری کند. (سفلایی، 1383)
معماری پایدار مجموعه ای مرتبط از فاکتورهای اجتماعی- فرهنگی، محیطی- اکولوژیکی و مقولات تکنیکی است؛ در واقع معماری پایدار مانند جنبش های معماری سبز، عمده توجه خود را به مسائل اکولوژیکی و محیطی از یک سو و از سوی دیگر موضوعات تکنولوژیکی (معماری اکوتک) قرارا نمی دهد. بلکه سعی دارد آن ها را با موضوعات اجتماعی و فرهنگی نیز عجین نماید. معماری پایدار با ارزش نهادن به نیازهای انسانی به وسیله تاکید بر ویژگی های یک مکان، سعی در تداوم و بقاء آن دارد. در یکی از تعاریف اولیه پایداری آمده است که “پایداری” یعنی : رسیدن به نیازهای امروز بدون در نظر گرفتن توانایی نسل آینده در رسیدن به نیازهایشان.
این تعریف هرچند به مسائل اخلاقی، اجتماعی، اقتصادی و … به طور مستقیم اشاره نمی کند، اما در عین حال هدف عام یک طرح پایدار در طول زمان را نشان می دهد.
هدف از طراحی پایدار پیدا نمودن راه حل هایی است که بتواند به نیازهای توامان سه موضوع پاسخ دهد:
– اقتصاد منابع
– طراحی چرخه زیستی
– طراحی انسانی
برخی از اصول طراحی در معماری پایدار عبارتند از:
  • حفاظت منابع
  • آب
  • انرژی
  • مصالح
  • حداقل اتلاف
  • محدود نمودن آلودگی
  • نگهداری از طبیعت
  • تعادل زیبایی و کارایی
  • مقیاس قرارگاه های انسانی
  • ارزش نهادن به ویژگی های محلی و تنوع
  • حفظ سلامت از طریق محیط
  • هدف نهادن بر مبنای پیش گیری از بیماری
  • اصول بر اساس زندگی و در دسترس بودن برای همه
  • راه حل های محلی برای نیازهای محلی
  • دست یابی به استخدام
  • ارزش نهادن به فعالیت رایگان
  • کاستن از ترس جنایت
  • دسترسی به همه امکانات توسط حمل و نقل عمومی
  • فرهنگ و فراغت
  • دسترسی به دانش و مهارت
  • توانمند سازی اجتماع
کن یانگ طراحی پایدار را همان طراحی اکولوژیک می داند؛ نوعی از طراحی که در طول چرخه حیات خویش با سیستم های اکولوژیک کره زمین هماهنگ باشد. راجرز طراحی پایدار را نوعی از طراحی می داند که قصد دارد بدون آسیب رساندن به منابع نسل های آینده پاسخ دهد. فاستر طراحی پایدار را حداکثر کارایی با حداقل ابزار می داند. ریچارد راجرز (1383) در توصیف معماری پایدار معتقد است :
” معماری باید در پایداری محیط و اجتماع سهم داشته باشد و معماران عهده دار مسئولیت ها و دارای مختصر استقلالی شوند. من و رنزو پیانو مرکز پمپیدو را در پاریس با تفکر تطابق و سازگاری طراحی کردیم. ساختمان مکانی برای یک لحظه و زمانی خاص نبود بلکه مکانی برای مردم در سال های مختلف بود.” (کامل نیا. مهدوی نژاد. 1393)
نقش معماران در کاهش اثرات زیان بار بر محیط طبیعی
منبع: گلابچی. 1394
بخش ساختمان و مسکن، بیشترین سهم را از منابع طبیعی، هم از نظر زمین و هم به لحاظ استخراج مصالح به خود اختصاص می دهد. ساختمان ها 50% مواد خام جهان، که بسیاری از آن ها مواد تجدید ناپذیر هستند، را مصرف می کنند و مسئول 36% از اتلاف ایجاد شده در سراسر جهان می باشند. ساختمان ها همچنین عامل انتشار یک شوم گازهای گلخانه ای و دی اکسید کربن در جهان به شمار می روند که در اثر ساخت و سازهای اجتناب ناپذیر در آینده به شدت افزایش خواهد یافت. ساختمان ها همچنین موجب تولید دو پنجم باران های اسیدی با پایه دی اکسید سولفور و اکسیدهای نیتروژن هستند. (اتمن، 2010)
بر طبق کتاب « انرژی ساختمان ها» در سال 2008، ساختمان های تجاری و مسکونی 7/39 % از انرژی مصرفی کل را به خود اختصاص داده اند. ساختمان های مسکونی 5/21 % و تجاری 2/18 %. آن ها مسئول مصرف 76%  الکتریسیته و 15% کل آب مصرفی می باشند. از عبارات زیر نتیجه می گیریم که هر اثر معماری از نظر منایع به طبیعت وابسته است، موجب تغییرات محیطی می شود و بر زندگی بشری و غیر بشری تاثیر می گذارد.
به طور کلی تاثیرات مخرب صنعت ساختمانی بر محیط زیست را می توان در سه مرحله مورد بررسی قرار داد :
منابع جهانی
منابع
استفاده در ساختمان
انرژی
50 %
آب
42 %
مصالح
50 %
از بین رفتن زمین های کشاورزی
48 %
تخریب مرجان ها
50 % (غیر مستقیم)
–  مرحله اول در قبل و هنگام ساخت
–  مرحله دوم مربوط به دوران بهره برداری از ساختمان
–  مرحله سوم شامل تخریب ساختمان ها
همان طور که اشاره شد، بخشی از آلودگی های زیست محیطی که حاصل آن تخریب و از بین رفتن طبیعت است، متوجه صنعت ساختمان و معماران است. بنابراین معماران وظیفه دارند برای کاهش این اثرات به روش های جدید طراحی و راه حل های مناسب بپردازند. یکی از این راه حل ها احترام به طبیعت به جای استفاده ابزاری از آن است. این معماری که به خصوص در معماری گذشته ایران
جزء اصول بی بدیل آن بوده است، در نهایت به نوعی معماری ختم خواهد شد که امروزه در غرب به نام معماری پایدار شهرت پیدا کرده است. (گلابچی. 1394) که در بخش پیشین به تعاریف اصلی آن اشاره گردید.
این نکته را باید یادآور شد که در نظام اکولوژیک، انسان از محیط پیرامون خود جدا نیست. بنابراین نباید انسان را جدا و محیط را جدا فرض کرد. در این نظام انسان به لحاظی جزء طبیعت و به لحاظی صاحب طبیعت است، هم موثر است و هم تحت تاثیر و بنابراین نمی توان آن را جدای از طبیعت پنداشت.
« البته نباید این طور تصور شود که معماری پایدار ریشه در چند دهه اخیر و کشورهای غربی داشته است. اصطلاح معماری پایدار و جنبش های شکل گرفته به دنبال آن گذشته ای طولانی ندارد؛ لیکن تفکر این نوع معماری سابقه ای بسیار طولانی تر دارد و خواستگاه آن را نیز باید در جایی غیر از غرب جستجو کرد. معماری پایدار ریشه در تاریخ معمار ایرانی دارد…. در کشورهای غربی تا قبل از وقوع انقلاب صنعتی به چنین عامل هایی در معماری توجه می شده است. اما از اواسط قرن 19، شاهد کرنگ شده طبیعت در زندگی انسان بوده و حتی در مواردی استفاده از تکنولوژی ها موجب تخریب یا از بین بردن کامل محیط زیست شده است که این خود برای انسان رنج آور است.» (قهاری، 1388)
هدف از طراحی ساختمان های پایدار کاهش آسیب بر روی محیط و منابع انرژی و طبیعت است که البته برای عملی کردن این تعریف باید به شاخص ها و معیارهایی نیز توجه شود. به طور کلی می توان اهداف ساختمان های پایدار را به صورت زیر بیان کرد :
  • بهره برداری مناسب از منابع و انرژی
  • جلوگیری از آلودگی هوا
  • مطابقت با محیط
2-2-2- برخی اصول کاربردی معماری پایدار
اصل اول : استفاده از انرژی های تجدیدپذیر
در طراحی یک ساختمان پایدار می توان از انرژی های تجدیدپذیر مانند انرژی خورشید، باد و آب در جهت تامین برق ساختمان، تهویه طبیعی و موارد دیگر استفاده کرد و با این کار استفاده از انرژی های فسیلی را به حداقل رساند.
اصل دوم : استفاده از مصالح سازگار با محیط زیست
در طراحی بر اساس معماری پایدار می توان تاثیرات منفی ناشی از کاربرد مصالح با منشا شیمیایی و تجدید ناپذیر را با استفاده از مصالحی با منشا طبیعی و سازگار با محیط زیست به حداقل رساند.
اصل سوم : تعامل میان سایت و بنا
شکل و نحوه استقرار ساختمان و محل قرارگیری فضاهای داخلی آن باید به گونه ای باشد که موجب ارتقای سطح آسایش درون ساختمان شود و در عین حال از طریق عایق بندی صحیح سازه، موجبات کاهش مصرف سوخت فسیلی پدید آید.
اصل چهارم : ایجاد چرخه بازیافت و استفاده مجدد از آب های فاضلاب و نزولات جوی
در بسیاری از بناهای طراحی شده با این دیدگاه سعی در جمع آوری آب های زائد بنا و نیز آب باران و برف و استفاده از آن در مواردی نظیر سیستم های تاسیساتی و آبیاری گیاهان، می شود. (گلابچی. 1394)
   انرژی های تجدید پذیر
انرژی های تجدید پذیر، انرژی های برگشت پذیر نیز نامیده می شوند. و به انواعی از انرژی می‌گویند که بر خلاف انرژی‌های تجدیدناپذیر قابلیت بازگشت مجدد را به طبیعت دارند.
نگرانی درباره تغییرات زیست محیطی در کنار افزایش قیمت روزافزان نفت و اوج تولید نفت و حمایت دولت ها، باعث رشد روزافزون وضع قوانینی می‌شود که بهره برداری و تجارتی کردن این منابع سرشار تجدید پذیر را تشویق می کنند.
انواع انرژی‌های تجدید پذیر عبارتند از :
  • انرژی آبی
  • انرژی بادی
  • انرژی خورشیدی
  • انرژی زمین‌گرمایی
  • انرژیزیست توده
  • انرژی امواج و جزر و مد
نمودار نشان دهنده‌ی انرژی قابل دسترس سالیانه از منابع انرژی‌های نو در مقایسه با مصرف جهانی انرژی است. اعداد طوری در نظر گرفته شده‌اند تا ایده‌ی تقریبی از مقیاس نسبی را ارائه کنند. برای هرگونه منبع انرژی یک محدوده‌ی وسیعی از تخمین‌ها می‌تواند قابل دسترس باشد بنابراین اعداد، فقط برای نمایش هستند.
این اعداد از بعضی نظرها میزان پتانسیل قابل دسترس را دست کم گرفته‌اند (مثلاً از پتانسیل انرژی خورشیدی در دریا یا در فضا یا از انرژی بادی در ارتفاعات بالا یامکان‌های دورافتاده‌ی فرا ساحلی، یا از انرژی زمین گرمایی در اعماق بسیار زیاد کره زمین چشم‌پوشی شده است) ولی اینگونه می‌توان دریافت که همچنان انرژی‌های نو قابل دسترس برای انسان، بیشتر از مصرف انرژی کنونی در دنیا است.
انتظار می‌رود تا سال ۲۰۱۶، انرژی کسب شده از راه‌های تجدیدپذیر، از انرژی کسب شده از گاز پیشی گیرد. بنابراین ما باید به این روند شتاب بیشتری دهیم، اگر خواهان سیستم‌های انرژی پایدار هستیم.
2-3-1- انرژی خورشیدی
خورشید یکی از منابع اصلی انرژی­های تجدیدپذیر است که می‌تواند به عنوان یک منبع مفید و تامین کننده انرژی در اکثر نقاط جهان بکار گرفته شود. خورشید عامل و منشاء انرژی‌های گوناگونی است که در طبیعت وجود دارند از آن جمله : سوخت‌های فسیلی که در اعماق زمین ذخیره شده‌اند، انرژی آبشارها و باد، نمو گیاهان، حیوانات و انسان، کلیه مواد آلی که قابل تبدیل به انرژی حرارتی و مکانیکی هستند، امواج دریاها، قدرت جزر و مد که بر اساس جاذبه و حرکت زمین به دور خورشید و ماه حاصل می‌شود، همه نمادهایی از انرژیخورشیدی هستند. انرژی از خورشید که توسط زمین در یکسال دریافت می­شود 1000 بار بیشتر از انرژی تولید شده از سوختن همه سوخت­های فسیلی در همان سال تخمین زده شده است. به علاوه استفاده از آن اثرات نامطلوبی از خود باقی نمی‌گذارد و برای کشورهایی که فاقد منابع زیرزمینی هستند، مناسب ترین راه برای دسترسی به نیرو و رشد و توسعه اقتصادی می‌باشد.
 ایران با وجود اینکه یکی از کشورهای نفت­خیز جهان به شمار می­رود و دارای منابع عظیم گاز طبیعی می­باشد، خوشبختانه به علت شدت تابش خورشید در اکثر مناطق آن، اجرای طرح­های خورشیدی الزامی و امکان استفاده از انرژی خورشید در شهرها و 60000 روستای پراکنده در سطح کشور، می­تواند صرفه­جویی مهمی در مصرف نفت و گاز را به همراه داشته باشد. با توجه به اینکه ایران به طور تقریبی دارای 300 روز آفتابی بوده و از نظر مقدار این انرژی در ردیف بهترین کشورها به حساب می­آید، استفاده از انرژی خورشید نه تنها ضروری است بلکه در آینده اجتناب­ناپذیر هم خواهد شد. فن­آوری ساده و آلوده نشدن هوا و محیط زیست و از همه مهم تر ذخیره شدن سوخت­های فسیلی برای آیندگان، یا تبدیل آن ها به مواد و مصنوعات پر ارزش با استفاده از تکنیک پتروشیمی، از عمده دلایلی هستند که لزوم استفاده از انرژی خورشید را برای کشور ایران آشکار می سازند. راه‌های متعددی برای استحصال انرژی خورشیدی وجود دارد. از جمله : فتوولتائیک (PV) ، آرایه‌های حرارتی خورشیدی و در نهایت تکنیک‌های پسیو یا غیر فعال برای استفاده از انرژی پاک خورشیدی.
2–2-   انرژی بادی
انرژی بادی، دومین منبع انرژی تجدیدپذیر بزرگ برای برداشت است به طوری که کل بادهای کره زمین پاسخگوی تمامی نیازهای انرژی می‌باشد. انرژی بادی نیز در دهه‌ی اخیر دارای رشد قابل توجهی بوده است به طوری که در سال ۲۰۱۲ شاهد یک رشد ۱۸ درصدی در برداشت انرژی بادی بوده‌ایم. انرژی بادی اکنون ارزان‌ترین منبع انرژی تجدیدپذیر است و به کاهش هزینه‌های انرژی مصرف کنندگان نیز کمک می‌کند. تکنولوژی انرژی بادی با بهبود اندازه توربین‌ها و تکنولوژی‌های الکترومغناطیس و همچنین بهبود مزرعه‌های بادی اکنون به مرحله‌ی قابل قبولی رسیده است و بازده استحصال این انرژی تجدیدپذیر همواره در حال افزایش است. همانند انرژی خورشیدی، انرژی بادی نیز می‌تواند در زمین‌هایی استفاده شود که برای اهداف دیگری در حال استفاده هستند. انرژی بادی می‌تواند به صورت فرا ساحلی نیز برداشت شود.
2-3-3-  انرژی برق آبی
انرژی برق آبی، کامل‌ترین منبع انرژی تجدیدپذیر است که تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است و تاکنون نسبت به منابع خورشیدی، بادی و زمین گرمایی بیشترین الکتریسیته را تولید می‌کند. این منبع انرژی نو در سال ۲۰۱۲ حدود ۳ درصد رشد نسبت به قبل داشته است، که نسبت به دیگر منابع مقدار کمی است. انرژی برق آبی اکنون ۱۶ درصد از کل انرژی جهان را تأمین می‌کند و همچنین ۴ عدد
از بزرگ‌ترین نیروگاه‌های تولید انرژی در جهان، از نوع برق آبی می‌باشند. اشاره به این نکته ضروری است که انرژی میکروهیدرو نیز یک جایگزین برای انرژی برق آبی محسوب می‌شود که در حال توسعه است. هنوز پتانسیل انرژی زیادی در این مورد مشاهده نشده است و میکروهیدرو از آینده‌ی نامعلومی برخوردار است .
2-3-4- انرژی زمین گرمایی
انرژی زمین گرمایی در مقابل دیگر منابع تجدیدپذیر، زیاد رایج نیست. پتانسیل این انرژی تجدیدپذیر در کره زمین، با کل نیازمان به انرژی تقریباً برابری می‌کند. اولین نیروگاه انرژی زمین گرمایی در سال ۱۹۰۴ در لاردرلو ایتالیا احداث شد و به دنبال آن ، نیروگاه‌های زمین گرمایی Wairakei در نیوزیلند در دهه‌ی ۱۹۵۰ و Geysers در کالیفرنیا در دهه‌ی ۱۹۶۰ احداث گردیدند. در سال ۲۰۱۲ بیست و چهار کشور از انرژی تجدیدپذیر زمین گرمایی استفاده می‌کردند که در مجموع، توان ۱۲ گیگاوات را تولید می‌کردند. انرژی زمین گرمایی اکنون در مکان‌هایی متمرکز شده که به لحاظ جغرافیایی فعال می‌باشند. تولید توان فعال از منابع زمین گرمایی سنتی، شامل زمین
 ‌گرماهایی با دمای پایین، پمپ‌های حرارتی می‌توانند برای تولید گرمای مستقیم مورد استفاده قرار گیرند. امید زیادی که به تولید انرژی زمین گرمایی وجود دارد، مربوط به سیستم ژئوترمال پیشرفته یا EGS است که گاهی صخره داغ خشک نیز نامیده می‌شود. این سیستم توسط ایجاد سوراخ‌های عمیقی در زمین برای چرخش آب در آن‌ها عمل می‌کند. پتانسیل این نوع انرژی زمین گرمایی بسیار زیاد است با این حال تاکنون تلاش‌هایی که برای تولید انرژی به صورت تجاری در این راستا صورت گرفته چندان امیدوارکننده نبوده است.
2-3-5- انرژی اقیانوس
انرژی در اقیانوس‌ها و دریاها می‌تواند به سه صورت به دام انداخته شود: انرژی امواج، انرژی جزر و مد و تبدیل انرژی حرارتی اقیانوس یا به اختصار OTEC که زیاد شناخته شده نیست. در حالی که انرژی اقیانوس دارای پتانسیل بالایی است و با نیاز کنونی انرژی دنیا برابری می‌کند، تکنولوژی مورد نیاز برای بهره‌برداری کردن از این سه فرم انرژی هنوز به حد قابل قبول نرسیده و نیازمند صرف هزینه‌ی بسیاری است. انرژی امواج و  OTCE  نسبت به انرژی جزر و مد از پیشرفت کمتری برخوردار هستند هرچند تاکنون با سرعتآهسته پروژه‌های زیادی در هر دو زمینه صورت گرفته است.نوع دیگر روش پیچیده تولید الکتریسیته، استفاده از اختلاف شوری سطوح آب است.
2-3-6- بیوماس (زیست توده)، بیوگاز و بیوسوخت
فتوسنتز دسته‌ای از مواد را برای ما فراهم می‌آورد که می‌توانند با هدف “ انرژی” مورد استفاده قرار گیرند با این پیش بینی که محدودیت‌هایی در مورد اثرات این مواد بر روی توانایی ما در تولید خوراک و حفظ سلامتی محیط زیست وجود دارد. راه‌های متعددی برای استحصال انرژی از مواد آلی (ارگانیک) وجود دارد. از جمله استفاده از زیست توده یا بیوماس برای تولید انرژی، تولید بیوگاز که برای تولید حرارت یا انرژی مورد استفاده برای حمل و نقل استفاده می‌شود، انرژی بیوسوخت که می‌تواند جایگزین سوخت‌های مایع سنتی شود یا به عنوان مکملی برای آن‌ها باشد. از طریق گرماکافت می‌توان نسبت به تولید بیودیزل، حاصلخیز کننده (fertilizer) و بیوچار (bio char) اقدام کرد. تلاش‌های دیگر در زمینه بیوسوخت مانند “اتانول وابسته به سلولز” و “بیوسوخت‌های بر اساس خزه و جلبک” تاکنون از نظر تولید به قدر کافی و قابل قبول، موفق نبوده‌اند. هرچند تولید انرژی بر اساس زیست توده دارای نقد و انتقاداتی است ولی در اکثر موارد اینگونه پذیرفته می‌شود که نسبت به تولید بیوسوخت، ارجحیت دارد. بیوگاز نوید بخش‌ترین رویکرد تولید انرژی بر اساس زیست توده است و انتقادات کمتری در مورد آن صورت گرفته است. مهم‌ترین موردی که باید به آن اشاره شود، یک رقابت محدود بین تولید غذا و تولید بیوگاز است؛ این دو مورد اصولاً مکمل یکدیگرند و انرژی خالص قابل دسترس از بیوگاز بیشتر از بیوسوخت‌ها است. بیوگاز می‌تواند از گوارنده‌ها که ضایعات کشاورزی را مورد پردازش قرار می‌دهند یا از زمین‌های دفن زباله (و در مواقع خاص، از منابع طبیعی بیوگاز) تولید شود
  تعامل معماری پایدار و انرژی های تجدیدپذیر
پس از تعریف معماری پایدار و بررسی انواع منابع تامین انرژی های تجدیدپذیر، به بررسی نحوه تعامل این دو مهم پرداخته می شود تا بتوان به هدف طراحی ساختمان انرژی صفر و سازگار با طبیعت در راستای برآوردن اصول معماری پایدار، نایل شد. رابطه متقابل معماری و توسعه پایدار با مبحث تولید و مصرف انرژی که لازمه توسعه در همه زمینه هاست، انکار ناپذیر است.
  معماری و انرژی خورشیدی
 روش های استفاده از انرژی خورشیدی
خورشید منبع عظیم انرژی است که امروزه تلاش های زیادی جهت بهره وری از این منبع بزرگ انرژی انجام گرفته است. این انرژی بصورت مستقیم یا غیر مستقیم به دیگر اشکال انرژی تبدیل می‌گردد. بهره‌وری حاصل از انرژی جذر- مد و باد، نمونه‌هایی از استفاده غیر مستقیم از انرژی خورشید است. درحالی که نمونه هایی مانند طبخ غذا و سلول فوتوولتاییک، استفاده مستقیم از انرژی خورشیدی را نشان می‌دهد.
استفاده “مستقیم” از انرژی خورشیدی به دوصورت انجام می‌گیرد : یا از طریق تمرکز نور که به آن سولارپاور متمرکز یا CSP می‌گویند و یا از روشی به جز متمرکز، که آن را SP نام گذاری می‌کنند. بدیهی است نورگیرهای خورشیدی، سلول های فوتوولتاییک استاندارد (PV) و تکنولوژی برج در دسته SP قرارمی‌گیرند.
دسته CSP رامی توان در سه دسته تقسیم بندی کرد: دسته اول استفاده ساده ومستقیم، تنها از انرژی حرارتی خورشید است. مجموعه‌های مختلفی مانند کباب‌پزخورشیدی، آشپزخانه خورشیدی، کارخانجات ذوب فلزات خورشیدی که تنها از انرژی حرارتی خورشید استفاده می‌کنند، در این دسته طبقه بندی می‌شوند. در دسته دوم برای تبدیل همه یا قسمتی از انرژی خورشیدی به سایرانرژی ها ابتدا آن را به حرارت تبدیل می‌کنند. سلول های ترموالکتریک، پمپ های آب خورشیدی و نیروگاه های هلیواستات با موتورهای استرلینگ در این
دسته قرار می‌گیرند. در دسته سوم همه یا بخشی از انرژی خورشید را به طور مستقیم به سایر انرژی ها تبدیل می‌کنند مانند CPV ها.
برای سود جستن از انرژی خورشیدی دو راه وجود دارد:
  • استفاده مستقیم از نور خورشید و تبدیل آن به الکتریسیته از طریق سلول های فتوولتائیک
  • استفاده مستقیم از انرژی خورشیدی و تبدیل آن به انواع انرژی های دیگر و یا استفاده مستقیم از آن (کاربردهای نیروگاهی و غیر نیروگاهی خورشیدی)
سیستم های خورشیدی و انرژی های سبز به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند.
  • فعال (Active)
  • غیر فعال (Passive)
 سیستم غیر فعال خورشیدی (Passive)
سیستمی که قسمت‌هایی از جداره پوسته خارجی را تشکیل می‌دهد و به گونه‌ای طراحی شده است که به یک مکانیسم غیرفعال، انرژی خورشید را در خود جمع آوری و ذخیره می‌نماید تا در زمان مناسب به فضای داخلی ساختمان منتقل گردد (مانند فضای گلخانه‌ای).
در اغلب ساختمان‌ها به نوعی از ساده ترین روش گرمایش غیر فعال خورشیدی استفاده می‌شود. با تابش خورشید به پنجره های یک ساختمان، حرارت در فضاهای داخلی ذخیره شده و باعث گرم شدن
فضاهای داخلی می‌شود (پدیده گلخانه‌ای). که این فرایند ساده ترین نوع سیستم غیر فعال است. اما هدف اصلی از طراحی سیستم‌های غیر فعال خورشیدی، جذب حداکثر حرارت خورشید و ذخیره حرارت جذب شده و پخش ان در فضاهای داخلی است. فضاهای آفتاب گیر و گلخانه ای که در جهت جنوب طراحی می‌شوند از ضروریات یک سیستم غیر فعال خورشیدی است.
 انواع سیستم‌های غیر فعال خورشیدی
  • دریافت مستقیم
  • دیوار ترومپ
  • آتریوم
  • اتاقک‌های شیشه‌ای چسبیده به بنا
  • دیوار سنگین
  • پدیده ترموسیفون
  • بالکن‌های شیشه‌ای
 سیستم دریافت مستقیم
ساده ترین سیستم غیر فعال خورشیدی است. در این سیستم نور خورشید از پنجره‌ها و بازشوها و نورگیرها وارد فضای داخلی شده و به وسیله سطوح و مبلمان داخلی جذب می شود. بناهای با جذب مستقیم به پنجره‌های رو به جنوب که به نام پنجره‌های خورشیدی نامیده می‌شوند وابسته‌اند. نور خورشید با امواج با طول موج کوتاه از شیشه عبور کرده و داخل فضای مورد نظر می‌گردد. این امواج پس از تابیده شدن بر روی سطوح داخلی، ان‌ها را گرم کرده و موجب انتشار امواج با طول موج بلند می‌شوند. این امواج دیگر قادر به عبور نبوده و در داخل فضا حبس می شوندکه این امر به پدیده گلخانه‌ای معروف است. حرارت خورشید به طور مستقیم توسط دیواری که ظرفیت حرارتی بالایی دارد مثل یک (دیوار بتنی) ذخیره شده و در فضاهای داخلی پخش می‌شود.
درمورد سیستم‌های گرمایش خورشیدی پسیو، برخی از روش‌های کلی عباتند از:
  • ورود مستقیم نور خورشید به داخل اتاق از طریق پنجره‌ها (ساخت خانه رو به خط استوا)
  • استفاده از دیوار ذخیره کننده انرژی خورشیدی (دیوار ترومب) و دیوار آبی
  • استفاده از گلخانه‌ی جانبی
  • استفاده از استخر یا حوضچه روی بام.
  سیستم فعال خورشیدی
سیستم های فعال به نوعی از سیستم های خورشیدی می گویند که هر یک از مراحل جذب و یا تبدیل انرژی خورشید به انرژی مورد نظر (به طور مثال الکتریسیته) یا گرما به وسیله وسایل رابط مکانیکی یا الکتریکی یا کلکتور های خورشیدی مانند کلکتور های آب گرم کن های خورشیدی یا صفحات Pv panel انجام پذیرد. این سیستم ها معمولا پیچیده تر از سیستم های غیر فعال هستند و امکان کنترل بیشتری روی دریافت انرژی مورد نظر خورشید وجود دارد.
سیستم های فعال به طور خلاصه به صورت زیر عمل می کنند:
  • جذب انرژی خورشید توسط کلکتورها
  • انتقال گرما از کلکتور به عملگر جاری
  • انتقال عملگر جاری به ذخیره کننده(ها)
  • استفاده از گرمای ذخیره شده در ساختمان
  سیستم های فتوولتائیک:
فتوولتاییک(Photovoltaics)  یا به اختصار PV، یکی از انواع سامانه‌های تولید برق از انرژی خورشیدی می‌باشد. در این روش با به کارگیری سلول‌های خورشیدی، تولید مستقیم الکتریسیته از تابش خورشید امکان‌پذیر می‌شود. سلول‌های خورشیدی از نوع نیمه رسانا می‌باشند که از سیلیسیوم یعنی دومین عنصر فراوان پوسته زمین ساخته می‌شوند. می‌توان فتوولتاییک را در دسته فناوری‌های انرژی‌های تجدید پذیر قرار داد. عنصر اصلی فناوری فتوولتاییک، سلول خورشیدی است. سلول‌های فتوولتاییک (PV) که عموم آن را با نام سلول‌های خورشیدی می‌شناسند، از مواد نیمه رسانای حالت جامد تشکیل شده‌اند. اگر چه سلیکون عنصر فراوانی است و درصد زیادی از پوسته زمین را تشکیل می‌دهد، ولی سلول‌های سیلیکونی به خاطر فرایند ساخت و خالص سازی سیلیکون، قیمت بالایی دارند.
از آنجا که سلول هایPV  کوچک، شکننده بوده و تنها مقدار کمی برق تولید می‌کنند آن ها را به صورت مدول شکل می‌دهند. مدول ها در اندازه‌های متنوع عرضه می‌گردند ولی برای سهولت جابجایی ابعاد آن‌ها به ندرت از ۹۰ سانتیمتر عرض در ۱۵۰ سانتیمتر طول تجاوز می‌کند. هنگامی که دو سلول با مدول در یک ردیف متصل می‌گردند ولتاژ آن ها دو برابر می‌شود و هنگامی که بصورت موازی به یکدیگر متصل می‌شوند جریان برق آن دو برابر می‌گردد.
سیستم های فتوولتائیک به سه دسته تقسیم می شوند:
  • Monocrystalline
  • Polycrystalline
  • Amorphous Silicon (thin film)
  تکنولوژی های نوین
سنگفرش خورشیدی
پنل‌های نیمه مات شبیه صفحات آکریلیک دودی هستند که می‌توان روی آن‌ها راه رفت در قسمت کوچکی از پیاده رو قرار دارند. سنگفرش‌های فتوولتائیک در این تجهیزات می‌تواند تا ماکسیمم ۴۰۰ وات انرژی برای روشن کردن ۴۵۰ عدد LED را تولید کنند. همچنین پیاده رو نیز به داربست هایی متصل است و انرژی تولید شده خود را به ساختمان مورد نظر منتقل می کند
صفحات فوتوولتائیک شفاف
 آب گرم کن های خورشیدی
 تا اینجا تمامی سیستم های معرفی شده و جزییات ارائه شده مانند پنل های فتوولتاییک، انرژی خورشید را به الکتریسیته تبدیل می کردند و گرمای خوردشید نقشی در کارکرد سیستم ها نداشت. در اینجا سیستم هایی معرفی می شوند که فرایند آن ها به استفاده از گرمای خورشید کامل می شود. آب گرم کن های خورشیدی ساده ترین نوع این سیستم ها هستند.
آشنایی با گرمایش و سرمایش خورشیدی ساختمان‌ها
تأمین گرمای ساختمان با خورشید، از دو طریق می‌تواند صورت گیرد: پسیو و اکتیو. در طراحی پسیو، معماری ساختمان تعیین کننده میزان دریافت انرژی از طریق خورشید است و در طراحی اکتیو، جذب انرژی خورشید نیازمند استفاده از یک منبع انرژی دیگر برای انتقال مایع گرم شده به داخل ساختمان است.
سیستم گرمایش خورشیدی پسیو
در طراحی ساختمان پسیو، پنجره‌ها، دیوارها و طبقات به گونه‌ای ساخته می‌شوند تا انرژی خورشید را به صورت گرما در زمستان جمع‌آوری، ذخیره و توزیع کنند و گرمای تابستان را نپذیرند. این طراحی، پسیو، آب‌وهوایی یا طبیعی نامیده شده است زیرا برخلاف سیستم‌های گرمایی خورشیدی اکتیو، از ماشین‌ها و دستگاه‌های الکتریکی استفاده نمی‌کند.
کلید طراحی یک ساختمان پسیو، بهره‌گیری هرچه بهتر از آب و هوای محل ساختمان است. اجزائی که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از قرار دادن انواع پنجره‌ها جداره‌ها، عایق بندی گرمایی، جرم حرارتی و سایه‌بان
سیستم گرمایش خورشیدی اکتیو
در این سیستم‌ها، از تجهیزات مختلفی برای گرم کردن ساختمان استفاده می‌شود که برخی از آن‌ها عبارتند از: کلکتورها، سیستم‌های ذخیره کننده‌ی انرژی گرمایی، کنترل دستی یا اتوماتیک، سوخت کمکی و مبدل‌های حرارتی. تمام آنچه که سیستم‌های گرایش خورشیدی اکتیو باید انجام بدهند، جذب انرژی خورشید توسط کلکتورها، انتقال گرما از کلکتور به عملگر جاری، انتقال عملگر جاری به ذخیره کننده(ها) و نهایتاً استفاده از گرمای ذخیره شده در ساختمان است. کلکتورها در واقع قسمتی از ساختمان می‌باشند، مثلاً پنجره یا نورگیر. کلکتورهای باید دارای این ویژگی‌ها باشند:
  • جذب بیشینه انرژی خورشید با طول موج ۰٫۳ تا ۲٫۵ میکرون و کمترین نشر در محدوده‌ی مادون قرمز
  • مقاومت در برابر خوردگی و پوسیدگی، اشعه‌ی فرابنفش، رسوبات و خوص اسیدی یا قلیایی عملگر جاری.
سیستم‌های سرمایش خورشیدی
تولید سرما با خورشید کاری است بسی دشوار، برخلاف چیزی که در قسمت گرمایش خورشیدی مشاهده کردیم. به طور عمده، دو راه برای سرمایش خورشیدی وجود دارد:
  1. تبدیل انرژی خورشید به انرژی مکانیکی یا الکتریکی و استفاده از انرژی حاصل در به کار انداختن تجهیزات برودتی مانند کولر
  2. تبدیل انرژی خورشید به انرژی حرارتی و استفاده از آن در بکار انداختن دستگاه‌های تبرید جذبی. در این روش از انرژی خورشید برای گرم کردن ژنراتور خورشیدی (دقیقاً مانند جذب گرما در کلکتورها) استفاده می‌شود. با گرم شدن ژنراتور، اپراتور آن سرما ایجاد می‌کند.
در صورت چیلر بودن سیستم سرمایش، آبی که در اپراتور سرد شده است به توزیع کننده‌های موجود در فضای ساختمان (مثلا اطاق) می‌رود و نهایتاً موجب سرد شدن فضای اطاق می‌شود. آب، پس اینکه سرمایش را از دست داد، به سمت اپراتور برمی‌گردد و این چرخه مدام تکرار می‌شود.
  • آب‌گرم‌کن‌های خورشیدی
آب گرم‌کن‌ها عمده‌ترین نقش غیرنیروگاهی سیستم‌های گرمایی خورشیدی می‌باشد. آبی که توسط آب گرم کن حاصل می‌‌شود برای مثال می‌تواند در موارد زیر مورد استفاده قرار گیرد:
  • آب گرم بهداشتی
    گرم کردن فضای ساختمان از طریق گرم کردن آب گرم برای سیستم‌های گرمایشی
  • تأمین گرمای مورد برای راه‌اندازی سیستم‌های جذبی جهت تهویه مطبوع و سیستم‌های سرمایشی
  • استفاده در آب شیرین‌کن‌ها
بدون اینکه با آب مصرفی مخلوط شود، به طور مداوم در این چرخه به گردش در می‌آید.
2-4-2-  معماری و انرژی باد
انرژی باد نظیر سایر منابع انرژی تجدید پذیر، به طور گسترده ولی پراکنده در دسترس می باشد. تابش نا مساوی خورشید در عرض‌های مختلف جغرافیایی به سطح ناهموار زمین، باعث تغییر دما و فشار شده و باد ایجاد می شود. اتمسفر کره زمین به دلیل چرخش، گرما را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که باعث ایجاد باد می شود. انرژی باد طبیعتی نوسانی و متناوب داشته و وزش دائمی ندارد. از انرژی های بادی جهت تولید الکتریسیته، پمپاژ آب از چاه‌ها و رودخانه ها، آرد کردن غلات، کوبیدن گندم، گرمایش خانه و مواردی نظیر این ها می توان استفاده نمود.
از مزایای استفاده استفاده از انرژی باد می توان به موارد زیر اشاره کرد:
  • عدم نیاز توربین‌های بادی به سوخت که در نتیجه از میزان مصرف سوخت‌های فسیلی می‌کاهد.
  • رایگان بودن انرژی باد
  • کمتر بودن نسبی قیمت انرژی حاصل از باد در بلند مدت
  • تنوع بخشیدن به منابع انرژی و رویکرد به سوی سیستم پایدار انرژی
  • قدرت مانور زیاد جهت بهره‌برداری در هر ظرفیت و اندازه (از چند وات تا چندین مگاوات)
  • عدم نیاز به آب (در مقایسه با نیروگاههای متعارف همچون سد و…)
  • عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
  • ایجاد اشتغال
  • نداشتن آلودگی‌های زیست محیطی
توربین های بادی به طور کلی به دو دسته تقسیم می شوند :
  • محور افقی
  • محور قائم
توربین‌های محور قائم به هر نوع سیستم جهت یابی نیاز ندارند و از هزینه‌ای که باید صرف سیستم جهت یابی و یا افت‌هایی که از خطای این سیستم و یا تاخیر آن در پاسخ به تغییر جهت باد ناشی می‌شود بر حذر می‌باشند.
طرح توربین‌های محور قائم این اجازه را می‌دهد تا بتوان سیستم انتقال قدرت را نزدیک و یا بر روی سطح زمین نصب نمود. در حالی که در
 توربین‌های محور افقی این سیستم با مشکل زیاد در بالای برج نصب می‌گردد. توربین‌های محور قائم با پره‌های مستقیم از انعطاف پذیری بیشتری برخوردارند. در حالی که توربین‌های محور افقی نسبت به توربین‌های محور قائم از سابقه بیشتری برخوردارند.
  یکپارچه سازی توربین بادی با ساختمان
یکپارچه سازی توربین‌های بادی با ساختمان مشکلاتی را به همراه دارد:
  • باید کوچک باشند تا بر ساختار ساختمان تأثیری نگذارند
  • توربین ها لرزش و صدای زیادی تولید می کنند که قرار گیری آن ها بر ساختمانی با اسکلت فولادی موجب گسترش صدا و لرزش می شود.
  • هزینه های فراوانی دارد و باید بار آن بر ساختمان توزیع شود.
  • بادهایی که در بالای ساختمان می وزند معمولأ دچار آشفتگی می باشند که اکثر توربین ها برای عملکرد بهینه نیازمند جریان ثابت باد هستند.
  معماری و انرژی زمین گرمایی
در این سیستم، انرژی موجود در پوسته ی زمین مورد بهره برداری قرار می گیرد. حرارت زمین از طریق فورانهای آتشفشانی، آب های موجود در سیستمهای زمین‌گرمایی و یا بواسطه خاصـیت رسـانایی(Heat flow)  از بخش‌های درونی به سطح زمین هدایت می‎شود. انرژی زمین گرمایی بر خلاف سایر انرژی های تجدید پذیر، محدود به فصل، زمان وشرایط خاصی نبوده بدون وقفه قابل بهره برداری می باشد. دمای زمین، برخلاف هوای محیط، تقریباً ثابت است.
منابع زمین گرمایی:
  1. منابع آب داغ
  2. منابع بخار خشک
  3. تخته سنگ‌ های خشک داغ
  4. مواد مذاب
مزایای سیستم زمین گرمایی
  1. هزینه کمتر نسبت به سیستم های گرمایی دیگر
  2. امنیت
  3. تمیزی
  4. بدون صدا
  5. دوستدار محیط
پمپ های حرارتی زمینی
پمپ­های حرارتی زمینی، از زمین یا آب­های زیرزمینی و یا هر دو، به عنوان منبع حرارت در زمستان و به عنوان چاه حرارتی در تابستان، استفاده می­کنند.  پمپ­های حرارتی زمینی، به عنوان سیستم­های انرژی زمینی (EES) نیز نامیده می­شوند.

گردآوری : مریم رضازاده

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Fill out this field
Fill out this field
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.
شما برای ادامه باید با شرایط موافقت کنید

فهرست