منوی محصولات
منوی محصولات

تعیین الگوهای مصرف سرمایشی در کشور به منظور تدوین تعرفه

پنجشنبه ۲۴ فروردین ۱۳۹۶

چکیده:
مدیریت بار و انرژی از جمله سرفصل‌های مهم تحقیقاتی وزارت نیرو در سالهای اخیر محسوب می‌شود. از جمله نیازهای برنامه‌ریزی انرژی، دسترسی به اطلاعات لازم در این زمینه است. با وجود اینکه کشور ما از شرایط آب و هوایی بسیار متنوعی برخوردار است اما بخش قابل توجهی از مناطق کشور در نواحی گرمسیر قرار دارد. به همین لحاظ مدیریت بار سرمایشی و تدوین تعرفه‌های برق برای بخش مسکونی در نواحی مختلف کشور از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. تعیین مصارف سرمایشی به این منظور به عوامل متعددی وابسته است. در این پژوهش به ارائه نتایج محاسبات تعیین مصارف سرمایشی یک خانوار نمونه در 195 شهر کشور پرداخته شده است. براساس نتایج به دست آمده از این پژوهش شهرهای مختلف از نظر میزان مصرف برق ناشی از کاربرد سیستم‌های سرمایشی طبقه‌بندی و الگوهای مختلف مصرف برق در آنها معین و بر مبنای معیارهای تدوین شده شهرهای واقع در نواحی گرمسیری استخراج شده است. از نتایج بدست آمده، می‌توان به منظور مدیریت بار سرمایشی ساختمانها و تدوین تعرفه برای نواحی مختلف کشور استفاده نمود.
 

 

 

 

1ـ مقدمه

گستردگی و وجود نواحی آب و هوایی متنوع در ایران، الگوهای مصرف حرارتی و سرمایشی گوناگونی در کشور ایجاد نموده است. از این رو در برنامه‌ریزی‌های انرژی و تدوین تعرفه‌ها در نظر گرفتن الگوهای مزبور ضروری بوده و باعث می‌گردد سرمایه‌گذاری در تولید و عرضه انرژی اقتصادی‌تر صورت پذیرد. یکی از مصارف مهم انرژی الکتریکی، مصرف ناشی از به‌کارگیری سیستم‌های سرمایشی است. به نحوی که در برخی مناطق عامل اصلی ایجاد پیک مصرف بوده و لذا تعیین کننده ظرفیت تجهیزات نصب شده می‌باشد. 
بنابراین بررسی مصارف مزبور و تعیین الگوهای صحیح کاربرد سیستم‌های مختلف سرمایش از جمله راه‌حلهای راهگشا جهت تدوین مناسب‌تر تعرفه‌های برق خواهد بود.
در این پژوهش به ارائه نتایج محاسبات تعیین مصارف سرمایشی یک خانوار نمونه برای 195 شهر کشور پرداخته شده است. شایان ذکر است که نتایج مذکور می‌تواند مبنای مناسبی برای مدیریت بار سرمایشی و تدوین تعرفه، نواحی گرمسیری و غیرگرمسیری باشد. علاوه براین باید توجه داشت که اعتبار نتایج به دست آمده در این پژوهش وابسته به اعتبار مفروضات محاسبات خواهد بود. به عبارت دیگر در صورت افزایش دقت آمار و اطلاعات ورودی می‌توان به نتایج معتبرتری دست یافت.
تعیین مصارف سرمایشی خانوار نمونه نیازمند تعیین خصوصیات فیزیکی هوا، عوامل مؤثر، آسایش و انواع روشها و سیستم‌های سرمایش می‌باشد که در ادامه مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد.

 
 

ناحیه آسایش براساس استاندارد انجمن مهندسین تأسیسات آمریکا

شکل (1)

 

  

2ـ خصوصیات فیزیکی هوا
ایجاد شرایط آسایش انسان در محیط‌های مختلف از طریق انجام یک سلسله تغییرات در وضعیت هوا شامل افزایش یا کاهش دما و رطوبت و نیز کاهش میزان گازها و ترکیبات مضر موجود در هوا صورت می‌گیرد. به همراه گازهای موجود در هوا همواره مقداری رطوبت به صورت بخار آب وجود دارد که میزان آن متغیر است. 
رطوبت نیز همانند دما در شرایط آسایش انسان و کیفیت هوای محیط نقش تعیین‌کننده‌ای ایفا می‌کند.

 

3ـ آسایش
آسایش انسان به عوامل محیطی و غیرمحیطی متعددی بستگی دارد که از میان عوامل محیطی می‌توان به دمای محیط، رطوبت، دمای زمین و وزش باد، و از عوامل غیرمحیطی به میزان پوشش بدن، فعالیت بدن، سن، جنس، ساختار فیزیکی بدن و ازدحام محیط اشاره نمود. به هنگام طراحی سیستم‌های حرارتی و سرمایشی برای ساختمانها، به‌غیر از عوامل محیطی می‌توان میزان پوشش و فعالیت بدن را با استفاده از ضرایبی در محاسبات در نظر گرفت.
به منظور تعیین حدود آسایش، تاکنون آزمایشها و تجارب متعددی توسط انجمن‌ها و مراکز تحقیقاتی صورت گرفته و استانداردهایی تدوین شده است. یکی ازمعتبرترین آنها استاندارد انجمن مهندسین تأسیسات آمریکا (ASHRAE) می‌باشد که توسط آن ناحیه آسایش مطابق شکل (1) تعیین می‌گردد. به منظور بیان تأثیر دما و رطوبت در آسایش از شاخص دما ـ رطوبت (Temp. Humidity Index) استفاده می‌گردد. از آنجا که عوامل غیرمحیطی در مورد افراد گوناگون با یکدیگر متفاوت است، مقدار شاخص دما ـ رطوبت را باید به عنوان آسایش نسبی تلقی نمود. برای محاسبه شاخص دما ـ رطوبت می‌توان از رابطه (1) استفاده کرد.
(1)        THI=td-(0.55 - 0.55RH)(td – 58)
پارامترهای مورد استفاده در رابطه (1) به شرح زیر معرفی می‌شوند:
THI: شاخص دما ـ رطوبت،
td: دمای خشک برحسب درجه فارنهایت،
RH: رطوبت نسبی برحسب درصد.
آزمایشهای تجربی نشان داده است که اگر شاخص دما ـ رطوبت برابر 70 شود اکثر افراد در آن شرایط احساس آسایش می‌نمایند. در صورتی که اگر شاخص مذکور به 75 افزایش یابد تقریباً نیمی از افراد احساس عدم آسایش خواهند نمود. بنابراین با افزایش این شاخص به حدود 70، استفاده از سیستم‌های تهویه و تبرید لازم می‌گردد.
 
4ـ روشها و سیستم‌های سرمایش
همانگونه که در شکل (1) نشان داده شده است، با افزایش دما نسبت به محدوده دمای ناحیه آسایش (حدود 20 تا 25 درجه سانتیگراد)، انسان برای کسب آسایش مطلوب نیاز به سیستم‌های تهویه مطبوع خواهد داشت. با توجه به نحوه عملکرد دستگاههای متداول، روشهای متعارف تهویه مطبوع را می‌توان مطابق شکل (2) به سه گروه زیر تقسیم نمود [1]:
(الف) تهویه (Ventilation):
این روش به دو صورت طبیعی و غیرطبیعی صورت می‌گیرد که در حالت غیرطبیعی می‌توان از انواع پنکه استفاده نمود.
(ب) تبخیر (Evaporating Cooling):
در این روش با افزایش رطوبت هوا در آنتالپی ثابت، گرمای محسوس هوا کاهش داده می‌شود. این روش به ویژه در نواحی آب و هوایی خشک بسیار مؤثر بوده و دستگاه متداول آن در ایران کولر آبی است.
(پ) تهویه مطبوع (Air Conditioning):
در این روش با استفاده از سیستم‌های تهویه مطبوع از جمله کولر گازی دمای هوا کاهش داده می‌شود. این فرآیند می‌تواند به همراه عمل رطوبت‌گیری که باعث کاهش گرمای نهان هوا می‌شود صورت گیرد. اصول حاکم برعملکرد کولرهای گازی که از دستگاههای رایج در این روش است، مبتنی بر سیکل تراکمی می‌باشد که در آن سیال تقطیر شده در کندانسور به کمک شیر انبساط در اواپراتور تبدیل به گاز شده و تولید سرما می‌نماید. گاز تولید شده در اواپراتور توسط کمپرسور متراکم شده و حرارت دریافت شده در اواپراتور و کمپرسور، در کندانسور از دست داده می‌شود و مبرد مذکور به مایع تبدیل می‌گردد. این تحولات در یک سیکل تراکمی متناوب انجام می‌پذیرد. جهت معرفی عملکرد یک پمپ حرارتی نظیر کولرگازی از شاخص ضریب عملکرد (Coefficient of Performance) استفاده می‌شود.
 

 

ناحیه عملکرد سیستم‌های سرمایشی متداول برنمودار مشخصه هوا

  

شکل (2)

 

ضریب عملکرد مطابق تعریف نسبت سرمای مفید به کار خالص است. پرواضح است که هر چه ضریب عملکرد بیشتر باشد، برودت بیشتری در مقابل کار معین ایجاد خواهد شد. مصرف انرژی الکتریکی در کولرهای گازی عمدتاً ناشی از به کارگیری کمپرسور و همچنین دمنده هوا است. با توجه به نقش مهم کمپرسور جهت تراکم سیال مبرد در سیکل، سهم مصرف برق دمنده هوا نیز نسبت به سهم کمپرسور مورد استفاده در کولر گازی به نسبت کوچک بوده و بیشتر مصرف انرژی الکتریکی در کولرهای گازی مربوط به کارکرد کمپرسور می باشد. قدرت مصرفی کمپرسور با جرم سیال و افرایش آنتالپی ناشی از فرآیند تراکم متناسب است. به عنوان مثال برای یک نمونه کولرگازی با ظرفیت 24000 بی‌تی‌یو در ساعت، میزان توان دمنده دستگاه حدود 3 کیلووات می‌باشد [2].
پس ازتعیین اطلاعات مورد نیاز به منظور تعیین مصارف سرمایشی خانوار نمونه می‌توان مصارف سرمایشی خانوار نمونه می‌توان مصارف مذکور را تعیین و سپس با توجه به مصارف فوق، شهرهای کشور را از لحاظ میزان مصرف برق سیستم های سرمایشی، طبقه‌بندی نمود.

 

5ـ تخمین مصرف سرمایشی خانوار نمونه
برحسب اینکه دمای داخل یک ساختمان کمتر یا بیشتر از دمای خارج آن باشد، همواره مقداری حرارت از طریق دیواره‌های ساختمان به صورت هدایت با محیط تبادل می‌گردد. به علاوه، حرارت به صورت تشعشع نیز از طریق شیشه‌های ساختمان به داخل منتقل می‌شود. در تعیین میزان این انتقال حرارت، ضرایب و عوامل متعددی وجود دارد که تعیین دقیق آنها مستلزم وجود طرح ساختمانی مشخص و در نظر گرفتن کلیه شرایط آب و هوایی است. 
علاوه بر تلافات حرارتی، نحوه به‌کارگیری سیستم‌های تبرید مورد نظر نیز در میزان مصرف سرمایشی خانوار مؤثر است. نحوه استفاده معمول از کولرهای گازی گردش و سرمایش هوای داخل ساختمان می‌باشد، ولی این امکان نیز وجود دارد که هوای خارج از ساختمان نیز مورد استفاده قرارگیرد که در این صورت نیاز به مقداری انرژی برای کاهش دما و رطوبت‌گیری وجود دارد. با مشخص بودن دما و رطوبت  نسبی هوای خارج، با استفاده از رابطه (2) می‌توان میزان آنتالپی هوا را به دست آورد [1].

02020203.jpg
 

پارامترهای مورد استفاده در رابطه (2) به شرح زیر معرفی می‌شوند:
td: دمای خشک برحسب درجه فارنهایت،
hv: آنتالپی بخار آب موجود در هوا برحسب بی‌تو‌یو برپاند،
w : نسبت وزن بخار آب موجود در هوا به وزن هوای خشک برحسب پاندبرپاند
برای محاسبه hv می‌توان از رابطه (3) استفاده کرد [1].
 02020204.jpg

به هنگام تعیین الگوی مصارف سرمایشی بخش خانگی، خصوصیات ساختمانهای مسکونی رایج در شهرهای مورد بررسی اهمیت ویژه‌ای می‌یابند. در جدول (1) برخی از ویژگی‌های یک واحد مسکونی خانوار واقع در شهرهای جنوبی کشور که با استفاده از آمار مربوط به استانهای خوزستان، هرمزگان و بوشهر به دست آمده، نشان داده شده است. با استفاده از اطلاعات فوق برای یک خانوار نمونه و با استفاده از یک نرم‌افزار مناسب می‌توان مصرف متوسط سرمایشی خانوار را به دست آورد.

 

جدول (1) مشخصات محل سکونت خانوار نمونه براساس اطلاعات استانهای خوزستان، هرمزگان و بوشهر [1]

 

02020205.jpg


 

در صورت استفاده از کولر گازی با تعیین ضرایب انتقال حرارت اجزای مختلف ساختمان میزان اتلاف حرارت و با استفاده از روابط (2) و (3) میزان انرژی لازم برای رطوبت‌گیری و سرمایش هوای خارج در حالت جایگزینی با هوای داخل به دست می‌آید. شایان ذکر است که محاسبات پیش گفته برمبنای اطلاعات هواشناسی مربوط به 195 شهر محتلف انجام شده است [1]. در جدول (2) میزان مصرف برق ماهانه یک واحد مسکونی نمونه برای سرمایش محیط برحسب کیلووات ساعت در شرایط محیطی مختلف که با مفروضات فوق به دست آمده درج شده است. در این جدول حد بالایی شرایط آب و هوایی کشور نیز با در نظر گرفتن بیشینه درجه حرارت شهرهای منتخب در سال مشخص گردیده است.

 

جدول (2) تعیین مصرف برق و سیستم سرمایشی مورد نیاز واحد مسکونی نمونه مورد بررسی [1]

 

02020206.jpg


 
محاسبات فوق برای 195 شهر مختلف انجام شده است. در جدول (3) یک نمونه از نتایج به دست آمده شامل مصرف ماهانه خانوار نمونه و دستگاه مورد نیاز برای ایجاد شرایط آسایش در ماههای مختلف سال در سه حالت کمینه، بیشینه، و متوسط دما برای شهر آبادان آورده شده است. شایان ذکراست که مقادیر کمینه و بیشینه دما در ماه به ترتیب برمبنای متوسط مقادیر روزانه کمینه و بیشینه دما محاسبه گردیده است.
 

جدول (3) مصرف ماهانه و سیستم سرمایشی برای ایجاد شرایط آسایش در ماههای سال 

در سه حالت کمینه، متوسط و بیشینه دما برای یکی از شهرهای مورد بررسی [1]

 

02020207.jpg


 

6ـ طبقه‌بندی شهرها
با توجه به روشهای تهویه مطبوع که در بخش (4) به آنها پرداخته شد میزان مصرف دستگاههای سرمایشی، مشخص می‌گردد. کولرهای گازی نقش تعیین کننده‌ای در میزان مصرف سرمایشی خانوار نمونه در شهرهای انتخاب شده دارند. بنابراین بر مبنای کاربرد کولرهای گازی در شرایط دمایی متفاوت می‌توان شهرها را به چهار گروه زیر تقسیم نمود:
گروه (1): شهرهایی که در برخی ماهها در هر سه حالت کمینه، متوسط و بیشینه دما نیاز به استفاده از کولرگازی دارند.
گروه (2): شهرهایی که در برخی ماهها در حالتهای متوسط و بیشینه دما نیاز به استفاده از کولر گازی دارند.
گروه (3): شهرهایی که در برخی ماهها فقط در حالت بیشینه دما نیاز به استفاده از کولر گازی دارند.
گروه (4): شهرهایی که در هیچ شرایطی نیاز به کاربرد کولر گازی ندارند.
در جدول (4) میزان مصرف برق ناشی از استفاده از سیستمهای سرمایشی واحد مسکونی نمونه در شهرها برحسب کیلووات ساعت به تفکیک ماه درج گردیده است. با توجه به جداول فوق می‌توان شهرهای گروههای چهارگانه را تعیین نمود. در جداول (5) تا (8) به ترتیب شهرهای گروههای (1) تا (4) آورده شده است. در گروه (1) الی (3) شهرها برمبنای متوسط مصرف برق ناشی از استفاده از سیستمهای سرمایشی مرتب گردیده‌اند.

 

جدول (4) میزان مصرف برق ناشی از استفاده از سیستمهای سرمایشی واحد مسکونی نمونه 
در شهرها برحسب کیلووات ساعت به تفکیک ماههای سال [1]
 

02020208.jpg


× میانگین مصرف برق براساس متوسط مصرف در ماههای کاربرد کولرگازی محاسبه شده است.
* عدم وجود اطلاعات هواشناسی
 

 .... ادامه جدول (4)

 

02020209.jpg


 
× میانگین مصرف برق براساس متوسط مصرف در ماههای کاربرد کولرگازی محاسبه شده است.
* عدم وجود اطلاعات هواشناسی
 
 

... ادامه جدول (4)

 

02020210.jpg


 
 
 

جدول (5) شهرهای گروه (1)ـ استفاده از کولرگازی در هر سه حالت کمینه، متوسط و بیشینه دما [1]

 

02020211.jpg


 

جدول (6) شهرهای گروه (2)ـ استفاده از کولرگازی در حالتهای متوسط و بیشینه دما [1]

 

02020212.jpg


 

جدول (7) شهرهای گروه (3)ـ استفاده از کولرگازی فقط درحالت بیشینه دما [1]

 

02020213.jpg

 

.... ادامه جدول (7)

 

02020214.jpg


 
 

جدول (8) شهرهای گروه (4)ـ عدم استفاده از کولرگازی [1]

 

02020215.jpg


 
 
 

7ـ نتیجه‌گیری
نتایج محاسبات تعیین مصرف سرمایشی خانوار نمونه برای 195 شهر کشور نشان می‌دهد که با توجه به نحوه کاربرد سیستم‌های  سرمایشی متداول در بخش خانگی شامل پنکه، کولرآبی و کولرگازی می‌توان شهرها را به چهار گروه تقسیم نمود. جداول ارایه شده و توجه به موقعیت جغرافیایی شهرها بر نقشه تقسیمات اقلیمی کشور نشان می‌دهد که شهرهای گروههای (1) و (2) باید به عنوان شهرهایی گرمسیر تلقی گردند. در صورتی که شهرهای گروه (4) شهرهایی معتدل و یا سردسیر محسوب می‌شوند. در مورد شهرهای گروه (3) می‌توان با فرض مصرف ماهانه سرمایشی بیش از 525 کیلووات ساعت در ماه، شهرهایی را که حداقل در یک ماه دارای مصرفی برابر یا بیش از مقدار مذکور می‌باشند گرمسیر فرض نمود. با همین فرض برای کلیه شهرها، ماههای با بیش از مصرف 525 کیلووات ساعت می‌تواند ماههای گرم در نظر گرفته شود. بنابراین با توجه به جدول (4)، برای هر شهر فصل گرما قابل تعیین می‌باشد. از آنجاکه محاسبات صورت گرفته برمبنای مقادیر کمینه، متوسط و بیشینه دما صورت گرفته و همانطور که ذکر گردید عوامل مؤثر برآسایش بسیار متعدد می‌باشند برای حصول اطمینان لازم و حذف خطاهای ممکن و همچنین در نظر گرفتن اضافه مصرف سایر وسایل خنک‌کننده (همانند یخچال) می‌توان میزان مصرف ماهانه ذکرشده در جدول (4) را به میزان معینی افزایش داد. علاوه براین می‌توان فصل گرما را به مدت یک ماه (15 روز از هر طرف) طولانی‌تر فرض نمود.
با تکمیل این پژوهش و بررسی امکان اعمال سناریوها و گزینه‌های متنوع برای شرایط مختلف، می‌توان از تعرفه برق به عنوان یکی ازمهمترین اهرمهای مدیریت بار بهره‌برداری نمود. همچنین نتایج پژوهش‌هایی از این قبیل می‌تواند به عنوان اطلاعات کاربردی زمینه‌ساز تحقیقات کاربردی فراوانی گردد. به‌عنوان مثال از اطلاعات به دست آمده از این پژوهش می‌توان به عنوان اطلاعات پایه جهت مدیریت بار انرژی سرمایشی در نقاط مختلف کشور استفاده نمود و با تکیه برمستندات علمی و فنی به تحقیقات کاربردی در صنعت برق غنای بیشتری بخشید. بدیهی است که بنیان‌گذاری مطالعاتی از این قبیل می‌تواند زمینه‌ساز مطالعات و تحقیقات به صورت پویا در دوره‌های مختلف گردد. به این ترتیب با لحاظ نمودن عوامل تأثیرگذار می‌توان به توسعه و تکامل نتایج به دست آمده پرداخت و از آن در مدیریت و برنامه‌ریزی انرژی الکتریکی استفاده نمود.
 
قدردانی
این مقاله حاصل بخشی از پروژه تحقیقاتی تحت عنوان «‌بررسی الگوی مصارف برودتی در کشور» است که برمبنای تبادل دستور کار 223 با معاونت برنامه‌ریزی توانیر به انجام رسیده است. از حمایتهای انجام گرفته تشکر و قدردانی می گردد.

 

 


منابع:


مراجع
[1] گزارش «بررسی الگوی مصارف برودتی در کشور»، مرکز تحقیقات نیرو، بخش انرژی، 1375.
[2] سربندی فراهانی، محمد ابراهیم و علی حیدری منفرد، پژوهشی در مدل‌سازی نظری و تجربی کولرهای گازی با هدف کاهش مصرف انرژی، نشریه علمی و پژوهشی برق، شماره 21، 1375، صفحات 34ـ24.  

نظرات کاربران

شما میتوانید نظر خود را در مورد این مطلب بیان کنید.

ایمیل شما منتشر نخواهد شد.
حروف بزرگ و کوچک یکسان است.