سنجش میزان اثربخشی بهینه و ذخیره‌سازی انرژی از طریق سامانه کلکتورهای فتوولتائیک و مواد تغییر فاز دهنده در اقلیم گرم و خشک (نمونه موردی بیمارستان خدادوست شهر شیراز)
محورهای موضوعی : انرژی های تجدید پذیرسعید عظمتی 1 , ولیه ناصر 2 , امیرحسین زند 3 , فضه احمد 4
1 - گروه معماری، واحد تهران شرق، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران. *(مسوول مکاتبات)
2 - دانشجوی کارشناسی معماری، واحد تهران شرق، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
3 - دانشجوی کارشناسی معماری، واحد تهران شرق، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
4 - دانشجوی کارشناسی معماری، واحد تهران شرق، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
کلید واژه: بهینه سازی انرژی, ذخره سازی انرژی, کلکتورهای فتوولتاییک, مواد تغییر فاز دهنده, ساختمان های درمانی.,
چکیده مقاله :
زمینه و هدف: امروزه بحران انرژی و پیامد های استفاده از سوخت های فسیلی در قالب انتشار گازهای گلخانه‌ای و تاثیرات زیست محیطی، توجه دانشمندان را به بهینه سازی مصرف انرژی جلب نموده است. موادی که برای ذخیره‌سازی انرژی به کار گرفته می‌شوند PCM یا مواد تغییر فاز دهنده نامیده می‌شوند؛ این مواد عمل ذخیره‌سازی را طی فرایند تغییر فاز (تبدیل حالت از جامد به مایع یا برعکس) انجام می‌دهند و بدون افزایش دما، گرما را از محیط جذب نموده و زمانی که دما کاهش یافت، گرمای جذب شده را آزاد می‌کنند. مطالعه حاضر در شهر شیراز با هدف سنجش میزان اثربخشی بهینه و ذخیره‌سازی انرژی از طریق سامانه کلکتورهای فتوولتائیک و مواد تغییر فاز دهنده در اقلیم گرم و خشک صورت گرفته است.
روش بررسی: در ابتدا با کمک نرم افزار Climate Consultant و بااستفاده از داده های آب و هوایی شهر شیراز، نمودار تابش سالیانه این شهر بررسی و در ادامه بر پایه مشخصات ساختمان شامل ساختار فیزیکی، کاربران و همچنین دادههای آب وهوایی سالانه ساعت به ساعت، محل استقرار ساختمان، با در نظر گرفتن تمام شرایط، بهویژه صحت و اعتبار نتایج حاصل از الگوریتم های محاسباتی، نرم افزار Builder Design برای شبیهسازی انتخاب شد.
یافته ها: مواد تغییر فاز دهنده میتوانند برای بهبود پتانسیل تهویه طبیعی سیستم های سرمایش غیر فعال به ویژه در اقلیم گرم و خشک استفاده شوند البته زمانی مواد تغییر فاز دهنده حداکثر بازدهی خود را دارند که نقطه ذوب این مواد متناسب با دمای آسایش در گرمترین ماه سال آن منطقه باشد. باتوجه به اقلیم مورد مطالعه مواد تغییر فاز دهنده با نقطه ذوب 28 درجه سانتی گراد انتخاب شده است.
بحث و نتیجه گیری: نتایج نشان می دهد در زمان اوج مصرف برق، مواد تغييرفازدهنده به منظور ذخيره سازي برق در قالب انرژي حرارتي گرماي نهان به وسيله منابع حرارتي، ذوب و يا منجمد مي‌شود و در زمان مورد نياز از آن استفاده مي‌شود. بنابراين اگر سيستم هاي ذخيره سازي حرارتي گرماي نهان با سيستم هاي فعال مثل کلکتورهای فتوولتاییک تركيب شوند، باعث كمك به كاهش هزينه مصرف برق مي‌شود. طبق داده های به دست آمده از بررسی ها مجموع تبادل سطح در مواد تغییرفاز دهنده معادل 394/7m2 می باشد.
Background and objective: Today, the energy crisis and the consequences of the use of fossil fuels in the form of greenhouse gas emissions and environmental effects have drawn the attention of scientists to the optimization of energy consumption. Materials used for energy storage are called PCM or phase change materials; These materials perform the storage process during the phase change process (change from solid to liquid or vice versa) and absorb heat from the environment without increasing the temperature and release the absorbed heat when the temperature decreases. The present study was conducted in Shiraz city with the aim of measuring the optimal effectiveness and energy storage through the system of photovoltaic collectors and phase change materials in a hot and dry climate.
Materials and Methods: First, with the help of Climate Consultant software and using the weather data of Shiraz city, the annual radiation diagram of this city is checked and then based on the building specifications, including; Physical structure, users, as well as annual weather data hour by hour, the location of the building, taking into account all the conditions, especially the accuracy and validity of the results of calculation algorithms, Builder Design software for simulation Selected.
Findings: Phase change materials can be used to improve the natural ventilation potential of passive cooling systems, especially in hot and dry climates, although phase change materials have their maximum efficiency when the melting point of these materials is proportional to the comfort temperature in the hottest month. be the year of that region. According to the studied climate, phase change materials with a melting point of 28°C have been selected.
Discusion and conclusion: The results show that during peak electricity consumption, phase change materials are melted or frozen by heat sources in order to store electricity in the form of latent heat thermal energy and are used at the required time. Therefore, if latent heat thermal storage systems are combined with active systems such as photovoltaic collectors, it will help to reduce the cost of electricity consumption. According to the data obtained from the surveys, the total surface exchange in phase change materials is equal to 394.7 m2.
1. Jafarian, Mustafa, Omid, Mahmoud, Khanali, Majid, Mokhtari, Mozafar. (1401). Investigating copper and aluminum oxide nanoparticles on the ability to store thermal energy in the phase change material. Engineering and energy management. (In Persian)
2. Rezaei, Moradi (1400). Optimizing electrical energy consumption based on the behavior patterns of residents in a smart home using a data mining algorithm using a smart grid system and renewable energy sources. Computational basin in electrical engineering, year 12, numbers two. (In Persian)
3. Soleimani et al. (2019). Optimizing the energy consumption of educational buildings. (In Persian)
4. Santbergen, A., C.C.M Rindt., H.A.Zondag, R.J.Ch. van Zolingen. “Detailed analysis of the energy yield of systems with covered sheet-and-tube PVT collectors.” Solar Energy 84 (2010):867–878.
5. Demirbas, M. F., "Thermal Energy Storage and Phase Change Materials: an Overview", Energy Sources, Part B Econ. Planning, Policy, Vol. 1, No. 1, pp. 85–95, 2006.
6. Riahi, Hajinabi, Agha Mohammadi 2010. The relationship between hospital bed indicators and the amount of electrical energy (electricity) consumption in the hospitals of Alou Medical University in Hamedan
7. Ferreira A. Demajorovic J. Hospital Activities: Environmental Impact and Ecoefficiency Strategies. A journal on Intergrated Management of occupational health and the environment. Available at: http:// www.interacehs.sp.senac.br/images/artigos. [cited 2009 Feb 10]
8. F. Ascione, N. Bianco, C. De Stasio, G. M. Mauro, and G. P. Vanoli, “Multi-stage and multi-objective optimization for energy retrofitting a developed hospital reference building: A new approach to assess cost-optimality,” Appl. Energy, vol. 174, pp. 37–68, 2016, doi: 10.1016/j.apenergy.2016.04.078.
9. Carbonari, R. Fioretti, M. Lemma, and P. Principi .2015 “Managing energy retrofit of acute hospitals and community clinics through EPC contracting: The MARTE project.,” Energy.
10. Deng, W. Prasad, D. Osmond, P. and Li, F. (2011). Quantifying life cycle energy and carbon footprints of China’s residential small district. Journal of Green Building, 6(4), 96-111
11. Praseeda, K. Venkatarama Reddy, B. and Mani, M. (2016). Embodied and operational energy of urban residential buildings in India. Energy and Buildings, 110, 211-216.
12. x. Li, J. Peng, N. Li, M. Wang, C. Wang, Study on Optimum Tilt Angles of Photovoltaic Shading Systems in Different Climatic Regions of China, Procedia Engineering, Vol.205, pp. 1157–1164,2017.
13. Leila Jafari, Seyedeh Mamak Salavatian. (2022). Evaluation of photovoltaic performance integrated with shading system in optimizing building energy consumption in hot arid climates, 74.
14. Guobing Zhou, Yinping Zhang, Xin Wang, Kunping Lin, Wei Xiao,2007," An assessment of mixed type PCMgypsum and shape‐stabilized PCM plates in a building for passive solar heating", Solar Energy 81, 1351–1360.
15. Zhang Tao, Xiao Chen, Mu Yang, Xiaoliang Xu, Yan Sun, Yaqiong Li, Jingjing Wang, Ge Wang, Three-dimensional rGO@sponge framework/paraffin wax composite shape-stabilized phase change materials for solar-thermal energy conversion and storage, Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 215, 110600, 2020.
16. K. Bawaneh, F. G. Nezami, M. Rasheduzzaman, and B. Deken, “Energy consumption analysis and characterization of healthcare facilities in the United States,” Energies, 2019, doi: 10.3390/en12193775. (۱۲). C.Stetiu and H.Feustel, 1998, "Phase change wallboard and mechanical night ventilation in commercial buildings", Lawrence Berkeley National laboratory.
17. Khayavi, Zulfaqari, Marafet, 1397. A review of thermal comfort models, Iranian Journal of Mechanical Engineers Association, year 27, number 120, pages 25-33)
18. Niemelä, T. & R. Kosonen & J. Jokisalo. "Cost-optimal Energy Performance Renovation Measures of Educational Buildings in Cold Climate", in Applied Energy, 183 (1) (2016), pp. 1005-1020.
19. Parsons, Ken. Human Thermal Enviroments, Boca Raton, 2014.
20. B. Zalba, B. Sanchez-valverde, J. Marin, An experimental study of thermal energy storage with phase change materials by design of experiments, Journal of Applied Statistics, Vol. 32, pp. 321- 332, 2005.
21. Pohekar, S.D & M. Ramachandran. "Application of Multi-criteria Decision Making to Sustainable Energy Planning - A Review", in Renew. Sustain. Energy Rev., Vol. 8, No. 4 (2004), pp 365-381.
22. Ruya, E. & G. Augenbroe. "Exploring Thermal Comfort Acceptance Criteria in Energy Modeling", in Building Performance Analysis Conference and SimBuild Co organized by ASHRAE and IBPSA-USA Chicago, IL, 2018, pp. 258-265.
23. Kamali, S. Review of free cooling system using phase change Material for building. Energy and Buildings, 80, 131-136, 2014.
24. Mondal, S. Phase change materials for smart textiles–An overview. Applied thermal engineering, 28, 1536-1550, 2008.
25. P. Reddy, M. V. N. Surendra Gupta, S. Nundy, A. Karthick, A.Ghosh, Status of BIPV and BAPV System for Less Energy- Hungry Building in India- Review, Applied Sciences, Vol. 10, No. 7, 2020.
26. Stamatakis, M. Mandalaki, T. Tsoutsos, Multi-criteria analysis for PV integrated in shading devices for Mediterranean region Energy and Buildings, Vol.117, pp. 128–137, 2016.
27. L. Maturi, J. Adami, Building Integrated Photovoltaic (BIPV) in Trentino Alto Adige, Green Energy and Technology, Springer International Publishing, 2018
28. L. Antoine, N. M. Kuehnera, A. T. D. Silvia Coccoloa, N. Pereraa Mohajeria, Jean-Louis Scartezzinia, Extending building integrated photovoltaics (BiPV) using distributed energy hubs. A case study in Cartigny, Switzerland, in International Conference – Future Buildings & Districts – Energy Efficiency from Nano to Urban Scale, CISBAT, Lausanne, Switzerland, 2017.
29. L. Antoine, N. M. Kuehnera, A. T. D. Silvia Coccoloa, N. Pereraa Mohajeria, Jean-Louis Scartezzinia, Extending building integrated photovoltaics (BiPV) using distributed energy hubs. A case study in Cartigny, Switzerland, in International Conference – Future Buildings & Districts – Energy Efficiency from Nano to Urban Scale, CISBAT, Lausanne, Switzerland, 2017.
30. Yoo, S.H., Simulation for an optimal application of BIPV through parameter variation. Solar Energy, Vol.85, No.7, pp.1291-1301, 2011.
