ارزیابی حرارتی سقف‌های سبز گسترده به عنوان ابزاری تأثیرگذار برای صرفه‌جویی در انرژی ساختمان‌ها

چکیده

کلمات کلیدی

1.مقدمه

2. مواد و روش‌ها

2.1. اجرای آزمایشی

شکل 1. اتاق‌های تجربی در Puigverd de Lleida (اسپانیا).

شکل 2. بخش ساخت اتاقک مرجع

شکل 3. بخش‌های ساخت اتاقک‌های سقف سبز.

2.2 ابزار

جدول 1. خواص ترموفیزیکی لایه‌های سقف.

شکل 4: چیدمان زیر لایه‌ها  و زهکشی (خرده‌های لاستیک در سمت چپ و پوزولانا در سمت راست) سه سال پس از اجرای آن‌ها.

2.3 آزمایش‌ها

2.4 شرایط آب و هوایی

شکل 5: موقعیت حس‌گرها برای ارزیابی رفتار حرارتی اتاقک‌های موردمطالعه.

جدول 2.مشخصات روش‌های تجربی

3.  نتایج و بحث

3.1  رفتار حرارتی برای دوره سرمایشی

جدول 3. داده‌های هواشناسی تاریخی ده سال محل اجرای آزمایش‌ها  Puigverd de Lleida (اسپانیا).

جدول 4. داده‌های هواشناسی در طول سال 2012 در محل اجرای آزمایش‌ها Puigverd de Lleida (اسپانیا).

3.2 رفتار حرارتی برای دوره گرمایشی

شکل 6 مصرف انرژی برق تجمعی پمپ‌های حرارتی در دره سرمایشی. دمای کنترل‌شده (24 درجه سانتی‌گراد)، هفته دوم ژوئیه 2012.

شکل 7 مصرف انرژی برق تجمعی پمپ‌های حرارتی در دره سرمایشی. دمای کنترل‌شده (24 درجه سانتی‌گراد)، هفته سوم اوت 2012.

شکل 8 مصرف انرژی برق تجمعی پمپ‌های حرارتی در دره سرمایشی. دمای کنترل‌شده (18 درجه سانتی‌گراد)، هفته چهارم سپتامبر 2012. 

شکل 9. دمای سقف داخلی اتاقک‌های مختلف تحت شرایط شناور آزاد، دومین هفته نوامبر 2012.

3.3  مصرف انرژی

شکل 10. مصرف انرژی برق تجمعی پمپ‌های حرارتی در دره گرمایشی. دمای کنترل‌شده (22 درجه سانتی‌گراد)، هفته چهارم دسامبر 2012.

شکل 11 مصرف انرژی برق تجمعی پمپ‌های حرارتی در دره گرمایشی. دمای کنترل‌شده (18 درجه سانتی‌گراد)، هفته سوم ژانویه 2012. 

شکل 12. دمای سقف داخلی اتاقک‌های مختلف تحت شرایط شناور آزاد، هفته چهارم فوریه 2013.

3.4  توسعه پوشش گیاهی

جدول 5. مجموع مصرف انرژی الکتریکی تجمعی پمپ‌های گرما در طول دوره‌های سرمایشی و گرمایشی سه اتاقک موردمطالعه.

شکل 13. A  یک سقف سبز گسترده. مرحله رشد در تابستان اول (2011). پوشش گیاهی 20٪

B سقف سبز گسترده نمایش زمستان (2011-2012) 

C سقف سبز گسترده نمایش تابستان 2012 پوشش گیاهی 85٪

3.5 بحث

شکل 14. شرایط آب‌وهوای خارجی در یک دوره سرمایشی.

4. نتیجه‌گیری

گرایش به پایداری ساختمان‌ها نیازمند دستگاه‌های جدید ساختمانی برای افزایش بازدهی انرژی و ساختمان‌های سازگار با محیط زیست است. سقف‌های سبز دستگاه‌های ساختمانی جالبی هستند زیرا هم‌زمان از مزیت زیبایی و سازگاری با محیط اطراف برخوردار می‌باشند. این مقاله یک تحقیق درازمدت برای ارزیابی و بهبود رفتار حرارتی و پایداری سقف‌های سبز گسترده ادامه می‌دهد. این تحقیق همچنین داده‌های تجربی را برای شرایط آب و هوایی مدیترانه‌ای ارائه می‌دهد. این آزمایش شامل ارزیابی مصرف انرژی و رفتار حرارتی سه اتاق یکسان مانند خانه واقع در Puigverd de Lleida (اسپانیا) است که تنها تفاوت آن‌ها در ساختار سقفشان است. یک سقف شامل سقف تخت تطبیقی با عایق است، درحالی‌که در دو سقف دیگر لایه عایق با یک سقف سبز عمیق 9 سانتی‌متری جایگزین شده است (مقایسه خرده لاستیک بازیافت شده و پوزولانا به‌عنوان مواد لایه زهکشی). مصرف انرژی الکتریکی یک سیستم پمپ گرما برای هر اتاق در طول سال 2012 و بخشی از سال 2013 اندازه‌گیری شد. هر دو اتاق دارای سقف سبز مصرف انرژی کمتری (16.7 درصد و 2.2 درصد) را نسبت به اتاق مرجع در دوره‌های گرم از خود نشان دادند، درحالی‌که هر دو اتاق دارای سقف سبز مصرف انرژی بالاتری (به ترتیب 6.1 و 11.1 درصد) را نسبت به اتاق مرجع در طول دوره‌های گرمایشی نشان دادند.

در طول دو دهه گذشته، بخش ساختمان‌سازی پیشرفت‌های مهمی در زمینه تعداد ساختمان‌های ساخته‌شده داشته است، اما پیشرفت‌های کمتری در زمینه بهبود مصرف انرژی را با توجه به مصرف و اجرایی کردن پروژه‌ها تجربه کرده است. درنتیجه، 40 درصد کل مصرف انرژی اولیه در اتحادیه اروپا (EU) مربوط به بخش خانه‌های شخصی و بخش ساختمان‌سازی است. به این دلیل و با هدف کاهش انتشار CO2، اتحادیه اروپا قوانین و مقرراتی مربوط به بازدهی انرژی ساختمان‌ها و پایداری محیط زیست وضع کرده است. بنابراین، در بخش ساختمان‌سازی کاهش مصرف انرژی و تأثیر زیست‌محیطی، عوامل مهمی برای دستیابی به ساختمان‌های پایدارتر و رسیدن به اهداف "20-20-20" در بازدهی انرژی تبدیل‌شده‌اند. علاوه بر این، دستورالعمل‌های انرژی اروپا فرایندهای ساخت و دستگاه‌های ساخت‌وساز جدیدی را برای بهبود بازدهی انرژی و پایداری ساختمان‌ها ایجاد کرده‌اند. دستگاه‌های ساختمانی جدید در دهه گذشته برای جامعه علمی مهم شده است. در داخل، سقف‌های سبز به‌عنوان دستگاه‌های ساختمانی جالبی در نظر گرفته می‌شوند؛ زیرا هم‌زمان از مزیت زیبایی و سازگاری با محیط اطراف برخوردار می‌باشند که یکی از آن‌ها صرفه‌جویی در مصرف انرژی است. مطالعات متعدد در زمینه‌های مختلف در مورد سقف‌های سبز در طول بیست سال گذشته انجام‌شده است. برخی از نویسندگان این دستگاه‌ها را به دو دسته "گسترده" و "متمرکز" تقسیم می‌کنند، درحالی‌که نویسندگان دیگر یک طبقه متوسط را به نام "نیمه‌متمرکز" برای سقف‌های سبز معرفی می‌کنند که ترکیبی از گسترده و متمرکز است. به‌طورکلی، سقف‌های سبز گسترده دارای زیربناهای کم‌عمق (کمتر از 200 میلی‌متر) هستند که بار بیش‌ازحدی را بر سقف‌های معمولی (70-170 کیلوگرم بر مترمربع) وارد نمی‌کند. بعضی از مزایای آن عبارت‌اند از: نیاز نبودن به تقویت ساختاری اضافی، هزینه کمتر برای رشد گیاهان و هزینه نگهداری کمتر. از سوی دیگر، دستگاه‌های سقف سبز متمرکز، که بام باغ هم نامیده می‌شود، گیاهان سنگین‌تری را مانند درختان و درختچه‌ها که نیاز به زیربنای عمیق‌تر (بیشتر از 200 میلی‌متر) دارد را در خود جا می‌دهد. علاوه بر این، بام باغ اضافه‌وزن (290 تا 970 کیلوگرم در مترمربع) بر ساختمان وارد می‌کند و هزینه نگهداری اضافی برای مراقبت از گیاهان هم لازم است. این دستگاه‌ها بر چشم‌انداز و ارزش‌های زیبایی‌شناسی متمرکزند تا فضای زیبا و تفریحی را در مناطق شهری پرجمعیت افزایش دهند. پس از بررسی اسناد، مزایای زیست‌محیطی اصلی این دستگاه‌ها نسبت به سقف‌های مسطح سنتی یافت شده و در زیر ذکرشده است: ظرفیت نگهداری آب، کاهش زه کشی آب در سطح شهرهای بزرگ، کیفیت زه کشی آب، بهبود محیط شهری، کاهش تأثیر پدیده جزیره گرمایی شهری ، کاهش غلظت CO2 در محیط شهری، جذب صدا، افزایش دوام اجزای داخلی، زیبایی و افزایش تنوع زیستی و کاهش تلفات زیست‌محیطی است. علاوه بر تمام مزایای فوق، سقف‌های سبز، به‌عنوان دستگاه‌های کارآمدی برای کاهش تغییرات دما در داخل و خارج ساختمان شناخته‌شده‌اند و درنتیجه موجب کاهش مصرف انرژی سالانه می‌شوند. بااین‌حال، پارامترهای مختلفی وجود دارد که بر عملکرد نهایی بازدهی انرژی سقف سبز تأثیر می‌گذارند که می‌تواند به‌طور آزمایشی با جزئیات بیشتر موردبررسی قرار گیرد، از قبیل ویژگی‌های عایق ساختمان، منطقه آب و هوایی، انواع گیاهان (شاخص سطح برگ، مقاومت درختان، ارتفاع، پوشش سطح و میزان بازتاب نور خورشید)، رشد گیاهان (ضخامت، ترکیب، تراکم، رطوبت)، و خواص سیستم زهکشی. با توجه به اهمیت سطح عایق ساختمان، یک‌خانه برای یک خانواده با سقف‌های معمولی و سبز در محیط آب‌وهوای معتدل فرانسوی توسط جافال و همکارانش با استفاده از نرم‌افزار TRNSYS شبیه‌سازی‌شده است. نویسندگان اظهار داشتند که سقف‌های سبز صرفه‌جویی قابل‌توجهی در دوره‌های گرمایشی و سرمایشی در مقایسه با ساختمان‌های عایق نشده (48٪ صرفه‌جویی در انرژی) و یا ساختمان‌های عایق شده (5 سانتی‌متر، 10٪ صرفه‌جویی در انرژی) از خود نشان می‌دهند. نتایج مشابهی توسط نیاچو و همکارانش در شبیه‌سازی انجام‌شده در یک هتل واقع در منطقه لوترکی (آب‌وهوای معتدل و گرم) به دست آمد. صرفه‌جویی در انرژی تا 48٪ در مقایسه با ساختمان‌های عایق نشده ، 7٪ برای عایق متوسط و کمتر از 2٪ برای موارد با عایق بالا برآورد شده است. تحت شرایط آب و هوایی مشابه، سانتاموریس و همکارانش همچنین از TRNSYS برای محاسبه چندین سناریو (سقف سبز عایق شده و عایق نشده)، بارهای خنک‌کننده و گرم‌کننده نسبت به سقف مسطح متعارف در کل ساختمان استفاده کردند. کاهش بار خنک‌کننده بین 15 تا 49 درصد برای مورد عایق نشده و بین 6 تا 33 درصد برای مورد عایق شده یافت شد. بااین‌حال، تغييرات بار گرمایي به علت نصب سقف سبز قابل‌توجه نبود. اهمیت سطح عایق شده ساختمان در عملکرد بازدهی انرژی سقف سبز قبلاً موردمطالعه قرارگرفته است، اما بیشتر آن نتایج صرفه‌جویی در انرژی از مدل‌های ریاضی و مطالعات پارامتری حاصل می‌شود. بنابراین، مطالعات تجربی جدید در درازمدت در مورد سقف‌های گسترده‌ای عایق نشده برای به دست آوردن اطلاعات واقعی مفید است. از سوی دیگر، عملکرد فصلی سقف‌های سبز در مناطق مختلف آب و هوایی موردمطالعه قرارگرفته است. نویسنده‌های متعددی مانند پرز و همکارانش و کما و همکارانش پتانسیل صرفه‌جویی در انرژی سقف‌های سبز در تابستان در منطقه مدیترانه باوجود داشتن پوشش گیاهی کم (20 درصد) نشان می‌دهند. علاوه بر این، چندین نویسنده عملکرد آن را در فصل تابستان و زمستان نشان می‌دهند، مانند گتر و همکارانش که یک مطالعه تجربی در آب‌وهوای مرکز غرب ایالات‌متحده (دانشگاه ایالتی میشیگان) انجام داده‌اند که تابستان‌های گرم و مرطوب و زمستان‌های سرد برفی دارد. نتایج نشان داد که سقف سبز جریان حرارت را از طریق پوشش ساختمان به‌طور متوسط 13 درصد در زمستان و 167 درصد در تابستان کاهش داده است. یک مطالعه مشابه در محیطی با آب‌وهوای معتدل با بارش متوسط در زمستان و بارندگی کم در تابستان پورتلند (اورگان) توسط اسپولک انجام شد. نتایج نشان داد که کاهش انتقال حرارت در حدود 13 درصد در زمستان و در تابستان حدود 72 درصد بود. بااین‌وجود چندین نویسنده نتیجه گرفتند که عملکرد این دستگاه‌ها در مناطق مختلف آب و هوایی تأثیری بر ساختمان ندارد و ممکن است در دوره‌های زمستانی تأثیر منفی نیز داشته باشد. به‌عنوان‌مثال، برای مناطق مرطوب نیمه گرمسیری با درجه حرارت بالا و باران شدید، سیمونز و همکارانش شش سقف سبز را ارزیابی کرد و نتیجه گرفت که تمام دستگاه‌های موردمطالعه دمای هوای داخلی را در روزهای گرم نسبتاً پایین‌تر نشان می‌دهد، درحالی‌که در روزهای سرد، در مقایسه با سقف‌های سنتی و خنک، هیچ تفاوتی مشاهده نشد. علاوه بر این، جیم و تانگ در شرایط مشابه آب و هوایی نتیجه می‌گیرند که سقف‌های سبز باعث از دست دادن حرارت قابل‌توجهی در طول دوره گرمایش شده و درنتیجه موجب افزایش مصرف انرژی برای گرم کردن هوای داخل می‌شود. همچنین برخی از مطالعات شبیه‌سازی‌شده به‌عنوان‌مثال جافال و همکارانش نتایج حاصل از چندین شهر (آتن ، لا روشل و استکهلم ) ارائه‌شده است، که عملکرد سقف سبز در دوره گرمایشی ممکن است به علت منطقه آب و هوایی متفاوت باشد. نتایج نشان داد که درجه حرارت اصلی هوا در تابستان گرم به ترتیب 2.6، 2.0 و 1.4 درجه به ترتیب برای آتن، لا روشل و استکهلم کاهش یافت. بااین‌حال، بام سبز بر روی تقاضای حرارت در آب‌وهوای معتدل لا روشل تأثیر نداشت و افزایش 8 درصدی در آب‌وهوای مدیترانه آتن مشاهده شد. از این مطالعات می‌توان اظهار داشت که پتانسیل صرفه‌جویی انرژی در سقف‌های سبز در فصل تابستان در شرایط آب و هوایی متفاوت، شناخته‌شده است. بااین‌حال، آزمون‌های آزمایشی زمستانی کمتر موردمطالعه قرارگرفته است و گاهی اوقات نتایج بحث‌برانگیز است. علاوه بر این، بررسی اسناد به‌شدت مطالعه در مورد سقف سبز در زمستان برای مناطق مختلف آب‌وهوا را توصیه می‌کند. در اینجا این مقاله به بررسی مطالعات تجربی در مورد پتانسیل سقف‌های سبز گسترده به‌عنوان دستگاه‌های کارآمد برای صرفه‌جویی در انرژی در آب‌وهوای خشکی مدیترانه‌ای می‌پردازد و اطلاعات جدیدی را برای دوره‌های تابستانی و زمستانی ارائه می‌کند. برای این منظور، در این مقاله چندین آزمایش برای ارزیابی تفاوت مصرف انرژی بین دو سقف سبز گسترده در مقایسه با یک سقف تخت معمولی برای دوره‌های سرمایشی و گرمایشی انجام‌شده است.