بررسی بهینه سازی انرژی در ساختمان با استفاده از بام و دیوار سبز در اقلیم نیمه خشک ایران (مقاله علمی وزارت علوم)
درجه علمی: نشریه علمی (وزارت علوم)
آرشیو
چکیده
این مطالعه به بررسی جامع تأثیرات سامانه های سبز ساختمانی بر شاخص های انرژی و محیط زیستی در اقلیم نیمه خشک تهران می پردازد. پژوهش حاضر با اتخاذ رویکردی ترکیبی شامل مدلسازی دینامیکی در نرم افزار EnergyPlus , DesignBuilder و مطالعات میدانی در پنج ساختمان مسکونی نمونه، به تحلیل مقایسه ای چهار سناریوی مختلف پرداخته است. سناریوی پایه به ساختمان های متعارف فاقد پوشش گیاهی اختصاص دارد، در حالی که سه سناریوی دیگر شامل ساختمان های مجهز به دیوار سبز، بام سبز و ترکیب همزمان این دو فناوری می شوند. در بخش روش شناسی، ابتدا مدل پایه ساختمان با استفاده از داده های واقعی مصرف انرژی اعتبارسنجی شد. پارامترهای ورودی مدل بر اساس ویژگی های اقلیمی تهران شامل دمای متوسط سالانه 17.5 درجه سانتی گراد، بارندگی سالانه 230 میلی متر و رطوبت نسبی 40% تنظیم گردید. برای سامانه های سبز، از ماژول های تخصصی Green Roof و Vertical Greenery در نرم افزار استفاده شد که قابلیت شبیه سازی دقیق فرآیندهای تبخیر-تعرق، ظرفیت عایقی و تبادل حرارتی را دارا می باشند. نتایج کمی پژوهش نشان می دهد که کاربرد توأمان بام و دیوار سبز موجب کاهش 34.2% در مصرف انرژی سالانه ساختمان های مورد مطالعه شده است. این بهبود عملکرد از طریق مکانیسم های متعددی حاصل می شود: اولاً، دیوارهای سبز با ایجاد سایه اندازی و افزایش ضریب عایق کاری حرارتی نما (کاهش ضریب U-value از 1.2 به 0.83 W/m².K)، بار سرمایشی را تا 40% کاهش داده اند. ثانیاً، بام های سبز با عمق 15 سانتی متر و پوشش گیاهی سدوم، از طریق افزایش مقاومت حرارتی (1.2 m².K/W) و تعدیل تابش خورشیدی (کاهش 45% جذب تابش)، بار گرمایشی را تا 25% کاهش داده اند. از منظر محیط زیستی، یافته ها حاکی از تأثیرات چندبعدی این سامانه هاست. در مقیاس خرد، دمای سطح ساختمان ها تا 15 درجه سانتی گراد کاهش یافته و رطوبت نسبی محیط تا 18% افزایش نشان می دهد. در مقیاس کلان، مدلسازی ها نشان می دهند که گسترش این فناوری می تواند اثر جزیره گرمایی شهری را در مناطق متراکم تهران بین 2 تا 5 درجه سانتی گراد تعدیل نماید. همچنین، پوشش گیاهی این سامانه ها قادر به جذب سالانه 20% ذرات معلق (PM2.5) و کاهش 38 تنی انتشار CO₂ به ازای هر ساختمان است. بررسی چالش های اجرایی نشان می دهد که هزینه اولیه نصب این سامانه ها حدود 15 تا 20 میلیون تومان بر مترمربع و نیاز آبی آن ها 35 لیتر بر مترمربع در روز است. با این حال، استفاده از راهکارهای بهینه سازی مانند انتخاب گیاهان بومی مقاوم به خشکی (مانند گونه های سدوم)، سیستم های آبیاری قطره ای هوشمند و طراحی سازه ای سبک می تواند دوره بازگشت سرمایه را به 4 تا 7 سال کاهش دهد. مقایسه نتایج این پژوهش با مطالعات مشابه در اقلیم های مختلف نشان می دهد که کارایی سامانه های سبز در مناطق نیمه خشک حدود 15-20% بیشتر از مناطق معتدل است. این تفاوت عمدتاً ناشی از اثرات تشدید شده مکانیسم های تبخیر-تعرق و سایه اندازی در اقلیم های گرم است. در بخش نتیجه گیری، این مطالعه پیشنهاد می کند که ادغام این فناوری ها با سامانه های انرژی تجدیدپذیر (مانند پنل های خورشیدی) می تواند به راهکاری جامع برای توسعه ساختمان های پایدار در منطقه تبدیل شود. همچنین، تدوین دستورالعمل های طراحی بومی و ارائه مشوق های مالیاتی می تواند گسترش این سامانه ها را تسهیل نماید. یافته های این پژوهش می تواند مبنای علمی برای بازنگری در مقررات ملی ساختمان ایران و سیاست گذاری های کلان شهری قرار گیرد. این تحقیق از چند جهت دارای نوآوری است: نخست آنکه اولین مطالعه جامع در زمینه ترکیب بام و دیوار سبز در اقلیم تهران محسوب می شود. دوم آنکه روش شناسی ترکیبی آن (شبیه سازی دینامیکی + مطالعات میدانی) امکان ارزیابی دقیق تر پارامترهای انرژی را فراهم کرده است. سوم آنکه به ارائه راهکارهای اجرایی متناسب با محدودیت های منابع آبی منطقه پرداخته است. محدودیت های اصلی پژوهش شامل تمرکز بر ساختمان های مسکونی متوسط و عدم بررسی اثرات بلندمدت می شود که می تواند موضوع مطالعات آینده قرار گیرد.Energy Performance Optimization of Buildings through Green Roofs and Green Walls in Iran’s Semi-Arid ClimateEnergy Performance Optimization of Buildings through Green Roofs and Green Walls in Iran’s Semi-Arid Climate
This study provides a comprehensive examination of the effects of building green systems on energy and environmental indicators in Tehran's semi-arid climate. Adopting a mixed-method approach that includes dynamic modeling in EnergyPlus and DesignBuilder software, along with field studies in five sample residential buildings, the research conducts a comparative analysis of four different scenarios. The baseline scenario pertains to conventional buildings without vegetation, while the other three scenarios involve buildings equipped with green walls, green roofs, and a combination of both technologies.
In the methodology section, the base building model was first validated using real energy consumption data. Input parameters were adjusted based on Tehran’s climatic characteristics, including an average annual temperature of 17.5°C, annual rainfall of 230 mm, and relative humidity of 40%. For the green systems, specialized Green Roof and Vertical Greenery modules were used in the software, enabling precise simulation of evapotranspiration processes, insulation capacity, and heat exchange.
Quantitative results indicate that the combined application of green roofs and walls reduces annual energy consumption in the studied buildings by34.2%. This improvement is achieved through multiple mechanisms:
Green wallsreduce cooling loads by40%through shading and improved thermal insulation of facades (lowering the U-value from1.2 to 0.83 W/m20K).
Green roofs(with 15 cm depth and Sedum vegetation) reduce heating loads by25%by enhancing thermal resistance (1.2 m20K/W) and moderating solar radiation (reducing absorption by45%).
From an environmental perspective, findings highlight the multidimensional impacts of these systems. At the micro-scale, building surface temperatures decrease by15°C, while ambient humidity increases by18%. Macro-scale modeling suggests that widespread adoption could mitigate the urban heat island effect in dense areas of Tehran by2–5°C. Additionally, the vegetation in these systems can absorb20% of particulate matter (PM2.5)annually and reduce CO₂ emissions by38 tons per building.
An assessment of implementation challenges reveals an initial installation cost of15–20 million IRR per square meterand a daily water demand of35 liters per square meter. However, optimization strategies—such as drought-resistant native plants (e.g., Sedum species), smart drip irrigation, and lightweight structural design—can shorten the payback period to4–7 years.
A comparison with similar studies in different climates shows that green systems are15–20% more effectivein semi-arid regions than in temperate zones, primarily due to enhanced evapotranspiration and shading effects in hot climates.
In conclusion, the study suggests that integrating these technologies with renewable energy systems (e.g., solar panels) could offer a holistic solution for sustainable building development in the region. Additionally, developing local design guidelines and providing tax incentives could facilitate broader adoption. The findings provide a scientific basis for revising Iran’s national building codes and urban policies.
تبلیغات
