طريقة تحليل مبسطة للتنبؤ بتأثير العزل الحراري على أحمال التدفئة والتبريد في المباني السكنية في سوريا

هذه ترجمة ملخصة لورقة بحث عرضتها في وقائع المؤتمر الثاني: الأشخاص والمباني الذي عُقد في مركز الدراسات العليا. جامعة لندن متروبوليتان، لندن، المملكة المتحدة. 18 سبتمبر 2012.

هذه الورقة البحثية مبنية على رسالة الماجستير التي تحتوي تفاصيل كاملة عن الدراسة. بالإمكان مشاركة الرسالة للمهتمين.

شبكة الراحة واستخدام الطاقة في المباني: http://www.nceub.org.uk

ريان أزهري
ماجستير أداء وتصميم المباني المستدامة، جامعة أوكسفورد بروكس، المملكة المتحدة.

الملخص

يقدم هذا البحث طريقة تحليل مبسطة لتقليل الطلب على الطاقة في المباني السكنية في سوريا عبر تطبيق حلول معقولة من حيث التكلفة والجدوى. ويركز على خفض أحمال التدفئة، التي تشكل أكثر من 55 في المائة من إجمالي استهلاك الطاقة، وعلى الحد من فقدان الحرارة دون التسبب في ارتفاع درجات الحرارة داخل المبنى صيفاً. وقد طُوِّرت طريقة التحليل المبسطة اعتماداً على تحليلات محاكاة مفصلة شملت عدة تركيبات من استراتيجيات التصميم السلبي (مواد البناء، وأنواع الزجاج، والمناخ). ويقيم البحث علاقة مباشرة بين الطرق المطورة وإجمالي متطلبات طاقة التدفئة وأحمال التبريد، ثم يقدم في الختام نظاماً هيكلياً موصى به.

1. المقدمة

يؤثر العزل الحراري لغلاف المبنى تأثيراً كبيراً في تكاليف البناء وفي تكاليف الطاقة معاً. وقد أصدرت وزارة الكهرباء والمركز الوطني لبحوث الطاقة (NERC) كود العزل الحراري للمباني في سوريا عام 2007. والنظام الهيكلي الذي يوصي به الكود هو: معامل انتقال حراري (U-value) قدره 0.8 واط/م2/كلفن للجدران (جدار مزدوج من كتل خرسانية 20 سم لكل منهما وتجصيص خارجي من الحجر الجيري) دون استخدام أي مواد عازلة، و3.5 واط/م2/كلفن للزجاج المزدوج للنوافذ (كشكه، 2007). ولم تبحث الدراسات بما يكفي في تأثير عزل المباني في أدائها الحراري ضمن المناخ السوري، كما لم تُصَغ علاقات بسيطة وشاملة تربط الجوانب الأساسية لعزل غلاف المبنى بإجمالي أحمال التدفئة والتبريد السنوية.

ركزت بحوث محدودة على خفض الطلب على الطاقة بتطبيق أنواع مختلفة من العزل الحراري على غلاف المبنى، لكن هذه الدراسات اعتمدت طرقاً مبسطة نسبياً في تصنيف الحلول واقتراح أفضلها. فعلى سبيل المثال، أوصى فادي عجوب في بحثه المعنون: تصميم مسكن منخفض الطاقة في سوريا باستخدام استراتيجيات التصميم السلبي لتحقيق الراحة الحرارية، بالكود السوري بوصفه أفضل أنواع العزل الحراري بين جميع الأنواع المقترحة، متجاهلاً الجانب المالي وسماكة الجدار (عجوب، 2010).

يقترح هذا البحث طريقة تحليل مبسطة لتقييم تأثير العزل الحراري في إجمالي أحمال التدفئة والتبريد السنوية في سوريا. فأولاً يُعرَّف نموذج المبنى السكني النموذجي، ثم تُلخَّص نتائج التحليل البارامتري، وأخيراً تُطوَّر طريقة التحليل المبسطة.

2. التحليل البارامتري

صُمِّم نموذج لمبنى سكني نموذجي باستخدام برنامج (IES)، بأنماط إشغال تمثل مسكناً نموذجياً في الشرق الأوسط، كما يلي:

• كثافة إضاءة: 7.8 واط/م2
• كثافة معدات: 8.0 واط/م2
• متوسط كثافة الإشغال: 25.5 م2/شخص
• نقطة ضبط التبريد: 25 درجة مئوية، ونقاط ضبط التدفئة هي 19 درجة مئوية لغرفة المعيشة و18 درجة مئوية لغرف النوم والمطبخ والحمام
• نسبة النوافذ إلى الجدران كانت ثابتة طوال الوقت

وغُيِّرت عدة عوامل لتقدير أحمال التدفئة والتبريد السنوية مع أنواع مختلفة من هياكل الجدران والزجاج. انظر الجدولين 1 و2.

جدول 1: أنواع مختلفة من هياكل الجدران مع سماكاتها ومعاملات الانتقال الحراري

جدول 2: أنواع النوافذ المستخدمة في المحاكاة

قُسّمت هذه التجربة إلى ثلاثة أجزاء؛ يشمل الجزء الأول تطبيق هياكل جدران مختلفة على المبنى ورصد تأثير كل منها في التدفئة والتبريد، أما الجزءان الثاني والثالث فيشملان تغيير نوع الزجاج من مفرد إلى مزدوج ثم ثلاثي، وإعادة تشغيل جميع المحاكاة السابقة في كل حالة.

3. مناقشة النتائج

3.1 تأثير هيكل الجدار والعزل: 

لتحديد تأثير العزل الحراري في إجمالي أحمال التدفئة والتبريد، أُجريت تجربة على مبنى في دمشق. ويعرض الشكل 1 نتائج المحاكاة لمتطلبات طاقة التدفئة والتبريد عند تثبيت النوافذ على زجاج مفرد بمعامل انتقال حراري قدره 5.6 واط/م2/كلفن. ومن الواضح أنه كلما تحسّن عزل غلاف المبنى، انخفضت أحمال التدفئة والتبريد.

Chart

Annual heating and cooling loads by wall assembly (single glazing baseline)

As envelope insulation improves (lower U-value), both heating and cooling loads decrease, with diminishing returns at very low U-values. Damascus, Syria.

3.2 تأثير تكلفة التركيب: 

يوضح الشكل 2 علاقة تكلفة الجدار لكل متر مربع بسماكته وأدائه الحراري. فكلما تحسنت الخصائص الحرارية للجدار، زادت تكلفته وسماكته، إلى أن يتغير هيكله. فعندما أُضيفت مادة العزل إلى الهيكل، تحقق خفض بنسبة 50% في سماكة الجدار وتحسّن حراري بنسبة 50% مقارنة بالهيكل السابق الذي يوصي به كود العزل الحراري للمباني في سوريا، وبالتكلفة نفسها تقريباً.

Chart

Wall assembly cost index vs thermal performance

The insulated single-skin wall (W7) matches the Syrian Code wall (W6) in cost, at half the thickness and double the thermal performance.

3.3 تأثير نوع الزجاج: 

يوضح الشكل 3 الأثر المشترك لنوع الزجاج وعزل الجدران في إجمالي أحمال التدفئة للمبنى. فقد انخفضت أحمال التدفئة انخفاضاً كبيراً بترقية النوافذ من الزجاج المفرد إلى الزجاج المزدوج؛ إذ بلغ الخفض 36.92% في الحالة الأساسية، ثم ارتفعت نسبة الخفض الإجمالية إلى 66.30% مقارنة بالحالة الأساسية حين اقترنت الترقية بتحسين عزل الجدران. أما الترقية من الزجاج المزدوج إلى الثلاثي فلم تحدث فرقاً يُذكر، إذ لم يتجاوز الانخفاض المقيس 1%.

Chart

Combined effect of glazing and wall insulation on annual heating load

Upgrading from single to double glazing halves heating demand. Upgrading further to triple glazing adds less than 1% additional reduction, not cost-effective in Syria's climate.

3.4 تطوير خطة تحليل مبسطة: 

استناداً إلى نتائج المحاكاة السابقة، يتضح أن ارتباط هياكل الجدران وأنواع الزجاج بأحمال التدفئة السنوية أقوى من ارتباطها بأحمال التبريد، فاكتساب الحرارة صيفاً لا يتأثر بالتوصيل الحراري بقدر ما يتأثر بالكسب الشمسي والتهوية.

4. الخلاصة

تشير التحليلات إلى ارتباط قوي بين العزل الحراري لغلاف المبنى وأحمال التدفئة، لا بينه وبين أحمال التبريد. وتبيّن كذلك أن لنوع الزجاج تأثيراً كبيراً في إجمالي أحمال التدفئة في المبنى. وطُوِّرت خطة تحليل مبسطة لتقدير الأحمال السنوية للتدفئة والتبريد بدلالة معامل الانتقال الحراري للجدار ونوع الزجاج. والتوصية الرئيسية التي يخرج بها هذا البحث هي اعتماد نظام هيكلي يحقق أفضل خفض في أحمال التدفئة والتبريد بتكلفة معقولة، وهو:

• الجدران: كتلة واحدة (10 سم) مع عزل (لوح بولي يوريثان 5 سم) وتجصيص خارجي من الحجر الجيري بسماكة إجمالية 25 سم. معامل الانتقال الحراري = 0.4 واط/م2/كلفن.
• النوافذ: نوافذ زجاج مزدوج. معامل الانتقال الحراري = 1.9 واط/م2/كلفن.

ومن المتوقع أن يوفر هذا النظام 61.24% من أحمال التدفئة مقابل 49.98% وفق الكود السوري وبالتكلفة نفسها، مع جدران أخف وزناً وأقل سماكة مما يوصي به الكود حالياً.

Ajjoub, F. (2010). Designing a low energy dwelling in Syria using Passive Design strategies to achieve thermal comfort. Oxford: Oxford Brookes University.

Keshkeh, H. (2007). Building Thermal insulation Code in Syria. Damascus: The Ministry of Energy and Electricity .