تعيين الگوهاي مصرف سرمايشي در كشور به منظور تدوين تعرفه

[seyed mehdi hoseyni 27,119]

چكيده:

مديريت بار و انرژي از جمله سرفصل‌هاي مهم تحقيقاتي وزارت نيرو در سالهاي اخير محسوب مي‌شود. از جمله نيازهاي برنامه‌ريزي انرژي، دسترسي به اطلاعات لازم در اين زمينه است. با وجود اينكه كشور ما از شرايط آب و هوايي بسيار متنوعي برخوردار است اما بخش قابل توجهي از مناطق كشور در نواحي گرمسير قرار دارد. به همين لحاظ مديريت بار سرمايشي و تدوين تعرفه‌هاي برق براي بخش مسكوني در نواحي مختلف كشور از اهميت قابل توجهي برخوردار است. تعيين مصارف سرمايشي به اين منظور به عوامل متعددي وابسته است. در اين پژوهش به ارائه نتايج محاسبات تعيين مصارف سرمايشي يك خانوار نمونه در 195 شهر كشور پرداخته شده است. براساس نتايج به دست آمده از اين پژوهش شهرهاي مختلف از نظر ميزان مصرف برق ناشي از كاربرد سيستم‌هاي سرمايشي طبقه‌بندي و الگوهاي مختلف مصرف برق در آنها معين و بر مبناي معيارهاي تدوين شده شهرهاي واقع در نواحي گرمسيري استخراج شده است. از نتايج بدست آمده، مي‌توان به منظور مديريت بار سرمايشي ساختمانها و تدوين تعرفه براي نواحي مختلف كشور استفاده نمود.

 

 

1ـ مقدمه

گستردگي و وجود نواحي آب و هوايي متنوع در ايران، الگوهاي مصرف حرارتي و سرمايشي گوناگوني در كشور ايجاد نموده است. از اين رو در برنامه‌ريزي‌هاي انرژي و تدوين تعرفه‌ها در نظر گرفتن الگوهاي مزبور ضروري بوده و باعث مي‌گردد سرمايه‌گذاري در توليد و عرضه انرژي اقتصادي‌تر صورت پذيرد. يكي از مصارف مهم انرژي الكتريكي، مصرف ناشي از به‌كارگيري سيستم‌هاي سرمايشي است. به نحوي كه در برخي مناطق عامل اصلي ايجاد پيك مصرف بوده و لذا تعيين كننده ظرفيت تجهيزات نصب شده مي‌باشد.

بنابراين بررسي مصارف مزبور و تعيين الگوهاي صحيح كاربرد سيستم‌هاي مختلف سرمايش از جمله راه‌حلهاي راهگشا جهت تدوين مناسب‌تر تعرفه‌هاي برق خواهد بود.

در اين پژوهش به ارائه نتايج محاسبات تعيين مصارف سرمايشي يك خانوار نمونه براي 195 شهر كشور پرداخته شده است. شايان ذكر است كه نتايج مذكور مي‌تواند مبناي مناسبي براي مديريت بار سرمايشي و تدوين تعرفه، نواحي گرمسيري و غيرگرمسيري باشد. علاوه براين بايد توجه داشت كه اعتبار نتايج به دست آمده در اين پژوهش وابسته به اعتبار مفروضات محاسبات خواهد بود. به عبارت ديگر در صورت افزايش دقت آمار و اطلاعات ورودي مي‌توان به نتايج معتبرتري دست يافت.

تعيين مصارف سرمايشي خانوار نمونه نيازمند تعيين خصوصيات فيزيكي هوا، عوامل مؤثر، آسايش و انواع روشها و سيستم‌هاي سرمايش مي‌باشد كه در ادامه مورد بحث و بررسي قرار مي‌گيرد.

 

 

 

شكل (1)

 

 

 

2ـ خصوصيات فيزيكي هوا

ايجاد شرايط آسايش انسان در محيط‌هاي مختلف از طريق انجام يك سلسله تغييرات در وضعيت هوا شامل افزايش يا كاهش دما و رطوبت و نيز كاهش ميزان گازها و تركيبات مضر موجود در هوا صورت مي‌گيرد. به همراه گازهاي موجود در هوا همواره مقداري رطوبت به صورت بخار آب وجود دارد كه ميزان آن متغير است.

رطوبت نيز همانند دما در شرايط آسايش انسان و كيفيت هواي محيط نقش تعيين‌كننده‌اي ايفا مي‌كند.

 

 

3ـ آسايش

آسايش انسان به عوامل محيطي و غيرمحيطي متعددي بستگي دارد كه از ميان عوامل محيطي مي‌توان به دماي محيط، رطوبت، دماي زمين و وزش باد، و از عوامل غيرمحيطي به ميزان پوشش بدن، فعاليت بدن، سن، جنس، ساختار فيزيكي بدن و ازدحام محيط اشاره نمود. به هنگام طراحي سيستم‌هاي حرارتي و سرمايشي براي ساختمانها، به‌غير از عوامل محيطي مي‌توان ميزان پوشش و فعاليت بدن را با استفاده از ضرايبي در محاسبات در نظر گرفت.

به منظور تعيين حدود آسايش، تاكنون آزمايشها و تجارب متعددي توسط انجمن‌ها و مراكز تحقيقاتي صورت گرفته و استانداردهايي تدوين شده است. يكي ازمعتبرترين آنها استاندارد انجمن مهندسين تأسيسات آمريكا (ASHRAE) مي‌باشد كه توسط آن ناحيه آسايش مطابق شكل (1) تعيين مي‌گردد. به منظور بيان تأثير دما و رطوبت در آسايش از شاخص دما ـ رطوبت (Temp. Humidity Index) استفاده مي‌گردد. از آنجا كه عوامل غيرمحيطي در مورد افراد گوناگون با يكديگر متفاوت است، مقدار شاخص دما ـ رطوبت را بايد به عنوان آسايش نسبي تلقي نمود. براي محاسبه شاخص دما ـ رطوبت مي‌توان از رابطه (1) استفاده كرد.

(1) THI=td-(0.55 - 0.55RH)(td – 58)

پارامترهاي مورد استفاده در رابطه (1) به شرح زير معرفي مي‌شوند:

THI: شاخص دما ـ رطوبت،

td: دماي خشك برحسب درجه فارنهايت،

RH: رطوبت نسبي برحسب درصد.

آزمايشهاي تجربي نشان داده است كه اگر شاخص دما ـ رطوبت برابر 70 شود اكثر افراد در آن شرايط احساس آسايش مي‌نمايند. در صورتي كه اگر شاخص مذكور به 75 افزايش يابد تقريباً نيمي از افراد احساس عدم آسايش خواهند نمود. بنابراين با افزايش اين شاخص به حدود 70، استفاده از سيستم‌هاي تهويه و تبريد لازم مي‌گردد.

 

4ـ روشها و سيستم‌هاي سرمايش

همانگونه كه در شكل (1) نشان داده شده است، با افزايش دما نسبت به محدوده دماي ناحيه آسايش (حدود 20 تا 25 درجه سانتيگراد)، انسان براي كسب آسايش مطلوب نياز به سيستم‌هاي تهويه مطبوع خواهد داشت. با توجه به نحوه عملكرد دستگاههاي متداول، روشهاي متعارف تهويه مطبوع را مي‌توان مطابق شكل (2) به سه گروه زير تقسيم نمود [1]:

(الف) تهويه (Ventilation):

اين روش به دو صورت طبيعي و غيرطبيعي صورت مي‌گيرد كه در حالت غيرطبيعي مي‌توان از انواع پنكه استفاده نمود.

(ب) تبخير (Evaporating Cooling):

در اين روش با افزايش رطوبت هوا در آنتالپي ثابت، گرماي محسوس هوا كاهش داده مي‌شود. اين روش به ويژه در نواحي آب و هوايي خشك بسيار مؤثر بوده و دستگاه متداول آن در ايران كولر آبي است.

(پ) تهويه مطبوع (Air Conditioning):

در اين روش با استفاده از سيستم‌هاي تهويه مطبوع از جمله كولر گازي دماي هوا كاهش داده مي‌شود. اين فرآيند مي‌تواند به همراه عمل رطوبت‌گيري كه باعث كاهش گرماي نهان هوا مي‌شود صورت گيرد. اصول حاكم برعملكرد كولرهاي گازي كه از دستگاههاي رايج در اين روش است، مبتني بر سيكل تراكمي مي‌باشد كه در آن سيال تقطير شده در كندانسور به كمك شير انبساط در اواپراتور تبديل به گاز شده و توليد سرما مي‌نمايد. گاز توليد شده در اواپراتور توسط كمپرسور متراكم شده و حرارت دريافت شده در اواپراتور و كمپرسور، در كندانسور از دست داده مي‌شود و مبرد مذكور به مايع تبديل مي‌گردد. اين تحولات در يك سيكل تراكمي متناوب انجام مي‌پذيرد. جهت معرفي عملكرد يك پمپ حرارتي نظير كولرگازي از شاخص ضريب عملكرد (Coefficient of Performance) استفاده مي‌شود.

 

 

 

 

شكل (2)

 

 

ضريب عملكرد مطابق تعريف نسبت سرماي مفيد به كار خالص است. پرواضح است كه هر چه ضريب عملكرد بيشتر باشد، برودت بيشتري در مقابل كار معين ايجاد خواهد شد. مصرف انرژي الكتريكي در كولرهاي گازي عمدتاً ناشي از به كارگيري كمپرسور و همچنين دمنده هوا است. با توجه به نقش مهم كمپرسور جهت تراكم سيال مبرد در سيكل، سهم مصرف برق دمنده هوا نيز نسبت به سهم كمپرسور مورد استفاده در كولر گازي به نسبت كوچك بوده و بيشتر مصرف انرژي الكتريكي در كولرهاي گازي مربوط به كاركرد كمپرسور مي باشد. قدرت مصرفي كمپرسور با جرم سيال و افرايش آنتالپي ناشي از فرآيند تراكم متناسب است. به عنوان مثال براي يك نمونه كولرگازي با ظرفيت 24000 بي‌تي‌يو در ساعت، ميزان توان دمنده دستگاه حدود 3 كيلووات مي‌باشد [2].

پس ازتعيين اطلاعات مورد نياز به منظور تعيين مصارف سرمايشي خانوار نمونه مي‌توان مصارف سرمايشي خانوار نمونه مي‌توان مصارف مذكور را تعيين و سپس با توجه به مصارف فوق، شهرهاي كشور را از لحاظ ميزان مصرف برق سيستم هاي سرمايشي، طبقه‌بندي نمود.

 

 

5ـ تخمين مصرف سرمايشي خانوار نمونه

برحسب اينكه دماي داخل يك ساختمان كمتر يا بيشتر از دماي خارج آن باشد، همواره مقداري حرارت از طريق ديواره‌هاي ساختمان به صورت هدايت با محيط تبادل مي‌گردد. به علاوه، حرارت به صورت تشعشع نيز از طريق شيشه‌هاي ساختمان به داخل منتقل مي‌شود. در تعيين ميزان اين انتقال حرارت، ضرايب و عوامل متعددي وجود دارد كه تعيين دقيق آنها مستلزم وجود طرح ساختماني مشخص و در نظر گرفتن كليه شرايط آب و هوايي است.

علاوه بر تلافات حرارتي، نحوه به‌كارگيري سيستم‌هاي تبريد مورد نظر نيز در ميزان مصرف سرمايشي خانوار مؤثر است. نحوه استفاده معمول از كولرهاي گازي گردش و سرمايش هواي داخل ساختمان مي‌باشد، ولي اين امكان نيز وجود دارد كه هواي خارج از ساختمان نيز مورد استفاده قرارگيرد كه در اين صورت نياز به مقداري انرژي براي كاهش دما و رطوبت‌گيري وجود دارد. با مشخص بودن دما و رطوبت نسبي هواي خارج، با استفاده از رابطه (2) مي‌توان ميزان آنتالپي هوا را به دست آورد [1].

 

 

پارامترهاي مورد استفاده در رابطه (2) به شرح زير معرفي مي‌شوند:

td: دماي خشك برحسب درجه فارنهايت،

hv: آنتالپي بخار آب موجود در هوا برحسب بي‌تو‌يو برپاند،

w : نسبت وزن بخار آب موجود در هوا به وزن هواي خشك برحسب پاندبرپاند

براي محاسبه hv مي‌توان از رابطه (3) استفاده كرد [1].

به هنگام تعيين الگوي مصارف سرمايشي بخش خانگي، خصوصيات ساختمانهاي مسكوني رايج در شهرهاي مورد بررسي اهميت ويژه‌اي مي‌يابند. در جدول (1) برخي از ويژگي‌هاي يك واحد مسكوني خانوار واقع در شهرهاي جنوبي كشور كه با استفاده از آمار مربوط به استانهاي خوزستان، هرمزگان و بوشهر به دست آمده، نشان داده شده است. با استفاده از اطلاعات فوق براي يك خانوار نمونه و با استفاده از يك نرم‌افزار مناسب مي‌توان مصرف متوسط سرمايشي خانوار را به دست آورد.

 

 

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

 

 

در صورت استفاده از كولر گازي با تعيين ضرايب انتقال حرارت اجزاي مختلف ساختمان ميزان اتلاف حرارت و با استفاده از روابط (2) و (3) ميزان انرژي لازم براي رطوبت‌گيري و سرمايش هواي خارج در حالت جايگزيني با هواي داخل به دست مي‌آيد. شايان ذكر است كه محاسبات پيش گفته برمبناي اطلاعات هواشناسي مربوط به 195 شهر محتلف انجام شده است [1]. در جدول (2) ميزان مصرف برق ماهانه يك واحد مسكوني نمونه براي سرمايش محيط برحسب كيلووات ساعت در شرايط محيطي مختلف كه با مفروضات فوق به دست آمده درج شده است. در اين جدول حد بالايي شرايط آب و هوايي كشور نيز با در نظر گرفتن بيشينه درجه حرارت شهرهاي منتخب در سال مشخص گرديده است.

 

 

جدول (2) تعيين مصرف برق و سيستم سرمايشي مورد نياز واحد مسكوني نمونه مورد بررسي [1]

 

 

محاسبات فوق براي 195 شهر مختلف انجام شده است. در جدول (3) يك نمونه از نتايج به دست آمده شامل مصرف ماهانه خانوار نمونه و دستگاه مورد نياز براي ايجاد شرايط آسايش در ماههاي مختلف سال در سه حالت كمينه، بيشينه، و متوسط دما براي شهر آبادان آورده شده است. شايان ذكراست كه مقادير كمينه و بيشينه دما در ماه به ترتيب برمبناي متوسط مقادير روزانه كمينه و بيشينه دما محاسبه گرديده است.

 

جدول (3) مصرف ماهانه و سيستم سرمايشي براي ايجاد شرايط آسايش در ماههاي سال

 

در سه حالت كمينه، متوسط و بيشينه دما براي يكي از شهرهاي مورد بررسي [1]

 

 

6ـ طبقه‌بندي شهرها

با توجه به روشهاي تهويه مطبوع كه در بخش (4) به آنها پرداخته شد ميزان مصرف دستگاههاي سرمايشي، مشخص مي‌گردد. كولرهاي گازي نقش تعيين كننده‌اي در ميزان مصرف سرمايشي خانوار نمونه در شهرهاي انتخاب شده دارند. بنابراين بر مبناي كاربرد كولرهاي گازي در شرايط دمايي متفاوت مي‌توان شهرها را به چهار گروه زير تقسيم نمود:

گروه (1): شهرهايي كه در برخي ماهها در هر سه حالت كمينه، متوسط و بيشينه دما نياز به استفاده از كولرگازي دارند.

گروه (2): شهرهايي كه در برخي ماهها در حالتهاي متوسط و بيشينه دما نياز به استفاده از كولر گازي دارند.

گروه (3): شهرهايي كه در برخي ماهها فقط در حالت بيشينه دما نياز به استفاده از كولر گازي دارند.

گروه (4): شهرهايي كه در هيچ شرايطي نياز به كاربرد كولر گازي ندارند.

در جدول (4) ميزان مصرف برق ناشي از استفاده از سيستمهاي سرمايشي واحد مسكوني نمونه در شهرها برحسب كيلووات ساعت به تفكيك ماه درج گرديده است. با توجه به جداول فوق مي‌توان شهرهاي گروههاي چهارگانه را تعيين نمود. در جداول (5) تا (8) به ترتيب شهرهاي گروههاي (1) تا (4) آورده شده است. در گروه (1) الي (3) شهرها برمبناي متوسط مصرف برق ناشي از استفاده از سيستمهاي سرمايشي مرتب گرديده‌اند.

 

 

جدول (4) ميزان مصرف برق ناشي از استفاده از سيستمهاي سرمايشي واحد مسكوني نمونه

در شهرها برحسب كيلووات ساعت به تفكيك ماههاي سال [1]

 

 

× ميانگين مصرف برق براساس متوسط مصرف در ماههاي كاربرد كولرگازي محاسبه شده است.

* عدم وجود اطلاعات هواشناسي

 

.... ادامه جدول (4)

 

 

× ميانگين مصرف برق براساس متوسط مصرف در ماههاي كاربرد كولرگازي محاسبه شده است.

* عدم وجود اطلاعات هواشناسي

 

 

... ادامه جدول (4)

 

 

 

 

جدول (5) شهرهاي گروه (1)ـ استفاده از كولرگازي در هر سه حالت كمينه، متوسط و بيشينه دما [1]

 

 

جدول (6) شهرهاي گروه (2)ـ استفاده از كولرگازي در حالتهاي متوسط و بيشينه دما [1]

 

 

جدول (7) شهرهاي گروه (3)ـ استفاده از كولرگازي فقط درحالت بيشينه دما [1]

 

.... ادامه جدول (7)

 

 

 

جدول (8) شهرهاي گروه (4)ـ عدم استفاده از كولرگازي [1]

 

 

 

 

7ـ نتيجه‌گيري

نتايج محاسبات تعيين مصرف سرمايشي خانوار نمونه براي 195 شهر كشور نشان مي‌دهد كه با توجه به نحوه كاربرد سيستم‌هاي سرمايشي متداول در بخش خانگي شامل پنكه، كولرآبي و كولرگازي مي‌توان شهرها را به چهار گروه تقسيم نمود. جداول ارايه شده و توجه به موقعيت جغرافيايي شهرها بر نقشه تقسيمات اقليمي كشور نشان مي‌دهد كه شهرهاي گروههاي (1) و (2) بايد به عنوان شهرهايي گرمسير تلقي گردند. در صورتي كه شهرهاي گروه (4) شهرهايي معتدل و يا سردسير محسوب مي‌شوند. در مورد شهرهاي گروه (3) مي‌توان با فرض مصرف ماهانه سرمايشي بيش از 525 كيلووات ساعت در ماه، شهرهايي را كه حداقل در يك ماه داراي مصرفي برابر يا بيش از مقدار مذكور مي‌باشند گرمسير فرض نمود. با همين فرض براي كليه شهرها، ماههاي با بيش از مصرف 525 كيلووات ساعت مي‌تواند ماههاي گرم در نظر گرفته شود. بنابراين با توجه به جدول (4)، براي هر شهر فصل گرما قابل تعيين مي‌باشد. از آنجاكه محاسبات صورت گرفته برمبناي مقادير كمينه، متوسط و بيشينه دما صورت گرفته و همانطور كه ذكر گرديد عوامل مؤثر برآسايش بسيار متعدد مي‌باشند براي حصول اطمينان لازم و حذف خطاهاي ممكن و همچنين در نظر گرفتن اضافه مصرف ساير وسايل خنك‌كننده (همانند يخچال) مي‌توان ميزان مصرف ماهانه ذكرشده در جدول (4) را به ميزان معيني افزايش داد. علاوه براين مي‌توان فصل گرما را به مدت يك ماه (15 روز از هر طرف) طولاني‌تر فرض نمود.

با تكميل اين پژوهش و بررسي امكان اعمال سناريوها و گزينه‌هاي متنوع براي شرايط مختلف، مي‌توان از تعرفه برق به عنوان يكي ازمهمترين اهرمهاي مديريت بار بهره‌برداري نمود. همچنين نتايج پژوهش‌هايي از اين قبيل مي‌تواند به عنوان اطلاعات كاربردي زمينه‌ساز تحقيقات كاربردي فراواني گردد. به‌عنوان مثال از اطلاعات به دست آمده از اين پژوهش مي‌توان به عنوان اطلاعات پايه جهت مديريت بار انرژي سرمايشي در نقاط مختلف كشور استفاده نمود و با تكيه برمستندات علمي و فني به تحقيقات كاربردي در صنعت برق غناي بيشتري بخشيد. بديهي است كه بنيان‌گذاري مطالعاتي از اين قبيل مي‌تواند زمينه‌ساز مطالعات و تحقيقات به صورت پويا در دوره‌هاي مختلف گردد. به اين ترتيب با لحاظ نمودن عوامل تأثيرگذار مي‌توان به توسعه و تكامل نتايج به دست آمده پرداخت و از آن در مديريت و برنامه‌ريزي انرژي الكتريكي استفاده نمود.

 

قدرداني

اين مقاله حاصل بخشي از پروژه تحقيقاتي تحت عنوان «‌بررسي الگوي مصارف برودتي در كشور» است كه برمبناي تبادل دستور كار 223 با معاونت برنامه‌ريزي توانير به انجام رسيده است. از حمايتهاي انجام گرفته تشكر و قدرداني مي گردد.