گزارش آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) نشان می‌دهد که ۳۰ درصد از انرژی مصرفی جهان مربوط به عملیات مورد نیاز در ساختمان‌های تجاری و مسکونی است و به حداقل رساندن نیازهای ساختمان برای مصرف انرژی نقش مؤثری در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و تغییرات آب‌وهوایی دارد.

افزایش بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها ردپای محیطی آن‌ها را کاهش می‌دهد، هزینه‌های عملیاتی را به حداقل می‌رساند و فرصت‌هایی برای تأمین انرژی سبز ارائه می‌دهد. حوزه‌های کلیدی برای بهینه‌سازی مصرف انرژی ساختمان‌ها شامل فناوری‌های تولید و بازیافت انرژی تجدیدپذیر و راه‌حل‌های نرم‌افزاری کارآمدی انرژی است.

راه‌حل‌های انرژی‌های تجدیدپذیر

فتوولتائیک خورشیدی

نصب پنل‌های خورشیدی (PV) یکی از رایج‌ترین راه‌ها برای افزایش سازگاری ساختمان‌ها با محیط زیست است. پنل‌های PV انرژی نور خورشید را مهار کرده و آن را به جریان متناوب سازگار با شبکه برق محلی تبدیل می‌کند. اندازه سیستم‌های PV از پنچ کیلووات برای خانه‌ها تا بیش از ۵۰۰ کیلووات برای ساختمان‌های تجاری بزرگ متغیر است. هزینه‌های پنل PV در سال‌های اخیر به‌طور قابل توجهی کاهش یافته است و موجب تسهیل استفاده از این راه‌حل پایدار شده است.

آب گرم خورشیدی

یکی از راه‌حل‌های مکمل پنل‌های PV، فناوری آب گرم خورشیدی است که به جای اتصال به شبکه محلی، از گرمای خورشید برای تأمین آب گرم و گرمایش ساختمان استفاده می‌کند. در این فرایند، کلکتورهای خورشیدی از پانل‌هایی با لوله‌های سیال حاوی آب یا ضد یخ تشکیل می‌شود و انرژی جذب شده از خورشید باعث گرم شدن این لوله‌ها می‌شود.

پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی

پمپ‌های حرارتی زمین گرمایی، گرما را از زیر سطح زمین به داخل ساختمان انتقال می‌دهد. از آنجایی که دمای زیر زمین در تابستان پایین‌تر از دمای هوا و در زمستان بالاتر از دمای هوا است پمپ‌های حرارتی زمین‌گرمایی، فرصت مناسبی برای تأمین گرمایش است و آب گرم ساختمان‌ها را به روشی سازگار با محیط زیست فراهم می‌کند. پمپ‌های حرارتی نیازی به احتراق ندارد و تا ۵۰ درصد در هزینه‌های انرژی صرفه‌جویی می‌کند و هیچ منبع سوختی در این سیستم دخیل نیست. پمپ‌های حرارتی که امروزه در سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد، دمای خروجی بین ۳۵ تا ۶۰ درجه سانتیگراد دارد.

توربین‌های بادی

توربین بادی یکی دیگر از راه‌حل‌های انرژی پاک است که انرژی باد را برای تولید برق مهار می‌کند. توربین‌های بادی نصب‌شده در ساختمان برای تولید انرژی، در مناطق روستایی یا پروژه‌های بزرگ کارآمدتر است زیرا مهار باد آسان‌تر است. نوعی از توربین‌های بادی کوچک‌مقیاس که قابلیت نصب روی ساختمان‌های بلند شهری را دارد، راهکاری است که با این محدودیت مقابله می‌کند. یک استارتاپ در بروکسل نخستین نسل مینی توربین‌های بادی را اختراع کرده است که برای استفاده حداکثری از وزش باد طراحی شده است و ظرفیت تولید انرژی الکتریکی به میزان یک تا سه مگاوات در ساعت دارد.

انرژی زیست توده

سیستم‌های زیست توده از انرژی منابع آلی مانند چوب، زباله‌های کشاورزی و متان حاصل از دفن زباله یا تصفیه فاضلاب استفاده می‌کند. این انرژی را می‌توان از طریق روش‌هایی مانند احتراق مستقیم، هضم بی هوازی یا تبدیل سوخت زیستی مهار کرد. کاربرد این سیستم‌ها بسیار گسترده است و از گرمایش ساختمان‌های کوچک گرفته تا تولید برق در مقیاس صنعتی می‌تواند به خنثی‌سازی کربن کمک کند.

نمای زیست فعال برگ خورشیدی یکی از جدیدترین سیستم‌های انرژی سبز است و انرژی موردنیاز ساختمان را از ریز جلبک‌ها و گرمای خورشید تأمین می‌کند. در این سیستم زیست‌توده جلبکی در نمای ساختمان کشت می‌شود که می‌تواند ردپای کربن ساختمان را در سال ۲.۵ تن کاهش دهد.

هیدروکینتیک

سیستم‌های هیدروکنتیکی انرژی جنبشی تولید شده از حرکت آب مانند امواج و جزر و مد را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. استفاده از این سیستم‌ها از نظر جغرافیایی دارای محدودیت است و برای ساختمان‌های نزدیک اقیانوس، دریا، دریاچه یا رودخانه‌های بزرگ کارایی دارد.

استفاده از فناوری در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر

برای انتقال انرژی یک ساختمان به انرژی‌های تجدیدپذیر و دستیابی به انتشار خالص صفر، مالک ساختمان باید فناوری‌هایی را اتخاذ کند که بتواند برق پاک حاصل از خورشید، باد و دیگر راه حل‌ها را ذخیره، تبدیل و مدیریت کند.

ذخیره‌سازی باتری

در دسترس بودن انرژی خورشیدی و بادی تا حدی غیرقابل پیش‌بینی است و سرمایه‌گذاری در سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی را برای مالکان ساختمان ضروری می‌سازد. این سیستم‌های ذخیره‌سازی روشی مؤثر برای ذخیره انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده‌نشده در دوره‌های کم‌مصرف و استفاده از آن در زمان‌هایی است که نور خورشید یا باد در دسترس نیست.

اینورترها

اینورتر وسیله‌ای است که جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کند و در راه‌حل پنل‌های خورشیدی مورد نیاز است، چراکه پنل‌های برق DC تولید می‌کند. بعضی از اینورترهای هوشمند می‌تواند ولتاژ و فرکانس را برای تثبیت شبکه تنظیم کند.

نرم‌افزارهای پاسخگویی به تقاضا

صاحبان ساختمان‌ها می‌توانند برای افزایش کارایی سیستم انرژی از نرم افزار پاسخگویی به تقاضا استفاده کنند که از الگوریتم‌های پیشرفته برای تطبیق بار مصرفی و انرژی تولیدشده با روش‌های سبز استفاده می‌کند. برای مثال نرم افزار پاسخگویی به تقاضا می‌تواند شارژ وسایل نقلیه الکتریکی را در زمان‌هایی که نور خورشید کافی در دسترس نیست، محدود کند.

راه‌حل‌های نرم‌افزاری بهینه سازی انرژی برای ساختمان‌ها

سیستم‌های هوشمند مدیریت ساختمان (BMS)، مدل‌های دیجیتال دوقلو و سیستم‌های مدیریت فضا ازجمله فناوری‌های ضروری برای کاهش مصرف انرژی است.

سیستم‌های مدیریت ساختمان

پلتفرم‌های ساختمان هوشمند با استفاده از سیستم کنترل مبتنی بر کامپیوتر که عملکردهای مختلف ساختمان را ردیابی و مدیریت می‌کند، نقش مؤثری در افزایش بهره‌وری انرژی ساختمان‌های تجاری دارد. BMS از سنسورها، کنترلرها، نرم‌افزارها و رابط‌ها برای بهینه‌سازی روشنایی، گرمایش و تهویه مطبوع (HVAC)، امنیت و سایر سیستم‌های ضروری ساختمان استفاده می‌کند.

BMS‌ها زمان تعمیر تجهیزات را پیش‌بینی می‌کند، فرایند نگهداری از تجهیزات را بهبود می‌دهد، خروجی انرژی تجدیدپذیر را متعادل می‌کند و بر عملکرد سیستم‌های انرژی را از راه دور نظارت می‌کند.

نرم‌افزار مدیریت فضا

نرم افزار مدیریت فضا به مدیران ساختمان کمک می‌کند تا نقشه‌های فضایی را برای برنامه‌ریزی اتاق و استفاده از نور تهیه کنند و آنها را از طریق تجزیه و تحلیل هوشمند بهینه می‌کند. راه‌حل‌های مبتنی بر اینترنت اشیا (IoT) داده‌های کلیدی مانند ظرفیت فضا، کیفیت هوا و استفاده از آن را جمع‌آوری می‌کند تا شناسایی الگوهای انرژی به صورت مؤثرتری انجام شود و کاهش بیشتری در ردپای کربن ساختمان حاصل شود.

سیستم بازیافت آب

سیستم بازیافت آب شامل واحد کنترل، منبع ذخیره‌سازی آب، دستگاه جمع‌آوری آب باران و یک ماژول تصفیه آب بازیافتی است که آب باران جمع‌آوری شده و فاضلاب ساختمان به ماژول تصفیه متصل است. واحد کنترل به کمک سنسورهای سطح آب، شیر سوئیچ ماژول تصفیه را تنظیم می‌کند و آب موردنیاز بخش‌های تعریف‌شده را تعیین می‌کند.

تغییرات اقلیمی شدید ذخایر منابع آب را با کمبود مواجه کرده است و برای تأمین آب موردنیاز جمعیت در حال رشد جهان، الگوهای مصرفی آب باید تغییر کند. بازیافت و استفاده مجدد از آب در محل به مقابله و کاهش اثرات این بحران کمک می‌کند. ساختمان‌های بسیاری در نیویورک، سانفرانسیسکو، سیاتل، توکیو و سیدنی به سیستم جمع‌آوری و تصفیه آب در محل مجهز است تا نیازهای غیرآشامیدنی ساختمان را تأمین کند. سانفرانسیسکو در سال ۲۰۱۵ تمام ساختمان‌های جدید با مساحت بیش از ۱۰۰ هزار فوت مربع را ملزم به داشتن سیستم‌های بازیافت در محل کرد.

ذخیره‌سازی انرژی مسکونی

با توجه به افزایش استفاده از سیستم‌های باتری و «سیستم‌های خودرو به شبکه» در خانه‌های تک‌خانوار و چند خانوار، ذخیره‌سازی انرژی مسکونی به یک راهکار کلیدی برای توسعه پایدار تبدیل شده است. این سیستم‌ها به خودروهای برقی اجازه می‌دهند تا با اتصال به شبکه برق شهری، انرژی را شارژ و دشارژ کنند و بدین ترتیب تبادل انرژی صورت گیرد.

این فناوری‌ها امکان استفاده از انرژی پاک را برای خانه‌ها فراهم می‌آورند و همچنین می‌توانند با شبکه برق شهری به اشتراک گذاشته یا فروخته شوند. در ایالات متحده، نصب این سیستم‌ها بین سال‌های ۲۰۱۴ تا ۲۰۱۸ بیش از ۲۰۰ درصد افزایش یافته و پیش‌بینی می‌شود که تقاضا برای آن‌ها به طور مداوم رشد کند.

سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی مسکونی به کاربران این امکان را می‌دهند که انرژی تولیدی از منابع تجدیدپذیر مانند پنل‌های خورشیدی را ذخیره و در زمان نیاز از آن استفاده کنند. این سیستم‌ها با کاهش وابستگی به شبکه برق، هزینه‌های انرژی را کاهش می‌دهند و در عین حال امنیت انرژی را افزایش می‌دهند.

به طور کلی، ذخیره‌سازی انرژی مسکونی نه تنها به کاهش هزینه‌ها کمک می‌کند، بلکه نقش مهمی در ارتقا بهره‌وری و پایداری شبکه‌های انرژی ایفا می‌کند.

نمونه‌های موفق ساختمان خودگردان انرژی

طراحی ساختمان‌های خودگردان انرژی یکی از موضوعات روز دنیا است که کاهش هزینه‌های انرژی و دستیابی به اهداف پایداری را تسهیل می‌کند. برای مثال، کارخانه هوشمند اریکسون G۵ ایالات متحده انرژی خود را به‌طور صد درصدی از انرژی تجدیدپذیر تهیه می‌کند که مصرف انرژی را تا ۲۴ درصد و مصرف آب را تا ۷۵ درصد کاهش می‌دهد. کارخانه آینده نوکیا در فنلاند، از شبکه‌های بی‌سیم خصوصی نوکیا برای اتصال ایمن و قابل اعتماد دارایی‌های کارخانه، از تجزیه و تحلیل اینترنت اشیا و یک دوقلوی دیجیتال استفاده می‌کند.

پیش‌بینی می‌شود که تعداد ساختمان‌های جدید خودکفا از نظر انرژی از ۲۴۱۹ مورد در سال ۲۰۲۳ به ۵۴۵۷ تا سال ۲۰۲۷ افزایش پیدا کند که نشان‌دهنده تقاضای سریع بازار برای فناوری‌ها و راه‌حل‌های ساختمانی کارآمد است. در ادامه چند نمونه از ساختمان‌های سراسر جهان که جهش بزرگی در زمینه ساختمان‌های پایدار داشتند معرفی می‌شود.

One Embankment Place، لندن | انگلستان

شرکت One Embankment Place در سال ۲۰۱۳ تعمیرات اساسی روی ساختمان خود در لندن انجام داد و تأسیسات بهره‌وری انرژی و فناوری کربن کم را به این ساختمان اضافه کرد. این ساختمان حتی یکی از بزرگترین سیستم‌های نسل سوم در جهان را دارد که انتشار گازهای گلخانه‌ای ساختمان‌ها را تا ۵۱ درصد کاهش می‌دهد.

نیروگاه Kyrbo، اسلو | نروژ

طراحی و ساخت نیروگاه Kyrbo بسیار نوآورانه است و دو ساختمان قدیمی را بازسازی کرده و از مواد بازیافتی حاصل به‌عنوان مصالح ساختمانی استفاده شده است. ساختمان جدید با در نظر گرفتن موارد بهره‌وری انرژی در تمام مرحله ساخته شده است که مصرف کلی انرژی را تا ۹۰ درصد کاهش می‌دهد. این ساختمان مجهز به بام پوشیده از پنل‌های خورشیدی است که انرژی الکتریکی را بیش از حد مورد نیاز تأمین می‌کند و مازاد انرژی را به شبکه محلی تحویل می‌دهد. ساختمان برای مدیریت آب از سیستم‌های جمع‌آوری باران و بازیافت آب استفاده می‌کند.

The Edge، آمستردام | هلند

ساختمان The Edge به‌عنوان «سبزترین و هوشمندترین ساختمان در جهان» شناخته می‌شود که ترکیب خوبی از طراحی هوشمند، فناوری‌های نوین و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر را به نمایش گذاشته است. این ساختمان علاوه بر استفاده از پنل‌های خورشیدی برای تأمین انرژی از مواد عایق مناسب و طراحی خاص برای دستیابی به حداکثر بهره‌وری انرژی استفاده کرده است. پنجره‌های بزرگ و استفاده بهینه از نور طبیعی به کاهش نیاز به روشنایی مصنوعی کمک می‌کند.

The Edge مجهز به سیستم‌های هوشمند مدیریت ساختمان است که شامل دما، روشنایی و تهویه مطبوع است که به‌طور خودکار برای تطبیق با نیازها و ترجیحات کاربران تنظیم می‌شود و انرژی مصرفی را تا حد امکان کاهش می‌دهد.