سیستم هوشمند تهویه ی مطبوع: راه حل موثر برای بحران نا ترازی انرژی کشور

سیستم هوشمند تهویه ی مطبوع: راه حل موثر برای بحران نا ترازی انرژی کشور

متخصصین دانشکده ی مهندسی برق دانشگاه صنعتی شریف به سرپرستی دکتر علی رضا فرهادی، دانشیار گروه سیستمهای الکترونیک دیجیتال این دانشکده، موفق به طراحی، توسعه و پیاده سازی سیستم هوشمند گرمایش سرمایش بهینه ی ساختمان مبتنی بر اینترنت اشیاء صنعتی و یا به اختصار سیستم هوشمند تهویه ی مطبوع با هدف حل بحران ناترازی انرژی کشور شدند. با حمایت مدیریت محترم امور ساختمان و تاسیسات دانشگاه، پایلوت موفقی از این سیستم پیشرفته و صد در صد بومی در دانشکده ی مهندسی برق دانشگاه صنعتی شریف به وسعت 6،700 مترمربع پیاده سازی شده و در حال بهره برداری است. این سیستم با ارائه ی قابلیت پایش برخط و راه دور، تعیین دفاتر فاقد ساکن، امکان کنترل و برنامه ریزی از راه دور ادوات گرمایشی-سرمایشی ساختمان و از همه مهمتر ارائه ی بهترین دما برای بویلر و چیلر بر اساس شرایط محیطی داخل و خارج ساختمان، کاهش 50 درصدی در مصرف گاز و برق ساختمان جهت گرمایش-سرمایش را موجب شده است. کلیپ کوتاهی از این سیستم در لینک زیر موجود است:https://aparat.com/v/hs5Uj

یکی از بحرانهای جدی جاری کشور، بحران ناترازی انرژی است که دولتمردان کشور را وادار به تنظیم مقررات جدید در راستای کاهش مصرف انرژی و بهبنه سازی آن نموده است. نمونه ی آن ابلاغیه ی اخیر دولت محترم در آذرماه 1402 می باشد که تمامی ارگانها، سازمانها و نهادهای دولتی را موظف به کاهش 20 درصدی مصرف انرژی نسبت به سال قبل نموده است. البته پیش از آن نیز و در آبان ماه 1400 دولت محترم ابلاغیه ی مشابهی صادر نموده بود که ارگانها، نهادها و سازمانهای دولتی را ملزم به کاهش مصرف انرژی، دست کم به میزان 10 درصد نسبت به سال قبل از آن کرده بود که با جدی تر شدن بحران ناترازی انرژی کشور، برای امسال دولت محترم تقاضای صرفه جویی بیشتری از ارگانها و سازمانهای دولتی دارد. یکی دیگر از اقدامات دولت محترم جهت حل بحران ناترازی انرژی، افزایش قابل توجه گاز بها و آبونمان برق بصورت پلکانی است که در تیر ماه 1401 صورت گرفته است. اقدام دیگر دولت، طرح پاداش صرفه جویی برق و گاز، چندین برابر تعرفه ی فروش است  که در اردیبهشت 1402 ابلاغ شده است. اقدام دیگر دولت جهت بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش مصرف، قطع گاز و برق ادارات و سازمانهای پرمصرف می باشد.

اقدام ارزشمند دیگر دولتمردان کشور جهت بهینه سازی مصرف انرژی، مصوبه ی اخیر مجلس محترم در مهرماه 1402 و ایجاد بازار بورس انرژی است. بر اساس این مصوبه، نمایندگان مجلس شورای اسلامی مقرر کردند آن دسته از مشترکان خانگی و صنعتی که مصرف انرژی خود را نسبت به دوره ی قبل در مدت زمان مشابه کاهش دهند مشمول دریافت گواهی صرفه جویی انرژِی، به میزان حداقل معادل انرژی صرفه‌جویی شده، می شوند. این مصوبه و تشکیل چنین بازاری از محرکهای اصلی جهت بهره گیری وسیع از سیستم هوشمند تهویه مطبوع در سطح کشور است. زیرا 75% مصرف انرژی ساختمانهای اداری مربوط به سیستم گرمایش سرمایش ساختمان و 60% مصرف انرژی بخش خانگی نیز مربوط به این حوزه است. ساز و کار اجرایی این مصوبه به این ترتیب است که متقاضی دریافت گواهی نامه صرفه جویی انرژی (برای مثال دانشگاه صنعتی شریف) پیشنهاد امکان سنجی صرفه جویی در انرژی که به واسطه ی سیستم هوشمند تهویه ی مطبوع منجر به کاهش مصرف گاز در زمستان می شود را به دبیر خانه ی شرکت بهینه سازی مصرف انرژی (ایفکو) و برای فصل تابستان که منجر به کاهش مصرف برق می شود را به دبیرخانه ی سازمان انرژی های تجدید پذیر و بهره وری انرژی ارسال می نماید. این دو دبیرخانه نیز، طرح سیستم هوشمند تهویه ی مطبوع را جهت تایید برای وزارتخانه های نفت و نیرو ارسال می نمایند و پس از اخذ تاییدیه توسط این وزارتخانه ها (که فرایند آن 2 هفته بطول می انجامد)، بررسی پیشنهاد اولیه را آغاز می نماید و ظرف 7 روز نتیجه ی تایید را به اطلاع متقاضی می رساند. در صورت تایید، متقاضی لازم است که یک شرکت ثبت، اندازه گیری و راستی آزمایی (M&V) مورد تایید دبیرخانه را انتخاب نماید. متعاقبا قرارداد سه جانبه ای بین دبیرخانه مربوطه، متقاضی و شرکت راستی آزمایی منعقد می گردد و طرح اجرا می شود. پس از پیاده سازی طرح، شرکت راستی آزمایی در یک بازه ی سه ماه میزان کاهش مصرف انرژی را تعیین می نماید. متعاقبا در صورت کاهش در میزان مصرف انرژی نسبت به قبل، وزارتخانه ی مربوطه اقدام به صدور گواهی نامه صرفه جویی انرژی برای 2 سال آتی می نماید و برای سال سوم تا هفتم، به شرط تایید شرکت راستی آزمایی، اقدام به صدور گواهی نامه ی صرفه جویی انرژی برای سالهای سوم، چهارم ، ... و هفتم می نماید. ارزش مالی گواهی نامه، سالانه برابر با 90% بالاترین بهای گاز و یا برقی است که دولت به فروش می رساند و بنابراین ارزش مالی آن چندین برابر بهای گاز و یا آبونمان برق صرفه جویی شده می باشد که متقاضی می تواند آنرا در بازار بورس انرژی نقد نماید. با بهره گیری از این ساز و کار، مشترک خانگی و یا صنعتی می تواند ظرف مدت 7 سال از محل کاهش قابل توجه میزان مصرف انرژی که سیستم هوشمند تهویه ی مطبوع به ارمغان می آورد، تمامی هزینه های نصب و راه اندازی و پشتیبانی این سیستم پیشرفته ی کاملا بومی را از وزارت نفت و وزارت نیرو دریافت نماید. همچنین به محض پیاده سازی آن از مزایای این سیستم پیشرفته و بویژه پاداشهای ناشی از کاهش مصرف گاز و برق و آبونمان نیم بها بهره مند شود.

این سیستم قابلیت اعمال به طیف وسیعی از ادوات و سیستمهای تهویه ی مطبوع، منجمله، فن کوئل، شوفاژ، پکیج، کولر آبی، کولر گازی، اسپیلت و داکت اسپیلت را دارا می باشد. برای مثال سیستم تهویه ی مطبوع دانشکده ی مهندسی برق شریف مجهز به فن کوئل، بویلر و چیلر می باشد. لیکن سیستم تهویه ی مطبوع ساختمان تحقیق و توسعه ی همراه اول که پایلوت موفقی از این سیستم با حمایت قائم مقام محترم همراه اول در آن هم اجرا شده و در حال بهره برداری است از نوع داکت اسپیلت و اسپیلت سقفی و دیواری است. این سیستم از چهار بخش اصلی: ترموستاتهای هوشمند (شکل 1 و شکل 2)، گیت وی (شکل 3)، محاسبات ابری و اپلیکیشن (شکل 4) تشکیل شده است. ترموستاتهای هوشمند در هر دفتر که مجهز به ادوات گرمایشی-سرمایشی (فن کوئل، شوفاژ، کولر گازی و ...) است، نصب شده و از طریق آن پارامترهای محیطی نظیر دما، رطوبت، شدت نور، تردد و یا عدم آن و ... بطور برخط بصورت محلی و از راه دور قابل پایش می باشد. همچنین با استفاده از آنها امکان تنظیم ادوات گرمایشی سرمایشی ساختمان بصورت محلی و راه دور فراهم شده است. در هر طبقه ساختمان یک گیت وی، مخصوص ترموستاتهای هوشمند آن طبقه نصب شده است که وظیفه ی آن صرفا اتصال بی سیم ترموستاتهای هوشمند به اپلیکیشن پیاده سازی شده در سرور است. محاسبات ابری در این سیستم پیشرفته بصورت کاملا توزیع شده در ترموستاتهای هوشمند صورت می گیرد این امر سبب مقیاس پذیری بسیار بالای این سیستم شده است به گونه ای که محدودیتی در تعداد ترموستاتهای هوشمند قابل سرویس توسط گیت وی وجود ندارد و با بهره گیری از تنها 6 هسته ی محاسباتی مرکز محاسبات شریف، کل ساختمانهای دانشگاه صنعتی شریف به وسعت 320،000 متر مربع قابل سرویس توسط این 6 هسته می باشد. تلفیق محاسبات ابری با دارایی های فیزیکی که در این سیستم صورت گرفته است سبب شده است که این سیستم اینترنت اشیاء صنعتی از نوع سامانه های فیزیکی سایبری باشد. علاوه بر مقیاس پذیری بسیار بالا، تاب آوری بسیار بالا از دیگر مزایای این سامانه ی فیزیکی سایبری است به گونه ای که در صورت از کار افتادن گیت وی ها و اپلیکیشن، همچنان ترموستاتهای هوشمند اقدام به تنظیم مطلوب دمای دفاتر می نمایند. همچنین به دلیل عدم نیاز به سرورهای محاسباتی قدرتمند که ناشی از تلفیق محاسبات ابری با دارایی های فیزیکی این سیستم است، این سیستم کاملا بومی بسیار مرقون به صرفه می باشد. 

اپلیکیشن این سیستم از طریق گوشی هوشمند، تبلت و یا کامپیوتر از هر نقطه از کشور قابل دسترسی است. همانطور که نیم پنحره ی بالا- سمت راست داشبورد اپلیکیشن دانشکده ی برق (شکل 4) نشان می دهد، دمای بویلر دانشکده 61.1 درجه می باشد، اما سیستم با توجه به شرایط محیطی داخل و خارج ساختمان، پیشنهاد دمای 33.3 درجه را برای بویلر می دهد. در صورتیکه دمای بویلر تا این اندازه کاهش یابد دمای متوسط ساختمان همچنان 21.4 درجه و همچنین دمای تمامی دفاتر همچنان حول مقدار مطلوب کاربر ثابت باقی می ماند، اما حفظ این دما ها با کاهش 27.8 درجه ای دمای بویلر همراه است که بنا بر مستندات ارائه شده توسط شرکت بهینه سازی مصرف سوخت به معنای کاهش 28 درصدی در مصرف گاز جهت گرمایش ساختمان است. اپلیکیشن علاوه بر پنجره ی داشبورد (شکل 4) که از طریق آن کاربر می تواند اطلاعات محیطی دفاتر به تفکیک دفاتر (شامل دما، رطوبت، میزان شدت نور، وضعیت تردد، حالت کاری ادوات گرمایشی - سرمایشی، دمای مطلوب کاربر و ...) را بطور برخط پایش نماید، از طریق 3 پنجره ی کنترل ساختمان، زمانبندی ساختمان و کنترل اتاق می تواند اقدام به خاموش و روشن کردن ادوات گرمایشی - سرمایشی و تنظیم حالت کاری آنها (کلاسیک/بهینه سازی) با دمای مطلوب، از راه دور نماید. این قابلیت این امکان را به کاربر می دهد که در ایام تعطیل و خارج از بازه ی اداری اقدام به خاموش نمودن ادوات گرمایشی سرمایشی دفاتر فاقد تردد نماید که بر اساس مستندات ارائه شده توسط شرکت بهینه سازی مصرف سوخت تا 20% باعث کاهش مصرف گاز و برق جهت گرمایش سرمایش ساختمان می شود. توسط پنجره ی کنترل ساختمان، تمامی ادوات گرمایشی سرمایشی ساختمان بطور همزمان تنظیم می گردند. در این پنجره کاربر با وارد کردن نام شهری که سیستم در آن نصب می باشد این قابلیت را به سیستم می دهد تا از طریق دسترسی به سایتهای هواشناسی، اطلاعات هواشناسی را برای ترموستاتهای هوشمند بطور مداوم ارسال نماید که با استفاده از این اطلاعات، ترموستاتهای هوشمند اقدام به بهینه سازی مصرف انرژی می نمایند. توسط پنجره ی زمانبندی ساختمان تنظیم پروفایل دمایی ساختمان در زمان مشخص شده توسط کاربر صورت می گیرد و توسط پنجره ی کنترل اتاق، تنظیم بصورت موردی برای هر یک از ادوات گرمایشی سرمایشی ساختمان صورت می گیرد. توسط پنجره ی رسم نمودار، امکان رسم نمودار دمای متوسط ساختمان و بصورت موردی رسم دمای هر دفتر در بازه ی مطلوب کاربر، مهیا شده است. توسط پنجره ی گزارش داده سنسورها، امکان لاگ گیری به تفکیک دفاتر و در بازه ی مطلوب مهیا شده است. پنجره ی گزارش موارد غیر عادی، ترموستاتهای هوشمندی که دارای نقص فنی بوده و یا دارای نقص مخابراتی می باشند و همچنین دفاتری که فاقد تردد بیش از یک زمان قابل تنظیم توسط کاربر می باشند را لیست می نماید. از طریق پنجره ی مدل سازی ساختمان، مدل حرارتی ساختمان به تفکیک دفاتر برای ترموستاتهای هوشمند ارسال می گردد. ترموستاتهای هوشمند از این مدل جهت حل مسئله ی بهینه سازی ساختمان بهره می گیرند که منجر به بهینه سازی دمای بویلر و چیلر ساختمان می گردد. توسط پنجره ی مدیریت ساختمان، کاربر ادمین امکان تعریف کاربر اپراتوری با سطح دسترسی قابل تعریف به پنجره های فوق الذکر را دارا می باشد. از طریق پنجره ی مدیریت ساختمان هم، کاربر سوپر ادمین می تواند ساختمان جدیدی به اپلیکیشن اضافه نماید، متعاقبا با نصب گیت وی ها و ترموستاتهای هوشمند در ساختمان جدید، اپلیکیشن بصورت خودکار برای ساختمان جدید راه اندازی شده و قابل بهره برداری است. با کلیک کردن بر روی گزینه ی خروج، کاربر می تواند از سامانه خارج شود.

شکل 1- نمایی از ترموستات هوشمند مخصوص اسپیلت/کولر گازی

شکل 2- نمایی از ترموستات هوشمند مخصوص فن کوئل

شکل 3- نمایی از گیت وی

شکل 4- نمایی از اپلیکیشن

​​​​​​​