فصلنامه سیستم های انرژی پایدار

فصلنامه سیستم های انرژی پایدار

بهینه‌سازی مصرف انرژی در یک ساختمان مسکونی در اصفهان با تأکید بر مصالح ‌ساختمانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 کارشناسی ارشد معماری و انرژی، پژوهشکدۀ انرژی، آب و محیط زیست، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
2 استاد دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
3 استادیار دانشکدۀ معماری و هنر، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران
10.22059/ses.2026.413177.1231
چکیده
مدیریت و کاهش مصرف انرژی در ساختمان‌های مسکونی اقلیم گرم و خشک، از الزامات اساسی توسعۀ پایدار شهری است. پژوهش حاضر با هدف ارزیابی و بهینه‌سازی عملکرد انرژی پوستۀ ساختمان بر اساس اصلاح مصالح و اجزای فیزیکی، یک ساختمان مسکونی تیپ در منطقۀ ۴ اصفهان را به عنوان نمونه نمایندۀ ساخت‌وسازهای رایج مورد بررسی قرار می‌دهد. مدل‌سازی حرارتی و شبیه‌سازی مصرف انرژی ساختمان در نرم‌افزار تخصصی انجام گرفت. به منظور تحلیل دقیق پتانسیل‌های صرفه‌جویی، نرخ کاهش مصرف انرژی به دو بخش «متدولوژیک[1]» و «فیزیکی پوسته» تفکیک شد. نتایج نشان داد تصحیح زون‌بندی حرارتی مدل (واقعی‌سازی مشاعات و فضاها)، مصرف محاسباتی را از 45/137به 50/104کیلووات‌ساعت بر مترمربع در سال (97/23 درصد کاهش متدولوژیک) کاهش می‌دهد. در گام بعد، اعمال سناریوهای بهینه‌سازی پوسته شامل عایق‌کاری میانی دیوارهای خارجی، استفاده از بام بازتابی سرد، سبک‌سازی دیوارهای داخلی و به‌کارگیری شیشه‌های سه‌جداره، مصرف انرژی را به 64/96 کیلووات‌ساعت بر مترمربع در سال (52/7درصد کاهش واقعی نسبت به پایه اصلاح‌شده) رساند. همچنین، تلفیق پوستۀ بهینه با سامانه‌های فعال خورشیدی (پنل فتوولتائیک با زاویۀ بهینه ۳۸ درجه و آب‌گرم‌کن خورشیدی) مصرف انرژی نهایی را به‌ترتیب به 80/90 و 10/85 کیلووات‌ساعت بر مترمربع در سال کاهش داد. در نهایت، مدل بهینه‌سازی‌شده موفق به کسب ردۀ انرژی «ب» مطابق با الزامات مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان شد. یافته‌های این پژوهش، راهبردهای اولویت‌دار طراحی پوستۀ غیرفعال و فعال را برای توسعۀ الگوهای کم‌مصرف در اقلیم گرم و خشک ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Energy Optimization in a Residential Building in Isfahan with an Emphasis on Building Materials

نویسندگان English

Zahra Setayesh Khah 1
Ghanbar Ali Sheikhzadeh 2
Javad Divandari 3
1 M.Sc. in Architecture and Energy, Research Institute for Energy, Water and Environment, University of Kashan, Kashan, Iran
2 Professor, Department of Mechanical Engineering, University of Kashan, Kashan, Iran
3 Assistant Professor, Department of Architecture, University of Kashan, Kashan, Iran
چکیده English

Managing and reducing energy consumption in residential buildings located in hot–dry climates is a fundamental requirement for sustainable urban development. This study aims to evaluate and optimize the energy performance of the building envelope by modifying its materials and physical components. A typical residential building in District 4 of Isfahan was selected as a representative case of prevailing construction practices. Thermal modeling and building energy simulations were conducted using specialized simulation software. To accurately assess the energy-saving potential, reductions in energy consumption were classified into two categories: methodological reductions and reductions resulting from physical envelope interventions. The results indicated that refining the model’s thermal zoning by realistically representing common and occupied spaces reduced the calculated annual energy use intensity from 137.45 to 104.50 kWh/m²·year, corresponding to a 23.97% methodological reduction. Subsequently, the implementation of envelope optimization scenarios—including intermediate insulation of external walls, the application of a reflective cool roof, lightweight internal walls, and triple-glazed windows—further reduced annual energy use intensity to 96.64 kWh/m²·year, representing an actual reduction of 7.52% relative to the revised baseline model. Moreover, integrating the optimized envelope with active solar systems—namely, photovoltaic panels installed at an optimal tilt angle of 38° and a solar water-heating system—reduced the final annual energy use intensity to 90.80 and 85.10 kWh/m²·year, respectively. Ultimately, the optimized model achieved Energy Class B in accordance with the requirements of Part 19 of the Iranian National Building Regulations. The findings provide prioritized passive envelope design strategies and active solar solutions for developing low-energy residential building models in hot–dry climates.

کلیدواژه‌ها English

Hot and Dry Climate
Building Energy Simulation
Building Materials
Energy Consumption Optimization
[1] International Energy Agency. Energy Efficiency 2022. Paris: IEA; 2022.
[2] Givoni B. Climate considerations in building and urban design. New York: John Wiley & Sons; 1998.
[3] Santamouris M. Cooling the buildings: past, present and future. Energy Build. 2016;128:617-638. doi:10.1016/j.enbuild.2016.07.034.
[4] Ozel M. Effect of insulation location on dynamic heat transfer characteristics of building external walls. Energy Build. 2011;43(8):2163-2168. doi:10.1016/j.enbuild.2011.04.027.
[5] Meerow S, Newell J, Stults M. Defining urban resilience: a review. Landsc Urban Plan. 2016;147:38-49. doi:10.1016/j.landurbplan.2015.11.011.
[6] UN-Habitat. World Cities Report 2020: The value of sustainable urbanization. Nairobi: United Nations; 2020.
[7] Crawley DB, Hand JW, Kummert M, Griffith BT. Contrasting the capabilities of building energy performance simulation programs. Build Environ. 2008;43(4):661-673. doi:10.1016/j.buildenv.2006.10.027.
[8] Attia S, Hensen J, Beltrán L, De Herde A. Selection criteria for building performance simulation tools. Build Environ. 2012;54:25-34. doi:10.1016/j.buildenv.2012.02.006.
[9] Esfandiari A, Shokri E. Evaluation of the role of spatial layout on visual quality and daylight indicators in residential interior spaces in Isfahan. Karafan Sci Q. 2022;19(4):255-276. [Persian]
[10] Hu M, Xiao Y, Cao J, et al. The effects of passive design on indoor thermal comfort and energy savings for residential buildings in hot climates: A systematic review. Urban Clim. 2023;49:101466. doi:10.1016/j.uclim.2023.101466.
[11] Holling CS. Resilience and stability of ecological systems. Annu Rev Ecol Syst. 1973;4:1-23.
[12] Vale LJ, Campanella TJ. The resilient city: how modern cities recover from disaster. Oxford: Oxford University Press; 2005.
[13] Kumar D, Alam M, Sanjayan J. Comparative analysis of building insulation material properties and performance. Renewable Sustainable Energy Rev. 2020;131:110038. doi:10.1016/j.rser.2020.110038.
[14] Alwetaishi M. Impact of glazing to wall ratio on energy consumption of buildings in hot regions. Energies. 2019;12(11):2164. doi:10.3390/en12112164.
[15] Wang Y, Wang J, Zhang Y. A Comprehensive Review on Technologies for Achieving Zero-Energy Buildings. Sustainability. 2024;16(24):10941. doi:10.3390/su162410941.
[16] Cabeza LF, Castell A, Barreneche C, de Gracia A, Fernández AI. Materials for using solar energy in buildings: PCM-concrete and PCM-brick walls. Sol Energy. 2011;85(7):1505-1511. doi:10.1016/j.solener.2011.04.015.
[17] Naghipour A, et al. Adobe versus concrete: Passive energy analysis in residential buildings in the hot and arid climate of Kashan city. Building Engineering. 2026;6(1):be4029. doi:10.59400/be4029.
[18] Kibert CJ. Sustainable construction: green building design and delivery. Hoboken: John Wiley & Sons; 2016.
[19] Ismail AM, et al. Enhancement Techniques for the Reduction of Heating and Cooling Loads in Buildings: A Review. J Energy Power Technol. 2023;5(4):031. doi:10.21926/jept.2304031.
[20] Clarke JA. Energy simulation in building design. 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann; 2001.
[21] Kolokotsa D, Rovas D, Kosmatopoulos E, Kalaitzakis K. A roadmap towards intelligent net zero and positive energy buildings. Sol Energy. 2011;85(12):3067-3084. doi:10.1016/j.solener.2010.09.023.
[22] Santamouris M, Kolokotsa D. Passive cooling dissipation techniques for buildings and other structures. Energy Build. 2015;94:2-13. doi:10.1016/j.enbuild.2015.02.042.
[23] Ministry of Roads and Urban Development. National building regulations of Iran: Topic 19 – Energy conservation. 5th ed. Tehran: Office of National Building Regulations; 2020. [Persian]