ادغام سامانه های BIPV و PV در نماهای ساختمانی ایران
مقدمه
افزایش مصرف انرژی در بخش ساختمان، چالش کمبود برق شهری در تابستان، و رشد آلودگی ناشی از سوخت های فسیلی، باعث شده که رویکرد به سمت معماری مبتنی بر انرژی های تجدیدپذیر در ایران جدی تر شود. یکی از فناوری های موثر در این زمینه، استفاده از سامانه های خورشیدی در سطح ساختمان هاست. این سامانه ها در دو گروه اصلی تعریف می شوند: نخست، سیستم های فتوولتائیک معمولی یا PV که به صورت مستقل بر بام یا زمین نصب می شوند و صرفا نقش تولید انرژی دارند؛ و دوم، سیستم های فتوولتائیک یکپارچه در ساختمان یا BIPV که بخشی از بدنه، سقف، یا نما محسوب می شوند و هم زمان نقش سازه ای، زیبایی شناختی و انرژی زا دارند.
ایران با میانگین تابش خورشیدی بین ۱۸۰۰ تا ۲۲۰۰ کیلووات ساعت بر مترمربع در سال، از بهترین مناطق جهان برای بهره گیری از انرژی خورشیدی به شمار می رود. با این حال، تفاوت اقلیمی در کشور، از مناطق خشک مرکزی تا اقلیم مرطوب شمالی مانند گیلان و رشت، سبب می شود که طراحی سامانه های BIPV نیازمند تطبیق دقیق با شرایط اقلیمی و مصالح بومی باشد.
تفاوت عملکرد PV و BIPV
در سیستم های PV معمولی، پنل ها پس از ساخت بنا روی بام یا محوطه نصب می شوند، در حالی که در BIPV، خود پنل بخشی از پوسته معماری است. این ادغام باعث کاهش هزینه مصالح جداگانه و افزایش بازدهی فضا می شود. مطالعات انجام شده در دانشگاه تهران در سال ۱۴۰۲ نشان می دهد که اجرای BIPV در نمای جنوبی ساختمان های اداری در تهران توانسته است حدود ۲۸ درصد از مصرف انرژی برق شبکه را کاهش دهد.
در کشورهای پیشرفته، BIPV نه فقط یک فناوری بلکه بخشی از طراحی معماری پایدار است. در ایران نیز از سال ۱۴۰۱، سازمان انرژی های تجدیدپذیر (ساتبا) دستورالعمل های فنی برای اجرای سامانه های خورشیدی در ساختمان ها را ابلاغ کرده است، اما هنوز اجرای گسترده آن در مراحل اولیه است.
پتانسیل اقلیمی ایران
ایران در کمربند خورشیدی جهان قرار دارد. مناطق مرکزی مانند یزد و کرمان بیش از سیصد روز آفتابی در سال دارند، اما در مناطق شمالی مانند رشت به دلیل رطوبت بالا و آسمان ابری، شدت تابش مستقیم کمتر است. با این حال، حتی در چنین شرایطی، انرژی تابشی پراکنده (Diffuse Radiation) نیز می تواند از طریق پنل های نیمه شفاف قابل استفاده باشد.
در رشت، میانگین تابش مفید روزانه حدود سه و نیم ساعت است. برای چنین اقلیمی، استفاده از پنل های با زاویه بیشتر نسبت به افق (حدود چهل درجه) و روکش های ضدبخار و خودتمیزشونده ضروری است. علاوه بر این، سامانه های ترکیبی که بتوانند همزمان نور طبیعی و تولید انرژی را مدیریت کنند، بیشترین کارایی را دارند.
اصول طراحی معماری برای ادغام BIPV
نخستین نکته در طراحی موفق سامانه های BIPV، آغاز برنامه ریزی از مرحله مفهومی معماری است. اگر این فناوری در پایان طراحی به بنا اضافه شود، معمولا از نظر زیبایی، سازه و عملکرد انرژی کارآمد نخواهد بود.
در اقلیم ایران سه اصل طراحی اهمیت دارد:
نخست، جهت گیری نما و زاویه پنل ها که باید متناسب با مسیر تابش خورشید در منطقه انتخاب شود. در تهران و شهرهای مرکزی، زاویه بین ۲۵ تا ۳۰ درجه مناسب است، اما در گیلان و نواحی شمالی به دلیل زاویه پایین تر تابش، زاویه ۴۰ درجه پیشنهاد می شود.
دوم، انتخاب مصالح هماهنگ با اقلیم. در مناطق مرطوب باید از قاب های آلومینیومی آنودایز یا پلی کربنات های مقاوم به خوردگی استفاده شود.
سوم، ترکیب عملکرد حرارتی و تهویه با طراحی نما. استفاده از پنل ها به صورت سایبان یا لورورهای قابل حرکت، علاوه بر تولید انرژی، می تواند از بار سرمایشی بنا بکاهد. نمونه ای از این کاربرد در پروژه ایران مال تهران مشاهده شده که با نصب پنل های BIPV در سایبان های جنوبی، حدود پانزده درصد از برق روشنایی مجموعه تامین شد.
چالش های اجرایی در ایران
با وجود ظرفیت بالا، توسعه سامانه های BIPV در کشور با مشکلات متعددی روبه رو است. نخست، نبود استاندارد بومی متناسب با شرایط اقلیمی ایران است؛ بسیاری از آیین نامه های فعلی ترجمه مستقیم از استانداردهای اروپایی اند و برای شرایطی مانند گردوغبار یا رطوبت شمال کشور بهینه سازی نشده اند.
دوم، هزینه اولیه بالای این فناوری است. اگرچه BIPV در بلندمدت صرفه جویی قابل توجهی دارد، اما سرمایه اولیه آن حدود سی تا پنجاه درصد بیش از مصالح معمولی است و این موضوع برای بسیاری از پروژه های خصوصی بازدارنده است.
سوم، کمبود نیروی متخصص در طراحی یکپارچه میان معماری و برق است. در اغلب پروژه ها معمار و مهندس تاسیسات به صورت جداگانه عمل می کنند، در حالی که موفقیت BIPV مستلزم همکاری میان رشته ای است.
چهارم، نبود مشوق مالی پایدار است. در کشورهای اروپایی برق تولیدی از سامانه های BIPV خرید تضمینی دارد، اما در ایران، سیاست های حمایتی هنوز به صورت ناپایدار اجرا می شود.
نمونه های واقعی از ایران
در چند سال اخیر، نمونه هایی از اجرای موفق BIPV در کشور ثبت شده است. ساختمان مرکزی سازمان ساتبا در تهران با نصب حدود چهارصد مترمربع پنل خورشیدی یکپارچه در نما، توانسته سالانه شصت وپنج مگاوات ساعت برق تولید کند و مصرف داخلی را هجده درصد کاهش دهد.
پروژه مسکونی آناهیتا در رشت نیز یکی از نخستین نمونه های شمال کشور است. در این پروژه، از پنل های نیمه شفاف در جداره های جنوبی و بالکن ها استفاده شده و با وجود تابش کمتر نسبت به جنوب ایران، پنج درصد از انرژی روشنایی و ده درصد از گرمایش آب از طریق این سامانه تامین می شود.
نمونه دیگر، ساختمان اداری دانشگاه علوم پزشکی شیراز است که در نمای شرقی و غربی از شیشه های فتوولتائیک یکپارچه استفاده کرده و توانسته است مصرف برق سیستم سرمایش را بیش از بیست درصد کاهش دهد.
تجربه های تطبیقی جهانی
در اروپا، آلمان پیشرو در استفاده از BIPV است و دولت خرید برق تولیدی را تا بیست سال تضمین می کند. در چین نیز با اعطای یارانه های سرمایه اولیه، استفاده از BIPV در ساختمان های بلندمرتبه شهری گسترش یافته است. جالب تر از همه، تجربه مالزی است که از نظر اقلیمی شباهت زیادی با گیلان دارد. در پروژه های کوالالامپور، با استفاده از پوشش های سیلیکاتی خودتمیزشونده، راندمان پنل ها در شرایط مرطوب تا بیست درصد افزایش یافته است. این تجربه می تواند الگویی برای شمال ایران باشد.
چشم انداز آینده در ایران
در ویرایش جدید مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان که از سال ۱۴۰۴ اجرایی می شود، تاکید ویژه ای بر استفاده از انرژی های تجدیدپذیر در ساختمان ها وجود دارد. هم زمان وزارت نیرو نیز سیاست خرید برق از ساختمان های خورشیدی کوچک مقیاس را در حال نهایی سازی دارد. این اقدامات می تواند مسیر رشد BIPV در معماری ایران را تسریع کند.
برای تحقق این هدف، چند گام ضروری است:
نخست، تدوین استاندارد ملی طراحی و نصب سامانه های خورشیدی در مناطق مرطوب و گرم؛ دوم، ارائه تسهیلات مالی و وام های کم بهره برای ساختمان هایی با برچسب انرژی بالا؛ سوم، آموزش بین رشته ای در دانشگاه ها برای ترکیب طراحی معماری و انرژی؛ و چهارم، الزام ساختمان های دولتی جدید به استفاده از فناوری های خورشیدی در نما یا بام.
جمع بندی
ادغام سامانه های BIPV و PV نه فقط یک فناوری فنی بلکه گامی به سوی تغییر نگرش در طراحی معماری ایران است. تلفیق هوشمندانه این فناوری با مصالح بومی و اقلیم متنوع کشور می تواند وابستگی به شبکه برق را تا حدود سی درصد کاهش دهد. در مناطق مرطوبی مانند گیلان، اگر از فناوری های پیشرفته تر با پوشش های ضدخوردگی و زاویه های نصب بهینه استفاده شود، این کاهش به صورت پایدار قابل دستیابی است. آینده معماری ایران در گرو پیوند واقعی میان دانش طراحی، فناوری های نوین و سیاست های حمایتی است.