امروزه مدیریت مصرف انرژی در کانون توجه دولتمردان در سراسر جهان قرار گرفته است. مصرف بالای انرژی در ساختمان‌های مسکونی یکی از عمده‌ترین دلایل مصرف بی‌رویه انرژی است که هزینه‌های بالایی را در بلندمدت برای مصرف‌کنندگان و نیز در سطح ملی به دنبال دارد. از اینرو در این پژوهش سعی شده است که با اصلاح الگوی مصرف و ارائه یک برنامه پیشنهادی، مصرف‌کننده بتواند ضمن حفظ رفاه خود از تاثیرات مثبت اقتصادی نیز بهره ببرد.

در این پژوهش ابتدا پیشینه‌ای از بهینه‌سازی مصرف انرژی در مقالات و تحقیقات موجود ارائه و سپس یک مدلسازی از دستگاه‌های خانگی مطرح شده است. در ادامه این پژوهش، در یک مطالعه موردی، فهرستی از دستگاه‌های مورد استفاده توسط یک مصرف‌کننده داوطلب دریافت شده و مدل برای آن به اجرا درآمده است. سه سناریوی مختلف به عنوان اهداف این پژوهش بررسی و با هم مقایسه شده اند. این سه سناریو شامل موارد زیر است:

سناریوی 1: می‌نیمم‌سازی پیک انرژی مصرفی (مدیریت اضافه‌بار)
سناریوی 2: می‌نیمم‌سازی هزینه انرژی مصرفی
سناریوی 3: تلفیق سناریوهای 1و2
بررسی همزمان هر دو سناریوی 1و2 در سناریوی 3، این پژوهش را از سایر پژوهش‌های مرتبط متمایز می‌کند، زیرا در کارهای مرتبط پیشین معمولا یکی از اهداف مورد بررسی در سناریوهای 1 و 2، مورد بحث قرار گرفته‌اند. در پایان این پژوهش سعی شده است با بررسی نمودارهای توزیع انرژی دستگاه‌های خانگی و مقایسه سناریوهای مطرح شده، بهترین برنامه زمان‌بندی برای بارها ارائه شود که بطور همزمان هم پیک انرژی مصرفی را می‌نیمم کند و هم به می‌نیمم‌سازی هزینه برق مصرفی منجر شود.

واژه های کلیدی: مدیریت مصرف انرژی، بهینه‌سازی مصرف انرژی، خانه‌های هوشمند، اتوماسیون ساختمان

فهرست مطالب

فصل1مقدمه  7

1-1.مقدمه 8

1-2.ساختمانهوشمندچیست؟ 8

1-2-1. سیستم‌هایمدیریتواتوماسیونساختمان. 9

1-2-2. تعاملبینساکنانوساختمانهوشمند 9

1-2-3. سیستم‌هایمدرنمدیرتساختمان. 10

1-3.نگاهاینپژوهش.. 10

1-3-1. شبکههوشمند 11

1-3-2. تکنیکپاسخبهتقاضا (DR) 12

1-3-3. انواعبرنامه‌هایپاسخبهتقاضا (DR) 12

1-3-4. تعاملبینمصرف‌کنندهوبرنامه‌هایپاسخبهتقاضا (DR) 13

1-3-5. مقایساتیبیناینپژوهشوپژوهش‌هایانجامشده 14

1-4.فصل‌بندی. 16

فصل2مروریبرمنابعمطالعاتی  18

2-1.مقدمه 19

2-2.مسألهتغییرزمانبار. 19

2-2-1. سیستممدیریتمصرفانرژیدرخانه‌هایمسکونی. 20

2-2-1-1. ارائهمسألهبرنامه‌ریزی. 21

2-2-1-2. استخراجاطلاعاتبارهایخانگی. 21

2-3.رویکردیازتغییرزمانبارها 22

2-3-1. اعمالفرضیاتگوناگون. 23

2-4.مدیریتطرفتقاضا (DSM) 23

2-5.رویکردDSMدراینپژوهش.. 24

2-6.بررسیتفصیلیاولینپژوهشمرتبط. 25

2-6-1. چارچوبمدل. 25

2-6-1-1. فازهایکاری. 26

2-6-1-2. مقایسهپژوهشموردمطالعهبااینپژوهش.. 26

2-6-2. فرمول‌بندیمدل. 26

2-6-3. انتقاداتیبرپژوهشموردمطالعه 29

2-7.بررسیتفصیلیدومینپژوهشمرتبط. 30

2-7-1. سناریوی 1: مدیریتاضافه‌باردرحوزهخانه 30

2-7-2. سناریوی 2: بهینه‌سازیصرفه‌جوییاقتصادی. 30

2-7-3. سناریوی3: مدیریتطرفتقاضا (DSM) 31

2-7-4. چارچوبمدل. 32

2-7-4-1. معماریسیستم 32

2-7-4-2. مدلسازیبارهایخانگی. 34

2-7-4-3. مدلسازیانرژیمصرفیدستگاه‌ها 35

2-7-5. فرمول‌بندیمسألهکنترلرهوشمندخانگی. 37

2-7-5-1. تعاملبینمصرف‌کنندهودستگاه‌هایهوشمندخانگی. 37

2-7-5-2. رفتارSHCدربرابرسیگنال‌هایDSM.. 39

2-7-5-3. ارائهمدلریاضیازMدستگاهخانگی. 40

2-7-5-4. مسألهبرنامه‌ریزیSHC. 42

2-7-5-5. حلمسألهبرنامه‌ریزیSHC. 43

فصل3مدل‌پیشنهادیکنترلرهوشمند 47

3-1.دیاگرامکلیمسأله 48

3-1-1. دیاگرامسیستممدیریتبارهایخانگی. 48

3-1-2. تقسیم‌بندیبارهایخانگی. 49

3-1-3. توسعهسیستممدیریتبار. 50

3-1-4. نیازمندی‌هایارتباطیسیستم (پروتکلارتباطیزیگبی) 51

3-2.تشریحمسألهوفرضیات.. 52

3-2-1. ادبیاتمدل. 52

3-2-2. فرموله‌سازیواعمالفرضیات.. 53

فصل4الگوریتمحلمسألهبرنامه‌ریزی   59

4-1.مقدمه 60

4-2.برنامه‌ریزیخطیعددصحیحمختلط. 60

4-3.برنامه‌ریزیآرمانی. 63

فصل5مطالعهموردیوتفسیرنتایج  66

5-1.مقدمه 67

5-2.دریافتاطلاعاتازمصرف‌کننده 68

5-3.مدلسازیدستگاه‌هایخانگیدرمطالعهموردی. 70

5-4.بررسیسناریوهایمختلف.. 78

5-4-1. سناریوی 1: می‌نیمم‌سازیپیکانرژیمصرفی. 79

5-4-1-1. نمودارتوزیعانرژیدستگاه‌هایخانگی. 79

5-4-1-2. بررسیکلانرژیمصرفی. 85

5-4-1-3. بررسیهزینهکلانرژیمصرفی. 87

5-4-2. سناریوی 2: می‌نیمم‌سازیهزینهانرژیمصرفی. 89

5-4-2-1. نمودارتوزیعانرژیدستگاه‌هایخانگی. 90

5-4-2-2. بررسیکلانرژیمصرفی. 96

5-4-2-3. بررسیهزینهکلانرژیمصرفی. 98

5-4-3. سناریو 3: تلفیقسناریوهای 1و2. 100

5-4-3-1. بررسیکلانرژیمصرفی. 100

5-4-3-2. بررسیهزینهکلانرژیمصرفی. 102

فصل6نتیجه‌گیریوپیشنهادات   104

فهرست اشکال

فصل1مقدمه  7

شکل1-1.بخش‌هایمختلفیکساختمانهوشمند 10

فصل2مروریبرمنابعمطالعاتی  18

شکل2-1.تعرفهقیمتانرژیالکتریکیبرایشهرنیویورک، 15 ماهفوریه 2011 (NYISO) 24

شکل2-2.معماریسیستم 33

شکل2-3.تعاملبینمصرف‌کنندهودستگاه 38

شکل2-4.منطقکارکردسیستمکنترلرهوشمند 39

فصل3مدل‌پیشنهادیکنترلرهوشمند 47

شکل3-1.دیاگرامسیستممدیریتبار. 48

شکل3-2.تقسیم‌بندیبارهایخانگی. 50

فصل4الگوریتمحلمسألهبرنامه‌ریزی   59

 

فصل5مطالعهموردیوتفسیرنتایج  66

شکل5-1.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 1 (تهویهمطبوع) 79

شکل5-2.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 2 (یخچال) 79

شکل5-3.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 3 (اجاقبرقی) 80

شکل5-4.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 4 (سیستمصوتیتصویری) 81

شکل5-5.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 5 (اتومبیلشارژی) 81

شکل5-6.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 6 (پمپآبی) 82

شکل5-7.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 7 (ماشینلباسشویی) 83

شکل5-8.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 8 (ماشینظرفشویی) 84

شکل5-9.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 9 (اتویبرقی) 84

شکل5-10.نمودارتوزیعانرژی 9 دستگاهدریکشکل. 86

شکل5-11.کلمصرفانرژیالکتریکیدرساعاتشبانه‌روز. 86

شکل5-12.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 5 (اتومبیلشارژی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 90

شکل5-13.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 5 (اتومبیلشارژی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 90

شکل5-14.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 6 (پمپآبی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 92

شکل5-15.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 6 (پمپآبی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 92

شکل5-16.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 7 (ماشینلباسشویی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 93

شکل5-17.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 7 (ماشینلباسشویی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 93

شکل5-18.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 8 (ماشینظرفشویی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 94

شکل5-19.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 8 (ماشینظرفشویی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 94

شکل5-20.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 9 (اتویبرقی) باپیکانرژی 5/2 کیلوات‌ساعت.. 95

شکل5-21.نمودارتوزیعانرژیدستگاهشماره 9 (اتویبرقی) باپیکانرژی 5 کیلوات‌ساعت.. 95

شکل5-22.نمودارتوزیعانرژی 9 دستگاهدریکشکلبرایپیک 5/2 کیلوواتساعت.. 96

شکل5-23.کلمصرفانرژیالکتریکیدرساعاتشبانه‌روزبرایپیک 5/2 کیلوواتساعت.. 96

شکل5-24.نمودارتوزیعانرژی 9 دستگاهدریکشکلبرایپیک 5 کیلوواتساعت.. 97

شکل5-25.کلمصرفانرژیالکتریکیدرساعاتشبانه‌روزبرایپیک 5/2 کیلوواتساعت.. 97

شکل5-26.نمودارتوزیعانرژی 9 دستگاهدریکشکلتلفیقسناریو 1و2. 101

شکل5-27.نمودارکلمصرفانرژیالکتریکیدرساعاتشبانه‌روزتلفیقسناریو 1و2. 101

فصل6نتیجه‌گیریوپیشنهادات   104

فهرست جداول

فصل1مقدمه  7

فصل2مروریبرمنابعمطالعاتی  18

جدول2-1.معرفیپارامترهایمدل. 40

فصل3مدل‌پیشنهادیکنترلرهوشمند 47

جدول3-1.جدولتعرفهمتغیربازمانبرایانرژیالکتریکی. 56

فصل4الگوریتمحلمسألهبرنامه‌ریزی   59

فصل5مطالعهموردیوتفسیرنتایج  66

جدول5-1.جدولترجیحاتمصرف‌کنندهومشخصاتدستگاه‌ها 69

جدول5-2.تعرفهقیمتبرقدرساعاتشبانه‌روز. 88

فصل6نتیجه‌گیریوپیشنهادات   104

مقدمه

اگر توجه داشته باشیم که منابع تامین انرژی محدود است و به همین علت بهای انرژی مصرفی بالاست می‌توان معنای واقعی مدیریت مصرف انرژی را درک کرد. متاسفانه در کشور ما فرهنگ صحیح استفاده از انرژی هنوز هم جایگاه مناسب خود را به دست نیاورده است؛ بگونه‌ای که آمار و ارقام[1] موجود در این زمینه حاکی از مصرف بی‌رویه انرژی حتی تا چندین برابر استانداردهای جهانی می‌باشد. با توجه به اینکه در کشور ما بیش از 90% انرژی‌ها[2] از منابع زیرزمینی و فسیلی تهیه می‌شود که منابعی محدود و پایان پذیر می‌باشند این مسأله از درجه اهمیت بالاتری برخوردار است لذا هوشمندسازی ساختمان در کشور ما یک امر بسیار مهم به شمار می‌آید که باید به یک عزم ملی تبدیل شود تا از این طریق هم به خودمان و هم به نسل‌های بعدی خدمت کنیم. راهکاری که در این پژوهش ارائه شده است، می‌تواند گامی جهت توسعه هوشمندسازی خانه‌ها باشد.

ساختمان هوشمند چیست؟
یک ساختمان هوشمند بنا به تعریف انستیتو ساختمان‌های هوشمند، بنایی است که با استفاده بهینه از چند عنصر پایه شامل: سازه و سیستم و خدمات مدیریت و روابط درونی آنها، محیطی مناسب و دارای صرفه اقتصادی ایجاد می‌نماید. در ساختمان هوشمند بسیاری از اعمالی که ساکنان از روی عادت و بصورت غیرارادی انجام می‌دهند توسط سیستم‌های هوشمند انجام می‌گردد که باعث صرفه جویی در زمان و هزینه نیروی انسانی می‌گردد.

سیستم‌های مدیریت و اتوماسیون ساختمان
امروزه عملکرد سیستم‌های مدیریت و اتوماسیون ساختمان در جهت کاهش هزینه‌های صنعت ساختمان و استفاده بهینه از تکنولوژی و بکارگیری فناوری ارتباطات و رایانه رو به رشد هستند که در مجموع صرفه‌جویی انرژی را در بر خواهد داشت، بطوریکه صرفه‌جویی‌های ناشی از بکارگیری این سیستم‌ها در مدت زمان کوتاهی موجب جبران هزینه‌های مربوطه می‌شود. سیستم‌های کنترل هوشمند دارای انعطاف بالایی هستند و می‌توان براحتی آنها را با نیازهای مختلف منطبق نمود. همچنین در هنگام بهره‌برداری براحتی می‌توان عملیات تغییر و بهینه‌سازی برای راهبری بهتر و کاهش هزینه‌های انرژی را انجام داد.

با بکارگیری انواع و اقسام سنسورهای حسی در داخل و خارج ساختمان و با بکارگیری یک شبکه و سیستم واحد می‌توان بلادرنگ اطلاعات دما، فشار، رطوبت، دبی هوا، میزان اکسیژن و دی اکسیدکربن را در اختیار داشت و از آنها در جهت رسیدن به شرایط ایده‌آل استفاده کرد. دریک ساختمان هوشمند که با امکانات نرم‌افزاری بوجود آمده می‌توان نمودارهای مختلفی را بر حسب زمان در اختیار داشت و از آنها در جهت بهبود کیفی شرایط زیستی برای ساکنین استفاده کرد.