طراحی سیستم خبره بهسازی اقلیمی با الگویابی از ساختمان‌های مسکونی اقلیم سرد مبتنی بر مدل‌های یادگیری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مدیریت فناوری اطلاعات، واحد قزوین، دانشگاه آزاد اسلامی، قزوین، ایران.

2 گروه معماری، واحد زنجان، دانشگاه آزاد اسلامی، زنجان، ایران.

3 گروه مهندسی کامپیوتر و فناوری اطلاعات، واحد قزوین، دانشگاه آزاد اسلامی، قزوین، ایران.

چکیده

هدف: با رشد روز افزون مصرف انرژی در دنیای مدرن و جایگاه صنعت ساختمان به‌مثابه یکی از عوامل مهم در ایجاد و تشدید این بحران، بروز و ظهور مسئله‌ای پیچیده با عنوان «مدیریت تأمین و مصرف انرژی» در حال رخداد است که علاوه ‌بر تأثیرگذاری بر توسعۀ پایدار جوامع از لحاظ تأثیر شگرف آن بر زیست سالم انسان‌ها، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. پژوهش حاضر طراحی سیستمی تصمیم‌ساز برای بهره‌مندی حداکثری از انرژی خورشید (غیر فعال)، در تأمین انرژی مورد نیاز ساکنان یک ساختمان مسکونی (موجودیت اطلاعاتی) را با لحاظ حداقل میزان هدررفت انرژی، مبتنی‌بر طراحی مناسب پوستۀ خارجی بدون نیاز به نصب تجهیزات الکتریکی جانبی هدف خود قرار داده است.
روش: روش این پژوهش ماهیتی ترکیبی از یک پژوهش توصیفی، تجربی، تحلیلی، و قیاسی داشته و دارای ویژگی‌هایی از جمله بومی بودن، اتّکا بر داده‌ها و قوانین کشور ایران و قابلیت توسعه بر مبنای داده‌های اقلیمی است. نگاه تلفیقی پژوهش متأثر از مفاهیم مدیریت دانش، سیستم تصمیم‌گیری، ساخت قواعد سیستم خبره ،و بهره‌مندی از مدل‌های یادگیری در حوزۀ تخصصی یعنی معماری ساختمان مسکونی، با رویکرد پرداختن به یک مسئلۀ واقعی است. با هدف ساخت مجموعه دانشی مورد نظر مشخصه‌های مربوط به سایت پلان مورد نظر با تأکید بر مختصات جغرافیایی، مشخصه‌های مربوط به پوسته بنا از جمله: ابعاد بنا و بازشوها ... و نیز مشخصه‌های مرتبط با هدر رفت انرژی به‌عنوان معیارها و زیرمعیارهای تولید اطلاعات بررسی شد. در راستای هدف یادشده و با در نظر گرفتن آسایش محیطی ساکنان در اقلیمی با نیاز گرمایشی بالا (شهر زنجان واقع در اقلیم سرد)، به بررسی فنی موضوع با الگو قراردادن وضعیت ساختمان‌های مسکونی ده منطقه از شهر زنجان مشتمل بر 100 ساختمان با روش نمونه‌گیری تصادفی ساده انجام شد. در ادامه با سنجش پتانسیل بهسازی اقلیمی پوستۀ خارجی از منظر سه روشِ جذب مستقیم، دیوار ترومب، و فضای خورشیدی پرداخته شده و برای مدلسازی مورد نظر مجموعه داده‌ای بالغ بر 3500 فیلد اطلاعاتی با استفاده از  احصاء و به‌ عنوان نمونه جامعه آماری، استفاده شد. برای جمع‌آوری اطلاعات از ترکیب روش‌های جمع‌آوری میدانی اطلاعات، بررسی اطلاعات لایۀ اطلاعاتی توصیفی در طرح تفصیلی، و نیز اطلاعات حاصل از نقشۀ هوایی برای پلاک‌های مسکونی منتخب استفاده شد. ملاک اعتبار وضعیت خروجی مدل‌ها بر مبنای معیار برچسب انرژی اقلیمی با هدف محاسبۀ توانایی فرم ساختمان مسکونی در دریافت انرژی خورشیدی محاسبه شد. پیچیدگی مسئله ‌در فرایندی چندبخشی مبتنی‌ بر بررسی اقلیم از نظر تغییرات دمایی و تابشی خورشید، بررسی مشخصه‌های ثابت شهرسازی با محوریت سایت پلان، و بهره‌مندی از ماتریس تصمیم مربوطه مدیریت شد. سپس دست‌یابی به کمترین میزان هدررفت انرژی (انتقال حرارتی و اتلاف گرما) همراه با بیشترین جذب آن از منظر وضعیت اجرای سیستم‌های غیرفعال خورشیدی با ارائۀ مفهوم جدیدی با عنوان برچسب انرژی اقلیمی (تولید داده‌های آموزشی و تست)؛ ملاک عمل قرار گرفت. در ادامه با استفاده از سه مدل یادگیری درخت تصمیم، قوانین انجمنی، و نظریۀ بیز با هدف تولید قواعد مورد نیاز برای طراحی پایگاه دانش مورد نیاز یک سیستم خبره‌ تصمیم‌ساز، تحلیل و پیاده‌سازی
شد.
یافته‌ها: با تحلیل انجام‌شده بر امکان‌سنجی اجرای روش‌های انرژی غیرفعال خورشیدی مشخص شد در بین مناطق ده‌گانه بررسی‌شده در شهر زنجان (اقلیم سرد) به‌ترتیب اجرای روش گلخانۀ خورشیدی در اولویت قرار داشته و پس از آن اجرای روش‌های جذب مستقیم و دیوار ترومب در اولویت‌های بعدی قرار می‌گیرند. یافته‌های پژوهش علاوه‌بر اولویت‌بندی مشخصه‌ها در قدرت تفکیکِ ساختمند فضای مسئله و تاثیرگذاری مثبت در زنجیره‌های استنتاجی رو به جلوی استفاده‌شده در موتور استنتاج سیستم خبرۀ پیشنهادی، عملکرد مناسبی (با ضریب اطمینان بالای 85 درصد) نشان دادند که با لحاظ پیچیدگی بالای مسئله، نشان‌دهندۀ دقت مورد قبول مدل‌های پیش‌بینی و نیز تضمین ضمنی دقت قواعد حاصل از آن‌ها در تشکیل پایگاه داده استنتاجی است.
نتیجه‌گیری: نتایج به‌عنوان یک سیستم دانشی کمکی می‌تواند در بهسازی ساختمان‌های مسکونی موجود برای سازمان‌های تصمیم‌گیر و تصمیم‌ساز و همچنین تولید توصیه‌های طراحی در کمک به مدیریت مسئله پیچیده ناترازی انرژی مفید باشد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Designing an Expert Climate Improvement System with Pattern Finding of Cold Climate Residential Buildings based on Learning Models

نویسندگان [English]

  • farnoosh merrikhbayat 1
  • Mohamadreza Sanaei 1
  • Hooman Sobouti 2
  • Mohammad Mehdi Gilanian Sadeghi 3
1 Department of IT Management, Qa.C, Islamic Azad University, Qazvin, Iran
2 Department of Architecture, Za.C, Islamic Azad University, Zanjan, Iran
3 Department of Computer and Information Technology Engineering, Qa.C, Islamic Azad University, Qazvin, Iran
چکیده [English]

Purpose: With the increasing growth of energy consumption in the modern world and the position of the construction industry as one of the major factors contributing to the creation and exacerbation of this crisis, a complex issue known as “energy supply and consumption management” has emerged. This issue, in addition to affecting the sustainable development of societies, is of particular importance due to its significant impact on the healthy lives of human beings. The present study aims to design a decision‑making system for the maximum utilization of solar energy (passive) in supplying the energy required by residents of a residential building (information entity), while considering the minimum amount of energy loss. This objective is pursued based on the appropriate design of the building’s outer shell without the need to install additional electrical equipment.
Method: The research method used in the present study is a combination of descriptive, experimental, analytical, and comparative approaches. It also possesses characteristics such as being indigenous, relying on Iranian data and regulations, and having the capability to be developed based on climatic data. The integrated research approach is influenced by the concepts of knowledge management, decision‑making systems, expert system rule construction, and the application of learning models in the specialized field of residential building architecture, with the aim of addressing a real‑world problem.
In order to construct the required knowledge set, characteristics related to the site of the proposed project—particularly geographical coordinates—were examined. In addition, characteristics related to the building shell, including building dimensions and openings, as well as characteristics associated with energy loss, were investigated as criteria and sub‑criteria for information production. In line with
the aforementioned objective and considering the environmental comfort of residents in a climate with high heating demands (Zanjan city, located in a cold climate), a technical investigation of the issue was conducted by modeling the condition of residential buildings in ten districts of Zanjan city. This analysis included 100 buildings selected through a simple random sampling method. Subsequently, the potential for improving the climatic performance of the building envelope was assessed from the perspective of three passive solar strategies: direct gain, Trombe wall, and solar space (solar greenhouse). For the desired modeling process, a dataset containing more than 3,500 information fields was used as a statistical sample representing the population. To collect the required data, a combination of field data collection methods, review of descriptive information layers in the detailed urban plan, and information obtained from aerial maps of selected residential plots was employed.
The validity criterion for the output status of the models was calculated based on the climate energy label criterion, with the aim of evaluating the ability of the residential building form to receive solar energy. The complexity of the problem was managed through a multi‑stage process that included analyzing climatic conditions in terms of temperature variations and solar radiation changes, examining fixed urban development characteristics centered on the site plan, and utilizing the relevant decision matrix.
Achieving the lowest level of energy loss (through thermal transfer and heat dissipation) together with the highest solar absorption—based on the implementation status of passive solar systems—was defined as the main operational criterion through the introduction of a new concept called the climate energy label (for generating training and testing data). Subsequently, three learning models—decision tree, association rules, and Bayesian theory—were applied and analyzed in order to produce the rules required for designing the knowledge base of the proposed decision‑making expert system.
Findings: An analysis of the feasibility of implementing passive solar energy strategies indicated that among the ten districts studied in the city of Zanjan (a cold climate region), the implementation of the solar greenhouse method had the highest priority. This was followed by the direct gain method and the Trombe wall method. In addition to prioritizing features within the structured resolution of the problem space and exerting a positive influence on the forward inference chains used in the inference engine of the proposed expert system, the research findings demonstrated appropriate performance, with a confidence factor exceeding 85 percent. Considering the high complexity of the problem, this result indicates the acceptable accuracy of the prediction models and also implicitly guarantees the reliability of the rules derived from them in forming the inference database.
Conclusion: The results of this research can serve as an auxiliary knowledge system for improving existing residential buildings and can support decision‑making processes for planning and policymaking organizations. Furthermore, the findings can contribute to generating design recommendations for addressing the complex problem of existing energy imbalances in residential buildings.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Expert system
  • climate improvement
  • Climate energy label
  • Residential building
  • learning models
  • cold climate
استاندارد ملی شماره 14253. (1401). تعیین معیار مصرف انرژی و دستورالعمل برچسب انرژی. سازمان ملی استاندارد ایران.
پیرنیا، م. ک. (1392)، سبک‌شناسی معماری ایرانی. نشر غلامحسین معماریان.
دفتر مقررات ملی ساختمان. (1399). مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان ایران صرفه جویی در مصرف انرژی.
زارع‌گل‌آخور، ف.، و اعظمی، ا.ا.، (1396)، طراحی مجموعه ویلایی خورشیدی پایدار در اقلیم سرد و خشک شهرک ولیعصر مرند.
کنفرانس بین المللی عمران، معماری و شهرسازی ایران معاصر.
زارعی، م.، خادمی و زارع، ح. (1392). بهینه‌یابی سبد مصرف انرژی و خوشه‌بندی ساختمان‌های مسکونی با بهبود شبکه عصبی فازی با اوزان و معماری AHP. پژوهش‌های مدیریت عمومی، 6(19)، 129-152.
جهانبخش، ح.، و غفارزاده، آ.، (1396). بررسی رابطه و میزان تاثیر تابش خورشیدی بر بدنه ساختمان در تعیین جهت گیری بنا با هدف کاهش مصرف انرژی. نشریه انرژی ایران، 20(2)، 85-110.
حیدری، م.ج.، پورمحمدی م.ر. (1391)، ارزیابی زیست اقلیم انسانی شهر زنجان و نقش آن در طراحی مسکن. فصلنامه علمی - پژوهشی نگرشهای نو در جغرافیای انسانی، 4(2)، 83-101.
صفائی، ب. (1394). شناسایی سیستم‌های منفعل خورشیدی کارآمد در اقلیم سرد و خشک. دومین کنفرانس بین المللی انسان، معماری و شهر (ICOHACC).
صنیعی آباده، م.، محمودی، س.، و طاهرپرور، م. (1398). داده‌ کاوی کاربردی. نیاز دانش، 2(4)، 536 صفحه.
عابدی، ش. و حنائی، ت. (1395). تحلیل اصول طراحی همساز با اقلیم در راستای حفظ توسعه پایدار. کنگره بین المللی عمران، معماری و شهرسازی معاصر جهان.
کسمائی، م. (1371). پهنه بندی اقلیمی ایران - مسکن و محیط‌های مسکونی. مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن.
محمدی، ک.، و ثبوتی، ه.، (1395). بهینه‌سازی مصرف انرژی با الگوبرداری از عناصر سنتی اقلیمی معماری ایران. پژوهش‌های نوین در عمران، معماری و شهرسازی.
هاشمی، ف.، و حیدری، ش. (1398)، بهینه سازى مصرف انرژى در ساختمان هاى مسکونى اقلیم سرد – نمونه موردی اردبیل. کارنامه شرکت بهینه‌سازی مصرف سوخت، 3، 54-68.
هیئت وزیران. (1400). مصوبه ضوابط صرفه‌جویی انرژی در ساختمان‌ها. ابلاغی معاون اول رئیس جمهور. شماره 93876/ت57926ه.
Abedi, Sh. & hanayee, T. (2016). Analysis of principles of sustainable design with climate in order to sustain sustainable development. International Congress on Civil Engineering, Architecture, Building Materials and Environment. [In Persian]
Department of ministers. (1400). Regulations of energy saving criteria in buildings. No. 93876/t57926h. [In Persian]
Hashemi, F., & Heydari, S.H. (2019). Optimization of energy consumption in cold climate residential buildings - case study (Ardabil city). Saffe, Vol. 22, No. 1, pp. 75-86. [In Persian]
Heydari, M.J & Pourmohammadi, M.R. (2012). Evaluation of human bioclimatic of zanjan and its role in housing design, New attitudes in human geography, Vol. 4, No. 2, pp. 83-101. [In Persian]
Jahanbakhsh, H. & Ghafarzadeh, A. (2017). Investigating the relationship and the amount of solar radiation effect on the building body in determining the building orientation with the aim of reducing energy consumption. Iranian Journal of Energy, Vol. 20, No. 2, pp. 85-101. [In Persian]
Javadi Nodeh, M. & Sarabi, M. (2022). Typology of physical components corresponding to cold climate in native architecture. New Perspectives in Human Geography, 14(4), 141-168.
Kasmayee, M. (1991). Iran climatic zoning.  Research centre of  housing and urban planning, Vol. 1, 514. [In Persian]
Mohammadi, k. & Sobouti, H. (2016). Energy consumption optimization using traditional climatic elements of iranian architecture. Modern Research in Civil Engineering, Architecture, Urban Management and Environment, pp. 91-104. [In Persian]
National building regulations office. (2020). 19th discussion-Saving energy. Ministry of roads & urban development deputy for housing & construction . [In Persian]
National standard of Iran - Num: 14253. (1401). Determine the energy consumption criterion and the energy label instruction. Iran national standards organization. [In Persian]
Pirnia, M.K. (2012). Iranian architectural stylistics. published by Gholamhossein Memarian, Vol. 1, No. 1, 600. [In Persian]
Safaee, B. (2005). Recognition of efficient passive solar systems in cold and dry climate, ICOHACC. [In Persian]
Saniee Abade, M. & Mahmoudi, S. (2015). Applied data mining. Niaz Danesh Publications, Vol. 2, No. 4, 536. [In Persian]
Zarei, M., & Khademi zare, H. (2014). Energy consumption basket optimization and residential buildings clustering by fuzzy improvement by ahp architecture and weights. Public management researches, Vol. 6, No. 19, pp. 129-152, https://doi.org/10.22111/jmr.2013.1262. [In Persian]
Zaregolakhour, F. & Azami. A.A. (2017).  Design of sustainable solar bungalows in the cold and dry climate of valieasr of marand town. International conference on civil, architecture and urban development of contemporary iran. [In Persian]
CAPTCHA Image