مقاله تأثیر اقلیم بربافت مبتنی بر حیاط مرکزی

بخشی از مقاله

چکیده
امروزه افزایش ناگهانی در استفاده از مکانیزم های سرمایشی و گرمایشی منجر به مصرف قابل توجه انرژی شده است. همین موضوع، نظر محققان و پژوهشگران را متوجه طرح ها و الگوهای اولیه و به خصوص حیاط مرکزیها، به عنوان الگوهای پاسخده و با بهره روی انرژی بالا، جلب کرده است. هدف از این مقاله بررسی عملکرد اقلیمی حیاط مرکزی ها به عنوان مرتبه ی دانه در بافت شهری و بررسی تأثیرات ابعاد و هندسه ی حیاط مرکزی ها بر تغییرات دمایی در آنها بر اساس مطالعات موجود و نیز در نهایت پاسخ به این سوال است که آیا حیاط مرکزی ها همانگونه که پژوهشگران فکر می کنند، میتوانند جایگزین طرحهای معماری معاصر باشند یا نه. روش پژوهش حاضر توصیفی - تحلیلی است. در نتیجه، بر اساس پژوهشهای موجود، دخالت و دستکاری در ابعاد و هندسه ی حیاط مرکزی ها با توجه به نوع اقلیم منطقه می تواند جایگزین مناسبی برای طرح های ساختمانی و شهری موجود باشد.
واژه های کلیدی
حیاط مرکزی، عملکرد حرارتی، اقلیم ، هندسه ی حیاط مرکزی

مقدمه
معماری قرن بیستمی مناطق اقلیمی گرم به عنوان مصرف کنندگان اصلی انرژی لحاظ می شوند که بیشترین میزان آن برای ایجاد آسایش حرارتی برای ساکنین است تا بتوانند در شرایط سخت اقلیمی طاقت بیاورند. [1] این موضوع نشان دهنده ی فقدان بنیاد اقلیمی در طراحی معماری در این مناطق است، مسئله ای که توجه محققان را به خود جلب کرده است. در این زمینه، مدلهای سنتی به باور بسیاری از محققان درسهای کلیدی را در رابطه با بهترین راه حل برای مقابله با نگرانی های موجود در کاربردهای معاصر ارائه می کنند. به این ترتیب، بسیاری از نویسندگان اعتقاد دارند که خانه ی حیاط مرکزی الگوی بسیار مناسبی است که شرایط محیطی مناسبی را برای این مناطق ارائه می دهد.[1] با توجه به مدل نظری بافت شهر، بافت کالبدتاریخی شهر به پدیدار عینی و ذهنی ساخته شده توسط انسان و یا طبیعت - و با هردو - منتج از فرآیندهای بیشمار بازخوردی چسبندگی و تنیدگی همبسته متشکل از تارها،پودها،بندها،شبکه ها و رابطه ی آنها با یکدیگر در محیط،در زمان گذشته ی مشخص و مکان معین که با استفاده از ماده ی زمینه ای به یکدیگر چسبیده اند و یا تنیده شده اند سیستم بافت کالبد تاریخی گفته میشود. پودها در سیستم های بافت کالبدتاریخی شهر که بافت منظم دارند عمدتاً با اشکال مستطیل و مربع و در بافتهای نامنظم،بااشکال غیر هندسی مشاهده میشوند.حیاطها و گودال باغچه ها از پودهای سیتم بافت کالبد تاریخی شهر هستند و در مقیاس دانه، توده-حیاط و یا توده-گودال باغچه تشکیل دهنده ی پودهای سیستم بافت کالبد تاریخی شهر هستند.[30] حیاط مرکزی فضای بیرونی بسته یا نیمه بسته ای است که توسط ساختمان هایی احاطه شده است و سقف آن باز است.حیاط مرکزیها در درجه ی اول در ساختمانهای بومی در بخشهایی از آسیا ،خاورمیانه،آمریکای جنوبی و کشورهای مدیترانه ای به کار گرفته شدند.[2] بر اساس آنچه راپاپورت[3] می گویدتاکتیک حیاط مرکزی در کل

تاریخچه ی معماری استفاده شده است و در عناصر طراحی بسیاری در جاهای مختلفی در دنیا شامل تمدنهایی مانند دره ایندو - 5000 سال پیش از میلاد - و چتل هویوک - 10000 سال پیش از میلاد - و یونان و رم بستان و میانرودان یافت می شود. براساس روئاف[4] بافت شهری بین النهرین باستان به شدت براساس ساختمانهایی با حیاط مرکزی ها بود که یک رویکرد طراحی بود که در دوره ی اوروک معرفی شد. علاوه بر آن به عنوان یک مدل معمولی و یک فرمولی برای طراحی هم کاخ ها و هم بتخانه های به خصوص در معبد بابلی ها ومعابد اواخر دوره ی آشوری ها بود. قابل توجه ترین نمونه های استفاده از حیاط مرکزی در معماری میانرودان کاخ ماری - تل حریری - ،کاخ کاسی دردورکوریگالزو،کاخ سارگون در دورشاروکین و تماشایی ترین آن نبوچندنزار یا همانی که به کاخ جنوبی در بابل معروف است، شناسایی شده اند.

عملکردآنها جهت بهبود شرایط آسایش با تغییر خرداقلیم اطراف ساختمان با بهبود تهویه بوده است. الگوی اولیه ی متفاوتی برای طرح حیاط مرکزیها در اقلیم ها در طول قرنها به کار گرفته شدند [2]

پژوهشهای مرتبط با عملکرد حیاط مرکزیها اساساً جریان هوای داخل حیاط مرکزی، نسبتهای سایه، تابش و ترکیبات شکلی را مورد بررسی قرار می دهند. یکی از اولین تلاشها در رابطه با تحلیل عملکرد حرارتی حیاط مرکزی ها توسط دانهام[5] انجام شده است. در همین حال نقش مهم حیاط مرکزی ها در آوردن نور روز، تضمین تهویه ی طبیعی و بهبود رفتار حرارتی توسط خان و دیگران[6]و آکوستا و دیگران[7] گزارش شده است.
 
فرداهاب[8] عملکرد حرارتی یک خانه ی حیاط مرکزی را در اقلیم گرم و خشک لوس آنجلس مورد بررسی قرار داد و مشخص کرد که حیاط مرکزی خنکتر از اطاقهای اطراف و نیز خیابانهای بیرونی در طول روز است.

حسن[9] پتانسیل یک حیاط مرکزی را در اقلیم گرم و کویری در شهر جدید اسوان در مصر مورد بررسی قرار داد. نتایج حاصل از کار او نشان دادند که جهت حیاط مرکزی ها و هندسه ی آن در میان مهمترین فاکتورهایی هستند که عملکرد حرراتی حیاط مرکزی را تحت تأثیر قرار می دهند.

راجاپاکشا و دیگران[10] نیز نشان دادند که ارتباط قوی بین دمای سطوح دیوارهای حیاط مرکزی و دمای هوای درون وجود دارد. مطالعات دیگری در عربستان سعودی[11] نشان می دهد که حیاط مرکزیهای سرپوشیده در طول روز، سرباز در طول شب دمای هوای بیرون را تا 4 درجه کاهش می دهند.

مطالعات مطالعه ی صفرزاده و بهادر[12]نشان می دهد که حیاط مرکزیهای به تنهایی نمی توانند سطح بالایی از آسایش حرارتی رادرساعات داغ روز تابستان درتهران، ایران، تضمین کنند. با این حال می توانند بار انرژی خنک کنندگی راکاهش دهند.

در رابطه با متغیرهای طراحی در حیاط مرکزی ها مانند، شکل، جهت و ابعاد و هندسه ی حیاط مرکزی ها نیز مطالعاتی صورت گرفته است که در ارتباط با عملکرد حرارتی حیاط مرکزی ها بررسی شده اند. موهایسن و گادی[13] یک مدل ریاضی را جهت محاسبه ی نواحی نورگیر و سایه دارتولید شده دریک هندسه ی حیاط مرکزی مدور به وجود آورده اند. نتایج نشان داد که تغییر تناسبات شکل به طور قابل توجهی سایه اندازی یا پتانسیل در معرض تابش پوشش داخلی حیاط مرکزی را تحت تاثیر قرار میدهد. در مطالع ه ی آنها، یافت شد که جهت هدف کاهش بارسرمایشی درتابستان و بر گرمایشی در زمستان، شکلهای حیاط مرکزی عمیقتر با هر هندسه ای مطلوبترین خواهد بود. به این دلیل که میزان تابش دریافتی ثبت شده درشکلهای عمیقتردرتابستان که منجر به تقاضای انرژی کمتری برای خنک سازی می شود در حالیکه در زمستان، شکل های عمیق کمترین میزان اتلاف گرما و بنابراین نیاز برای گرمایش کمتری را تضمین می کنند . این موضوع نشان میدهد که دریافت اشعه ی خورشیددر زمستان مهم تراز اجتناب ازآن در تابستان است. درمطالعه ی دیگری عملکرد سایه اندازی اشکال چندگوشه ی حیاط مرکزی را با طرح های پنج وجهی ، شش وجهی و هفت وجهی و هشت وجهی آزمون کردند. این مطالعه ی پارامتری، با یک مدل طراحی شده انجام یافت که نشان داد ، تناسبات حیاط مرکزی و هندسه تاثیر قابل توجهی بر عملکرد سایه اندازی اشکال حیاط مرکزی دارد. موهایسن [13]تحقیقات خود را با بررسی تاثیر تناسبات مستطیل شکل حیاط مرکزی بر سایه اندازی و شرایط در معرض تابش ایجاد شده بر پوشش داخلی شکل در مناطق اقلیمی گرم و مرطوب، گرم و خشک، معتدل و سرد ادامه میدهد. پی برده شد که مکان خورشید رابطه ی مستقیمی با شرایط سایه اندازی ایجاد شده در اشکال مورد نظر دارد. ارتفاع بهینه ی حیاط مرکزی جهت به دست آوردن عملکرد منطقی در تابستان و زمستان ، سه طبقه در اقلیم های گرم و مرطوب، دو طبقه در اقلیم های معتدل و گرم و خشک و یک طبقه در اقلیم های سرد یافت شد.

کانتون ودیگران[14]با مقایسه ی بیشینه ی دما در مدارس پیش دبستانی در اقلیم قاره ای نیمه خشک مندوزادرآرژانتین نشان میدهد که یک حیاط مرکزی باز، 2 درجه گرمتر از حیاط مرکزی های فشرده ی جعبه گونه است.

یاشا و اوکی[15]چند نسبت ارتفاعی دیوار را جهت رسیدن به مطلوب ترین شکل حیاط مرکزی پیشنهاد می کند.

اشکال حیاط مرکزی این روزها بیشتر اشکال حرکتی را نسبت به اشکال خطی طرح سنتی آن گرفته اند که به دلیل چندین عامل مانند خلاقیت طراح، و نیز نیازهای محتوایی مانند محدودیت سایت، و    عملکردهای مخوصوص است. این موضوع منجر به ایجاد اشکال جدید و مدرن مانند U, L, T, Y شده اند.[16]بر اساس مایر[17] یک حیاط مرکزی خوب مدرن، نیمه محصور - سه یا دو طرفه - با ملاحظات خوبی در جهت آن است تا بدین ترتیب بیشترین میزان عملکرد خرداقلیمی خود را به دست آورد.

نویسندگان دیگر مشاهدات مشابهی را از اهمیت ملاحظات متغیرهای طراحی انجام داده اند که این واقعیت را که شرایط حرارتی درون حیاط مرکزی به شدت به مقدار تابش خورشید بستگی دارد را برجسته می کند. بنابراین آنها نتیجه گرفتند که جهت، اندازه ی طرح و ارتفاع دیوارها که حیاط مرکزی را احاطه میکند می تواند تاثیر زیادی بر شرایط حرارتی درون حیاط مرکزی و    فضاهای پیرامون آن داشته باشد.[18]
الداوودوکلارک [19]در مقایسه ای بین حیاط مرکزی و دهلیز در 4 شهر متفاوت در آمریکا نشان دادند که ساختمان حیاط مرکزی باز عملکرد انرژی بهتری را برای ساختمانهای کوتاهتر نشان می دهددرحالیکه در بعضی نقاط دهلیز مسقف ومحصور عملکرد انرژی بهتری رابرای تمامی ساختمانها نشان می دهد. آنها همچنین بحث کردندکه فاکتورهای متفاوتی مانند صیقلی بودن و پارامترهای اقلیمی نقش مهمی رادرکارآیی یک دهلیز بازی میکنند.درنهایت،دراقلیم های برفی،گروهی از ساختمانها که یک حیاط مرکزی شهری را شکل می دهند خود را در برابر بادهای سرد محافظت می کنند.

طالقانی و دیگران[20] نیز در مقاله ای اثرات فضاهای انتقالی بر تقاضای انرژی گرمایشی و سرمایشی سالیانه و آسایش حرارتی در تابستان را در هلند مورد بررسی قرار دادند. با استفاده از شبیه سازی به این نتیجه رسیدند که حیاط مرکزی ها و دهلیز ها به عنوان فضاهای انتقالی قابلیت کاربرد در دوره های متفاوتی از سال را دارند. بر اساس نتایج، دوره ی مطلوب به کارگرفتن حیاط مرکزی باز بین ماه می و آگوست و دوره ی مطلوب برای به کار گرفتن دهلیز - حیاط مرکزی سرپوشیده - از نوامبر تا آپریل است. برای ماههای متوسط نیز به کار بردن هر دو نوع عملکرد مناسبی را نتیجه می دهد.

مطالعه ی دیگری نیز در آرژانتین [21]انجام شده است که بر اساس آن برای داشتن تهویه ی مطبوع در مدارس اقلیم گرم و مرطوب ساختمانها با حیاط مرکزی ها نیازمند توجه کافی در طراحی هستند. چرا که تأثیرانی مانند جریانهای هوا، نواحی راکد و جریانهای متلاطم به عرض حیاط مرکزی ها و ارتفاع ساختمان ها بستگی دارد. در مطالعه دیگری در اقلیم گرم و مرطوب که توسط الهمفیدی و دیگران[22] در حیاط مرکزی U شکلی در بیمارستانی در مالزی انجام شده است، نتایج نشان دادند که با افزایش ارتفاع حیاط مرکزی محصور، دمای هوا در داخل حیاط مرکزی و نیز اتاقهایی که پیرامون هستند کاهش پیدا میکند. جهت اگرچه تأثیر اندکی دارد ولی مهم است.

در پژوهش دیگری توسط موسلی و دیگران[23] که برای خانه های حیاط مرکزی انجام شده است نشان می دهد که ساختار سنتی مصالح ،اندازه و نواحی سایه دار و وجود درختان فاکتور های مهمی هستند و ساختار ساختمان - ذخیره ی حرارتی بالا - و ارتفاع سقف تأثیر مهمی بر آسایش حرارتی دارد.

عملکرد اقلیمی حیاط مرکزی
دانهام[5] مکانیسم حیاط مرکزی را در 2 چرخه توصیف می کند که چرخه شب و روز است. اما عبدالکریم [1]در مقاله ای مکانیسم عملکرد اقلیمی حیاط مرکزی را در سه سناریوی متفاوت در طول روز ، که شامل، صبح، ظهر و بعداز ظهر است را به تفصیل در چهار چرخه توصیف میکند.

شب هنگام،سطوح حیاط مرکزی که ازمصالحی باظرفیت ذخیره ی گرمایی بالا ساخته شده اند، شامل زمین، دیوارهای محاط کننده، زیر زمین، که گرمتر از آسمان است چرا که در طول روز مقدار قابل ملاحظه ای ازگرما راجذب و ذخیره می کند و این سطوح را ذخایر اصلی گرما در حیاط مرکزی میکند. بر این اساس، تبادل گرما بین پوشش خانه ی حیاط مرکزی و محیط آن به طور مشترک از طریق دو حالت اتفاق می افتد که به انتقال گرمای همرفتی و تبادل گرمای گرادیان معروف است. در رابطه با همرفت، به این دلیل که هوای خنک شده ی آسمان تراکم بالایی دارد،به پایین سرازیرمی شود ودرون حیاط مرکزی به خصوص نزدیک زمین جمع می شود بنابراین، سطوح حیاط مرکزی که دمای بالاتری از هوای ورودی دارند، در تقابل با هوای جمع شده قرار می گیرند و در نتیجه، انتقال گرمای همرفتی نقش اساسی خودرابازی می کند. به این معنی که ذخایر بزرگ گرما در این سطوح در نزدیکی هوا از دست می روند و محیط خنک تری ایجاد می شود. این فرآیند به عنوان فرآیندهمرفت ترموسیفون شناخته میشود که به شدت به تفاوتهای دمایی هوای دریافت شده ازآسمان وحیاط مرکزی بستگی دارد. درضمن، دمای هوای داخلی، تقریباً به میزان اوج خوددراتاقها رسیده است که به فضای باز میپیوندد درحالیکه حیاط مرکزی در حال خنک شدن است. دوباره، به دلیل این تغییرات دمایی بین محیط درون و فضای بیرون، تبادل گرمای همرفتی اتفاق می افتد، و جریانات هوا شکل میگیرند. بنابراین،ازطریق بخشهای پایینترگشودگی که برحیاط مرکزی مسلط هستند، هوای خنک به درون اتاقهای محاط کننده کشیده می شود ،جاییکه هوای گرمتر درون به بیرون کشیده می شود و از طریق روزنه های بالایی آزاد می شود. در نتیجه، ناراحتی حرارتی به طور قابل توجهی کاهش می یابد. گرمای جمع شده در کف حیاط مرکزی نیز میتواند در طول شب به شکل اشعه ی با طول موج بلند آزاد شود، که به علت قرار گرفتن سطح زمین در مقابل آسمان صاف است. در نتیجه، در شب دما در فضاهای مرکزی کاهش پیدا می کند. با این حال، بایستی اشاره شود که "ابرها خنک کنندگی شبانه را با بیرون دادن اشعه ی مادون قرمز رو به پایین تحت الشعاع قرار می دهند و مختل می کنند جایی که توسط سطوح جذب شده است، بنابراین تا اندازه ای از اتلاف تابشی سطوح را جبران می کند که درنتیجه خنک کنندگی شبانه را کند می کند. " [24] این فرآیند همچنین توسط ابعاد حیاط مرکزی تحت تاثیر قرار می گیرد به خصوص توسط ارتفاع و عرض. یک حیاط مرکزی عمیقتر و باریک تر به این معنی است که ضریب دید به آسمان محدودتری دارد ، که در نتیجه به رهایی اشعه ی طول موج بلند گرمای کمتری را نتیجه می دهد، در حالیکه حیاط مرکزی عریض تر، به این معنی است که حیاط مرکزی بیشتر در معرض آسمان است که منجر به اتلاف بسیار زیاد اشعه ی طول موج بلند گرما می شود. این به این معنی است که زمانی که سطوح افقی قابل رویت تر نسبت به آسمان باشند در این مورد بامها، این فرآیند به آسانی و موثرتر اتفاق می افتد که به دلیل فقدان حامل هایی مانند دیوارهای بلند اطراف حیاط مرکزی است که به طور قابل توجهی بخشی از اشعه را جذب می کند. به طور خلاصه، بعد از غروب، روشن است که دما در خانه ی حیاط مرکزی با انتقال گرما به جهت هوای محیط و نیز آسمان از طریق همرفت و تابش کاهش پیدا می کند. [1] دومین چرخه در صبح اتفاق می افتد و می تواند به عنوان دوره ای که در آن خرد اقلیم تقریباً پایدار است توصیف شود جایی که دمای هوا در حیاط مرکزی یا مشابه همانطور که در درون است یا به طور نسبی بالا است. علاوه برآن ، دمای پوشش حیاط مرکزی در پایینترین میزان خود است. به دلیل این واقعیت است که درطول این دوره، زاویه ی ارتفاع خورشید - زاویه ی بین افق و خورشید - پایین است و بنابراین اثر تابش خورشید ناچیز است و فضاهای باز مرکزی تقریباً سایه دار هستند. علاوه بر آن، در طول شب قبل، حجم ساختمان تا حدی خنک شده است. به این معنی که جریان هوای همرفتی چندان نقش بزرگی بین دمای بیرون و درون ندارد چرا که تغییرات در فضای هوای بین این فضاها در کمترین میزان خود است. زماینکه آفتاب طلوع می کند، لایه های بیرونی حیاط مرکزی شروع به دریافت اشعه های خورشید می کنند. در نتیجه، بخش های آفتاب گیر دیوارها و کف ها گرما را دریافت می کنند به