بخشی از مقاله
تاثیر ابعاد پنجره در مصرف انرژی ساختمان از نظر نور و حرارت در ساختمان های مسکونی اقلیم معتدل و مرطوب
چکیده
صرفه جویی در مصرف انرژیهای فسیلی و استفاده از منابع پاک انرژی موجب کاهش هزینه های بهرهبرداری ساختمان، حفظ محیط زیست و سلامت مردم میشود. پنجره یکی از عناصر ساختمان مسکونی است که اتلاف انرژی در آن حائز اهمیت میباشد. ابعاد پنجره در صرفه جویی مصرف انرژی الکتریکی و حرارتی بسیار موثر است. هدف از این پژوهش استفاده حداکثر از تابش خورشید در زمستان و حداقل آن در تابستان در کنار فراهم آوردن روشنایی مورد نیاز ساکنین به کمک نور روز و در نتیجه کاهش هزینههای مربوط به انرژی مصرفی حرارتی و روشنایی است. برای این منظور در این مقاله به تحلیل و بررسی ابعاد پنجرهی ساختمانهای مسکونی در اقلیم معتدل و مرطوب از دید نور و حرارت پرداخته شده است. روش تحقیق، مطالعه کمی به صورت تحلیلی بر مبنای مدل سازی مصرف انرژی در ارتباط با پنجره ساختمان است که در چهار بخش کلی مطرح می شود. ابتدا بر اساس مشاهده الگوهای اقلیمی بر مبنای مطالعات کتابخانهای، نمونه پلان منتخب شناسایی گردیده است. سپس شبیه سازی پارامترهای مصالح پنجره، جزییات اجرایی پوسته و سایبان در نرم افزارهای EnergyPlus8 و Radiance صورت گرفته است. در ادامه، مدل سازی بر اساس پارامترهای هزینه مصرف انرژی مشخص شده و محدودیت های مدل بر اساس پارامترهای حرارتی، روشنایی، اقلیمی و معماری تعیین شده است و در نهایت مطالعه تجربی و آزمایش عملی به منظور تعیین روایی و مقایسه نتایج مدل طراحی شده در اقلیم مورد نظر انجام شده است. در نهایت، میزان تاثیر ابعاد پنجره بر صرفه جویی در انرژی بدست آمده است. به طور کلی برای طراحی ابعاد پنجره ، بهتر است به ابعاد ارتفاع پنجره دقت بیشتری شود که خود وابسته به نوع شیشه، میزان گرما و نور مرئی عبوری از شیشه پنجره و حجم فضای مورد بررسی و مکان قرارگیری پنجره میباشد.
واژه های کلیدی: ا"بعاد پنجره"، "ساختمانهای مسکونی"،"معتدل و مرطوب"، "صرفه جویی انرژی"،" حرارت، نور".
مقدمه
کشور ایران روی کمربند خورشیدی جهان قرار گرفته است و یکی از کشورهایی است که از تابش نور خورشید با قدرت و توان مطلوب برخوردار میباشد. همین خصوصیت اقلیمی سبب شده است تا در طی سالیان متمادی معماری این سرزمین همواره با توجه به تابش خورشید شکل گیرد. معماران ایرانی ساختمان را به نحوی طراحی میکردند که در اوقات سرد سال فضاهای داخل، از گرمای خورشید بهره ببرند .[1] بهرهوری از انرژیهای رایگان طبیعی یکی از روشهای کاهش مصرف انرژی و استفاده از سوختهای فسیلی میباشد که موجب کاهش آلودگی هوا، آلودگی محیط زیست و پدیده گلخانهای و تغییر شرایط اقلیمی ناشی از آن میگردد. از این رو، معماری پایدار بر پایه بکارگیری معماری مبتنی بر شرایط اقلیمی جهت کاهش مصرف انرژی و حفظ محیط زیست بنا گردیده است. طراحی نما یکی از مراحل طراحی معماری میباشد که میتواند تاثیر بسزایی بر میزان اتلاف انرژی از ساختمان بگذارد. از جمله نکات اولیه در طراحی معماری پایدار ابعاد پنجره است. .[2] بسیاری از عوامل مانند اندازه پنجره، مصالح شیشه و قاب آن، نوع سایبان و ابعاد آن، ابعاد اتاق و جهتگیری نمای آن بر نوع عملکرد حرارتی و کیفیت نور روز تاثیر میگذارند .[3] مطابق استاندارد [4] EN، پنجره و نحوهی پیکربندی نمای ساختمان بر میزان نیاز انرژی گرمایشی، نیاز انرژی سرمایشی، رطوبت و نیاز انرژی برای روشنایی تاثیرگذار است و بر دیگر نیازهای انرژی ساختمان از جمله نیاز انرژی برای تهویه و رطوبت، آب گرم و سایر خدمات به طور مستقیم تاثیر نمیگذارد. هم چنین لازم است اشاره شود که 70 درصد از انرژی الکتریکی در ایران در ساختمانهای مسکونی صرف روشنایی میشود .[5] در نتیجه استفاده از نور طبیعی میتواند تا حد زیادی سبب صرفه جویی در انرژی الکتریکی ساختمانهای مسکونی شود. البته شدت نور و میزان
تابش نیز بر مصرف انرژی تاثیر گذار است چرا که تابش زیاد خورشید در تابستان سبب افزایش مصرف انرژی سرمایشی میشود و همچنین خیرگی ناشی از آن موجب اختلال آسایش بصری میشود 6]و .[7
هدف از مدلسازی در این مقاله، شبیهسازی ساختمان و طراحی روند مناسب برای محاسبهی تاثیر پنجره بر میزان مصرف انرژی ساختمان است به طوری که ساختمان بتواند با حداقل هزینهی اولیه، هزینهی بهره برداری خود را کاهش دهد. چرا که ساختار پنجره به طرح اولیه معماری برگشته و هزینه ثانویه ای به همراه نخواهد داشت. برای این منظور دو پارامتر مهم که پنجره بر آن تاثیر گذار است انتخاب شده است: -1 پارامتر حرارتی و برودتی ساختمان که بر میزان مصرف برق یا گاز در تاسیسات ساختمان اثر دارد. -2 پارامتر روشنایی اتاق مورد نظر که بر میزان مصرف برق ساختمان تاثیر گذار است. در نتیجه در این مقاله، تاثیر ساختار پنجره بر انرژی کل مصرفی ساختمان بررسی شده است. بدیهی است که پارامترهای دیگری از جمله نحوهی همسایگی، مصالح عناصر ساختمان، کاربری و موارد دیگری نیز بر این میزان مصرف تاثیر خواهند داشت به همین دلیل مدل انتخابی پارامتریک بوده تا در آینده و در طی تحقیقات دیگر بتوان تاثیر آنها را نیز بررسی کرد.
پیشینه تحقیق
خصوصیات پنجره بر میزان بار گرمایشی- سرمایشی و الکتریکی ساختمان تاثیر بسزایی دارد. به گونه ای که بسیاری از محققان طی سالها به دنبال ایجاد شرایط بهینه از دید صرفه جویی در مصرف انرژی و آسایش ساکنین بوده و هستند. پژوهشهای متعددی در ابعاد مختلف موضوع صورت گرفته است. بررسی تاثیر نسبت مساحت پنجره به مساحت دیوار، WWR، بر میزان مصرف انرژی ساختمان از سال 1980-1970 آغاز شده است. فرانسیسکو و همکاران [8] در
سال 1977، تاثیر میزان WWR و همچنین تاثیر نوع الگوریتم انتخابی برای محاسبهی روشنایی آسمان بر میزان صرفهجویی در انرژی را بررسی نموند. همچنین ماری و همکاران [9] در سال 2006، یک ساختمان با عناصر کاملا عایق و شیشهی سه جداره را شبیهسازی کردند و به این نتیجه رسیدند که در این شرایط ابعاد پنجره علاوه بر اینکه در روشنایی تاثیر میگذارد، در زمستان نیز تنها سبب صرفه جویی در انرژی سرمایشی میشود و مساحت پنجره نباید کمتر از 10 درصد نما باشد. در تحقیقی در سال 2013 توسط گرینینگ و همکاران [10]، پنجره به عنوان عاملی برای از دست دادن انرژی یا بدست آوردن آن مطرح شده است. در این مقاله موقعیت و مساحت بهینه پنجره از دید رفتار حرارتی مورد بررسی قرار گرفته است. هم چنین در سال 2010 هاسونه و همکاران [11]، مساحت پنجره را مبتنی بر انواع شفافیت آن بر طبق جنس شیشه در جهات مختلف آپارتمانهای عمان بررسی نمودهاند که نتیجهی آن به صرفه بودن مساحت بیشتر جدار شفاف است که نشان از اهمیت ابعاد پنجره در مباحث اقتصادی است.
عدم توجه به مسائل صرفهجویی در انرژی در کنار هنر سبب شکلگیری طرحهای آزادی گشته که طی سالیان موجب آسیب به محیط زیست گردیده است. اکنون با محدود نمودن طراحان به رعایت اصول و ضوابط کاهش مصرف انرژی و تعیین یک ساختار مناسب، ساده و کم هزینه برای مراحل طراحی آنها امکان طراحی منطق گرا را فراهم می نماید. در این صورت نه تنها از دست دادن حرارت ناشی از انتقال حرارت باید در نظر گرفته شود، بلکه اثرات مفید ناشی از تابش خورشید و در نتیجه کاهش تقاضا برای گرمایش و روشنایی مصنوعی بسیار حائز اهمیت است. همچنین تعویض هوا و توجه به عدم خیرگی نیز بحث دیگری رادر رابطه با ابعاد و موقعیت پنجره بیان میکند. همان طور که در مقالات مختلف در سالهای اخیر مشاهده میشود، اکثر محققان از ابعاد پنجره و ساختار آن به تفکیک چشم پوشی کردهاند و به بررسی نسبت مساحت پنجره به مساحت دیوار با روش علمی- مقایسهای در محدودهی کاربری اداری پرداختهاند. به طور کلی صرفه جویی انرژی در ساختمانهای مسکونی نسبت به اداری در صرفه جویی شهری به صرفهتر خواهد بود.
فرایند مدلسازی پنجره از نظر نور و حرارت
فرایند مدلسازی پنجره ساختمان بر اساس مصرف انرژی از نظر نور و حرارت دارای سه بخش اصلی پارامترهای ورودی، محاسبات تحلیلی و نتایج خروجی میباشد. در شکل 1 این فرایند نمایش داده شده است. مدل طراحی شده ترکیب چهار بخش اصلی است. -1 تعریف ویژگیهای ساختمان مورد بررسی و شرایط آن، -2 محاسبات روشنایی و تعریف پارامترهای ورودی آن، -3 محاسبات حرارتی و تعریف پارامترهای ورودی آن، -4 فرایند بهینهسازی و تعریف تابع هدف و پارامترهای متغیر آن. نتایج حاصل از مدل در سه بخش
انرژی مصرفی، میزان روشنایی طبیعی و محدودهی جوابهای بهینه شده طبقه بندی شده است. به این صورت که مجموعه نتایج میتواند یک شمای کلی از محاسبات نور و حرارت برای ساختمان طراحی شده را در اختیار مخاطب قرار دهد.
در مقاله حاضر، با توجه به شرایط بخش شمالی کشور که دارای اقلیم معتدل و مرطوب است، ابعاد بهینه پنجره در جهت اصلی (جنوب) ساختمانهای مسکونی تعیین گردیده است تا طراحان بتوانند با استفاده از محدوده تعریف شده از گرمایش مناسب و روشنایی مطلوب در طول سال به همراه صرفه جویی در مصرف انرژی اطمینان حاصل نمایند. برای این منظور انرژی حرارتی با موتور انرژی پلاس 8,1,0 (EnergyPlus) و روشنایی با موتور رادیانس 2,01(Radiance) و دیسیم( 1,08 (Daysimمحاسبه شده است.
تعیین مشخصات نمونه مورد بررسی و محدودیتهای تعیین شده در فرایند شبیهسازی
فرآیند شبیهسازی به صورت نمونه برای یک اتاق نشیمن متداول در ساختمانهای مسکونی شهر رشت واقع در استان گیلان انجام شده است که از یک ضلع با فضای خارج در تماس بوده و دارای پنجره است. برای تعیین ابعاد مناسب اتاق نشیمن در شهر رشت از تحقیقات صورت گرفته توسط دکتر کاری و همکاران [12] و دکتر فیاض [1] در خصوص برداشت و تحلیل چند خانه ی سنتی شهر رشت استفاده شده است. ابعاد اتاق نشیمن تعیین شده بر اساس متوسط ابعاد اتاقهای نشیمن متداول شهر رشت بوده که در جدول 1 نشان داده شده است.
در نتیجه اتاق نشیمن به ابعاد: عرض 5 و عمق 6 متر و به ارتفاع 3,2 متر انتخاب گردیده است. محدودهی پنجرهی طراحی شده در شکل 2 نمایش داده شده است. فاصله پنجره از دو طرف دیوار به اندازهی یک و نیم آجر برابر30 سانتیمتر، ضخامت سقف 40 سانتیمتر و حداقل ارتفاع پنجره از کف اتاق برابر با صفحهی میز کار 0,8) متر) در نظر گرفته شده است. پنجره در وسط عرض دیوار قرار گرفته و ارتفاع مرکز آن از کف، یکی از پارامترهای متغیر میباشد. در این صورت ابعاد پنجره از 2,2 در 4,4 متر تا صفر مترمربع تغییر خواهد کرد. سایر دیوارها، داخلی و جداکننده هستند. لازم است اشاره شود که واحد شبیهسازی شده در طبقهی دوم یک ساختمان قرار گرفته و در طبقات بالایی و پایینی، با واحدهای دیگر همسایه است.
ضریب انتقال حرارتی سطحی برای هر یک از عناصر نمونهی مورد بررسی در جدول 2 نشان داده شده است. پنجرهی مورد برسی PVC بوده و مطابق مبحث 19 مقررات ملی [13] دارای ضریب انتقال حرارتی 2,9 W/m2K میباشد. در ضلع پنجره از عایق استفاده نشده است.
