بخشی از مقاله
تعیین جهت مناسب استقرار ساختمان و طراحی سایبان کارآمد با رویکرد معماری همساز با اقلیم (مطالعه موردی: شهر قزوین)
چکیده
رعایت اصول معماری همساز با اقلیم در طراحی ساختمانها با توجه به کاهش ذخیرههای انـرژی و لـزوم صـرفه جـویی در مصرف آن، امری ضروری است. از آن جا که تابش آفتاب مهم ترین عامل در تعیین اقلیم هر منطقـه اسـت، تعیـی ن جهـت مناسب ساختمانها برای بهرهگیری از انرژی خورشیدی یک عامل مهم در طراحی همساز با اقلیم است. همچنین، به دلیـل آن که ورود اشعه ی تابشی خورشید به داخل ساختمان در برخی از فصلها مفید و در برخی دیگر می تواند مخـل آسـایش باشد، میبایست میزان ورود آن به داخل ساختمان کنترل شود. یک راه مؤثر برای کنترل ورود اشعهی تابشی خورشـید بـه داخل ساختمان استفاده از سایبان است. هدف این مقاله تعیین جهت مناسب استقرار ساختمان و طراحی سـایبان کارآمـد برای پنجرهها در چهار جهت جغرافیایی در شهر قزوین است. برای تعیین جهت مناسب استقرار ساختمان، ابتدا با اسـتفاده از دادههای اقلیمی ایستگاه سینوپتیک شهر قزوین و ترسـیم تقـویم نیـاز اقلیمـی ایـن شـهر تحلیلـی بـر روی اقلـیم ایـن شهرصورت گرفته و مواقع نیاز و عدم نیـاز بـه آفتـاب مشـخص شـده و سـپس بـا اسـتفاده از نقالـه ی محاسـبه ی انـرژی خورشیدی الگی میزان انرژی حرارتی خورشیدی در سطوح مختلف محاسبه شده است. در ادامه نیز، بـا تحلیـل تقـویم بـاد جهت مناسب استقرار ساختمان در شهر قزوین تعیین میشود. برای طراحی سایبان کارآمد، ابتدا از تقویم نیاز اقلیمی برای تعیین مواقع نیاز به سایه و آفتاب استفاده شده سپس محدوده منطقه نیاز به سایه بر روی نمودار مسیر خورشید این شـهر منتقل شده است و در نهایت با انطباق نقاله سایه یاب بر روی آن نمودار، نقاب سایه مناسب بدست میآید و زاویههـا بـرای طراحی سایبان کارآمد استخراج میشود.
-1 مقدمه
تابش آفتاب مهم ترین عامل تأثیر گذار بر وضعیت آب و هوایی هر منطقه است که به وجود آورنده نور و حرارت طبیعـی اسـت. در معماری همساز با اقلیم، هر ساختمان میبایست به منظور استفاده بهینه از انرژی تابشی خورشید در جهتـی اسـتقرار یابـد کـه در مواقع گرم از کمترین مقدار گرمای تابشی خورشید و در مواقع سرد از بیشترین مقدار گرمای تابشی خورشید بهره مند شـود. از آن جا که جهت گیری دیوارهای ساختمان تأثیر زیادی بر روی میزان پرتو تابشی دریافت شده دارد، در نتیجـه تعیـین جهـت مناسـب میتواند سبب کاهش مصرف انرژی شود. به طور مثال برای شهرهای ایران که در نیمکره شـمالی زمـین قـرار دارنـد، در طـول روز دیوارهای شمالی در سایه قرار گرفته و در نتیجه پرتو خورشیدی مستقیم (که سهم عمده ای از تابش کل را دارد) بـه ایـن دیوارهـا نمی تابد. در حالی که به سایر دیوارها با توجه به جهت گیری آنها، بخشی از پرتو تابشی مستقیم برخورد مـی کنـد. بنـابراین مـی توان از جهت گیری ساختمان به عنوان یک عامل مهم در طراحی همساز با اقلیم به منظور کاهش مصرف انرژی سالیانه بهره بـرد و سیاستهایی را برای افزایش میزان انرژی دریـافتی (در منـاطق سردسـیر) و یـا کـاهش آن (در منـاطق گرمسـیر) پیشـنهاد کـرد (سبزپوشانی .( 1385 از طرفی سطوح به کار رفته بر اساس جهت آنها میزان و زمان دریافت تابش متفاوتی خواهند داشت که ایـن مسأله به دلیل تغییر زاویه برخورد پرتو خورشید با سطح مورد نظر است. سطوح افقی در تابستان بیشترین و در زمسـتان کمتـرین مقدار پرتو مستقیم خورشید را دریافت میکند. همچنین در عرضهای جغرافیایی میانی نیمکره شـمالی، دیوارهـا ی رو بـه جنـوب بیشترین میزان تابش را هنگام ظهر زمستان دریافت میکنند، در حالی که دیوارهای رو به شرق و دیوارهای رو به غرب بـه ترتیـب هنگام صبح و عصر بیشترین میزان پرتو تابشی را دریافت کرده و دیوارهای رو به شمال به طور تقریبی از دریافـت انـرژی خورشـید بی بهره هستند (طاهباز ( 1384 از آن جا که پرتو تابشی خورشید هنگامی مطلوب و مفید است کـه متناسـب بـا نیازهـای مـا وارد ساختمان شود، در نتیجه کنترل میزان ورود آن به داخل ساختمان اهمیت زیادی دارد. یکـی از مـؤثرترین راههـای کنتـرل میـزان ورود پرتو تابشی خورشید استفاده از سایبان است. یک سایبان باید به گونـه ای طراحـی شـود کـه در مواقـع گـرم سـال از تـابش خورشید جلوگیری کرده و در مواقع سرد سال کمترین میزان سایه را بر روی پنجره یا سطح دیـ وار ایجـاد کنـد. در واقـع، سـایبان بیشترین تأثیر را در کاهش میزان پرتوهای دریافت شده از خورشید دارد. به دلیل این که میزان زیادی از پرتوهای خورشید را قبل از رسیدن به سطح دیوار یا پنجره ساختمان مهار میکند.
اگر چه در حوزه معماری همساز با اقلیم پژوهشهای متعددی انجام شده است، ولی بیشتر آنها فاقـد یـک تحلیـل جـامع برای تعیین جهت مناسب استقرار ساختمان به همراه طراحی سایبان کارآمد برای بهـرهگیـری از پرتوهـای خورشـیدی بـه منظـور کاهش انرژی است. بدین منظور در این مقاله، تحلیلی برای تعیین جهت مناسب استقرار ساختمان و طراحی سایبان کارآمـد بـرای پنجرهها در چهار جهت جغرافیایی در شهر قزوین به عنوان مطالعه موردی ارائه میشود.
برای انجام این کار ابتدا دادههای اقلیمی ایستگاه هواشناسی سینوپتیک شهر قزوین (که در فاصله زمانی سالهای 1959 تا 2005 میلادی اندازه گیری شده است) تحلیل شده و سپس با استفاده از آن تقویم نیاز اقلیمی این شهر ترسیم شده تا مواقع نیاز و عدم نیاز به آفتاب مشخص شود. در ادامه میزان تابش خورشید در مواقع سرد و گرم سال با استفاده از نقالـه ی محاسـبه ی انـرژی خورشیدی الگی در 12 جهت جغرافیایی محاسبه شده و با تحلیل تقویم باد، جهت وزش و نوع باد در این شهر بررسی میشـود. در انتها با توجه به مجموع اطلاعات به دست آمده و سردسیر بودن شهر قزوین، جهت مناسب استقرار ساختمان در ایـن شـهر تعیـین میشود . از آن جا که میزان دریافت پرتوهای خورشیدی و وزش باد به تنهایی برای تعیین جهت مناسب اسـتقرار سـاختمان کـافی نبوده و عوامل دیگری هم چون عوامل محیطی، اجتماعی، فرهنگی و غیره نیز در تعیین این جهتگیری مؤثرند، لازم است علاوه بر مشخص کردن جهت مناسب استقرار ساختمان، محدودههای قابل قبولی هم برای آن تعیین شود. این مسأله باعث مـیشـود تـا در صورت نیاز با تغییر جهت استقرار ساختمان در آن محدوده، سایر خواستهها نیز بـرآورده شـود (طاهبـاز .(34 :1361 همچنـین بـه منظور طراحی سایبان کارآمد در این مقاله، ابتدا با بهرهگیری از تحلیل تقویم نیاز اقلیمی مواقع نیاز به سایه و آفتاب در ایـن شـهر مشخص شده و سپس تمامی مواقع نیاز به سایه بر روی نمودار مسیر خورشید تعیین میشود. در نهایت با انطباق نقاله سایه یاب بر روی آن نمودار، نقاب سایه مناسب ارائه شده و زاویههایی برای طراحی سایبان استخراج میشود.
سازماندهی این مقاله بدین صورت است که دربخش 2 به پژوهشهای پیشین اشاره شده و سپس در بخش 3 تعیین جهـت مناسب استقرار ساختمان شرح داده میشود. در ادامه نیز در بخش 4 طراحی سایبان کارآمد متناسب با اقلیم شهر قزوین ارائه شده و در نهایت در بخش 5 نتیجه گیری به عمل میآید.
-2 پژوهشهای پیشین
پژوهشهای مختلفی در حوزه تعیین جهت استقرار ساختمان و طراحی سایبان به منظور کـاهش مصـرف انـرژی بـا بهـرهگیـری از انرژی تابشی خورشید انجام شده است که در این جا به برخی از آنها اشاره میشود.
اسکافیلد (205:1985 Scofield) بارهای حرارتی و برودتی را در جهتهای مختلف برای یک سـاختمان نمونـه در 25 شـهر مختلف در ایالات متحده با استفاده از نرم افزارBLAST محاسبه کرده است. وی مشاهده کرد که در تمام شهرها وقتی جدار حـاوی پنجره زیاد در جهت جنوب باشد، بارهای کل به طور قابل توجهی کمتر از حالتی است که جهت استقرار این جداره به سمت شـرق یا غرب باشد. همچنین در جنوب ایالات متحده استقرار ساختمان در جهت شمال، دارای بارهای کل کمتری نسبت به جهـتهـای شرق و غرب است. وی نتیجه گرفت تغییرات بار بیشینه نسبت به تعیین جهت استقرار ساختمان به پارامترهایی هـم چـون سـطح کل پنجره و توزیع آن، اندازه سایبانهای پنجره و اینرسی حرارتی بستگی دارد.
سبزپوشانی و همکاران ( سبزپوشانی (1385 تأثیر جهت استقرار و ویژگیهای پوسته خارجی ساختمان را بـر میـزان انـرژی دریافت شده از خورشید بررسی کرده اند. آنها یک دفتر کار را مدل سازی کرده و انرژی برخورد کرده به جدارههـای سـاختمان را به صورت تابعی از موقعیت خورشید نسبت به سطح زمین، موقعیت جغرافیایی منطقه مورد نظر، جهـت اسـتقرار جـدارههـا، اقلـیم منطقه و ساختار زمین آن منطقه محاسبه و نتایج را با هم مقایسه کرده اند. در نهایت، بـه منظـور کـاهش مصـرف انـرژی سـالیانه توصیههایی برای جهت استقرار و پوسته مناسب ساختمان در اقلیمهای مختلف ارائه کرده اند.
شیخ زاده و همکاران (شیخ زاده (1385 سایبانهای مختلف ساختمانی را ارزیابی و تأثیر آنها را بر بارهای برودتی در اقلیمهای مختلف بررسی کرده اند. بدین منظور آنها ابتدا به معرفی سایههای عرضی و ارتفاعی پرداخته و سپس نحوه ایجاد سایهها و روش محاسبه مساحت آنها را بیان کرده اند. در ادامه آنها روش طراحی سایبان را با توجه به موقعیت و مساحت پنجره و عرض جغرافیایی محل مورد نظر مطرح کرده اند. در نهایت تأثیر سایبانهای مختلف بر انرژی دریافت شده از خورشید در عرضهای جغرافیایی مختلف مقایسه شده و پیشنهادهایی جهت طراحی سایبان ارائه شده است.
طاووسی و همکاران (طاووسی (1387 در پژوهشی میزان تطبیق معماری مدرسههای نوساز شهر اصفهان را با شاخصهـای اقلیمی در این شهر مورد بررسی قرار داده و جهت استقرار آنها را با توجه به اصول طراحی اقلیمی بررسـی کـرده انـد. بـر اسـاس نتیجههای به دست آمده مدارس مورد بررسی از نظر جهت استقرار و نحوه قرارگیری با اصول طراحی اقلیمی در این شهر مطابقـت داشته است. اما از نظر طراحی سایبان، بیشتر مدرسههای مورد بررسی با شرایط اقلیمی شهر اصفهان تناسب نداشته اند.
عظمتی و همکاران (عظمتی (1392 تأثیر جهت استقرار ساختمان را بر میزان بارهای حرارتی و برودتی در سـاختمانهـای آموزشی بررسی کرده اند. بدین منظور ساختمان یک واحد آموزشی با استفاده از نرم افزار کریر در اقلیمهای مختلـف مـدل سـازی شده و به عنوان مطالعه موردی در نظر گرفته شده است. در ادامه بارهای حرارتـی و برودتـی بـا تغییـر جهـت اسـتقرار و چـرخش ساختمان مدل سازی شده برای هر 22,5 درجه محاسبه شده و در نهایت براساس نتایج بـه دسـت آمـده، جهـت اسـتقرار مناسـب ساختمان در اقلیمهای مختلف از نظر صرفه جویی در مصرف انرژی سالیانه توصیه شده است.
-3 تعیین جهت مناسب استقرار ساختمان
استفاده از پرتو تابشی خورشید بهترین روش برای مقابله با سرمای هوا و از طرف دیگر استفاده از باد و ایجاد سایه، طبیعی تـرین و ارزان ترین روش برای مقابله با گرمای هوا است. در نتیجه برای تعیین جهت مناسب استقرار ساختمان میبایست به دو عامـل زیـر توجه شود:
الف- امکان استفاده از خاصیت خنک کنندگی باد و پرهیز از دریافت تابش خورشید در مواقع گرم ب- امکان استفاده از تابش خورشید و مصون بودن از وزش باد در مواقع سرد
بنابراین ساختمان باید به منظور صرفه جویی در مصرف انرژی، در مواقع گرم از کمترین مقدار گرمای تابشی خورشید و در مواقع سرد از بیشترین مقدار گرمای تابشی خورشید بهره مند شود. بدین منظور ابتدا تحلیلی بر روی اقلـیم منطقـه مـورد نظـر بـا استفاده از دادههای اقلیمی آن صورت گرفته و تقویم نیاز اقلیمی این شهر ترسیم میشود. در ادامه مواقع نیاز و عدم نیاز بـه آفتـاب مشخص شده و سپس با استفاده از نقاله ی محاسبه ی انرژی خورشیدی الگی میزان انرژی حرارتی خورشیدی در سـطوح مختلـف محاسبه میشود. در نهایت، تحلیلی بر روی تقویم باد انجام شده تا جهت مناسب استقرار ساختمان در آن منطقه تعیین شـود. لازم به ذکر است منطقه مورد بررسی در این مقاله شهر قزوین در نظر گرفته شده است.
-1-3 اقلیم شهر قزوین
شهر قزوین در طول جغرافیایی 50 درجه و عرض جغرافیایی 36 درجه و 15 دقیقه قرار گرفته و ارتفاع آن از سـطح دریـا در مرکـز شهر قزوین 1298 متر است (زرگر .(1381 در دسته بندی اقلیمی ارائه شده در (طاهباز (1390، ایران به 6 دسته تقسیم شده کـه بر اساس آن شهر قزوین در اقلیم کوهپایههای کم ارتفاع قرار گرفته است که در ادامه به توضیح بخشی از ویژگیهای کلی این شهر میپردازیم. در جدول ( (1 نیز برخی از مشخصههای اقلیمی ایستگاه سینوپتیک فرودگاهی قـزوین در دوره آمـاری 1959 تـا 2005 ارائه شده است (وبگاه اطلاعات سازمان هواشناسی).
معدل حداقل دما در سردترین ماه سال -3,3 درجه سانتی گراد، معدل حداکثر دما در گـرم تـرین مـاه سـال 35,7 درجـه سانتی گراد و میانگین سالانه رطوبت نسبی 58 درصد است. دمای محیط در 5 ماه آبان، آذر، دی، بهمن و اسـفند در طـول شـبانه روز زیر منطقه آسایش قرار میگیرد. در 4 ماه از سال یخبندان وجود داشته و در همه ماهها نوسان دمای روزانه بیشتر از 10 درجه و گاه بالاتر از 15 درجه است با توجه با این توضیحات مشکل این شهر گرمای نسـبی در تابسـتان و سـرما و یخبنـدان در روزهـای زمستان است. از این رو یک راه حل مناسب بهرهگیری از انرژی خورشید و جلوگیری از دریافت باد در روزهای سـرد سـال و ایجـاد سایه و استفاده از جریان باد خنک در روزهای گرم سال است.
-2-3 تقویم نیاز اقلیمی
به منظور جمع بندی اطلاعات دما و رطوبت و تشخیص مواقع سرد و گرم سال در شهر قزوین تقویم نیاز اقلیمی ایـن شـهر ترسـیم شده است (شکل .((1) این نمودار نیازهای اقلیمی منطقه را به صورت گرافیکی نشان میدهـد و نمـایش دهنـده پراکنـدگی نقـاط گرمایی همسان در طول سال و یا تشخیص مواقعی است که از لحاظ گرمایی، احساس مشابه در انسان ایجاد میشود. این تقویم دو محور عمود بر هم دارد که نشان دهنده روز و ساعت در سراسر سال است و این امکان را فراهم میکند که نیازهای اقلیمـی منطقـه به صورت همزمان در یک تصویر ساده نمایش داده شود (طاهباز .(1388 احتمال یخبندان، احتمال وزش باد با سوز سـرد، نیـاز بـه وسایل گرماساز، کفایت آفتاب و مصالح خازن، کفایت سایه، کفایت سایه و جریان باد با مصالح خـازن، نیـاز بـه وسـایل سـرما سـاز محدودههای مشخص شده روی این نمودار هستند.
همان طور که در تقویم نیاز اقلیمی شهر قزوین مشاهده میشود در اواسط ماه آبـان و سراسـر مـاههـای آذر، دی، بهمـن و اوایل اسفند علاوه بر آن که استفاده از تابش آفتاب ضروری است، باید از تجهیزات گرمایشی کمکی نیز استفاده کـرد. همچنـین در این ماهها وزش باد با سوز سرد همراه است که میبایست به آن توجه شود. با توجه به نمودار در ماههای آذر، دی و بهمـن احتمـال یخبندان در شب وجود دارد، بنابراین میبایست در انتخاب مصالح ساختمانی دقت شود که دارای خلـل و فـرج کـم تـری باشـند و دچار فرسایش کم تری شوند. در نیمه دوم دو ماه اسفند و مهر روزها بـا بهـرهگیـری از آفتـاب و حـرارت ذخیـره شـده در مصـالح ساختمانی و شبها با بهرهگیری از تجهیزات گرمایشی میتوان آسایش و راحتی را فراهم نمود. در ماه فروردین و نیمـه اول دو مـاه اردیبهشت و مهر روزها در سایه و شبها با استفاده از حرارت ذخیره شده در مصالح ساختمانی و حوالی سحر بـه کمـک تجهیـزات گرمایشی کمکی شرایط آسایش فراهم است. در نیمه دوم ماه اردیبهشت، خرداد و شـهریور روزهـا بـا برقـراری سـایه و اسـتفاده از جریان باد و شبها با استفاده از ظرفیت حرارتی مصالح ساختمانی میتوان شرایط آسایش را فراهم کرد ولـی بـا نزدیـک شـدن بـه سحر نیاز به وسایل گرماساز احساس میشود. در ماههای تیر و مرداد که گرم ترین ایام سال هستند، برای ایجاد راحتی در روز بایـد علاوه بر جریان باد و ظرفیت حرارتی مصالح ساختمانی، از وسایل سرماساز نیز استفاده شود، در شبها شرایط آسایش فراهم اسـت و نیمه شب و حوالی سحر با استفاده از حرارت ذخیره شده در مصالح ساختمانی میتوان راحت بود.
برای تشخیص مواقع سرد و گرم سال در این تقویم لازم است مرز 21 درجه سانتی گراد که مرز کفایت سـایه اسـت را روی نمودار مسیر حرکت خورشید منتقل کرد. با انتقال این خط، سه محدوده »نیاز به سایه در دو فصل «، »نیاز به سایه در یک فصل« و »نیاز به آفتاب در دو فصل« به دست میآید که در شکل (2) نمایش داده شده است. این تصویر از تا کردن منطقه نیاز به سـایه در تقویم نیاز سایه و آفتاب شهر قزوین (شکل ((1) حول محور اول تیرماه بدست آمده است.
همان طور که درشکل (3) مشاهده میشود، بخشی از منطقه نیاز به سایه بر هم منطبق شده و بخشی از آن بر هم منطبـق نشده است. بخش منطبق بر هم که در تصویر با رنگ قرمز مشخص شده است، نشان دهنده مواقع نیاز به سایه در دو فصـل سـال و بخش غیر منطبق، که با رنگ زرد مشخص شده است، نشان دهنده مواقع نیاز به سایه در یک فصل سال است. لازم بـه ذکـر اسـت که به ازای منطقه قرمزرنگ نیاز به آفتاب وجود ندارد، در صورتی که در مواقع مربوط به منطقه آبی رنگ، نیاز به آفتاب در دو فصل سال وجود دارد.
-3-3 میزان تابش خورشید بر سطوح مختلف ساختمان
برای محاسبه انرژی حرارتی خورشیدی حاصل در سطوح مختلف، روشهای گوناگونی پیشنهاد شده است که در این مقالـه از روش نموداری استفاده شده است. ویکتور الگی با استفاده از روشهای محاسباتی، نمودارهایی را به صورت نقاله ارائه کـرده اسـت کـه بـه وسیله آنها میتوان مقدار انرژی خورشیدی مستقیم، پراکنده (افشان) و منعکس شده ای را که بر سطوح خارجی یک سـاختمان بـا موقعیتهای گوناگون و در عرضهای جغرافیایی مختلف میتابد، بدست آورد (کسمائی .(29 :1382
نقاله محاسبه انرژی خورشیدی (شکل ( ((4 به شکل دایره ای است که به دو قسمت تقسیم شده است. منحنیهای قسـمت بالای این نقاله، نشان دهنده مقدار انرژی تابیده به سطوح افقی و منحنیهای قسمت پایین آن، نشان دهنده مقدار انرژی تابیده بـه دیوارها و سطوح قائم است. نقاله ی محاسب انرژی خورشیدی، به اندازه ی نمودار موقعیت خورشید است و با قرار دادن آن بـر روی نمودار موقعیت خورشید میتوان انرژی خورشیدی تابیده شده به سطوح مختلف افقی و عمودی را در تمام عرضهای جغرافیایی به دست آورد.
برای تعیین میزان گرمای حاصل از خورشید روی دیوار ساختمان در هر لحظه، بایـد نقالـه محاسـبه ی انـرژی خورشـیدی را روی نقشه مسیر خورشید، به گونه ای قرار داد که مرکز دو دایره بر هم منطبق شوند و جهت فلش نقاله، عمود بر امتداد دیوار رسم شده روی نقشه مسیر خورشید قرار گیرد. محل تقاطع خطوط گرمای نقاله با محورهای زمانی مسیر خورشید، میـزان گرمـای حاصـل از خورشید در زمانهای مختلف روی دیوار ساختمان را نشان میدهد.
