مقاله در مورد نقش اقلیم در معماری

بخشی از مقاله

نقش اقلیم در معماری

تابش آفتاب:
« آفتاب » پرتويي الکترومغناطيسي است که از خورشيد ساطع مي شود. طيف نور خورشيد، به طور گسترده به سه قسمت فرابنقش، قابل رويت و فروقرمز تقسيم مي شود.
دماي هوا:
مقدار انرژي خورشيدي تابيده شده به هر نقطه از سطح زمين در طول سال، به شدت و دوام تابش آفتاب در آن منطقه بستگي دارد و ميزان گرما و سرماي سطح زمين، عامل اصلي تعيين کننده ي درجه حرارت هواي بالاي آن است.

سطح درياها بسيار کندتر از سطخ زمين در اثر تابش آفتاب گرم مي شود و به همين دليل اختلاف زيادي بين درجه حرارت سطح خشکي و سطح دريا وجود دارد.
رطوبت هوا:
منظور از رطوبت هوا، مقدار آبي است که به صورت بخار در هوا وجود دارد. بخار آب از طريق تبخير آب سطح اقيانوس ها و درياها، همچنين سطوح مرطوبي چون گياهان وارد هوا مي شود. اين بخار به وسيله ي جريان هوا و باد به بقيه ي قسمت هاي سطح زمين منتقل مي شود.حداقل ميزان رطوبت هوا در نواحي خط استوا است که با حرکت به طرف قطبين کاهش مي يابد. مقدار رطوبت موجود در هوا را به روش هاي مختلفي چون رطوبت مطلق، رطوبت مخصوص فشار بخار و رطوبت نسبي مي توان اندازه گيري و بيان کرد.

رطوبت مطلق:
رطوبت مطلق عبارت است از وزن بخار آب موجود در هر متر مکعب از هوا و واحد آن گرم در متر مکعب است.
فشار بخار:
فشار بخار عبارت است از فشاري که در اثر بخار آب در هوا به وجود مي آيد و بر حسب ميلي متر جيوه ا ندازه گيري مي شود.
رطوبت نسبي:
رطوبت نسبي عبارت است از نسبت وزن بخار آب موجود در حجم مشخصي از هوا در يک درجه حرارت به حداکثر مقدار بخار آبي که آن حجم از هوا در همان درجه حرارت مي تواند در خود نگه دارد.
سيستم هاي باد:
به طور کلي، در هر نيم کره ي زمين سه سيستم کلي باد وجود دارد: بادهاي تجا ري، بادهاي غربي و قطبي، و بادهاي موسمي، علاوه بر اين سه سيستم، بادهاي ديگري نيز وجود دارد که يکي از آنها بادهاي محلي است که در مناطق کوهستاني و دره ها جريان دارد؛ همچنين نسيم شب و روز که در سواحل دريا مي ورزد.
بادهاي تجاري:
مرکز اين بادها در مناطق نيمه استوايي دو نيم کره اي است که داراي هواي پر فشار هستند اين دو مرکز در منطقه ي استوا به هم نزديک شده، در آنجا کمربند کم فشار را تشکيل مي دهند. بر روي اقيانوس ها، جهت حرکت اين دو جريان هوا در نيم کره ي شمالي به سمت جنوب غربي و در نيم کره ي جنوبي به سمت شمال غربي است. جهت حرکت اين دو باد معمولاً ثابت است و دما و رطوبت آنها به مناطقي که از روي آن عبور مي کنند بستگي دارد.

رطوبت و دماي هر دو جريان، بر روي اقيانوس ها يکسان است و در نتيجه در اثر برخورد با يکديگر، تغيير زيادي به وجود نمي آورند. سرعت اين بادها بين 15 تا 35 کيلومتر در ساعت است که گاهي به 45 کيلومتر در ساعت نيز مي رسد. ولي در منطقه ي اقيانوس هند و منطقه ي جنوب غربي اقيانوس آرام، جهت اين بادها در اثر برخورد با بادهاي موسمي در تابستان در هر نيم کره تغيير مي کند.
بادهاي قطبي:
اين بادها در اثر پراکنده شدن توده هاي هوا سرد از مناطق پر فشار قطبي و اقيانوس منجمد شمالي به وجود مي آيند. جهت اصلي اين بادها در نيم کره ي شمالي، به سمت جنوب غربي و در نيم کره ي جنوبي به سمت شمال غربي است.
بادهاي موسمي:
اختلاف ميانگين درجه حرارت سالانه ي هوا سطح زمين و دريا باعث ايجاد بادهاي زمستاني بر روي خشکي و بادهاي تابستاني بر روي دريا مي شود که به «بادهاي موسمي» معروف اند.
بارندگي:
در مبحث رطوبت هوا به اين نکته اشاره شد که هر چه هوا گرم تر باشد، مقدار رطوبت بيشتري را مي تواند در خود نگه دارد. بنابراين اگر مقدار مشخصي از هوا با درصد مشخصي از رطوبت به تدريج سرد شود، رطوبت نسبي آن افزايش مي يابد و در درجه حرارتي که به آن «نقطه شبنم» مي گويند. رطوبت نسبي هوا به 100 درصد مي رسد. اگر اين هوا باز هم سردتر شود و دماي آن به پايين نقطه ي شبنم برسد. نمي تواند تمام رطوبت موجود در خود را نگه دارد. از اين رو، مقدار بخار آب اضافي به صورت قطرات آب بر روي سطوحي که دماي آنها از نقطه ي شبنم کمتر است مي شود.

منطقه ي آسايش:
مطالب فوق نشان مي دهد که احساس انسان نسبت به محيط اطرافش را نمي توان تنها از طريق بررسي يک از عنماصر اقليمي مانند درجه حرارت، رطوبت نسبي يا جريان هوا بيان کرد؛ زيرا ترکيب اين عناصر بر انسان تاثير مي گذارد و با آسايش فيزيکي او ارتباط دارد. براي مثال، اگر سرعت هوا را ثابت فرض کنيم و تابش آفتاب را ناديده بگيريم (يعني به فرض آنکه افراد در سايه و در فضاي داخلي قرار داشته باشند، بيشتر افراد در دماي 21 الي 26 درجه ي سانتي گراد و رطوببت نسبي 30 تا 60 درصد از نظر فيزيکي راحت هستند. حال اگر شرايط هواي داخل اين اتاق را تغيير دهيم، يعني رطوبت آن افزايش و دماي آن کاهش يابد، اين افراد به تدريج احساس ناراحتي مي کنند.
بنابراين، نسبت درجه حرارت و رطوبت نسبي هوا در ايجاد احساس آسايش انسان تاثير دارد. البته واکنش بدن در برابر شرايط اقليمي پديده اي تجربي است و در فرهنگ ها و مناطق جغرافيايي

مختلف، متفاوت است. به طور مثال، در آلمان دماي 5/69 درجه ي فارنهايت (8/20 درجه ي سانتيگراد) و رطوبت نسبي 50 درصد مطلوب است. در حالي که بريتانيا، دماي 58 اتا 70 درجه ي فارنهايت (4/14 – 1/21 درجه سانتي گراد) و در آمريکا، دماي 69 تا 80 درجه ي فارنهايت (8/20- 7/26 درجه ي سانتي گراد) ترجيح داده مي شود. همين طور که در مناطق استوايي دماي 74 تا 85 درجه ي فارنهايت (3/23- 4/29 درجه سانتي گراد) و ر طوبت نسبي 30 تا 70 درصد مطلوب است.

اين ارقام، تعيين کننده ي شرايط هوايي است که انسان در آن شرايط از نظر فيزيکي راحت است. اين منطقه، مشخص کننده ي وضعيت هايي است که فرد در آن احساس آسايش مي کند. البته به دليل تفاوت ميان دماي مطلوب هوا در مناطق مختلف، نمي توان محدوده ي دقيقي براي منطقه ي آسايش تعيين کرد؛ زيرا دماي مطلوب هوا در يک منطقه ي مشخص براي افرادي با جنس و سن مختلف متفاوت است و به نوع ميزان فعاليت و نوع و ميزان پوشش فرد نيز بستگي دارد. همچنين

دماي مطلوب هوا براي يک فرد در فصل تابستان و زمستان متفاوت است. نتايج آزمايش هايي را نشان مي دهد که طي ساليان متمادي بر روي صدها نفر از ساکنين مناطق مختلف به منظور تعيين رابطه ي بين دما، رطوبت و جريان هوا و تاثير آنها بر منطقه ي آسايش انجام شده است. بر اساس اين نتاييج در فصل تابستان دماي 24 درجه ي سانتي گراد و رطوبت نسبي 50 درصد براي

98 درصد افراد مطلوب است. در حالي که در فصل زمستان، براي آنکه 97 درصد افراد احساس آسايش کنند، با حفظ رطوبت نسبي حدود 50 درصد بايد دما را به 21 درجه ي سانتي گراد کاهش داد. براساس منابع مورد استفاده به نظر مي رسد که در کشور ما تاکنون آزمايش ها و مطالعاتي که شرايط مطلوب دما و رطوبت هوا را نشان دهد، انجام نشده است. به همين دليل، در اين کتاب

براي تعيين حدود منطقه ي آسايش در ايران، از روش پيشنهادي «اولگي» استفاده شده است.
اولگي دماي 70 تا 80 درجه ي فارنهايت (1/21- 7/26 درجه ي سانتي گراد) را براي فصل تابستان و دماي 68 تا 76 درجه فارنهايت (20-4/24 درجه سانتي گراد) را براي فصل زمستان و رطوبت نسبي 30 تا 65 درصد را به عنوان شرايط مطلوب هوا مطرح کرده است. البته اين محدوده فقط براي مناطق معتدل آمريکا با ارتفاع کمتر از يک هزار فوت (330 متر) از سطح دريا و براي افرادي پيشنهاد شده است که به صورت نشسته فعاليت مي کنند و لباس معمولي منزل پوشيده اند.

به پيشنهاد اولگي با ايجاد تغييراتي در اين جدول، آن را براي مناطق ديگر نيز مي توان مورد استفاده قرار داد. بدين منظور براي هر 5 درجه کاهش عرض جغرافيايي نسبت به 40 درجه شمالي بايد به ميزان 4/3 درجه فارنهايت، حداقل منطقه ي آسايش تابستاني را در جدول فوق افزايش داد. حداکثر منطقه اي آسايش را نيز بايد به همين ميزان افزايش داد. ولي اين ميزان نبايد از 85 درجه ي فارنهايت بيشتر شود. بنابراين، حدود منطقه ي آسايش را براي ايران که بين 25 اتا 40 درجه عرض جغرافيايي قرار دارد، مي توان از نظر دماي هوا در فصل تابستان بين 5/21 تا 29 درجه و در فصل زمستان بين 20 تا 7/25 درجه ي سانتي گراد فرض کرد. محدوده ي رطوبت نسبي هوا در اين دو

فصل نيز 30 تا 65 درصد در نظر گرفته مي شود.
بار ديگر بايد يادآوري کرد که شرايط منطقه اي آسايش، نسبي و تقريبي است و فقط براي افرادي پيشنهاد شده است که به صورت نشسته در فضاي داخلي (با جريان هوا ثابت در سايه) و با لباس معمولي در حال فعالييت هستند. بديهي است تا زماني که آزمايش هاي دقيقي در مناطق مختلف ايران صورت نگيرد، هيچ گاه نمي توان به طور دقيق منطقه ي آسايش را بر روي نمودار مشخص کرد.
در منطقه ي آسايش، تغييرات رطوبت هوا بيشتر از تغييرات دماي آن براي انسان قابل تحمل است. به همين دليل، دماي هواي فضاهاي داخلي ساختمان بايد با دقت بيشتري کنترل شود. البته ميزان رطوبت نسبي هوا نيز بايد در نظر گرفته شود؛ زيرا رطوبت بيش از حد در و رطوبت کم باعث ايجاد الکتريسيته ي ساکن مي شود.
تاثير عوامل اقليمي بر منطقه ي آسايش:
منطقه ي آسايش پيشنهادي فقط در صورت ثابت بودن جريان هوا و در سايه صادق است. حال اگر دو عامل تابش آفتاب و باد نيز دخالت داده شوند، هر کدام به نوعي در محدوده هاي منطقه ي آسايش تاثير مي گذاردند. همچنين اگر ميزان رطوبت هواي مورد نظر با وسايل مکانيکي يا به طور طبيعي افزايش داده شود، حدود منطقه ي آسايش تغيير مي کند. در اين قسمت تاثير هر کدام از عوامل فوق بر انسان و در نتيجه، تاثير آن بر منطقه ي آسايش مورد بررسي قرار مي گيرد.

تاثير تابش آفتاب بر منطقه ي آسايش:
تابش آفتاب، دو اثر بيولوژيکي و حرارتي بر انسان دارد که اثر بيولوژيکي آن ناشي از تابش پرتو فرابنفش و اثر حرارتي آن حاصل تابش پرتو مرئي و فروقرمز بر بدن انسان است. محدوده ي بسيار کوچکي از طيف نور خورشيد با طول موج 288/0 تا 313/0 ميکرون، فقط محدوده ي موثر پرتوهاي فرابنفش است. اين قسمت از نور خورشيد بر پوست تاثير مي گذارد و باعث آفتاب سوختگي پوست سفيد مي شود. نکته ي قابل توجه اينکه، بيشتر اجسام شفاف مانند شيشه و بعضي نايلون ها، پرتوهاي فرابنفش را جذب مي کنند و مانع نفوذ اين قسمت از طيف نور به آن طرف خود مي شود.
مساله ي مهم در اين قسمت، تاثير حرارتي تابش آفتاب بر منطقه ي آسايش است که پيش از اين به وسيله ي دو عا مل درجه حرارت و رطوبت نسبي هوا مشخص شد.

در شرايطي که دماي هاوا کمتر از 21 درجه ي سانتي گراد است (محدوده پايين خط سايه ) تابش آفتاب ممکن است باعث گسترش منطقه ي آسايش شود. بدين ترتيب که در دماهاي پايين که بدن حرارت خود را از دست مي دهد، اگر حرارت دفع شده با اثر حرارتي تابش آفتاب جبران شود.

شرايط آسايش انسان تامين مي شدود و اين شرايط، در محدوده ي منطقه ي آسايش قرار مي گيرد. البته جبران حرارت دفع شده ي بدن با تابش آفتاب، محدوديت هايي دارد. محاسبات و آزمايش هايي که در اين مورد انجام شده، نشان مي دهد که هر 5/12 کيلو کالري انرژي خورشيدي در ساعت مي توادند 8/1 درجه سانتي گراد کاهش دماي هوا را جبران کند. ميزان گسترش منطقه ي آسايش از طريق تابش آفتاب نشان داده شده است.
تاثير رطوبت هوا بر منطقه آسايش:
رطوبت باعث کا هش دماي هواي خشک مي شود. منحني هاي جدول 2-8، تغييراتي را نشان مي دهد که با افزايش 5 گرين رطوبت در هر پوند (454 گرم) در هر بار در دماي هوا به وجود مي آيد. اين کاهش دماي هوا که در اثر تبخير رطوبت اضافه شده به آن صورت مي گيرد، باعث مي شود محدوده هاي بالاي منطقه ي آسايش نيز قابل تحمل شود و بدين ترتيب، منطقه ي آسايش

گسترش يابد. براي مثال، اگر دماي هواي مورد نظر 32 درجه ي سانتي گراد و رطوبت نسبي آن 30 درصد باشد، چنين شرايطي خارج از منطقه ي آسايش و در نتيجه ، غير قابل تحمل خواهد بود.حال در اين شرايط، اگر رطوبت هوا به ميزان 10 گرين در پوند افزايش يابد دماي هواي فوق در حد قابل تحمل کاهش خواهد يافت.
خنک سازي هوا از طريق افزايش رطوبت آن ممکن است با وسايل مکانيکي يا به طور طبيعي با گياه کاري يا ساخت آب نما و فواره ها صورت گيرد.

تاثير باد بر منطقه ي آسايش:
سرعت جريان هوا به دو طريق بدن انسان را تحت تاثير قرار مي دهد. جريان هوا، از يک سو مقدار تبادل حرارتي از طريق همرفت (جا به جايي هوا در اثر اختلاف دما) را مشحص مي کند و از سوي ديگر، ظرفيت تبخير در هوا و در نتيجه، ميزان خنک شدن بدن از طريق تعريق را تعيين مي نمايد.
تاثير سرعت و دماي هوا در تبادل حرارتي از طريق همرفت به يکديگر بستگي دارد؛ زيرا تبادل حرارت از طريق همرفت، در اثر سرعت هوا و اختلاف دماي پوست و هواي اطرافش به وجود مي آيد. تاثير سرعت جريان هوا بر بدن از طريق تعيين ظرفيت تبخير در هوا، به رطوبت آن بستگي دارد؛ زيرا افزايش سرعت هوا، ظرفيت تبخيرپذيري آن را افزايش و در نتيجه تاثير رطوبت بيش از حد هوا را کاهش مي دهد.
اگر هوا سردتر از پوست بدن باشد هر دو تاثير جريان هوا بر بدن انسان در يک جهت عمل مي کنند و در نتيجه، در اين حالت افزايش سرعت هوا باعث خنک شدن بدن مي شود. البته اين تاثير با کا هش دماي هوا شدت مي يابد. ولي وقتي هوا گرم تر از پوست باشدريال اثرات جريان هوا در جهت عکس يکديگر عمل مي کنند. در اين حالت، افزايش سرعت هوا از يک سو باعث افزايش اثر همرفت و در نتيجه، گرم تر شدن بدن و از سوي ديگر باعث افزايش ظرفيت تبخير در هوا و سردتر شدن پوست مي شود.
زماني که پوست بدن مرطوب و اثر تعريق

و تبخير آن کمتر از 100 درصد است، افزايش سرعت هوا بيشتر در ميزان تعريق و تبخير تاثير مي گذارد تا در تبادل حرارت از طريق همرفت و در نتيجه بدن خشک مي شود. هم زمان با اين عمل، سرعت بيشتر جريان هوا باعث مي شود سطح خيس بدن خشک شود و فرد احساس راحتي کند. ولي اين تاثير تا زماني ادامه دارد که پوست بدن خشک شود و از اين پس، افزايش سرعت هوا تاثيري در خنک شدن بدن از طريق تاثير بر ميزان تعريق و تبخير نداشته باشد؛ ولي اثر گرمايي آن از طريق همرفت ادامه يابد. بنابراين در دماهاي بالا، يک سرعت بهينه ي باد وجود دارد که در آن سرعت، بدن تا بيشترين حد ممکن خنک مي شود. کاهش سرعت هوا از اين حد باعث افزايش دماي پوست و افزايش آن باعث گرم تر شدن بدن از طريق همرفت مي شود. اين حد مطلوب سرعت باد ثابت نيست و به عواملي چون دما و رطوبت هوا، قدرت بيولوژيکي بدن و پوشش فرد بستگي دارد.
در اينجا لازم است که اثراتي که سرعت هاي مختلف باد بر انسان مي گذارد، اشاره شود.واکنش انسان نسبت به سرعت هاي مختلف باد، هنگامي که در ارتفاع سر افراد جريان داشته باشد، نشان داده شده است.

در مطالبي که قبلاً در مورد اثرات دما و رطوبت هوا بر منطقه ي آسايش مطرح گرديد، به اين موضوع اشاره شد که وقتي رطوبت نسبي 75 درصد يا بيشتر باشد، شرايط حراتي هواي مورد نظر از منطقه ي آسايش خارج مي شود. ولي اگر در چنين وضعيتي هوا جريان داشته باشد، اين شرايط مي تواند در منطقه ي آسايش قرار گيرد. براي مثال، وقتي باد با سرعت 200 فوت ( 60 متر) در دقيقه بوزد، دماي هواي 29 درجه ي سانتي گراد و رطوبت نسبي 30 تا 60 درصد کاملاً مطلوب است. بنابراين ممکن است باعث گسترش منطقه ي آسايش شود. تغييراتي که سرعت هاي مختلف باد در منطقه ي آسايش به وجود مي آورد.

تابش آفتاب و تاثير آن بر ساختمان و محيط اطراف
نور خورشيد، هميشه براي ايجاد روشنايي طبيعي در ساختمان لازم است. ولي از آنجا که اين نور در نهايت به حرارت تبديل مي شود، ميزان تابش مورد نياز براي هر ساختمان بايد با توجه به نوع آن و شرايط اقليمي محل آن تعيين شود.
مقدار حرارتي که خورشيد در فاصله ي 000/000/148 کيلومتري (93 ميليون مايل، فاصله ي خورشيد تا مدار زمين) در سطحي عمود بر پرتو آن توليد مي کند، براي 94/1 کالري در سانتي متر مربع در دقيقه (2BTU/h/ft 429) است که « رقم ثابت خورشيد» ناميده مي شود. البته زمين مقدار حرارت کمتري جذب مي کند؛ زيرا مقداري از پرتوهاي خورشيد در اثر برخورد با سطح ابرها

دوباره به سمت بالا منعکس مي شود و مقداري از آنها نيز به وسيله ي اکسيد کربن، بخار آب و اوزون موجود در اتمسفر جذب مي شود. همچنين، مقدار مشخصي از پرتوهاي خورشيد در اثر برخورد به مولکول هاي هوا به اطراف منتشر مي شود. البته قسمتي از اين پرتوهاي منتشر شده در آسمان دوباره به سمت زمين مي تابد.

بنابراين، شدت تابش آفتاب و حرارت حاصل آن در يک نقطه از سطح زمين به فاصله ي که پرتو خورشيد بايد طي کند، ضخامت ابرو وضعيت آلودگي هوا بستگي دارد. به همين دليل، شدت تابش آفتاب در يک محل با ارتفاع آن محل از سطح دريا متناسب است و در مناطق مرتفع، چون پرتو خورشيد فاصله ي کمتري از اتمسفر را طي مي کند، حرارت بيشتري توليد مي نمايد. همچنين در ظهر محلي هر منطقه که خورشيد در قائم ترين حالت خود نسبت به زمين آن محل قرار دارد و فاصله ي آن کمتر است. شدت تابش آفتاب بيشتر از صبح و عصر است که خورشيد در مايل ترين حالت نسبت به زمين محل مورد نظر قرار دارد.

با توجه به مطالب فوق در مي يابيم که شدت تابش آفتاب در هر نقطه از سطح زمين، به موقعيت خورشيد نسبت به ان منطقه بستگي دارد. از آنجا که موقعيت خورشيد به دليل حرکت وضعي و دوراني زمين در ساعت ها، روزها و فصل هاي مختلف متفاوت است، براي بررسي شدت تابش آفتاب بر سطوح مختلف و حرارت حاصل از آن بايد موقعيت خورشيد نسبت به محل مورد نظر در زمان هاي مختلف مشخص باشد. بدين منظور، در اين قسمت موقعيت خورشيد مورد بررسي قرار مي گيرد.

موقعيت خورشيد:
در هر نقطه از سطح زمين، مسير حرکت خورشيد در آسمان در روزهاي مختلف سال متفاوت است. براي مثال، حرکت خورشيد نسبت به ساختماني که در نيم کره ي شمالي و رو به جنوب قرار گرفته، بدين طريق است که در تابستان خورشيد از شمال شرقي محوطه ي اين ساختمان طلوع و در شمال غربي آن غروب مي کند. در زمستان، طلوع خورشيد از جنوب شرقي و غروب آن در جنوب غربي محوطه ي ساختمان مزبور صورت مي گيرد و فقط در اول فروردين و اول مهر ماه، خورشيد کاملاً از شرق طلوع کرده، در غرب غروب مي کند.

موقعيت خورشيد را در هر منطقه و در هر زمان مي توان به وسيله ي دو زاويه يکي « زاويه ي تابش» و ديگري «جهت تابش» مشخص کرد. « زاويه ي تابش» زاويه اي است که بين امتداد پرتو خورشيد و سطح افق تشکيل مي شود و « جهت تابش» زاويه اي است که بين تصوير امتداد پرتو خورشيد بر صفحه ي افق و شمال واقعي پديد مي آيد. تغييرات روزانه و سالانه ي اين دو زاويه به عرض جغرافيايي محل بستگي دارد. در بسياري از کشورها، مقادير اين دو زاويه براي نقاط گوناگون و در زمان هاي مختلف محاسبه شده و به صورت جدول ها و منحني هايي ارائه شده است. ولي چنانچه موقعيت خورشيد براي مناطق خاصي مورد نظر باشد، آنها را مي توان از طريق محاسبات رياضي به دست آورد.

تابش آفتاب:
به طور کلي، تابش آفتاب با ساطع شدن پنج نوع پرتو يک ساختمان را تحت تاثير قرار مي دهد. اين پنج نوع پرتو به ترتيب اهميت عبارتند از:
پرتو مستقيم با طول موج کوتاه
پرتو پراکنده از آسمان با طول موج کوتاه
پرتو بازتابيده از سطوح اطراف با طول موج کوتاه
پرتو ساطع شده از زمين و اجسام گرم شده با طول موج بلند ( بازتاب حرارتي)
پرتو ساطع شده از ساختمان به آسمان با طول موج بلند (بازتاب حرارتي)
هر يک از اين پرتوها، به نوعي بر ساختمان تاثير مي گذارد که در اينجا به بررسي آنها مي پردازيم.
پرتو مستقيم و پراکنده:
اين دو بخش از پرتو خورشيد، مهم ترين اجزا آفتاب از نظر تامين نور حرارت طبيعي در ساختمان هستند. بنابراين، محاسبه ي سريع و دقيق مقدار انرژي حاصل از اين دو نوع پرتو براي طراحان حائز اهميت است.
چنانچه اشاره شد، قسمتي از پرتو خورشيد هنگام عبور از اتمسفر – به دليل وجود ذرات غبار – در هوا پراکنده مي شود و قسمتي از آن نيز به وسيله ي ابرها دوباره به سمت آسمان منعکس مي شود. به همين دليل با عبور نور خورشيد از اتمسفر، انرژي آن کاهش مي يابد. البته نسبت پرتو پراکنش يافته به پرتو مستقيم آفتاب به وضعيت ابري بودن هوا بستگي دارد. در روزهاي ابري، حتي ممکن است 100 درصد پرتوها به صورت پراکنده به زمين برسد. ولي در روزهاي ابري به زمين مي رسد، بسيار کمتر از حرارتي است که در روزهاي آفتابي دريافت مي شود.

نتايج بررسي مقدار انرژي حرارتي حاصل از تابش آفتاب در دو وضعيت هواي ابري و هواي کاملاً صاف نشان داده است که در روزهاي آفتابي فصل زمستان، يک ديوار جنوبي حدود 75 درصد کل انرژي حرارتي خورشيد را دريافت مي کند؛ ولي اين مقدار در روزهاي ابري 7 درصد و در روزهاي نيمه ابري 18 درصد گزارش شده است.
اين بررسي نشان مي دهد که بيشترين قسمت انرژي حرارتي خورشيد در روزهايي که هوا صاف است به زمين مي رسد. بنابراين براي تمام محاسباتي که در اين زمينه در معماري انجام مي شود، مقدار انرژي حرارتي خورشيد که در روزهاي کاملاً آفتابي به زمين مي رسد در نظر گرفته مي شود.
پرتو بازتابيده از سطوح اطرف:

در روزهاي گرم تابستان، مقدار انرژي خورشيدي تابيده شده به سطوح افقي تقريباً دو برابر انرژي خورشيدي تابيده به سطوح عمودي است. بنابراين، سطوح افقي اطراف يک ساختمان ممکن است مقدار زيادي از انرژي خورشيدي را به آن منعکس کنند. اين مقدار، به قابليت انعکاس سطوح مورد نظر بستگي دارد. براي کاهش ميزان اين نوع تابش بر ساختمان بايد سطوح اطراف ساختمان را با سطوحي که درصد انعکاس کمي دارند بپوشانيم.
پرتو ساطع شده از زمين و اجسام گرم شده:
زمين و اجسام نزديک به ساختمان که در معرض تابش آفتاب قرار دارند، ممکن است حرارت بسيار زيادي جذب کنند. در مناطق گرم و خشک و در روزهاي گرم تابستان، دماي اين سطوح تقريباً بين 54 (هنگامي که دماي هوا 34 درجه ي سانتي گراد باشد) و 65 درجه ي سانتي گراد (زماني که دماي هوا 44 درجه ي سانتي گراد باشد) نوسان دارد. حتي دماي 71 درجه ي سانتي گراد نيز براي سطح زمين در ابن گونه مناطق گزارش شده است. بديهي است ساختماني که در مجاورت چنين سطوحي قرار گرفته، مقدار زيادي از حرارت اين سطوح را دريافت مي کند. البته به سختي مي توان اين مقدار حرارت را به طور دقيق اندازه گيري کرد؛ زيرا اين مقدار هم به نوع مصالح ساختماني به کار رفته در بنا و هم به ميزان پرتوهاي تابيده شده بين دو سطح – که به نسبت اختلاف دمايشان تغيير مي کنند- بستگي دارد.

پرتو ساطع شده از ساختمان به آسمان:
ايجاد تعادل حرارت جهاني نشان مي دهد که ميانگين سالانه ي کل پرتوهاي خارج شده از زمين و اتمسفر، برابر کل پرتوهاي خورشيد تابيده به زمين است. البته شدت پرتوهاي ساطع شده از زمين يکنواخت نيست و در هر فصل متفاوت است. مقدار اين پرتوها به عرض جغرافيايي بستگي دارد و در اطرف قطبين، 10 تا 20 درصد از ميزان آن کاهش مي يابد. محاسباتي که در مورد مقدار اين پرتوهاي پراکنش يافته انجام شده، نشان مي دهد که مقدار موثر پرتوهاي ساطع شده از زمين در آسمان بدون ابر با افزايش رطوبت نسبي کاهش مي يابد. در هواي ابري، مقدار پرتو بازتابي ابرها به زمين افزايش يافته، مقدار پرتو عبور کرده از ابر به آن سوي اتمسفر کاهش مي يابد.

بنابراين ساطع شدن اين نوع پرتو به سمت آسمان، يکي از روش هاي دفع حرارت ذخيره شده در بناي ساختمان ها – بويژه در مناطق در مناطق گرم و خشک – است. ولي متاسفانه اين امکان هنوز به طوري جدي و دقيق مورد توجه قرار نگرفته و از آن در طراحي استفاده نشده است. حال آنکه براي تعيين ميزان پرتو ساطع شده از ساختمان به آسمان مي توان روش محاسباتي قابل استفاده اي به دست آورد.

تابش آفتاب و انرژي حاصل از آن در جهت هاي مختلف جغرافيايي:
چنانچه پيش از اين توضيح داده شد، شدت تابش آفتاب و حرارت حاصل از آن در زمين به وضعيت هوا، موقعيت خورشيد و ارتفاع محل مورد نظر بستگي دارد. ولي مقدار انرژي خورشيدي تابيده به يک سطح، علاوه بر موارد فوق به زاويه ي برخورد پرتو خورشيد به سطح مورد نظر نيز بستگي دارد. يعني در يک نقطه از سطح زمين و در يک زمان معين، مقدار انرژي خورشيدي تابيده به سطوحي که نسبت به پرتو خورشيد زواياي مختلفي دارند، کاملاً متفاوت است. براي محاسبه ي انرژي حرارتي خورشيدي حاصل در سطوح مختلف، روش هاي گوناگوني پيشنهاد شده است که در اينجا به شرح در روش محاسباتي و نمودار مي پردازيم.

سطوح قائم:
ديوارهاي جنوبي:
ديوارهاي جنوبي، بيشترين مقدار پرتو آفتاب را در آذر ماه و کمترين مقدار آن را در خرداد ماه دريافت مي کنند. اين ديوارها از شهريور تا اسفند، پرتو آفتاب را از طلوع تا غروب دريافت مي کنند. ديوارهاي جنوبي در اواسط تا بستان از ساعت 9 صبح تا 3 بعدازظهر مورد تابش آفتاب قرار مي گيرند. هنگام ظهر، حداکثر پرتو آفتاب بر روي اين ديوارها مي تابد.

ديوارهاي جنوب شرقي و جنوب غربي:
اين ديوارها در زمستان بيشتر از تابستان در معرض تابش آفتاب قرار مي گيرند. در تابستان حداکثر پرتو آفتاب به ديوارهاي جنوب شرقي بين ساعت 8 و 9 صبح و به ديوارهاي جنوب غربي بين ساعت 3 تا 4 بعدازظهر مي تابد. در زمستان اين ساعت ها به ترتيب 9 تا 10 صبح و 2 تا 3 بعدازظهر است.
ديوارهاي شرقي، غربي و شمالي:
در زمستان، پرتو آفتاب کمتر از تابستان به اين ديوارها مي تابد ديوار شمالي فقط بين فروردين تا شهريور ماه صبح زود و آخرين ساعت هاي بعدازظهر در معرض تابش آفتاب قرار مي گيرد.
سطوح افقي:
سطوح افقي و بام هاي مسطح، در تابستان بيشترين و در زمستان کمترين مقدار پرتو مستقيم آفتاب را دريافت مي کنند. اين مقدار، در زمستان حتي کمتر از مقدار تابشي است که ديوارهاي جنوب شرقي و جنوب غربي در اين فصل دريافت مي کنند.

سطوح شيب دار:
سطوح شيب داري کهجهت آنها شرقي – غربي است. در تابستان مقدار پرتو بيشتري دريافت مي کنند تا در زمستان سطوحي که شيب آنها به طرف جنوب است، در زمستان بيشترين مقدار پرتو آفتاب را نسبت به سطوح ديگر دريافت مي کنند. در بهار و پاييز، سطوح شيب دار جنوبي20 درصد بيشتر از سطوح شيب دار شرقي و غربي در معرض تابش آفتاب قرار مي گيرند. به طور کلي، سطوح شيب داري که شيب آنها به طرف شمال است، در تمام فصل هاي سال کمترين مقدار پرتو آفتاب را دريافت مي کنند.

کيفيت سطح مورد تابش:
شدت تابش آفتاب بر سطوح مختلف مورد بررسي قرار گرفت و دريافتيم که مقدار انرژي خورشيدي تابيده به سطوحي که در جهت هاي مختلف قرار دارند متفاوت است. ولي مقدار حرارتي که در اثر تابش آفتاب بر سطح يک جسم ايجاد مي شود، هم به جهت و هم به رنگ و بافت (درصد طيقلي بودن) آن سطح، همچنين سرعت جريان هوايي که در اطراف آن سطح در جريان است بستگي دارد. ميزان حرارت ايجاد شده در اثر تابش آفتاب در سطحي مفروض با میزان روشني رنگ و سرعت جريان هوا در آن سطح نسبت عکس دارد. در ضمن هرچه سطح مفروض زبرتر و ناصاف تر باشد، مقدار انرژي حرارتي بيشتري را مي تواند جذب کند. تاثير سرعت باد بر حرارت ايجاد شده در

يک سطح، ارتباط چنداني با جهت آن سطح ندارد و به نسبت سرعت باد تغيير مي کند. البته ميزان اين تاثير چندان زياد نيست. چنانچه براي پيش بيني و برآورد حرارت ايجاد شده ي ناشي از تابش آفتاب در يک سطح دقت زيادي لازم باشد. بايد سرعت جريان هوايي که در اطراف آن سطح در جريان است به طور دقيق در محاسبات منظور شود. ولي براي مطالعات و بررسي هاي عمومي، مقدار ثابتي براي اين تاثير در نظر گرفته مي شود. موثرترين عامل در تعيين حرارت ايجاد شده در يک سطح، رنگ آن سطح است. به همين دليل، در اين قسمت با فرض يکسان بودن دو عامل ديگر – يعني بافت و سرعت جريان هوا- به بررسي تاثير رنگ سطوح بر مقدار انرژي خورشيدي جذب شده در آنها مي پردازيم.

تاثير رنگ در مقدار انرژي خورشيدي جذب شده در يک سطح:
قبل از طلوع آفتاب، تغييرات درجه حرارت سطوح خارجي ديوارهاي يک ساختمان، در تمام جهت ها با تغيير درجه حرارت هواي خارجي تقريباً هماهنگ است. در اين حالت، فقط ساطع کردن پرتو با طول موج بلند به طرف آسمان از دست مي دهد. ولي پس از طلوع آفتاب و زماني که پرتوهاي

آفتاب به طور مستقيم از سطوح ديگر منعکس يا از آسمان ساطع شود، دماي سطوح خارجي ديوارها به نسبت به پرتويي که دريافت و جذب مي کنند، افزايش مي يابد. اگر سطحي به رنگ روشن باشد، مقدار حرارت جذب شده در آن سطح در اثر دريافت پرتو آفتاب کم است و درجه حرارت هواي پيرامون آن سطح تاثير بيشتري در حرارت توليد شده در آن سطح دارد. ولي وقتي رنگ يک سطح خارجي تيره باشد، تاثير آفتاب در حرارت توليد شده در آن بسيار بيشتر از تاثير درجه حرارت هواي پيرامون آن سطح است.
به منظور بررسي تاثير جرارتي تابش آفتاب در سطوح رنگي، آزمايش هاي گوناگوني انجام شده که در اينجا به چکيده اي از نتايج آنها اشاره مي شود.
جهت قرار گيري ساختمان بدون در نظر گرفتن رنگ سطوح خارجي بي مفهوم است. نتيجه ي ديگر اين دو آزمايش اين است که با استفاده از رنگ هاي مختلف در سطوح خارجي ديواره هاي يک ساختمان نيز مي توان اثرات حرارتي تابش آفتاب در فضاهاي داخلي آن را کنترل کرد. اختلاف دمامختلف است. رنگ هاي روشن ممکن است تا 90 درصد انرژي خورشيدي را منعکس کنند. در حالي که ويژگي انعکاس رنگ هاي تيره فقط 15 درصد يا کمتر است. ضريب جذب انرژي حرارتي خورشيد در رنگ هاي مختلف نشان داده شده است. همان طور که در اين جدول مشخص شده، رنگ سفيد حدود 10 تا 15 درصد انرژي حرارتي خورشيد و رنگ سياه مات بين 90 تا 95 درصد انرژي حرارتي خورشيد را جذب مي کند.
تاثير تابش آفتاب در حرارت داخلي ساختمان:
در اينجا با مشخص شدن تاثير تابش در سطوح مختلف مي توان اين تابش را بر فضاي داخلي ساختمان نيز مورد بررسي قرار داد. بدين منظور، ابتدا به توضيح انواع تبادل حرارتي پرداخته، نحوه ي انتقال حرارت خورشيد از طريق ديوارها، سقف و پنجره هاي ساختمان به فضاي داخلي آن را مورد بررسي قرار مي دهيم. سپس به نحوه ي عملکرد اجزا مختلف ساختمان مي پردازيم.
سقف و ديوارهاي جانبي ساختمان، فضاي داخلي آن را از محيط اطرافش جدا مي سازد و بدي

ن طريق، از تاثير مستقيم عناصر اقليمي مانند دما و رطوبت هوا، باد، تابش آفتاب، برف و باران بر فضاي داخلي آن جلوگيري مي کند. ولي در هر صورت، هر يک از اين عوامل از طريق تاثير بر جداره هاي خارجي ساختمان، هواي داخلي آن را تحت تاثير قرار مي دهند. به طور مثال، حرارتي که در اثر تابش آفتاب، در سطوح خارجي يک ساختمان جذب مي شود، با تغييراتي به سطوح داخلي و سرانجام به هواي داخلي انتقال مي يابد و باعث افزايش دمياي هوا مي شود. به طور کلي، انتقال حرارت ممکم است به چهار صورت رسانش (هدايت)، همرفت (جابه جايي)، تابش و تبخير صورت گيرد. از آنجا که از اين چهار انتقال حرارت، اصول تبادل حرارتي است و در اين کتاب به طور مکرر به آن ها اشاره مي شود، در اينجا به تعريف هر يک از آنها مي پردازيم.
رسانش:
حرارت با گذشتن از يک مولکول به مولکول هم جوار مي تواند از داخل اجسام يا از جسمي به جسم ديگر که با آن تماس دارد، عبور کند. اين نوع انتقال حرارت «رسانش» ناميده مي شود. از

طريق رسانش، حرارت موجود ر يک اتاق بدون عايق حرارتي دفع مي شود يا حرارت هواي خارج و حرارت توليد شده در اثر تابش آفتاب در سطح خارجي ديوارها، به فضاهاي داخلي انتقال مي يابد. معمولاً هرچه مصالح يک ديوار متراکم تر باشد، حرارت سريع تر به صورت رسانش از آن عبور مي کند. براي مثال، بتن که متراکم تر از چوب است، ضريب رسانش بيشتري نسبت به چوب دارد.
همرفت:
جريان هوا مي تواند حرارت را از سطوح گرم به سطوح سرد منتقل کند. اين نوع انتقال حرارت «همرفت» ناميده مي شود. هوا در اثر گرم شدن منبسط و در نتيجه سبک مي شود و به همين دليل بالا مي رود. اين هواي گرم، پس از مدتي حرارت خود را به اجسام و سطوح اطراف خود انتقال مي دهد و دوباره سرد، منقبض و سنگين شده، به طرف پايين حرکت مي کند. در يک فضاي بسته مانند اتاق، حرارت باعث به جريان افتادن هواي گرم از پايين به بالا و هواي سرد از بالا به پايين مي

شود. وقتي اين جريان هوا بين جدارهاي يک ديوار يا سقف دو جداره به وجود آيد، مقدار زيادي حرارت از سطوح داخلي ديوارها و بام به سطوح خارجي يا برعکس، در صورت گرم بودن هواي خارج، از سطوح خارجي به سطوح داخلي انتقال مي يابد. البته بايد توجه داشت که هوا، فقط زماني مي تواند باعث انتقال حرارت شود که فضاي کافي براي عمل همرفت داشته باشد و در صورتي که در حفره هاي کوچک يا لايه هاي بسيار نازک محدود شود (مانند هواي داخل يونوليت)، قادر به انتقال حرارت نيست و عايق حرارتي بسيار مناسب به شمار مي رود.
تابش:
حرارت نيز مانند نور، به شکل امواج الکترومغناطيسي منتقل مي شود. اين نوع انتقال حرارت را «تابش» مي نامند. از طريق تابش يا ساطع امواج الکترومغناطيسي با طول موج بلند حرارت از يک جسم گرم به جسم سرد منتقل مي شود؛ بدون آنکه تاثيري در دماي هواي بين دو سطح بگذارد.
تبخير:
«تبخير» عبارت است از تغيير دما و انتقال حرارت در اثر تغيير مايع به بخار. اين تغيير شکل باعث دفع حرارت مي شود.
در تبادل حرارتي، انتقال حرارت ممکن است به اشکال گوناگون صورت گيرد. براي مثال، انتقال حرارت از خارج به داخل ساختمان به اين صوررت انجام مي شود که ابتدا پرتوهاي حرارت زاي خورشيد به سطح ديوارهاي خارجي مي تابد و در آنها جذب مي شود. جذب حرارت در سطو

ح خارجي باعث گرم شدن اين سطوح شده، حرارت اضافي به صورت رسانش به سطوح داخلي ديوارها منتقل مي شود. در ديوارهاي دوجداره حرارت به صورت همرفت و تابش از يک طرف ديوار به طرف ديگر آن، سپس به صورت رسانش به سطح داخلي ديوار انتقال مي يابد و باعث گرم شدن آن مي شود. سطوح داخلي نيز پس از گرم سدن، حرارت خود را به شکل همرفت و تابش به هواي داخلي وس طوح ديگر نتقل مي کنند.
تابش آفتاب بر انواع ديوار:
تاثير تابش آفتاب در حرارت داخلي ساختمان، به ويژگي مصالح به کار رفته در ديوارهاي خارجي آن بستگي دارد. وقتي هواي داخلي ساختمان به وسيله ي سيستم هاي مکانيکي کنترل نشود، نوع مصالح به کار رفته در ساختمان تاثير زيادي در تامين آسايش ساکنين آن دارد. حتي وقتي هواي داخلي ساختمان به وسيله ي سيستم هاي مکانيکي کنترل مي شود، کيفيت مصالح ساختماني به کار رفته، تاثير زيادي در ميزان حرارت دفع شده يا جذب شده ي ساختمان دارد و در نتيجه در

آسايش ساکنين، همچنين در بازدهي اقتصادي وسايل مکانيکي موثر است. در هر صورت لازم است با توجه به نوع ساختمان و شرايط اقليمي، مصالح ساختماني مناسب به دقت انتخاب شود.
دماي هواي خارج و ميزان تابش آفتاب، داراي يک دوره تغييرات روزانه است والگوي اين تغييرات به موقعيت جغرافيايي محل بستگي دارد. دماي هواي داخلي ساختمان هاي مجهز به وسايل مکانيکي نيز، همين دوره ي روزانه را دارد؛ البته با تغييراتي که به جزئيات طرح و نوع مصالح ساختمان بستگي دارد.