بخشی از مقاله
چکیده
محدودیت منابع انرژی و افزایش روز افزون مصرف آن از یکسو و مصرف بی رویه انرژی توسط جوامع محتلف از سوی دیگر، علاوه بر آلودگی محیط زیست و هدر دادن سرمایههای ملی، زندگی آینده انسانها را با مخاطره مواجه ساخته است. اگر چه ایران از غنی ترین منابع انرژی برخوردار است اما استفاده نادرست از آنها خسارات جبران ناپذیری را بر بودجه سالانه کشور تحمیل می کند . بخش ساختمان کشور مصرف کننده بیش از % 40 کل مصرف انرژی در کشور بوده و حدود % 30 از درآمد کشور به تامین انرژی مصرفی این بخش اختصاص داده شده است.
لذا بررسی وضعیت مصرفی انرژی در این بخش از اهمیت ویژه ای برخوردار میباشد. از سوی دیگر ساختمانهای دولتی سهم قابل توجهی از این میزان مصرف را دارا بوده و با توجه به اینکه این نوع ساختمانها باید به عنوان یک الگو و نمونه در کشور مطرح گردند، بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمانهای دولتی در اولویت قرار دارند. در این مقاله که به روش کتابخانهای و میدانی صورت گرفته است، راهکارهای معماری مناسب جهت کاهش مصرف انرژی در ساختمانهای اداری اقلیم شهرستان اردستان مورد بررسی قرار گرفته و در نهایت شاهد خواهیم بود که با استفاده از این راهکارها به میزان زیادی می توان در مصرف انرژی ساختمان صرفهجویی کرد.
مقدمه
بدلیل کاهش منابع سوختهای فسیلی و تخریب محیط زیست جهانی، که غالبا ناشی از مصرف سوختهای فسیلی است، کاهش مصرف انرژی امری مهم و ضروری است. ازآنجا که حدود 40 درصد انرژی جهان توسط بخش ساختمان مصرف میگردد، معرفی و بکارگیری ساختمانهای کم انرژی میتواند مصرف جهانی انرژی را کاهش دهد. ساخت ساختمانهای کم انرژی مهمترین راهکار برای کاهش مصرف انرژی ساختمانهاست. از آنجا که هر سه جنبه معماری ساختمان، مقاومت پوسته حرارتی ساختمان و نوع و بازدهی سیستمهای تاسیساتی ساختمانی بر مصرف انرژی ساختمانها موثرند، از هر یک از این سه جنبه میتوان برای کاهش مصرف انرژی ساختمانها استفاده نمود.
جنبهای از ساختمان که بایستی در درجه اول برای کاهش مصرف انرژی ساختمانها مورد توجه واقع گردد، جنبه معماری است. به دلیل اینکه طراحی معماری بر مصرف انرژی گرمایشی، سرمایشی و روشنایی ساختمان و در نتیجه بر مصرف انرژی اولیه و میزان انتشار گاز دیاکسید کربن و هزینههای چرخه حیات ساختمان اثر میگذارد، با یک طراحی معماری هوشمندانه میتوان مصارف انرژی ساختمان و هزینههای مرتبط با آن را کاهش داد و این بهترین روش برای دستیابی به ساختمانهای اقتصادی از لحاظ انرژی میباشد. بهرهوری انرژی با معماری صحیح، بعنوان یک روش برای بهینه کردن طراحی معماری با هدف به حداقل رساندن مصرف انرژی، میتواند برای ساختمانهای با کاربری مختلف و نیز اقلیمهای مختلف استفاده گردد. این راهکارها میتوانند بصورت ضوابطی برای طراحی شهری و طراحی معماری ساختمانها در اقلیمهای مختلف تدوین گردند.
-1-1 بیان مساله
از مهمترین شرایط داخلی ساختمانها، تهیه ی گرمایش، سرمایش، تهویه مطبوع و روشنایی مناسب با توجه به نوع فعالیت آنها است. بخش اعظمی از مصرف سالیانه ی انرژی در ایران برای گرمایش، سرمایش، روشنایی فضای کاری و خانهها مصرف میشود. برای پاسخگویی به این نیاز روزافزون ، تلاشهای بسیاری برای ایجاد ظرفیتهای جدید تولید انرژی از جمله نیروگاههای متعدد برق و توزیع شبکه ی گازرسانی صورت گرفته است.
اما مسأله راه حل دیگری نیز دارد و آن بهبود بازده مصرف انرژی یا راهکارهایی مانند انتخاب بهینه ی تجهیزات مصرف کننده انرژی، طراحی دقیق و بهینه توسط مهندسان طراح و ... است. با اجرای برخی راهکارهای ساده به ویژه در ساختمانهای در حال ساخت میتوان از اتلاف مقدار قابل توجهی انرژی در واحدهای مسکونی، تجاری و اداری جلوگیری کرد که بیشترین نقش در این زمینه بر عهده ی مهندسان طراح 4 گانه در امر طراحی بهینه ی ساختمانها میباشد .[1]
یکی از فضاهای جمعی که به صورت مستمر در کلیه ایام سال مورد استفاده کاربران قرار میگیرد فضاهای اداری- خدماتی در مقیاسهای مختلف میباشد. مجموعههای اداری- خدماتی از فضاهایی هستند که با توجه به ساعات کاری اینگونه اماکن در شبانه روز در فصول مختلف، چه از نظر گرمایش و چه از نظر سرمایش همواره مورد توجه بوده و نیز به دلیل تردد کاربران در فضاهای کنترل شده و کنترل نشده و عدم مدیریت صحیح بر مصرف انرژی در زمره ی فضاهای مصرفی با سرانه بسیار بالا میباشند.
مجموعههای اداری- خدماتی با توجه به سرانههای بالای مورد نیاز مساحتی خود در سالهای اخیر به زمینهای حومه شهرها پناه برده و به همین واسطه بسیاری از موارد اقلیمی، محیطی و همچنین زیستی در این ابنیهها به چشم نمی خورد. در این مقاله برای مطالعه رفتار ساختمانهای اداری از نقطه نظر مصرف انرژی و درنتیجه دستیابی به راههای بهره وری انرژی با طراحی معماری، اثر شاخصهای مختلف معماری از قبیل جهت گیری، میزان سطح بازشوها در جبهههای مختلف، سایبانها، تهویه طبیعی و نرخ تعویض هوا از طریق نشت بر میزان مصرف انرژی ساختمانها بررسی میشود.
اصول معماری در جهت کاهش مصرف انرژی
به دلیل اقلیم خاص، پتانسیل صرفه جویی انرژی از طریق معماری در ایران بسیار بالا است. دو ویژگی اصلی اقلیم قاره ای، از قبیل میزان تابش خورشیدی بالا و رطوبت نسبی پایین، پتانسیل صرفه جویی انرژی با استفاده از معماری را افزایش میدهد. از آنجاکه در ایران قیمت حاملهای انرژی، حتی پس از کاهش یارانههای انرژی، هنوز پایین است و قیمت ساخت و ساز بالاست، سرمایه گذاری برای صرفه جویی انرژی در ساختمانها با استفاده از کاربرد مصالح و تجهیزات ساختمانی، در برخی یا بسیاری از موارد از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست.
با این حال، به دلیل وضعیت اقتصادی کشور، جنبههای اقتصادی در همه موارد و از جمله در صرفه جویی انرژی در ساختمانها از اهمیت زیادی برخوردار بوده و لذا گرایش عمومی به بهره وری انرژی با استفاده از شیوههای هزینه بر اندک میباشد. به این دلیل، روش استفاده شده برای افزایش کارایی انرژی ساختمانها بایستی تا حد امکان از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد. بنابراین معماری صحیح همراه با رویکرد کاهش مصرف انرژی برای ایران هم از نقطه نظر اقتصادی و هم زیست محیطی بسیار مناسب است.
از آنجاکه جهت گیری، نسبت سطح پنجرهها به دیوار، کشیدگی ساختمان، تعداد طبقات، سایبانها و تهویه طبیعی مهمترین عوامل معماری موثر بر نیاز انرژی ساختمانها هستند، در این مقاله روی این عوامل مهم تمرکز میگردد. به کارگیری راهکارهای استخراج شده از این مطالعه در طراحی ساختمانها، تنها از طریق بهینه سازی معماری و بدون نیاز به هر مصالح و یا تکنولوژی اضافی، منجر به حدود 50 درصد صرفه جویی انرژی گردیده است.
جهت گیری
مهمترین وظیفه معمار آنست که با توجه به شرایط حرارتی ، بهداشتی و روانی مورد نیاز ساختمان را در جهتی قرار دهد که بیشترین استفاده از نور خورشید حاصل شود. در فصل زمستان درعرض جغرافیایی 40 شمالی ، دیوار جنوبی حدود 3 برابر شرقی یا غربی انرژی خورشیدی دریافت می کنند در حالیکه در تابستان به مقدار کل انرژی تابیده به دیوارهای جنوبی و شمالی تقریبا یک دوم انرژی تابیده شده به دیوارهای شرقی غربی است.
در عرضهای جغرافیایی کمتر ، این اختلاف بیشتراست. [2] جهت گیری ساختمانها اثری قابل توجه بر میزان مصرف انرژی ساختمان دارد. جهت گیری ساختمان در میان همه فاکتورهای معماری، یکی از مهمترین عوامل در رابطه با صرفه جویی انرژی میباشد. [3] بنابراین می توان گفت اصلی ترین عامل در جهت یک بنا تابش خورشید است زیرا اصلی ترین عامل در تعیین دمای سطوح خارجی بناست.[4]
فلیکس ماربوتین ، شدت تابش آفتاب درفصل ها و جهت های مختلف ، نتایج زیر را بدست آورده است: برای ایجاد بهترین شرایط حرارتی در داخل ساختمان - هوای گرم در زمستان و هوای خنک در تابستان - باید نمای اصلی رو به جنوب باشد. اگر چه نماهای جنوب شرقی و جنوب غربی آفتاب را بطور یکنواخت تر دریافت می کنند ولی در تابستان گرمتر و زمستان سردتر از نمای جنوب می شوند. دیوارهای شرقی و غربی درتابستان گرمتر و در زمستان سردتر از دیوارهای جنوبی ، جنوب شرقی و جنوب غربی می شوند[5] یافتن جهت گیری بهینه برای یک ساختمان و طراحی ساختمان با این جهت گیری میتواند منجر به صرفه جویی انرژی زیادی گردد.
میزان پتانسیل صرفه جویی انرژی از طریق جهت گیری بهینه، باتوجه به شرایط اقلیمی، کاربری ساختمان، مقاومت حرارتی پوسته ساختمان و غیره متفاوت است[6] در تمام نظریه ها ، جهت جنوبی بهترین جهت برای ساختمان معرفی شده است ولی در این نظریه ها تغییردمای هوا در ساعات مختلف روز و نیاز به حرارت آفتاب هنگام صبح و عدم نیاز به آن دربعداز ظهر و عصر مورد توجه نبوده و درانتخاب جهت ساختمان تاثیری نداشته است، لذا برای استفاده مطلوب از نور خورشید در ساختمان لازم است هم تاثیر حرارتی نور خورشید و هم تاثیر کلی از نظر تغییر دمای هوای داخلی نسبت به منطقه آسایش در نظر گرفته شود. بطور کلی در مناطق گرم و در عرضهای جغرافیایی کم، ساختمان باید در جهتی باشد که حداقل انرژی خورشیدی را در طول سال دریافت نماید. [7] در شکل زیر جهت ساختمان با توجه به اقلیم گرم و خشک نشان داده شده است.
کشیدگی ساختمان
یک عامل مؤثر دیگر در اقلیمی بودن ساختمان، نسبت طول به عرض بناست. می توان گفت بهترین نسبت کشیدگی، مقداری است که ساختمان در زمستان از حداکثر تابش خورشید برخوردار بوده و در تابستان حداقل حرارت را به خارج منتقل کند. [8] تغییر در کشیدگی ساختمان نه تنها باعث تغییر در مساحت اجزاء مختلف و کل پوسته حرارتی و در نتیجه نسبت سطح به حجم ساختمان میگردد و بدین شکل میزان اتلاف انرژی ساختمان را تغییر میدهد؛ بلکه مساحت جبهههای مختلف ساختمان با جهت گیری های مختلف را تغییر داده و لذا میزان انرژی تابشی دریافتی از طریق اجزای شفاف پوسته حرارتی را نیز تغییر میدهد.
بنابراین کشیدگی ساختمان، هم بر مصرف انرژی گرمایشی و هم بر مصرف انرژی سرمایشی ساختمانها اثرگذار است. کشیدگی ساختمان همچنین با ایجاد تغییر در عمق ساختمان، باعث تغییر در میزان نفوذ نور روز در فضاهای داخلی ساختمان میگردد و بدین صورت بر میزان مصرف برق مورد نیاز برای تامین روشنایی ساختمان اثر میگذارد. بر این اساس کشیدگی ساختمان یکی از عوامل موثر بر مصرف انرژی ساختمانها است.
[9] بررسی اثر کشیدگی ساختمان در محورهای مختلف بر مصرف انرژی ساختمانهای اداری اقلیم گرم و خشک نشان میدهد که ساختمان ها زمانی دارای کمترین میزان انرژی اولیه وانرژی کل هستند که طول جبهه جنوبی، سه برابر جبهه شرقی ساختمان باشد. دلیل این مساله این است که در این کشیدگی، سطح جبهه جنوبی ساختمان، به عنوان جبهه ای مناسب هم برای دوره گرمایش و هم برای دوره سرمایش، سه برابر سطح جبهه شرقی و غربی ساختمان، که نسبت به جبهه جنوبی نقشی منفی در مصرف انرژی ساختمان ایفا میکند، میباشد.
افزایش کشیدگی ساختمان بیش از این میزان، هرچند سطح جبهه جنوبی ساختمان به عنوان جبهه ای مفید را افزایش میدهد، ولی در عین حال باعث افزایش سطح پوسته حرارتی و افزایش اتلاف انرژی ساختمان میگردد. افزایش سطح جبهه جنوبی بیش از حد بهینه، همچنین منجر به دریافت انرژی تابشی در زمانی از دوره گرمایش میگردد که نیازی به وجود آن نبوده و یا منجر به افزایش جذب انرژی تابشی در دوره سرمایش میگردد که این جذب نقشی منفی ایفا نموده و باعث افزایش مصرف انرژی سرمایشی ساختمان میگردد.
تعداد طبقات
انتخاب تعداد طبقات برای یک ساختمان متاثر از عوامل متعددی همچون میزان تراکم مورد نیاز و یا مجاز در هر منطقه، شاخص سطح اشغال زمین و شرایط و ضوابط مربوط به این موارد در بافتی است که ساختمان در آن قرار دارد. تعداد طبقات بهینه از جنبه مصرف انرژی، فارغ از عوامل اصلی همچون اقلیم، نوع کاربری، زمان اشغال ساختمان و غیره؛ به عواملی همچون طول و عرض ساختمان بستگی دارد.
چراکه اثر کاهشی و یا افزایشی تعداد طبقات یک ساختمان بر فشردگی آن، به سطح زیربنای ساختمان بستگی دارد. در ساختمانهای اداری این اقلیم ، از نظر مجموع مصرف انرژی گرمایشی، سرمایشی و روشنایی و انرژی اولیه مورد نیاز ساختمان، داشتن دو طبقه حالت بهینه میباشد. اثر تعداد طبقات ساختمانها بر مصرف انرژی آنها اثری نسبتا پیچیده بوده و بستگی زیادی به اقلیم، کاربری و ساعات اشغال ساختمان دارد [10]
مساحت پنجرهها
از آنجا که مهمترین بخش بنا به منظور دریافت انرژی خورشید، پنجره است[11] و اندازه، تعداد، جهت و بصورت کلی ویژگی های پنجره ها تأثیر زیادی بر مصرف انرژی مصرفی ساختمان دارد - دی کی براون، - 1389 پس اهمیت بررسی این ویژگی روشن به نظر می رسد. پنجرهها در مقایسه با اجزای دیگر پوسته حرارتی ساختمان همچون دیوارها مقاومت حرارتی بسیار کمتری داشته و به دلیل شفافیت شان دریافت انرژی تابشی و همچنین روشنایی روز از طریق آنها اتفاق میافتد و لذا این عنصر ساختمانی مهمترین جزء ساختمان از نقطه نظر انرژی میباشد. [ 12] تابش آفتاب بر پنجره های ساختمان، تأثیر زیادی در تغییر دمای هوای داخل آن دارد؛ بویژه زمانی که آفتاب به طور مستقیم به داخل بتابد، تأثیر حرارتی پنجره بسیار بیشتر از دیوارهاست و فضای داخلی بلافاصله پس از دریافت پرتو مستقیم گرم می شود.[13]
دریافت انرژی تابشی خورشید از طریق پنجرهها در فصل گرمایش باعث تامین بخشی از انرژی حرارتی مورد نیاز و در نتیجه کاهش انرژی گرمایشی و در فصل سرمایش منجر به ایجاد گرمای اضافی در فضا و در نتیجه افزایش عمده انرژی سرمایشی برای جبران گرمای اضافی تولید شده در فضا می گردد. بدین ترتیب جذب گرمای خورشیدی در دوره گرمایش مفید و سودمند و در دوره سرمایش مضر میباشد. شفافیت پنجرهها همچنین باعث تامین بخشی از نور مورد نیاز فضا میگردد و این امر مصرف برق مورد نیاز برای روشنایی فضا را تحت تاثیر قرار میدهد.
استفاده از نور روز فارغ از کاهش نیاز به نور مصنوعی، کیفیت بیشتری نسبت به نور مصنوعی دارد. به این دلایل از نقطه نظر انرژی، پنجرهها از حیاتی ترین عناصر یک ساختمان هستند و مساحت پنجرهها و جهت قرارگیری آنها تاثیر قابل توجهی بر مصرف انرژی ساختمانها دارد. بنابراین استفاده از سطح مناسب پنجرهها در هر جهت، یکی ازمهمترین جنبههای بهره وری انرژی از طریق طراحی معماری است.[14]
نتایج مطالعات مربوط به سطح پنجرهها به طور خلاصه به شکل زیر است:
- مصرف انرژی ساختمانهای اداری با سطوح مختلف پنجره برای ساختمانهای با سایبان و بدون سایبان بطور قابل ملاحظه ای متفاوت است.
- برای ساختمانهای بدون سایبان، که نسبت سطح پنجره به دیوار در تمام جبهههای آنها یکسان است، سطح بهینه پنجره برای داشتن کمترین انرژی کل و انرژی اولیه به ترتیب 50 درصد و 30 درصد میباشد.
- برای ساختمانهای با سایبانهای متحرک خارجی و با نسبت مساوی سطح پنجره به دیوار در تمام جبههها، سطح بهینه پنجره برای داشتن کمترین انرژی کل و انرژی اولیه 60 درصد میباشد.
- پنجرههای جنوبی، بیشترین تاثیر را در کاهش نیاز به انرژی کل ساختمانها دارند. بنابراین ساختمانها میبایستی بیشترین سطح پنجره را بر روی این جبهه داشته باشند. نسبت حداقل سطح پنجره به دیوار برای پنجرههای جنوبی 60 درصد میباشد.
- برای اینکه ساختمانهای اداری کمترین میزان نیاز به انرژی کل و انرژی اولیه را داشته باشند، میبایستی نسبت سطح پنجرهها به نما در جبهه شمالی به ترتیب 20 درصد و 30 درصد باشد.
