مقاله روش های غیرفعال تعدیل دما در نورگیرهای گنبدی فضاهای آموزشی

بخشی از مقاله

چکیده

بار سرمایش و گرمایش بیش از حد نیاز ساختمان ها بستگی مستقیمی به رفتار حرارتی پوسته ساختمان با محیط خود دارد. در منطقه نیمه کوهپایه اي که ساعات آفتابی به بیش از 2800 ساعت در سال می رسد، نقش پنجره ها و نورگیر هاي سقفی در بالا رفتن دماي داخل ساختمان ها تعیین کننده است. در ساختمان هاي آموزشی که بار داخلی ساختمان به واسطه تردد و حضور افراد، تجهیزات آموزشی و اداري بالاست، محدوده آسایش افراد در ماههاي تابستان و در ساعات میانی روز تهدید شده و ناراحتی و عدم کارائی افراد را در پی دارد.

همچنین در بررسی میدانی از ساختمان هاي آموزشی مشاهده می شود که اتلاف انرژي در اثر جذب خورشیدي در تابستان بار سرمایش و به واسطه رسانائی سازه نورگیر، در زمستان بار گرمایش را افزایش می دهد. بنابر این، در طول روز نوسانات دمائی در داخل ساختمان از محیط پیرامون پیروي کرده و تنها در ابتداي صبح در محدوده آسایش قرار دارد. نورگیرها در این میان در تامین روشنائی داخلی فضاهاي مرکزي این ساختمان ها شناخته شده اند. حال آن که شیشه گذاري در این فضاها باعث جذب خورشیدي بیش از %75 شده و دماي محیط را بین 38 تا 46oc در تابستان افزایش می دهند. چالش بین تامین نور طبیعی و کنترل جذب خورشید در فضاهاي نورگیر داخلی کمتر مورد توجه بوده و به کارگیري سامانه هاي سرمایشی کمک چندانی به تامین شرایط آسایش در فضاهاي مجاور نمی کند.

در این پژوهش عملکرد حرارتی غیر فعال یک گنبد شیشه اي در یک فضاي آموزشی، با استناد از تاثیر موثر سایه بان ها در کاهش دماي داخل، در یک روش تحقیق شبیه سازي مورد بررسی کمی و کیفی قرار داده شده است. سپس میزان تاثیر آن به واسطه تهویه شبانه و جرم حرارتی قابل تعبیه در محل راهروي مرکزي مورد مطالعه قرار گرفته و نتایج با شرایط موجود مقایسه شده است. بررسی هاي آماري نشان می دهد که طراحی و اعمال اصلاحات غیر فعال در کالبد نورگیرها تا %38 از بار ساختمان و مصرف انرژي کاسته خواهد شد، اما محدوده آسایش و کارآمدي افراد تغییر نکرده بلکه بهبود می یابد.

-1 مقدمه

بخش قابل توجهی از انرژي ساختمان ها صرف گرمایش در زمستان و سرمایش در تابستان می شود. سطوح شیشه اي با تمام قلبلیت هاي که در تامین روشنائی دارند، لازم است تا در هر منطقه اي و متناسب با شرایط اقلیمی آن محاسبه و به کار گرفته شوند - مهر جردي ، . - 1389 این در شرایطی است که وجود مطالعات مرکز تحقیقات مسکن و ساختمان و ایجاد پهنه بندي اقلیمی براي ساختمان هاي مسکونی و آموزشی کماکان بسیاري از ساختمان هاي موجود و طراحی شده در سطح کشور، بدون توجه به عملکرد سطوح نورگذر به مرحله اجراء می رسند.

برخی از ساختمان ها بدون هیچ تغییر و تناسبی مستقیماً از کشورهاي اروپاي شمالی، کانادا و خاور دور و تنها به عنوان طرحی زیبا و قابل قبول در شهر ها ساخته می شوند. در مقایسه ساده اي با سازه هاي سنتی مشاهده می شود که جذب نورخورشید در تابستان در این گونه ساختمان بسیار ناچیز است و اتلاف حرارتی نیز به واسطه تاخیر حرارتی مصالح دیوار و سقف به حداقل رسیده است - مدي و همکاران، . - 1386 تامین هواي تازه از طریق فضاي زیر زمینی بوده و منابع گرمائی نیز در مرکز ساختمان قرار داده شده اند.

در ساختمان دانشکده معماري و شهر سازي- نمونه مورد مطالعه- با نورگیر گنبدي مرکزي، دماي هوا در تابستان بیش از حد تحمل بوده و در ساعات میانی روز تیرماه امکان کار و تمرکز در اتاق اساتید و اداري غیر ممکن است. از این رو، طرح موضوع بررسی عملکرد نامناسب حرارتی نورگیرهاي سقفی شیشه اي درفضاهاي آموزشی و در اقلیم هاي گرم مهم تلقی شده و ساختمان دانشکده معماري و شهرسازي در شهر قزوین به عنوان نمونه موردي انتخاب شده است. سپس از طریق نتایج مطالعات نیز طرح بهبود یافته اي نیز براي آن پیشنهاد کرد.

-2 روش تحقیق

در این پژوهش روش تحقیق مطالعه موردي است چنان که در دو بخش شناخت موضوع به شکل اسنادي و تحلیل محتوي، جهت شناخت متغیر هاي مستقل و وابسته و همبستگی آنها الزامی است. در بخش تعیین راهکار به شکل شبیه سازي و تحلیل کمی انجام شده است. ابزار مورد استفاده در بخش اسنادي فیش برداري و در بخش شبیه سازي و تحلیل داده ها استفاده از نرم افزار اکوتکت1 نسخه 2012 می باشد. داده هاي آب و هوائی وارد شده در نرم افزار با فرمت wea جهت استفاده ایجاد شده است.

-3 سئوالات و فرضیات تحقیق

با توجه به اهداف پژوهش و مطالب بیان شده در بخش هاي پیشین، پرسش اصلی تحقیق آن است که:

-1 نقطه تعادل بین عملکرد حرارتی و زیبائی فرمی یک نورگیر شیشه اي در یک فضاي آموزشی کجاست؟

-2 چگونه می توان از طریق تعبیه سایبان ها انرژي مصرفی سرمایشی سالانه ساختمان را کاهش داد؟ در کنار این پرسش و براي دستیابی به پاسخ مناسب، پرسش هاي فرعی نیز مطرح می شود که به شرح ذیل به برخی از آنها اشاره می شود:

•    ارتفاع و جداره مناسب براي ایجاد نورگیر هاي سقفی در اقلیم گرم و نیمه خشک کدام است؟

•    تا چه اندازه دماي فضاي زیر و مجاور نورگیر به شکل غیر فعال کاهش می یابد؟

•    تا چه اندازه می توان اتلاف حرارتی را در زمستان کاهش داد؟

•    میزان تعویض هوا در این نوع فضاهاي آتریومی چقدر است؟ نظر به مطالب بیان شده، ماهیت تحقیق و حوزه هاي مرتبط آن، در این پژوهش فرضیه به شکل زیر بیان می شود:

•    به واسطه تعبیه سایبان هاي خارجی محاسبه شده، می توان جذب حرارتی نورگیر گنبدي و بار سرمایش را در تابستان کاهش داد.

•    ایجاد تهویه شبانه می تواند میزان دماي تابشی غیر مستقیم و بار سرمایش را کاهش دهد.

•    جرم حرارتی کافی در اطاف نورگیر می تواند افزایش دماي هوا را به نتاخیر انداخته و بار سرمایش را کاهش دهد.

-4 سوابق موضوعی تحقیق

1-4 ساختمان هاي آتریومی و عملکرد حرارتی

درست در زمانی که بسیاري از دستاورد هاي معماران مدرن دهه بیست میلادي به واسطه بحران نفت و مشکلات اقتصادي در حال فراموشی بود، گروهی از معماران تلاش نمودند تا با استفاده از فناوري جدید در تولید شیشه و سازه هاي پیشرفته، رابطه بین معماري و محیط را با توجه کاهش مصرف انرژي بهبود بخشند. نتیجه تلاش معمارانی همچون گونار بیرکرتس2، سزار پلی3، آنتونی لومسدن4 و کوین روش5 پدید آمدن بناهاي شیشه اي جدیدي مانند ساختمان آي بی ام در نیویورك - - 1961-1957 ، دانشکده بیمه - 1969 - و آزمایشگاه تحقیقاتی شرکت تلفن بل - - 1962 -1957 بود. در معماري ایشان گاهی گرایش محیطی صرف، گاهی توجه به قابلیت هاي مصالح و گاه ترکیبی از هردو دیده می شد.

در این زمان طراحان به آتریوم به عنوان عنصر نگهدارنده انرژي در ساختمان نگریستند که از آن جمله می توان به ساختمان شوراي شهر تنسی والی6، مجتمع اداري چاتونوگا7 و ساختمان اداري ایالتی گریگوري بیتسون در ساکرامنتو8 اشاره نمود - - Abdullah et al,2009 و شکل شکل - 1 آتریوم ها مکان براي تعاملات اجتماعی و فعالیت هاي تجاري و نمایشگاهی فناوري که در این راه مورد استفاده قرار می گرفت، معماران را در سه دسته متمایز هدایت می نمود: کنترل محیطی، قابلیت هاي ساختمانی و سازه اي وایجاد نماهاي زیبا و فضاهاي ایهام دار با استفاده از شیشه هاي رنگی و مات. این کوشش ها براي ایجاد کنترل محیطی با به کارگیري شیشه منتهی به ایجاد فرم هاي متنوعی شد که ساده ترین وتاثیرگذارترین کار، پوشاندن سقف حیاط هاي مرکزي، ایجاد فضاهاي آتریومی با ویژگی نگهداري حرارت بود.

تجربه و دانش مهندسان در این دوران باعث شد تا فضاهاي آتریومی خورشیدي9 همراه با دیوارهاي تعدیل کننده اقلیمی10 و جمع آوري کننده انرژي11پدید آید که همگی آنها متکی به ویژگی هاي شیشه بود. بیشترین گرایش به استفاده از آتریوم هاي خورشیدي را می توان در بین کشورهاي سردسیر جستجو کرد. زیرا که در کشورهاي اروپا و آمریکاي شمالی، وجود خیابانهاي محافظت شده با سقف هاي شیشه اي و محوطه سازي هاي زیبا، در تمام طول فصول سرد و نامناسب، مکانهاي جذاب و راحتی بودند - . - Gritch, 2006

در آتریوم نسبت به حیاط مرکزي، بهره گیري از خورشید در زمستان، ایجاد سایه اندازي در تابستان، تهویه پیش گرم شده و کاهش اتلاف حرارتی در زمستان به نحو موثرتري پدید می آید. از این رو در آتریوم جذب تابش و تبدیل گرما و توزیع آن در محیط سریعتر رخ می دهد و امکان صرفه جوئی درتهویه پیش گرمایشی و انعطاف پذیري بیشتري نسبت به تغییرات محیطی وجود دارد - . - Ayoob,1999 در واقع با ایجاد یک پوشش شیشه اي براي حیاط مرکزي فضاهی گرمخانه اي پدید می آید که میزان ماندگاري حرارت در طول شبانه روز نسبت به حیاط مرکزي کاملا متفاوت بوده و بر رفتار ایستاي حیاط مرکزي تاثیر محسوسی رخ می دهد. این تغییر حالت به شکل نحوه تغییر دما در ارتفاع نورگیر و کاهش نوسان دما نسبت تغییرات دماي بیرون بروز می کند - . - Baker et al,2000

برخی عوامل کلیدي موثر درقابلیت آتریوم به عنوان یک منبع گرمایشی ایستا، ساختار شیشه گذاري، سطح عایقکاري و نوع شیشه استفاده شده، نوع آتریوم و ظرفیت حرارتی آن است. در آتریوم نوع مرکزي توانائی براي واسطه حرارتی بودن بیشتر است زیراکه با بخش هاي بیشتري از ساختمان در تماس بوده و توزیع گرمایش در زمستان به نحو بهتري انجام میشود. مطالعات پارامتریک نشان میدهد که در یک آتریوم خطی که داراي شیشه گذاري شمالی و جنوبی عمودي است براي رسیدن به گرمایش مناسب به %50 انرژي خورشیدي کمتري نسبت به سایر انواع دیگر نیاز دارد. به هر حال احداث فضاي شیشه اي براي ایجا آتریوم نباید از هزینه صرفه جوئی انرژي در طول سال یا دوره تعیین شده بیشتر باشد.

تغییرات دماي سطوح شیشه اي بزرگ آتریوم باید مراقبت شوند زیراکه تقویت کننده جریان هاي هوائی گرم هستند. در زمستان اختلاف بین دماي بین آتریوم و سطح شیشه اي ممکن است که از 4 درجه تجاوز کند و این باعث کشش جریان هوا و چرخش هواي سرد در کف آتریوم گردد. براي ممانعت از این پدیده اي باید سطح شیشه را گرم نگه داشت و یا از پوسته دو گانه استفاده نمود. همچنین باید دانست که قاب هاي نگهدارنده شیشه ها %30 از شدت تابش خورشید را کاهش می دهند. سامانه هاي تاسیساتی نیز باید قادر باشند تا آتریوم را در حات تعادل دمائی نگه دارند. لوتر براي این کار لازم دانسته است که تاسیسات گرمایش و سرمایشی به طور دو منطقه اي و تک منطقه اي آتریوم را حمایت کنند . - Atif, 1991 -