بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
نگرشي بر معماري اقليمي در مناطق مسکوني استان گيلان با رويکرد پهنهبندي درجه ـ روزهاي نياز به سرمايش و گرمايش
چکيده
معماري همساز با اقليم که در آن غالب... به چگونگي مصرف بهينه انرژي در جهت ايجاد آسايش دمايي براي انسانها پرداخته ميشود، مهيا نخواهد شد مگر اينکه در ابتداي امر، الگوي اقليم منطقه بر اساس مدل هاي علمي به درستي شناسايي و تحليل گردد و با تشريح نتايج بدست آمده از آن براي معماران ، طراحان و ساير افرادي که در ساخت بناها نظارت مستقيم و يا غيرمستقيم دارند، به الگوي معماري متناسب با اقليم منطقه دست يافت . تنها در اينصورت است که ميتوان گفت براي مناطق با شرايط آسايشي متفاوت چه روش هايي را ميتوان بهکار برد تا مصرف انرژيهاي تجديدناپذير به درستي کاهش يافته و جلوي هزينههاي سرسام آور را بگيرد. با اين رويکرد در پژوهش حاضر به ارزيابي شرايط اقليمي استان گيلان با استفاده از مدل محاسباتي دکتر علي خليلي پرداخته شد که در آن مقدار متوسط درجه ـ روزهاي سرمايش (CDD) و گرمايش (HDD) براي هر يک از ماه هاي سال بر اساس ميانگين ماهانه دما در يک دوره آماري ١١ ساله (١١ – ١٧٣١) و براي ٢٢ ايستگاه هواشناسي تبخيرسنجي در سطح منطقه مورد مطالعه برآورد گرديد. بهطوريکه ايستگاه هاي منجيل (١٢٧١) و شاه شهيدان (٧٧١١) به ترتيب کمترين و بيشترين مقادير HDD سالانه را کسب نمودند. در مورد CDD بايد گفت که اغلب ايستگاه ها در شرايط مطلوب آسايشي قرار داشته و مقدار آن بين صفر تا ٢١٢ درجه ـ روز در طي ماه هاي خرداد، تير و مرداد در نوسان بوده است . سپس با پردازش داده هاي بدست آمده در نرم افزار ٩.٣ ArcGIS، نقشههاي پهنهبندي سالانه درجه ـ روزهاي نياز به سرمايش و گرمايش در سطح گيلان بدست آمد. نتايج بيانگر وجود چهار اقليم زمستاني... «نسبتا... سرد»، «نيمه سرد»، «سرد» و «بسيار سرد» و همچنين دو اقليم تابستاني... «ملايم » و «معتدل » براي استان گيلان ميباشد.
واژگان کليدي: پهنهبندي اقليمي، درجه ـ روز، سرمايش و گرمايش ، آسايش دمايي، استان گيلان
١- مقدمه
در عصر حاضر با رشد لجام گسيختۀ شهرنشيني، فعاليت صنايع سنگين و کارخانجات ، انتشار گازهاي گلخانهاي، ظهور تغييرات آب وهوايي و بالا رفتن دماي سطح زمين ، نياز به مصرف انرژي براي تنظيم دماي ساختمان ها و ايجاد آسايش دمايي را بهطور سرسام آوري افزايش داده است . از اينرو در طي دهههاي آينده سياست هاي مرتبط با مقوله انرژي، بقاي سياره زمين و کيفيت زندگي ساکنانش را تعيين خواهند کرد. اگر نتوان با رشد شهرنشيني مقابله کرد ميتوان با بهکارگيري فناوريهاي نو و الگوهاي مصرف بهينه انرژي در ساختمان ها و متناسب با نوع اقليم منطقه، از هدررفت آن تا حد زيادي جلوگيري بعمل آورد. طرح هاي معماري بدون توجه به ويژگيها و عوامل اقليمي و آب وهوايي منطقه، ناقص و پرهزينه خواهد بود[١]. اهم...يت تأثير نوع اقليم بر طراحي ساختمان ، لزوم بررسي و تحقيقات جامعي را در اين زمينه ايجاب کرده است . بايد داده ها و مدل هاي اقليمي به منظور چگونگي استفاده از انرژي ساختمان مورد توجه قرار گيرند. از اينرو صحت و دقت ظرفيت طراحي، بازده طراحي و محاسبات مربوط به انرژي ساختمان ، به کيفيت داده ها و اطلاعات اقليمي بستگي دارد. با توجه به آنکه نوع شرايط هواي بيرون از ساختمان (ميزان دما، رطوبت ، جهت و ميزان وزش باد) تأثير زيادي بر تعيين بارهاي گرمايشي و سرمايشي و ميزان انتقال حرارت ساختمان يا انتقال حرارت بيرون دارد، لذا لزوم استانداردسازي اين شرايط و تعيين شرايط استاندارد شده هوا براي تک تک شهرها و مناطق مختلف ايران داراي اهم...يت ويژه اي است [٢]. يکي از مباحث مهم در آب وهواشناسي کاربردي، زيست اقليم شناسي يا بيوکليماتولوژي است که امروزه خود به صورت شاخهاي مستقل در آب وهواشناسي مطرح ميباشد.
بيوکليما در واقع وضعيت آب وهوا در رابطه با موجودات زنده و بويژه انسان را مورد بررسي قرار ميدهد. از مسائل حائز اهميت در مطالعات زيست اقليم شناسي، بحث آسايش انسان در فضاي آزاد و فضاي داخل ساختمان با توجه به پارامترهاي اقليمي است . اين موارد قسمتي از مبحث بزرگتري در اقليم شناسي کاربردي تحت عنوان اقليم و محيط هاي مسکوني يا معماريهاي همساز با اقليم ميباشد[٧].
٢- مروري بر ادبيات تحقيق
٢-١- سوابق تحقيق
از جمله مطالعاتي که به مقوله نيازهاي سرمايشي و گرمايشي مناطق پرداخته و آنرا به عنوان يکي از پارامترهاي مهم در حيطه معماري همساز با اقليم قلمداد نموده اند، ميتوان به مطالعات ايتون (١١٣١) ، گيوني (١١١٧، ١١٣١ و ١١١٣)، اولگي (١١٣٧)، گريفيتس (١١١١)، همفري (١١١٢)، بيکر(١١١٢)، سينگ (٢١١٢ و ٢١١٣) و ... اشاره نمود. در ايران نيز ميتوان به مطالعات ارزشمند رياضي (١٧١١) ، رازجويان (١٧١٣) ، کسمايي (١٧٣٢) ، خليلي (١٧٣١) ، فرجي و همکاران (١٧١٣) به عنوان اولين فعاليتهاي پژوهشي در اين زمينه اشاره نمود. بهطوري که کسمايي (١٧٣٢) نقشه پهنهبندي اقليمي را براي سراسر ايران با روش گيوني محاسبه و ترسيم نمود. خليلي (١٧٣١ و ١٧١٧) تحليل سهبعدي درجه ـ روزهاي گرمايش و سرمايش در گستره ايران را مورد بررسي قرار داده و نقشههاي نياز سالانه گرمايش و سرمايش را ترسيم نمود. همچنين فرجي و همکاران (١٧١٣) درجه ـ روزهاي نياز به گرمايش و سرمايش منطقه آذربايجان را در محيط سيستم اطلاعات جغرافيايي پهنهبندي نمودند. ذوالفقاري و همکاران (١٧١١) نيازهاي سرمايشي و گرمايشي در شمال غرب ايران را بررسي نمود.
ابراهيمي و همکاران (١٧١١) ميانگين مجموع درجه ـ روزهاي گرمايش و سرمايش را در قلمرو ايران محاسبه نمودند. کريمي امير کياسري و هرمزان (١٧١٢) شرايط اقليم آسايش گردشگري در منطقه شرق گيلان را با محاسبه مقدار نياز سالانه سرمايش و گرمايش انجام و ماه هاي مناسب جهت عاليتهاي گردشگري را مشخص نمودند[٢].
٢-٢- اقليم آسايش ١
منظور از آسايش حرارتي مجموعه شرايطي است که از نظر حرارتي حداقل براي ١١ درصد از مردم مناسب باشد؛ به عبارت ديگر انسان تحت آن شرايط ، نه احساس سرما و نه احساس گرما ميکند. حالت خنثي بودن حرارتي ، تعبير ديگر آن است [١]. آسايش حرارتي شرايطي از ادراک است که در آن محيط پيرامون از لحاظ حرارتي رضايت بخش باشد. طبق تعريف شرايط آسايش حرارتي محدوده اي است از دما و رطوبت که در آن ساز و کار تنظيم حرارت بدن در حداقل فعاليت باشد[١]. تعيين محدوده آسايش حرارتي بر محاسبات طراحي ساختمان ، اندازه دستگاه هاي حرارتي و برودتي و ضخامت عايق و جنس مصالح و بهطور کلي بر ميزان مصرف و اتلاف انرژي تأثير مستقيم دارد و با توجه به اينکه افراد در شرايط اقليمي يکسان ، احساس آسايش دمايي مشابهي دارند، لازم است که براي هر منطقه اقليمي، محدوده آسايش حرارتي بهطور دقيق مشخص شود[٣]. همچنين بايد اضافه نمود که يکي از اهداف و اثرات اصلي تحقيق و پژوهش در زمينه پهنهبندي اقليم مناطق از حيث آسايش دمايي براي انسانها، مشخص کردن چگونگي استفاده و بهره برداري... بهينه از انرژيهاي فسيلي و جلوگيري از اتلاف و هدررفت آنها در ساختمانهاست . از اينرو عدم توجه به اين مسئله ميتواند به افزايش مصرف سوخت هاي تجديد نشدني، آلودگي بيشتر محيط زيست ، تحميل هزينههاي بيشتر به خانوارها به دليل هدررفت انرژي گرمايش و سرمايش در فراهم کردن دماي آسايش و موارد ديگري نظير اينها بينجامد.
از سوي ديگر جهت تدوين مقرارت و قوانين به منظور بالفعل نمودن پتانسيلهاي صرفهجويي و بهينه نمودن وسايل گرمايش ، نياز به بررسي آماري از چگونگي مصرف و نوع اين وسايل ميباشد و اين حاصل نمي شود مگر آنکه يک تقسيم بندي اقليمي منطقي و صحيح از وضعيت آب وهوايي مناطق تهيه شود. در اولين گام ميبايست مناطق موردنظر از نظر آب وهواي زمستاني اقليم بندي شود[١] .
٢-٣- معماري اقليمي
معماري اقليمي همان طراحي ساختمان است که در آن آسايش انسان فداي زيبايي... ساختمان نشود. گيوني، وظيفۀ يک طراح را ايجاد بهترين شرايط ممکنه در فضاي داخلي ساختمان ميداند. يک معمار بايستي به ويژگيهاي ساختمان جهت رسيدن به شرايط دمايي و آسايش اقليمي در داخل ساختمان توجه شاياني نمايد. بنابراين طراحي اقليمي، راهکاري جهت دستيابي به آسايش حرارتي است که استفاده از وسايل مکانيکي گرمايشي و سرمايشي و مصرف انرژي و سوختهاي فسيلي و در نتيجه آلودگيهاي شيميايي و صوتي را به حداقل ممکن کاهش دهد. همچنين کسمايي (١٧١١) طرح اقليمي را چنين بيان ميدارد: طرحي است که بتواند ضمن هماهنگي با محيط پيرامون خود و بهره گيري هرچه بيشتر از نيروهاي طبيعي موجود در محل ، حتيالامکان محيط طبيعي مناسبي براي استفاده کنندگان ايجاد نمايد. در يک طرح معماري همساز با اقليم ، امتداد پلان ساختمان ، جنس مصالح ، رنگ مصالح ، شکل بام ، ابعاد موقعيت پنجره ها، شکل و اندازه سايهبام ها در رابطه با شرايط اقليمي... محل ، طراحي ميگردند. يک معمار به تنهايي نميتواند طرحي ايجاد نمايد که همه جنبههاي آسايشي انسان را فراهم نمايد، لذا ضرورت مطالعات اقليم شناسان جهت ارائه راهکارهاي لازم به معماران در طراحي اقليمي ضروري است . عليجاني (١٧٣٧) مينويسد: وظيفه آب وهواشناسان جمع آوري داده ها، تنظيم آنها به منظور تعيين نوع آب وهواي حاکم بر محل و توصيههاي مناسب در زمينه فعاليت هاي انساني مطلوب و سازگار با آن شرايط مي باشد[١]. بهره گيري از پتانسيل هاي طبيعي در جهت تأمين نيازهايي از قبيل گرما، سرما و تهويه مطبوع براي ايجاد شرايط آسايش انسان در فضاهاي مسکوني سالهاست که مورد توجه معماران بوده و مهمترين اصول معماري پايدار نيز بر همين اصل استوار است . با نگاهي به بناهاي قديمي که هماهنگي ميان طبيعت و معماري در آن لحاظ شده است در مييابيم که معماري با ارزش باقيمانده از دوران گذشته به سبب عدم دستيابي به تکنولوژي روزآمد بر عواملي همچون مسائل آب وهوايي فائق آمده و بناهايي همخوان با اقليم و فرهنگ خاص منطقه را آفريده و در مقابله با محدوديت ، خلاقيت آفريده است ولي امروزه تمام خلأهايي که بهواسطه زيباسازي و دستيابي به انواع تجهيزات مکانيکي و الکتريکي جهت سرمايش و گرمايش ساختمان به کار گرفته شده اين مهم به دست فراموشي سپرده شده است [١١] .
اما متأسفانه ميتوان به جرأت گفت که در شهرنشينيهاي امروزه نه تنها در محدوده مطالعاتي پژوهش حاضر به ارتباط بين سه مقوله مهم «اقليم منطقه»، «معماري و ساخت بناها» و «چگونگي مصرف بهينه انرژي» توجهي نميشود، بلکه در ساير مناطق هم اين وضعيت بوضوح ديده ميشود.
ليکن معماري بنا در اغلب نواحي کشور عزيزمان عمدتا... بدون توجه به ويژگيهاي اقليمي و سازگاري با آن و عموما... برحسب زيبايي ظاهري بنا و يا کاهش هزينه تمام شده ساخت ، شکل ميگيرد. اگرچه در طي سالهاي اخير فعاليتهايي از قبيل توليد پنجره هاي دو جداره ، عايق رطوبتي کف و سقف و مواردي نظير اينها جهت کاهش مصرف انرژي در ساختمان توسط بخش خصوصي توليد شده ، اما بسيار محدود بوده و فراگير شدن آن به راحتي امکانپذير نيست . اکنون که ساخت وساز واحدهاي مسکوني، بلندمرتبهسازي و آپارتمان نشيني در اغلب شهرهاي کشورمان روند پرشتابي را تجربه مي کند، ميبايست معماري و طراحي بناها با ويژگيهاي اقليم مناطق همسو گردد.
٢-٤- درجه ـ روزهاي سرمايش و گرمايش
انحراف ميانگين درجه حرارت روزانه از درجه حرارت آسايشي انسان (دماي آستانه)، درجه ـ روز ناميده ميشود[١١]. در بالاتر از دماي آستانه که در اغلب منابع منتشر شده بين ١١ تا ٢١ درجه سانتيگراد معرفي شده است ، نياز به سرد کردن محيط و در پايين تر از آن نياز به گرم کردن محيط که به ترتيب نيازهاي سرمايشي ١ (CDD) و گرمايشي ٢ (HDD) ناميده ميشود، مشاهده ميگردد.
درجه ـ روزهاي سرمايش و گرمايش ، از جنبه هاي مختلف ، شاخصي مهم و مؤثر قلمداد ميشود. اين شاخص ميتواند ضمن ارائه تصويري روشن و دقيق از ميزان نيازهاي حرارتي ساختمان ، شهر و منطقه، در تأمين آسايش حرارتي و اصلاح الگوي مصرف انرژي نيز نقش مثبتي ايفا کند[١١] برآورد و محاسبه مقادير ميانگين درجه ـ روزهاي نياز به گرمايش و سرمايش به عنوان اطلاعات پايه و اصلي در برآورد مقدار انرژي مورد نياز جهت گرم کردن ساختمان در فصل سرد و يا سرد کردن آن در فصل گرم سال و در نتيجه مورد استفاده برنامهريزان مصرف انرژي است . اين مقادير، تابع عوامل مختلفي از جمله عناصر اقليمي (دما، تابش ، ابرناکي و ...) و عوامل جغرافيايي (طول و عرض جغرافيايي، ارتفاع و ...) ميباشد. بر اساس مطالعات انجام شده در ايران ، نياز به سرمايش در فصل گرم سال به ازاء هر کيلومتر ارتفاع ١١١ درجه ـ روز کاهش مييابد، اثر طول جغرافيايي ناچيز و از غرب به شرق در حدود ١٣ درجه ـ روز، ولي اثر عرض جغرافيايي بسيار مهم و حدود ١٢١ درجه ـ روز به ازاء هر درجه عرض جغرافيايي به سمت شمال کاهش مييابد، و مقدار نياز به گرمايش به ازاء هر کيلومتر افزايش ارتفاع ١٣١ درجه ـ روز افزايش يافته و به ازاء هر درجه افزايش عرض جغرافيايي ١١١ درجه ـ روز زياد ميشود[٧] . به منظور صرفهجويي در مصرف انرژي ناشي از سيستم هاي گرمايشي و سرمايشي و تهويه مطبوع لازم است که ميزان HDD و CDD در روزهاي مختلف يک سال از روي ميانگين هاي ماهانه دما، برآورد شده و سپس جمع نياز به درجه ـ روزهاي سرمايش و گرمايش سالانه محاسبه شود[٢]
٣- تکنيک تحقيق
٣-١- محاسبه درجه ـ روزهاي گرمايش و سرمايش
در پژوهش حاضر بهمنظور مدل سازي اقليمي در منطقه مورد مطالعه و بررسي نيازهاي انرژي پايه سرمايش و گرمايش در مناطق مسکوني از روش محاسباتي دکتر خليلي بهره برداري شد که در زير به شرح مختصري از چگونگي محاسبه آورده شده است :
مقدار... نياز به گرم کردن محيط در دورة سرد سال (گرمايش ) و سرد کردن محيط در دوره گرم سال (سرمايش ) برحسب تعريف «جمع تفاضل هاي ميانگين روزانة دما از يک آستانه معين در دوره مشخصي از سال است » که بر مبناي درجه ـ روز بيان ميشود. آستانههاي دمايي با توجه به نوسان دما در طي شبانهروز بين ١١٨٧ درجه تا ٢٧٨١ درجه سانتگيراد متغير ميباشد. اگر متوسط دماي يک روز از ٢٧٨١ درجه تجاوز کند، نياز به خنک کردن محيط است و اگر متوسط دماي روزي از ١١٨٧ درجه کمتر باشد، نياز به گرم کردن محيط بوجود ميآيد[١٢] . ميزان نياز گرمايشي و سرمايشي در يک منطقه (انرژي پايه) در دوره معين N روزه و بر حسب درجه ـ روز به ترتيب بر اساس روابط (٢) و (٧) محاسبه ميگردد. لازم به ذکر است که در پژوهش حاضر بدليل موانعي از قبيل پرحجم بودن و هزينهبر بودن و وقت گير بودن محاسبه ميزان متوسط HDD و CDD بر اساس داده هاي روزانه دماي هوا در يک دوره اقليمي طولانيمدت ، از ميانگين هاي دماي متوسط ماهانه ايستگاه هاي هواشناسي موردنظر استفاده شده است .
که در اين رابطه: D = شمارٔە روز اقليمي از اول ماه فروردين ، Ti = ميانگين ماهانه دما، di = شماره روز ميانه ماه ، = دماي متوسط روز در فاصله يک تا ٧١١ روز سال . همچنين در رابطه (١) شرايط زير برقرار است :
در روابط (٢) و (٧) ميبايست شرط هاي برقرار باشد. ( مقادير دمايي آستانه ميباشند که به ترتيب برابرند با ١١٨٧ و ٢٧٨١ درجه سانتيگراد).
٣-٢- طبقه بندي اقليمي بر اساس نيازهاي حرارتي محيط
دکتر خليلي، طبقهبندي اقليمي را با توجه به استان هايي از گرمايش و سرمايش ، به عنوان مرزهاي اقليمي انجام داده اند که براي انتخاب آن مرزهاي اقليمي، از داده هاي شبکههاي سينوپتيک قديمي ايران از شماليترين مناطق تا جنوبيترين آن ، استفاده نموده اند. در اين تقسيم بندي، نگرش هاي ماهاني و گيوني در مبحث اقليم و ساختمان نيز ملحوظ بوده اند. دکتر خليلي مناطق مختلف را از دو ديدگاه اصلي و يک ديدگاه فرعي، هويت يابي اقليمي نموده اند که به شرح زير است :
١. لايههاي اقليمي معرف نياز به انرژي گرماساز در فصول سرد سال (جدول شماره ١) ؛
٢. لايههاي معرف ميزان نياز به انرژي سرماساز براي ايجاد برودت در فصول گرم سال (جدول شماره ١) ؛
٧. لايههاي معرف رطوبت هوا (جدول شماره ٢).
با توجه به اينکه رطوبت نسبي در تابستان ها و فصول گرم داراي تأثير بيشتري از زمستانهاست ، لذا براي عامل R در جدول شماره (٢) ، ميانگين رطوبت نسبي تابستان اختيار شده است (خليلي، ١٧١٧). براساس جداول شماره (١) و (٢)، طبقهبندي اقليمي نيازهاي حرارتي محيط با فرمول کلي بيان ميشود که در آن :
٤- منطقۀ مورد مطالعه و داده هاي مورد نياز
منطقۀ مورد مطالعه در پژوهش حاضر، استان گيلان است که با مساحت تقريبي ١٢١٢٢ کيلومتر مربع در ناحيه شمالي کشور ايران و بين مختصات جغرافيايي ’٧٧ °٢١ الي ’٧١ °١١ طول شرقي و ’٧٢ °٧١ الي ’٢١ °٧١ عرض شمالي قرار دارد. مهمترين داده اقليمي موردنياز در پژوهش حاضر، ميانگين دماي ماهانه ٢٢ ايستگاه هواشناسي تبخيرسنجي مستقر در پهنه استان گيلان ميباشد که طول دوره آماري در نظر گرفته شده براي آنها به دلايل برخي محدوديت هاي موجود، ١١ ساله (١١ - ١٧٣١) انتخاب شد. از اينرو ميانگين دماي ماهانه هر يک از ايستگاه ها به دقت بررسي و براي سالهايي که برخي از ايستگاه ها فاقد آمار دما بودند با استفاده از روش تفاضل ها به بازسازي داده ها پرداخته شد. در اين روش ايستگاه هايي که داراي اطلاعات ناقص بودند بر اساس اطلاعات نزديکترين ايستگاه هايي که تشابه آب وهوايي با هم داشتند، اطلاعات شان کامل شد. شکل شماره (١) موقعيت جغرافيايي استان گيلان و پراکنش ٢٢ ايستگاه تبخيرسنجي مورد مطالعه را در تقسيمات کشوري نشان ميدهد.
