مقاله تحلیل الگوی آتریوم ، دیوار ترومب و گلخانه خورشیدی در بهینه سازی مصرف انرژی

بخشی از مقاله

تحلیل الگوی آتریوم، دیوار ترومب و گلخانه خورشیدی در بهینه سازی مصرف انرژی

چکیده

یکی از بهترین منابع تجدید شونده انرژی، برای تامین انرژی در دهه های آینده، انرژی خورشیدی است. بهره گیری از انرژی خورشیدی میتواند با استفاده از انواع سیستم های غیرفعال و فعال صورت گیرد. سیستم های غیر فعال خورشیدی به سیستم هایی اطالق میگردد که انرژی خورشیدی را، بدون استفاده از تجهیزات انرژی بر، نظیر پمپ یا کنترل کننده، جمع آوری و ذخیره میکنند تا در زمان مناسب مورد استفاده قرار گیرد . با این شیوه، مصرف انرژی اجزای مختلف یک ساختمان به حداقل میرسد. روشهای متعددی در زمینه ی استفاده از انرژی خورشیدی به صورت غیرفعال وجود دارد که برخی از آنها عبارتند از: پنجره آفتابی، روش گلخانه خورشیدی، دیوار ترومب و دیوار آبی، آتریوم ها، حوضچه روی بام. در این مقاله متداولترین روش ها در استفاده از انرژی خورشیدی به صورت غیرفعال که شامل الگوی آتریوم ها، دیوار ترومب و گلخانه خورشیدی میباشد تحلیل شده و برای هر کدام نمونه ای معرفی و بررسی میشود. روش تحقیق توصیفی-تحلیلی بوده تا با شناخت بهتر بتوان از این تکنیک ها در طراحی های نوین نیز به بهترین نحو بهره برد.

واژگان کلیدی: انرژی خورشیدی، سیستم های غیر فعال، آتریوم، دیوار ترومب، گلخانه خورشیدی.

مقدمه
انرژی جایگاه ویژه ای در زندگی بشر دارد و به طور کلی آینده حیات موجودات در تمام ابعاد به آن وابسته است. در حال حاضر روش های تامین، تولید و مصرف انرژی به گونه ای است که حتی در میان مدت، امکان مانایی روند کنونی ممکن نیست. فرآیند توسعه زندگی انسان بعد از انقالب صنعتی منجر به افزایش استفاده از انواع انرژی ها شده است که اغلب آنها نیز تجدید ناپذیر میباشند. اداره ی اطالعات انرژی )EIA( در گزارشی به نام "دورنمای بین المللی انرژی" اظهار میکند که بین سالهای 5891 تا 5001 از کل انرژی های مصرف شده در جهان %95 فسیلی، %7 اتمی و تنها %55 تجدیدپذیر بوده است. از طرف دیگر در یک نگاه کلی از کل انرژی های مصرفی در جهان %89 در ساختمان ها، %51 در صنعت و کشاورزی و %57 در حمل و نقل مصرف میشود. در کشور ما ایران نیز سهم ساختمان ها در مصرف انرژی حدود %84 میباشد. -5-

جدول -1 مقایسه شاخصه های مصرف انرژی در بخش های مختلف جهان و ایران -5-
مصرف انرژی ساختمان صنعت و کشاورزی حمل و نقل
جهان %84 %52 %52
ایران %84 %52 %54

با توجه به مصرف باالی انرژی در ساختمان ها، باید در جهت جلوگیری از مصرف سوخت های فسیلی اقدامات اساسی صورت گیرد . صرفه جویی در مصرف انرژی، در سطوح مختلف شهرها باید از طریق برنامه ریزی در مراحل طراحی، ساخت و بهره برداری ساختمان ها در نظر گرفته شود. یکی از راه حل های مطرح شده بهره گیری از منابع تجدیدپذیر در ساختمان ها میباشد که قابلیت تولید زیاد انرژی و عدم آلودگی محیط زیست را دارند. بنابراین کاهش مصرف انرژی های تجدید ناپذیر و بهره وری از انرژی های تجدیدپذیر را باید در راس عناصر تاثیرگذار بر طراحی ساختمان ها قرار داد. در میان منابع انرژی تجدیدپذیر که شامل انرژی باد، جزر و مد، زمین گرمایی، خورشید و زیست توده میباشد، انرژی خورشیدی، یکی از بهترین منابع برای تامین انرژی در دهه های آینده است. -5- در ایران نیز، بهره گیری از انرژی خورشیدی با توجه به متوسط تابش خورشید که حدود 1 کیلووات ساعت بر مترمربع در روزهای آفتابی است، به سهولت امکان پذیر میباشد. برای بهره گیری از انرژی خورشیدی، سیستم های غیر فعال و فعال متعددی وجود دارند که هر یک از سیستم های خورشیدی دارای قابلیت هایی بوده و در صورت طراحی و کاربرد اصولی آنها در فضاها و عناصر معماری، امکان کاهش بار حرارتی را فراهم میسازند. -4-
سیستم های فعال و غیر فعال انرژی خورشیدی
سیستم های فعال خورشیدی، سیستم هایی هستند که برای دریافت و انتقال انرژی از سامانه های انرژی دیگری همچون سامانه های مکانیکی و الکتریکی استفاده میکنند. -4- اما سیستم های غیر فعال خورشیدی به سیستم هایی اطالق میگردد که انرژی خورشیدی را، بدون استفاده از تجهیزات انرژی بر، جمع آوری و ذخیره میکنند تا در زمان مناسب از انرژی ذخیره شده استفاده شود و با این شیوه تا حد زیادی انرژی مورد نیاز برای اجزای مختلف یک ساختمان را برآورده می سازند. -1-

هرچند سیستم های خورشیدی فعال در آینده ی نزدیک احتماال تاثیر بیشتری از سیستم های غیر فعال خورشیدی خواهند داشت، اما باید دقت کرد که استفاده از سیستم های غیرفعال نیز میتواند بسیار تاثیرگذار در نگهداشت و بهره وری انرژی باشد. -4- سیستم های غیر فعال در میان دیگر سیستم های خورشیدی، کارآمدترین سیستم ها خواهند بود زیرا جزئی از سفت کاری بنا محسوب میشوند و همچنین اجزاء مکانیکی و الکتریکی توأم با استهالک را ندارد. این سیستم ها را میتوان به انواع «دریافت مستقیم»، «دریافت غیر مستقیم» و «دریافت مجزا» طبقه بندی نمود. -6-

جدول-5 انواع روش های استفاده از انرژی خورشیدی به صورت غیر فعال و چگونگی کارکرد آنها

طبقه بندی روش های
سیستم های استفاده از اجزا و محل قرارگیری چگونگی کارکرد
غیر فعال انرژی
خورشیدی

-1دریافت پنجره -پنجره ها و نورگیرهای سقفی پنجره هایی که رو به آفتاب هستند، انرژی
مستقیم آفتابی -در نمای جنوبی حرارتی خورشید را به داخل ساختمان هدایت
میکنند
-مثل یک گردآور خورشیدی، انرژی حرارتی را
کسب میکند
-5دریافت روش گلخانه ای -گل خانه ی رو به آفتاب در دیواره جنوبی - حرارت کسب شده در روز را برای شب ذخیره
مجزا یا گرم خانه -کشیدگی شرقی-غربی می نماید.
-میتوان از آن برای گرم کردن سایر قسمت های
ساختمان استفاده کرد.
-فضایی برای رشد گیاهان و دلپذیر برای
ساکنین
-دیوار ی از مصالح با ظرفیت حرارتی باال و رنگ -جمع آور و ذخیره کننده ی گرمای خورشید
دیوار ترومب تیره -با تأخیر زمانی چند ساعته، حرارت دریافتی و
- به وسیله ی شیشه پوشانده شده ذخیره شده را در ساختمان توزیع میکند
-4دریافت -در ارتباط با فضای داخلی است
غیر مستقیم استخر یا -یک کیسه ی پالستیکی پر از آب به -یک سیستم ترکیبی از گرمایش برای زمستان
حوضچه روی ضخامت تقریبی 52 سانتیمتر بر روی بام و سرمایش برای تابستان
بام - سطح خارجی تیره و کدر
آتریوم -فضای وسیع با سقف شیشه ای -برای تهویه هوای ساختمان مفید است
-در انواع مرکزی، نیمه بسته، پیوسته وخطی -بهره گیری از نور طبیعی و حفظ انرژی

در میان این روشها، متداولترین آن ها عبارتند از گلخانه های خورشیدی، دیوار ترومب و آتریوم ها. با طراحی این سیستم ها در ساختمان که در زیرمجموعه سیستم های غیرفعال قرار دارند، میتوان مصرف انرژی های تجدیدناپذیر برای تامین روشنایی، گرما و تهویه را تا حد زیادی کاهش داد که در ادامه به چگونگی بکارگیری این روشها برای نگداشت و بهره وری هرچه بیشتر از انرژی تجدیدپذیر خورشید پرداخته میشود.

تحلیل الگوی آتریوم ها
آتریوم (Atrium) به حیاط مرکزی روبازی گفته میشود که اتاق های مجاور آن را احاطه کرده و بیشتر در ساختمان های غیر مسکونی کاربرد دارد. تاریخ ساخت اولین نوع آتریوم، به خانه ای دارای حیاط مرکزی که حدود 4000 سال پیش از میالد در اطراف مسوپوتامیا (Mesopotamia) ساخته شده است برمیگردد و پس از آن به تبعیت از حیاط مرکزی ساختمانهای قدیمی رومی، به این نام خوانده شده است. -7-

شکل -1 پالن و مقطع خانه ای در مسوپوتامیا دارای آتریوم -2-

در معماری مدرن، آتریوم به فضای وسیع و گشوده ای اتالق میشود که اغلب چندین طبقه ارتفاع داشته و با سقف شیشه ای یا پنجره های بزرگ یا هر دو پوشانده میشود. -9- آتریوم نه تنها برای بهره گیری از نور طبیعی، تهویه و حفظ انرژی به کار میرود، بلکه کاربرد اجتماعی برای ساکنان ساختمان نیز دارد. -7- ابعاد آتریوم ها )طول، عرض، عمق( مشخص کننده
میزان نور روزانه دریافتی میباشد، همچنین اندازه و موقعیت پنجره ها در فضای میانی و میزان انعکاس دیوارها، از جمله عواملی هستند که بر میزان دریافت نور روز بر فضاهای مجاور آتریوم تاثیر گذارند. مطالعات انجام شده بر روی ساختمانی پنج طبقه دارای آتریوم در سانتیاگو نشان داده است که تابش خورشید در فضای آتریوم میتواند باعث کاهش %71 نیاز سرمایشی ساختمان و در نتیجه کاهش مصرف انرژی شود. البته این امر بستگی زیادی به فرم ساختمان و نوع شیشه های به کار برده شده نیز دارد. -8-

شکل -5 آتریوم سیتی هال نیدرلند -12- و شماتیک ورود نور طبیعی، گرمایش و تهویه در آتریوم -11-

آتریوم ها را میتوان به چهار فرم کلی طبقه بندی کرد. اولین نوع آتریوم مرکزی (Centralized atrium) میباشد. این نوع آتریوم دارای حیاط مرکزی شیشه ای بوده که در مرکز ساختمان قرار گرفته و با یک سقف شیشه ای احاطه شده است. دومین نوع، آتریوم نیمه بسته (semi-enclosed atrium) بوده که در این نوع آتریوم ها، فضای شیشه ای در داخل ساختمان واقع شده، اما یک جبهه آن واقع در سطح خارجی بنا میباشد، سقف اینگونه آتریوم ها میتواند شیشه ای نباشد. نوع دیگر آتریوم پیوسته (Attached atrium) بوده که در دیواره خارجی بنا واقع میشود و در سه جهت با فضای بیرون در ارتباط است. آخرین نوع، آتریوم خطی (Linear atrium) است که در منطقه ای ما بین دو بلوک جداگانه با جدار شیشه ای در دو طرف واقع میشود. -55- از آتریوم های بسته بیشتر در مواقعی استفاده میشود که زیر بنای ساختمان بسیار زیاد باشد و یا اینکه امکان استفاده از جبهه های جنوبی بنا وجود نداشته یا محدود باشد. -9-

جدول-4 چهار فرم کلی آتریوم در پالن و حجم 11-و-2
چهار فرم کلی آتریوم مرکزی آتریوم نیمه بسته آتریوم پیوسته آتریوم خطی
آتریوم (Centralized (semi- (Attached (Linear atrium)
atrium) enclosed atrium) atrium)

آتریوم در پالن

آتریوم در حجم

آتریوم میتواند طوری طراحی شود که تهویه طبیعی ایجاد کند. -55- استفاده از تهویه طبیعی نه تنها به کاهش مصرف انرژی و هزینه ها کمک میکند، بلکه باعث بهبود هوای داخلی نیز میشود. اختالف فشار میان هوای داخل و خارج باعث جا به جایی هوا و تهویه در ساختمان میشود. -55- در کل سه عامل برای تهویه طبیعی در آتریوم نیاز است: -5 بازشوی ورودی هوا در پایین ترین قسمت ساختمان تعبیه شود . -5خروجی هوا در باالترین قسمت ساختمان قرار داشته باشد. -4 منبع گرما باعث اختالف دمای درون و بیرون شود. -7- به این طریق هوای سرد و سنگین از پایین وارد فضا شده و از قسمتهای باال هوای گرم خارج میشود. بیشترین مشکل آتریوم ها باال رفتن بیش از اندازه دما در تابستان است که گرمای زیاد تابستان میتواند توسط سایبان ها، استفاده از آب، فضای سبز و تهویه کاهش داده شود.

شکل -4 راست: تحلیل الگوی آتریوم، چپ: نمایش تاثیر باد در تهویه طبیعی -2-

امروزه بوسیله سیستم های کامپیوتری میتوان مقدار انرژی که داخل آتریوم جمع میشود را محاسبه کرد. میزان این انرژی به نوع مصالح به کار رفته، اندازه سطوح و همینطور عایق بندی های انجام شده بستگی دارد. رفتار تهویه ای آتریوم ها بر اساس انواع آن متفاوت است که در جدول 8 انواع آتریوم، نقش و رفتار آن آورده شده است.

جدول -8 رفتار تهویه ای و نقش آتریوم ها بر اساس انواع آن -2-
انواع آتریوم نقش آتریوم رفتار تهویه ای آتریوم
آتریوم هوای تازه را به صورت غیرمستقیم، از اطراف
تهویه دودکش مانند وارد ساختمان کرده و هوا را پس از چرخش در داخل
)غیر مستقیم( ساختمان، خارج میکند.

تامین هوای تازه آتریوم هوای تازه را مستقیما دریافت کرده و آن را
)مستقیم( به اتاق های اطراف هدایت میکند.

تهویه و هدایت هوای هوای سرد و سنگین از دریچه های پایینی وارد
راکد فضا شده و هوای گرم و راکد از دریچه های باالیی
خارج میشود.
تهویه داخلی و خارج آتریوم به طور مستقیم و غیر مستقیم تهویه
کردن هوای گرم داخلی را انجام میدهد و در نهایت هوای گرم شده را
)مستقیم و از ساختمان خارج میکند.
غیرمستقیم(
گرمایش آتریوم هوای گرم شده را به فضاهای داخلی انتقال
میدهد.

تحلیل الگوی دیوار ترومب

دیوار ترومب نوعی دیوار ذخیره ساز حرارتی است. دیواری تیره رو به جنوب و از جنس مصالح با ظرفیت حرارتی باال که توسط پوششی شفاف در فاصله ای کم پوشانده میشود. پوشش شفاف شیشه ای یا پالستیکی با فاصله ای حدود 1 تا 50 سانتیمتر از دیوار قرار دارد. دیوار توسط تابش خورشید پس از عبور آن از الیه ی شفاف، گرم میشود، هوای داخلی را گرم کرده و گرما را نیز در خود ذخیره میکند. میزان جذب انرژی گرمایی خورشید توسط دیوار ترومب به چهار عامل بستگی دارد: -5 نوع دیوار )سیمان، آجر، آب( -5ضخامت دیوار -4 مساحت دیوار ترومب نسبت به کل دیوارها -8تعداد الیه های شیشه )یک جداره، دوجداره، سه جداره(. -54- دیوار ترومب انواع مختلفی دارد. اولین نوع آن حالتی است که در آن از روش تشعشع برای انتقال گرما استفاده میشود. گرمای خورشید در طول روز درون دیوار ذخیره شده و در شب به روش تشعشع به داخل فضا آزاد

میشود، این نوع دیوار برای گرمایش به ویژه در شب استفاده میشود. در نوع دوم از روش تشعشع و جابه جایی هوا استفاده میشود. در این نوع دیوار دو دریچه به فاصله مساوی در باال و پایین تعبیه میشود. این نوع دیوار میتواند هم به عنوان یک سامانه گرمایشی و هم برای تهویه هوا مورد استفاده قرار گیرد. نوع سوم آن، دیوار ترومب بومی بوده که از دو دیوار آجری که نسبت به هم با فاصله معینی قرار گرفتهاند و بین آنها یک فضای خالی وجود دارد تشکیل شده است. دیوار آجری خارجی ضخامت کمتری نسبت به دیوار داخلی دارد. در حقیقت دیوار خارجی نقشی مشابه با شیشه را داراست. کارکرد روزانه و شبانه نوع دوم دیوار ترومب به صورت ذیل میباشد : در دیوار دو دریچه یکی در پایین ترین قسمت و دیگری در باالترین قسمت تعبیه میشود. در طول روز دریچه ها باز خواهند بود، هوای سرد و سنگین از دریچه پایینی وارد قسمت خالی مابین دیوار و سطح شفاف شده و پس از گرم شدن از دریچه ی باالیی وارد اتاق میشود، همچنین دریچه ای برای خروج گرمای اضافه مابین دیوار و سطح شفاف در نظر گرفته میشود. در شب دریچه ها بسته شده، دیوار گرمای ذخیره شده را به فضای داخلی منتقل مینماید.

شکل -8 تحلیل الگوی دیوار ترومب -14- و کارکرد آن در شب و روز -18-

تحلیل الگوی گلخانه خورشیدی
گلخانه یک فضای شیشه ای است که در دیواره جنوبی ساختمان با کشیدگی شرقی-غربی قرار میگیرد. -51- این سیستم، میتواند قسمتی از نیازهای حرارتی فضاهای مجاور خود را تامین کند، بدین صورت که انرژی خورشیدی را دریافت کرده -56- و توسط یک دیوار مشترک، انتقال گرما از گلخانه خورشیدی به فضاهای مجاور، از طریق هدایت یا توسط بازشوهای موجود در دیوار مشترک با جریان همرفت، صورت میگیرد. -57- با ایجاد گلخانه ها بازدهی حرارتی %60 الی %70 در زمستان است و مقدار حرارت منتقل شده به اتاق ها %50 الی %40 انرژی تابشی است که با اضافه کردن سیستم انباشت کننده این مقدار بیشتر میشود. -51- به طور کلی گلخانه خورشیدی سه عملکرد اصلی دارد. الف-منبع کمکی حرارت تلقی میشود. ب-فضایی را برای رشد گیاهان فراهم میکند. ج- فضای دلپذیری برای نشیمن ایجاد میکند.

شکل -2راست: نمونه ای از یک گلخانه در خانه ی خورشیدی، چپ: تحلیل الگوی گلخانه -14-