مقاله ضوابط طراحی غیرفعال خانه ها ( راهکارهای صرفه جویی انرژی از طریق طراحی )

بخشی از مقاله

ضوابط طراحی غیرفعال خانه ها
(راهکارهای صرفه جویی انرژی از طریق طراحی)

چکیده

ساختمانهای مسکونی به عنوان بیشترین مصرف کننده انرژی تولیدی در جهان، باید به نحوی طراحی شوند که حداقل منابع رو به پایان و گرانقیمت انرژی را مصرف کنند و حداکثر گرمایش زمستانی و سرمایش تابستانی خود را از منابع تجدید پذیر موجود چون خورشید و باد دریافت کنند. طراحی چنین خانه هایی که غیر فعال نامیده میشوند نیازمند آگاهی طراحان و حتی مالکین ساختمان از اصول مورد نیاز طراحی آنهاست. این امر لزوم طرح پرسشهایی را قبل از شروع طراحی و اجرای ساختمان ایجاد میکند. در این مقاله ضمن طرح پرسشهای ضروری که در هر بخش از کار طراحی اهمیت دارند، به بررسی اصول و ضوابط مفید در طراحی یک خانه ایده آل با به حداقل رساندن مصرف انرژی میپردازد. اقلیم مورد مطالعه یک اقلیم معتدل شمالی بوده که در آن نور جنوب بیشترین انرژی خورشیدی را به خانه میرساند. سایر جبهه های شمالی، شرقی و غربی نیز از لحاظ نحوه دریافت نور بررسی شده و برای آنها استانداردهایی از لحاظ اندازه پنجره، نوع شیشه و قاب بندی، نوع سایبان و مجاورت با درختان تعریف شده است. همچنین برای شکل هندسی مناسب پلان، چیدمان ایده آل فضاهای خانه در محدوده-ی پلان، عایقکاری دیوارها، محوطه سازی، تهویه مطلوب و استفاده از نور طبیعی روز برای روشنایی فضاها راهکارهای مناسبی ارائه شده و در نهایت یک پلان مطلوب برای خانه ایده آل در اقلیم معتدل ارائه شده است. نتایج این پژوهش و راهکارهای طراحی به دست آمده در آن به تناسب سایر اقلیمهای گرم، سرد، خشک و مرطوب کشور قابل بررسی بوده و باید در ضوابط ساخت و ساز و طراحی بیش از پیش گنجانده شود.

واژه های کلیدی

خانه غیرفعال - صرفه جویی انرژی - ضوابط طراحی – آسایش حرارتی

-1مقدمه

خورشید پخش کننده انرژی الکترومغناطیسی به صورت 24 ساعته، در 365 روز سال و با زاویه حدود 57/25 درجه سانتیگراد میباشد. در هر سال خورشید میتواند حدود 36 هزار مرتبه بیشتر از انرژیهای موجود در تمام ذخایر نفتی جهان انرژی تولید نماید.انرژی خورشید به روی زمین به شکل امواج نورانی قابل دیدن پخش میشود. در میان این امواج، امواج مادون قرمز و بنفش نیز وجود دارد که قابل دیدن با چشم غیرمصلح نیست. هنگامی که این امواج به سطح زمین میرسد جذب شده و به صورت انرژی گرمایی انتقال داده میشودکه در اثر این عمل گرمای درونی در زمین تولید می شود. مقدار انرژی خورشیدی که به هر واحد از سطح زمین میرسد را به اصطلاح solar irradianceیا insolastion مینامند.

شهرهایی که دارای آب هوای مدیترانهای معتدل بوده و در طبقهبندی شهرهای غالباً گرم قرار میگیرند ساختمانهای آنها بیشتر روزها گرم بوده تا اینکه خنک باشد. همچنین در این شهرها اوج گرما و سرما برای مدتهای طولانی وجود ندارد و در نتیجه طراحی با استفاده از روش غیرفعال از گرما در این شهرها سودهی بالایی دارد. به طور کلی دراین شهرها گرمای کافی از خورشید در تابستان دریافت شده اما در ماههای آبان تا اسفند (حدود نوامبر تا مارس) این مقدار بسیار کاهش مییابد، در نتیجه در این ماهها به دست آوردن انرژیهای خورشیدی غیرفعال در زمستان تا اندازهای مقرون به صرفه نمیباشد.تحت این شرایط طراحی غیر فعال((passive باید شامل ترکیب گرمای خورشید همراه با خنک کردن غیرفعال باوجود سایهها در این قبیل آب و هوا اعمال گردد. این مقاله به بررسی اصول مهم در استفاده حداکثری از انرژی خورشیدی در خانههای چوبی با حداقل مصرف انرژی در شهر ونکور کانادا می پردازد.

-2دسترسی خورشیدی

این شاخص مقدار مفید اشعه خورشید رسیده به یک ساختمان را شرح میدهد. این میزان بسته به آب و هوا متفاوت بوده و میتواند به وسیله موقعیت خورشید و سطوحی که اطراف یک ساختمان وجود دارد متفاوت باشد، و با تراکم ساختمانی افزایش یابد.زاویهای که خورشید به یک سطح برخورد میکند به نامهای :altitude(1 زاویه عمودی در آسمان که غالباً به صورتی ارتفاعی بیان میشود ( ْ(0-90 و (2 azimuth یا جهت افقی است تابش خورشید بر سطح. آزیموت به طور معمولی در جهت عقربههای ساعت از شمال تا شرق 90 درجه از جنوب 180و غرب ْ270 است. اشعهی خورشید تابیده شده به زمین به وسیله سطوح اطراف زمین منعکس میگردد. این انعکاس اشعه منعکس شونده نام دارد و سطوح رنگی شده روشن نور را بیشتر از تیرهها منعکس میکند. به
طور کلی فهمیدن الگوهای خورشید در رابطه با زاویه تابشهای مختلف بسیار مهم است.

شکل1؛azimuthوaltitude

شکل2؛ چارت خورشیدی

یک جدول خورشیدی سادهترین روش برای تعیین مکان خورشید در زمانهای خاص در تمام طول سال میباشد. به منظور تعیین بهتر دسترسی خورشیدی برنامههای کامپیوتری که میتواند اطلاعات دستی از جداول و فرمولها با هم ارزیابی مقایسه کند به کار میرود.

شکل 3؛جذب و انعکاس تابش در سطوح تیره و روشن

-3بهره وری انرژی و آسایش حرارتی

واژه آسایش تا اندازه زیادی ذهنی- سلیقهای است. آسایش حرارتی حالتی از ذهن است که بیان کننده رضایت مندی از محیط اطراف باشد. مقررات موجود برای ایده آسایش گرمایی مقدار کمی از شرایط آسایش را شامل میشود. فاکتورهایی از قبیل درجه حرارت، رطوبت و انرژی تابشی میتواند در این آسایش موثر باشد و برای انسان این منطقه آرامش در یک محدوده وسیعی از شرایط طبقهبندی میشود. شرایط اقلیم خارجی همچنین میتواند باعث تغییر شرایط داخلی مطلوب برای انسان گردد. ساکنین خانهها هنگامی که فرصت برای سازگاری و کنترل محیط را داشته باشند بیشتر آرامش دارند( مثلا هنگامی که پنجرهها را باز کنند و لباس بپوشند یا پرده ها را بکشند)، اما بهره وری انرژی زمانی مؤثر است که آسایش ساکنین از طریق مکانیکی نیزکنترل شود.

-4جهتیابی

بهترین جهت ساختمان در ارتباط با محور زمین و ساختارهای ژئوگرافی می تواند دریافت انرژی خورشیدی را افزایش دهد، در نتیجه نیاز به گرم کردن با ابزارهای مکانیکی یا سیستمهای خنک کننده را کاهش میدهد و باعث کاهش هزینهها میشود. زمینهایی که در طول یک محور شرقی غربی کشیده شدهاند، ایدهآلترین روش برای ساختن و دریافت انرژی خورشیدیاند و این به دلیل دریافت انرژی خورشیدی در آنها به بهترین نحو است. در عین حالساخت و ساز اطراف هر بنا تأمین کننده و حفاظت کننده هدر رفتن انرژی در بخش شرقی و غربی بنا میشود. بسیاری از ساکنین خانهها ممکن است کنترل کم یا هیچ کنترلی در انتخاب مکان مناسب و جهتیابی مناسب بنای خود نداشته باشند،اما نظارت دولتها بر انتخاب جهت صحیح ساختمی تواند کمک کننده باشد.

-4-1شکل ساختمان

برای افزایش سودهی از طراحی غیرفعال، یک طراحی باید در ابتدا نیازهای مصرفی انرژی را به حداقل خود برساند. طراحی یک ساختمانی که بتواند اتصالات و کنج ها را به کمترین مقدار برساندمیتواند اتلاف گرمایی از طریق پل های حرارتی راکاهش دهد.تراکم بنا شاخصی برای بیان ارتباط بین فضای کف و مساحت پوسته ساختمان است. در یک طراحی فشرده،فضای زندگی به حداکثر و سطح پوسته بیرونی به حداقل میرسد. پوسته خارجی یک ساختمان جایی است که افت حرارت در آن رخ میدهد.کم کردن تعداد دیوارهای خارجی سبب اطمینان از مواجه شدن دیوارها با عوامل محیط بیرونی میشود. در یک ساختمان ایدهآل طراحی آن باید به گونهای باشد که نسبت سطح کف قابل استفاده به سطح دیوارهای خارجی(شاملسقف)حداکثر باشد.به این منظور،

شکل ایدهآل از نظر تئوری باید کروی باشد(به دلیل داشتن بیشترین حجم نسبت به کمترین پوسته). شکل بعدی قابل استفاده شکل مکعبی است، که در آن ضعفهای کارایی فرم کروی ساختمان از بین رفته است.خانه های منفردمعمولاً ارتفاع کم و عرض کشیده و پهندارند. اگرچه این تناسبات ایدهآل استاما این مساله غیرقابل اجتناب است که این ساختمانها نه فقط سطح پوشش زیادیدارند بلکه باعث ایجاد پلهای حرارتی شده و به سختی حرارت را نگه میدارند و آنرا هدر میدهند.شهرکها و خانههای ردیفی فرم دیگر طراحی هستند که سطح کف آنها در حد ماکزیمم و فرصت برای از دست دادن حرارت آنها کمتر است.

توصیه ها:
- به کار بردن یک طراحی متراکم به منظور اینکه سطح دیوار خارجی کم شده و امکانجذب/دریافت حرارت آن را کاهش داده شود.

- یک شکل نزدیک به مربع بهینه است چون این مکان را می دهد که

گوشهها به حداقل و سطح کف نسبت به سطح دیوارهای خارجی به حداکثر برسد.

-4-2نمای ایدهآل

جهت ساختمان میتواند روی زاویه ورود خورشید به پنجره ها تاثیر گذار باشد و باعث ازدیاد گرما در تابستان نشود. توجه شود زمانیکه جهتیابی ساختمان نامناسب باشد، سایبانها میتوانند مؤثر باشند. ساختمانهای مجاور هم که دارای مرز مالکیت یکسان اند میتواند در دریافت بیشتر نور برای هر واحد مفیدتر باشد. زاویه تابش خورشید میتواند در میزان جذب غیرفعال انرژی تابشی تاثیر گذار باشد . زمانیکه حورشید در پایین آسمان می باشد، نور خورشید به صورت مایل به شیشه ها میتابد و در این حالت بیشترین حرارت تابشی دریافت میشود. زمانیکه خورشید در بالاترین قسمت آسمان قرار گیرد زاویه تابش بیشتر شده و نور زیادتری انعکاس یافته و نور کمتری به داخل ساختمان منتقل میگردد. پنجره های جنوبی عموماً نور بیشتری از خورشید دریافت میکند.

شکل 5؛جبهه جنوبی و دریافت گرمای زمستان و سایه اندازی تابستان با درختان.

-5 نمای جنوبی

برای افزایش دریافت انرژی خورشیدی در فصل زمستان، کشیده ترین نمای ساختمان باید به سمت جنوب باشد که تا 30 درجه غربی و شرقی را شامل میشود. به علاوه برای کاهش دریافت نور نامناسب تابستان، پنجره های سایبان دار در نمای جنوبی ساختمان لازم است.سایبانها باید به گونهای طراحی شود که عمق آن به اندازه %50 درصد از ارتفاع شیشهها باشد. زمانی که در تابستان خورشید در بالاترین نقطه خود نسبت به زمستان است،سایبان مناسب در اندازههای مناسب میتواند بر پنجرههای جنوبی تابستان سایه اندازی کند بدون اینکه زاویه تابش نور زمستان را ببندد.

- افزایش سطح پنجره در جنوب و جلوگیری از سایه اندازی زمستان
- جلوگیری از استفاده از درختان همیشه سبزروبروی ساختمانها که باعث سایه اندازی در خلال روزهای کوتاه زمستان شود.