پیشنهاد روشی برای پهنه‌بندی اقلیمی ایران بر مبنای پتانسیل تهویه طبیعی (مطالعه موردی شهر یزد)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشگر دوره دکتری، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 دکتری معماری، استادیار، دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

تقسیم‌بندی اقلیمی یکی از ابزارهای مفید در سازماندهی اطلاعات مختلف در شرایط مشابه است. تاکنون انواع مختلفی از تقسیم‌بندیهای اقلیمی با اهداف متفاوت بر گستره کشور ایران پیشنهاد شده است. در زمینه طراحی ساختمان، وجود تقسیم‌بندیهای مناسب با اهداف معماری، نقش مهمی در ایجاد ساختمانهای منطبق با شرایط اقلیمی و میزان بهینه مصرف انرژی ایفا می‌کند. این مقاله با بررسی        تقسیم‌بندیهای اقلیمی موجود به تحلیل کارایی و کاستیهای هر سیستم در طراحی ساختمان و معماری پرداخته است. از جمله این کاستی‌ها می‌توان به عدم توجه به تفاوت در محدوده آسایش حرارتی و میزان نیروهای محرکه باد در مناطق مختلف اشاره کرد. در نهایت با توجه به کاستی‌های موجود در سیستمهای ذکر شده، روشی جهت پهنه‌بندی جدید اقلیمی ایران بر اساس پتانسیل تهویه طبیعی پیشنهاد گردیده است. بدین منظور اتاقی از یک ساختمان اداری در شهر یزد با ویژگی های متداول ساخت، ابعاد و مصالح با استفاده از نرم‌افزار انرژی پلاس شبیه‌سازی شده و در دو ماه آوریل و ژوئیه، به عنوان دو ماه نمونه با شرایط دمایی به ترتیب معتدل و گرم مورد بررسی قرار گرفته است. مقایسه تطبیقی رفتار حرارتی ساختمان در چهار حالت بدون تهویه، تهویه روزانه، تهویه شبانه و تهویه روز و شب بهترین استراتژی تهویه ومیزان آن را در هر ماه نشان می‌دهد. به این ترتیب با انجام شبیه‌سازی‌های مشابه، در سایر شهرها می‌توان بر اساس نوع تهویه و میزان آن (پتانسیل تهویه) به دسته‌بندی شهرهای مشابه پرداخت. چنین تقسیم‌بندی با ارائه تصویری مطابق از پتانسیل‌های موجود با واقعیت، رهنمودهایی مفید را برای معماران، جهت طراحی ساختمانی با بهره‌مندی از تهویه طبیعی و با حداقل نیاز به سیستم‌های سرمایش و گرمایش مکانیکی، فراهم می‌نماید. 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

New Method for Climatic Classification of Iran Based on Natural Ventilation Potential (Case study: Yazd)

نویسندگان [English]

  • R Vakilinezhad 1
  • S. M Mofidi Shemirani 2
  • F Mehdizadeh Seraj 1
چکیده [English]

Introduction

Climatic classification is one of the most useful methods in arrangement of information for similar places. Until now various kinds of climatic classification systems have been proposed for Iran concerning different goals. Buildings are affected by climatic situations in many ways. Due to this suitable recognition of climatic characteristics related to building design is essential. In this article assessing benefits of each climatic classification system for building design and architecture, defections of these systems have been noticed. Ignoring differences in thermal comfort zone and wind forces in various places are some of these defections. One of the most useful classifications for building design purpose is the HDD-CDD system proposed by Khalili. This system is based on the thermal comfort condition in air-conditioned buildings, ignoring natural ventilation potential. Depending on wind forces, natural ventilation could have significant effect on thermal comfort and though reduction of air-conditioning systems usage and energy consumption. According to these, a new method has been proposed for Iran climatic classification based on natural ventilation potential and different thermal comfort zone.

 

Materials and Methods

A typical office room in Yazd has been modeled for two months, April and July as moderate and hot month. An energy simulation program called Energy Plus was utilized to simulate the building thermal behavior. The required weather data had been derived from the Typical Meteorological Year (TMY) weather data used in EnergyPlus (EPW) weather file format. The simulations have been setup in four ventilation scenarios for each month: day ventilation, night ventilation, day and night ventilation and without ventilation. The results show thermal behavior of the simulated building affected by climatic parameters. The building also is taking advantages of natural ventilation potential which depends on wind speed and direction.

 

Results

The results show day and night ventilation as the best choice of ventilation. The acquired results determine the ventilation potential to keep building indoor temperatures within thermal comfort zone. In this method, factors of weather data in conjunction with natural ventilation potential characterize the place. This method is based on the HDD-CDD values according to the specific thermal comfort zone for each place.

The values for CDD in April have been decreased from 7856.88 to 6.68, with no ventilation and day and night ventilation, respectively. In June the reduction was from 13285.97 to 348.81. This means that using natural ventilation could decrease energy consumption of the building effectively. Accordingly the CDD value for each city would be different using various kinds of natural ventilation. A new climatic classification would be achieved by defining cities with similar CDD value and ventilation scenario. These values represent the natural ventilation potential of cities which depends on local wind forces.

 

Conclusion

According to various goals and distinction factors, a climatic classification system would be useful for special purpose. Only some of the climatic classification systems are created in conjunction with building design. A new method has been proposed for Iran climatic classification based on natural ventilation potential and different thermal comfort zone. A typical office room in Yazd has been modeled as the sample to evaluate the proposed method. Simulations have been setup for two months in four ventilation scenarios: day ventilation, night ventilation, day and night ventilation and without ventilation. The reduction in CDD values is various using each ventilation scenarios. On the other hand the values for each city would be different according to various climatic parameters. The resulted values for HDD-CDD and natural ventilation potential show the best choice for ventilation. These values are the basic parameters to create the new climatic classification system based on natural ventilation potential proposed in this article. Applying similar simulations for other cities, it is possible to classify them based on values for natural ventilation potential and its type. Cities with similar CDD value and ventilation scenario would be in the same climatic zone. This method will consider available resources for wind as well as other climatic factors for selected city and also thermal comfort zone suitable for naturally ventilated buildings. Such classification will provide useful guidelines for architects to design naturally ventilated buildings with minimum need for mechanical cooling devices.

 

 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Climatic classification
  • Natural Ventilation
  • ventilation potential

اقلیم از ریشه یونانی “klima” بوده و معمولا به عنوان متوسط شرایط آب و هوایی در دوره­ زمانی طولانی تعریف می­شود. همواره دو دسته عوامل جغرافیایی و آب و هوایی در شناسایی اقلیم موثر بوده و در تقسیمات اقلیمی، با توجه به کاربرد هر سیستم تقسیم­بندی، یکی از این دو دسته عوامل پایه و اساس تقسیم­بندی قرار گرفته­اند. روش طبقه‌‍‌بندی اقلیمی بستگی به هدف مورد نظر دارد که بر این اساس هر سیستم طبقه­بندی اقلیمی می­تواند برای هدفی معین مناسب یا نامناسب باشد (فرجی، 1386) و به همین جهت که تقسیم­بندی­ها براساس اهداف متفاوت پایه­گذاری شده­اند یک روش کلی مورد قبول همه دانشمندان وجود ندارد (جعفرپور، 1388). به این ترتیب مشخص است که بررسی اقلیم ها بر اساس یک کاربرد خاص نمی­تواند جنبه عام داشته باشد. در سیستم‌های تقسیم­بندی جامع، پس از شناسایی ویژگی­های ظاهری توصیفی و ژنتیکی اقلیم، کاربرد آن را در پدیده­های دیگر بررسی می­نمایند (کاویانی، 1390). بسیاری از تقسیم­بندی‌های اقلیمی، توسط گیاه‌شناسان و جغرافیدانان و متناسب با زمینه­های کاربردی این علوم صورت گرفته است. به این ترتیب مبنای این تقسیم‌بندی­ها عناصری چون پوشش گیاهی، میانگین ماهانه دما و بارندگی سالانه می­باشد.

ساختمان­ها به عنوان مهمترین فضاهای مصنوع، همواره در احاطه محیط اطراف و تحت تاثیر عوامل اقلیمی هستند. در مطالعات و تصمیم­گیری­های اولیه طراحی ساختمان، ضرایبی بر اساس نوع اقلیم، در طراحی اجزای ساختمان و سیستم­های مکانیکی اعمال می­گردد. به این ترتیب در ارتباط متقابل دو حوزه جغرافیا و معماری، وجود پهنه­بندی مناسب اقلیمی جهت کاربرد در طراحی ساختمان­ها و شناسایی صحیح ویژگی­های اقلیمی محل ساختمان، از اهمیت بسزایی برخوردار است. بدیهی است عدم دقت در ایجاد تقسیمات اقلیمی متناسب با ساختمان می­تواند موجب ارائه محاسبات ناصحیح و طرح نامتناسب گردد که عدم استفاده از پتانسیل های موجود اقلیمی و طراحی ساختمانی با میزان مصرف انرژی بیشتر را به دنبال خواهد داشت. این مقاله روشی نوین جهت ایجاد پهنه­بندی اقلیمی با توجه به محدوده آسایش حرارتی تطبیقی و بر مبنای پتانسیل تهویه طبیعی ارائه می­نماید. در این راستا ابتدا پیشینه موضوع در دو بخش انواع تقسیمات اقلیمی ایران و سیستم­های تهویه در ساختمان بررسی شده است. انواع تقسیم­بندیهای اقلیمی ایران در رابطه با ساختمان و اهداف معماری مدنظر قرار گرفته و با توجه به کاستی­های موجود در این تقسیم­بندی­ها، لزوم ایجاد پهنه­بندی اقلیمی با توجه به محدوده آسایش حرارتی مناسب در ساختمان­های بهره­مند از تهویه طبیعی مطرح ­شده است. با استفاده از شبیه­سازی­های حرارتی، روش پیشنهادی بر یک ساختمان نمونه اداری در شهر یزد اعمال شده است. محاسبات انجام شده، پتانسیل تهویه طبیعی را برای ساختمان­های اداری این شهر در دو ماه مورد بررسی نشان می­دهد. با اعمال روش پیشنهادی بر گستره ایران، می­توان به پهنه­بندی اقلیمی نوینی بر مبنای پتانسیل تهویه طبیعی دست یافت.

 

پیشینه موضوع: تقسیم­بندی‌های اقلیمی ایران

ایران سرزمینی نسبتاً مرتفع است که با توجه به ویژگی­های خاص جغرافیایی، اقلیمی منحصر به فرد و متغیر دارد. این کشور در محدوده 25 الی 39 درجه عرض شمالی و 44 الی 63 درجه طول شرقی قرار گرفته است. تاکنون انواع مختلفی از تقسیمات اقلیمی برای گستره ایران پیشنهاد شده است. اولین تقسیمات اقلیمی ایران در سال 1334 توسط گنجی و بر پایه سیستم تقسیم­بندی کوپن ارائه شد (عیالی، 1384). در این تقسیم­بندی پهنه ایران، با توجه به عوارض طبیعی و تاثیر دریاها به چهار اقلیم کلی معتدل و مرطوب (سواحل جنوبی دریای خزر)، اقلیم سرد (کوهستان­های غربی)، اقلیم گرم و خشک (فلات مرکزی)، اقلیم گرم و مرطوب (سواحل جنوبی) تقسیم شده است.

پس از آن چندین سیستم تقسیم­بندی توسط عدل، ثابتی، ریاضی و کسمایی پیشنهاد شد. در برخی پهنه‌بندی‌های اقلیمی ایران براساس تقسیمات چهارگانه گنجی، تقسیمات کوچکتری صورت گرفته است. مثلاً در پهنه­بندی اقلیمی کسمایی برای ساختمان­های مسکونی، به جز نواحی ساحلی خلیج فارس و دریای عمان، اقلیم سرد کوهستانی به دو بخش و اقلیم گرم و خشک داخلی به سه بخش تقسیم شده است که در نتیجه 8 پهنه اقلیمی مشخص شده است. در پهنه­بندی کسمایی برای ساختمان­های آموزشی، نواحی گرم و خشک داخلی به سه بخش مجزا تقسیم شده‌اند که در کنار سه ناحیه دیگر 6 پهنه اقلیمی را برای ساختمان­های آموزشی ایران مشخص می­سازند. سیستم تقسیم­بندی عدل، با اعمال تغییراتی در آستانه­های حرارتی روش کوپن و مقایسه شهرهای مختلف کشور تهیه گردید (عیالی، 1384). نقشه این پهنه­بندی را می­توان اولین نقشه بیوکلیماتیک ایران نامید که در آن کشور ایران به 25 ناحیه اقلیمی تقسیم شده است. تقسیمات پیشنهادی ثابتی، بر پایه مطالعات گوسن 12 اقلیم و براساس روش آمبرژه، 14 اقلیم حیاتی را برای ایران ارائه می­دهد. اولین تقسیمات اقلیمی در رابطه با ساختمان در سال 1356 توسط ریاضی پیشنهاد شد. این سیستم 5 اقلیم تابستانی و 6 اقلیم زمستانی را برای ایران نشان می­دهد که از ترکیب آنها می‌توان 9 اقلیم را برای کشور مشخص نمود. به دلیل کم بودن عرض جغرافیایی و خشکی عمومی هوا در ایران و نوسان زیاد روزانه وسالانه دما، یک شهر ممکن است در تابستان در یک اقلیم و در زمستان در اقلیمی دیگر قرار گیرد (کسمایی، 1372).

کسمایی با استفاده از روش گیونی، جدول بیوکلیماتیک ایران را برای 43 شهر بزرگ دارای ایستگاه سینوپتیک تهیه نمود. روش اولگی، در بررسی وضعیت حرارتی فضاهای آزاد به کار رفته و ویژگی­های معماری و مصالح ساختمان را نادیده می­گیرد. به همین دلیل تقسیمات اقلیمی بر پایه این روش، برای تحلیل شرایط حرارتی ساختمان­ها و فضای بسته مناسب نیست. تقسیمات اقلیمی براساس روش ماهونی در تعیین کلیات طرح معماری، ابعاد پنجره­ها و نوع مصالح در مورد طراحی ساختمان­های مسکونی مفید است. در روش گیونی سودمندی هر یک از عناصر مختلف ساختمان در ارتباط با طرح معماری نشان داده شده است. در تقسیمات اقلیمی بر اساس این روش می­توان درصد سالانه نیازهای حرارتی ساختمان را مورد ملاک قرار داد (کسمایی، 1372).

خلیلی جدیدترین تقسیمات اقلیمی ایران در رابطه با معماری و طراحی ساختمان، براساس روز- درجه و میزان نیاز به سرمایش و گرمایش ساختمان پیشنهاد داده و مطابق با آن نخستین نقشه­های پهنه­بندی اقلیمی سرمایش و گرمایش ایران را ارائه کرده است. شاخص­های موجود در این روش با فرمول کلی  بیان می­شود که در آن H معرف مقدار نیاز سالانه گرمایش و i از یک تا هفت متغیر است، C مقدار نیاز سالانه سرمایش و j از یک تا پنج متغیر است. R معرف رطوبت بوده و k نیز از یک تا چهار متغیر است. به این ترتیب شاخص معرف نیاز حرارتی بوده و 35 نوع اقلیم را در بر می­گیرد که تنها 25 نمونه آن در ایران شناخته شده است (خلیلی، 1382).

در سال­های اخیر علاوه بر سیستم­های ذکرشده، انواع دیگری از تقسیم­بندی­های اقلیمی برای گستره ایران پیشنهاد شده که از مهمترین آنها می­توان طبقه­بندی‌های اقلیمی با استفاده از تکنیک­های آماری چندمتغیره، طبقه­بندی بر مبنای دماهای کمینه و طبقه­بندی بر مبنای شاخص گردشگری را نام برد. تقسیم­بندی چندمتغیره با استفاده از عناصر اقلیمی (شاخص­های دما، بارش، جریان هوا، فشار هوا و تابش) و بدون استفاده از عوامل دیگری چون پوشش گیاهی و نوع خاک صورت گرفته است (حیدری، 1378). در تقسیم­بندی بر مبنای دماهای کمینه، دماهای میانگین کمینه و بیشینه مطلق سالانه و فصلی معیار سنجش هستند (مجرد، 1389). شاخص اقلیم گردشگری، شرایط اقلیمی را برای فعالیت گردشگری با استفاده از پارامترهای میانگین بیشینه ماهانه دمای روزانه، میانگین دمای روزانه، کمینه رطوبت نسبی، میانگین رطوبت نسبی روزانه، بارش، ساعات آفتابی و سرعت باد مورد ارزیابی قرار می­دهد (فرج زاده، 1389). از آنجا که این تقسیم­بندی­ها با اهدافی متفاوت از حوزه معماری و طراحی ساختمان انجام شده­اند در این پژوهش به آنها پرداخته نشده است.

 

قیاس تطبیقی سیستم­های گوناگون تقسیم­بندی اقلیمی ایران

جدول (1)، به مقایسه سیستم­های مختلف تقسیم­بندی اقلیمی ایران در رابطه با ساختمان و ذکر ویژگی­های هر یک پرداخته است. همانگونه که ذکر شد هر سیستم تقسیم­بندی اقلیمی با توجه به معیار تفکیکی آن می­تواند برای کاربردی مطلوب و برای کاربرد دیگر نامناسب باشد. عوامل تابش، دما، رطوبت، جریان هوا و نزولات جوی تعیین­کننده تقسیمات اقلیمی متناسب با مسائل ساختمانی هستند. تاثیر این عوامل بر ساختمان به ویژگی­های بنا بستگی داشته و شرایط محیط داخلی تعدیل یافته آنهاست.

با توجه به مطالب ذکر شده، در تقسیم­بندی اقلیمی مناسب ساختمان، با امکان استفاده از تهویه طبیعی، باید شرایط محدوده آسایش حرارتی تطبیقی  ACSمناسب هر منطقه ملاک سنجش قرار گیرد. در هیچ یک از تقسیم‌بندی‌های اقلیمی انجام شده برای ایران این امر مدنظر قرار نگرفته است. تقسیم­بندی گنجی، با اصول حاکم بر تقسیمات اقلیمی کوپن صورت گرفته است. اساس تقسیم‌بندی کوپن رستنی­های یک منطقه بوده و در نتیجه این تقسیم­بندی برای امور کشاورزی مناسب است چنانکه اولگی نیز تقسیم­بندی کوپن را برای ساختمان­سازی مردود می­داند (حیدری، 1384).

علاوه بر تقسیمات ذکر شده، تقسیم­بندی­هایی با اندکی تفاوت، بر مبنای تقسیم­بندی شدت گرما و سرما و رطوبت در دو فصل زمستان و تابستان و حدود بیشینه و کمینه دمای میانگین ماهانه توسط برخی متخصصان به صورت پراکنده انجام شده که مبنای اکثر آنها سیستم تقسیم­بندی کوپن است. طبق نظر کسمایی در مورد تقسیمات اقلیمی ایران دانشمندان ایرانی مبنای کار خود را روش کوپن قرار داده­اند (کسمایی، 1385).

تقسیم­بندی ریاضی بر پایه روش اولگی و تقسیمات کسمایی بر اساس گسترش محدوده آسایش به کمک تهویه در جدول سایکومتریک ساختمانی انجام شده که فرض پایه آن، محدوده آسایش را طبق مدل آسایش حرارتی فنگر درنظر می­گیرد. از آنجا که در تهیه جدول بیوکلیماتیک اولگی و گیونی مسائل منطقه­ای، فرهنگ، عادات و شرایط اجتماعی در نظر گرفته نشده این تقسیمات نیز نمی­توانند پاسخگوی نیاز طراح باشند (حیدری، 1384).

در روش خلیلی نیز محاسبات روز- درجه سرمایش و گرمایش، بر پایه مدل آسایش حرارتی فنگر (PMV) است که تنها در ساختمان­های با تهویه مکانیکی صحت دارد. در این روش محدوده آسایش حرارتی برای سایر مناطق یکسان و در محدوده دمایی 3/18 تا 9/23 درجه سلسیوس درنظر گرفته شده است که محدوده­ای تقریبی و بر خلاف واقعیت است. به این ترتیب نتایج حاصل از این روش محاسبه، برای روز- درجه سرمایش و گرمایش، در مناطق با محدوده آسایش حرارتی متفاوت و نیز در ساختمان­های با تهویه طبیعی، از صحت کافی برخوردار نیست.  


 

 

جدول شماره 1- مقایسه سیستم­های مختلف تقسیم­بندی اقلیمی ایران

تقسیمات اقلیمی

مبتکر

مبنای تقسیم­بندی و بیشترین زمینه کاربرد

تعداد تقسیمات اقلیمی

سال ایجاد

1

حسن گنجی

اولین تقسیمات اقلیمی ایران براساس تقسیمات اقلیمی کوپن

4 اقلیم

1334

2

احمد حسین عدل

اولین نقشه بیوکلیماتیک ایران

25 اقلیم

1339

3

حبیب الله ثابتی

براساس تقسیمات اقلیمی گوسن و آمبرژه اقلیم‌های حیاتی ایران

گوسن، 12 اقلیم

آمبرژه، 14 اقلیم

1348

4

جمشید ریاضی

براساس روش اولگی تقسیمات زمستانی و تابستانی

5 اقلیم تابستانی

6 اقلیم زمستانی

1356

5

مرتضی کسمایی

جدول بیوکلیماتیک ساختمانی براساس روش گیونی

برای مسکن و محیط­های مسکونی

8 گروه اقلیمی

36 زیر گروه

1372

6

مرتضی کسمایی

برای ساختمانهای آموزشی

9 گروه اقلیمی

1372

7

علی خلیلی

براساس نیازهای سرمایش و گرمایش (طول و عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا)

25 اقلیم

1376

 

 

پیشینه موضوع: سیستم­های تهویه در ساختمان

استفاده از تهویه طبیعی قدمت بسیار دارد. پیش از ابداع تهویه مطبوع توسط ویلیس کریر (Willis Carrier)، مهمترین راهکار سرمایشی مورد استفاده در ساختمان­ها، تهویه طبیعی بود. در نیمه دوم قرن بیستم تهویه مکانیکی و تهویه مطبوع به سیستم تاسیساتی غالب ساختمان­ها تبدیل شده و به طور گسترده به کار رفتند. بحران نفت در سال 1973 و اعمال سیاست­های کاهش مصرف سوخت، سبب ایجاد ساختمان هایی با ایزولاسیون افراطی گردید. به دنبال آن با کاهش کیفیت هوای داخلی ساختمان­ها، "سندرم ساختمان بیمار" در میان ساکنان ساختمان­های با تهویه مکانیکی توسعه یافت. نتایج مطالعات بسیار، بیماری سندرم ساختمان را در ارتباط مستقیم با بناهای تهویه مکانیکی نشان می­دهد.(Seppänen, 2002; Fisk, 1993; Zweers, 1992; Robertson, 1985; Danielsson, 1988)

سیستم­های مکانیکی تهویه و اجزای آنها به عنوان یک منبع آلودگی در رابطه با این بیماری شناخته شده­اند (Awbi, 1998). به این ترتیب در دو دهه گذشته عوامل فوق در کنار بحرانهای زیست محیطی و مصرف سوختهای فسیلی، تمایلی مجدد برای کاربرد تهویه طبیعی را ایجاد کرده است. همزمان با کاربرد مجدد تهویه طبیعی، سیستم‌های تهویه مکانیکی پیشرفته­تر با معایب کمتر ایجاد شد. بدیهی است تهویه طبیعی که تنها بر پایه نیروهای موثر طبیعی استوار است نمی­تواند در همه زمان­ها سرعت جریان مناسب را فراهم نماید. در سال­های اخیر برای بهره­مندی از مزایای هر دو نوع تهویه، سیستم­های تهویه­ای ایجاد شده­اند که تکنولوژی تهویه طبیعی و مکانیکی را با یکدیگر ترکیب می­نمایند. عناوین "تهویه دوگانه" (در بریتانیا) و "تهویه هیبریدی" (پس از پروژه هایب ونت[1]) برای این سیستم­ها  به کار می­روند و با وجود تفاوت­هایی در نحوه عملکرد دو نوع تهویه، معمولا معادل یکدیگر و با مفهوم کلی تهویه ترکیبی (ترکیب تهویه طبیعی و مکانیکی) به کار می­روند.

 

 

حدود آسایش در ساختمان­های با تهویه طبیعی

مطالعات انجام شده در زمینه آسایش، کاربرد محدوده آسایش حرارتی متداول PMV[2] را برای ساختمان­های با تهویه طبیعی مناسب نمی­دانند(Busch, 1992; Lin, 2002). دماهای آسایش در ساختمان‌های با تهویه طبیعی تحت تاثیر تغییر انتظارات حرارتی افراد که خود متاثر از سطوح بالاتر کنترل و طیف وسیع‌تر تجربیات حرارتی این بناهاست، متفاوت می­باشد (Dear, 2002). در شرایطی که گرمایش و سرمایش بناها غیر مکانیکی است، مدل فنگر[3] واکنش نسبت به گرما را بالاتر و نسبت به سرما را پایین­تر نشان داده و منطقه آسایش را محدودتر از واقعیت نشان می‌دهد (Lou, 2007; Dear, 2002). استاندارد آشرا (ASHRAE) مدل آسایش حرارتی تطبیقی را جهت ارزیابی آسایش در بناهای با تهویه طبیعی با نام "استاندارد آسایش تطبیقی" [4]ACS، پیشنهاد کرده و بهینه دمای آسایش را برای تهویه طبیعی در رابطه با دمای هوای خارجی ماهانه در نظر می­گیرد. با توجه به تفاوت­های منطقه­ای و فرهنگی، میزان تطابق بیولوژیکی با شرایط آب و هوایی متفاوت بوده و این محدوده از منطقه­ای به منطقه دیگر متفاوت است. به همین دلیل انجام پژوهش­هایی جهت تعیین صحیح شرایط آسایش در هر منطقه ضروری و مختص آن می­باشد.

 

پتانسیل تهویه طبیعی

پتانسیل تهویه طبیعی،NVP[5]  به عنوان امکان ایجاد کیفیت قابل قبول هوای داخلی و آسایش حرارتی تنها با استفاده از تهویه طبیعی تعریف می­شود(Yang, 2005; Lou, 2007; Germano, 2002). از آنجا که استفاده از تهویه طبیعی به عوامل مختلفی بستگی دارد، برای کاربرد کارامد آن، وجود سه عامل اقلیم مناسب، سایت مناسب و ساختمان مناسب لازم است. به این مفهوم که در برخی موارد علیرغم وجود نیروهای محرکه لازم برای تهویه و متناسب بودن مقادیر آنها از نظر کمیت، وجود برخی موانع کاربرد تهویه طبیعی را با مشکل مواجه می­سازند. از جمله این موارد می­توان مکان­هایی را نام برد که با وجود میزان مطلوب نیروی باد و ویژگی­های مناسب ساختمان در رابطه با تهویه، میزان آلودگی هوا یا آلودگی صوتی در سایت مورد نظر در سطح بالایی است. همچنین در برخی موارد، رعایت نکات امنیتی ساختمان و قوانین کنترل ورود و خروج، با استراتژی های کاربرد تهویه طبیعی تناقض دارد. به این ترتیب پتانسیل تهویه طبیعی می­تواند با موانع کاربرد آن تغییر یابد. در این پژوهش پتانسیل سرمایشی تهویه طبیعی مدنظر است. بدیهی است در صورت تناسب شرایط اقلیمی برای کاربرد سرمایشی تهویه طبیعی، باید موارد کیفی سایت را نیز مدنظر قرار داد.

 

پهنه­بندی اقلیمی براساس پتانسیل تهویه طبیعی

با توجه به مطالب عنوان شده، اهمیت و ضرورت ایجاد پهنه­بندی اقلیمی براساس پتانسیل تهویه طبیعی، به عنوان کمکی موثر در طراحی ساختمان مطرح می­شود. به این ترتیب برای یافتن تقسیم­بندی اقلیمی متناسب با ساختمان و کارامد برای معماران، در صورتی که اصلاحاتی در روش محاسبات روز گرمایش و سرمایش خلیلی ، صورت پذیرد، می­توان به نتایج صحیح مطابق با شرایط هر منطقه و قابل کاربرد در ساختمان های با تهویه طبیعی دست یافت. این اصلاحات شامل ویرایش محدوده آسایش حرارتی متناسب با هر منطقه و نیز توجه به تاثیر رطوبت نسبی خواهد بود. با این همه، چنین روشی نمی‌تواند میزان توانایی هر منطقه را برای کاربرد تهویه طبیعی در ساختمان نشان دهد. با توجه به مطالب فوق لزوم تقسیم­بندی اقلیمی بر اساس میزان پتانسیل تهویه طبیعی و محدوده آسایش حرارتی ساختمان‌های با تهویه طبیعی مشخص می­شود. بر همین اساس می­توان پهنه­بندی اقلیمی براساس مناطق با قابلیت کاربرد تهویه طبیعی ساده، تهویه طبیعی پیشرفته، تهویه هیبریدی و تهویه مکانیکی ارائه کرد. موارد زیر از دلایل عمده ضرورت ایجاد پهنه­بندی اقلیمی بر اساس پتانسیل تهویه طبیعی است:

-  تفاوت در محدوده آسایش حرارتی مناطق مختلف

-  تفاوت در میزان نیروهای محرکه باد در مناطق مختلف

-  تفاوت در عناصر پایه­ای اقلیم (تابش، دمای هوا، رطوبت، نزولات جوی)

مطابق جدول (1)، می­توان دریافت که در تقسیم‌بندی‌های اقلیمی گنجی، عدل، ثابتی، ریاضی، کسمایی و خلیلی، تنها آخرین مورد (تفاوت در عناصر پایه‌ای اقلیم) مدنظر قرار گرفته است. علاوه بر این از میان عناصر اقلیم نیز فقط دو عنصر دما و بارش مطرح شده و تاثیر پتانسیل باد برای تهویه طبیعی بررسی نشده است. در حالی که در صورت استفاده بنا از تهویه طبیعی، امکان­سنجی این راهکار پیش از طراحی ضروری است. ایجاد پهنه­بندی اقلیمی براساس پتانسیل تهویه این تخمین را برای طراح میسر می‌سازد. با اعمال تقسیم­بندی جدید بر گونه ساختمان متداول در هر منطقه، می­توان به شناسایی مواقعی از سال پرداخت که تهویه طبیعی ساده، پیشرفته و هیبرید، می­تواند شرایط مطلوب را در محدوده آسایش حرارتی جدید مطابق هر منطقه فراهم نماید. با توجه به تغییر این محدوده در طول سال و بر اساس سرعت متوسط باد در هر ماه، می­توان پتانسیل تهویه طبیعی را برای گونه ساختمانی متداول منطقه محاسبه نمود.

 

روش تحقیق

به منظور آزمودن قابلیت روش پیشنهادی، در این تحقیق یک ساختمان متداول اداری در شهر یزد انتخاب و با استفاده از نرم­افزار انرژی پلاس[6] مدل‌سازی شده است. دمای آزاد ساختمان با توجه به ویژگی­های آن متفاوت بوده و می­تواند بیشتر یا کمتر از دمای هوای خارجی باشد. این دما می­تواند به صورت تجربی محاسبه شود و یا با مدل‌سازی به دست آید. به این ترتیب با احتساب ویژگی‌های ساختمانی و حرارتی متداول برای مدل مورد بررسی، دمای آزاد آن حاصل می­شود. در این پژوهش، دمای آزاد ساختمان نمونه در حالت‌های بدون تهویه، تهویه روزانه، تهویه شبانه، تهویه روز و شب محاسبه شده است. شبیه‌سازی­ها برای دو ماه آوریل و ژوئیه به عنوان دو ماه نمونه با شرایط دمایی به ترتیب معتدل و گرم صورت گرفته و در محاسبه میزان درجه ساعت اختلاف از محدوده آسایش تطبیقی هر ماه مورد استفاده قرار گرفته است.

 

نمونه تحقیق و شبیه‌سازی‌ها 

فضای مدل­سازی شده، اتاقی به ابعاد 4/5×2/7 متر و ارتفاع 2/3 متر با جهت­گیری شمالی- جنوبی، پنجره جنوبی با نسبت شیشه­کاری 23%، سایبان به عمق 9/0 متر، مصالح با توده متوسط و بار حرارتی داخلی متوسط است. در نمونه مورد آزمایش، از ویژگی­های معماری ساخت و سازهای متداول استفاده شده تا قابلیت تعمیم به موارد بسیاری را دارا باشد. در جدول (2)، محدوده آسایش حرارتی تطبیقی شهر یزد در دو ماه آوریل و ژوئیه بر اساس معادلات آسایش حرارتی، برای ساکنان ساختمان­های با تهویه طبیعی محاسبه شده است. مبنای این معادلات براساس پژوهش­های میدانی انجام شده توسط حیدری و بر پایه متوسط دما و رطوبت ماهانه خارجی است (حیدری، 1384).

 

 

جدول شماره 2- محدوده آسایش حرارتی تطبیقی شهر یزد در دو ماه آوریل و ژوئیه

محدوده آسایش حرارتی تطبیقی [°C]

متوسط رطوبت نسبی [%]

متوسط دمای هوای خارج [°C]

دمای خنثی

[°C]

معادله آسایش حرارتی [°C]

ماه

20.38-27.38

31

20

23.88

Tn = 12.767+ 0.5552To

ماه آوریل

25.95-32.95

15.42

31.87

29.45

Tn = 19.3+ 0.3187To

ماه ژوئیه

 

 

نتایج آزمایش و بحث

اشکال (1) و (2) نتایج شبیه­سازی را به صورت دمای آزاد ساعتی ساختمان، برای دو ماه آوریل و ژوئیه نشان می‌دهند. در هر ماه دمای آزاد ساختمان در حالت های بدون تهویه، تهویه روزانه، تهویه شبانه و تهویه روز و شب نشان داده شده است. در هر مورد، پتانسیل استفاده از تهویه طبیعی می­تواند به صورت نسبت ساعت‌های در محدوده آسایش به کل ساعات اشغال فضا و یا به صورت درجه ساعت سرمایش (اختلاف با حد نهایی آسایش) در دو حالت با استفاده از تهویه و بدون آن، بیان شود. در ماه آوریل، در صورت عدم استفاده از تهویه دمای آزاد ساختمان در همه ساعات بالاتر از حد بالای آسایش در این ماه (27.38 درجه) است. این مساله با توجه به بار حرارتی ایجاد شده در ساختمان توسط افراد و تجهیزات، منطقی است. در صورت استفاده از تهویه روزانه دمای آزاد ساختمان تنها در ساعات محدودی خارج از محدوده آسایش حرارتی قرار خواهد گرفت. در حالت­های استفاده از تهویه شبانه و تهویه شبانه روز، ساعات عدم آسایش بسیار کمتر خواهد بود. در ماه ژوئیه نیز دمای آزاد ساختمان بدون تهویه در همه ساعات بالاتر از حد بالای آسایش (95/32 درجه) است. با استفاده از تهویه روزانه نیز در بسیاری اوقات دمای ساختمان خارج از حد آسایش است. در صورت استفاده از تهویه شبانه و یا تهویه شبانه‌روز، ساعات عدم آسایش کاهش بسیار یافته و به ترتیب معادل 243 و 254 ساعت خواهد بود. به این ترتیب پتانسیل تهویه طبیعی یزد در دو ماه فوق برای ساختمان­های اداری متداول قابل محاسبه است.

جدول (3)، مقادیر درجه ساعت سرمایش مورد نیاز را در حالت­های بدون تهویه و با استفاده از آن در دو ماه مورد بررسی نشان می­دهد. به این ترتیب در ماه آوریل در صورت عدم استفاده از تهویه میزان نیاز به سرمایش 7856/88 درجه ساعت است. در صورت استفاده از تهویه روزانه، شبانه و تهویه شب و روز این میزان به ترتیب به 18/129، 73/25 و 68/6 درجه ساعت سرمایش کاهش خواهد یافت.

 

 

 

 

شکل شماره 1- دمای آزاد ساختمان در ماه آوریل

 

 

شکل شماره 2- دمای آزاد ساختمان در ماه ژوئیه

 

جدول شماره 3- پتانسیل کاربرد تهویه طبیعی ساختمان اداری در شهر یزد در دو ماه آوریل و ژوئیه

مناسبترین نوع تهویه

درجه ساعت سرمایش با تهویه روز و شب

درجه ساعت سرمایش با تهویه شبانه

درجه ساعت سرمایش با تهویه روزانه

درجه ساعت سرمایش بدون تهویه

ماه

تهویه روز و شب

68/6

73/25

18/129

88/7856

آوریل

تهویه روز و شب

81/348

23/523

83/3360

97/13285

ژوئیه

 

 

نتیجه­گیری

انواع مختلف تقسیم­بندی­های اقلیمی، با اهداف متفاوت تهیه می­شوند. بنابراین در هر نوع تقسیم­بندی با توجه به مولفه­هایی معین در راستای هدف، برخی عوامل مدنظر قرار نمی­گیرد. لذا ممکن است یک تقسیم­بندی برای هدفی مناسب و برای هدف دیگر مناسب نباشد. بسیاری از تقسیم­بندی­های اقلیمی، بر مبنای عناصری چون پوشش گیاهی، میانگین ماهانه دما و بارندگی سالانه، توسط گیاه‌شناسان و جغرافی­دانان صورت گرفته است. با توجه به آنکه در تصمیم­گیری­ها و طراحی­های معماری، براساس نوع اقلیم، تصمیماتی در طراحی اجزای ساختمان و سیستم‌های مکانیکی اعمال می­گردد، وجود پهنه­بندی مناسب اقلیمی و شناسایی صحیح ویژگی­های اقلیمی محل ساختمان، از اهمیت بسزایی برخوردار است.

در این مقاله انواع تقسیم­بندی­های اقلیمی ایران در رابطه با ساختمان و اهداف معماری مدنظر قرار گرفته و با توجه به کاستی­های موجود در این تقسیم­بندی‌ها، لزوم ایجاد پهنه­بندی اقلیمی با توجه به محدوده آسایش حرارتی مناسب در ساختمان­های بهره­مند از تهویه طبیعی مطرح ­شده است. از جمله کاستی­های سیستم­های تقسیم­بندی موجود در کاربردهای طراحی ساختمان، می­توان به عدم توجه به تفاوت در محدوده آسایش حرارتی و میزان نیروهای محرکه باد در مناطق مختلف اشاره کرد. با توجه به اهمیت کاربرد تهویه طبیعی به عنوان یکی از کارامدترین روش­های سرمایش ساختمان، در این مقاله روشی نوین جهت ایجاد
پهنه­بندی جدید اقلیمی ایران با توجه به محدوده آسایش حرارتی تطبیقی و بر مبنای پتانسیل تهویه طبیعی پیشنهاد گردیده است. بدین منظور میزان پتانسیل تهویه برای یک ساختمان متداول اداری در شهر یزد در دو ماه نمونه معتدل و گرم با استفاده از نرم‌افزار انرژی پلاس شبیه­سازی و محاسبه شده است. با توجه به جهت وزش و مقادیر متفاوت سرعت باد در ماه­های مختلف، میزان پتانسیل تهویه طبیعی در هر ماه متفاوت است. مقایسه تطبیقی رفتار حرارتی ساختمان در چهار حالت بدون تهویه، تهویه روزانه، تهویه شبانه و تهویه روز و شب بهترین استراتژی تهویه و میزان آن را در هر ماه نشان می­دهد. به این ترتیب با انجام شبیه­سازی­های مشابه، در سایر شهرها میزان روز- درجه سرمایش و گرمایش منطبق بر واقعیت در ساختمان های با تهویه طبیعی حاصل می­شود. با اعمال این روش بر گستره ایران، می­توان براساس نوع تهویه و میزان آن (پتانسیل تهویه) به دسته­بندی شهرهای مشابه پرداخته و به پهنه­بندی اقلیمی نوینی بر مبنای پتانسیل تهویه طبیعی دست یافت.

لازم به ذکر است که میزان پتانسیل تهویه طبیعی برای ایجاد سرمایش نه تنها به ویژگی­های اقلیمی بلکه به ویژگی‌های ساختمان نیز بستگی دارد. با توجه به تاثیر ویژگی­های ساختمان در رفتار حرارتی آن، پتانسیل بهره‌گیری از تهویه در یک ساختمان اداری نسبت به ساختمان مسکونی متفاوت است. علاوه بر تفاوت در میزان پتانسیل تهویه طبیعی با توجه به نوع کاربری، زمان­های مطلوب جهت کاربرد تهویه نیز متفاوت می­باشد. به این ترتیب جهت دستیابی به نتایج دقیقتر می­توان به ایجاد پهنه‌بندی اقلیمی متناسب با کاربری­های مختلف (مسکونی، آموزشی، اداری و...) پرداخت. اعمال این روش بر گستره ایران، با ارائه تصویری مطابق با واقعیت از پتانسیل­های موجود تهویه طبیعی، کمکی مفید به معماران جهت طراحی ساختمان­هایی بهره­مندی از تهویه طبیعی بوده و حداقل نیاز به سیستم­های سرمایش مکانیکی و کاهش مصرف انرژی را به دنبال خواهد داشت.



2. Predicted mean vote

4. Adaptive Comfort Standard

 

1. HybVent

[3]. Fenger

5. Natural Ventilation Potential

 

1. Energy Plus

  1. Adl, A.H., 1960, Climatic classifications and plan species of Iran, Tehran University Publications, Tehran, 36144 pages.
  2. Awbi, H.B., 1998, Ventilation of Buildings, E & FN SPON, London and New York.
  3. Ayali, H., 2005, Revision on climatic classification in Iran and the world. Civilization and Building, No.23, pp. 79-84.
  4. Busch JF., 1992, Tale of two populations: thermal comfort in air conditioned and naturally ventilated office in Thailand. Energy and Buildings, No.18, pp. 235–249.
  5. Danielsson, P.O., 1988, Displacement ventilation, a spearding disease or a blessing? Proceding of 2nd international symp. On ventilation for contaminant control, London, pp. 471-480.
  6. De Dear R, Brager G., 2002, Thermal comfort in naturally ventilated buildings: revision to ASHRAE Standard 55. Energy and Building, No.34, pp. 549–561.
  7. Faraji, A., 2007, Weather and Climatology, Fifth print, Karno Publications, Tehran, 322 pages.
  8. Farajzadeh, M., Ahmadabadi, A., 2010, Investigation and classification of Iran using truism climatic index (TCI). Natural Geographical Research, No.71, pp. 31–42.
  9. Fisk, W. J., Mendell, M. J., Daisey,others, 1993, Phase 1 of the California Healthy Building Study: a Summary, Indoor Air, No. 3, pp. 246-254.
  10. Germano M, Roulet C-A, Allard F, et al., 2002, Potential for natural ventilation in urban context: an assessment method. In: Proceedings of the 23rd conference of the air infiltration and ventilation control, AIVC, Lyon, France, vol. 2, pp. 519–525.
  11. Heidari, H., Alijani, B., 1999, Climatic classification of Iran based on multifactor analysis method. Geographical Research, No.37, pp. 57–74.
  12. Heidari, SH., 2005, Energy efficiency in building based on new thermal comfort standard in Iran, First print, Ministry of Energy Publications, Tehran, 150 pages.
  13. Heidarinejad, G., Heidarinejad, M., Delfani, SH., Esmaeelian, J., 2008, Feasibility of using various kinds of cooling systems in a multi-climates country, Energy and Buildings, No.40, pp. 1946–1953.
  14. Jafarpur, A., 2009, Climatology, Sixth print, Tehran University Publications, Tehran, 372 pages.
  15. Kasmayi, M., Ahmadinezhad, M., 2006, Climate and Architecture, Second print, Khak Publications, Tehran, 324 pages.
  16. Kaviyani, M.R., 1993, Climatic classification of Iran: Houses and settlements, First print, Housing and Urban Development Research Center Publications, Tehran, 356 pages.
  17. Kaviyani, M.R., Alijani, B., 2011, Basics of Climatology, Twelfth print, Samt Publications, Tehran, 592 pages.
  18. Khalili, A., 2003, Proposal of a climatic classification system for Iran based on heating and cooling demands. Third conference for energy conservation in buildings, Iranian fuel conservation company, Tehran, pp. 70–83.
  19. Li, Y., Delsante A., 2001, Natural ventilation induced by combined wind and thermal forces. Building and Environment, No.36, pp. 59–71.
  20. Luo, Z., Zhaoa, J., Gaoa, J., Heb, L., 2007, Estimating natural-ventilation potential considering both thermal comfort and IAQ issues, Building and Environment, No.42, pp. 2289–229.
  21. Mojarad, F., Javadi, B., 2010, Classification of Iran based on minimum temperatures. Geography and Environmental Planning, No.39, pp. 83–106.
  22. Musavi, F., Musavi Baygi, M., Alizadeh, A., Kamali, GH., 2004, Weather and Climatology, Seventh print, Mashhad Ferdowsi University, Mashhad, 392 pages.
  23. Olgyay, V., 1969, Design with Climate, bioclimatic approach to architectural regionalism, Princton University, New Jersey.
  24. Queens Burger, A.H., 1989, Guidelines for climatic design, translated by Kasmayi, M., Housing and Urban Development Research Center Publications, Tehran, 487 pages.
  25. Riyazi, J., 1977, Climate and comfort in building, First print,           Housing and Urban Development Research Center Publications, Tehran, 285 pages.
  26. Robertson, A.S., 1985, Comparision of health problems related to work and environment measurements in two office buildings with different ventilation systems, Br. Med. Journal., No. 291, pp. 373-376.
  27. Sabeti, H., 1969, Investigation of Iran’s living climates, Tehran University Publications, Tehran, 226 pages.
  28. Seppänen, O., Fisk, J., 2002, Association of ventilation system type with SBS symptoms in office workers, Indoor Air, No.12, pp. 98-112.
  29. Torabi, S., Jahanbakhsh, S., Alijani, B., Shafiee, Kh., 2001, Climatic classification of Iran: application of multifactor method. Geographical Research, No.39, pp. 57–74.
  30. Zweers, T., Preller, L., Brunekreef, others, 1992, Health and Indoor Climate Complaints of 7043 Office Workers in 61 Buildings in the Netherlands, Indoor Air, No.2, pp. 127-136.