نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
1 پژوهشگر دوره دکتری، دانشگاه علم و صنعت ایران
2 دکتری معماری، استادیار، دانشگاه علم و صنعت ایران
چکیده
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [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]
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.