بام شیبدار

بام شیبدارReviewed by Roco on Jan 20Rating: 4.5بام شیبدار

 

 

مقدمه
 

در گذشته آسایش حرارتی از طریق طراحی ساختمان و تعداد معدودی از تجهیزات ساختمانی ایجاد می شد و انتخاب فرم پوسته مناسب یکی از شیوه های مورد توجه در معماری بود. چنین شرایطی در دهه ۱۹۶۰ بسیار دگرگون شد و تامین گرمایش و سرمایش و روشنایی ساختمان از طریق تجهیزات مکانیکی و استفاده از سوخت های فسیلی جنبه ای محوری و اصلی به خود گرفت . متعاقب بحران انرژی ایجاد شده از این طریق در سال های پیشین و آلودگی های محیط زیستی، مجددا بهترین حالت گرمایش و سرمایش، توجه به طراحی ساختمان و استفاده از انرژی های پاک شد. در این شرایط، طراحی اجزای معماری به صورت مناسب می تواند، به تامین آسایش حرارتی درون محیط و در پی آن کاهش انرژی مصرفی ساختمان منجر شود. در میان این اجزا, ساختمانی، بام که نقش اساسی در تبادل حرارتی دارد اغلب نادیده گرفته شده است.

زندگی بشر از ابتدا در تمام ادوار تاریخ رابطه مستقیمی با چگونگی تولید و مصرف انرژی داشته است. گردش چرخ تکنولوژی مرهون انرژی و مصرف آن است. محدود بودن ذخایر سوخت های فسیلی وهم چنین آلودگی های زیست محیطی ناشی از سوزاندن ان ها باعث گسترش مباحث مربوط به محیط زیست، انرژی و از دغدغه های بشر امروزی شده است(۱). در این میان میزان مصرف انرژی در بخش ساختمان به اندازه ای زیاد است که صرفه جویی هر چند ناچیز در این بخش بر میزان شدت انرژی و بهره وری منابع، تاثیر درخور توجهی خواهد داشت. متاسفانه در کشور ایران هنوز تلاش جدی و موثری در این زمینه انجام نشده است. براساس اظهار نامه اداری سال ۲۰۰۲ ایران ،ساخت و سازها بیش از یک سوم  کل مصرف انرژی رابه خود اختصاص می دهند (۲). بنابراین نقش اصلی معمار در دست یابی به هدف استفاده بهینه از انرژی غیر قابل انکار است.جستجو و تحقیق  درمورد روش های مختلف برای استفاده از انرژی های تجدید پذیر با استفاده از منابع انرژی پاک مانند انرژی خورشیدی و بهره بردن از روش های دقیق طراحی برای عناصر سازه ای نه تنها معماران ایرانی را ملزم به رعایت آن ها می کند، بلکه تمامی معماران باید بر روی این موضوع تمرکز کنند.

در میان این اجزا، بام یکی از اجزا اصلی ساختمان است که عموماَ مورد بی مهری طراحان معماری است. با بررسی عملکرد حرارتی، بام ساختمان و پیگیری تغییرات آن ها در ساعات و فصول مختلف می توان به راهکار هایی موثر در جهت اصلاح طراحی اجزا دست یافت و متوجه شد که چنین عنصر معماری تا چه اندازه در اتلاف انرژی بنا یا صرفه جویی غیر مستقیم انرژی، به خصوص در محیط های شهری موثر است(۳). مقاله پیش رو مطالعه بر روی رفتار حرارتی فرم سقف بر اساس دمای متوسط تشعشعی درون محیط زندگی که از عوامل آسایش حرارتی است، در سقف های شیب دار منازل مسکونی شهر کرج درنیمه شمالی کشور ایران و در غرب پایتخت ایران (تهران)، می باشد.هم چنین در این مقاله از روش مشابه سازی محاسباتی به عنوان روش تحقیق کار استقاده شده است که در آن متغیرها مدل سازی شده، بر اساس چهار تیپ سقف در زوایای مختلف آنالیز ومحاسبه شده اند.

 

 

 

 

 

 

 

روش تحقیق

 

۱- اهداف تحقیق: با توجه به محدود بودن ذخایر سوخت های فسیلی و پیامدهای  محیط زیستی و اقتصادی استفاده بی رویه از آن ها و هم چنین موقعیت جغرافیایی ایران که امکان دریافت قابل توجهی انرژی تابشی را ممکن می سازد، طراحی معماری مناسب می تواند با استفاده ازراه کارهای سامانه های غیر فعال، به کاهش انرژی مصرفی نهایی در بخش ساختمان منجر شود . یکی از بخش های مورد مطالعه طراحی ساختمان، بخش مربوط به اجزای آن مانند سقف می باشد که نقش مهمی در کاهش میزان استفاده از انرژی را در ساخت و سـاز بـازی می کند(۴).

با توجه به منطقه مورد مطالعه(مهرشهر کرج) و استفاده از سقف های شیب دار در این منطقه به صورت غالب ،هدف این مقاله دست یابی به فرم بهینه سقف با توجه به زاویه بهینه سطح سقف جنوبی در دریافت انرژی از طریق محاسبه میزان دمای متوسط تشعشعی است که یکی از عوامل اصلی آسایش حرارتی فرداست.

مقاله پیش رو در پی پاسخ به پرسش های زیر می باشد.

۱-ایا ارتباطی بین فرم سقف و تامین آسایش حرارتی با توجه به دمای متوسط تشعشعی وجود دارد؟

۲-زاویه بهینه سقف در تامین آسایش حرارتی با توجه به دمای متوسط تشعشعی کدام است؟

 

 

 

 

۲- روش گرد آوری داده ها

روش تحقیق بر اساس مشابه سازی و مدل کامپیوتری بنا شده است. به این دلیل که تحقیق در مورد سقف های شیب دار و بررسی رفتارهای حرارتی بر حجم آن ها در مقیاس واقعی امکان پذیر نیست، بنابراین با مدل سازی  کامپیوتری در مساحت کف ثابت ، سقف ها با یک دیگر مقایسه شده اند. روش های به کاربرده شده در این پژوهش، روش عددی – مقایسه ای هستند. این مقاله از روش مشابه سازی کامپیوتری برای متغیرهای تحقیق استفاده می کند. مشابه سازی کامپیوتری محیط مجازی مشابهی را با منطقه مورد نظر ایجاد می کند تا رفتار حرارتی اجزا و عناصر  ساختمان ها را بتوان در آن ها مطالعه کرد. از مزایای این روش طراحی می توان به قدرت پیش گویی نزدیک به واقعیت این شبیه سازی ها قبل از ساخت هر پروژه اشاره کرد و این روش به معمار امکان آن را می دهد که در هر مرحله با اطمینان از نرم افزارها یک روش بازخوردی قابل قبول را برای رسیدن به هدف نهایی خود اتخاذ نماید(۳).  همچنین این نرم افزارها برای هر منطقه و هر ساختمانی قابل استفاده می باشند(۵).

در این تحقیق از نرم افزار انرژی پلاس ورژن ۸ برای مشابه سازی استفاده شده است. این نرم افزار یک موتور مشابه سازی مستفل برای تحلیل رفتار حرارتی است که خروجی های انرژی بسیار زیادی را در مقایسه با سایر نرم افزارهای مشابه شامل می شود. تمامی مدل ها در این نرم افزار مشابه سازی شده اند. این مقاله به موضوع تامین آسایش حرارتی محیط ازطریق سقف بر اساس دمای متوسط تشعشعی می پردازد، در حالی که مقدار آن را بر اساس درجه سانتی گراد محاسبه می شود. به دلیل این که نرم افزار انرژی پلاس محیط بصری برای مشاهده مدل های مورد تحقیق ندارد، ابتدا آن ها را در نرم افزار رویت سال ۲۰۱۴ مشابه سازی شده است پس از ان به نرم افزار اکوتکت ورژن ۲۰۱۲ وارد شده(SAVE AS IDF FILE) و پس از ورود داده ها به نرم افزار انرژی پلاس تحلیل های عددی در ان انجام شده است. پس از آن محاسبات عددی و نمودارهای مربوطه در نرم افزاراکسل ۲۰۱۴  انجام شده است . داده های آب و هوایی بر اساس شهر کرج بررسی می شود که در غرب تهران، پایتخت ایران قرار دارد .

 

 

 

 

 

  1. بام و کنترل دمایی فضا

یکی از عواملی که نقش تعیین کننده  بر میزان مصرف انرژی سالیانه یک ساختمان دارد،دمای متوسط فضاهای کنترل شده است. در اوقات سرد سال، فضاهای کنترل شده  دمای بین ۱۸-۲۰ درجه سانتی گراد دارند، که متاسفانه به دلیل الگوی مصرفی غلطی که در کشور ما حاکم است و عدم استفاده از راهکارهای موثر در پوسته بنا، در اغلب موارد، دمای فضاهای کنترل شده بیش از ۲۵ درجه سانتی گراد است، در صورت تغییر دمای مبنای داخل و در نظر گرفتن ۲۰ درجه سانتی گراد به جای ۲۵ درجه سانتی گراد ، روز –درجه گرمایش بین ۴۸-۷۰ درصد تغییر خواهد کرد. وضعیت مشابهی در اوقات گرم سال نیز وجود دارد. در این حالت باید تلاش گردد دما در حدود ۲۸ درجه سانتی گراد باقی بماند. تاثیر این تغییرات قابل ملاحظه است (۶). دراین راستا،علاوه بر اصلاح الگوی مصرف می توان با تعبیه راه کارهای مناسب در پوسته ساختمان به ویژه بام تا حد زیادی به نتیجه مطلوب دست یابیم. طراحی مناسب و اجرای پوسته خارجی با رفتار حرارتی مطلوب موجب تاخیر در انتقال و نفوذ گرما از خارج به داخل سقف در تابستان و از داخل به خارج سقف در زمستان خواهد شد که این امر باعث می گردد دمای داخل ثابت و نیاز به گرمایش و یا سرمایش کاسته شود. هم چنین طراحی مطلوب در جداره افقی ساختمان باعث می شود که حرارت ناشی از تابش نیـز به داخل ساختمان نفوذ نکند. بنابراین دریافت انرژی خورشیدی از جـداره ها (در این مقاله سقف و زاویه آن )و اثر بر دمای هوای محیط، موثر بر میزان دمای متوسط تشعشعی می باشد.

 

 

 

 

 

  1. فرم ساختمان و دمای متوسط تشعشعی

ساختمان از چندین منبع انرژی دریافت می کند: ساکنان(وسایل) ساختمان، خورشید و نورپردازی. وسایل گرمایی و سایر وسایلی که انرژی مصرف می کنند پایان پذیرند. خورشید به وضوح مهم ترین منبع انرژی های پایان ناپذیر است.اشعه های خورشیدی به صورت مستقیم ،اشعه های پراکنده واشعه های منعکس شده دریافت می شوند که به سه حالت مختلف تابش، همرفت، هدایت منتقل می شود(۴).

مقدار دمای متوسط تشعشعی  یکی از عوامل آسایش حرارتی برای فرد است که ارتباط مستقیمی با میزان اشعه دریافتی و فاصله آن دارد.در واقع دمای متوسط تشعشعی از متوسط دمای سطوح مختلف در یک فضا با توجه به ضرایب دید از آن سطوح به دست می اید که درآن میزان انتقال انرژی بستگی مستقیم به اختلاف دمای دو سطح دارد(۷). بنابراین عوامل دمای محیط، سرعت هوا ،وضعیت اقلیم محلی، موقعیت خورشید، جهت گیری و زاویه خارجی اجزای ساختمان، اعم از بدنه(نما)، سقف و… همچنین انعکاس سطوح خارجی، ظرفیت حرارتی و مساحت سطح (حجم) و.. از عواملی هستند که بر دمای متوسط تشعشعی تاثیر می گذارند.

علاوه بر این در راه حل های غیر فعال (پسیو) در ارتباط با  ذخیره انرژی، برخلاف شکل اکتیو آن، طراحی خلاقانه معماری نقش مهمی در ارتبــاط بـا ضـرورت ملاحظات انـرژی بـازی می کند. در این مورد ،اولین قدم شامل حجم و فرم ساختمان می باشد. اولین چالش برای روبه رو شدن، در واقع استفاده از امکانات طبیعی برای افزایش دریافت انرژی و نوع ساختمان و پوشش است(۵). مقاله پیش رو ابتدا  فرم ساختمان ها رامشابه سازی و مدل می کند و با تاکید بر زاویه سقف شیب دار اثر آن بر دمای متوسط تشعشعی را مطالعه کرده و در نهایت نتایج را تحلیل وزاویه بهینه سقف را با توجه به دمای متوسط تشعشعی گزارش می دهد.

 

 

 

نتیجه گیری : امروزه بحران مصرف انرژی، کاهش سوخت های فسیلی و آلودگی محیط زیستی ناشی از آن، پژوهش گران تمامی زمینه ها را به ارایه راه کاری برای پاسخ به این چالش ها واداشته است. موضوع ساخت و ساز که یکی از پرمصرف ترین حوزه ها در زمینه مصرف انرژی می باشد. معماران را بر آن داشته تا به فکر راه حل هایی برای کاهش مصرف انرژی در زمینه طراحی ساختمان ها باشند. یکی از راه حل هایی که امروزه بیش از دیگر راه ها مورد توجه قرار گرفته است، استفاده از سامانه های غیر فعال می باشد. واقع طراحان بر این باورند که توجه به طراحی مناسب و استفاده از حداکثر انرژی پاک برای تامین انرژی مصرفی ساختمان بهترین راه حل برای کاهش استفاده از انرژی های تجدیدپذیر می باشد. در این میان طراحی اجزای ساختمان اهمیت می یابد. به طور خاص در این پژوهش جز, بام و توجه به فرم بهینه آن از منظر دمای متوسط تشعشعی و در پی آن تامین اسایش حرارتی محیط درون مورد تحلیل قرار گرفت. با توجه به انواع فرم های سقف در منطقه مورد طراحی(شهر کرج) که دارای اقلیمی کوهستانی است، نیاز گرمایشی در این منطقه در اولویت است. پژوهش حاضر ۱۶ نوع سقف در ۴ تیپ مختلف با زوایای مختلف را که اغلب در این منطقه مورد استفاده قرار گرفته اند،مورد تحلیل و مشابه سازی کامپیوتری قرار داد. از ارزیابی حاصل از تحلیل ها به صورت کلی می توان به این نتیجه رسید که سقف ۳-۴۵(gable-45) بهترین کارکرد را با توجه به دمای متوسط تشعشعی  در مساحت کف ثابت نسبت به سایر سقف ها، برای آسایش حرارتی افراد دارا می باشد،زیرا بالاترین دما را در فصل های سرد سال و بهترین دما را در فصل های گرم دارا بوده است. از این جهت نیاز گرمایشی ساختمان را به انرژی های الکتریکی کاهش می دهد. هم چنین این دما عوامل دیگر آسایش حرارتی مانند رطوبت ، دمای محیط ، سرعت هوا و …. را در خود دارد، بنابراین با به دست آوردن دمای متوسط تشعشعی مناسب ،شرایط آسایش حرارتی فرد در داخل محیط به دست آمده است. البته با توجه به این که دماهای به دست آمده همیشه در محدوده آسایش حرارتی قرار ندارند و نیاز به وسایل سرمایشی و گرمایشی در برخی از ماه های سال احساس می شود، با طراحی صحیح و بهینه می توان امکان استفاده از این وسایل ومصرف انرژی را به حداقل رساند. در انتها با مقایسه عددی میان  سقف  gable 45  با بهترین کارایی در دو فصل و میانگین عمل کرد حرارتی سایر سقف ها در زمستان نمودار زیر به دست آمده است.