استفاده از گرمای خورشید در معماری ( 145 اسلاید )

در معماری اقلیمی ، میتوان از تابش گرمایی خورشید به چند منظور استفاده کرد :

• اول : استفاده از گرمای خورشید در زمان های سرد سال و پرهیز از آن در زمان های گرم سال به شیوه ای غیر فعال و با کمک گرفتن از طراحی معماری
• دوم: استفاده از گرمای خورشید به عنوان انرژی جایگزین برای تولید گرما یا الکتریسیته به روش فعال که معمولاً با استفاده از مبدل های انرژی انجام می شود

استفاده از تابش گرمایی خورشید به شیوه ی غیر فعال به دو صورت امکان پذیر است :

• 1-دریافت مسقیم
• 2- دریافت غیر مستقیم

مهم ترین روش استفاده از گرمای خورشید روش دریافت مستقیم است. در این روش وضعیت سایه و آفتاب و شدت تابش خورشید کنترل می شوند ، به طوری که  در مناطق و زمان های گرم با استفاده از سایه و همچنین انتخاب مصالح و جهت گیری مناسب ساختمان از شدت گرمای دریافتی کاسته شده و در مناطق و زمان های سرد با بهره گیری از تابش آفتاب و طراحی مناسب و انتخاب مصالح مناسب آسایش حرارتی تامین می شود.

گام اول : کنترل تابش مستقیم خورشید به کمک کنترل سایه و آفتاب

گام اول برای کنترل تابش مستقیم خورشید، کنترل سایه و افتاب متناسب با نیازهای آسایش گرمایی در روزهای سرد و گرم سال است. در این مرحله هدف آن است که طراحی معماری به گونه ای باشد که  در روزهای گرم از تابش مستقیم خورشید به ساختمان و خصوصاً نفوذ آن به فضاهای داخلی جلوگیری شود و در روزهای سرد ساختمان به خوبی در معرض تابش قرار گرفته و به طور طبیعی گرم شود.

گام دوم : کنترل تابش مستقیم خورشید به کمک کنترل شدت تابش

گام دوم کنترل شدت تابش خورشید بر ساختمان است. به عبارت دیگر با کنترل زاویه ی تابش اشعه ی خورشید به پوسته ی ساختمان پتانسیل دریافت تابش در روزهای گرم و سرد متناسب با آسایش گرمایی مورد نیاز کنترل می شود.

این مرحله شامل دو مورد زیر می باشد :

• الف - تعیین جهت و نحوه ی استقرار ساختمان در زمین و همسایگی های آن
• ب- انتخاب مصالح ، رنگ و جنس نمای پوسته ی خارجی ساختمان مانند دیوارها و بام

میزان تابشی که به یک سطح می رسد به دو مورد زیر بستگی دارد :

• شدت اشعه ی تابشی خورشید
• زاویه ی تماس اشعه با سطح

-هر چه شدت تابش خورشید بیشتر و زاویه تابش نسبت به سطح قائم تر باشد ، میزان دریافت تابش و در نتیجه گرمای تولید شده روی سطح بیشتر خواهد بود .

-هر چه زاویه ی تابش اشعه ی خورشید به سطح مایل تر باشد ، میزان گرمای تولید شده در سطح کمتر خواهد بود. زیرا نسبت شدت تابش به سطح توزیع اشعه کاهش می یابد و در نتیجه به هر واحد سطح گرمای کمتری می رسد.

-در طراحی دو عامل اصلی میزان تابشی را که به سطح می رسد ،  کنترل می کنند :

• اول - جهت قرارگیری سطح نسبت به خورشید که تعیین کننده ی زاویه ی برخورد اشعه به سطح است.
• دوم - مساحت سطح زیر تابش

-به همین دلیل است که باید در اولین مراحل طراحی تصمیم های لازم درباره ی جهت استقرار و کشیدگی افقی یا عمودی ساختمان گرفته شود. مناسب ترین طراحی آن است ، که ساختمان نسبت به خورشید در جهتی قرار داده شود که بیشترین گرما را در روزهای سرد و کمترین گرما را در روزهای گرم از آن دریافت کند. این جهت را میتوان جهت بهینه نامید .

-همچنین بهتر است فرم ساختمان طوری باشد که بیشترین سطح نما و بیشترین فضاها در جهت بهینه قرار بگیرند .

-جذب انرژی خورشیدی توسط سطوح خارجی ساختمان ، موجب افزایش دمای جداره نسبت به دمای محیط میشود که آن را دمای خورشید و هوا می نامند.

-این افزایش بستگی به موارد زیر دارد :

• رنگ و جنس جداره
• شدت تابش خورشید
• اثر خنک کنندگی جریان هوای پیرامون ساختمان
• و کاهش حرارتی ناشی از تابش ساختمان به محیط خنک اطراف

-سطوح زیر تابش یکی از سه خاصیت انعکاس ، جذب یا عبور را از خود بروز می دهند .

-افزایش دمای اجسام کدر در اثر جذب اشعه ی خورشید به چند عامل بستگی دارد که عبارتند از :

• شدت تابش (که بستگی به زاویه ی اشعه ی تاییده شده به جسم دارد )
• ضریب جذب
• مقاومت لایه ی هوای مجاور سطح

-با در نظر گرفتن خاصیت جذب ، انعکاس و عبور سطوح می توان در مورد انتخاب مصالح روکار تصمیم گیری کرد.  سطوح جاذب گرما در زمان های سرد و سطوح دور کننده ی گرما در زمان های گرم مناسب هستند.  میتوان از خاصیت جذب ، انعکاس ، تبخیر و عبور سطوح مختلف در انتخاب مصالح نما، مصالح بام، مصالح فضاهای باز یا فضاهای عمومی که برای رفت و آمد عابرین پیاده طراحی می شوند ، استفاده کرد.

-سطح آب و سطح فضاهای سبز گرمای خورشید را جذب می کند ، ولی آن را به گرما تبدیل نمی کند . یعنی بر خلاف مصالح  ساختمانی که تابش خورشید را جذب کرده و به صورت گرما به محیط بازتابش می کنند و در نتیجه دمای محیط را بالا می برند. فضاهای سبز و سطوح پوشیده از آب به شکل کاهنده ی گرما عمل می کنند .

روش دریافت غیر مستقیم :

روش دیگر استفاده ی غیرفعال از گرمای خورشید، بهره گیری از دریافت های غیر مستقیم است. در روش دریافت غیر مستقیم معمولاً از دیوار جذب و انباشت حرارت ، بام های حوضچه ای، یا بام سبز استفاده می شود. روش دیگر استفاده از دریافت مجزا است .

الف - دیوار جذب و انباشت حرارت

دیوارهای جذب و انباشت دارای یک جدار شیشه ای رو به جنوب ، برای دریافت انرژی خورشیدی در زمستان و یک جرم جذب کننده ی حرارت در پشت شیشه و به فاصله ی ۱۰ سانتی متر یا بیشتر از آن ، برای جذب حرارت روی سطح خارجی ، انباشت حرارت در حجم و سپس توزیع آن به کمک سطح داخلی خود هستند .

در دیوارهای جذب و انباشت یک جدار شیشه ای رو به جنوب (آفتاب) قرار می گیرد. در زمستان نور خورشید به آن می تابد. پشت این شیشه جسمی وجود دارد که خازن حرارت است و گرما را در خود ذخیره می کند .

ب- بام های حوضچه ای

در بام های حوضچه ای ، جرم جذب کننده ی حرارت روی بام ساختمان قرار داده می شود .  این روش هم برای گرمایش در زمستان و هم برای سرمایش در تابستان کاربرد دارد.  در روش بام های حوضچه ای یک جرم جذب کننده ی حرارت که ممکن است قلوه سنگ یا سطح پوشیده از آب باشد ، روی سطح بام قرار داده می شود.  اگر از آب به عنوان جرم جذب کننده ی حرارت استفاده شود ، استخرهای کوچک یا کیسه های پلاستیکی به صورت لایه های نازکی روی بام قرار می گیرند که از آنها هم برای سرمایش در تابستان و هم برای گرمایش در زمستان استفاده می شود.

پ- بام سبز

بام سبز نیز به روشی مشابه عمل میکند با این تفاوت که در بام سبز به دلیل وجود گیاهان ، گرمای جذب شده به جای آن که به حرارت تبدیل شود صرف عمل فتوسنتز در گیاه می شود . به همین دلیل سطوح سبز و سطوح پوشیده از آب به عنوان کاهنده های گرما شناخته می شوند و از آنها برای کاهش اثر جزیره ی گرمایی در شهرها و کاهش دمای محیطی استفاده می شود.

• هدف از کنترل سطوح سایه و آفتاب :

هدف از کنترل سطوح سایه و آفتاب ، استفاده از بیشترین سطوح آفتاب گیر در زمان های سرد سال و بیشترین سطوح سایه دار در زمان های گرم سال است که موجب بهبود شرایط گرمایی و کنترل دمای محیط می شود.

• نقش سایه و آفتاب در تعیین جهت و ابعاد معابر :

روش های مختلفی برای کنترل سطوح سایه و آفتاب وجود دارد. یکی از این روشها تعیین جهت و ابعاد مناسب برای معابر است. به گونه ای که در روزهای گرم ، سایه دار و در روزهای سرد ، آفتاب گیر باشند. در معابر میتوان با انتخاب جهت مناسب یا کم و زیاد کردن عرض و ارتفاع دیوارهای معبر ، در تابستان سایه ی مورد نیاز را تامین و در زمستان ، معبر را به شکلی آفتاب گیر طراحی کرد.

• نقش سایه و آفتاب در انتخاب فرم ساختمان :

بحث دیگری که باید مورد توجه قرار گیرد،  انتخاب فرم مناسب ساختمان است. به طور کلی در اقلیم های دارای زمستان های سرد باید از ایجاد شکستگی های حفره مانند در جبهه های شمالی یا زمین های شیب دار که در مقایسه با سایر جبهه ها کم ترین گرما را در طول سال دریافت می کنند ، پرهیز کرد . وجود شکستگی های نامناسب در جبهه ی شمالی ساختمان موجب ایجاد مناطق همیشه سایه (محروم از آفتاب زمستانی ) در روزهای سرد می شود که در صورت رخ دادن یخبندان و وزش بادهای سرد زمستانی در این قسمت ها تله ی سرما و یخچال طبیعی به وجود می آید .

• نقش بازشو و سایبان های آن در کنترل سایه و آفتاب :

-یک ساختمان با توجه به این که در چه جهتی قرار گرفته باشد ،کشیدگی اصلی آن رو به چه جهتی باشد، در جبهه های مختلف خود مقادیر مختلفی گرما از آفتاب دریافت میکند. جبهه های مختلف ساختمان شرایط متفاوتی از نظر دریافت گرمای خورشید دارند. جبهه ی رو به جنوب و جهت های نزدیک به آن معمولاً بهترین شرایط استفاده از گرمای خورشید را در روزهای گرم و سرد دارند.

-با توجه به زوایه های تابش خورشید ، ایجاد سایبان مناسب برای بازشوهای این جبهه ساده تر از سایر جبهه ها است.  با توجه به هدف اصلی معماری همساز با اقلیم یعنی دریافت بیشترین گرمای خورشید در روزهای سرد و پرهیز از آن در روزهای گرم ، شرایط مطلوب زمانی برآورده میشود که ساختمان در روزهای گرم در سایه قرار بگیرد و کمترین گرما را دریافت کند و در روزهای سرد به طور کامل آفتاب گیر باشد.

-در جبهه های شمالی ساختمان با توجه به زوایه های تابش خورشید در کناره ی بازشوها به تیغه های قائم نیاز است. بسته به عرض بازشو ، عمق تیغه ها تغییر میکند. به این ترتیب پنجره های جبهه ی شمالی ساختمان دارای ارتفاع زیاد و عرض کم هستند و تیغه های عمودی آنها را از یکدیگر جدا می کنند  .

- جبهه های شرقی و غربی ، سخت ترین جبهه ها از نظر کنترل سایه و آفتاب هستند. با توجه به این که آفتاب در هنگام طلوع و غروب با شعاع نسبتاً افقی به این جبهه ها می تابد، در مقابل پنجره به سایبان قائم نیاز است. این سایبان مانع از ورود نور شده و دید و منظر را نیز می بندد  . بهترین راه ، استفاده از سایبان های متحرک است که در ساعات تابش مستقیم آفتاب ، جلوی پنجره را می گیرند و در بقیه ی زمان ها میتوان آنها را کنار زد.

روش های کنترل حرارت بازتابشی در معماری :

کنترل حرارت بازتابشی از دیگر مواردی است که در طراحی معماری همساز با اقلیم باید به آن توجه شود. در این جا به دو نمونه از روش های کنترل حرارت بازتابشی در معماری اشاره می شود  :

• الف - استفاده از مصالح برای کنترل حرارت بازتابشی
• ب- استفاده از فضاهای گلخانه ای و آتریوم

-استفاده از مصالح خازن حرارت با قابلیت تأخیر حرارتی در جبهه های آفتاب گیر ، موجب کاهش نوسان دمای روزانه در داخل ساختمان می شود. برای مثال در یک منطقه ی سردسیر ، با کم کردن عمق سایبان ، آفتاب زمستان به نما می تابد. بخشی از آن از شیشه ی پنجره وارد ساختمان می شود و مستقیماً هوای اتاق را گرم می کند . بقیه ی آن نیز در مصالح خازن به کار رفته در نما ذخیره میشود. گرمای ذخیره شده در مصالح از یک طرف به محیط سرد بیرون بازتابش میکند و دمای محیط حیاط را بالا می برد و از طرف دیگر با تأخیر حرارتی به داخل ساختمان نفوذ می کند و هوای داخل آن را نیز گرم میکند. به این ترتیب نوسان دما در حیاط و اتاق کاهش می یابد و ثبات حرارتی بهتری ایجاد می شود  .

-روش دیگر برای کنترل انتقال حرارت در دریافت های مستقیم ، استفاده از فضاهای گلخانه ای و آتریوم است.

-گلخانه ها به دلیل خاصیت شیشه ، اشعه ی مستقیم خورشید را که دارای طول موج کوتاه است از خود عبور می دهند . اشعه ی وارد شده جذب مصالح و اشیاء داخلی می شود و آنها را گرم می کند و به شکل تابش موج بلند به محیط داخلی بازتابش میکند . به دلیل کدر بودن سطح شیشه نسبت به تابش موج بلند ، گرمای بازتابشی موجود در پشت شیشه حبس می شود و نمی تواند از آن خارج شود و به این ترتیب باعث گرم شدن فضای گلخانه ای و دیگر فضاهای داخلی می شود.

-گلخانه ی مرکزی که امروزه به آن آتریوم می گویند ، در معماری فضاهای بزرگ بسیار متداول است.

-فضاهای آتریومی می توانند در دل ساختمان ، خرد اقلیم های متعادل ایجاد کنند و از نوسان زیاد دمای روز و شب یا زمستان و تابستان جلوگیری کنند. علاوه بر این این فضاها امکان ورود نور روز را نیز به بخش های مرکزی و تاریک ساختمان فراهم می کنند . به بیان دیگر فضاهای داخلی به کمک آتریوم های مرکزی نور و هوای متعادل دریافت می کنند.

برای دیدن لیست کامل مطالب داخل این پاورپوینت قسمت "اطلاعات بیشتر" را ملاحظه نمائید.

منبع اولیه و اصلی تهیه پاورپوینت :

فایلی با عنوان " نقش طراحی معماری در کاهش مصرف انرژی -نور روز در معماری " تهیه شده توسط گروه بین المللی ره شهر - که فایل پی دی اف منبع ، نیز همراه با پاورپوینت برای دانلود قرار داده شده است .