بررسی اثار تابش آفتاب و جریان باد بر ساختمان

خورشید به عنوان منشأ گرمای کره ی زمین و منبع همه ی انواع انرژی یکی از مهمترین پدیده های طبیعی است که می تواند در طراحی اقلیمی نقشی تعیین کننده داشته باشد.

مقدار انرژی تابشی جذب شده توسط یک سطح به عوامل مختلفی نظیر موارد زیر بستگی دارد  :

• وضعیت آسمان
• موقعیت خورشید
• ارتفاع محل مورد نظر

قانون کسینوس بیان می کند که مقدار تابش دریافتی توسط یک سطح با افزایش زاویه نسبت به  حالت نرمال کاهش می یابد.

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.

تابش خورشید در ساعات مختلف متفاوت است ، بنابراین جهت گیری سطوح مختلف در  میزان جذب انرژی نیز تاثیرات متفاوتی دارد .

طبق قانون کسینوس سطوح افقی در تابستان بیشترین و در زمستان کمترین مقدار پرتو مستقیم  آفتاب را دریافت می کنند . این مقدار در زمستان حتی کمتر از مقدار تابشی است که دیوارهای جنوب شرقی و جنوب غربی در این فصل دریافت می کنند .

سطوح شیب دار با جهت شرقی ـ غربی در تابستان مقدار پرتو بیشتری نسبت به  زمستان دریافت می کنند . سطوحی که شیب آنها به طرف جنوب است در زمستان  بیشترین مقدار پرتو را نسبت به سایر سطوح دریافت می کنند  ، اما سطوحی که شیب  آنها به طرف شمال است در تمام فصل های سال کمترین مقدار پرتو آفتاب را دریافت  می کنند.

نمودار مسیر خورشید ، نشان می دهد که تنها جهت گیری معنی دار برای قرار گرفتن در معرض خورشید در زمستان، جهت جنوب است. در تابستان، قرار گرفتن در معرض شرق و غرب بدترین حالت برای گرمای بیش از حد است.

موثرترین عامل در تعیین حرارت ایجاد شده در یک سطح ، رنگ آن سطح است .  میزان حرارت ایجاد شده بر اثر تابش در سطوح مختلف با میزان روشنی رنگ آنها رابطه عکس دارد .

هرچه سطح زبر تر و ناصاف تر باشد ، مقدار انرژی بیشتری جذب می کند ، چرا که در سطوح صیقلی بیستر پرتوهای تابش شده منعکس می شود . بنابراین در مناطقی که شدت تابش آفتاب زیاد است ، استفاده از بافت صاف با رنگ روشن مناسب است .

سقف و دیوارهای جانبی ساختمان , فضای داخلی آن را از محیط اطرافش جدا می سازد  و بدین طریق از تاثیر مستقیم عناصر اقلیمی مانند دما و رطوبت هوا ، باد , تابش  آفتاب ، برف و باران بر فضای داخلی آن جلوگیری می کند . ولی در هر صورت هر یک  از این عوامل از طریق تاثیر بر جداره های خارجی ساختمان ، هوای داخلی آن را تحت  تاثیر قرار می دهند .

ظرفیت حرارتی عبارت است از مقدار گرمایی که یک جسم می تواند در خود ذخیره کند که با وزن  مخصوص و گرمای ویژه رابطه مستقیم دارد . هرچه ظرفیت حرارتی بیشتر حرارت با سرعت کمتری  از خارج به داخل ساختمان انتقال می یابد.

مقاومت حرارتی یک جسم عبارت است از مقاومتی که جسم در برابر انتقال حرارت از یک طرف به طرف دیگر خود ایجاد می کند. برای مقاومت حرارتی دیوارها و سقف حد مطلوبی وجود دارد . بدین معنی که افزایش مقاومت حرارتی بیش از این حد تاثیر چندانی در کنترل و تعدیل شرایط حرارتی هوای داخل ندارد. به عبارت دیگر تاثیر افزایش مقاومت حرارتی در صرفه جویی انرژی به صورت تصاعد نزولی است. در مناطقی که تغییرات فصلی و روزانه دمای هوا بسیار زیاد است استفاده از ظرفیت و مقاومت حرارتی بالا ضروری است.

عایق حرارتی سیستم مرکبی است که انتقال گرما را از محیطی به محیط دیگر به طور  موثر کاهش می دهد . در مواردی عایق حرارت می تواند علاوه بر کاهش انتقال حرارت ، توانایی های دیگری نیز مانند باربری ، صدابندی و..... داشته باشد .

بام هر ساختمان به دلیل افقی بودن آن تاثیر پذیر ترین جزء ساختمان در برابر  عوامل اقلیمی است. آن چنان که تابش آفتاب در تابستان و بارش برف و باران در  زمستان بیشتر بر بام ساختمان اثر می گذارند تا سایر اجزای ساختمان . در مناطق سرد و یا در فصل زمستان ، بام ساختمان عمده ترین عامل اتلاف حرارت هوای داخل است .

ارتفاع اتاق می تواند تاثیر بسیاری در شرایط حرارتی داشته باشد ، هرچه ارتفاع اتاق کمتر باشد ، انرژی کمتری برای برای گرم و سرد کردن آن لازم است .  در مناطق گرم و مرطوب به خاطر نیاز به تهویه، ارتفاع اتاق ها بلند در نظر گرفته می شود . به این صورت که هوای گرم به دلیل سبکی به بالا صعود می کند و هوای خنک جای آن را می گیرد . ارتفاع زیاد اتاق ،گرما را از سطح ارتفاع قد انسان بیشتر دور می کند .

تاثیر جهت پنجره در دمای هوای داخل بیشتر به وضعیت سایبان آن پنجره  بستگی دارد  :

• یعنی اگر پنجره سایبان مناسب داشته باشد و اتاق از تهویه طبیعی برخوردار باشد ، تاثیر جهت پنجره در دمای هوای داخل کمتر می شود .
• اگر پنجره ها بدون سایه بان موثر باشند و تهویه نیز در اتاق صورت نگیرد ، تغییرات هوای داخلی به  شدت به جهت پنجره ها بستگی خواهد داشت .

بهترین جهت برای پنجره ها ، جهت جنوبی ساختمان است ، چرا که :

• در زمستان که خورشید مایل می تابد ، می توان تابش را به داخل کشید و از آن بهره جست .
• در تابستان به دلیل عمودی تر بودن زاویه تابش پرتوهای خورشید ، تابش آفتاب به داخل را نخواهیم داشت.

عملکرد سایه بان ها  :

سایه بان ها می توانند از پنجره در برابر تابش آفتاب حفاظت کرده و علاوه بر تامین دید آسمان ، نور را منعکس کرده و خیرگی را کاهش دهند . از دیگر وظایف  سایه بان می توان به کنترل و تنظیم تهویه طبیعی اشاره نمود .

سایه بان ها را می توان به لحاظ موقعیت قرارگیری ، دائمی یا موقتی بودن استفاده از آنها به دو صورت طبقه بندی کرد:

الف- انواع سایبان از لحاظ موقعیت قرار گیری :

• 1- سایه بان های داخلی
• 2- سایه بان های خارجی

ب- انواع سایبان از لحاظ دائمی یا موقتی بودن

• 1- سایه بان های ثابت
• 2- سایه بان های متحرک

 تاثیر باد بر ساختمان  :

در اقلیم های سرد و گرم و خشک برای جلوگیری از انتقال حرارت باید تا حد ممکن از وزش باد جلوگیری کرد.  ورود و یا خروج هوا در ساختمان از منافذ و مجراهایی غیر از محل های پیش بینی شده جهت تعویض هوا ، را نشست هوا می گویند. هرچه وزش باد سریعتر باشد ، تهویه و نشست هوا بیشتر خواهد شد . در نتیجه تبادل حرارت همرفتی نیز بیشتر خواهد شد .

موقعیت پنجره و تاثیر آن در وضعیت تهویه طبیعی  :

مهمترین اصل ایجاد شرایط تهویه موثر و قابل استفاده این است که بازشوها در دو سمت رو به باد و پشت به باد قرار داشته باشند .

مناسب ترین تهویه برای پنجره های مقابل هم زمانی انجام می شود که جهت وزش باد نسبت به سطح پنجره مایل باشد . بر خلاف باور عمومی وجود دو پنجره رو به باد و پشت به باد کاملا مقابل هم و عمود بر جهت باد همیشه مناسب نیست .

اگر پنجره ها مجاور هم باشند زمانی وضعیت تهویه مطلوب است که جهت باد عمود بر پنجره رو به باد باشد اما در بسیاری از اقلیم ها تعبیه پنجره در شرق و غرب ساختمان به خاطر تابش نامطلوب آفتاب میسر نیست . در این حالت می توان ساختمان را 45 درجه به سمت جنوب چرخاند تا ساختمان از تهویه طبیعی مناسب برخوردار شود .

بهترین نوع پنجره از نظر هدایت جریان هوا به سمت ارتفاعات مورد نظر ، پنجره هایی هستند که حول یک محور افقی که در وسط قاب قرار دارد به طرف بالا یا پایین باز می شوند .

اصول جریان هوا عبارتند از:

1) سرعت باد در سطح زمین به دلیل اصطکاک کمتر است و هرچه از سطح زمین بالاتر می رویم سرعت باد نیز بیشتر می شود .

2) باد در برخورد با مانع جهت خود را حفظ می کند ، بنابراین باد موانع را دور می زند .

3) باد همواره از مناطق با فشار بالا به مناطق کم فشار تر جریان می یابد .

• ضرورت حفاظت از ساختمان در برابر باد :

جریان باد می تواند گرمای زمین و ساختمان را از روی آنها جارو و دور کند.  بنابراین در مناطق سرد ، برای حفظ آسایش حرارتی در محوطه های باز و در داخل ساختمان ، محافظت از ساختمان و فضای باز اطراف آن در برابر باد از جمله اقدامات ضروری است.

بادشکن ، عنصری طبیعی یا مصنوعی است که مانع وزش باد و یا موجب تغییر جهت باد می شود . مانند دیوارها , انبوه گیاهان و ....