مقدمه

اقلیم یا آب و هوا، نوع هوای غالب یک محل معین در درازمدت بوده و در کوتاه مدت تغییرآن ناممکن است. ایران بین عرض جغرافیایی 25 تا 45 درجه شمالی واقع شده است و با توجه به موقعیت جغرافیایی و ویژگی های آب و هوایی، دارای اقلیم های مختلفی است. این موضوع سبب شده است تا یکی از معیارهای مهم در طرح و اجرای ساختمان ها، توجه به ویژگی های آب و هوایی مناطق مختلف باشد و درنتیجه باعث تنوع در معماری و به کارگیری مصالح ساختمانی در اقلیم های مختلف شده است. همچنین در به کارگیری وسایل حرارتی و برودتی در این اقلیم ها محدودیت ها و مطلوبیت های مختلفی وجود دارد.

معماری ساختمان در اقلیم های مختلف موضوع بسیاری از تحقیقات در زمینه ساختمان بوده است. اسکافیلد بارهای حرارتی و برودتی یک ساختمان نمونه را در جهت گیری های مختلف برای 25 شهر مختلف ایالات متحده با استفاده از نرم افزار BLAST محاسبه نموده است. او مشاهده نموده است که در تمام شهرها وقتی جدار حاوی پنجره زیاد در جهت جنوب باشد، بارهای کل بطور قابل ملاحظه ای کم­تر از حالتی است که این جداره به سمت شرق یا غرب جهت گیری شده باشد. همچنین جهت گیری شمالی نیز دارای بارهای کل کمتر از شرق یا غرب در جنوب ایالات متحده می باشد. تغییرات بار بیشینه نسبت به جهت گیری به پارامترهایی همچون 1- سطح کل پنجره و توزیع آن 2- اندازه سایبان های پنجره و 3- اینرسی حرارتی بستگی دارد(1). ماتوز و همکارش روشی ساده برای طراحان ساختمان ارایه نموده اند که بتوانند توسط آن تغییرات دمای هوا در ساختمان هایی که به­صورت طبیعی تهویه می شوند و تغییرات بارهای حرارتی و برودتی محسوس در ساختمان های تهویه شده را تخمین بزنند. آن ها در این روش جهت گیری ساختمان و رنگ جداره ها را نیز مد نظر قــرارداده اند(2). نقش ویژگی های اقلیمی ساختمان های مسکونی در تامین بهینه گرمایش و سرمایش توسط براتی(3) مورد مطالعه قرار گرفته است. وی ضمن معرفی برخی از مهم ترین ویژگی های الگوی بهینه اقلیمی مساکن در اقلیم های گرم و مرطوب، سرد قطبی و عرض متوسط، به ارایه راهکارهای باز آفرینی و تکامل مساکن در شهرهای کوچک و روستاهای مناطق اقلیمی گرم و خشک ایران برای تامین گرمایش و سرمایش در فضای درونی ساختمان و درنتیجه صرفه جویی در مصرف سوخت های فسیلی  پرداخته است. وی بر به­کارگیری مصالح جدید از یک سو و سبک های بومی یا کهن از سوی دیگر تاکید نموده است.

با توجه به این که بالغ بر بیش از  83000 واحد آموزشی در سراسر کشور وجود دارد، بهینه‌سازی مصرف سوخت در آنها صرفه‌جویی زیادی را امکان پذیر می‌نماید(4). صرفه‌جویی انرژی مصرفی مدارس، هر قدر هم اندک باشد به­خاطر تعداد زیاد مدارس منجر به ذخیره انرژی فسیلی زیادی می‌گردد.

سبزپوشانی و همکاران(5) تاثیر جهت گیری و مشخصات پوسته خارجی ساختمان بر انرژی اکتسابی خورشیدی ورودی به داخل ساختمان را بررسـی نمــوده اند. آن ها با مدل سازی یک دفتر کار نمونه، انرژی برخوردی به جداره های ساختمان را به­صورت تابعی از موقعیت خورشید نسبت به سطح زمین، موقعیت جغرافیایی منطقه موردنظر روی زمین، جهت گیری جداره ها، شرایط و اقلیم آب و هوایی منطقه و ساختار زمین آن منطقه محاسبه و مقایسه نموده اند. براساس نتایج به­دست آمده در اقلیم های آب‌وهوایی مختلف، به منظور کاهش مصرف انرژی سالیانه توصیه‌هایی برای جهت گیری و پوسته مناسب ارایه نموده اند.

در این تحقیق به بررسی تاثیر جهت گیری ساختمان یک واحد آموزشی نمونه با شرایط هندسی و فیزیکی یکسان در اقلیم های آب و هوایی مختلف بر میزان بارهای حرارتی و برودتی پرداخته شده است. بدین منظور با استفاده از نرم افزار کریر بارهای حرارتی و برودتی محاسبه و با مقایسه آن­ها در جهت های مختلف، جهت مناسب برای هر اقلیم توصیه شده است.

روش بررسی

وابستگی شکل ساختمان به اقلیم

شکل و هندسه ساختمان می‌تواند تاثیر مهمی در هماهنگ نمودن ساختمان و اقلیم و همچنین در انتقال شرایط بحرانی هوای خارج به داخل ساختمان داشته باشد. برای پی بردن به تاثیر شرایط گرمایی (دمای هوا و شدت تابش خورشیدی) بر شکل و هندسه ساختمان های هر منطقه، باید اهمیت هریک از عوامل یاد شده مشخص شوند.

در تعیین مناسب ترین شکل ساختمان باید به این نکته توجه نمود که بهترین شکل ساختمان، شکلی است که در زمستان کم­ترین مقدار حرارت را از دست بدهد و در تابستان نیز کم­ترین مقدار حرارت را از خورشید و محیط اطرافش کسب نماید.  با توجه به معماری پلان در این مورد، ساختمانی با پلان مربع بهترین شکل شناخته شده است، چراکه چنین شکلی کم­ترین سطح خارجی را در برابر بیشترین حجم ارایه می‌دهد. البته این نظر بیشتر در مورد ساختمان های قدیمی که عموماً پنجره‌هایی کوچک داشته و به همین دلیل نفوذ آفتاب به داخل آن ها قابل چشم‌پوشی است صادق می باشد و در مورد ساختمان های معاصر با شیشه خور زیاد نمی‌توان چنین نظری داشت. به نظر پروفسور ” اولگی” بهترین شکل ساختمان را باید با توجه به تاثیر دمای هوا و تابش آفتاب بر هوای داخلی ساختمان  تعیین نمود. وی تاثیر این دو عامل را بر دمای سطح داخلی دیوارها از طریق محاسبه انتقال حرارت مشخص و نتیجه‌گیری نموده است که هنگامی که مقدار حرارت انتقال یافته از اضلاع یک ساختمان با اندازه اضلاع رابطه معکوس داشته باشد، شکل ساختمان ایده‌آل خواهد بود. به عبارت دیگر، در یک شکل ایده‌آل اضلاعی که بیشتر در معرض تاثیر تابش آفتاب و دمای هوا قرار دارند کوچک­تر هستند. به­طور کلی سردی هوا باعث فشردگی ساختمان و شدت زیاد تابش آفتاب باعث کشیدگی ساختمان در جهت محور شرقی- غربی می‌گردد(6).

جهت گیری مناسب ساختمان

به­طور کلی جهت گیری ساختمان به عواملی همچون وضعیت طبیعی زمین، میزان نیاز به فضاهای خصوصی، کنترل و کاهش صدا و نیز دو عامل باد و تابش آفتاب بستگی دارد. همچنین تلاش مهندسان معمار در طراحی پلانهای ساختمان به­نحوی است که بتوانند بیشترین استفاده از نور خورشید را در خصوص شرایط گرمایی و غیره داشته باشند. همان­گونه که فصول مختلف سال در نتیجه تغییر محور زمین نسبت به خورشید از یکدیگر متمایز هستند، از دید معماری نیز یک ساختمان تحت تاثیر انرژی تابیده شده به دیوارهای آن در ساعات مختلف قرار داشته و لذا بارهای حرارتی و برودتی آن تابعی از جهت­گیری آن است. به عنوان مثال در عرض جغرافیایی 40 درجه شمالی، در زمستان یک دیوار جنوبی سه برابر یک دیوار شرقی یا غربی انرژی خورشید را دریافت می‌کند. در صورتی که در تابستان مقدار کل انرژی تابیده شده به دیوارهای شمالی و جنوبی نصف انرژی تابیده شده به دیوارهای شرقی و غربی است. در عرض­های جغرافیایی کم­تر حتی این اختلاف شدیدتر بوده و به همین دلیل جهت گیری ساختمان به­خوبی می‌تواند تعیین کننده شرایط ناراحت کننده یا شرایط آسایش هوای داخلی باشد.

فلیکس ماربوتین با محاسبه شدت تابش آفتاب در فصول و در جهات مختلف به نتایج ذیل دست یافت(6):

1-      برای ایجاد بهترین شرایط گرمایی در داخل ساختمان، گرم در زمستان و سرد در تابستان، لازم است نمای اصلی ساختمان به طرف جنوب قرار داده شود.

2-      نمای جنوب شرقی و جنوب غربی گرچه نظم بهتری از نظر دریافت تابش آفتاب دارد اما در تابستان گرم­تر و در زمستان سردتر از نمای جنوبی می‌شود.

3-      دیوارهای شرقی و غربی در تابستان گرم­تر و در زمستان سردتر از دیوارهای جنوبی، جنوب شرقی و جنوب غربی می‌شود.

در کلیه نظریه­هایی که در مورد ارتباط جهت ساختمان و تابش ارایه گردیده، جهت جنوبی بهترین جهت برای ساختمان قلمداد شده است. البته این جهت بدون شک باعث حصول بیشترین انرژی خورشیدی در زمستان و کم­ترین آن در تابستان می گردد، لیکن در این نظریه تغییر دمای هوا در ساعات مختلف روز و همچنین نیاز به گرمای آفتاب در صبح و عدم نیاز به آن در عصر مورد توجه نبوده و در انتخاب جهت ساختمان دخالت داده نشده است. از آن­جا که دمای هوا و تابش آفتاب تواماً در شرایط گرمایی هوای داخل ساختمان تاثیر می گذارند، برای استفاده مطلوب از نور خورشید در ساختمان، باید تاثیر گرمایی نور خورشید مورد توجه قرار گرفته و تاثیر کلی از نظر تغییر دمای هوای داخل نسبت به منطقه آسایش در نظر گرفته شود.

از طرف دیگر اهمیت تابش آفتاب به نوع اقلیم منطقه و فصول مختلف سال بستگی دارد. در شرایط اقلیم سرد استفاده از حداکثر انرژی خورشیدی مورد توجه بوده و لذا ساختمان باید در جهتی قرار گیرد که بیشترین تابش را دریافت کند. برعکس، در اقلیم گرم جهت ساختمان باید به­نحوی باشد که شدت تابش آفتاب به دیوارهای آن به حداقل رسیده و نیز امکان نفوذ مستقیم اشعه خورشید به فضاهای داخلی وجود نداشته باشد.

به­طور کلی در مناطق سردسیر و در عرض های جغرافیایی زیاد که هوا اغلب سرد است، ساختمان باید در جهتی قرارگیرد که حداکثر انرژی خورشید را در طول سال دریافت نماید. اما در مناطق گرم و در عرض های جغرافیایی کم جهت ساختمان باید به­نحوی باشد که کم­ترین انرژی خورشیدی سالانه را دریافت نماید.

تقسیمات اقلیمی در ایران

اساساً اقلیم در بسیاری از مناطق دنیا به وسیله عرض جغرافیایی و ارتفاع از سطح دریا تعریف می‌شود. ایران با قرارگرفتن در بین عرض جغرافیایی 25 تا 45 درجه شمالی در منطقه گرم قرار گرفته و از نظر ارتفاع نیز فلاتی است مرتفع که مجموع سطوحی از آن که ارتفاعشان از سطح دریا کم­تر از 475 متر است، درصد بسیار کمی از ایران را تشکیل می‌دهد. با آن که ایران دارای دو حوزه آبی بزرگ دریای خزر و خلیج فـــارس می باشد، اما به دلیل وجود و نحوه قرارگیری رشته کوه های البرز و زاگرس اثرات این دو حوزه مربوط به نواحی نزدیک به آن ها بوده و به­ندرت این حوزه‌ها اثری در تعدیل هوای قسمت های داخلی ایران داشته‌اند.

مبنای کار محققان در مورد تقسیمات اقلیمی در ایران روش کوپن می باشد. در روش کوپن منظور از تعیین مشخصات اقلیمی مشخص ساختن نقاطی است که اگر از حیث آب وهوا کاملا با هم یکسان نیستند و با هم تطابق ندارند، اما لااقل تا حدی با هم تشابه دارند. البته به دلیل کمبود اطلاعات درباره شرایط آب و هوایی در ایران و به دلیل موقعیت استثنایی کشور، استخراج  تقسیمات در پاره ای از موارد با واقعیت موجود همخوانی ندارد.

بی تردید در کشوری کوهستانی مانند ایران دو منطقه هیچ وقت با هم تطابق کامل جغرافیایی ندارند. بنابراین برای این­که پایه‌ای برای تعیین مناطق اقلیمی کشور وجود داشته باشد بهترین طریقه همان روشی است که کوپن معین کرده است و باید به ناچار از آن پیروی کرد، البته باید تغییراتی در آن اعمال نمود تا منظور حقیقی تامین گردیده و مناطقی که دارای آب  و هوای مشابهی هستند تحت یک فرمول مشخص قرار گیرند و معرفی شوند.

بنابراین ما در این جا تقسیمات اقلیمی در ایران را به 6 منطقه آب و هوایی تقسیم می‌کنیم:

1-      اقلیم معتدل و مرطوب ( سواحل جنوبی دریای خزر)

2-      اقلیم سرد (مناطق غرب و شمال غربی )

3-      اقلیم گرم و خشک ( فلات مرکزی )

4-      اقلیم گرم و مرطوب ( سواحل جنوبی ایران )

5-      اقلیم کوهستانی (با حداکثر ارتفاع از سطح دریا )

6-      اقلیم کوهپایه ای (مناطق حاشیه ای در دامنه رشته کوه ها، مناطق بیابانیو نواحی مرزی )

لازم به ذکر است که در این تقسیم بندی از موارد استثنایی که به خاطر وضعیت خاص جغرافیایی ایران، در هرکدام از این مناطق وجود دارد صرف­نظر شده است که می‌توان این موارد را در مطالعات دیگری مورد بررسی قرار داد.

مدل سازی ساختمان مورد نظر

به منظور بررسی تاثیر جهت گیری ساختمان بر میزان بارهای حرارتی و برودتی، ساختمانی با کاربری آموزشی جهت مدل سازی در نظر گرفته شده است. ساختمان مورد نظر، ساختمان یک واحد آموزشی 12 کلاسه نمونه با شرایط هندسی یکسان در اقلیم های مختلف مطابق پلان 1 می باشد.

جدول 1- مساحت جداره های خارجی ساختمان مورد نظر

جدول2- مقادیر ضرایب انتقال حرارت کلی

جدول3- اطلاعات آب و هوایی شهرهای نمونه در اقلیم های مختلف ایران

به منظور تعیین کمینه بار حرارتی و برودتی در این اقلیم ها با استفاده از نرم افزار کریر (8) و تغییر جهت گیری ساختمان بارهای حرارتی و برودتی برای 16 جهت مختلف جغرافیایی با اختلاف زاویه 5/22 مطابق شکل 2 محاسبه شده است.

در ادامه با مقایسه نتایج از نظر حداقل بودن بارهای حرارتی و برودتی، جهت گیری مناسب بررسی و توصیه شده است.

یافته ها و نتایج

به منظور دستیابی به جهت بهینه استقرار ساختمان در اقلیم های مختلف، نتایج حاصل از محاسبات انجام یافته با استفاده از نرم افزار برای 6 شهر نمونه در اقلیم های مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد. مقادیر بارهای حرارتی واحد آموزشی نمونه درشهرهای مختلف و جهت‌های مختلف در شکل 3 مقایسه شده است. همچنین مقادیر بارهای برودتی واحد آموزشی نمونه درشهرهای مختلف و جهت‌های مختلف در شکل 4 مقایسه شده است.

برای مقایسه نسبی بارهای حرارتی و برودتی برحسب جهت گیری ساختمان مورد نظر در هر اقلیم، مقادیر بارها به بیشترین مقدار تقسیم شده است. مقادیر نسبی بارهای حرارتی و برودتی واحد آموزشی مورد نظر در شهرهای مختلف برحسب جهت جغرافیایی در شکل های 5 تا 10 رسم و مقایسه شده است. این نمودارها در ادامه مورد بررسی قرار می‌گیرد.

اقلیم سرد (اردبیل)