تأثیر شکل ساختمان بر کارایی انرژی ساختمان‌های الوار-شیشه‌ای در مناطق با اقلیم گرم

چکیده

کلمات کلیدی

1.مقدمه

2.تأثیر فرم ساختمان بر مصرف انرژی

تصویر 1: ارائه شماتیک مدل‌های خانه مکعب شکل قاب-الواری تحلیل شده

3. مطالعه عددی

3.1 مدل شبیه‌سازی

3.1.1 متغیر پارامتری انتقال گرمایی (مقادیر U)

3.1.2 متغیر پارامتری اندازه پنجره در نماهای جنوبی و شمالی

جدول 1: مقادیر U منتخب پارامتری ال1.60مان‌های پوشش حرارتی و پنجره‌ها

3.1.3 متغیر پارامتری هندسه مدل

3.1.4 داده اقلیمی

3.1.5 دمای محدود (اتاق)

جدول 2: داده اقلیمی برای آتن و سویا

3.1.6 روند محاسبه

3.2 نتایج و مبحث

تصویر 2: مصرف انرژی برای U1=0.100 W/m2k با جهت پنجره به a) جنوب و b)  شمال

تصویر 3: مصرف انرژی برای U2= 0.200 W/m2k با جهت پنجره به جنوب (a) ئ شمال (b)

تصویر 4: مصرف انرژی برای U3=0.300 W/m2k با پنجره در جهت جنوب (a) و شمال (b) 

تصویر 5: دمای محدود برای آتن، مدل A2، AGAW=35%، U1، جنوب

4.نتایج

بهترین اندازه و جهت‌گیری مناسب سطوح پنجره (شیشه‌ای) در ساختمان الوار-شیشه‌ای نقش مهمی با توجه به بهره‌برداری از تابش خورشیدی به عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر برای گرمایش دارد، و در بیشتر موارد فقط در ساختمان‌هایی که در مناطق سرد یا معتدل قرار دارند قابل اجرا هستند. هر چند موقعیت ساختمان‌های الوار-شیشه‌ای در مناطق گرم کاملا متفاوت است، از این رو تقاضای انرژی برای خنکسازی سهم اصلی در مصرف انرژی سالانه دارد. در نتیجه بهترین راه‌حل‌ها در چنین مواردی باید مانع از افزایش گرما شود، که به طور جامع در مطالب علمی در زمینه ساختمان‌های الواری تحلیل شده است. در این مطالعه 216 مدل خانه مکعبی الواری با اندازه‌های مختلف (از نظر اندازه افقی و عمودی و نسبت‌ها، انتقال گرمای اجزاء پوشش ساختمانی، در کنار اندازه مختلف پنجره‌ها و موقعیت آنها در نمای شمالی و جنوبی) تحلیل‌های مجزایی برای مکان‌هایی در آتن و سویا بررسی می‌شود. موقعیت‌های اقلیمی تعمدا انتخاب می‌شوند و دمای متوسط بسیار شبیه به هم اما با تابش خورشیدی متفاوتی هستند. تأثیر پارامترهای توصیف شده درباره مصرف انرژی سالانه به طور دقیق تحلیل می‌شود و می‌تواند به عنوان راهنمای سیستماتیک در طراحی خانه‌های الوار-شیشه‌ای و بعلاوه برای مناطق با اقلیم گرم به کار معماران بیاید.

تغییرات اقلیمی در چند دهه اخیر نه فقط محققان را تشویق به یافتن ریشه‌های آن می‌کند بلکه همچنین به معنای هشدار است و موقعیت اضطراری برای انتقال دلایلشان ایجاب می‌کند و شرایط تأثیر بر محیط را کاهش می‌دهند. بسیاری از تحقیق‌ها نسبت به راه‌حل‌های پایدار و 100٪ تجدیدپذیر در نواحی مختلف انجام شده است. همان طور که ساختمان‌های تجاری و مسکونی تقریبا 40٪ از کل انرژی در ایالات متحده و اروپا را مصرف می‌کنند، راه‌حل‌های بی‌ضرر در ساخت و ساز بناهای مسکونی و عمومی مهم‌ترین کار ما خواهد بود، که راه حل مسئله کل نگر نیاز به تحقیق دارد، و موضوعات رقابتی مانند مصرف انرژی، هزینه‌ها، عملکرد محیطی، استفاده از انرژی تجدیدپذیر باید در نظر گرفته شود (دیاکاکی و دیگران). بعلاوه ترکیب مصالح ساختمانی با ویژگی‌های مصالح مختلف، با توجه به فوائد احتمالی‌شان در ترکیب ساختاری دوگانه ساختمان‌ها، می‌تواند رویکرد نسبتا جدیدی در طراحی ساختمان‌ها با کارایی-انرژی بالا باشد و می‌تواند به جذابیت‌ در معماری و در آن واحد راه‌حل‌های کارایی-انرژی منجر شود. با توجه به توسعه تکنولوژی ویژه و استفاده مناسب، تا زمانی که مربوط به کارایی انرژی می‌شود این روزها الوار و شیشه به مصالح ساختمانی ضروری تبدیل شده‌اند. فقط در دهه‌های اخیر است که الوار دوباره مورد استفاده قرار گرفته است، بخشی از آن به تولید مدرن المان‌های الوار پیش‌ساخته است و بخشی نیز به علت پتانسیل محیطی بالای این ماده ساختمانی طبیعی تجدیدپذیر بر می‌گردد. برعکس شیشه نمی تواند به طور قطع ماده‌ای پایدار در نظر گرفته شود و استفاده طولانی مدت از آن نقطه ضعیف‌تر پوشش ساختمانی از نظر حرارتی به حساب می‌آید. با وجود این تکامل دینامیک پنجره‌ها در دهه‌های اخیر به محصولات شیشه‌ای جداره‌دار با ویژگی‌های فیزیکی ارتقا یافته، مناسب برای عملکرد ساختمان‌های انرژی-کارای مدرن، ختم شده که نه فقط در انباشتگی حرارتی و روشنایی روز سهم دارند بلکه بعلاوه جزیی از مقاومت سازه‌ای هستند. هر چند با توجه به تفاوت قابل توجه در ویژگی مصالح، مانند انتقال گرمایی، ضریب انبساط گرمایی، قدرت، ضریب الاستیسیته، میزان حساسیت به رطوبت و غیره، استفاده ترکیب شده‌شان به شدت پیچیده است، از کارایی انرژی و دیدگاه‌های سازه‌ای، با جنبه دوم مستقر در پنجره به مثابه جزء سازه‌ای حامل بار. در هر صورت ملاحظه تمام مؤلفه‌های مصالح ساختمانی منجر به توسعه نوع جدید سازه‌ها، معروف به ساختمان‌های الوار-شیشه‌ای می‌شود. در چنین ساختمان‌هایی بهترین نسبت و جهت‌گیری مناسب سطوح پنجره (شیشه‌ای) سهم مهمی با توجه به بهره‌گیری از تابش خورشید به عنوان منبع انرژی تجدیدپذیر در استفاده منفعل از انرژی برای گرمایش دارد. مطالعات زیادی تأثیر اندازه پنجره و هندسه ساختمان در مصرف انرژی ساختمان‌ها در اقلیم سرد انجام شد. همه آنها به ارتباط قوی میان استفاده انرژی نهایی برای گرمایش و شکل ساختمان در اقلیم‌های سرد اشاره دارند. پیشنهاد کلی آن بود که اقلیم سرد می‌تواند تأثیر شکل ساختمان بر اتلاف انتقال گرما و در نتیجه بر نیاز انرژی به گرمایش را افزایش دهد. بنابراین فرم بهینه ساختمان سطح خارجی حداقلی دارد و معمولا مستطیل شکل است. بعلاوه در چنین مواردی نسبت به ینه و جهت‌گیری مناسب سطوح پنجره معمولا نقش مهمی با توجه به بهره‌‌گیری از تابش خورشید به مثابه منبع انرژی تجدیدپذیر باری گرمایش دارد، و اغلب فقط در ساختمان‌هایی در اقلیم سرد و معتدل به کار می‌رود. با توجه به مورد اخیر، گاهی اهمیت دارد تا به طور همزمان انتقال گرمای بیش از حد شود، که عمدتا مربوط به اقلیم‌هایی با تابستان‌های نسبتا گرم می‌شود. مینگفانگ جهت‌گیری جنوبی ساختمان را از نظر ذخیره گرمایی در زمستان و کنترل گرمای خورشید در تابستان بهترین حالت می‌داند، در عین حال نشان می‌دهد که نسبت ساختمان بهینه برای اطمینان از کنترل گرما پلان مستطیلی است. از طرف دیگر ساختمان‌هایی که در اقلیم گرم قرار دارند با موقعیت کاملا متفاوتی روبرو می‌شوند. مصرف انرژی برای خنکسازی معمولا سهم اصلی در کل مصرف انرژی سالانه دارد که مربوط به انتقال گرمای خورشیدی از طریق پنجره (شیشه) می‌شود. بودِن تناسب سطح شیشه‌ای را برای اقلیم تونس بررسی کرد. تأثیر پنجره‌ها بر توازن انرژی ساختمان‌های آپارتمانی در عمان، اردن، در مطالعه‌ای تحلیل شد که توسط هاسونه و دیگران انجام گرفت. تأثیر فشردگی نسبی (RC) بر مصرف انرژی سالانه برای سرمایش و مصرف کل انرژی سالانه توسط الانزی و دیگران انجام گرفت، که تحقیق او شامل ساختمان اولیه با 20 طبقه در کویت می‌شد. نتایج مطالعه بعدی نشان می‌دهد مصرف انرژی با افزایش فشردگی نسبی کاهش می‌یابد. تحقیق جالب در طراحی کارایی انرژی ساختمان مسکونی در منطقه مدیترانه‌ای شامل دیدگاه انرژیتیک، اقتصادی و محیطی می‌شود که جابر و عجیب ارائه دادند. پنجره‌ها جداگانه در نماهای شرقی، جنوبی، غربی و شمالی قرار گرفتند. نتیجه تحقیق به صرفه‌جویی 28 درصدی در مصرف سالانه انرژی اشاره دارد که با انتخاب بهترین جهت‌گیری، بهترین اندازه پنجره و مقدار U بهینه به دست می‌آید. برای تحقیق کنونی توجه ما معطوف به مطالعه‌ای مربوط به اقلیم گرم در اروپا می‌شود که اندکی گرما برای گرمایش مورد نیاز است، بعلاوه سرمایش هم چنین وضعیتی دارد. بعضی از تحلیل‌های جالب با تمرکز بر تعریف هندسه معماری بهینه ساختمان انجام گرفت، برای مثال تأثیر پنجره‌ها بر گرمایش و سرمایش (اینانیچی و دمیربیلک). دپکر و دیگران رابطه میان شکل و الزامات انرژی در طول فصل زمستان را در دو منطقه فرانسوی با اقلیم‌های مختلف بررسی کردند. آنها دریافتند هیچ رابطه‌ای بین مصرف انرژی ساختمان و شکل آن در اقلیم‌های معتدل وجود ندارد. آلباتیچی و پاسرینی علاقمند شدند تا شاخص‌های جدید عملکرد انرژی در اقلیم‌های معتدل و گرم مرتبط با شکل ساختمان را تحقیق کنند. بنابراین آنها الزامات گرمایشی ساختمان با اشکال مختلف در ایتالیا را ارائه دادند ، که تأکید می‌کند فشردگی در منطقه سرد نسبت به نواجی گرم اهمیت بیشتری دارد. مطالعه پارامتری کارایی انرژی بهینه-هزینه ساختمان اداری در صربستان با تابستان‌های بسیار گرم در منبع (22) ارائه شد. تابستان‌های گرم اقلیم بلگراد نشان می‌دهند راه‌حل‌های بهینه-هزینه نسبت نزدیک به حداقل پنجره به دیوار (AGAW) در نمای جنوبی و مقدار AGAW بسیار بزرگی در نمای شمالی دارند. مطالعات درباره تأثیر تغییر اقلیم بر استفاده انرژی در ساختمان‌ها در بخش‌های مختلف جهان در منبع (23) مرور شده است، که نشان می‌دهد نامطلوب‌ترین اثر تغییر اقلیم بر استفاده انرژی در محیط ساخته شده در تابستان گرم و اقلیم زمستانی گرم روی می‌دهد که استفاده انرژی ساختمان با نیاز به خنکسازی به وجود می‌آید، که در مطالعه ما مهم است. بادسکو و دیگران نخستین ساختمان اداری منفعل رومانی را تحلیل کردند که در 2009 در اقلیم برگدیر، 10 کیلومتری جنوب بخارست، ساخته شد. آنها ثابت کردند نسبت افزایش گرما و میزان سرمایش برای ساختمان منفعل نسبت به ساختمان استاندارد بیشتر است و پیشنهاد دادند زمانی که ساختمان‌های منفعل در اقلیم رومانی تکمیل شدند سیستم سرمایش فعال باید استفاده شود. فلوریدس و دیگران اهمیت عایق سقف بر مدل رایج ساختمان با آجرهای تو خالی در منطقه نیکوزیا را بررسی کردند، که کاهش بیش از 45.5٪ میزان سرمایش و بیش از 75٪ در گرمایش را به دست داد. با در نظر گرفتن تعداد زیاد پارامترهایی که تأثیر قابل ملاحظه‌ای بر رفتار انرژی ساختمان‌ها دارند، مطالعات انجام گرفته معمولا فقط تعداد اندکی از مدل‌های ساختمانی را شامل می‌شود و عمدتا در اقلیم‌های گزینش شده هستند. تعیین پارامترهای ساختمانی که به طور قابل توجهی بر عملکرد انرژی تأثیر می‌گذارند پیچیده است و قدمی مهمی به امکان کاهش انرژی گرمایشی و سرمایشی در مرحله طراحی، با تمرکز ویژه بر تکمیل تکنیک‌های طراحی منفعل به حساب می‌آید. در موضوع واقعیت‌های نظری درباره انتقال گرما از طریق اجزاء پوشش ساختمانی، پارامترهای متعددی باید دستخوش تحلیل دقیق یا بررسی نیمه تحلیلی از طریق بهینه‌سازی ریاضی یا روش‌های حسی شود که مرتبط با پارامترهای طراحی منفعل متعدد مانند شکل ساختمان، جهت‌گیری‌اش، اندازه و جهت پنجره‌ها هستند تا مناسب اقلیم‌های داده شده شوند. رادفورد از 1984 از بهینه‌سازی چند معیاره ساختمان اداری چند طبقه منشور شکل در استرالیا را با به کارگیری معیار حداقل نسبت میزان گرما، حداقل هزینه و مراکز منطقه به کارگیری نت (شبکه) شروع کرد. هدف تحلیل مارینو و دیگران رسیدگی به موجودیت اندازه بهینه سطح پروژه بود، اندازه‌ای که برای حداقل مصرف انرژی کلی به کار می‌رود، و اختلاف‌هایی که این مقدار بهینه می‌تواند کسب کند اگر اقلیم، مؤلفه‌های عایق نما یا منبع روشنایی تغییر کند. این مطالعه در زمینه ساختمان اداری بود که ساختار و وضعیت آن در ایتالیا رایج است. با وجود این محققان پیشنهاد فاکتورهای طراحی بیشتر برای بررسی بیشتر در تحقیقات آینده، مانند تأثیر موقعیت و شکل پنجره، را ارائه دادند. در مطالعه آکوسی و اینالی مسئله انتقال گرمای گذرا در پوشش ساختمانی با یا بدون عایق با استفاده از روش تمایز محدود برای شهری در منطقه سرد ترکیه حل می‌شود. این ساختمان‌ها در اشکال متفاوت بر روی زمین با زاویه آزیموت بین 0 تا 90 درجه قرار می‌گیرند. ژانگ و دیگران روشی با چارچوب مدلسازی-شبیه‌سازی-بهینه‌سازی فراهم آوردند که همزمان تابش خورشید، عامل مشترک شکل و کارایی فضایی را در نظر می‌گیرند. این روش در طراحی ساختمانی فرم آزاد قابل اجرا است که تابش بیشتری را از طریق بهینه‌سازی شکل دریافت می‌کند و دو هدف اشاره شده در بالا را در نظر می‌گیرد. این روش در اقلیم بسیار سرد چین آزمایش شده است. رویکردهای متعددی با تکیه بر تحلیل حسی اخیرا انجام گرفته تا میان تعداد پارامترهایی که بر رفتار ساختمانی توازن ایجاد می‌کنند از استراتژی‌های انرژی منفعل استفاده کنند. رویکرد برگزیده ایلدیز و آرسان مهم‌ترین پارامترها برای ساختمان‌ها در اقلیم گرم ترکیه را نشان می‌دهد که بر پایه طراحی آپارتمان موجود در ایزمیر است. همساث و دیگران متدولوژی برای ارزیابی فرم ساختمان را ارائه دادند تا مصرف انرژی هندسه و مصالح مختلف ساختمانی را از طریق دو نوع تحلیل حسی، مقایسه هندسی و حساسیت مصالح مقایسه کنند. این نتایج نشان می‌دهد تناسبات هندسی عمودی و افقی به یک میزان حساسیت برانگیز هستند چنانکه مصالح مشخص با استفاده انرژی ساختمان مرتبط‌اند. رادریگ و دیگران تحلیل شش فهرست ساختمانی هندسی را ارائه دادند تا کفایت آنها را در شش اقلیم متفاوت اروپا نشان دهند. برای هر یک از موقعیت‌ها سه برنامه طراحی خانه مسکونی به عنوان ویژگی‌های ساختمانی به کار رفت، و از دو الگوریتم استفاده شد تا به طور اتفاقی عملکردهای گرمایی سه مجموعه شامل 500 مدل ساختمانی آلترناتیو تولید و ارزیابی شود. سرانجام محققان از نتایج دریافتند هیچ کدام از فهرست‌ها رابطه قوی در کل مکان‌های تحلیل شده و برنامه‌های طراحی ساختمان ندارند. رابطه قابل توجه می‌تواند فقط در برنامه‌های خاص یا اقلیم‌ها به دست آید. تیان مروری بر روش‌های تحلیل حسی در تحلیل انرژی ساختمانی و راهنمای کاربردی بر پایه فواید و مضرات روش‌های تحلیل حسی مختلف در ارزیابی عملکرد حرارتی ساختمان داشته است. با وجود تعداد مطالعات ارائه شده همچنان فقدان بررسی‌ها درباره رفتار انرژی ساختمان‌های الوار سبک با پنجره‌های بزرگ در اقلیم‌های گرم دیده می‌شود. با توجه به ظرفیت گرمایی نسبتا پایین المان‌های مقاومتی الوار خطر افزایش گرمای شدید در چنین ساختمان‌هایی در تابستان وجود دارد. راه‌حل های بهینه برای چنین مواردی باید از افزایش گرما اجتناب کند، که این پرسش را مطرح می‌کند آیا به طور کامل اجتناب می‌شود؟ بهتر است ساختمان یک طبقه طراحی شود یا دو طبقه؟ معماران و سرمایه‌گذاران هنوز تمایلی به طراحی ساختمان‌هایی با الوار سبک و پنجره‌های بزرگ در نواحی اروپای جنوبی با اقلیم گرم ندارند، چرا که از افزایش گرما به علت پنجره‌های جنوبی می‌ترسند. مطالعه کنونی می‌کوشد تا پاسخ به چنین پرسش‌هایی را از طریق تحلیل‌های جداگانه ساختمان‌ها با پنجره‌های جنوبی و شمالی در اندازه یکسان با مقادیر انتقال گرمای متفاوت المان‌های پوشش ساختمانی فراهم کنند. تغییرات با برنامه پکیج برنامه‌ریزی خانه منفعل (PHPP) و فایل‌های اکسل پیش‌برنامه، به منظور تحلیل پارامتری چند معیاره به کار می‌رود. برای ارزیابی مقداری که هندسه ساختمانی بر کارایی انرژی ساختمان‌های الواری در مناطق اروپایی گرم اثر می گذارد، مطالعه اخیر 12 مدل مختلف یک طبقه و دو طبقه از خانه‌های الوار-شیشه‌ای را با نشبت ساختمانی متغیر تحلیل می‌کند، که در دو پایتخت با اقلیم گرم اروپایی قرار گرفته‌اند (سویا و آتن). با تمرکز بر تأثیر اندازه پنجره و اعمال جهت‌گیری بر مصرف انرژی، این موقعیت‌ها با توجه به معیار دمای متوسط بسیار مشابه و تابش خورشیدی متفاوت انتخاب شدند. این مقاله عملکرد انرژی ساختمانی را از دید نیاز انرژی برای گرمایش و سرمایش فضا در نظر گرفته می‌شود، که به طور مشابه در مطلب علمی تحلیل می‌شود و بعلاوه اساس استانداردسازی عملکرد انرژی ساختمان‌ها را عرضه می‌کند. این مقاله در ارتباط با اندازه‌گیری دقیق سیستم‌های گرمایش و سرمایش نیست. هر چند تحلیل ساده شده اضافی حالت اوج برای متغیر یک مدل در انتهای مطالعه با هدف نشان دادن ضرورت ابزارهای سرمایش ایجاد دمای داخلی مطلوب برای ساختمان‌ها در اقلیم‌های گرم را ارائه می‌دهد. سود اصلی مطالعه کنونی در قیاس با تحقیقات مشابه پیشین که در زمینه ساختمان با الوار سبک به کار رفته تحلیل مجزایی در موقعیت متضاد است؛ اندازه‌های مختلف پنجره ابتدا فقط در نمای جنوبی قرار گرفتند، که با اندازه‌های مشابه پنجره‌ها در نمای شمالی‌، با تحلیل پارامتری همزمان تأثیر شکل افقی ساختمان‌ در نسبت متغیر و شکل ساختمان عمودی در تعداد مختلف طبقات، دنبال شده است.