فصل اول: شناخت عناصر اقلیمی

مقدمه

اقلیم تا آنجا که به آسایش مربوط می شود، نتیجه           ی تأثیر متقابل عناصری چون تابش آفتاب، دما و رطوبت هوا، وزش باد و میزان بارندگی است. در این فصل تلاش شده در مورد عواملی که به انسان و معماری مربوط می شود، توضیح داده شود.

 


فصل اول: شناخت عناصر اقلیمی

مقدمه

اقلیم تا آنجا که به آسایش مربوط می شود، نتیجه           ی تأثیر متقابل عناصری چون تابش آفتاب، دما و رطوبت هوا، وزش باد و میزان بارندگی است. در این فصل تلاش شده در مورد عواملی که به انسان و معماری مربوط می شود، توضیح داده شود.

 

تابش آفتاب

«آفتاب» پرتویی الکترومغناطیسی است که از خورشید ساطع می شود. این پرتو دارای طول موج های مختلفی بین 28/0 تا 3 میکرون است. طیف نور خورشید، به طور گسترده به سه قسمت فرابنفش، قابل رؤیت و فرو قرمز تقسیم می شود. طول موج پرتو فرا بنفش 28/0 تا 4/0 میکرون، پرتو قابل رؤیت 4/0 تا 7/0 میکرون و طول موج پرتو فرو قرمز، بلندتر از 76/0 میکرون است.

  با اینکه حداکثر شدت تابش آفتاب در قسمت پرتو قابل رؤیت آن است، ولی بیش از نیمی از انرژی حرارتی خورشید مربوط به پرتو فروقرمز می شود.

  زمانی که پرتو خورشید وارد اتمسفر می شود، شدت آن کاهش می یابد و طیف های آن به نسبت طول موج آنها در اتمسفر جذب، منعکس یا پراکنده می شود¬ (1) معمولاً پرتو فرابنفش و تمام پرتوهایی که طول موجی کمتر از 28/0 میکرون دارد، از طریق اوزون و قسمت عمده ای از پرتو فرو قرمز به وسیله ی بخار آب و اکسید کربن جذب می شود.

  ذرات موجود در هوا نور خورشید را منعکس می کنند؛ ولی چون این انعکاس تغییری در نور ایجاد نمی کند، نور خورشید همچنان سفید به زمین می رسد. وقتی آفتاب به مولکول ها و ذراتی می تابد که مساوی یا کوچک تر از طول موج پرتو آن هستند، نور منعکس شده، به اطراف پراکنده می شود. این پرتو پراکنده شده، قسمت هایی را که آفتاب به طور مستقیم به آنها نمی تابد، روشن می کند.

  وقتی ذرات و مولکولهای موجود در هوا، پرتوهای دارای طول موج کوتاهتر مربوط به نور آبی و بنفش را به اطراف پراکنده می کند. آسمان آبی به نظر می رسد¬ (2). ولی اگر ذراتی بزرگ تر از گرد و غبار در اتمسفر وجود داشته باشد، بیشتر پرتوهای دارای طول موج بلندتر مربوط به نورهای زرد و قرمز در هوا پراکنده می شوند و در نتیجه، آسمان سفیدتر به نظر می رسد¬ (3).

  ابرها مقدار زیادی از پرتو خورشید را به فضای خارجی اتمسفر منعکس می کنند؛ ولی بقیه ی آن به سمت زمین منتشر می شود. تابش این مقدار پرتو به کره ی زمین باعث گرم شدن طبیعی زمین می شود¬ (4).

 

 

دمای هوا

 

  مقدار انرژی خورشیدی تابیده شده به هر نقطه از سطح زمین در طول سال، به شدت و دوام تابش آفتاب در آن منطقه بستگی دارد و میزان گرما و سرمای سطح زمین، عامل اصلی تعیین کننده ی درجه حرارت هوای بالای آن است.

  تمام طیف های نور خورشید از هوا عبور می کنند و با دریافت پرتو خورشید، دمای هوا به طور مستقیم افزایش نمی یابد. ولی لایه های هوا، گرمای خود را از طریق تماس با سطح زمین که در اثر دریافت پرتوهای خورشید گرم شده است به دست می آورند و لایه های گرم شده ی هوا، گرمای خود را از طریق همرفت به لایه های دیگر منتقل می کنند¬ (5). جریان هوا و باد نیز باعث تماس بیشتر توده های عظیم هوا با سطح زمین و در نتیجه گرم شدن هوا می شود. در شب ها و در فصل زمستان که سطح زمین سردتر از هوای بالای آن است، عکس این عمل صورت می گیرد و هوا در اثر تماس با سطح زمین، حرارت خود را از دست می دهد و سرد می شود¬ (6) و (7). بنابراین تغییرات روزانه و سالانه ی درجه حرارت هوا، به تغییرات درجه حرارت سطح مورد تماس آن بستگی دارد.

  سطح دریاها بسیار کندتر از سطح زمین در اثر تابش آفتاب گرم می شود و به همین دلیل اختلاف زیادی بین درجه حرارت سطح خشکی و سطح دریا وجود دارد. در نتیجه، در یک عرض جغرافیایی ثابت، همیشه سطح زمین در تابستان گرم تر و در زمستان سردتر از سطح دریاست و توده های هوا در تماس با این دو سطح نیز، به همین نسبت دارای اختلاف دما هستند و بدین ترتیب، میانگین درجه حرارت هوای بالای خشکی، در تابستان بیشتر و در زمستان کمتر از میانگین درجه حرارت هوای بالای دریاست¬ (8) و (9).

  ارتفاع از سطح دریا نیز، درجه حرارت هوا را تعیین می کند و در یک عرض جغرافیایی مشخص، مناطقی که در ارتفاع بیشتری قرار دارند، سردتر از مناطق پایین تر هستند¬ (10).

 

رطوبت هوا

  منظور از رطوبت هوا، مقدار آبی است که به صورت بخار در هوا وجود دارد. بخار آب از طریق تبخیر آب سطح اقیانوس ها و دریاها، همچنین سطوح مرطوبی چون گیاهان وارد هوا می شود¬ (11). این بخار به وسیله ی جریان هوا و باد به بقیه ی قسمت های سطح زمین منتقل می شود¬ (12).

  هر چه هوا گرم تر باشد، بخار آب بیشتری را در خود نگه می دارد. به طور مثال، ظرفیت پذیرش بخار آب در هوایی با دمای 18 درجه ی سانتیگراد، سه برابر آن در هوایی با دمای 2 درجه ی سانتیگراد است¬ (13).

   بنابراین به دلیل اختلاف دمای هوا در مناطق مختلف، میزان رطوبت هوا نیز در نقاط مختلف سطح زمین به یک اندازه نیست. حداکثر میزان رطوبت هوا در نواحی خط استواست که با حرکت به طرف قطبین کاهش می یابد.

  مقدار رطوبت موجود در هوا به روش های مختلفی چون رطوبت مطلق، رطوبت مخصوص، فشار بخار و رطوبت نسبی می توان اندازه گیری و بیان کرد.

 

رطوبت مطلق

  رطوبت مطلق عبارت است از وزن بخار آب موجود در هر متر مکعب از هوا و واحد آن گرم در متر مکعب است¬ (14).

 

رطوبت مخصوص

رطوبت مخصوص عبارت است از وزن بخار آب موجود در هر کیلو گرم از هوا که به صورت گرم در کیلوگرم نشان داده می شود¬ (15).

 

فشار بخار

فشار بخار عبارت است از فشاری که در اثر بخار آب در هوا به وجود می آید و بر حسب میلی متر جیوه اندازه گیری می شود¬ (16).

 

رطوبت نسبی

رطوبت نسبی عبارت است از نسبت وزن بخار آب موجود در حجم مشخصی از هوا در یک درجه حرارت به حداکثر مقدار بخار آبی که آن حجم از هوا در همان درجه حرارت می تواند در خود نگه دارد¬ (17).

برای مثال، رطوبت نسبی در دمای 20 درجه ی سانتیگراد به صورت زیر محاسبه می شود:

وزن بخار آب موجود در یک متر مکعب هوا در دمای 20 درجه

                                   =رطوبت نسبی

وزن حداکثر بخار آب موجود در یک متر مکعب هوا در دمای 20 درجه

  زمانی که هوا حداکثر رطوبتی را که می تواند در خود نگه دارد جذب کند، آن را «هوای اشباع شده» می نامند. در این حالت،رطوبت نسبی هوا 100 درصد است. ولی اگر مقدار رطوبت موجود در آن کمتر از مقداری باشد که میتواند در خود نگه دارد، رطوبت نسبی آن کمتر از 100 درصد است.

  جدول 1-1، مقادیر فشار بخار، رطوبت مطلق و رطوبت مخصوص برای هوای اشباع شده در دماهای گوناگون در سطح دریا را نشان می دهد.

  فشار بخار و رطوبت نسبی، تا حد بسیار زیادی با توجه به زمان و مکان های مختلف تغییر می یابد. فشار بخار به میزان چند میلی متر جیوه در مناطق سرد و بیابان ها و تا حدود 25 و حتی 30 میلی متر جیوه در مناطق گرم و مرطوب تغییر می کند. فشار بخار در فصل های مختلف نیز متغیر و اغلب در تابستان بیشتر از زمستان است. ولی تغییرات روزانه ی آن معمولاً کم است. این تغییر، حتی در مناطق ساحلی که تحت تأثیر دریا و نسیم آن قرار دارد. از حد چندین میلی متر جیوه تجاوز نمی کند.

  در ارتفاع های زیاد، فشار بخار سریع تر از فشار هوا کاهش می یابد. بنابراین، با کاهش ارتفاع، تراکم بخار آب در هوا افزایش می یابد. در نتیجه، همیشه فشار بخار لایه های هوا نزدیک به زمین بیشتر است. به همین دلیل، هر نوع اختلاط هوا در سطوح عمودی باعث کاهش فشار بخار در لایه های هوای نزدیک به زمین می شود.

  اگر در سطح زمین هوا جریان نداشته باشد، فشار بخار نزدیک ظهر به حداکثر میزان خود می رسد¬ (18). سپس با جابه جایی لایه های عمودی هوا، فشار بخار در لایه های نزدیک به زمین کاهش می یابد و هنگام عصر با پایان یافتن این حرکت، دوباره فشار بخار لایه های هوای نزدیک به زمین افزایش می یابد¬ (19).

  الگوی تغییرات فشار بخار هوای سطح دریا، همچنین هوای سطح خشکی در فصل های بارانی مانند تغییرات درجه حرارت هواست. بیشترین تغییرات سالانه ی فشار بخار در قسمت هایی ایجاد می شود که تحت تأثیر بادهای موسمی قرار دارند. زیرا این مناطق، در یک زمان هوای گرم و مرطوب اقیانوس ها و در زمان دیگر، هوای خشک قسمت های داخلی را دریافت می کنند. نکته ی قابل توجه اینکه فشار بخار، مقداری از فشار هواست که در اثر افزایش بخار آب در هوا به وجود می آید و فشار جو با فشار بخار متفاوت است.

  رطوبت نسبی هوا، در صورتی که فشار بخار ثابت باشد، ممکن است تا حد بسیار زیادی تغییر کند. این تغییر ناشی از نوسانات روزانه و سالانه ی درجه حرارت هواست که ظرفیت پذیرش بخار آب هوا را تعیین می کند. همانطور که در جدول 1-1 نشان داده است، هر چه هوا گرم تر شود، میزان رطوبتی که میتواند در خود نگه دارد افزایش می یابد.

جدول 1-1:میزان رطوبت هوای اشباع شده در دمای مختلف در کنار دریا

صفحه 7

 

باد

  بر روی هر یک از نیم کره های زمین، کمربند و نقاطی با فشارهای جوی متفاوت(کم و زیاد) وجود دارد. بعضی از این کمربندها دائمی هستند و بعضی دیگر فقط در مدتی از سال ایجاد می شوند. در مناطق نیمه استوایی هر نیم کره- یعنی بین عرض های جغرافیایی 20 تا 40 درجه- کمربندی با فشار زیاد وجود دارد¬ (20).

  این دو کمربند در تابستان ها به سمت قطبین و در زمستان ها به سمت خط استوا حرکت می کنند. در زمستان، هر دو آنها دور تا دور زمین را احاطه می کنند ولی در تابستان به دلیل ایجاد مراکز کم فشار در قاره ها، تداوم آنها به هم می خورد¬ (21) و (22).

  مناطق قطبی، از مناطق ثابت و پر فشار است؛ ولی فشار این مناطق از فشار مناطق نیمه استوایی کمتر است¬ (23). کمربند خط استوا، از جمله مناطق ثابت کم فشاری است که در تمام طول سال وجود دارد¬ (24). در تابستان، در هر نیم کره عمل همرفت هوا در جهت عرض جغرافیایی بالاتر-بویژه در قاره های بزرگ- وجود دارد. در تیر و مرداد ماه، این کمربند قسمت های شمالی استوا را می پوشاند که از شمال شرقی افریقا به مرکز آسیای شرقی کشیده شده و مرکز آن در خلیج فارس است¬ (25).

  در دی و بهمن ماه، این کمربند قسمت های جنوبی منطقه ی استوا را می پوشاند¬ (26).

دیگر مناطق کم فشار، در قسمت هایی با عرض جغرافیایی بالا وجود دارند. این مناطق معمولاً کمربندی در اطراف اقیانوس منجمد جنوبی ایجاد می کنند. در نیم کره ی شمالی، تقسیم فشار هوا به دلیل وجود خشکی های وسیع و فراوان در اطراف اقیانوس منجمد شمالی بسیار پیچیده است و به همین دلیل، مناطق کم فشار و پر فشار به طور مداوم در یک منطقه به وجود می آیند و به سمت شرق حرکت می کنند.

  علت اصلی وجود نقاط و کمربندهای فشار هوا، تقسیم نامتعادل پرتوهای خورشیدی بر روی زمین است که باعث ایجاد اختلاف دما در نقاط مختلف سطح زمین می شود.

   توده های هوا که در اثر گرم شدن بالا می روند تا کمربند کم فشار مناطق استوایی را تشکیل دهند. در نقاط بالای جو تقسیم می شوند و به سمت قطبین حرکت می کنند. این توده ها، در زمستان در عرض های جغرافیایی 20 تا 40 درجه و در تابستان در عرض های جغرافیایی 30 تا 40 درجه سرد می شوند و دوباره به سمت زمین پایین می آیند¬ (27). این عمل باعث بالا رفتن فشار هوا در این قسمت ها و ایجاد کمربندهای پر فشار مناطق نیمه استوایی می شود. در مناطق قطبی نیز به دلیل سرمای شدید هوای سطح یخ ها، هوای پر فشار ایجاد می شود. مناطق پر فشار عبارتند از:

1)                       مناطق قطبی در تمام طول سال

2)    مناطق سرد آسیا،شمال آفریقا، استرالیا و امریکای شمالی در زمستان

3)    کمربندهای پر فشار در مناطق نیمه استوایی، بویژه در سطح اقیانوس ها در تابستان.

توده های عظیم هوا، همیشه از مناطق پر فشار به سمت مناطق کم فشار حرکت می کنند.البته این حرکت، در یک جهت مستقیم از منطقه ی پر فشار به منطقه ی کم فشار نیست و تحت تأثیر نیروی «کوریولیس» که در اثر حرکت دورانی زمین به وجود می آید قرار می گیرد و از مسیر خود منحرف می شود. انحرافی که در اثر این نیرو در جهت حرکت توده های هوا به وجود می آید، در نیم کره ی شمالی در جهت حرکت عقربه های ساعت و در نیم کره ی جنوبی در جهت عکس حرکت عقربه های ساعت است. نیروی کوریولیس، در منطقه ی استوا صفر است و در جهت حرکت به طرف قطبین افزایش می یابد.

 

سیستم های باد

به طور کلی،در هر نیم کرهی زمین سه سیستم کلی باد وجود دارد: بادهای تجاری، بادهای غربی و قطبی، و بادهای موسمی. علاوه بر این سه سیستم، بادهای دیگری نیز وجود دارد که یکی از آنها بادهای محلی است که در مناطق کوهستانی و دره ها جریان دارد؛ همچنین نسیم شب و روز که در سواحل دریا می وزد.

 

بادهای تجاری

مرکز این بادها در مناطق نیمه استوایی دو نیم کره ای است که دارای هوای پرفشار هستند. این دو مرکز در منطقه ی استوا به هم نزدیک شده، در آنجا کمربند کم فشار را تشکیل می دهند. بر روی اقیانوس ها، جهت این دو جریان هوا در نیم کره شمالی به سمت جنوب غربی و در نیم کره ی جنوبی به سمت شمال غربی است. جهت حرکت این دو باد معمولاً ثابت است و دما و روطبت آنها به مناطقی که از روی آن عبور می کنند بستگی دارد.

  رطوبت و دمای هر دو جریان، بر روی اقیانوس ها یکسان است و در نتیجه در اثر برخورد با یکدیگر، تغییر زیادی به وجود نمی آورند. سرعت این بادها بین 15 تا 35 کیلومتر در ساعت است که گاهی به 45 کیلومتر در ساعت نیز می رسد. ولی در منطقه ی اقیانوس هند و منطقه ی جنوب غربی اقیانوس آرام، جهت این بادها در اثر برخورد با بادهای موسمی در تابستان در هر نیم کره تغییر می کند.

 

بادهای غربی

مرکز این بادها در مناطق نیمه استوایی، ولی حرکت آنها در جهت مناطق کم فشار اقیانوس منجمد شمالی است. در طول منطقه قطبی، این بادها و بادهای قطبی به هم نزدیک می شوند و به دلیل اختلاف زیاد درجه حرارت این دو توده های هوا، جبهه های جلویی این دو سیستم همیشه طوفانی است. در زمستان، در نیم کره ی شمالی تغییرات زیادی در جهت و سرعت این سیستم باد به وجود می آید. ولی در تابستان، جهت حرکت و سرعت آن تقریباً ثابت و اغلب به سمت شمال شرقی حرکت می کند. در نیم کره ی جنوبی که نسبت به نیم کره ی شمالی خشکی بسیار کمتری دارد، این سیستم باد معمولاً یکنواخت است، ولی در هر صورت در مناطق مختلف، حرکت و سرعت آن تحت تأثیر حرکت هوای کم فشار قرار می گیرد.

 

بادهای قطبی

این بادها در اثر پراکنده شدن توده های هوای سرد از مناطق پر فشار قطبی و اقیانوس منجمد شمالی به وجود می آیند. جهت اصلی این بادها در نیم کره شمالی، به سمت جنوب غربی و در نیم کره ی جنوبی به سمت شمال غربی است.

 

بادهای موسمی

اختلاف میانگین درجه حرارت سالانه ی هوای سطح زمین و دریا باعث ایجاد بادهای زمستانی بر روی خشکی و بادهای تابستانی بر روی دریا می شود که به «بادهای موسمی» معروف اند. اثر این بادها در منطقه ای از اقیانوس هند که به استرالیا، آسیای جنوبی و شمال افریقا محدود می شود، بیشتر است. در این منطقه، حداکثر فشار هوا در قاره هاست و هوا از مناطق پر فشار یک نیم کرهبه سمت مناطق کم فشار نیم کره ی دیگر حرکت می کند. در دی ماه، این بادها از آسیای مرکزی به طرف استرالیا حرکت می کنند جهت وزش باد در آسیای جنوبی، جنوب غربی است که در منطقه ی خط استوا به تدریج تغییر می یابد؛ تا اینکه در شمال غربی استرالیا به جهت جنوب شرقی تبدیل می شود. در خرداد ماه، این سیستم از استرالیا به سمت شبه جزیره ی هندوستان حرکت می کند و جهت حرکت آن در استرالیا، شمال غربی است؛ ولی وقتی به جنوب آسیا می رسد، جهت آن شمال شرقی می شود.

 

نسیم های دریا و خشکی

 چنانکه پیش از این مطرح شد،در منطق ساحلی، هنگام روز هوای روی خشکی گرم تر از هوای دریاست. این اختلاف دما باعث می شود هوای روی خشکی که گرم تر است بالا رود و هوای روی دریا به سمت خشکی آمده، جای آن را بگیرد¬ (28). این عمل باعث ایجاد نسیم در سواحل می شود.

جریان هوا، هنگام شب که هوای روی دریا گرم تر از هوای روی خشکی است، برعکس انجام می شود و هوا از سطح خشکی به سمت دریا جریان می یابد¬ (29).

 نسیم های دریا و خشکی به وسیله ی فشار کلی جو و سیستم های باد تغییر می یابند. برای مثال، هنگامی که توده های هوای کن فشار بر روی قسمت داخلی خشکی قرار می گیرد، حرکت هوا از قسمت های پرفشار سطح دریا به سمت خشکی باعث می شود در این منطقه س ساحلی، هنگام روز نسیم با شدت بیشتری جریان یابد. ولی هنگام شب، چون فشار هوای روی خشکی چندان افزایش نمی یابد، نسیم خشکی ملایم است.

 

 بادهای محلی

در مناطق کوهستانی، اختلاف درجه حرارت موجب وزش بادهای محلی می شود. هنگام روز، هوای مجاور سطح کوه ها گرم تر از هوای آزاد در جو می شود و به سمت بالا حرکت می کند¬ (30). ولی هنگام شب، عکس این عمل اتفاق می افتد¬ (31).

بدین ترتیب در مناطق کوهستانی بزرگ و دره ها، بادهای شدیدی می وزد. جهت این بادها، هنگام روز از پایین به بالا و هنگام شب از بالا به پایین است.

 

بارندگی

در مبحث رطوبت هوا به این نکته اشاره شد که هر چه هوا گرم تر باشد، مقدار رطوبت بیشتری را می تواند در خود نگه دارد. بنابراین، اگر مقدار مشخصی از هوا با درصد مشخصی از رطوبت به تدریج سرد شود، رطوبت نسبی آن افزایش می یابد و در درجه حرارتی که به آن «نقطه ی شبنم» می گوین، رطوبت نسبی هوا به 100 درصد می رسد. اگر این هوا باز هم سردتر شود و دمای آن به پایین نقطه ی شبنم برسد، نمی تواند تمام رطوبت موجود در خود را نگه دارد. از این رو، مقدار بخار آب اضافی به صورت قطرات آب بر روی سطوحی که دمای آنها از نقطه ی شبنم کمتر است تشکیل می شود. در فصل زمستان، اگر به دلیل سردی هوای خارج، دمای سطح داخلی شیشه ی پنجره ی اتاق ها پایین تر از نقطه ی شبنم هوای داخل باشد،بر روی سطح پنجره ها قطرات آب تشکیل می شود¬ (32).

   این پدیده، علت اصلی ایجاد بارندگی است. وقتی توده های هوای اطراف زمین که حرارت سطح زمین را گرفته و گرم شده اند، به وسیله ی باد یا فشار به سمت بالا رانده می شوند، حجم آنها در اثر صعود و افزایش ارتفاع و کاهش فشار هوا بیشتر می شود و در نتیجه، حرارت خود را از دست می دهند و سرد می شوند¬ (33). سرد شدن این هوا باعث می شود رطوبت نسبی آن افزایش یابد؛ تا جایی که توده های ابر به نقطه ی شبنم رسیده، رطوبت نسبی آنها 100 درصد  شود (بدیهی است این عمل همیشه و بویژه در مناطقی که رطوبت هوا کم است، اتفاق نمی افتد). از این پس با سردتر شدن هوا، بخار آب اضافی موجود در آن به شکل شبنم بر روی سطوح سردتر تشکیل می شود. پس از بزرگ تر و سنگین تر شدن، این قطرات به صورت باران، برف یا تگرگ به زمین می بارد.

 

فصل دوم: اقلیم و انسان

تعادل حرارتی بین بدن انسان و محیط پیرامون

ایجاد تعادل حرارتی بین بدن و محیط اطراف، از جمله نیازهای اولیه برای تأمین سلامتی و آسایش انسان است. برا برقراری این تعادل، علی رغم تغییرات زیاد درجه حرارت هوای اطراف بدن، دمای پوست باید ثابت بماند یا فقط به میزان بسیار کمی تغییر کند.

 ایجاد چنین تعادلی به ترکیب عوامل مختلفی بستگی دارد.بعضی از این عوامل، ویژگی های متابولیکی شخص،فعالیت فیزیکی،نوع لباس و عادت وی به هوای محیط اطراف است و عوامل دیگر آن عبارتند از: درجه حرارت هوا، تابش آفتاب، رطوبت و جریان هوا که در اینجا«عناصر اقلیمی» نامیده می شوند.

در این فصل،تأثیر هر یک از این عناصر بر انسان مورد بررسی قرار گرفته است.

 

تأثیر دمای هوا بر انسان

 بدن انسان به وسیله ی غذایی که مصرف می کند و به نسبت فعالیتی که دارد، به میزان مختلفی انرژی تولید می کند. وقتی بدن در حال فعالیت است، فقط مقدار کمی از این انرژی صرف کارهای مکانیکی شده، بقیه به حرارت تبدیل می شود. در جدول 2-1، مقدار انرژی تولید شده توسط بدن در حالت های گوناگون نشان داده شده است.

  در حالت طبیعی، دمای درونی بدن 37 درجه و دمای پوست 32 درجه ی سانتیگراد است. اگر بدن در محیطی گرم تر از پوست قرار گیرد، شروع به جذب حرارت می کند و برعکس، اگر در محیطی سردتر از پوست بدن باشد، حرارت خود را به تدریج از دست می دهد. بدین طریق، در هر محیطی بین بدن و هوای اطراف آن تبادل حرارتی صورت می گیرد. این تبادل به اشکال و نسبت های مختلفی صورت می گیرد که در جدول2-2 نشان داده شده است. اگر در اثر این تبادل حرارتی، حرارت تولید شده در بدن و حرارت دفع شده یا جذب شده از محیط متعادل نشود. بدن برای برقراری تعادل به ناچار حرارت درونی خود را افزایش یا کاهش می دهد. در این حالت، بدن انسان دچار اختلالات گوناگونی می شود که در جدول 2-3 نشان داده شده است.

جدول2-1:مقدار حرارت تولید شده در بدن در حالت های مختلف

جدول2-2:شکل و میزان تبادل حرارتی بدن و محیط اطراف

جدول 2-3: عوارض گوناگون ایجاد شده در انسان در اثر تغییرات حرارت درونی بدن

تأثیر رطوبت هوا بر انسان

  رطوبت هوا به طور مستقیم بر دمای بدن انسان تأثیر نمی گذارد؛ ولی ظرفیت تبخیر و در نتیجه،میزان خنک شدن بدن از طریق تعریق و میزان تبخیر آن را تعیین می کند.

  همانطور که در فصل اول اشاره شد، رطوبت هوا را می توان به روش های مختلفی از جمله فشار بخار و رطوبت نسبی بیان کرد. فشار بخار در سطح بدن انسان به دمای پوست بستگی دارد. جدول 2-4، فشار بخار سطح بدن را در دماهای مختلف نشان می دهد.

جدول 2-4: رطوبت پوست بدن در دماهای مختلف درونی

  در این جا، رطوبت هوا بیشتر به صورت رطوبت نسبی بیان شده است. در اینجا برای جلوگیری از تعبیر اشتباه این اصطلاح به شرح دو حالت می پردازیم:

حالت اول: رطوبت نسبی هوا 100 درصد و دمای آن 25 درجه ی سانتیگراد فرض شده است. همان طور که در جدول 1-1 نشان داده شده، در چنین حالتی فشار بخار حدود 24 میلی متر جیوه است. حال اگر فردی با وضعیت طبیعی (دمای پوست 32 درجه ی سانتیگراد و فشار بخار در سطح پوست وی تبادل حرارتی صورت می گیرد و هوا که دمای کمتری دارد،حرارت پوست را جذب می کند و دمای خود را به 32 تا 32 درجه ی سانتیگراد می رساند. با گرم شدن هوای اطراف بدن، رطوبت نسبی آن کاهش می یابد و باعث می شود عمل تبخیر بر روی پوست بدن انجام گیرد.

حالت دوم: رطوبت نسبی هوا 50 درصد و دمای آن 50 درجه ی سانتیگراد فرض شده است. در این حالت، فشار بخار هوا حدود 46 میلی متر جیوه است(جدول 1-1). همانطور که در جدول 2-4 نشان داده شده، این مقدار فشار بخار تقریباً برابر فشار بخاری که پوست بدن در «وضعیت ناراحت کننده» دارد. در نتیجه، با قرار گرفتن فرد مورد نظر در این وضعیت هوا، هیچ امکانی برای تبخیر عرق موجود بر روی پوست وجود ندارد.

  با بررسی این دو حالت در می یابیم که رطوبت نسبی، به تنهایی نمی تواند ظرفیت تبخیر هوا را مشخص کند و همواره باید درجه حرارت هوا را نسبت به آن مورد توجه قرار داد. زیرا در حالت اول که رطوبت نسبی 100 درصد و هوا اشباع شده است، امکان عمل تبخیر در آن وجود دارد؛ ولی در حالت دوم با رطوبت نسبی 50 درصد، این عمل غیر ممکن است.

   البته تأثیر فشار بخار هوا بر بدن، تا حد زیادی به رطوبت پوست نیز بستگی دارد. تا زمانی که پوست بدن خشک است، میزان دفع رطوبت (تعریق) و تبخیر آن فقط به حرارت متابولیکی تولید شده و دمای هوای خشک تبادل یافته بستگی دارد. در این حالت، عرق ایجاد شده در سطح پوست بخار می شود و میزان رطوبت هوا هیچ تأثیری در تبخیر عرق ندارد. ولی وقتی نسبت میزان تعریق به ظرفیت تبخیر در هوا به حدی برسد که عرق نتواند تبخیر شود، لایه ای عرق در اطراف منافذ پوست تشکیل شده، سطوح خیس بدن افزایش می یابد. در این حالت، با کاهش رطوبت هوا می توان امکان تبخیر عرق در سطح پوست را به وجود آورد. تا میزان مشخصی از رطوبت نسبی هوا، امکان تبخیر کامل عرق بر روی پوست وجود دارد و تأثیر خنک کنندگی آن 100 درصد است. در حداکثر میزان رطوبت قابل قبول،میزان تبخیر در هوا برابر میزان تعریق بدن است؛ ولی در این حالت، خیس شدن مداوم پوست باعث ناراحتی فرد می شود.

  در دمای 20 تا 25 درجه ی سانتیگراد، میزان رطوبت هوا تقریباً تأثیری بر انسان ندارد و رطوبت نسبی 30 تا 85 درصد، عملاً احساس نمی شود. در این وضعیت حرارتی فقط وقتی هوا تقریباً اشباع شده است، رطوبت زیاد و خیس بودن آن احساس می شود. در دمای بیش از 25 درجه سانتیگراد، تأثیر رطوبت هوا بر انسان به مرور افزایش می یابد؛ بویژه تأثیر آن بر رطوبت و دمای پوست و در درجه حرارت های بالاتر بر میزان تعریق و تبخیر آن.

  هوای گرم و مرطوب (شرجی) به دلیل اینکه از تعریق و تبخیر بر روی پوست جلوگیری می کند، باعث ناراحتی می شود. هوای گرم و خشک نیز باعث خشکی لب ها و مخاط تنفسی شده، ایجاد ناراحتی می کند.

  عامل دیگری که در میزان تأثیر رطوبت هوا بر بدن اثر می گذارد، جریان هوا یا باد است. در یک درجه حرارت ثابت، افزایش سرعت باد باعث افزایش میزان مجاز و قابل قبول رطوبت نسبی هوا می شود. این موضوع در بحث های بعدی به تفصیل مورد بررسی قرار می گیرد.

 

منطقه ی آسایش

  مطالب فوق نشان می دهد که احساس انسان نسبت به محیط اطرافش را نمی توان تنها از طریق بررسی یکی از عناصر اقلیمی مانند درجه حرارت، رطوبت نسبی یا جریان هوا بیان کرد؛ زیرا ترکیب این عناصر بر انسان تأثیر می گذارد و با آسایش فیزیکی او ارتباط دارد. برای مثال، اگر سرعت هوا را ثابت فرض کنیم و تابش آفتاب را نادیده بگیریم (یعنی به فرض آنکه افراد در سایه و در فضای داخلی قرار داشته باشند)، بیشتر افراد در دمای 21 تا 26 درجه ی سانتیگراد و رطوبت نسبی 30 تا 60 درصد از نظر فیزیکی راحت هستند. حال اگر شرایط هوای داخل این اتاق را تغییر دهیم، یعنی رطوبت آن افزایش و دمای آن کاهش یابد،این افراد به تدریج احساس ناراحتی می کنند.

  بنابراین، نسبت درجه حرارت و رطوبت نسبی هوا در ایجاد احساس آسایش انسان تأثیر دارد. البته واکنش بدن در برابر شرایط اقلیمی پدیده ای تجربی است و در فرهنگ ها و مناطق جغرافیایی مختلف، متفاوت است. به طور مثال، در آلمان دمای 5/69 درجه ی فارنهایت (8/20 درجه ی سانتیگراد) و رطوبت نسبی 50 درصد مطلوب است. در حالی که در بریتانیا،دمای 58 تا 70 درجه ی فارنهایت (4/14-1/21 درجه ی سانتیگراد) و در امریکا، دمای 69 تا 80 درجه ی فارنهایت (8/20-7/26 درجه ی سانتیگراد) ترجیح داده می شود. همین طور در مناطق استوایی، دمای 74 تا 85 درجه ی فارنهایت (3/23-4/29 درجه ی سانتیگراد) و رطوبت نسبی 30 تا 70 درصد مطلوب است.

  این ارقام، تعیین کننده ی شرایط هوایی است که انسان در آن شرایط از نظر فیزیکی راحت است. اگر حدود تغییرات این ارقام را در جدولی که رطوبت نسبی بر محور افقی و درجه حرارت بر محور عمودی آن مشخص شده ترسیم کنیم، محدوده ای به دست می آید که به آن «منطقه آسایش» می گویند. این منطقه، مشخص کننده ی وضعیت هایی که فرد در آن احساس آسایش می کند. البته به دلیل تفاوت میان دمای مطلوب هوا در مناطق مختلف، نمی توان محدوده ی دقیقی برای منطقه ی آسایش تعیین کرد؛ زیرا دمای مطلوب هوا در یک منطقه ی مشخص برای افرادی با جنس و سن مختلف متفاوت است و به نوع و میزان فعالیت و نوع و میزان پوشش فرد نیز بستگی دارد. همچنین، دمای مطلوب هوا برای یک فرد در فصل تابستان و زمستان متفاوت است. جدول 2-5، نتایج آزمایش هایی را نشان می دهد که طی سالیان متمادی بر روی صدها نفر از ساکنین مناطق مختلف به منظور تعیین رابطه ی بین دما، رطوبت و جریان هوا و تأثیر آنها بر منطقه ی آسایش انجام شده است. بر اساس این نتایج، در فصل تابستان دمای 24 درجه ی سانتیگراد و رطوبت نسبی 50 درصد برای 98 درصد افراد مطلوب است. در حالی که در فصل زمستان، برای آنکه 97 درصد افراد احساس آسایش کنند، با حفظ رطوبت نسبی حدود 50 درصد باید دما را به 21 درجه ی سانتیگراد کاهش داد. بر اساس منابع مورد استفاده، به نظر می رسد در کشور ما تا کنون آزمایش ها و مطالعاتی که شرایط مطلوب دما و رطوبت هوا را نشان دهد، انجام نشده است. به همین دلیل، در این بحث برای تعیین حدود منطقه ی آسایش در ایران، از روش پیشنهادی «اولگی» استفاده شده است.

جدول 2-5: رابطه ی بین دما، رطوبت و جریان هوا و تأثیر آنها بر منطقه ی آسایش

اولگی دمای 70 تا 80 درجه ی فارنهایت (2/21-7/26 درجه ی سانتیگراد) را برای فصل تابستان و دمای 68 تا 76 درجه ی فارنهایت (20-4/24 درجه ی سانتیگراد) را برای فصل زمستان و رطوبت نسبی 30 تا 65 درصد را به عنوان شرایط مطلوب هوا مطرح کرده است. البته این محدوده فقط برای مناطق معتدل آمریکا با ارتفاع کمتر از یک هزار فوت (330 متر) از سطح دریا و برای افرادی پیشنهاد شده است که به صورت نشسته فعالیت می کنند و لباس معمولی منزل پوشیده اند.

  به پیشنهاد اولگی با ایجاد تغییراتی در این جدول، آن را برای مناطق دیگر نیز می توان مورد استفاده قرار داد. بدین منظور برای هر 5 درجه کاهش عرض جغرافیایی نسبت به 40 درجه ی شمالی بادی به میزان  درجه ی فارنهایت، حداقل منطقه ی آسایش تابستانی را در جدول فوق افزایش داد. حداکثر منطقه ی آسایش را نیز باید به همین میزان افزایش داد. ولی این میزان نباید از 85 درجه ی فارنهایت بیشتر شود. بنابراین، حدود منطقه ی آسایش را برای ایران که بین 25 تا 40 درجه عرض جغرافیایی قرار دارد، می توان از نظر دمای هوا در فصل تابستان بین 5/21 تا 29 درجه و در فصل زمستان بین 20 تا 7/25 درجه ی سانتیگراد فرض کرد. محدوده ی رطوبت نسبی هوا در این دو فصل نیز 30 تا 65 درصد در نظر گرفته می شود(جدول 2-6).

جدول2-6: حدود منطقه ی آسایش در ایران

  بار دیگر باید یادآوری کرد که شرایط منطقه ی آسایش نسبی و تقریبی است و فقط برای افرادی پیشنهاد شده است که به صورت نشسته در فضای داخلی( با جریان هوای ثابت در سایه) و با لباس معمولی در حال فعالیت هستند. بدیهی است تا زمانی که آزمایش های دقیقی در مناطق مختلف ایران صورت نگیرد، هیچ گاه نمیتوان به طور دقیق منطقه ی آسایش را بر روی نمودار مشخص کرد.

  در منطقه ی آسایشف تغییرات رطوبت هوا بیشتر از تغییرات دمای آن برای انسان قابل تحمل است. به همین دلیل، دمای هوا فضاهای داخلی باید با دقت بیشتری کنترل شود. البته میزان رطوبت نسبی هوا نیز باید در نظر گرفته شود؛ زیرا رطوبت بیش از حد در فصل زمستان باعث ایجاد تعریق بر روی سطوح سرد داخلی مانند سطح شیشه ی پنجره ها و رطوبت کم باعث ایجاد الکتریسیته ی ساکن می شود.

 

تأثیر عوامل اقلیمی بر منطقه ی آسایش

 منطقه ی آسایش در جدول 2-6، فقط در صورت ثابت بودن جریان هوا و در سایه صادق است. حال اگر دو عامل تابش آفتاب و باد نیز دخالت داده شوند، هر کدام به نوعی در محدوده های منطقه ی آسایش تأثیر می گذارند. همچنین اگر میزان رطوبت هوای مورد نظر با وسایل مکانیکی یا به طور طبیعی افزایش داده شود، حدود منطقه ی آسایش تغییر می کند. در این قسمت، تأثیر هر کدام از عوامل فوق بر انسان و در نتیجه، تأثیر آن بر منطقه ی آسایش مورد بررسی قرار می گیرد.

تأثیر تابش آفتاب بر منطقه ی آسایش

  تابش آفتاب، دو اثر بیولوژیکی و حرارتی بر انسان دارد که اثر بیولوژیکی آن ناشی از تابش پرتو فرابنفش و اثر حرارتی آن حاصل تابش پرتو مرئی و فرو قرمز بر بدن انسان است.

  محدوده ی بسیار کوچکی از طیف نور خورشید با طول موج 288/0 تا 313/0 میکرون، فقط محدوده ی مؤثر پرتوهای فرابنفش است. این قسمت از نور خورشید بر پوست تأثیر می گذاردو باعث آفتاب سوختگی پوست سفید می شود. نکته ی قابل توجه اینکه، بیشتر اجسام شفاف مانند شیشه و بعضی نایلون ها، پرتوهای فرابنفش را جذب می کنند و مانع نفوذ این قسمت از طیف نور به آن طرف خود می شود.

  مسأله ی مهم در این قسمت، تأثیر حرارتی تابش آفتاب بر منطقه ی آسایش است که پیش از این به وسیله ی دو عامل درجه حرارت و رطوبت نسبی هوا مشخص شد.

  در شرایطی که دمای هوا کمتر از 21 درجه سانتیگراد است( محدوده ی پایین خط سایه در جدول 2-6)، تابش آفتاب ممکن است باعث گسترش منطقه ی آسایش شود. بدین ترتیب که در دماهای پایین که بدن حرارت خود را از دست می دهد، اگر حرارت دفع شده با اثر حرارتی تابش آفتاب جبران شود، شرایط آسایش انسان تأمین می شود و این شرایط، در محدوده ی منطقه ی آسایش قرا می گیرد. البته جبران حرارت دفع شده ی بدن با تابش آفتاب،محدودیت هایی دارد. محاسبات و آزمایش هایی که در این مورد انجام شده، نشان می دهد که هر 5/12 کیلو کالری انرژی خورشیدی در ساعت می تواند 8/1 درجه ی سانتیگراد کاهش دمای هوا را جبران کند. در جدول 2-7، میزان گسترش منطقه ی آسایش از طریق تابش آفتاب نشان داده شده است.

جدول 2-7: تأثیر تابش آفتاب بر منطقه ی آسایش

تأثیر رطوبت هوا بر منطقه آسایش

 رطوبت باعث کاهش دمای هوای خشک می شود. منحنی های جدول 2-8، تغییراتی را نشان می دهد که با افزایش 5 گرین رطوبت در هر پوند (454 گرم) در هر بار در دمای هوا به وجود می آید. این کاهش دمای هوا که در اثر تبخیر رطوبت اضافه شده به آن صورت می گیرد، باعث می شود محدوده های بالای منطقه ی آسایش نیز قابل تحمل شود و بدین ترتیب، منطقه ی آسایش گسترش یابد. برای مثال، اگر دمای هوای مورد نظر 32 درجه ی سانتیگراد و رطوبت نسبی آن 30 درصد باشد، چنین شرایطی خارج از منطقه ی آسایش و در نتیجه، غیر قابل تحمل خواهد بود(جدول 2-8). حال در این شرایط، اگر رطوبت هوا به میزان 10 گرین در پوند افزایش یابد، دمای هوا فوق در حد قابل تحمل کاهش خواهد یافت.

  خنک سازی هوا از طریق افزایش رطوبت آن ممکن است و با وسایل مکانیکی یا به طور طبیعی با گیاه کاری یا ساخت آب نما و فواره ها صورت گیرد.

جدول 2-8: تأثیر رطوبت هوا بر منطقه ی آسایش

تأثیر باد بر منطقه ی آسایش

  سرعت جریان هوا به دو طریق بدن انسان را تحت تأثیر قرار می دهد. جریان هوا، از یک سو مقدار تبادل حرارتی از طریق همرفت (جابجایی هوا در اثر اختلاف دما) را مشخص می کند و از سوی دیگر، ظرفیت تبخیر در هوا و در نتیجه، میزان خنک شدن بدن از طریق تعریق را تعیین می نماید.

  تأثیر سرعت و دمای هوا در تبادل حرارتی از طریق همرفت به یکدیگر بستگی دارد؛ زیرا تبادل حرارت از طریق همرفت، در اثر سرعت هوا و اختلاف دمای پوست و هوای اطرافش به وجود می آید. تأثیر سرعت جریان هوا بر بدن از طریق تعیین ظرفیت تبخیر در هوا، به رطوبت آن بستگی دارد؛ زیرا افزایش سرعت هوا، ظرفیت تبخیر پذیری آن را افزایش و در نتیجه، تأثیر رطوبت بیش از حد هوا را کاهش می دهد.

  اگر هوا سردتر از پوست بدن باشد، هر دو تأثیر جریان هوا بر بدن انسان در یک جهت عمل می کنند و در نتیجه، در این حالت افزایش سرعت هوا باعث خنک شدن بدن می شود. البته این تأثیر با کاهش دمای هوا شدت می یابد ولی وقتی هوا گرم تر از پوست باشد، اثرات جریان هوا در جهت عکس یکدیگر عمل می کنند. در این حالت، افزایش سرعت هوا از یک سو باعث افزایش اثر همرفت و در نتیجه، گرمتر شدن بدن و از سوی دیگر باعث افزایش ظرفیت تبخیر در هوا و سردتر شدن پوست می شود. زمانی که پوست بدن مرطوب و اثر تعریق و تبخیر آن کمتر از 100 درصد است، افزایش سرعت هوا بیشتر در میزان تعریق و تبخیر تأثیر می گذارد تا در تبادل حرارت از طریق همرفت و در نتیجه بدن خشک شود و فرد احساس راحتی کند. ولی این تأثیر تا زمانی ادامه دارد که پوست بدن خشک شود و از این پس، افزایش سرعت هوا تأثیری در خنک شدن بدن از طریق تأثیر بر میزان تعریق و تبخیر نداشته باشد؛ ولی اثر گرمائی آن از طریق همرفت ادامه می یابد.

  بنابراین در دماهای بالا، یک سرعت بهینه ی باد وجود دارد که در آن سرعت، بدن تا بیشترین حد ممکن خنک می شود. کاهش سرعت هوا از این حد باعث افزایش دمای پوست و افزایش آن باعث گرم تر شدن بدن از طریق همرفت می شود.این حد مطلوب سرعت باد ثابت نیست و به عواملی چون دما و رطوبت هوا، قدرت بیولوژیکی بدن و پوشش فرد بستگی دارد.

 در اینجا لازم است به اثراتی که سرعت های مختلف باد بر انسان می گذارد، اشاره شود. در جدول 2-9، واکنش انسان نسبت به سرعت های مختلف باد، هنگامی که در ارتفاع سر افراد جریان داشته باشد، نشان داده شده است.

جدول 2-9: واکنش انسان در برابر سرعت جریان هوا

در مطالبی که قبلاً در مورد اثرات دما و رطوبت هوا بر منطقه ی آسایش مطرح گردید، به این موضوع اشاره شد که وقتی رطوبت نسبی هوا 75 درصد یا بیشتر باشد، شرایط حرارتی هوای مورد نظر از منطقه ی آسایش خارج می شود. ولی اگر در چنین وضعیتی هوا جریان داشته باشد، این شرایط می تواند در منطقه ی آسایش قرار گیرد. برای مثال، وقتی باد با سرعت 200 فوت (60 متر) در دقیقه بوزد، دمای هوای 29 درجه ی سانتیگراد و رطوبت نسبی 30 تا 60 درصد کاملاً مطلوب است. بنابراین وزش باد نیز ممکن است باعث گسترش منطقه ی آسایش شود. تغییراتی که سرعت های مختلف باد در منطقه ی آسایش به وجود می آورد، در جدول 2-10 نشان داده شده است.

جدول 2-10: تأثیر باد بر منطقه ی آسایش

جدول زیست اقلیمی (بیوکلیماتیک)

 اگر تمام اطلاعاتی که در مورد تأثیر عوامل اقلیمی بر انسان ارائه شد، به جدول 2-6 اضافه شود و محدوده ی آنها مشخص گردد، جدولی به دست می آید که آن را «جدول  زیست – اقلیمی یا بیوکلیماتیک» می نامند. با استفاده از این جدول می توان به شرایط اقلیمی مناطق گوناگون از نظر آسایش انسان پی برد و این مناطق را بر حسب نوع اقلیم تقسیم بندی کرد(جدول 2-11). نکته ی مهم اینکه، موارد استفاده از جدول مذکور محدود است و در پاره ای موارد اشکالاتی دارد.

جدول 2-11: جدول زیست اقلیمی


فصل سوم: اقلیم و ساختمان

مقدمه

در این فصلف تأثیر هر یک از عناصر اقلیمی( تابش آفتاب، رطوبت و باد) بر ساختمان مورد بررسی قرار می گیرد. در بین عناصر، تابش آفتاب- که نور و حرارت طبیعی را به وجود می آورد- مهم ترین عنصر محسوب می شود و به همین دلیل، قسمت عمده ی مطالب این فصل به بررسی اثرات آن بر ساختمان اختصاص یافته است.

  نکته ی قابل توجه اینکه، اگر چه عناصر اقلیمی تمام ساختمان ها را تحت تأثیر قرار می دهد و اصول مطرح شده در این قسمت در مورد تمام آنها صدق می کند، ولی در به کارگیری این اصول باید توجه داشت که در برخی ساختمان های خاص ممکن است تأثیر عناصر اقلیمی نسبت ه تأثیر عوامل داخلی آن ساختمان ها ( مانند حرارت ناشی از وجود افراد، چراغ های روشنایی و دستگاه های حرارت زا) بسیار اندک بوده، نقش تعیین کننده ای نداشته باشد. بنابراین، نتایج به دست آمده در این فصل، در مورد ساختمان هایی صدق می کند که عوامل داخلی عمده ای در آنها دخالت ندارد.

 

 تابش آفتاب و تأثیر آن بر ساختمان و محیط اطراف

نور خورشید، همیشه برای ایجاد روشنایی طبیعی در ساختمان لازم است. ولی از آنجا که این نور در نهایت به حرارت تبدیل می شود، میزان تابش مورد نیاز برای هر ساختمان باید با توجه به نوع آن و شرایط اقلیمی کحل آن تعیین شود. بدین منظور، در این قسمت، نخست ماهیت نور خورشید و حرارت حاصل از آن مورد بررسی قرار گرفته، سپس به نحوه ی انتقال این حرارت از جداره های ساختمان به فضای داخلی آن اشاره شده است.

  مقدار حرارتی که خورشید در فاصله ی 000/000/148 کیلومتری( 93 میلیون مایل، فاصله ی خورشید تا مدار زمین) در سطحی عمود بر پرتو آن تولید می کند، برای 94/1 کالری در سانتی متر مربع در دقیق (BTU/h/ft2 429) است که «رقم ثابت خورشید» نامیده می شود. البته زمین مقدار حرارت کمتری جذب می کند؛ زیرا همانطور که در فصل اول توضیح داده شد، مقداری از پرتوهای خورشید در اثر برخورد با سطح ابرها دوباره به سمت بالا منعکس می شود و مقداری از آنها نیز به وسیله ی اکسید کربن، بخار آب و اوزون موجود در اتمسفر جذب می شود. همچنین، مقدار مشخصی از پرتوهای خورشید در اثر برخورد به مولکول های هوا به اطراف منتشر می شود. البته قسمتی از این پرتوهای منتشر شده در این آسمان، دوباره به سمت زمین می تابد (شکل3-1).

شکل 3-1: پرتوهای منتشر شده ای که به زمین می تابد

  بنابراین، شدت تابش آفتاب و حرارت حاصل از آن در یک نقطه از سطح زمین، به فاصله ای که پرتو خورشید باید طی کند، ضخامت ابر و وضعیت آلودگی هوا بستگی دارد. به همین دلیل، شدت تابش آفتاب در یک محل با ارتفاع آن محل از سطح دریا متناسب است و در مناطق مرتفع، چون پرتو خورشید فاصله ی کمتری از اتمسفر را طی می کند، حرارت بیشتری تولید می نماید. همچنین در ظهر محلی هر منطقه که خورشید در قائم ترین حالت خود نسبت به زمین آن محل قرار دارد و فاصله ی آن کمتر است، شدت تابش آفتاب بیشتر از صبح و عصر است که خورشید در مایل ترین حالت نسبت به زمین محل نظر قرا دارد.

  با توجه به مطالب فوق درمی یابیم که شدت تابش آفتاب در هر نقطه از سطح زمین، به موقعیت خورشید نسبت به آن منطقه بستگی دارد. از آنجا که موقعیت خورشید به دلیل حرکت وضعی و دورانی زمین در ساعت ها، روزها و فصل های مختلف متفاوت است، برای بررسی شدت تابش آفتاب بر سطوح مختلف و حرارت حاصل از آن باید موقعیت خورشید نسبت به محل مورد نظر در زمان های مختلف مشخص باشد. بدین منظور، در این قسمت موقعیت خورشید مورد بررسی قرار می گیرد.

 

موقعیت خورشید

   در هر منطقه از سطح زمین، مسیر حرکت خورشید در آسمان در روزهای مختلف سال متفاوت است. برای مثال،حرکت خورشید نسبت به ساختمانی که در نیم کره شمالی و رو به جنوب قرار گرفته، بدین طریق است که در تابستان خورشید از شمال شرقی محوطه ای این ساختمان طلوع و در شمال غربی آن غروب می کند. در زمستان، طلوع خورشید از جنوب شرقی و غروب آن در جنوب غربی محوطه ی ساختمان مزبور صورت می گیرد و فقط در اول فروردین و اول مهر ماه، خورشید کاملاً از شرق طلوع کرده، در غرب غروب می کند(شکل3-2).

شکل3-2:موقعیت خورشید نسبت به زمین ،الف-طلوع و غروب خورشید در فصل های مختلف،ب- موقعیت خورشید و تابش آفتاب در تابستان،

ج- موقعیت خورشید و تابش آفتاب در زمستان 

  موقعیت خورشید را در هر منطقه و در هر زمان می توان به وسیله ی دو زاویه یکی «زاویه ی تابش» و دیگری «جهت تابش» مشخص کرد. «زاویه تابش» زاویه ای است که بین امتداد پرتو خورشید و سطح افق تشکیل می شود و «جهت تابش» زاویه ای است که بین تصویر امتداد پرتو خورشید بر صفحه ی افق و شمال واقعی پدید می آید(شکل 3-3). تغییرات روزانه و سالانه ی این و زاویه به عرض جغرافیایی محل بستگی دارد. در بسیاری از کشورها، مقادیر این دو زاویه برای نقاط گوناگون و در زمان های مختلف محاسبه شده و به هر صورت جدول ها و منحنی هایی ارائه شده است. ولی چنانچه موقعیت خورشید برای مناطق خاصی مورد نظر باشد، آنها را می توان از طریق محاسبات ریاضی به دست آورد.

شکل 3-3: جهت . زاویه ی تابش پرتوهای خورشید

 اولین عامل مؤثر در محاسبه ی زوایای موقعیت خورشید، زاویه چرخش زمین است.این زاویه، زاویه ای است که بین صفحه ای که از خط استوا می گذرد و خطی که مرکز زمین و خورشید را به هم متصل می شدند، ایجاد می شود و در طول سال از 5/23 درجه به طرف بالای صفحه ی استوا تا 5/23 درجه به طرف پایین صفحه ی استوا یعنی 47 درجه تغییر می یابد. دیگر عوامل مؤثر در تعیین زاویه ی تابش و جهت تابش، عرض جغرافیایی و زمان مورد نظر است. با در دست داشتن این اطلاعات می توان دو زاویه ی مورد نظر را با استفاده از رابطه های زیر به دست آورد:

در این دو رابطه، L عرض جغرافیایی مورد نظر، d زاویه چرخش زمین،t زمان مورد نظر،z جهت تابش و h زاویه ی تابش است و زمان تابش (t) بر حسب درجه محاسبه می شود. از آنجا که شبانه روز 24 ساعت است و در این زمان زمین 360 درجه دور خود می چرخد، هر ساعت برابر 15 درجه خواهد بود. این زاویه همیشه از موقعیت خورشید در ظهر محاسبه می شود. برای مثال، tبرای ساعت 11 صبح و بعد از ظهر، 15 درجه و برای ساعت 10 صبح و 2 بعد از ظهر، 30 درجه در نظر گرفته می شود.

نتایج این محاسبات را می توان به شکل های گوناگونی ارائه کرد. بهترین شکلی که هم برای محاسبه ی انرژی خورشیدی و هم برای به دست آوردن ابعاد سایه بان ها قابل استفاده است، نمودار مسیر حرکت خورشید است. در این نمودار، افق به شکل دایره ای است که ساختمان در مرکز آن قرار گرفته و مسیر حرکت خورشید در آسمان به شکل منحنی هایی ترسیم شده که از شرق دایره ی افق به غرب آن کشیده شده است. با استفاده از این نمودارها می توان موقعیت خورشید را در هر روز و هر ساعت تعیین کرد. زاویه ی تابش بین صفر و 90 درجه به شکل دایره های متحدالمرکزی نشان داده شده است که هر کدام با فاصله ی 10 درجه از یکدیگر قرار دارند و جهت تابش به صورت خطوطی است که از محیط دایره ی افق به مرکز دایره ها که محل ساختمان است متصل شده و بین صفر در شمال و 180 درجه در جنوب تقسیم شده اند. هر یک از مسیرهای حرکت خورشید مربوط به روزهایی است که بر روی نمودار نشان داده شده است. بدیهی است چنانچه زمان مورد نظر بر روی این منحنی ها قرار نگیرد، با در نظر گرفتن میانگین دو منحنی می توان زوایای مورد نظر را برای آن زمان به دست آورد.

  به طور مثال، برای به دست آوردن موقعیت خورشید در ساعت 10 صبح روز اول تیر ماه در بندر عباس (عرض جغرافیایی 27 درجه) این گونه عمل می کنیم:

1)    نمودار موقعیت خورشید در عرض جغرافیایی 27 درجه را انتخاب می کنیم.

2)    روی این نمودار، منحنی مسیر حرکت خورشید در اول تیر ماه را مشخص می کنیم.

3)    بر روی این منحنی، نقطه ی مربوط به ساعت 10 صبح مشخص شده است.

4)    این نقطه نشان می دهد که در ساعت 10 صبح، زاویه ی تابش 60 درجه و جهت تابش 90 درجه است (شکل 3-4).

پس از مشخص شدن موقعیت خورشید باید ماهیت تابش آفتاب نیز مشخص شود. بدین منظور، در اینجا انواع پرتوهای نور خورشید مورد بررسی قرار می گیرد.

شکل 3-4: موقعیت خورشید در عرض جغرافیایی 27 درجه ی شمالی

صفحه 26

 

تابش آفتاب

به طور کلی،تابش آفتاب با ساطع شدن پنج نوع پرتو یک ساختمان را تحت تأثیر قرار می دهد. این پنج نوع به ترتیب اهمیت عبارتند از:

  • پرتو مستقیم با طول موج کوتاه
  • پرتو پراکنده از آسمان با طول موج کوتاه
  • پرتو بازتابیده از سطوح اطراف با طول موج کوتاه
  • پرتو ساطع شده از زمین و اجسام گرم شده با طول موج بلند( بازتاب حرارتی)
  • پرتو ساطع شده از ساختمان به آسمان با طول موج بلند(بازتاب حرارتی)

هر یک از این پرتوها، به نوعی بر ساختمان تأثیر می گذارد که در اینجا به بررسی آنها می پردازیم.

 

پرتو مستقیم و پراکنده

این دو بخش از پرتو خورشید، اجزا آفتاب از نظر تأمین نور و حرارت طبیعی در ساختمان هستند. بنابراین، محاسبه ی سریع و دقیق مقدار انرژی حاصل از این دو نوع پرتو برای طراحان حائز اهمیت است.

 چنانچه اشاره شد، قسمتی از پرتو خورشید هنگام عبور از اتمسفر- به دلیل وجود ذرات غبار- در هوا پراکنده می شود و قسمتی از آن نیز به وسیله ی ابرها دوباره به سمت آسمان منعکس می شود. به همین دلیل با عبور نور خورشید از اتمسفر، انرژی آن کاهش می یابد. البته نسبت پرتو پراکنش یافته به پرتو مستقیم آفتاب، به وضعیت ابری بودن هوا بستگی دارد. در روزهای ابری، حتی ممکن است 100 درصد پرتوها به صورت پراکنده به زمین برسد. ولی در روزهای آفتابی، این نسبت حدود 15 درصد است. به همین دلیل در مجموع حرارتی که در روزهای ابری به زمین می رسد، بسیار کمتر از حرارتی است که در روزهای آفتابی دریافت می شود.

 نتایج بررسی مقدار انرژی حرارتی حاصل از تابش آفتاب در دو وضعیت هوای ابری و هوای کاملاً صاف نشان داده است که در روزهای آفتابی فصل زمستان، یک دیوار جنوبی حدود 75 درصد کل انرژی حرارتی خورشید را دریافت می کند؛ ولی این مقدار در روزهای ابری 7 درصد و در روزهای نیمه ابری 18 درصد گزارش شده است.

 این بررسی نشان می دهد که بیشترین قسمت انرژی حرارتی خورشید در روزهایی که هوا صاف است به زمین می رسد. بنابراین برای تمام محاسباتی که در این زمینه در معماری انجام می شود، مقدار انرژی حرارتی خورشید که در روزهای کاملاً آفتابی به زمین می رسد در نظر گرفته می شود.

 

پرتو بازتابیده از سطوح اطراف

 در روزهای گرم تابستان، مقدار انرژی خورشیدی تابیده شده به سطوح افقی تقریباً دو برابر انرژی خورشیدی تابیده به سطوح عمودی است. بنابراین، سطوح افقی اطراف یک ساختمان ممکن است مقدار زیادی از انرژی خورشیدی را به آن منعکس کنند. این مقدار، به قابلیت انعکاس سطوح مورد نظر بستگی دارد. در جدول 3-1، درصد انعکاس نور خورشید در سطح مصالح گوناگون نشان داده شده است. برای کاهش میزان این نوع تابش بر ساختمان باید سطوح اطراف ساختمان را با سطوحی که درصد انعکاس کمی دارند بپوشانیم.

 

پرتو ساطع شده از زمین و اجسام گرم شده

زمین و اجسام نزدیک به ساختمان که در معرض تابش آفتاب قرار دارند، ممکن است حرارت بسیار زیادی جذب کنند. در مناطق گرم و خشک و در روزهای گرم تابستان، دمای این سطوح تقریباً بین 54 (هنگامی که دمای هوا 34 درجه سانتیگراد باشد) و 65 درجه ی سانتیگراد (زمانی که دمای هوا 44 درجه ی سانتیگراد باشد) نوسان دارد. حتی دمای 71 درجه ی سانتیگراد نیز برای سطح زمین در این گونه مناطق گزارش شده است. بدیهی است ساختمانی که در مجاورت چنین سطوحی قرار گرفته، مقدار زیادی از حرارت این سطوح را دریافت می کند. البته به سختی می توان این مقدار حرارت را به طور دقیق اندازه گیری کرد؛ زیرا این مقدار، هم به نوع مصالح ساختمانی به کار رفته در بنا و هم به میزان پرتوهای تابیده شده بین دو سطح- که به نسبت اختلاف دمایشان تغییر می کنند- بستگی دارد.

 

پرتو ساطع شده از ساختمان به آسمان

ایجاد تعادل حرارت جهانی نشان می دهد که میانگین سالانه ی کل پرتوهای خارج شده از زمین و اتمسفر، برابر کل پرتوهای خورشیدی تابیده به زمین است. البته شدت پرتوهای ساطع شده از زمین یکنواخت نیست و در هر فصل متفاوت است. مقدار این پرتوها به عرض جغرافیایی بستگی دارد و در اطراف قطبین،10 تا 20 درصد از میزان آن کاهش می یابد. محاسباتی که در مورد مقدار این پرتوهای پراکنش یافته انجام شده، نشان می دهد که مقدار مؤثر پرتوهای ساطع شده از زمین، در آسمان بدون ابر با افزایش رطوبت نسبی کاهش می یابد. در هوای ابری، مقدار پرتو بازتابی ابرها به زمین افزایش یافته، مقدار پرتو عبور کرده از ابر به آن سوی اتمسفر کاهش می یابد.

  بنابراین ساطع شدن این نوع پرتو به سمت آسمان، یکی از روش های دفع حرارت ذخیره شده در بنای ساختمان ها- بویژه در مناطق گرم و خشک- است ولی متأسفانه این امکان هنوز به طور جدی و دقیق مورد توجه قرار نگرفته و از آن در طراحی استفاده نشده است. حال آنکه برای تعیین میزان پرتو ساطع شده از ساختمان به آسمان می توان روش محاسباتی قابل استفاده ای به دست آورد.

 

تابش آفتاب و انرژی حاصل از آن در جهت های مختلف جغرافیایی

چنانچه پیش از این توضیح داده شد، تابش آفتاب و حرارت حاصل از آن در زمین به وضعیت هوا، موقعیت خورشید و ارتفاع محل مورد نظر بستگی دارد. ولی مقدار انرژی خورشیدی تابیده به یک سطح، علاوه بر موارد فوق به زاویه ی برخورد پرتو خورشید به سطح مورد نظر نیز بستگی دارد. یعنی در یک نقطه از سطح زمین و در یک زمان معین، مقدار انرژی خورشیدی تابیده به سطوحی که نسبت به پرتو خورشید زوایای مختلفی دارند، کاملاٌ متفاوت است. برای محاسبه ی انرژی حرارتی خورشیدی حاصل در سطوح مختلف، روش های گوناگونی پیشنهاد شده است که در اینجا به شرح دو روش محاسباتی و نموداری می پردازیم.

 

روش محاسباتی

  استیونسون برای برآورد مقدار انرژی خورشیدی که در اثر تابش پرتو مستقیم خورشید در سطحی عمود بر پرتو بر ایجاد می شود، روشی پیشنهاد کرده که فرمول خلاصه شده ی آن به شرح زیر است:

 

در این رقم،«IDN» حرارت حاصل از تابش مستقیم و عمودی آفتاب بر حسب BTU/h/ft2، «I» رقم ثابت خورشید،«   » ضریب خاموشی و «h» زاویه تابش است.

با مشخص بودن این مقدار انرژی (IDN)، با استفاده از فرمول های زیر می توان انرژی خورشیدی تابیده به سطوح افقی و عمودی را در هر نقطه به دست آورد.

 

در این فرمول ها نیز «IDH» انرژی حاصل از تابش مستقیم آفتاب بر سطوح افقی،«IDV» انرژی حاصل از تابش مستقیم آن بر سطوح عمودی، «h» زاویه تابش و «  » زاویه بین خط عمود بر سطح مورد نظر و پرتو خورشیدی تابیده به این سطح است.

برای محاسبه ی انرژی حاصل از تابش پرتو پراکنده نیز فرمول زیر پیشنهاد شده است که در آن «Id» مقدار انرژی حاصل از تابش،«K» ضریب تعیین کننده ی وضعیت هوا از نظر گرد و غبار و «IDN» انرژی حاصل از تابش مستقیم و عمودی آفتاب به سطح مورد نظر است. ضرب تعیین کننده ی وضعیت هوا در آسمان کاملاً صاف 14/0 و در آسمان ابری روشن 9/0 در نظر گرفته می شود.

 

اشبل با استفاده از این روش و فرمول های فوق، الگوی تغییرات روزانه و ماهانه ی انرژی حاصل از تابش آفتاب بر سطوح افقی و قائم در جهت های مختلف را در عرض های جغرافیایی گوناگون بررسی کرده است.

فرمول هایی که وی برای محاسبه ی انرژی خورشیدی تابیده به دیوارهای واقع در جهت های مختلف جغرافیایی مورد استفاده قرار داده، عبارتند از:

 

 

در این فرمول، «I» انرژی تابیده به دیوارهای واقع در جهت های مختلف،«IN» انرژی تابیده به سطح عمود بر پرتو،«h» زاویه ی تابش و «z» جهت تابش است و در آنها، مقدار انرژی حاصل از پرتو پراکنده نیز با در نظر گرفتن ضریبی منظور شده است. اگر چه در این روش تأثیر پرتو منعکس شده از سطوح اطراف، در انرژی حاصل در دیوارها نادیده گرفته شده و مقدار انرژی حاصل از تابش پرتو پراکنده به طور دقیق تعیین نمی شود، ولی با استفاده از آن می توان تأثیر جهت سطوح را در مقدار انرژی خورشیدی تابیده به آنها- بویژه در روزهایی که هوا صاف است- تعیین کرد. در اینجا به نتایجی که اشبل با استفاده از روش فوق  در مورد میزان تابش آفتاب به سطوح مختلف و در عرض جغرافیایی 31 درجه و 47 دقیق ی شمالی (معادل تفت یزد) به دست آورده است، اشاره می شود.

 

سطوح قائم

دیوارهای جنوبی

دیوارهای جنوبی، بیشترین مقدار پرتو آفتاب را در آذر ماه و کمترین مقدار آن را در خرداد ماه دریافت می کنند. این دیوارها از شهریور تا اسفند، پرتو آفتاب را از طلوع تا غروب دریافت می کنند. دیوارهای جنوبی در اواسط تابستان از ساعت 9 صبح تا 3 بعد از ظهر مورد تابش آفتاب قرار می گیرند. هنگام ظهر حداکثر پرتو آفتاب بر روی این دیوارها می تابد.

 

دیوارهای جنوب شرقی و جنوب غربی

این دیوارها در زمستان بیشتر از تابستان در معرض تابش آفتاب قرار می گیرند. در تابستان،حداکثر پرتو آفتاب به دیوارهای جنوب شرقی بین ساعت 8 و 9 صبح و به دیوارهای جنوب غربی بین ساعت 3 تا 4 بعد از ظهر می تابد. در زمستان، این ساعت ها به ترتیب 9 تا 10 صبح و 2 تا 3 بعد از ظهر است.

 

دیوارهای شرقی، غربی و شمالی

در زمستان، پرتو آفتاب کمتر از تابستان به این دیوارها می تابد. دیوار شمالی فقط بین فروردین تا شهریور ماه، صبح زود و آخرین ساعت های بعد از ظهر در معرض تابش آفتاب قرار می گیرد.

 

سطوح افقی

  سطوح افقی و بام های مسطح، 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

سطوح شیب داری که جهت آنها شرقی-غربی است، در تابستان مقدار پرتو بیشتری دریافت می کنند تا در زمستان، سطوحی که شیب آنها به طرف جنوب است، در زمستان بیشترین مقدار پرتو آفتاب را نسبت به سطوح دیگر دریافت می کنند. در بهار و پاییز، سطوح شیب دار جنوبی 20 درصد بیشتر از سطوح شیب دار شرقی و غربی در معرض تابش آفتاب قرار می گیرند. به طور کلی، سطوح شیب داری که شیب آنها به طرف شمال است، در تمام فصل های سال کمترین مقدار پرتو آفتاب را دریافت می کنند.

 

روش نموداری

ویکتور اولگی نیز با استفاده از روش های محاسباتی، نمودارهایی را به صورت نقاله ای ارائه کرده است که به وسیله ی آنها می توان مقدار انرژی خورشیدی مستقیم، پراکنش یافته و منعکس شده ای را که بر سطوح خارجی یک ساختمان با موقعیت های گوناگون و در عرض های جغرافیایی مختلف می تابد به دست آورد.

  نقاله ی محاسبه ی انرژی خورشیدی به شکل دایره ای است که به دو قسمت تقسیم شده است. منحنی های قسمت بالای این نقاله، نشان دهنده ی مقدار انرژی تابیده به سطوح افقی و منحنی های قسمت پایین آن، نشان دهنده ی مقدار انرژی تابیده به دیوارها و سطوح قائم است. نقاله ی محاسبه انرژی خورشیدی،به اندازه ی نمودار موقعیت خورشید است و با منطبق کردن آن بر نمودار موقعیت خورشید می توان انرژی خورشیدی تابیده به سطوح مختلف افقی و عمودی را در تمام عرض های جغرافیایی به دست آورد.

برای مثال، اگر بخواهیم مقدار انرژی خورشیدی تابیده به دیوارهای ساختمانی را به دست آوریم که در عرض جغرافیایی 35 درجه ی شمالی(مثلاً ساوه) قرار دارد و جهت آن 25 درجه ی شرقی است(خط عمود بر دیوار جنوبی ساختمان،25 درجه از محور جنوب به طرف شرق انحراف دارد)، نقاله ی محاسبه ی انرژی خورشیدی را به صورتی بر روی نمودار موقعیت خورشید در عرض جغرافیایی 35 درجه قرار میدهیم که محور عمودی آن 25 درجه به طرف شرق محور جنوبی نمودار موقعیت خورشید چرخیده باشد. نقاط برخورد منحنی های قسمت پایین نقاله با منحنی های موقعیت خورشید، مقدار انرژی خورشیدی تابیده به دیوار جنوبی ساختمان را در ساعت ها و روزهای مورد نظر نشان می دهد. به همین ترتیب، اگر نقاله را بر روی نمودار موقعیت خورشید بچرخانیم، مقادیر انرژی خورشیدی تابیده به بقیه ی دیوارهای این ساختمان به دست می آید. در صفحات بعد، نقاله ی محاسبه ی انرژی خورشیدی، همچنین نحوه ی محاسبه و مقادیر انرژی خورشیدی تابیده به دیوارهای ساختمانی با موقعیت 35 درجه عرض جغرافیایی نشان داده شده است (شکل های 3-5 تا 3-8)

شکل3-5:موقعیت خورشید در عرض جغرافیایی 35 درجه

شکل 3-6:نقاله ی محاسبه انرژی خورشیدی، انرژی تابیده بر سطوح افقی BTU/h/f2

شکل3-7:انطباق نقاله و موقعیت خورشید

شکل 3-8: نمودار مقدار انرژی خورشیدی تابیده بر سطوح قائم در اول تیر ماه و اول دی ماه

چنانچه اشاره شد، با استفاده از نقاله ی محاسبه انرژی خورشیدی می توان منحنی تغییرات انرژی خورشیدی تابیده به دیوارهای مختلف یک ساختمان را به دست آورد. این نمودار می/ تواند در بررسی و تعیین مناسب ترین جهت استقرار ساختمان مورد استفاده قرار گیرد. در مورد روش تعیین مناسب ترین جهت قرار گیری ساختمان،در بحث های بعدی توضیح داده شده است. در پیوست دو نیز به منظور بررسی میزان انرژی خورشیدی تابیده به سطوح عمودی در جهت های مختلف، همچنین برای مشخص کردن تغییراتی که در اثر تغییر جهت یک ساختمان، در مقدار انرژی خورشیدی تابیده به دیوارهای مختلف آن به وجود می آید و با در نظر گرفتن موقعیت جغرافیایی ایران، مقدار انرژی خورشیدی تابیده به سطوح عمودی در جهت های مختلف برای عرض های 33،29 و 37 درجه شمالی در گرم ترین روز (اول تیر ماه) و سردترین روز (اول دی ماه) سال محاسبه شده و در نمودار های جداگانه ارائه شده است.

 

 کیفیت سطح مورد تابش

در فصل قبل، شدت تابش آفتاب بر سطوح مختلف مورد بررسی قرار گرفت و دریافتیم که مقدار انرژی خورشیدی تابیده به سطوحی که در جهت های مختلف قرار دارند متفاوت است. ولی مقدار حرارتیکه در اثر تابش آفتاب بر سطح یک جسم ایجاد می شود، هم به جهت و هم به رنگ و بافت( درصد صیقلی بودن)آن سطح، همچنین سرعت جریان هوایی که در اطراف آن سطح در جریان است بستگی دارد. میزان حرارت ایجاد شده در اثر تابش آفتاب در سطحی مفروض، با میزان روشنی رنگ و سرعت جریان هوا در آن سطح نسبت عکس دارد. در ضمن هر چه سطح مفروض تر زبرتر و ناصاف تر باشد، مقدار انرژی حرارتی بیشتری را می تواند جذب کند. تأثیر سرعت باد بر حرارت ایجاد شده در یک سطح، ارتباط چندانی با جهت آن سطح ندارد و به نسبت سرعت باد تغییر می کند. البته میزان این تأثیر چندان زیاد نیست. چنانچه برای پیش بینی و برآورد حرارت ایجاد شده ی ناشی از تابش آفتاب در یک سطح دقت زیادی لازم باشد، باید سرعت جریان هوایی که در اطراف آن سطح در جریان است به طور دقیق در محاسبات منظور شود. ولی برای مطالعات و بررسی های عمومی، مقدار ثابتی برای این تأثیر در نظر گرفته می شود. مؤثرترین عامل در تعیین حرارت ایجاد شده در یک سطح، رنگ آن سطح است. به همین دلیل، در این قسمت با فرض یکسان بودن دو عامل دیگر- یعنی بافت و سرعت جریان هوا- به بررسی تأثیر رنگ سطوح بر مقدار انرژی خورشیدی جذب شده در آنها می پردازیم.

 

تأثیر رنگ در مقدار انرژی خورشیدی جذب شده در یک سطح

قبل از طلوع آفتاب، تغییرات درجه حرارت سطوح خارجی دیوارهای یک ساختمان، در تمام جهت ها با تغییر درجه حرارت هوای خارجی تقریباً هماهنگ است.در این حالت، فقط دمای بام چندین درجه کمتر از دمای هوای خارج است؛ زیرا بیشتر حرارت خود را از طریق ساطع مردن پرتو با طول موج بلند به طرف آسمان از دست می دهد. ولی پس از طلوع آفتاب و زمانی که پرتوهای آفتاب به طور مستقیم از سطوح دیگر منعکس یا از آسمان ساطع شود، دمای سطوح خارجی دیوارها به نسبت پرتویی که دریافت و جذب می کنند، افزایش می یابد. اگر سطحی به رنگ روشن باشد، مقدار حرارت جذب شده در آن سطح در اثر دریافت پرتو آفتاب کم است و درجه حرارت هوای پیرامون آن سطح تأثیر بیشتری در حرارت تولید شده در آن سطح دارد. ولی وقتی رنگ یک سطح خارجی تیره باشد، تأثیر تابش آفتاب در حرارت تولید شده در آن بسیار بیشتر از تأثیر درجه حرارت هوای پیرامون آن سطح است.

  به منظور بررسی تأثیر حرارتی تابش آفتاب در سطوح رنگی، آزمایش های گوناگونی انجام شده که در اینجا به چکیده ای از نتایج آنها اشاره می شود.

  برای بررسی درجه حرارت سطح خارجی یک دیوار خارجی سبک 22، دو آزمایش انجام شده است. در آزمایش اول، سطح خارجی دیوار به رنگ خاکستری است و در جهت های مختلف جغرافیایی قرار داده شده و در آزمایش دوم، سطح خارجی دیوار به رنگ سفید است. در هر دو حالت، دمای سطح این دیوارها در ساعت های مختلف روز اندازه گیری شده و منحنی تغییرات آنها به صورت نمودار نشان داده شده است(شکل های 3-9 و 3-10).

شکل 3-9: دمای سطح خارجی دیوارهای خاکستری رنگ در جهت های مختلف

شکل 3-10: دمای سطح خارجی دیوارهای سفید رنگ در جهت ها مختلف

  با مقایسه ی این دو نمودار می توان نتیجه گرفت که از نظر دریافت انرژی خورشیدی بین رنگ و جهت قرار گیری سطوح رابطه ی متقابل و زیادی وجود دارد. اگر رنگ دیوار خاکستری باشد، بین دمای سطح دیوارهایی که در جهت های مختلف قرار دارند، اختلافی تا حدود 23 درجه ی سانتیگراد وجود دارد. ولی اگر سطح دیوارها به رنگ سفید باشد، این اختلاف کمتر از 3 درجه ی سانتیگراد خواهد بود. نتیجه ی این دو آزمایش نشان می دهد که بحث درباره ی جهت قرار گیری ساختمان بدون در نظر گرفتن رنگ سطوح خارجی بی مفهوم است. نتیجه ی دیگر این دو آزمایش این است که با استفاده از رنگ های مختلف در سطوح خارجی دیوارهای یک ساختمان نیز می توان اثرات حرارتی تابش آفتاب در فضاهای داخلی آن را کنترل کرد.

  اختلاف دمای سطح دیوارها در این دو آزمایش، ناشی از خصوصیات جذب و دفع انرژی خورشیدی رنگ های مختلف است. رنگ های روشن ممکن است تا 90 درصد انرژی خورشیدی را منعکس کنند. در حالی که ویژگی انعکاس رنگ های تیره فقط 15 درصد یا کمتر است. در جدول 3-2، ضریب جذب انرژی حرارتی خورشید در رنگ های مختلف نشان داده شده است. همان طور که در این جدول مشخص شده، رنگ سفید حدود 10 تا 15 درصد انرژی حرارتی خورشید و رنگ سیاه مات بین 90 تا 95 درصد انرژی حرارتی خورشید را جذب می کند.

جدول 3-2:ضریب جذب انرژی حرارتی خورشید در رنگ های مختلف

 

 

 

تأثیر تابش آفتاب در حرارت داخلی ساختمان

 

 در اینجا با مشخص شدن تأثیر تابش آفتاب در سطوح مختلف می توان تأثیر این تابش را بر فضای داخلی ساختمان نیز مورد بررسی قرار داد. بدین منظور، ابتدا به توضیح انواع تبادل حرارتی پرداخته، نحوه ی انتقال حرارت خورشید از طریق دیوارها، سقف و پنجره های ساختمان به فضای داخلی آن را مورد بررسی قرار می دهیم. سپس به نحوه ی عملکرد اجزاء مختلف ساختمان می پردازیم.

 سقف و دیوارهای جانبی ساختمان، فضای داخلی آن را از محیط اطرافش جدا می سازد و بدین طریق، از تأثیر 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 تأثیر بر جداره های خارجی ساختمان، هوای داخلی آن را تحت تأثیر قرار می دهند. به طور مثال، حرارتی که در اثر تابش آفتاب، در سطوح خارجی یک ساختمان جذب می شود، با تغییراتی به سطوح داخلی و سرانجام به هوای داخلی انتقال می یابد و باعث افزایش دمای هوا می شود. به طور کلی، انتقال حرارت ممکن است به چهار صورت رسانش (هدایت)، همرفت (جابه جایی)، تابش و تبخیر صورت می گیرد. از آنجا که این چهار نوع انتقال حرارت، اصول تبادل حرارتی است و در این بحث به طور مکرر به آنها اشاره می شود در اینجا به تعریف هر یک از آنها می پردازیم.

 

رسانش

  حرارت با گذشتن از یک مولکول به مولکول هم جوار می تواند از داخل اجسام یا از جسمی به جسم دیگر که با آن تماس دارد،عبور کند. این نوع انتقال حرارت«رسانش» نامیده می شود. از طریق رسانش، حرارت موجود در یک اتاق بدون عایق حرارتی دفع می شود یا حرارت هوای خارج و حرارت تولید شده در اثر تابش آفتاب در سطح خارجی دیوارها، به فضاهای داخلی انتقال می یابد. معمولاً هر چه مصالح یک دیوار متراکم تر باشد، حرارت سریع تر به صورت رسانش از آن عبور می کند. برای مثال، بتن که متراکم تر از چوب است، ضریب رسانش بیشتری نسبت به چوب دارد.

 

همرفت

جریان هوا می تواند حرارت از سطوح گرم به سطوح سرد منتقل کند. این نوع انتقال حرارت «همرفت» نامیده می شود. هوا در اثر گرم شدن منبسط و در نتیجه سبک می شود و به همین دلیل بالا می رود. این هوای گرم، پس از مدتی حرارت خود را به اجسام و سطوح اطراف خود انتقال می دهد و دوباره سرد،منقبض و سنگین شده، به طرف پایین حرکت می کند. در یک فضای بسته مانند اتاق، حرارت باعث به جریان افتادن هوای گرم از پایین به بالا و هوای سرد از بالا به پایین می شود. وقتی این جریان هوا بین جداره های یک دیوار یا سقف دو جداره به وجود آید، مقدار زیادی حرارت از سطوح داخلی دیوارها و بام به سطوح خارجی یا بر عکس، در صورت گرم بودن هوای خارج، از سطوح خارجی به سطوح داخلی انتقال می یابد. البته باید توجه داشت که هوا،فقط زمانی می تواند باعث انتقال حرارت شود که فضای کافی برای عمل همرفت داشته باشد و در صورتی که در حفره های کوچک یا لایه های بسیار نازک محدود شود (مانند هوای داخل یونولیت)، قادر به انتقال حرارت نیست و عایق حرارتی بسیار مناسبی به شمار می رود.

تابش

حرارت نیز مانند نور، به شکل امواج الکترومغناطیسی منتقل می شود. این نوع انتقال حرارت را «تابش» می نامند. از طریق تابش یا ساطع شدن امواج الکترومغناطیسی با طول موج بلند، حرارت از یک جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود؛ بدون آنکه تأثیری در دمای هوای بین دو سطح بگذارد.

 

تبخیر

«تبخیر» عبارت است از تغییر دما و انتقال حرارت در اثر تغییر مایع به بخار، این تغییر شکل باعث دفع حرارت می شود.

در تبادل حرارتی، انتقال حرارت ممکن است به اشکال گوناگون صورت گیرد. برای مثال، انتقال حرارت از خارج به داخل ساختمان به این صورت انجام می شود که ابتدا پرتوهای حرارت زای خورشید به سطح دیوارهای خارجی می تابد و در آنها جذب می شود. جذب حرارت در سطوح خارجی باعث گرم شدن این سطوح شده، حرارت اضافی به صورت رسانش به سطوح داخلی دیوارها منتقل می شود. در دیوارهای دو جداره حرارت به صورت همرفت و تابش از یک طرف دیوار به طرف دیگر آن، سپس به صورت رسانش به سطح داخلی دیوار انتقال می یابد و باعث گرم شدن آن می شود. سطوح داخلی نیز پس از گرم شدن، حرارت خود را به شکل همرفت و تابش به هوای داخلی و سطوح دیگر منتقل می کنند(شکل 3-11).

شکل 3-11: راه های مختلف تبادل حرارت در ساختمان از طریق دیوارهای دو جداره

تابش آفتاب بر انواع دیوار

تأثیر تابش آفتاب در حرارت داخلی ساختمان، به ویژگی مصالح به کار رفته در دیوارهای خارجی آن بستگی دارد. وقتی هوای داخلی ساختمان به وسیله ی سیستم های مکانیکی کنترل نشود، نوع مصالح به کار رفته در ساختمان تأثیر زیادی در تأمین آسایش ساکنین آن دارد. حتی وقتی هوای داخلی ساختمان به وسیله ی سیستم های مکانیکی کنترل می شود، کیفیت مصالح ساختمانی به کار رفته، تأثیر زیادی در میزان حرارت دفع شده یا جذب شده ی ساختمان دارد و در نتیجه در آسایش ساکنین، همچنین در بازدهی اقتصادی وسایل مکانیکی مؤثر است. در هر صورت لازم است با توجه به نوع ساختمان و شرایط اقلیمی، مصالح ساختمانی مناسب به دقت انتخاب شود.

در این قسمت، قبل از بررسی میزان تأثیر کیفیت مصالح دیوارها در کنترل حرارت دخلی ساختمان، به چگونگی انتقال حرارت از محیط خارج به داخل و نحوه ی تأثیر آن بر شرایط هوای داخلی ساختمانی که فقط تحت تأثیر محیط اطراف قرار گرفته می پردازیم.

دمای هوای خارج و میزان تابش آفتاب، دارای یک دوره تغییرات روزانه است و الگوی این تغییرات به موقعیت جغرافیایی محل بستگی دارد. دمای هوای داخلی ساختمان های مجهز به وسایل مکانیکی نیز، همین دوره ی روزانه را دارد؛ البته با تغییراتی که به جزئیات طرح و نوع مصالح ساختمان بستگی دارد.

قبل از طلوع آفتاب، هوای آزاد و سطوح خارجی ساختمان ها در سریعترین موقعیت خود قرار دارند. ولی پس از طلوع آفتاب، هوا شروع به گرم شدن می کند و هنگام بعد از ظهر- یعنی حدود ساعت 2تا4- دمای آن به حداکثر میزان ممکن می رسد. میزان این افزایش دما، تا حد زیادی به فاصله ی مکان مورد نظر با دریا بستگی دارد. در مناطق ساحلی- بویژه در نقاطی که باد هنگام روز از دریا به سمت خشکی می وزد- میزان افزایش دمای هوا کم است و نوسان آن در روز به حدود 4 تا 7 درجه ی سانتیگراد می رسد. ولی در نواحی غیر ساحلی، نوسان دمای هوا در روز ممکن است به 15 تا 20 درجه ی سانتیگراد  یا بیشتر نیز برسد.

افزایش دمای هوای خارج باعث گرم شدن سطح خارجی دیوارهای جانبی ساختمان می شود. این تأثیر در تمام جوانب ساختمان یکسان است و جهت دیوارهای، تأثیری در مقدار حرارت دریافت شده در این حالت ندارد. هم زمان با این افزایش دمای دیوار، آفتاب نیز به صورت مستقیم، پراکنده و منعکس شده از سطوح اطراف به ساختمان می تابد. قسمتی از پرتو تابیده به دیوار در اثر برخورد به سطح آن منعکس می شود و بقیه در دیوار جذب شده، باعث گرم تر شدن آن می شود. در این حالت،جهت دیوارها در مقدار تابش دریافت شده و در نتیجه، مقدار حرارت ایجاد شده در آنها کاملاً مؤثر است. به همین دلیل، در دیوارها و بام ساختمان، تحت تأثیر تابش آفتاب،دمای متفاوتی ایجاد می شود.

برای درک بهتر جریان عبور حرارت از سطح خارجی به سطح داخلی یک دیوار می توان تصور کرد که دیوار از لایه های متعددی تشکیل شده است. در اثر انتقال حرارت به هر یک از این لایه ها، دمای آنها افزایش می یابد و مقدار حرارتی که باعث این افزایش دما شده، در لایه ی مزبور ذخیره می شود و بقیه به لایه ی سرد بعدی انتقال می یابد. بنابراین، هر لایه از دیوار مقدار حرارت کمتری نسبت به لایه ی قبلی خود دریافت می کند و در نتیجه، دمای آن نسبت به لایه ی قبلی کمتر می شود. با ذخیره شدن حرارت در داخل دیوار، حرارت کمتری به سطح داخلی انتقال می یابد و دمای آن کمتر از دمای سطح خارجی می شود.

  پس از آنکه دمای سطح خارجی دیوار به حداکثر میزان خود می رسد و به دلیل کاهش شدت آفتاب و خنک شدن هوا شروع به سرد شدن می کند، جریان حرکت حرارت در داخل آن برعکس می شود. در این مرحله ابتدا حرارتی که در دیوار ذخیره شده، در دو جهت به سمت داخل و خارج حرکت می کند. ولی پس از آن، فقط به سمت خارج حرکت می کند. از این پس، لایه های دیوار به تدریج حرارت خود را از دست می دهند و خنک می شوند.

بدین ترتیب، دیوارهای ساختمان در طول روز یک دوره ی گرم و سرد شدن را طی می کنند  البته دامنه ی نوسان این دوره ی گرم و سرد شدن، برای سطوح خارجی و سطوح خارجی یکسان نیست. نوسان دما در سطوح داخلی همیشه کمتر از سطوح خارجی است و سطوح داخلی نیز، مدتی پس از سطوح خارجی به حداکثر و حداقل دمای خود می رسند.

با فرض ثابت بودن شرایط هوای خارج، حداکثر و حداقل دمای سطوح داخلی و نسبت نوسان دمای سطوح داخلی به سطوح خارجی، به ظرفیت و مقاومت حرارتی مصالح دیوارهای خارجی بستگی دارد. هر چه ظرفیت و مقاومت حرارتی یک دیوار بیشتر باشد، نوسان دمای سطح داخلی کاهش می یابد و زمان به حداقل و حداکثر رسیدن دمای سطوح داخلی نسبت به هوای خارجی بیشتر به تأخیر می افتد. کاهش نوسان درجه حرارت سطوح داخلی یک ساختمان نسبت به سطوح خارجی آن، با مقاومت حرارتی مصالح دیوارهای آن متناسب است. ولی تأخیر در به حداکثر و حداقل رسیدن دمای سطوح داخلی نسبت به سطوح خارجی، به ظرفیت حرارتی مصالح دیوار بستگی دارد.

 

ظرفیت حرارتی

ظرفیت حرارتی مصالح، به وزن مخصوص و گرمای ویژه ی آنها بستگی دارد. هر چه وزن مخصوص یک جسم بیشتر باشد، ظرفیت حرارتی آن بیشتر است. ظرفیت حرارتی دیوارها نیز به ضخامت و فشردگی مصالح آنها بستگی دارد. برای مثال، مدت زمانی که حرارت ناشی از تابش آفتاب و گرمی هوا از سطح خارجی به سطح داخلی انتقال می یابد، برای یک ورق آهنی حدود چند دقیقه و برای یک دیوار سنگی ضخیم چندین ساعت است (جدول3-3).

جدول 3-3:مقاومت و ظرفیت حرارتی مصالح ساختمان

  هر چه ظرفیت حرارتی دیوار بیشتر باشد، حرارت با سرعت کمتری از خارج به طرف داخل انتقال می یابد. در نتیجه، سطوح داخلی با تأخیر بیشتری به حداکثر دمای خود نسبت به سطوح خارجی می رسند. این زمان تأخیر باعث می شود در ساعاتی که هوا در حداکثر درجه حرارت است، حرارت نفوذ کرده در دیوارهای خارجی در همان جا ذخیره شود و هنگام عصر و شب که هوا نسبتاً خنک است، از آن خارج گردد.

هنگام شب، حرارت ذخیره شده در مصالح یک ساختمان با ظرفیت حرارتی زیاد آزاد می شود. در نتیجه، میزان انتقال حرارت هوای داخل به خارج کاهش می یابد. یعنی این ساختمان هنگام شب به تدریج سرد می شود و حداقل دمای شبانه ی هوای آن به شدت بیشتر از حداقل دمای شبانه ی هوا در ساختمان هایی با ظرفیت حرارتی کم می شود. بدین طریق، ظرفیت حرارتی مصالح ساختمانی باعث کاهش میزان انتقال حرارت از خارج به داخل می شود و برعکس. در نتیجه، تغییرات دمای هوای داخل ساختمان کاهش می یابد.

در فصل زمستان و بویژه در مناطق سرد که به طور کلی دمای هوای خارج کمتر از دمای هوای گرم شده داخلی است، ظرفیت حرارتی مصالح یک ساختمان فقط دامنه ی نوسان دمای هوای داخلی آن را کاهش می دهد و تأثیری در جهت حرکت حرارت و میانگین دمای هوا ندارد. ولی در تابستان و در مناطق گرم که سطوح خارجی ساختمان هنگام روز گرم تر و هنگام شب سردتر از هوای داخلی است، ظرفیت حرارتی علاوه بر آنکه در کاهش تبادل حرارت هوای داخلی و خارجی مؤثر است، در جهت حرکت حرارت نیز تأثیر می گذارد.

بنابراین در مناطقی که تغییرات روزانه ی دمای هوا و شدت تابش آفتاب زیاد است ( مانند مناطق گرم و خشک)، ساختمانی با ظرفیت حرارتی زیاد می تواند به میزان قابل توجهی وضعیت حرارتی هوای داخلی خود را کنترل کند. همچنین با انتخاب مصالح ساختمانی مناسب برای یک ساختمان، هم می توان نوساناتی را که در اثر گرم و سرد شدن سطوح خارجی در معرض تابش آفتاب و در تماس با هوای خارجی در دمای هوای داخلی به وجود می آید، کنترل کرد و هم نوساناتی را که در اثر تابش مستقیم آفتاب از میان پنجره ها و نفوذ از درز پنجره ها و گرمایی که در اثر پخت و پز در دمای هوای داخلی ایجاد می شود.

  با توجه به مطالب فوق می توان نتیجه گرفت که ظرفیت حرارتی زیاد در مناطقی که مشکل گرمای هوای داخلی معمولاً در شب ها نیز وجود دارد (مانند مناطق مرطوب ساحلی)، مناسب نیست.

 رابطه ی ضخامت دیوار، ظرفیت حرارتی و وضعیت حرارتی هوای داخلی

 ظرفیت حرارتی یک دیوار نتیجه ی وزن مخصوص، ضخامت و گرمای ویژهی  مصالح آن است. ولی نتایجی که در اثر تغییر وزن مخصوص مصالح یا تغییر ضخامت یک دیوار در وضعیت حرارتی آن حاصل می شود، کاملاً متفاوت است؛ حتی اگر این تغییرات از نظر ظرفیت حرارتی نتایج یکسانی داشته باشد.

به طور کلی، ظرفیت حرارتی تقریباً بر اساس وزن مصالح مشخص می شود. ولی هر گونه افزایش ظرفیت حرارتی از طریق افزایش وزن مخصوص- یعنی با متراکم کردن مصالح- با افزایش ضریب رسانش حرارتی همراه است و در نتیجه باعث کاهش مقاومت حرارتی می شود. از سوی دیگر، جایگزینی مصالح سنگین با مصالح سبک و مقاومت حرارتی زیاد، بدون تغییر ضخامت دیوار باعث کاهش ظرفیت حرارتی می شود و در نتیجه، فقط تا حد کمی در بهبود وضعیت حرارتی دیوار و هوای داخلی ساختمان در تابستان تأثیر می گذارد. ولی هنگامی که به منظور افزایش ظرفیت حرارتی دیوار ضخامت آن افزوده می شود، مقاومت حرارتی کلی دیوار نیز به نسبت افزایش می یابد و در نتیجه، تأثیر آن در شرایط حرارتی هوای داخلی تا حد زیادی افزوده خواهد شد.

بر اساس محاسبات و بررسی های نظری، میزان نوسان درجه حرارت هوای داخلی یک ساختمان با تغییر ضخامت دیوارهای آن تغییر می کند و در نتیجه با افزایش ضخامت دیوارهای یک ساختمان، حداکثر درجه حرارت هوای داخلی کاهش و حداقل درجه حرارت آن افزایش می یابد. ولی در حقیقت، تأثیر ضخامت دیوارها در کنترل دمای سطوح و درجه حرارت هوای داخلی یک ساختمان به شرایط تهویه ی طبیعی در آن ساختمان و رنگ سطح خارجی دیوارها بستگی دارد.

اگر رنگ سطح خارجی دیوارها تیره باشد، با افزایش ضخامت دیوارها، حداکثر درجه حرارت هوای داخلی ساختمان کاهش می یابد. ولی در صورت سفید بودن سطح خارجی، چون تقریباً تمام پرتوهای خورشید از سطح دیوار منعکس می شود و فقط مقدار کمی از انرژی حرارتی آن جذب دیوار می شود، ضخامت دیوار تأثیر چندانی در کنترل حداکثر درجه حرارت هوای داخلی ندارد. ولی در هر دو حالت، با افزایش ضخامت دیوارها حداقل درجه حرارت هوای داخلی ساختمان افزایش می یابد و رنگ سطح خارجی دیوارها تأثیری در این افزایش دما ندارد.

همچنین وضعیت گرمایی داخلی ساختمانی که هوای خارج در آن جریان دارد، به دو عامل

انتقال حرارت از دیوارها و شرایط تهویه ی طبیعی بستگی دارد. اگر رنگ سطح خارجی این دیوارها روشن باشد، ضخامت دیوار تحت تأثیر تهویه ی طبیعی قرار می گیرد. ولی اگر سطح خارجی آنها تیره رنگ باشد، امکان انتقال حرارت از دیوارها به هوای داخلی ساختمان تا حد زیادی افزایش می یابد و در نتیجه، ضخامت دیوار در کنترل شرایط حرارتی هوای داخلی اهمیت فراوانی خواهد یافت.

  در مورد تأثیر ضخامت و رنگ سطح خارجی دیوارها و شرایط تهویه ی طبیعی در تغییر وضعیت حرارتی هوای داخلی ساختمان، آزمایش های گوناگونی انجام شده که نتایج به دست آمده مؤید مطالب فوق است. در جدول 3-4، نتیجه ی آزمایشی که در مورد تأثیر ضخامت دیوارهای قائم ساخته شده از بتن سبک در شرایط حرارتی هوای داخلی در حالات گوناگون انجام شده، نشان داده شده است.

جدول3-4:حداکثر،حداقل و نسبت نوسان دمای داخلی دیوارهای ساخته شده از بتن سبک

تعیین ظرفیت حرارتی دیوارهای مختلف

ظرفیت حرارتی مصالح دیوار،عبور حرارت از سطح خارجی به سطح داخلی آن را به تأخیر می اندازد و در نتیجه،گرمای تعدیل یافته در هوای خنک و سرمای شب در ساعت های گرم روز به داخل منتقل می شود. به طور کلی، در مناطقی که نوسان درجه حرارت هوا زیاد است، تقریباً نصف روز زمان تأخیر-یعنی انتقال گرمای روز هنگام شب و سرمای شب هنگام روز- باعث ایجاد تعادل حرارتی هوای داخلی ساختمان می شود. ولی از آنجا که شدت تابش آفتاب و حرارت حاصل از آن در سطوح مختلف یک ساختمان متفاوت است، زمان تأخیر باید به طور دقیق تر تعیین شود.

برای ارزیابی، محاسبه و تعیین ویژگی حرارتی مصالح ساختمانی در یک منطقه باید تغییرات درجه حرارت هوا در طول سال، بسته به منطقه ی آسایش مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد. اگر دمای سالانه ی هوا به حداکثر میزان ممکن برسد، مقاومت حرارتی مناسب برای مصالح ساختمانی- یعنی میزان عایق حرارتی لازم- را می توان تعیین کرد. همچنین با مشخص بودن دامنه ی نوسان دمای روزانه هوا می توان ظرفیت حرارتی مصالح بام و دیوارهای ساختمان مورد نظر را تعیین نمود.

در مورد ظرفیت حرارتی مورد نیاز در اقلیم های مختلف، لروکس معتقد است در مناطقی که نوسان دمای روزانه هوا 6 تا 8 درجه ی سانتیگراد است، مصالح سنگینی مانند بتن، آجر و سنگ که وزنی حدود 300 کیلوگرم در متر مکعب دارد، مناسب است. وی معتقد است اگر این نوسان 10 تا 12 درجه ی سانتیگراد باشد، لازم است از مصالحی با وزن 600 تا 700 کیلوگرم در متر مکعب و اگر نوسان دمای روزانه هوا بیش از 20 درجه ی سانتیگراد باشد، از مصالحی با وزن 1200 کیلوگرم در متر مکعب استفاده شود.

اولگی نتایج فوق را از لحاظ نظری و اصولی صحیح دانسته، ولی کاربرد آنها را مورد انتقاد قرار داده است. وی در مورد انتخاب مصالح ساختمانی متناسب با اقلیم، روش زیر را که جزئیات بیشتری دارد پیشنهاد کرده است. در این روش، رابطه ی بین منطقه ی آسایش و تغییرات روزانه ی دمای هوا در چند ناحیه ی مختلف مورد بررسی قرار گرفته و به صورت نمودار نشان داده شده است(شکل3-12). همان طور که در این نمودارها مشاهده می شود، اگر نوسان درجه حرارت هوا زیاد باشد، ظرفیت حرارتی مصالح اهمیت دارد. در این حالت ظرفیت حرارتی باعث می شود هوای داخل ساختمان در منطقه ی آسایش قرار گیرد (الف و ب).

شکل 3-12:تأثیر ظرفیت و مقاومت حرارتی مصالح در دمای هوای داخلی ساختمان

اگر میانگین دمای هوا 29 درجه ی سانتیگراد یا بیشتر باشد، استفاده از مصالح سنگین به تنهایی کافی نیست و باعث می شود هوای داخلی ساختمان خارج از منطقه ی آسایش قرار گیرد. ولی در این حالت،با استفاده از خصوصیات مقاومت و ظرفیت حرارتی مصالح- هر دو- می توان منطقه ی آسایش را در داخل ساختمان ایجاد کرد(ج و د). در این حالت با بسته نگاه داشتن پنجره ها در ساعاتی که هوا در بحرانی ترین وضعیت است، امکان ایجاد شرایط آسایش در فضای داخلی وجود دارد. در مناطقی که تغییرات فصلی و روزانه ی دمای هوا بسیار زیاد است. استفاده از ظرفیت و مقاومت حرارتی- هر دو- لازم است (ه). در مناطقی که تغییرات فصلی دمای هوا بسیار شدید است، مقاومت حرارتی مصالح اهمیت بیشتری دارد و استفاده از سیستم های تأسیساتی برای ایجاد منطقه ی آسایش در داخل ساختمان لازم است. در حالت، تغییرات روزانه ی دمای هوا نادیده گرفته می شود. ولی اگر دامنه ی این تغییرات زیاد باشد، استفاده از مصالح دارای ظرفیت حرارتی زیاد در سطوح داخلی دیوارها مؤثر است و باعث حفظ دمای هوای داخلی در طول روز در حد تعادل می شود(و).

  در دو نمودار شکل 3-13، تفاوت عمده ای بین دو ساختمان ساخته شده از مصالح مختلف در شرایط یکسان نشان داده شده است. در این نمودارها، عملکرد یک ساختمان سبک با پلان باز و ساخته شده از مصالح چوبی، با ساختمان با پلان بسته و ساخته ده از مصالح سنگین مقایسه شده است. در شرایطی که دمای هوای داخلی ساختمان چوبی در اثر تغییر دمای هوا کم و زیاد می شود و دامنه ی نوسان آن به 14 درجه ی سانتیگراد در روز می رسد، میانگین دمای روزانه ی هوای داخلی ساختمان آجری نسبتاً پایین و ثابت می ماند و در طول روز، فقط 5 درجه ی سانتیگراد نوسان می یابد.

شکل 3-13:تأثیر نوع مصالح در دمای هوای داخلی ساختمان

اولگی، بررسی های دیگری نیز برای تعیین زمان تأخیر مناسب برای دیوارهایی با جهت های مختلف یک ساختمان مسکونی واقع در شهر فینیکس (عرض جغرافیایی 32 درجه شمالی، معادل موقعیت یزد) و برای شرایط تابستانی (اول تیر ماه، آسمان صاف و شرایط حرارتی متوسط)انجام داده که در اینجا به طور خلاصه به نتایج آنها اشاره می شود.

در این بررسی، شدت و دوام تابش آفتاب در سطوح مختلف مشخص شده و بر اساس آن، مناسب ترین زمان تأخیر برای دیوارهای واقع در جهت های مختلف ساختمان پیشنهاد شده است. در این بررسی مشاهده شده که حرارت ناشی از تابش آفتاب و دمای هوا در ساعت های اولیه ی بعد از ظهر به حداکثر میزان خود می رسد. برای آنکه این گرما در ساعت های خنک به داخل انتقال یابد، زمان تأخیر دیوارهای جهت های مختلف ساختمان باید متفاوت باشد. در حین این بررسی، حداکثر میزان گرما بر روی بام (سطوح افقی) ایجاد می شود که حدوداً به 11 تا 12 ساعت زمان تأخیر نیاز دارد. با احتساب میزان حرارت ایجاد شده در دیوارهای شرقی، حداقل زمان تأخیر برای این دیوارها 12 ساعت و حد مطلوب آن 17 ساعت است. این مدت، حداکثر زمان تأخیر مورد نیاز است و با توجه به طولانی بودن آن، راه حل عملی این است که هیچ زمان تأخیری برای این دیوارها پیش بینی نشود تا حرارت ایجاد شده، در همان ساعت های صبح که هنوز هوا گرم نشده، به داخل برسد. دیوارهای جنوبی، به دلیل تابش کمتری که در تابستان دریافت می کنند، از نظر ظرفیت حرارتی اهمیت کمی دارند. ولی در هر صورت، حداقل 7 و حداکثر 10 ساعت زمان تأخیر برای این دیوارها مناسب است. دیوارهای غربی که در بین دیوارهای واقع در جهت های مختلف شدیدترین تابش آفتاب را دریافت می کنند،با توجه به ساعتی که حداکثر حرارت در آنها جمع می شود، باید زمان تأخیری بین 5 تا 10 ساعت داشته باشند. در بین دیوارها، دیوارهای شمالی کمترین اهمیت را از این نظر دارند. ولی در هر صورت، پیش بینی زمان تأخیری بین 5 تا 10 ساعت برای این دیوارها به بهبود شرایط حرارتی هوای داخلی ساختمان کمک می کند.

  در شکل های 3-14و 3-15 و 3-16 نیز تأثیر زمان تأخیر یا انتقال کند حرارت خورشید در شرایط حرارتی فضای داخلی یک ساختمان معمولی با ساختمانی در شهر فینیکس که به مصالحی با زمان تأخیر مطلوب ساخته شده، مقایسه شده است. البته باید توجه داشت که نمودارهای مزبور، فقط بر اساس تأثیر ظرفیت حرارتی مصالح محاسبه شده و مقاومت حرارتی مصالح در نظر گرفته نشده است. بنابراین، از این نمودارها فقط برای بررسی زمان تأخیر می توان استفاده کرد.

شکل 3-14:دمای ناشی از تأثیر تابش آفتاب و گرمای هوا در یک ساختمان معمولی

شکل3-15: دمای ناشی از تأثیر تابش آفتاب و گرمای هوا در ساختمان ساخته شده

شکل3-16:مقایسه ی تأثیر تابش آفتاب و دمای هوا در دو ساختمان مختلف

نکته ی قابل توجه در این نمودارها آن است که در طول روز (از 7 صبح تا 7 بعد از ظهر) ساختمان ساخته شده از مصالح سنگین، حرارت کمتری را نسبت به ساختمان ساخته شده از مصالح سبک به داخل انتقال می دهد. البته همان طور که در این نمودارها مشاهده می شود، ساختمان ساخته شده از مصالح سبک هنگام عصر خنک می شود و از این نظر، نسبت به ساختمان ساخته شده از مصالح سنگین شرایط داخلی بهتری فراهم می سازد. ولی باید توجه داشت هنگام عصر که هوای خارج خنک است، با ایجاد تهویه ی مؤثر در ساختمان ساخته شده از مصالح سنگین می توان هوای داخلی این ساختمان را نیز خنک کرد و شرایط مناسبی در آن ایجاد نمود. با مقایسه ی این نمودارها در می یابیم که در این منطقه، بهترین شرایط داخلی از نظر آسایش فیزیکی در ساختمانی ایجاد می شود که دیوارهای اتاق نشیمن آن که روزها مورد استفاده قرار می گیرد، از مصالح سنگین و دیوارهای اتاق خواب و سایر قسمت هایی که شب ها از آن استفاده می شود، از مصالح سبک ساخته شده است.

 

مقاومت حرارتی

مقاومت حرارتی دیوار عبارت است از مقاومتی که آن دیوار در برابر انتقال حرارت از یک طرف به طرف دیگرش ایجاد می کند. بنابراین، نوسان دمای سطح داخلی دیوارهای یک ساختمان به مقاومت حرارتی مصالح آن دیوارها بستگی دارد. هر چه ضریب رسانش حرارتی (برعکس مقاومت حرارتی) مصالح یک دیوار کمتر باشد، مقاومت حرارتی آن دیوار بیشتر است و در نتیجه، مقدار حرارت انتقال یافته از آن کمتر خواهد بود. چنانچه پیش از این اشاره شد، هوای ساکن بهترین عایق حرارتی است و به طور کلی، مصالح ساختمانی سبک که شامل حفره ها و لایه های بسیار نازک هوا هستند، مقاومت حرارتی زیادی دارند(جدول 3-3).

به طور کلی، تأثیر مقاومت حرارتی مصالح یک ساختمان در شرایط حرارتی فضاهای داخلی، تا حد بسیار زیادی به وجود یا عدم وجود تأسیسات مکانیکی در آن ساختمان بستگی دارد. در اینجا به بررسی هر یک از این دو حالت می پردازیم.

 

تأثیر مقاومت حرارتی دیوارها در ساختمان های مجهز به تأسیسات مکانیکی

در فصل زمستان، هنگامی که ساختمانی از داخل گرم می شود، مقاومت حرارتی دیوارهای خارجی، دمای سطح داخلی آنها، میزان مصرف دستگاههای مکانیکی  ( اگر دمای هوای داخل ثابت نگه داشته شود) و دمای هوا داخل ساختمان را(اگر حرارت تولیدی دستگاه مورد استفاده ثابت باشد)تعیین می کند.

از آنجا که اختلاف بین میانگین دمای هوای داخل و خارج ساختمان در فصل زمستان در مقایسه با تغییرات دمای روزانه ی هوا بیشتر است، انتقال حرارت از داخل به خارج در ساختمان هایی که به طور دائم گرم می شوند، به حد ثابتی می رسد. در این حالت، مقاومت حرارتی مصالح ( اگر چه تنها عامل نیست) از عوامل اصلی تعیین کننده ی شرایط هوای داخلی ساختمان است. ولی اگر ساختمان به طور متناوب گرم  شود، ظرفیت حرارتی مصالح اهمیت بیشتری می یابد.

در ساختمان هایی که هوای داخل آنها در فصل تابستان به وسیله دستگاه تهویه کنترل می شود، با وجود آنکه جهت حرکت حرارت از خارج به داخل ثابت نیست و موقع شب برعکس می شود، تأثیر مقاومت حرارتی مصالح در تعیین شرایط هوای داخلی مانند فصل زمستان است. ولی چون در این حالت معمولاً اختلاف بین میانگین دمای هوای داخل و خارج نسبت به نوسان دمای روزانه کم است، نسبت اهمیت مقاومت حرارتی مصالح در تعیین شرایط هوای داخلی کمتر است و ظرفیت حرارتی مصالح اهمیت بیشتری می یابد.

در مورد مقاومت حرارتی مصالح دیوارها باید به مسأله ی ایجاد تعریق بر روی سطوح داخلی نیز توجه داشت. وقتی دمای هوای داخل به پایین/ ترین از نقطه ی شبنم هوای آن می رسد، بر روی این سطوح تعریقی بر روی سطح آنها کاهش می یابد. در مناطقی که رطوبت هوا در فصل زمستان زیاد است، جلوگیری از ایجاد تعریق بر روی سطوح داخلی ممکن است مهم ترین عامل در تعیین مقاومت حرارتی مصالح دیوارها باشد.

 

تأثیر مقاومت حرارتی دیوارها در ساختمان های فاقد تأسیسات مکانیکی

در فصل تابستان، در ساختمان های فاقد تأسیسات مکانیکی خنک کننده، افزایش مقاومت حرارتی مصالح دیوارهای خارجی و سقف باعث کاهش عبور حرارت از سطوح خارجی به داخل در روز و از سطوح داخلی به خارج در شب می شود. البته تأثیر افزایش مقاومت حرارتی مصالح دیوارها از طریق افزودن لایه ی عایق، در وضعیت حرارتی هوای داخلی، به محل قرار گرفتن لایه ی عایق حرارتی در دیوار بستگی دارد.

در مواردی که برای جلوگیری از عبور حرارت از داخل یک دیوار لایه های عایق حرارتی مورد استفاده قرار می گیرد، اگر این لایه ها در سطوح خارجی دیوار به کار روند، تأثیر شان بیشتر از موقعی است که در سطوح داخلی دیوار نصب شوند.

رنگ سطح خارجی دیوارهای یک ساختمان، در مقدار حرارت جذب شده در دیوار و در نتیجه، وضعیت حرارتی هوای داخلی آن تأثیر دارد. اگر رنگ سطح خارجی دیواری تیره باشد، به شدت گرم تر از هوای اطرافش می شود و در اثر انتقال حرارت از دیوار، سطح داخلی آن نیز گرم می شود. در این حالت، افزایش مقاومت حرارتی دیوار باعث کاهش عبور حرارت به داخل می شود و به طور کلی، درجه حرارت هوای داخلی ساختمان را پایین نگه می دارد.

ولی اگر سطح خارجی دیوارهای یک ساختمان سفید باشد- بویژه در مناطقی که دامنه ی نوسان درجه حرارت هوا کم است- مقاومت حرارتی دیوارها تأثیر کاملاً متفاوتی نسبت به قبل دارد. در این شرایط، به دلیل نزدیک بودن دمای سطوح خارجی به دمای هوای اطراف، حرارت به میزان بسیار کمی از میان جداره های خارجی ساختمان عبور می کند. در نتیجه، مقاومت حرارتی دیوارها و سقف ساختمان تأثیر چندانی در وضعیت حرارتی هوای داخلی آن ندارد. در این حالت، مقاومت حرارتی، بیشتر باعث بالا بردن حداقل دمای روزانه ی هوای داخلی می شود تا پایین آوردن حداکثر دمای آن.

در نمودار های شکل 3-17، نتیجه ی آزمایش هایی که به منظور بررسی تأثیر مقاومت حرارتی در دمای سطح داخلی صفحات افقی ساخته شده از آزبست و سیمان انجام شده،نشان داده شده است. رنگ سطح خارجی این صفحات سیاه و ضخامت آنها 2 سانتی متر بوده است. یکی از این دیوارها بدون عایق است و در سطح زیرین آنها عایق هایی از جنس پلی استیرن شده به ضخامت های 7،5،3،1 و 10 سانتی متر نصب شده و به همین دلیل، مقاومت حرارتی آنها بدون افزایش ظرفیت حرارتی شان افزایش یافته است. در این نمودارها برای مقایسه،در دمای داخلی یک صفحه ی افقی سفید رنگ نیز نشان داده شده است.

شکل 3-17:تأثیر مقاومت حرارتی مصالح در دمای داخلی صفحات افقی ساخته شده از آزبست و سیمان با رنگ خارجی سیاه

در آزمایش دیگری که نتایج آن بر روی نمودار های شکل 3-18 نشان داده شده است، تأثیر افزودن مقاومت حرارتی به صفحات افقی با همان مشخصات قبلی که فقط رنگ سطح خارجی آنها به سفید تغییر یافته، مورد بررسی قرار گرفته است. همان طور که در نمودارهای این شکل دیده می شود، در این شرایط حتی با وجود تابش شدید آفتاب در یک روز تابستانی، حداکثر دمای سطح داخلی صفحات بدون آنکه در ضخامت لایه های عایق تأثیری داشته باشد، پایین تر از حداکثر دمای هواست. ولی در این حالت، حداقل دمای سطح داخلی صفحات به نسبت افزایش ضخامت لایه ی عایق افزایش یافته است.

شکل 3-18:تأثیر مقاومت حرارتی مصالح در دمای داخلی صفحات افقی ساخته از آزبست و سیمان با رنگ خارجی سفید

  فقط در مناطقی که دامنه ی نوسان دمای هوا حدود 10 درجه ی سانتیگراد یا بیشتر و رطوبت هوا تا حدی پایین است که امکان ایجاد شرایط آسایش در داخل بدون استفاده از تهویه ی طبیعی وجود دارد، با افزایش مقاومت حرارتی دیوارهای سفید رنگ به طور قابل ملاحظه ای می توان شرایط هوای داخل را بهبود بخشید.

  به طور کلی، در مناطق گرم و در شرایط طبیعی- یعنی هنگامی که هوای داخلی ساختمان بدون استفاده از وسایل مکانیکی کنترل شود- حد مطلوبی برای مقاومت حرارتی دیوارها و سقف وجود دارد که مقدار آن را با در نظر گرفتن سطح خارجی دیوارها و شرایط تهویه ی طبیعی می توان تعیین کرد. افزایش مقاومت حرارتی بیش از این، تأثیر چندانی در کنترل و تعدیل شرایط حرارتی هوای داخلی ساختمان ندارد.

  در مناطق گرم، تنظیم مقاومت حرارتی دیوارهای خارجی ساختمان به تنهایی برای اصلاح شرایط حرارتی هوای داخلی و بدون در نظر گرفتن و استفاده از ظرفیت حرارتی مصالح، محدود به مناطقی است که حداکثر دمای هوا از 30 درجه ی سانتیگراد تجاوز نمی کند. این محدودیت به این دلیل است که امکان کاهش گرمای روزانه ی هوای داخلی ساختمان در صورتی که دارای مصالحی سبک با ظرفیت حرارتی کم باشد، بسیار اندک است.

 

 تابش آفتاب بر انواع بام

بام، تأثیر پذیرترین جزء ساختمان در برابر عوامل اقلیمی است. تابش آفتاب در تابستان و بارش برف و بارن در زمستان، بیشتر بر بام ساختمان تأثیر می گذارد تا بر اجزاء دیگر آن. در فصل زمستان،هنگام شب بام با ساطع کردن پرتوهایی با طول موج بلند از خود، سریع ترین و بیشتر از دیوارها حرارت خود را از دست می دهد. به همین دلیل در مناطق سرد یا در فصل زمستان، بام ساختمان عمده ترین عامل اتلاف حرارت هوای داخل است.

البته میزان انتقال حرارت، به مقاومت حرارتی مصالح بام بستگی دارد. همچنین در فصل زمستان،بام مشکلات خاصی از نظر تعریق ایجاد می کند.

 در هوای گرم نیز، هوای داخلی ساختمان تحت تأثیر گرمای بام قرار می گیرد. میزان این تأثیر به جزئیات طرح ساختمان بستگی دارد. در مناطق بسیار گرم این باور وجود دارد که بام، عامل اصلی گرم کننده ی هوای داخلی ساختمان است.البته این مسأله در بیشتر موارد صحیح است. ولی دلیل آن، طرح غیر اصولی بام است. همان طور که در قسمت های بعد مطرح خواهد شد، بام را می توان به صورتی طراحی کرد که تأثیر چندانی در گرم کردن هوای داخلی ساختمان نداشته باشد.

سطح خارجی بام معمولاً تحت تأثیر بیشترین میزان نوسان دمای هوا و تابش آفتاب قرار دارد. البته میزان تأثیر این نوسان تا حد زیادی به نوع بام و رنگ سطح خارجی آن بستگی دارد.

به طور کلی، بام ها را می توان به دو دسته ی زیر تقسیم کرد:

1)                       بام های یکپارچه یا ترکیبی سنگین

2)    بام های یک لایه یا دو لایه ی سبک (بام و سقف) که به وسیله ی هوا از هم جدا شده اند.

در این قسمت، نخست به ویژگی هر یک از این دو نوع بام می پردازیم و سپس تأثیر ارتفاع سقف در حرارت هوای داخلی را مورد بررسی قرار می دهیم.

 

بام های یکپارچه یا ترکیبی سنگین

بیشتر این نوع بام ها مسطح است؛ ولی آنها را به صورت شیب دار نیز می توان ساخت. مصالح این بام ها، بیشتر از بتن یا آجر است که ظرفیت حرارتی نسبتاً زیادی دارند. در این بام ها، انتقال حرارت جذب شده در سطح خارجی بام به سقف، فقط به صورت رسانش انجام می شود؛ مگر آنکه در ساختمان سقف کاذب وجود داشته باشد. بنابراین، عمده ترین عامل تعیین کننده ی خصوصیت حرارتی بام های یکپارچه ی توپر، رنگ سطح خارجی، مقاومت حرارتی و ظرفیت حرارتی مصالح آنهاست.

تأثیر رنگ سطح خارجی

همان طور که در قسمت قبل توضیح داده شد، رنگ سطح خارجی تعیین کننده ی مقدار انرژی خورشیدی جذب شده در بام در طول روز، مقدار حرارت دفع شده از طریق ساطع کردن پرتو با طول موج بلند هنگام شب و در نتیجه، الگوی تغییر دمای سطح خارجی بام، همچنین میزان تبادل حرارتی بین هوای داخل و خارج از طریق بام است.

به گفته ی گیونی اگر بام عایق حرارتی نداشته باشد، در ساختمان هایی که هوای داخلی آنها به وسیله ی دستگاه های مکانیکی کنترل می شود، رنگ سطح خارجی بام تا حد بسیار زیادی تعیین کننده ی بار سرمایی نسبت به مساحت بام است و در بقیه ی ساختمان ها، رنگ سطح خارجی بام عامل اصلی تعیین کننده ی الگوی تغییرات دمای سقف و در نتیجه، وضعیت هوای داخل نسبت به منطقه ی آسایش است.

در نمودارهای شکل 3-19، تأثیر رنگ سطح خارجی در دمای سطح خارجی بام های مسطح ساخته شده از صفحات افقی سبک نشان داده شده است. همان طور که در این نمودار مشاهده می شود. اگر رنگ سطح خارجی بام تیره باشد، دمای سطح آن تا 32 درجه ی سانتیگراد بالاتر از حداکثر دمای هوی خارج افزایش می یابد؛ در حالی که این مقدار افزایش برای سطح سفید رنگ فقط درجه سانتیگراد است. همچنین بر اساس نمودار فوق، هنگام شب بدون تفاوت چندانی، دمای تمام سطوح در اثر انتقال حرارت سقف به آسمان از طریق ساطع شدن پرتو با طول موج بلند، پایین تر از دمای هوا بوده و میانگین دمای سطح بام های سفید رنگ نیز به شدت پایین تر از میانگین دمای هوا بوده است.

شکل3-19:الگوی تغییر دمای سطح خارجی صفحات افقی سبک به رنگ های سفید و خاکستری با ضخامت های متفاوت

البته باید توجه داشت که تأثیر رنگ سطح خارجی بام در دمای سقف، به مقاومت و ظرفیت حرارتی مصالح بام نیز بستگی دارد. هر چه ضخامت مقاومت و ظرفیت حرارتی مصالح بام افزایش یابد، اختلاف بین حداکثر دمای بام که در اثر استفاده از رنگ های متفاوت در سطح خارجی ایجاد می شود، کاهش می یابد.ولی در هر صورت، اختلاف زیادی بین میانگین این دماها وجود دارد.

این نتیجه گیری، به طور شماتیک در نمودار های 3-20 و 3-21 ارائه شده و نتایج اندازه گیری دمای بام هایی را نشان می دهد که از بتن سبک به ضخامت های 12،7، 5/17 و 20 سانتی متری ساخته شده اند. همان طور که در این نمودارها مشاهده می شود، اختلاف بین دمای سقف بام های سیاه و سفید با ضخامت 7 سانتی متر، بسیار بیشتر از بام هایی با ضخامت 20 سانتی متر است.

شکل3-20:دمای سطوح داخلی صفحات افقی ساخته شده از بتن سبک

شکل 3-21: دمای سطوح داخلی صفحات افقی ساخته شده از بتن سبک به رنگ های سفید و خاکستری

تغییر رنگ سطح خارجی بام های مسطح توپر نیز در دمای هوای زیر سقف آنها تأثیر می گذارد. در مطالعه ای که در مورد ساختمان هایی با بام های بتنی به رنگ سفید و خاکستری انجام شده، این نتیجه به دست آمده که اختلافی حدود 1 درجه ی سانتیگراد بین دمای هوای موجود در ارتفاع 2/1 متری از کف این اتاق ها وجود دارد. در این بررسی،دمای سطح این بام ها نیز اندازه گیری شده و این نتیجه به دست آمده که سطح داخلی بام خاکستری، از هوای روی بام گرم تر می شود(شکل 3-22).این مسأله نشان می دهد که در این وضعیت، حرارت از بام به هوای داخل ساختمان انتقال می یابد. از سوی دیگر،دمای سقف ساختمانی که رنگ سطح خارجی بام آن سفید براق است، در بیشتر ساعت های روز پایین تر از دمای هوای خارج است و در چنین حالتی، حرارت از هوای داخل اتاق به بام انتقال می یابد؛ یعنی در این حالت، بام عامل خنک کننده ی هوای داخل ساختمان است. این مسأله ناشی از پایین تر بودن دمای سطح خارجی یک بام سفید رنگ نسبت به هوای خارج است.

   

 

ضخامت بام و ارتباط آن با مقاومت حرارتی

تأثیر ضخامت و مقاومت حرارتی بام های سخت و یکپارچه در شرایط هوای داخلی یک ساختمان، با تأثیر رنگ سطح خارجی سطح بام ارتباط داشته، به نوسان درجه حرارت هوای روزانه نیز بستگی دارد. در مقایسه با نوسان دمای سطح خارجی بام، نوسان دمای سطوح داخلی به دلیل عملکرد مصالح بام کاهش می یابد. این کاهش با افزایش ضخامت و مقاومت حرارتی مصالح بام متناسب است.

تأثیر افزودن لایه های عایق حرارتی گوناگون به بام در دمای سقف، طی مجموعه آزمایش هایی مورد بررسی قرار گرفته و نتایج زیر به دست آمده است:

1)تأثیر افزودن عایق های حرارتی گوناگون در حداکثر دمای سقف، برای انواع مختلف این نوع عایق ها تقریباً یکسان است و باعث کاهش حداکثر دمای سقف به میزان حدود 5 درجه ی سانتیگراد می شود.

2) در مورد حداقل دما، رنگ سفید براق مؤثرتر است و باعث می شود سقف در حد بام های عایق نشده (که با ساطع کردن پرتو با طول موج بلند ممکن است به سرعت خنک شوند) خنک شود. در حالی که افزودن عایق حرارتی به بام کاهش میزان خنک بام های هنگام شب و در نتیجه، افزایش حداقل دمای سقف می شود.

در این بررسی، مقایسه ی حداکثر دمای بام آجری با سطح خارجی سفید براق و بام بدون عایق نشان می دهد که هر چه مقاومت حرارتی مصالح بام افزایش یابد، رنگ سفید تأثیر کمتری در کاهش حداکثر دمای سقف خواهد داشت. سفید کردن بام با عایق حرارتی، فقط یک درجه ی سانتیگراد حداکثر دمای آن را کاهش می دهد. در حالی که این کاهش دما برای یک بام بدون عایق حرارتی حدود 5 درجه ی سانتیگراد است.

البته تأثیر لایه های عایق با  افزایش ضخامت آنها رابطه ی مستقیم ندارد. برای مثال، یک لایه ی 6 سانتی متری عایق حرارتی از نوع Sea Shell حدود 5 درجه ی سانتیگراد، حداکثر دمای سقف را کاهش می دهد. ولی یک لایه ی 12 سانتی متری از همین عایق، حدود 6 درجه ی سانتیگراد دما را کاهش می دهد؛ یعنی دو برابر کردن ضخامت عایق فقط به میزان  تأثیر آن را افزایش می دهد.

در مناطقی که درجه حرارت هوا نوسان کمتری دارد(یعنی حدود 5 تا 8 درجه ی سانتیگراد) ، با وجود اینکه حداکثر دمای سقف یک بام سفید رنگ با افزایش ضخامت و مقاومت حرارتی آن تقریباً تغییر نمی کند. ولی افزودن عایق حرارتی باعث افزایش حداقل دمای سقف می شود و به طور نسبی، میانگین دمای آن را افزایش می دهد. بنابراین اگر در مناطق گرم دمای روزانه ی هوا کمتر از 32 درجه ی سانتیگراد باشد، استفاده از ضخامت زیاد و مقاومت حرارتی در فصل تابستان مؤثر نیست. ولی در فصل زمستان برای بالا نگه داشتن حداقل دمای هوای داخلی و تأمین آسایش ساکنین، مقدار کمی مقاومت حرارتی لازم است.

اگر رنگ سطح خارجی بام تیره باشد، تأثیر ضخامت و عایق حرارتی مصالح بام در شرایط هوای داخلی ساختمان بسیار متفاوت است. از آنجا که سطوح خارجی تیره رنگ در روز بسیار بیشتر از هوای خارج و داخل ساختمان گرم می شوند، در این حالت،مقاومت حرارتی مصالح بام عامل تعیین کننده ی دمای روزانه سقف و مقدار انتقال حرارت از بام به داخل ساختمان است.

در مناطقی که نوسان روزانه ی درجه حرارت هوا زیاد و دمای آن از 33 درجه ی سانتیگراد بیشتر است، حتی زمانی که رنگ سطح خارجی بام سفید باشد، برای جلوگیری از انتقال بیش از حد حرارت از خارج به داخل که در اثر اختلاف دمای هوای داخل و خارج ساختمان ایجاد می شود،بهتر است مقاومت حرارتی مصالح افزایش یابد. بنابراین، مقدار عایق حرارتی مورد نیاز برای بام به رنگ سطح خارجی آن بستگی دارد.

 

محل عایق حرارتی بام

محل عایق حرارتی در بام یکپارچه یا ترکیبی سنگین- بویژه اگر رنگ سطح خارجی بام تیره باشد- تأثیر فراوانی در تأمین و دوام شرایط آسایش برای ساکنین ساختمان در فصل تابستان دارد.

هنگامی که عایق حرارتی روی بتن قرار داده شود، به دلیل روشن بودن سطح خارجی و خصوصیت جنس این عایق تا حد زیادی از نفوذ حرارت در طول روز به داخل بتن جلوگیری شده، مقداری از حرارت عبور کرده از لایه ی عایق در بتن جذب می شود و دمای آن را کمی افزایش می دهد. ولی اگر عایق حرارتی زیر بتن بام قرار داده شود، لایه بتنی حرارت زیادی را جذب می کند( دمای سطوح تیره رنگ تا 32 درجه ی سانتیگراد نسبت به دمای هوا افزایش می یابد) و چون مقاومت حرارتی آن کم است، دمای سطح زیر بتن در سطحی نزدیک به دمای سطح خارجی آن نوسان می یابد. بنابراین، سطح فوقانی لایه ی عایق به شدت گرم تر از هوای داخل می شود و در این حالت- علی رغم وجود مقاومت حرارتی- به دلیل کم بودن ظرفیت حرارتی لایه ی عایق، حرارت به اندازه ی کافی از آن عبور می کند تا دمای سطح داخلی را افزایش دهد. بنابراین در این حالت، دمای سقف و مقدار حرارت انتقال یافته به داخل ساختمان از طریق بام، بیشتر از زمانی است که لایه ی عایق در سطح خارجی بام قرار داده شود.

قرار دادن لایه ی عایق حرارتی بام در سطح فوقانی بتن و زیر عایق رطوبتی و پوشش تیره رنگ (مانند آسفالت) باعث می شود لایه ی فوقانی (عایق رطوبتی) به شدت داغ شود. این گرمای زیاد باعث تاول کردن آسفالت و بخار شدن مواد نفتی فرار آن می شود. اگر عایق حرارتی از جنسی باشد که بخار در آن نفوذ نکند(مانند پشم معدنی یا بتن سبک)، بخار در قسمت فوقانی آن و سطح زیرین عایق رطوبتی جمع می شود. این رطوبت،هنگام شب به شبنم و هنگام روز به بخار تبدیل می شود و فشارهای ناشی از این تغییر شکل باعث ایجاد تاول هایی در این لایه و در نتیجه، پاره یا کنده شدن عایق رطوبتی از سطح زیرین خود می شود. به همین دلیل، سطح خارجی بام در مناطق گرم- حتی وقتی بام به طور کامل عایق شده باشد- حتماً باید به رنگ روشن باشد.

در مناطق سرد بهتر است تمام اتاق هایی که با وسایل مکانیکی گرم می شوند، دارای عایق حرارتی باشند. این عایق باید روی بتن بام و زیر عایق رطوبتی قرار داده شود. البته برای خارج کردن بخار ایجاد شده بین عایق رطوبتی و عایق حرارتی باید تدابیر لازم اندیشیده شود.

 

بام های سبک

بام های سبک ممکن است تنها از یک لایه یا از دو لایه ی ترکیبی بام و سقف که به وسیله ی یک لایه هوا از هم جدا شده اند، ساخته شود. در این نوع بام ها، مصالح بام ممکن است ورق های سفالی،آزبست و سیمان (ایرانیت)،آهن گالوانیزه و آلومینیوم، و مصالح سقفف یک شبکه ی فلزی آویزان از بام و پوشش گچ و ورق های چوبی یا آکوستیک باشد.

 

بام های سبک دولایه

این نوع بام ها از دو لایه تشکیل می شود. انتقال و تبادل حرارتی در این بام ها بدین صورت است که مقداری از انرژی حرارتی جذب شده در لایه ی بیرونی به صورت همرفت و تابش به اطراف پخش می شود و بقیه عمدتاً به صورت تابش به لایه ی داخلی و سقف انتقال می یابد.

عوامل مؤثر در ویژگی های حرارتی بام های دو لایه عبارتند از: مصالح و رنگ سطح خارجی لایه بیرونی، وضعیت تهویه ی هوای بین دو لایه و مقاومت حرارتی مصالح هر دو لایه. در اینجا به بررسی هر یک از این عوامل می پردازیم.

 

تأثیر رنگ سطح خارجی

رنگ سطح خارجی لایه ی بیرونی بام های دو لایه (مانند بام های سنگین یکپارچه)، مقدار انرژی خورشیدی جذب شده در این لایه ی بام را تعیین می کند. ولی تأثیر رنگ در دمای سقف تا حدود متفاوت است.

چون لایه ی بیرونی این نوع بام ها بسیار نازک است، دمای سطح زیرین آن به دمای سطح خارجی بسیار نزدیک است. البته میزان آن به رنگ سطح خارجی بام بستگی دارد. ولی در اینجا، هوای بین بام و سقف مانند عایق حرارتی عمل نموده، باعث کاهش تأثیر رنگ سطح خارجی در تعیین دمای هوای داخلی ساختمان می شود. مقدار این کاهش به شرایط تهویه ی هوای بین دو لایه بستگی دارد. آزمایش های انجام شده در مورد یک بام دو لایه که لایه ی خارجی آن از ورق سیمانی و لایه ی داخلی آن از ورق های پلاستر تشکیل شده، نشان می دهد که سفید کردن سطح خارجی باعث کاهش دمای روزانه ی سقف در حدود 3 درجه ی سانتیگراد می شود.

تهویه ی فضای بین بام و سقف

بین عملکرد تهویه ی هوای داخلی یک ساختمان و تهویه ی هوای بین دو لایه ی این نوع بام ها (بام و سقف) تفاوت بارزی وجود دارد. تهویه ی هوای داخلی یک ساختمان، تأثیر فیزیکی مستقیمی بر ساکنین آن دارد. ولی تهویه ی هوای بین بام و سقف بام های دو لایه، به طور غیر مستقیم از طریق تأثیر بر گرمای سقف و میزان انتقال حرارت از سقف به داخل بر ساکنین یک ساختمان تأثیر می گذارد.

میزان تأثیر تعویض هوای بین سقف و بام در وضعیت حرارتی هوای داخل یک ساختمان، به نوع مصالح و رنگ سطح خارجی بام نیز بستگی دارد. هر چه رنگ سطح خارجی بام تیره تر، ضخامت آن بیشتر و ضریب رسانش حرارتی مصالح آن بالاتر باشد و ورقه های آن به گونه ای نصب شود که امکان نفوذ هوا از بین درزهای آن وجود نداشته باشد، نقش تهویه ی بین بام و سقف در جلوگیری از افزایش دمای سقف مهم تر خواهد بود. در غیر اینصورت، تهویه تأثیر چندانی در خنک سازی سقف ندارد.

 

ویژگی های معماری بومی مناطق گرم و مرطوب

اصولی که در معماری این مناطق رعایت شده، تا حدودی مانند اصول مطرح شده برای مناطق معتدل و مرطوب است که به طور خلاصه عبارتند از:

1)                       استفاده از مصالح ساختمانی با ظرفیت حرارتی کم

2)    قرار دادن ساختمان در سایه ی کامل.در اینجا نیز، ایوان های عریض و سر پوشیده ای که هم از نفوذ باران به داخل جلوگیری می کنند و هم سایه ی کاملی بر روی دیوار اتاق ها می اندازند، مورد استفاده قرار گرفته است.

3)    در مناطق نزدیک به دریا، برای استفاده از نسیم های خنک دریا از بادگیرهای بزرگ استفاده شده است. بیشتر ساختمان های این مناطق دارای بادگیر هستند. ولی در مناطق دور از دریا که کمتر تحت تأثیر نسیم دریا قرار دارند، بادگیرها بسیار کوچک و کوتاه است و در بسیاری از مناطق نیز از ساختمان حذف شده است.

4)    در این مناطق به دلیل گرما و رطوبت زیاد هوا، میزان تهویه ی طبیعی اهمیت چندانی ندارد و به همین دلیل، پیش بینی های لازم در مورد ایجاد کوران در داخل ساختمان به عمل نیامده است (شکل های 4-14و 4-16).

شکل 4-14: خلیج فارس

شکل 4-16: میناب

صفحه 94

اصول اولیه و نکات رعایت شده در معماری بومی مناطق مختلف ایران، در جدول 4-1 به اختصار آمده است. با استفاده از این جدول می توان کلیاتی در مورد ویژگی های معماری هر منطقه به دست آورد. ولی به دلیل تفاوت بین شرایط و ویژگی های نقاط مختلف هر منطقه ی اقلیمی، استفاده از این جدول به تنهایی کافی نیست و بویژه برای پی بردن به درجه ی حاد بودن شرایط اقلیمی یک منطقه و بررسی لزوم یا عدم لزوم استفاده از سیستم های مکانیکی در ساختمان مورد نظر باید با استفاده از روش های دیگری که در اینجا به شرح آنها خواهیم پرداخت، اطلاعات بیشتری به دست آورد.

 

اقلیم گرم و مرطوب

در مناطق گرم و مرطوب به دلیل شدت زیاد تابش آفتاب در سمت شرق و غرب، فرم ساختمان باید کشیده باشد و به شکل مکعب مستطیلی در امتداد محور شرقی- غربی درآید. این فرم، از نظر ایجاد کوران در داخل ساختمان و کاهش رطوبت هوای داخلی نیز بسیار مناسب است. اگر در این مناطق ساختمان در سایه ی کامل قرار گیرد. پلان آن می تواند آزاد و باز باشد.