نقش عایق‌ها‌‌ی حرارتی و معماری ساختمان در مصرف بهینه انرژی

ریحانه و معصومه پیمان

هزینه‌ها‌ی بالای انرژی در دهه گذشته، فعالیت‌ها‌ی وسیعی را در زمینه استفاده موثرتر از انرژی، برانگیخته است که این مهم خود همزمان با تحولات شگرفی درعلوم مهندسی و صنعت ساختمان‌سازی همراه است، پس مصرف انرژی در دودهه اخیر، دوران رونق عایقکاری نامیده شده است دانش مصرف عایق‌ها‌ی حرارتی به بیش از نیم قرن گذشته برمی‌گردد، تا آنجاکه کشورهای صنعتی و اروپایی در این زمینه به نتایج جالب توجهی در ساختمان‌ها‌ دست یافته‌اند. این مساله به قدری قابل اهمیت است که کشور آلمان، با شروع فعالیت‌ها‌ی رسمی اجرایعایقکاری از سال 1969 میلادی، در هر 5 سال تغییراتی به منظور هماهنگی با تکنولوژی جدید در آن صورت می‌پذیرد. در این مقاله سعی بر آن شده است که با معرفی عایق‌ها‌ی حرارتی عصر امروز در صنعت ساخت‌و‌ساز، د‌رکنار بررسی گام‌ها‌ی اغازین طراحی حرارتی سازه و با عنایت بر معماری ساختمان در اقلیم‌ها‌ی مختلف کشورمان، باری دیگر بر تدوین و اجرای قوانین، به جهت دستیابی بر بهینه‌سازی مصرف انرژی بالا‌خص در صنعت ساختمان‌سازی تاکید گردد.گرانی سوخت و لزوم صرفه‌جویی در انرژی، تفکر استفاده بهینه از آنرا که ثروتی ملی برای هر کشوری محسوب می‌شود مهم‌تر از گذشته جلوه می‌دهد. لذا در صنعت ساختمان‌سازی، یک سازه در عین اقتصادی بودن باید به گونه‌ای طراحی شود که مصرف انرژی درآن کاهش یابد. انواعانرژی مصرفی در ساختمان به طور عمده‌ای برای مقاصدی همچون گرمایش و سرمایش هوا، روشنایی، تهویه و. . . صورت می‌پذیرد. اما صرفه‌جویی در انرژی مصرفی ساختمان‌ها‌ بر دو اساس استوار است:

اولا استفاده حداکثر از انرژی مصرف شده با طراحی تاسیسات مکانیکی و برقیکه اتلاف را به حداقل رساند. دوم رعایت قواعدی در طراحی و اجرای سازه و انتخاب مصالح مصرفی مناسب. از آنجاکه در یک ساختمان مصرف انرژی، بیشترین هزینه را در برمی‌گیرد، مساله انرژی را نمی‌توان به سادگی نادیده گرفت. چرا کهمنشا خدمات اساسی مانند: آسایش حرارتی، نور‌رسانی، پخت و پز، خنک سازی و تهویه. . . است.

عایقکاری حرارتی

در عصر امروز، عایقکاری اعم از حرارتی و برودتی، جایگاه ویژه ای در ساختمان‌سازی به خود اختصاص داده است و تولید مصرف را اجتناب‌ناپذیر است. به گونه‌ایکه در آلمان، اجرایعایقکاری از سال 1969 میلادیشروع شد و هر 5 سال نیز تغییراتی طبق هماهنگی با تکنولوژی جدید در ان صورت می‌گیرد.

معرفی چند نمونه عایق‌ها‌ی ساختمانی:

1- پشم شیشه: الیاف بدست امده از شیشه ذوب شدن و به صورت تخته پتو، با مقاومتی درحدود R=3 برای هر اینچ ضخامت.

2- الیاف سلولزی (Cellulose Fiber): این الیاف از خمیر چوب و مقوا با کمک ترکیب شیمیایی مقاوم در مقابل آب و آتش ساخته شده است. این الیاف در مقایسه با پشم شیشه، مقاومتی مشابه دارد، ولی پس از مدتی فاسد شده و مقاومت خود را از دست می‌دهد.

3- کف پلی اورتان: کاربرد بیشتر ان در میان دیوارهای دوجداره است، که دارای مقاومتی بیش از R=5 در هر اینچ ضخامت است.

4- پارتیکل برد(Particle Board): از الیاف چوبی ساخته شده و بیشتر برای جلوگیری از نفوذ صدا مناسب است و دارای مقاومتی برابر با R=2. 6 در هر اینچ است.

5-کف اورفورمال رهاید(Urea – Formaldeh Foom):این نوع عایق نیز کف مانند است و قابل اشتعال نیست و برای فاصله بین جداره‌ها‌ بکار رفته و دارای مقاومتی برابر با R=5. 5در هر اینچ است.

نکته مهم در کاربرد عایق‌ها‌:

در صورتیکه عایق‌ها‌ تحت فشار قرار گیرند، مقداری از خاصیت خود را از دست می‌دهند. همچنین وجود رطوبت و نفوذ آب در عایق‌ها‌، تا حدودی مقاومت انها را از بین می‌برد.

• گام‌ها‌ی اولیه طراحی حرارتی ساختمان‌ها‌:

الف) راه‌ها‌ی تبادل گرما:

در محاسبات گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها‌ باید راه‌ها‌ی تبادل گرما همچون باز و بسته کردن در و پنجره و عمل تهویه، هدایت حرارت از میان جداره‌ها‌یعنی سقف‌ها‌، دیواره‌ها‌ی خارجی و کف طبقه همکف و. . مدنظر محاسب قرار گیرد.

ب)تعیین نوع مصالح عایق حرارتی:

میزان عایق حرارتی بستگی به مقاومت حرارتی مصالح به کار رفته در جدار ساختمان و میزان رطوبت و وزن مخصوص آنها دارد. در سطوح داخلی و خارجی، مقاومت حرارتی آن مطابق جداول زیر رعایت گردد: (مقاومت سطحی بر حسب متر مربع درجه سانتیگراد بر وات )

ج) میزان عایقکاری:

میزان عایقکاری بنا به اقلیم‌ها‌ی متفاوت متغیر بوده و بستگی به درجه حرارت محیط خارج ساختمان دارد. (U) یا (Thermal Trensmittance) یا همان میزان انتقال حرارتی، میزان گرمایی است که از میان واحد سطح ساختمان عبور می‌کند به شرطیکه اختلاف درجه حرارت بین داخل و خارج 1 درجه سانتی‌گراد باشد. بنابراین در بیشتر کشورها رعایت مقادیر Uکه در کدهای ساختمانی هر کشور برای سقف‌ها‌ و دیوارها و کف‌ها‌ تعیین شده است، برای سازندگان اجباری است.

نکاتی اساسی در انتخاب مصالح به منظور حصول مقادیر U:

1) عایقکاری رطوبت:در نواحی مرطوب به علت آنکه تعریق بخار آب در مصالح باعث کاهش کارایی شده، عایق بخار باید در سمت گرم حفره بکار رود.

2) سیاهی و دودزدگی: به منظور جلوگیریاز رسوب گرد و خاک و سیاهی در نواحی مجاور تیرآهن سقف معمولا مصالحی با مقدارUمساوی به کار می‌برند.

3) خطر آتش‌سوزی:از آنجاکه تمام قسمت‌ها‌ی داخلی ساختمان باید در مقابل حریق مقاومت کافی داشته باشد، از این رو سعیمی‌شود که سطح بعضی مصالح را با موادیکه در اشتغال آنها تاخیر ایجاد می‌کند، پوشانید. تا خطر جدی در آتش‌سوزی نداشته باشد، از جمله مصالح عایق حرارتی در صنعت ساختمان‌سازی– بتن سبککه شامل انواع زیر است:

- بتون گازی مانند سیپوریکس، ایتونگ و ...

- بتون با دانه‌ها‌ی سبک مانند لیکا وکلینکر و ...

- بتون کفی

- بتون بدون ریزدانه

پیشنهاد روش‌ها‌یی در عایقکاری حرارت ساختمان:

1. طبقه هم‌کف:در کف طبقه هم‌کف معمولا بتون‌ریزی بر رویقلوه سنگ انجاممی‌گیرد و این روش عایق خوبی برایکف بوده و احتیاج به عایق اضافی ندارد. به جز مواردیکه عایق شده‌، ‌در اطراف ساخته شده باشد عایقکاریکف در کناره‌ها‌ الزامی است. حتی در مواردیکه گرم شدن ساختمان از طریق کف انجام شود بهتر است کف‌ها‌ را عایق کرد و ترجیحا عایق حرارتی روی عایق رطوبتیانجام گیرد.
2. کف‌ها‌ی معلق:سقف طبقه هم‌کف که برای طبقه اول کف معلق محسوب می‌شود، چنانچه به هوای سرد راه داشته باشد باید عایقکاری حرارتیانجام شود. در نواحی مرطوب وبهتر است عایق راه تنفس داشته باشد تا از پوسیدگی آن جلوگیری شود.
3. دیواره‌ها‌ی خارجی:استفاده از دیواره‌ها‌ی حفرهدار‌(Cavity Walls)یا دو لایه آچر چینییا با یک لایه آجر چینی در خارج و یک لایه بلوک از بتن سبک در داخل مقاومت حرارتی خوبی را ارائه می‌دهد. البته باید دقت کرد چونکفایت عایق در صورت مرطوب شدن کاهش می‌یابد لذا عایقکاری باید پس از خشک شدن کامل دیواره‌ها‌انجام شود.
4. پنجره‌ها‌: گرما از میان شیشه خیلی سریعتر از کف طبقه هم‌کف که مجاور زمین است عبور می‌کند. و پنجره‌ها‌ی حرارتییک شیشه‌ای از نظر عایق بودن حرارتی ضعیف هستند. پس شیشه موجب اتلاف حرارت می‌شود از این رو پنجره‌ها‌ی ویژه ای در ساختمان‌ها‌ طراحیمی‌شود. بطور نمونه پنجره‌ها‌ی دو شیشه‌ای از نظر عایق بودن در مقایسه با پنجره‌ها‌ییک شیشه‌ای با نیمی از اتلاف گرما روبرو هستند، ولی از لحاظ اقتصادی در سازه‌ها‌ی معمولی به صرفه نیستند.
5. بام‌ها:بام‌ها‌ی شیب‌دار که با شیروانی آهن سفید و سیمان پوشیده می‌شوند، در فضای زیر خود می‌توانند یک عایق ضد پوسیدگی داشته باشند که بصورت یکپارچه باید روی تیرچه‌ها‌ی سقف محکم شود در ساختمان‌ها‌ی صنعتی عایق‌ها‌ را می‌توان زیر تیرچه‌ها‌یا روی انها بکار برد. تا از دید معماری بهتری برخوردار باشد.

• دیوار دو جداره در عایقکاری حرارتی ساختمان:

در دیواره‌ها‌ی دو جداره، دو جدار که یا فضای بین انها خالی است یا بوسیله عایق پر شده و از یکدیگر جدا شده اند با بست‌ها‌یمقاوم فولادی به هم متصل شده و جدار داخلی این دیوارها با آجر یا سفال و جدار خارجی آنها اکثرا با آجرهای ساده یا مجوف ساخته می‌شوند. فاصله بین دو دیوار که می‌تواند محل نصب عایق حرارتی باشد حداکثر 11 سانتی متر است. طبق آیین نامه( ANSIA47. 1) ‌تنش‌ها‌ی فشاری مجاز در دیواره‌ها‌ی دو جداره در جدول زیر آورده شده است:

اما اگر تنش‌ها‌ی ایجاد شده در دیوار ، از مقادیر فوق بیشتر باشد طراح می‌تواند جدار داخلی را بعنوان دیوار باربر محاسبه کند و جدار خارجی را بعنوان محافظ بکار برد.

عملکرد ساخت دیوار دو جداره:مهمترین اصل در ساخت دیواره دو جداره تمیز نگه‌داشتن فضای خالی بین دوجدار و محل عایق است چرا که اگر تکه‌ها‌یی از ملات به داخل فضای خالی ریخته شود، باعث گرفتگی سوراخ آبرو و ایجاد مشکل در عملکرد عایق حرارتیمی‌شود. باید از مرطوب یا خیس شدن عایق‌ها‌ی حرارتی نفوذپذیر جلوگیری شود لذا بهتر است لایه عایق حرارتی، به جدار داخلی دیوار چسبانده شود.

• معرفی عایق‌بندی حرارتی سقف:به دو روش عایق‌بندی حرارتی سقف امکان‌پذیر است.

روش اول اینکه، عایق روی سقف قرار داده شود و کف‌سازی مناسب بر روی عایق انجام شود.

روش دوم اینکه، عایق حرارتی از طرف داخل به زیر سقف چسبیده شود.

در روش اول باید دقت شود که عایق حرارتی حتما صلب بوده و قابلیت تحمل بار فشاری 500 کیلو گرم بر متر مربع رابدون تراکم داشته باشد در این روش هیچگونه اتصالی بین عایق و سقف ضروری نبوده فقط بستر نسبتا همواری لازم است.

اما در روش دوم، گذاشتن لایه عایق حرارتی بر روی لایه عایق رطوبتیکه بیشتر برای عایق‌بندی ساختمان‌ها‌ پیشنهاد می‌شود قابل قبول است. در اینجا نیز باید عایق حرارتی از نوع صلب و حتما از نوع غیر قابل نفوذ در رطوبت (مانند یونولیت) باشد.

• عایق‌بندی سقف کاذب:

نصب عایق در سیستم‌ها‌ی سقف کاذب آسان‌تر است به طوری که عایق می‌تواند فضای بین سقف کاذب و سقف بار‌بر را اشغال نماید. در این روش هم وجود لایه عایق رطوبتی در سطح طرف داخلی عایق حرارتی الزامی‌است.

• ضوابط معماری ساختمان در مناطق اقلیمیکشور در کاهش اتلاف انرژی:

مناطق مختلف ایران بر حسب شباهت‌ها‌یکلی اقلیمی به چهار دسته تقسیم می‌شود، که باتوجه به ویژگی‌ها‌ی عمومی هر اقلیم، ضوابط طراحی در انها از جهت صرفه‌جویی در مصرف انرژی حائز اهمیت است:

الف) اقلیم سرد:به منظور کاهش تاثیر هوای سرد، باید نسبت سطح خارجی ساختمان در برابر حجم آن را به حداقل رساند. در چنین مناطقی فرم‌ها‌ی ساختمانی فشرده و متراکم با پلان مربع و حجم نزدیکی به مکعب توصیه می‌شود و در پوشش سطوح خارجی ساختمان از بافت خشن و رنگ‌ها‌ی تیره استفاده گردد. لذا مساحت سطوح بازشو به حداقل خود برسد و در پنجره‌ها‌ شیشه‌ها‌ی چندجداره جواب بهتریمی‌دهد که البته تعداد جدار‌ها‌ متناسب با شدت سرما افزایش می‌یابد.

ب)اقلیم معتدل و مرطوب:در این نواحی فرم ساختمان، محدودیتی نداشته ولی توصیه می‌شود که در جهت شرقی– غربی گسترش یابد و ساختمان‌ها‌ با مقطع افقی و کشیده و باریک طراحی شود. با توجه به برقراری و تداوم جریان هوا در این مناطق، بازشوها با سطوح نسبتا زیاد و سقف‌ها‌ی بلند د‌راطراف ساختمان توصیه می‌شود.

ج) اقلیم گرم وخشک:

-  گسترش پلان ساختمان در جهت محور شرقی - غربی توصیه می‌شود.

-  استفاده از بادگیر بمنظور خنککردن هوای داخل بنا و افزایش رطوبت آن توصیه شده است.

-  سطوح و تعداد بازشو‌ها‌ در این مناطق به حداقل ممکن کاهش یافته و درقسمت‌ها‌ی فوقانی دیواره‌ها‌ نصب گردند.

-  در پوشش سطوح خارجی ساختمان‌ها‌ از رنگ‌ها‌ی روشن و سطوح نه چندان خشن در سطح بام و دیوارهای خارجی استفاده شود.

د) اقلیم گرم و مرطوب:فرم‌ها‌ی ساختمانیکشیده که بصورت مکعب مستطیل در امتداد محور شرقی غربی گسترش یافته مناسب‌ترین فرم در این مناطق است. توصیه می‌شود که ساختمان در جهت وزش بادهای مطلوب قرار گرفته و سقف بلند باشد و ترجیحا از شیشه‌ها‌ی دو جداره نیز استفاده شود.

نتیجه گیری:با توجه به سهم بالای مصرف سوخت در ساختمان‌ها‌انجام اقدامات بهینه‌سازی در ساختمان به هدف کاهش مصرف سوخت و ایجاد شرایط مطلوب در دمای ان و جلوگیری از آلودگی‌ها‌ی زیست محیطی بسیار حائز اهمیت است از این حیث عایقکاری مناسب ساختمان‌ها‌ در متعادل نگه‌داشتن دمای آن در فصول مختلف سال، یکی از مهمترین مباحث این مقاله است. با توجه به انکه عایق کاری حرارتی پوسته ساختمان‌ها‌ در سقف‌ها‌، کف و پنجره‌ها‌ بسیار مورد توجه است لذا با یک جمع‌بندیکلیمی‌توان به نکات ذیل دست یافت:

عایقکاری در سقف‌ها‌ مصرف انرژی را از 30 تا 45 درصد کاهش می‌دهد. از آنجاکه حدود40 درصد اتلاف انرژی ساختمان‌ها‌ از طرق پنجره‌ها‌ است لذا توصیه می‌شود که از قاب‌ها‌ی نوع PVC با ضریب هدایت حرارتی بسیار پایین و قاب‌ها‌ی ترموبرک (از نوع آلومینیومی) استفاده شود.

درها و پنجره‌ها‌ی توسط نوارهای درزگیر عایق‌بندی شود.

با دو جداره کردن پنجره‌، (فاصله فضا کاملا درزبنری شده بین دو شیشه آن را به 15 میلی متر رساند می‌توان بهترین کارایی را بدست آورد. با این روش علاوه بر کاهش اتلاف انرژی، باعث کم شدن ورود سر و‌صدا به داخل ساختمان شده و از طرفی بخارگیری پنجره‌ها‌، در فصول سرد سال کاهش می‌یابد. در سازه‌ها‌یی با اهمیت بالاتر در برخی پنجره‌ها‌ی دو جداره‌، فضای میانی با گاز‌ها‌یی مانند آرگون پر شدن تا کارایی آن را 10 درصد بالا ببرند. استفاده از مصالح سنگین با ظرفیت حرارتی بالا مانند بتون و آجر‌، منجر به افزایش پایداری حرارتی ساختمان می‌شود. چرا که با تغییر دمای هوای بیرون، هوای داخل زیاد سرد یا گرم نمی‌شود و در کلام آخر اینکه با عایقکاری مناسب در ساختمان می‌توان دمای آن را در زمستان 5 درجه گرم‌تر و در تابستان 10 درجه خنک‌تر نمود و از آنجاکه ایرانیان نیز از دیر باز با عایقکاری با روش‌ها‌ی سنتی مخصوص به خود و نحوه استفاده بهینه از مصالح آشنا بوده‌اند و اینکه چگونه خانه‌ها‌ی خود را با کمترین نیاز به گرمایش و سرمایش طراحیکنند لذا جای امیدواری بسیاری است کهبار دیگر جلوه ای از تمدن دیرینه ایرانی را در فرهنگ استفاده از انرژی و مصرف منابع طبیعی ملییادآور شویم.