مدیریت انرژی در ساختمان را از معماران بخواهید

همایون اربابیان

دانشکده معماری، دانشگاه علم و صنعت ایران

فعالیت‌های مختلف اقتصادی و تولیدی در کشور ما یکی از مصادیق اسراف در مصرف انرژی در جهان به شمار ‌می‌رود. ابتدایی‌ترین تمهیدات در جهت صرفه‌جویی در این زمینه جهشی عظیم در اقتصاد کشور را ‌می‌تواند موجب شود . یکی از بخش‌های مهم در این زمینه طراحی و ساختمان‌سازی است که با بکارگیری فنون طراحی و ساخت ‌می‌توان صرفه‌جویی قابل‌توجهی در مصرف انرژی داشته و در نتیجه آلودگی ناشی از آن را نیز به میزان زیادی کاهش داد.با توجه به اینکه انرژی به دست آمده از سوخت‌های فسیلی پایان‌پذیر است، استفاده بجا و حساب شده و اصلاح راندمان انرژی و بهینه کردن مصرف آن بسیار توسعه‌یافته است . یکی از جنبه‌های مهم در جهت افزایش راندمان انرژی، اطمینان از استفاده بجا از نوع انرژی برای منظور خاص است. برای مثال هز‌ینه تولید برق هدر شده در خطوط انتقال نیرو بسیار بیشتر از میزان مصارف مربوطه آن ‌می‌باشد. انرژی هدر‌رفته در این فرآیند قادر است تا گرمایش تمامی خانه‌های آمریکا را فراهم سازد این نکته حائز اهمیت است که ‌باید تولید انرژی،‌را به طرف انرژی‌های تجدیدپذیر سوق داد و در واقع گذر از تکنولوژی سخت که بر پایه سوخت‌های فسیلی شکل گرفته به طرف تکنولوژی نرم مانند آنهایی که با طبیعت سازگار و با اکولوژی برخوردار است، را شامل می‌شود و در آینده جزء لاینفک و اصلی بازگشت تکنولوژی به سوی طبیعت و همسازی و سازگاری با طبیعت خواهدبود.

نقش معماران به مثابه یک استراتژی

 ساختمان یکی از بزرگترین بخش‌های مصرف کننده انرژی در اکثر جوامع محسوب ‌می‌شود. توجه به فن آوری‌های ساختمان به منظور صرفه‌جویی و بهینه‌سازی مصرف انرژی به میزان بسیار مؤثری ‌می‌تواند در این راستا نقش سازنده داشته باشد . این نکته قابل ذکر است که مصرف زیاد انرژی به هیچ‌وجه به معنی آسایش در ساختمان نیست . نارضایتی‌های موجود در ارتباط با عدم وجود آسایش، به تجهیزات مکان یکی سرمایشی و گرمایشی ساختمان باز ‌می‌شود. ساختمانی که سیستم هواساز وجود دارد و مصرف انرژی بالاتری را نیز شامل ‌می‌شود، به مراتب با نارضایتی بیشتری نسبت به ساختمان‌هایی که هواساز ندارند، روبرو هست . بنابراین ما در بسیاری موارد از ساختمان‌هایی استفاده ‌می‌کنیم که علی‌رغم میزان چند برابر انرژی، آسایش چند برابر را فراهم نمی‌‌سازند. بنابراین، عوامل مؤثر در راندمان و بهینه سازی مصرف انرژی به سه دسته تقسیم ‌می‌گردند:

الف طراحی معماری ساختمان

 ب طراحی تأسیسات برقی و مکانیکی

ج رفتار ساکنین‌

مطالعات به عمل آمده توسط بیکر نشان ‌می‌دهد که عوامل یاد شده مصرف معمول انرژی را تا ده برابر افزایش ‌می‌دهند. سهم طراحی معماری ساختمان در میزان مصرف تا5/ 2 برابر معمول را ‌می‌تواند افزایش دهد و اگر چنانچه تأسیسات برقی و مکانیکی را نیز به آن اضافه کنیم میزان مصرف به دو برابر یعنی تا 5 برابر مصرف معمول افزایش پیدا ‌می‌کند.

در نگاه اول این موضوع از این بابت که نقش معمار با نقش مهندسین تأسیسات و ساکنین گره ‌می‌خورد، ممکن است موجب نگرانی شود . دو دلیل موجه و قابل قبول بر اهمیت فوق‌العاده تصمیمات استراتژیک یک معمار در پیشبرد طراحی ساختمان وجود دارد . اول اینکه عوامل مرتبط با ساختمان از عواملی هستند که احتمال تغییرات آنها بسیار نادر است‌.‌تنها در بازسازی و یا تعمیرات اساسی، هنگامی که تأسیسات ساختمان به کلی تعویض ‌می‌شود، این اتفاق ممکن است رخ دهد . مدیریت بهتر قادر است ساکنین را در جهت مصرف بهینه انرژی تشویق نماید. دوم اینکه عوامل سه‌‌گانه فوق جدای از یکدیگر عمل نمی‌کنند و یقیناً استراتژی مصرف‌ بهینه انرژی در طراحی ساختمان هم به سیستم تأسیسات بکار رفته و همه به رفتار ساکنین ساختمان وابسته است.

جدای از تصمیماتی که در طراحی معماری ساختمان به منظور صرفه‌جویی در مصرف انرژی گرفته ‌می‌شود، استفاده از انرژیهای تجدیدپذیر و در حقیقت صرفه‌جویی بیشتر در انرژی‌های تجدیدناپذیر ، استفاده از سیستمهای غیرفعال‌ (Passive) توسط پیش‌بینی‌های معمارانه و انطباق با شرایط محیطی از اهداف بهینه‌سازی مصرف انرژی محسوب ‌می‌شود. معماری سنتی ایران نمونه آشکار و بارزی از چنین استفاده بجا و ارزنده از فرهنگ بکارگیری ر وش غیرفعال را به تجربه و نمایش گذاشته است . احیاء و باز‌سازی فرهنگ صرفه‌جویی که به صورت علمی و عملی از گذشتگان ما در اختیار گذاشته شده است، ‌می‌تواند به سادگی ما را در این جهت یاری دهد. تنها با اشاره به دو مثال ‌می‌توان به عمق این مطلب بیشتر پی برد . یکی آنکه ساختمان‌هایی که به گونه‌ای طراحی شده اند تا میزان مناسب جذب تابش گرمای خورشید را داشته و کمتر تبادل حرارتی ازداخل به بیرون دارند، نیاز کمتری به کارکرد تأسیسات پیدا ‌می‌نمایند، و در نتیجه مصرف انرژی در آنها بهینه‌تر است. مثال دیگر آنکه افرادی که در فاصله نزدیکی به پنجره‌های بازشونده زندگی ‌می‌کنند، تحمل بیشتری نسبت به تغییر دما داشته و نیاز کمتری به روشنایی مصنوعی پیدا ‌می‌کنند تا کسانی که درساختمان‌هایی با سطح زیربنای زیاد و عمیق زندگی ‌می‌کنند. این نکته که در اغلب پلان‌های خانه‌های مسکونی سنتی، استقرار اتاقهای سه‌دری و پنج‌دری به صورت ردیفی که در اطراف حیاط مرکزی قرار دارند، ‌می‌تواند به این دلیل باشد.

بنابراین تصمیمات استراتژیک برای طراحی ساختمان تأثیرات گسترده‌تری را برای عملکرد واقعی ساختمان در طول حیات خود دارد تا تحلیل اولیه پیشنهادی انرژی به صورت جزئیات . از طرفی رشد فزاینده‌ای در مشاهدات رضایت ساکنین در ساختمان‌هایی که از انرژی غیرفعال مانند روشنایی روز و تهویه طبیعی هوا، استفاده ‌می‌کنند وجود دارد . این مطلب خود گواه بر آن است که استفاده از تجهیزات و تأسیسات ساده در ساختمان در ابتدای طراحی اهمیت بیشتری دارد تا مطالعات فنی پس از طراحی ساختمان.

معماری و بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان

با توجه به نقش معمار به عنوان طراح ساختمان در مصرف بهینه انرژی و کاهش اتلاف انرژی لازم است تا میزان تبادل حرارت را در قسمت‌های مختلف ساختمان مانند دیواره‌ها، بام، کف و بازشوها مورد بررسی قرار دهیم . این میزان به عواملی چون میزان عایق‌کاری حرارتی، سطح پوشش و اختلاف دمای داخل و خارج ساختمان دارد . مطالعات ، نشان می‌دهد در یک خانه معمولی چهار طرف باز، میزان اتلاف انرژی در دیوارها 29 درصد، بام 26 درصد،، کف مرتبط با هوای آزاد 20 درصد،، بازشوها 14 درصد، و منافذ 11 درصد، است.

صرف‌نظر از قسمت‌های مختلف ساختمان عواملی چون نحوه استقرار ساختمان و فرم ساختمان نیز در میزان اتلاف انرژی نقش مؤثری را دارد . نحوه استقرار و فرم ساختمان از دو جهت ‌می‌تواند اتلاف انرژی را کاهش دهد . یکی جهت تابش خورشید و دیگری جهت وزش باد است. جهت‌یابی ساختمان نسبت به تابش آفتاب و وزش باد بستگی به نوع اقلیم محیط داشته و فرم ساختمان نیز ‌می‌تواند به گونه‌ای طراحی شود که هماهنگی لازم را با تابش آفتاب و وزش باد داشته باشد .

تقلیل دیوار فضاهای اصلی با فضای آزاد تا حدود زیادی اتلاف حرارتی ساختمان را کاهش ‌می‌دهد. الحاق فضایی به عنوان ورودی مانند هشتی می‌تواند در این جهت مؤثر باشد.

در ارتباط با فرم ساختمان مهمترین عامل، بزرگی ساختمان است، ساختمان‌های متوسط و مجموعه ساختمان‌های اداری یا مسکونی آپارتمانی اتلاف حرارتی کمتری دارند . در یک مجموعه ساختمانی اداری به میزانی که تعداد دفاتر در ساختمان اضافه می‌شود، هزینه‌های انرژی مربوطه کاهش ‌می‌یابد.

 طراحی معماری غیرفعال‌ (Passive)

علاوه بر تمهیدات فوق با استفاده از سیستم طراحی معماری غیرفعال (Passive) ساختمان، ‌می‌توان انرژی خورشیدی و باد را برای گرمایش و سرمایش به گونه‌ای جذب و ذخیره نمود که نیازی به امکانات برقی و یا مکانیکی نباشد . اصلاح نورپردازی در داخل ساختمان و اجتناب از گرمایش بیش از حد نیز به عنوان طراحی معماری غیرفعال محسوب ‌می‌شود. طراحی معماری غیرفعال باید به عنوان یکی از عوامل در استراتژی بهینه‌سازی مصرف انرژی در نظر گرفته شود.

طراحی معماری غیرفعال با توجه به میزان تابش خورشید وباد می‌‌تواند تا حدود قابل‌توجهی از گرمایش و سرمایش ساختمان را تأمین نماید، ضمن اینکه هزینه بیشتری را در ساخت ساختمان در بر نخواهد داشت . اغلب مردم ساختمان‌هایی که به روش طراحی معماری غیر فعال طراحی و ساخته شده‌اند را به دلیل آسایش و امنیت، به لحاظ آلودگی، ترجیح ‌می‌دهند. برای دستیابی به طراحی معماری غیرفعال کافی است به شش اصل آن توجه داشته باشیم.

1- نحوه استقرار ساختمان

با توجه به این اصل زاویه قرارگیری ساختمان و نحوه چیدمان ساختمان‌های مختلف در سایت به گونه‌ای است که ساختمان‌های کم ارتفاع‌تر در جنوب و ساختمان‌های مرتفع‌تر در شمال سایت قرار گیرند.

2- استفاده از فضای سبز و درخت

استفاده از درخت در اطراف ساختمان ‌باید به گونه‌ای باشد که در مناطق گرم ایجاد سایه بر روی ساختمان کرده و در مناطق سرد ضمن عدم جلوگیری از تابش آفتاب بر ساختمان از وزش باد به طرف ساختمان جلوگیری نماید. وجود فضای سبز و درخت در فضای باز هم ‌می‌تواند نسبت به گرما و نیز سرما به صورت بازدارنده عمل نماید .

درختان از یک طرف دمای بالای هوا را جذب ‌می‌کنند، و از طرف دیگر ‌می‌توانند مانعی برای وزش باد در فصل سرما باشند . در شرایطی که برای خنک کردن فضا نیاز به وزش باد باشد، ‌باید درختان را به گونه‌ای در فضای آزاد پیش‌بینی نمود که در این شرایط از حرکت هوا و باد ممانعتی به عمل نیاید.

3- موقعیت و اندازه بازشوها

بازشوهای پنچره در نمای ساختمان ‌باید به نحو مناسبی توزیع شود . میزان سطح پنجره‌ها در جبهه‌های شرق و جنوب و غرب 15 درصد، سطح زیربنای اتاق و در صورتی که از پنجره‌های دو جداره استفاده شود، میزان سطح پنجره می‌تواند تا30 درصد سطح اتاق افزایش یابد . در مناطق سرد میزان سطح پنجره جبهه شمالی ساختمان به منظور استفاده از نور طبیعی 5 درصد و در مناطق گرم این میزان ‌می‌تواند تا میزان پنجره در جبهه‌های دیگر افزایش یابد.

 4- نحوه چیدمان داخلی فضایی

قرارگیری نشیمن یا فضای اصلی در مناطق سرد در جبهه جنوبی و در مناطق گرم در جبهه شمالی ‌می‌تواند میزان آسایش را افزایش دهد.

5- طراحی

طراحی معماری ساختمان به گونه‌ای ‌باید صورت گیرد که کمترین تبادل حرارت را داشته و سپس به منظورایجاد وضعیت بهتر،ملاحظات طراحی غیرفعال مورد توجه قرار گیرد . این نکته حائز اهمیت است، همانطوری که پلان فشرده بدون پیش‌آمدگی و پس‌رفتگی میزان اتلاف حرارت را کاهش ‌می‌دهد، پلان غیر فشرده این امکان را ایجاد ‌می‌نمایند که از جذب تابش خورشید بیشتر استفاده شود . در مناطق گرم پلان‌های فشرده ارجح بوده و در مناطق سرد پلان‌های غیرفشرده به شرط استفاده از عایق‌های حرارت برای جلوگیری از اتلاف حرارت به گونه‌ای طراحی شود که قابلیت جذب گرمای تابش خورشید را نیز داشته باشد.

6- گرمایش و سرمایش

سیستم گرمایش و سرمایش به گونه‌ای ‌باید طراحی و مورد استفاده قرار گیرد که مکمل طراحی غیرفعال باشد . سیستم‌های تأسیساتی که قابلیت تطبیق فوری با شرایط جذب سرمایش ‌وگرمایش طبیعی را دارند، مانند رادیاتورها و فن‌کویل‌های مجهز به شیرهای ترموستات،این امکان را فراهم ‌می‌سازند. اما سیستم‌های ذخیره‌ای سرعت عمل لازم را به منظور تغییر وضعیت و تطبیق با شرایط گرمایش و سرمایش طبیعی را ندارند. یک واحد مسکونی با طراحی غیرفعال مناسب که قادر است از انرژی‌های گرمایش و سرمایش موجود در طبیعت بهره گیرد نه تنها موجب صرفه‌جویی در انرژی ‌می‌شود، بلکه با فراهم آوردن امکانات گرمایش یا سرمایش و نور مناسب محیطی دلپذیر ودر نتیجه آسایش را موجب ‌می‌شود. متأسفانه در بعضی موارد این امکان به دلیل استقرار نامناسب ساختمان‌ها در محوطه و ایجاد سایه و یا با جلوگیری از دالان حرکت باد از ساختمان ساقط ‌می‌شود

به منظور ایجاد تعادل بین طراحی غیرفعال و دیگر عوامل، ‌باید به نکات زیر توجه کامل داشت:

الف: طراحی و تولید یک محوطه جالب و امن با استقرار مناسب ساختمان‌ها در محوطه.

 ب: ‌طراحی یک نمای شمالی دلپذیر و زیبا.

ج : توجه به عدم مشرفیت اتاق‌هایی که به منظور دریافت حرارت و یا نور بیشتری نیاز به پنجره‌های بزرگتری دارند . در غیر اینصورت وجود پرده‌ها خود موجب عدم جذب گرما در مواقع ضروری خواهد شد.

د به خاطر داشتن این امکان که ممکن است یک پنجره شمالی دید و منظر مناسبی را داشته باشد.

عایق‌بندی حرارتی در ساخت

‌باید کلیه قسمت‌های ساختمان را که با هوای آزاد در ارتباط است، برای بالا بردن راندمان عایق‌بندی گردند. این عمل ضمن اینکه اتلاف حرارتی را کاهش ‌می‌دهد به اطمینان در جهت طراحی غیرفعال کمک ‌می‌کند، دیوارها کف و بام و پنجره‌ها از جمله قسمت‌هایی هستند که از اهمیت بیشتری نسبت به دیگر اعضاء ساختمان برخوردار هستند . طراحی ساخت این قسمت‌ها ‌باید به گونه‌ای صورت گیرد که ضمن سادگی در اجرا، افزایش هزینه قابل توجهی را نیز در بر نداشته باشد.

دیوارهای خارجی

نکته بسیار حائز اهمیت در دیوارهای خارجی این است که دیوارهای پر دارای اتلاف حرارتی بالایی هستند، زیرا سطح این دیوارها نسبت به سطح پنجره‌ها یا قسمت‌های دیگر ساختمان بسیار بیشتر است. به منظور رفع این مشکل پیشنهاد طراحی و اجرای دیوارهای دوجداره کمک بسیار مؤثری در بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان دارد . مؤثرترین نوع دیوار در بهینه سازی مصرف انرژی خواهد بود هوای بین دیوارهای دو جداره خود عایق حرارتی مناسبی است، ضمن اینکه امکان عایق‌بندی حرارتی را نیز فراهم ‌می‌سازد.

دیوارهای دوجداره دارای محاسن زیادی مانند سبک بودن، استحکام بیشتر، امکان اجرای نمای همزمان با سفت‌کاری و ... است. دیوارهای دو جداره نیاز به یک فاصله و جداره با ابعاد مناسب هستند . حداقل فاصله دو جداره ‌باید 50 میلی متر باشد . نکته قابل توجه در دیوارها، هوابندی اتصالات دیوار با سقف و کف و نیز اطراف پنجره‌ها و درها است که با این عمل امکان نفوذ هوا ازداخل یا خارج از بین ‌می‌رود.

امکان استفاده از نازک‌کاری خشک که اخیراً مصالح آن در داخل کشور نیز تولید ‌می‌شود ‌می‌تواند ضمن فراهم ساختن مزیت‌های فراوان در جلوگیری از اتلاف انرژی نیز مؤثر باشد

کف

حدود20 درصد، اتلاف انرژی از کف متصل به هوای آزاد صورت ‌می‌گیرد. به منظور تقلیل این میزان اتلاف حرارت نیاز به عایق حرارتی به ضخامت 50 میلی‌متر است. در چنین شرایطی اجرای سقف کاذب به منظور پوشش عایق‌بندی الزا‌می‌است.

تبادل حر ارت از طریق کف متصل به زمین بستگی به اندازه و شکل کف و نسبت به شرایط زمین زیرکف متفاوت خواهد بود . در بعضی شرایط موجود عایق‌کاری حرارتی به ضخامت 50 میلی‌متر می تواند از جهات مختلف مفید باشد.

در کف طبقات باید ضمن سبک بودن کف که در مقاوم‌سازی ساختمان در مقابل زلزله نقش عمده‌ای را دارا است ضخامت و جزئیات کف را به گونه‌ای در نظر گرفت که تبادل حرارتی از این طریق به حداقل برسد.

کاربرد لوله‌های مختلف در کف مضرات بسیاری را دارا است که از مهمترین آنها کاهش عمر مفید ساختمان، سنگین شدن سقف و ضعیف شدن ساختمان در مقابل زلزله وعدم امکان ایجاد شرایط تقلیل تبادل حرارت است.

بام

با توجه به اتلاف حدود 26 % حرارت از بام، عایق‌بندی انواع بام‌ها ‌می‌تواند در بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان علی‌الخصوص در فصل زمستان بسیار مؤثر باشد . عایق‌بندی سقف‌های شیب‌‌دار هم ‌می‌تواند در امتداد سقف شیب‌دار صورت گیرد و هم بر روی سقف کاذب.

بازشوها

در بازشوهای پنجره استفاده از پنجره‌های دو جداره ‌می‌تواند در جلوگیری از اتلاف حرارتی بسیار مؤثر باشد . پنجره‌های دوجداره با 20 میلی‌متر فاصله جداره‌ها مورد نظر است . نکته قابل توجه در مورد اینگونه پنجره‌ها، فاصله دو جداره، کیفیت پروفیل پنجره و تکنیک‌های مورد استفاده در جداره‌های پنجره از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است.

استفاده از نور طبیعی و آسایش دید

استفاده بهینه از نور طبیعی به خصوص در فضاهایی که در طول روز بیشتر مورد استفاده قرار ‌می‌گیرند، سهم به سزایی در بهینه کردن مصرف انرژی، آسایش دید و رفاه ساکنین را دارد .

چنین استراتژی شامل امکان استفاده از گرما و یا کوران در حفظ انرژی موجود و صرفه جویی در مصرف انرژی که با جایگزینی نور مصنوعی صورت می گیرد، شده و امکان داشتن دید و منظر مناسب را نیز فراهم ‌می‌سازد. آسایش دید عامل تعیین کننده در نیاز به روشنایی است. استفاده از نور طبیعی در کلیه انواع ساختمان‌ها ضروری است، ضمن اینکه امکان استفاده از نور مصنوعی نیز ‌باید فراهم باشد . نورگیری طبیعی مناسب مقوله‌ای است که در اولین اقدام‌های طراحی معماری ساختمان ‌باید مدنظر طراحی و معمار باشد.

نشریه پنجره ایرانیان، سال پنجم ، شماره 56 ، خردادماه 1391