طراحی سایبان هوشمند برای ساختمان اداری جهت کنترل ورود نور مستقیم خورشید مبتنی بر کاهش بار سرمایشی با الگوبردای از گره-های ایرانی اسلامی
محورهای موضوعی :
مهدی شیخی نشلجي
1
(پژوهشگر دکتری معماری، دانشکده معماری و شهرسازی، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران.)
فاطمه مهدیزاده سراج
2
(استاد گروه معماری، دانشکده معماری و شهرسازی، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران (نویسنده مسئول).)
کلید واژه: پوسته هوشمند, پوسته پویا, نمای ساختمان, گره ایرانی, نور خورشید,
چکیده مقاله :
بهره¬برداری از ساختمان¬ها تقریباً به یک سوم مصرف جهانی انرژی و سهم مشابهی در انتشار گازهای گلخانه¬ای کمک می¬کند. در ايران انرژي مصرفي ساختمان¬ها بيش از 40% كل انرژي مصرفي كشور مي¬باشد. امروزه محيط زيست، صرفه¬جويي در مصرف سوخت¬هاي فسيلي و توسعه پايدار به مباحث بسيار مهم و رايج در سطح بين¬المللي تبديل شده¬اند و پوسته ساختمان به عنوان بیرونی¬ترین لایه ساختمان که بیشتر با عوامل محیطی در ارتباط است، نقش مهمی را ایفا می¬کند. این مقاله به طراحی و بررسی کارایی سایبان¬های هوشمندی می¬پردازد که از نفوذ ناخواسته تابش خورشید در ماه¬های گرم سال جلوگیری کرده و در ماه¬های سرد سال اجازه ورود نور را به داخل فضا می¬دهد و از طرفی هم¬زمان نگاه زیباشناسانه به این سایبان¬ها دارد که از هندسه ایرانی برای رسیدن به این زیبایی استفاده کرده است. شبیه¬سازی کامپیوتری و آنالیز توسط نرم¬افزار و استفاده از منابع کتابخانه¬ای روش استفاده شده می¬باشد که در این راستا یک نمونه آنالیز به ابعاد 4 متر عرض، 6 متر طول و ارتفاع 2/3 متر به¬عنوان یک بخش از فضای اداری برای سایبان¬ها طراحی شده میزان تأثیر آن در روشنایی فضای داخلی در فصل گرم سال، مورد آنالیز در نرم¬افزار VELUX Daylight Visualizer قرار گرفت. این سایبان¬ها با توجه به چرخش خورشید حرکت کرده و تغییر جهت می¬دهند. آنالیز نشان می¬دهد که در مواقع گرم سال این سایبان¬ها می¬توانند میزان روشنایی فضای داخلی را به میزان یک سوم کاهش دهند و باعث کاهش بارسرمایشی گردند و میزان شدت روشنایی (لوکس) را نزدیک به استاندارد فضای اداری (300 لوکس) نگه دارند و از طرفی در فصل سرد سال با باز شدن این سایبان¬ها اجازه ورود نور را به داخل می¬دهند.
The utilization of buildings contributes to approximately one-third of global energy consumption and a similar share of greenhouse gas emissions. In Iran, the buildings' energy consumption is more than 40% of the total energy consumption. Meanwhile, the environment, saving on fossil fuels, and sustainable development have become very important and common topics in the international arena. So, the building shell plays an important role as the outermost layer of the building, which is mostly connected to environmental factors. This article designs and evaluates the efficiency of the smart shading that prevents unwanted penetration of sunlight in the warm months of the year and allows light to enter the space in the cold months of the year. With the glance aesthetic view, Iranian geometry has been used to create these shading to achieve this beauty. Computer simulation and analysis and library resources are the methods used in this study. In this regard, an analysis sample with dimensions of 4 meters wide, 6 meters long, and 3.2 meters high as a part of office space for the shading were designed. And its effect on indoor lighting in the warm season was analyzed in VELUX Daylight Visualizer software. These shadings move and change direction according to the rotation of the sun. The analysis shows that in hot weather of the year, these shadings can reduce the brightness of the interior space by one-third and reduce the cooling load and keep the light intensity (lux) close to the standard of office space (300 lux). Furthermore, in the cold season of the year, the opening of these shadings is allowed light to enter.
1. اعرابی هج، ا. (1393). طراحي پوسته هوشمند با رويكرد پايداري و الهام از طبيعت (ساختمان اداري تجاري در تهران(. رساله براي دريافت درجه كارشناسي ارشد در رشته تكنولوژي معماري و پردیس معماری دانشگاه تهران.
2. پیرنیا، م. (1388). آشنایی با معماری اسلامی ایران. تهران: انتشارات سروش دانش.
3. EU. (2010). Directive 2010/31/EU of the European Parliament and of the Council on the Energy Performance of Buildings. Off. J. Eur. Union 153 (L), 13–35.
4. Professor Milne, M. (2018). Retrieved from energy-design: http://www.energy-design-tools.aud.ucla.edu/
5. Roy, N. (2018). Retrieved from velux: https://www.velux.com/article/2016/daylight-visualizer
6. The American Heritage, Science Dictionary. (2002). Houghton Mifflin.
7. Yoon, N., Min, D., & Heo, Y. (2022). Dynamic compartmentalization of double-skin façade for an office building with single-sided ventilation. Building and Environment, 208, 108624.
8. Grobman, Y. J., & Yekutiel, T. P. (2013). Autonomous movement of kinetic cladding components in building facades. In ICoRD'13 (pp. 1051-1061). Springer, India.
9. Elzeyadi, I. (2017). The impacts of dynamic façade shading typologies on building energy performance and occupant’s multi-comfort. Architectural Science Review, 60(4), 316-324.
10. Hosseini, S. M., Mohammadi, M., Rosemann, A., Schröder, T., & Lichtenberg, J. (2019). A morphological approach for kinetic façade design process to improve visual and thermal comfort. Building and Environment, 153, 186-204.
11. Feridonzadeh, H., & Cyrus Sabri, R. (2014). Window Design in Ardabil Traditional Houses for Conservation of Energy. Armanshahr Architecture & Urban Development, 7(12), 1-11.
12. Haghshenas, M., Bemanian, M. R., & Ghiabaklou, Z. (2016). Analysis the Criteria of Solar Trasmittance from Stained Glasses Used in Some of the Orosis from Safavid Dynasty. Journal of Color Science and Technology, 10(1), 55-64.
13. Wikipedia, the free encyclopedia. (2022). Retrieved from Autodesk_Revit. https://en.wikipedia.org/wiki/
طراحی سایبان هوشمند برای ساختمان اداری جهت کنترل ورود نور مستقیم خورشید مبتنی بر کاهش بار سرمایشی با الگوبردای از گرههای ایرانی اسلامی
مهدی شیخی نشلجی1، فاطمه مهدیزاده سراج* 2
1-پژوهشگر دکتری معماری، دانشکده معماری و شهرسازی، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران.
2-استاد گروه معماری، دانشکده معماری و شهرسازی، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران (نویسنده مسئول).
mehdizadeh@iust.ac.ir
تاريخ دريافت: [9/8/1400] تاريخ پذيرش: [7/2/1401]
چکیده
بهرهبرداری از ساختمانها تقریباً به یک سوم مصرف جهانی انرژی و سهم مشابهی در انتشار گازهای گلخانهای کمک میکند. در ايران انرژي مصرفي ساختمانها بيش از 40% كل انرژي مصرفي كشور ميباشد. امروزه محيط زيست، صرفهجويي در مصرف سوختهاي فسيلي و توسعه پايدار به مباحث بسيار مهم و رايج در سطح بينالمللي تبديل شدهاند و پوسته ساختمان به عنوان بیرونیترین لایه ساختمان که بیشتر با عوامل محیطی در ارتباط است، نقش مهمی را ایفا میکند. این مقاله به طراحی و بررسی کارایی سایبانهای هوشمندی میپردازد که از نفوذ ناخواسته تابش خورشید در ماههای گرم سال جلوگیری کرده و در ماههای سرد سال اجازه ورود نور را به داخل فضا میدهد و از طرفی همزمان نگاه زیباشناسانه به این سایبانها دارد که از هندسه ایرانی برای رسیدن به این زیبایی استفاده کرده است. شبیهسازی کامپیوتری و آنالیز توسط نرمافزار و استفاده از منابع کتابخانهای روش استفاده شده میباشد که در این راستا یک نمونه آنالیز به ابعاد 4 متر عرض، 6 متر طول و ارتفاع 2/3 متر بهعنوان یک بخش از فضای اداری برای سایبانها طراحی شده میزان تأثیر آن در روشنایی فضای داخلی در فصل گرم سال، مورد آنالیز در نرمافزار VELUX Daylight Visualizer قرار گرفت. این سایبانها با توجه به چرخش خورشید حرکت کرده و تغییر جهت میدهند. آنالیز نشان میدهد که در مواقع گرم سال این سایبانها میتوانند میزان روشنایی فضای داخلی را به میزان یک سوم کاهش دهند و باعث کاهش بارسرمایشی گردند و میزان شدت روشنایی (لوکس) را نزدیک به استاندارد فضای اداری (300 لوکس) نگه دارند و از طرفی در فصل سرد سال با باز شدن این سایبانها اجازه ورود نور را به داخل میدهند.
واژگان کلیدی: پوسته هوشمند، پوسته پویا، نمای ساختمان، گره ایرانی، نور خورشید
مفهوم نمای دو پوسته (DSF) و هوشمند به دلیل مزایای زیست محیطی آن از نظر عایق حرارتی و صوتی، تهویه، طراحی معماری و صرفهجویی در انرژی بالقوه توجه متخصصان ساختمان را به خود جلب کرده است. به عنوان یک سیستم پوشش ساختمان شامل دو لایه نما، یک DSF میتواند به روشهای مختلفی از دیدگاه انرژی ساختمان، بهویژه انرژی مورد نیاز برای گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع (HVAC) طراحی و کار کند. یک DSF میتواند مقدار انرژی مورد نیاز برای گرمایش را کاهش دهد ((Yoon, Min, Heo 2022.
بهرهبرداری از ساختمانها تقریباً به یک سوم مصرف جهانی انرژی و سهم مشابهی در انتشار گازهای گلخانه ای کمک میکند. استفاده از استراتژی‌های غیرفعال در مراحل اولیه طراحی، با استفاده از توابع هوشمند، منجر به بهبود راحتی سرنشینان و کاهش مصرف انرژی با کنترل شدت تابش خورشیدی میشود. (Hosseini, Mohammadi, Rosemann, Schröder & Lichtenberg, 2019)
در دنیای معاصر با استفاده از برخی مصالح و فناوری هوشمند به تدریج این امکان درحال شکلگیری است که نمای ساختمان، همانند پوست یا پوستهای هوشمند طراحی یا اجرا گردد تا بتواند در برابر نور، متناسب با شرایط مشخص شده واکنش نشان دهد. اين مقاله پژوهشي در زمينه دستيابي به راهكارهاي طراحي پوستههاي هوشمند و پاسخگو با عملکرد کنترل نور خورشید با الهام از گرههای هندسی معماری ایرانی با هدف كاهش مصرف انرژي، بهرهبرداري از انرژيهاي پاك و تجديدپذير، كنترل شرايط محيطي در فضاهاي داخلي ساختمان و فراهم كردن شرايط آسايش انسان میباشد.
بهرهبرداري بيرويه از مواهب خدادادي كرهي زمين در قرن گذشته، كره خاكي را با معضلات جدي زيست محيطي مواجه ساخته، كه عوارض و تبعات آن به مرور و به خصوص در سالهاي اخير به وضوح عيان گرديده است. از همين روي، امروزه محيط زيست، صرفهجويي در مصرف سوختهاي فسيلي و توسعه پايدار به مباحث بسيار مهم و رايج در سطح بينالمللي تبديل شدهاند .باتوجه به گزارشهاي شاخص عملكرد زيست محيطي، ايران در سال 2012 در ميان 132 كشور جهان، ردهي 114را از نظر شاخص عملكرد زيست محيطي به خود اختصاص داده است. اين در شرايطي است كه در سال 2008، در رده 67 و در سال 2010 در رده 78 قرار داشته است. در واقع كشور ما از نظر شرايط زيست محيطي روند نزولي را طي نموده و وضعيت نگرانكنندهتري را نسبت به گذشته به خود گرفته است .يكي از مهمترين عوامل آلودهكننده محيط زيست در كشور ما ايران مصرف انرژيهاي فسيلي در ساختمانها براي گرمايش، سرمايش و تأمين روشنايي فضاهاست. در ايران انرژي مصرفي ساختمانها بيش از 40% كل انرژي مصرفي كشور ميباشد. اين در حالي است كه ميانگين مصرف انرژي ساختمانها در كشور ما حدوداً چهار برابر ميانگين كشورهاي اروپايي بوده و بيش از 98 درصد اين انرژي از محصولات نفتي و گازي تأمين ميگردد. همچنين بخش ساختمان بيش از 26 درصد از انتشار دي اكسيد كربن را به خود اختصاص ميدهد. باتوجه به اين موارد، اهميت شناخت روشهاي نوين معماري كه سعي در استفاده بهينه از انرژي و منابع طبيعي داشته و چند سالي است در كشورهاي پيشرفته به عنوان اصول مهم در ساختمانسازي مورد توجه هستند، در كشور ما نمايانتر شده است (اعرابی دهج، 1393).
اجزای مدولار پاسخگو در نماها بهطور فزایندهای برای بهبود سازگاری آنها با تغییرات مداوم محیطی استفاده میشود. به عنوان مثال، اجزای پوشش جنبشی (Grobman & Yekutiel, 2013) و صفحه‌های پارامتریک سه بعدی (Elzeyadi, 2017) عملکرد بالایی را در برآوردن عملکرد نور روز و نیازهای آسایش بصری نشان میدهند. المان‌های مدولار پاسخگو (تطبیقی) را می‌توان با تغییر مداوم در نما با نور روز مناسب وفق داد (Hosseini & et al, 2019).
هدف از انجام اين تحقيق اين است كه با بررسي تكنولوژيهاي نوين و هوشمند ساختمان مواد و مصالح جديد و با الگوبرداري از گرههای هندسی ایرانی اسلامی، به معيارهايي براي طراحي ساختمانهايي دست يافته كه پايدار و تطبيقپذير با شرايط محيطي بوده و اهداف زير را بر آورده سازند:
1. پایین آوردن مصرف انرژیهای فسیلی و کاهش گازهای گلخانهای
2. بهبود کیفیت زندگی
3. بهرهوری بیشتر از انرژی نور خورشید
4. کنترل اکتساب گرمای ناخواسته نور خورشید
5. افزايش بهرهوري و بالابردن راندمان
6. افزایش آسایش ساکنان با ایجاد محیطی دلنشین
7. خلق نمایی ایرانی و زیبا با جدیدترین تکنولوژیها
1. نمای هوشمند با الگوبرداری از گرههای هندسی ایرانی چگونه نمایی است و آیا میتواند با کاهش مصرف انرژیهای تجدیدناپذیر و کنترل نورمستقیم خورشید پاسخگوی مناسبی به نیازهای انسانی باشد؟
2. وظیفه نمای هوشمند و پویا چیست؟
3. این پوسته هوشمند چه چیزی را میخواهد کنترل کند؟
4. فواید کنترل و هدایت نور مستقیم خورشید چیست؟
5. نحوه حرکت این نما هوشمند چگونه است؟
2- مرور مبانی نظری و پیشینه
در جهت پاسخ به زیبایی سایبانهای هوشمند و بومیسازی این تکنولوژی جدید در کشور ایران از پنجرههای ارسی معماری سنتی و گرههای هندسی و شیشههای رنگی به کار رفته در آنها در طراحی سایبان هوشمند استفاده کردیم. ارسی1 نامی است که بهطور عام به پنجرههای گرهچینی اطلاق میشود که درون آن شیشهای رنگی به کار رفته است. بعضی گمان کردهاند ارسی به پنجره اطلاق میشود که به تقلید از معماری روسی در ایران رواج یافته، در صورتی که نمونه جالبی از ارسی حتی پیش از آنکه معماری چشمگیری در روسیه پا گرفته باشد، در بناها و نقاشی دیده میشود (پیرنیا، 1388). پنجره ارسی بهعنوان یکی از اجزای تأثیرگذار پوشش ساختمان، میزان و شدت نور ورودی به فضای داخلی را کنترل میکند تا راحتی بصری و نور کافی روز را برای ساکنان فراهم کند. پنجره ارسی با شیشههای رنگی تعادل کافی بین نفوذ نور روز و کاربران ایجاد میکند (Hosseini & et al, 2019). در سال‌های اخیر، پنجرههای ارسی و شیشههای رنگی از دیدگاه عملکرد نور روز از طریق روشهای کمی، تجربی و شبیهسازی مورد مطالعه قرار گرفته‌اند (Feridonzadeh& Cyrus Sabri, 2014; Haghshenas, Bemanian & Ghiabaklou, 2016).
سایبانهای طراحی شده در این پژوهش با نگاهی نو و ترکیب با تکنولوژی روز به صورت لوزیهایی هستند که روی رأسهای خود قابلیت 360 درجه چرخش دارند و حرکت خورشید را دنبال کرده و در فصول گرم از ورود گرمای ناخواسته تابش مستقیم خورشید جلوگیری میکنند و برای جلوگیری کاهش روشنایی فضای داخلی و در جهت بومیسازی و الگوبرداری از پنجرههای ارسی ایرانی در آنها از شیشههای رنگی با تناسبات ارسی استفاده شده است. روند کلی کار بهصورتی است که با حرکت خورشید در فصول گرم این سایبان از ورود تابش خورشید جلوگیری میکند و در فصول سرد اجازه ورود نور خورشید را خواهد داد و زمانی که همه این سایبانهای لوزی شکل در کنار هم بسته میشوند در نمای شهری ترکیب هندسه زیبایی را به وجود خواهند آورد که این اتفاق هم در شب هنگام و هم درهنگام ظهر که بسته میشوند، این شکل هندسی به وجود خواهد آمد.
شکل. 2. طرح سایبانهای طراحی شده در پژوهش به صورت بسته (سمت راست) و باز (سمت چپ)
شکل. 3. دیتیل استراکچر سایبان و معرفی اجزای آن (نگارنده)
سایبانهای معرفی شده دارایی رنگی روشن و هندسه لوزی شکل هستند که شیشههای رنگی در مرکز آنها به صورت شمسه کار شده که امکان عبور نور را به فضای داخل میدهند و هندسه شمسه را در فضای داخلی روی سطح ها به وجود میآورند.
سایبانها قابلیت چرخش 360 درجه روی رأسهای خود را خواهند داشت که باتوجه به جهت تابش خورشید و دمای فضای داخلی شروع به چرخش خواهند کرد و در طول روز شکلها و جهتهای متنوعی به شهر ارائه خواهند کرد.