فهرست مطالب
بررسی فرم پوسته‌های ساختمان در رابطه با سیاست سایه‌اندازی
صنعت ساختمان‌سازی یکی از مهم‌ترین حوزه‌های تأثیرگذار بر مصرف انرژی و مسائل زیست‌محیطی است. به همین دلیل، طی دهه‌های اخیر آیین‌نامه‌ها، استانداردها و برنامه‌های متعددی با هدف کاهش مصرف انرژی، افزایش بهره‌وری ساختمان‌ها و حرکت به سمت معماری پایدار تدوین شده‌اند. ساختمان‌های صفرانرژی و ساختمان‌های کم‌مصرف از مهم‌ترین نتایج این رویکرد به شمار می‌روند.
یکی از راهکارهای مؤثر در طراحی معماری پایدار، کنترل تابش خورشید و سایه‌اندازی بر پوسته ساختمان است. طراحی صحیح سایه می‌تواند میزان نفوذ تابش خورشید به ساختمان را کنترل کرده و از این طریق بر پارامترهایی مانند بار حرارتی، مصرف انرژی سرمایشی، کیفیت نور روز و آسایش حرارتی فضاهای داخلی تأثیر بگذارد.
به‌طور کلی، سایه‌اندازی بر پوسته‌های خارجی ساختمان را می‌توان به سه روش اصلی انجام داد:
- سایه‌اندازی از طریق موانع و ساختمان‌های پیرامونی؛
- طراحی فرم پوسته ساختمان به‌گونه‌ای که میزان دریافت تابش و سایه‌اندازی را کنترل کند؛
- استفاده از سایه‌بان‌های خارجی.
در این مقاله تمرکز اصلی بر روش دوم، یعنی طراحی فرم پوسته ساختمان بر اساس تابش خورشید و سیاست سایه‌اندازی است.
طراحی فرم پوسته ساختمان بر اساس تابش خورشید
یکی از راهکارهای کنترل تابش در معماری، طراحی فرم پوسته خارجی ساختمان متناسب با میزان دریافت یا عدم دریافت تابش خورشید است.
این رویکرد می‌تواند به شکل‌گیری انواع مختلفی از فرم‌های معماری از جمله موارد زیر منجر شود:
- پوسته‌های خودسایه‌انداز یا Self-Shading Envelopes
- پوسته‌های خورشیدی یا Solar Envelopes
- حجم خورشیدی یا Solar Volume
- فن خورشیدی یا Solar Fan
طراحی این فرم‌ها معمولاً بر اساس موقعیت خورشید و زاویه برش خورشیدی یا Cut-off Angle انجام می‌شود.
در چنین رویکردهایی، طراح می‌تواند هندسه ساختمان را به‌گونه‌ای شکل دهد که نماها در بازه زمانی مشخصی بر روی خود سایه ایجاد کنند، در معرض تابش مستقیم قرار گیرند یا از ایجاد سایه نامطلوب بر ساختمان‌ها و فضاهای اطراف جلوگیری شود.
در بسیاری از این روش‌ها، پوسته ساختمان به‌صورت سطوح شیب‌دار یا مورب شکل می‌گیرد. اگرچه این فرم‌ها می‌توانند از نظر کنترل تابش مؤثر باشند، اما در برخی پروژه‌ها محدودیت‌های معماری و اجرایی ایجاد می‌کنند.
این مسئله به‌خصوص در ساختمان‌های خودسایه‌انداز اهمیت بیشتری دارد؛ زیرا دستیابی به سایه کافی ممکن است به ایجاد دیوارهایی با شیب زیاد منجر شود. به همین دلیل، استفاده هم‌زمان از فرم مناسب ساختمان و سایه‌بان‌های خارجی می‌تواند راهکار منطقی‌تری باشد و از ایجاد شیب‌های بیش از حد در پوسته جلوگیری کند.
پوسته خودسایه‌انداز
پوسته خودسایه‌انداز به فرمی از پوسته ساختمان گفته می‌شود که هندسه آن به‌گونه‌ای طراحی شده است که بخش‌هایی از ساختمان در زمان‌های مشخص توسط قسمت‌های دیگر همان ساختمان در سایه قرار گیرند.
در این روش، خود فرم معماری نقش یک سایه‌بان را ایفا میکند.
کاپلوتو (Capeluto) در سال ۲۰۰۳ از ایده پوسته گردآورنده خورشیدی برای تولید پوسته‌های خودسایه‌انداز استفاده کرد. در این تحقیق، تأثیر هندسه پوسته‌های خودسایه‌انداز بر عملکرد انرژی ساختمان با عملکرد پوسته‌های عمودی مقایسه شد.
نتایج این مطالعه نشان داد که استفاده از پوسته‌های خودسایه‌انداز می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد انرژی ساختمان داشته باشد. بر اساس محاسبات این پژوهش، استفاده از نماهای خودسایه‌انداز در جبهه‌های شرقی و غربی توانست مصرف انرژی سرمایشی را حدود ۳۵ درصد کاهش دهد. این مقدار در جبهه جنوبی حدود ۳۰ درصد گزارش شد.
همچنین استفاده هم‌زمان از تجهیزات کنترل تابش مانند کرکره‌های داخلی می‌تواند عملکرد حرارتی ساختمان را بیش از این بهبود دهد.
پوسته خورشیدی چیست؟
پوسته خورشیدی یا Solar Envelope یک محدوده هندسی است که بر اساس مسیر حرکت خورشید و شرایط تابش طراحی می‌شود.
دو معیار اصلی در طراحی این پوسته اهمیت دارند:
نخست، کنترل دسترسی ساختمان و محیط پیرامون به تابش خورشید بر اساس مطلوب یا نامطلوب بودن تابش از نظر آسایش حرارتی؛ و دوم، حفظ دید مناسب و بدون مانع به گنبد آسمان.
به همین دلیل، هندسه پوسته خورشیدی می‌تواند در پروژه‌های معماری و طراحی شهری برای کنترل ارتفاع، فرم و جهت‌گیری ساختمان‌ها مورد استفاده قرار گیرد.
نمونه‌ای از شکل‌گیری پوسته خورشیدی با هدف کنترل دسترسی به تابش خورشید.
حجم خورشیدی چیست؟
حجم خورشیدی یا Solar Volume محدوده مجاز ساخت‌وساز را به‌گونه‌ای تعیین میکند که ساختمان جدید مانع دسترسی سایر ساختمان‌ها یا فضاهای باز به تابش خورشید در یک دوره مشخص از سال نشود.
این روش می‌تواند امکان دستیابی به یک بافت شهری نسبتاً متراکم را فراهم کند، بدون آنکه دسترسی ضروری ساختمان‌ها به تابش خورشید از بین برود.
از این نظر، حجم خورشیدی تنها یک ابزار طراحی در مقیاس ساختمان نیست، بلکه می‌تواند به‌عنوان روشی برای برنامه‌ریزی و طراحی شهری نیز مورد استفاده قرار گیرد.
حجم خورشیدی، محدوده‌ای را مشخص میکند که ساخت‌وساز در داخل آن مانع دسترسی ضروری محیط پیرامون به تابش خورشید نمی‌شود.
ساختمان‌هایی که در محدوده پوسته خورشیدی طراحی می‌شوند، در زمان‌های بحرانی نیاز به آفتاب، سایه نامطلوبی بر محیط اطراف ایجاد نمی‌کنند. این روش می‌تواند به‌عنوان یکی از تکنیک‌های منطقه‌بندی در بافت‌های متراکم شهری مورد استفاده قرار گیرد.
بلاک خورشیدی مسکونی
بلاک خورشیدی مسکونی یا Solar Residential Block یک فرم عمومی برای طراحی ساختمان‌های کارآمد از نظر انرژی در مقیاس یک بلوک شهری ارائه میکند.
هندسه این بلاک بر اساس زاویه برش خورشیدی شکل می‌گیرد و هدف آن ایجاد تعادل میان تراکم ساختمانی، دسترسی به نور خورشید و عملکرد انرژی ساختمان‌ها است.
طراحی پوسته خورشیدی بر مبنای دسترسی فضاهای شهری به تابش آفتاب و اولویت دریافت تابش کافی در بلاک‌های مسکونی برای گرمایش غیرفعال در فصل زمستان.
پوسته بلاک خورشیدی
پوسته بلاک خورشیدی یا Solar Block Envelope ترکیبی از مفهوم پوسته خورشیدی و بلاک خورشیدی مسکونی است.
این سیستم می‌تواند با شرایط مختلف اقلیمی، هندسه زمین و الگوهای توسعه شهری سازگار شود.
هدف اصلی آن ایجاد تعادل میان تراکم شهری، دسترسی به تابش خورشید و عملکرد انرژی ساختمان‌ها است.
نمونه‌ای از پوسته بلاک خورشیدی که در آن فرم قابل‌ساخت بر اساس محدودیت‌های دسترسی به تابش خورشید تعیین می‌شود.
پوسته گردآورنده خورشیدی
پوسته گردآورنده خورشیدی پایین‌ترین مکان هندسی ممکن برای قرارگیری پنجره‌ها و کلکتورهای خورشیدی روی نماهای ساختمان را مشخص میکند؛ به‌گونه‌ای که این سطوح در بازه زمانی موردنظر در فصل زمستان در معرض تابش خورشید قرار داشته باشند و سایه ساختمان‌های اطراف بر روی آن‌ها نیفتد.
در واقع، هدف این روش تضمین دسترسی بخش‌های مشخصی از نمای ساختمان به تابش مستقیم خورشید است.
پوسته گردآورنده خورشیدی می‌تواند موقعیت مناسب سطوح دریافت‌کننده تابش، پنجره‌ها و تجهیزات خورشیدی را مشخص کند.
پوسته خودسایه‌انداز
در مقابل پوسته گردآورنده خورشیدی، در یک پوسته خودسایه‌انداز هدف اصلی محافظت قسمت‌هایی از ساختمان در برابر تابش مستقیم خورشید است.
در این نوع پوسته، فرم ساختمان به‌گونه‌ای طراحی می‌شود که در مدت زمان موردنظر، بخش‌هایی از نما توسط بام یا سایر اجزای ساختمان در سایه قرار گیرند.
نمونه‌ای از شکل‌گیری پوسته خودسایه‌انداز بر اساس موقعیت خورشید و هندسه ساختمان.
تأثیر دیوارهای شیب‌دار بر کاهش بار حرارتی
مطالعات متعددی تأثیر دیوارهای شیب‌دار و پوسته‌های خودسایه‌انداز را بر عملکرد حرارتی ساختمان بررسی کرده‌اند.
کاندار (Kandar) و همکاران در سال ۲۰۱۹ تأثیر استراتژی دیوار شیب‌دار خودسایه‌انداز را بر میزان کسب حرارت در یک ساختمان اداری مورد ارزیابی قرار دادند.
نتایج این مطالعه نشان داد که استفاده از دیوار شیب‌دار می‌تواند میزان انتقال حرارت از پوسته را تا حدود ۷۱.۱ درصد کاهش دهد.
بک‌محمدی و همکاران نیز در سال ۲۰۲۰ تأثیر زاویه شیب یک دیوار خارجی را بر مصرف انرژی یک کلاس درس بررسی کردند. در این مطالعه، میزان صرفه‌جویی انرژی در بهینه‌ترین زاویه دیوار حدود ۴۷.۹۲ درصد گزارش شد.
این مطالعات نشان می‌دهند که حتی تغییر هندسه و زاویه یک سطح خارجی می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر میزان دریافت تابش و عملکرد حرارتی ساختمان داشته باشد.
محدودیت‌های استفاده از پوسته‌های خورشیدی
مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که پوسته‌های خورشیدی را می‌توان متناسب با اهداف و استراتژی‌های مختلف طراحی کرد. از این نظر، این پوسته‌ها در مرز میان طراحی معماری و طراحی شهری قرار می‌گیرند.
با وجود مزایای این روش‌ها، استفاده از پوسته‌های خورشیدی در تمام پروژه‌ها به سادگی امکان‌پذیر نیست.
ضوابط شهری، محدودیت ارتفاع، سطح اشغال، شکل زمین، همجواری ساختمان‌ها و نیازهای عملکردی پروژه می‌توانند آزادی طراح در شکل‌دهی پوسته خورشیدی را محدود کنند.
این مسئله به‌ویژه در شهرهایی که ساخت‌وساز تحت ضوابط دقیق شهری انجام می‌شود اهمیت بیشتری دارد. برای مثال، محدودیت‌های موجود در برخی شهرهای ایران، از جمله شیراز، ممکن است امکان شکل‌دهی آزاد به پوسته‌های شیب‌دار و فرم‌های خورشیدی را کاهش دهد.
از سوی دیگر، زمانی که هدف اصلی طراحی، محافظت ساختمان در برابر تابش شدید خورشید باشد، استفاده از فرم ساختمان به تنهایی همیشه پاسخ‌گوی نیاز پروژه نیست.
در چنین شرایطی، ترکیب فرم مناسب پوسته با سایه‌بان‌های خارجی می‌تواند راهکار مؤثرتری برای کنترل تابش باشد.
بهینه‌سازی فرم ساختمان بر اساس عملکرد حرارتی
علاوه بر روش‌های هندسی مبتنی بر زوایای خورشیدی، امروزه روش‌های پارامتریک و الگوریتم‌های بهینه‌سازی نیز برای دستیابی به فرم مناسب ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در این روش‌ها، فرم ساختمان ثابت نیست و بخش‌های مختلف آن می‌توانند به‌عنوان متغیرهای طراحی تعریف شوند.
فرم ساختمان در یک چهارضلعی محاط شده است. با استفاده از روش‌های بهینه‌سازی، مناسب‌ترین موقعیت هر رأس و در نتیجه فرم بهینه ساختمان از نظر بار حرارتی به دست می‌آید.
به‌عنوان مثال، می‌توان موقعیت گوشه‌های یک ساختمان را در محدوده مشخصی تغییر داد و سپس با استفاده از شبیه‌سازی انرژی، عملکرد هر فرم را ارزیابی کرد.
الگوریتم بهینه‌سازی در نهایت می‌تواند فرمی را انتخاب کند که کمترین بار حرارتی یا بهترین عملکرد انرژی را داشته باشد.
بهینه‌سازی پارامتریک پوسته ساختمان
محققان دیگری نیز تلاش کرده‌اند با استفاده از روش‌های نرم‌افزاری و بهینه‌سازی چندهدفه، مناسب‌ترین فرم ساختمان را از نظر مصرف انرژی پیدا کنند.
چن (Chen) و همکاران برای دستیابی به فرم مناسب پوسته، یک مدل پارامتریک طراحی کردند که در آن هر یک از رأس‌های پلان ساختمان می‌توانستند در محدوده مشخصی در دو بعد X و Y جابه‌جا شوند.
در نتیجه، پس از طی فرایند بهینه‌سازی، هر یک از نماهای ساختمان می‌توانست در جهت جغرافیایی متفاوت و بهینه‌تری قرار گیرد.
هر هشت رأس یک ساختمان چهارضلعی می‌توانند به‌صورت مستقل در سه بعد X، Y و Z و در یک محدوده مشخص تغییر مکان دهند.
ویبل (Waibel) و همکاران نیز رویکرد مشابهی را دنبال کردند، با این تفاوت که در مدل آن‌ها هر هشت رأس یک ساختمان چهارضلعی می‌توانست به‌صورت مستقل در سه بعد X، Y و Z حرکت کند.
در این روش، نتیجه نهایی صرفاً تغییر جهت قرارگیری نماها نیست. هر سطح می‌تواند علاوه بر جهت متفاوت، دارای شیب و هندسه ویژه‌ای نیز باشد.
در پایان روند بهینه‌سازی، یک فرم منحصربه‌فرد به دست می‌آید که هندسه آن بر اساس معیارهای تعریف‌شده در شبیه‌سازی شکل گرفته و می‌تواند دارای خودسایه‌اندازی کنترل‌شده باشد.
ارتباط فرم ساختمان، سایه‌اندازی و مصرف انرژی
مجموع مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که فرم ساختمان می‌تواند نقش مستقیمی در نحوه دریافت تابش خورشید و در نتیجه عملکرد حرارتی ساختمان داشته باشد.
با تغییر پارامترهایی مانند:
- جهت‌گیری ساختمان
- شیب دیوارها
- ارتفاع قسمت‌های مختلف حجم
- موقعیت رأس‌ها
- عمق فرورفتگی‌ها
- فرم بام
- نسبت سطوح در معرض تابش
می‌توان میزان سایه‌اندازی و دریافت انرژی خورشیدی را کنترل کرد.
در معماری معاصر، این فرایند می‌تواند با استفاده از طراحی پارامتریک، شبیه‌سازی تابش خورشیدی و الگوریتم‌های بهینه‌سازی انجام شود.
جمع‌بندی
پوسته‌های خورشیدی، حجم‌های خورشیدی و فرم‌های خودسایه‌انداز از مهم‌ترین راهکارهای هندسی برای کنترل تابش خورشید در معماری و طراحی شهری محسوب می‌شوند.
این روش‌ها می‌توانند با کنترل میزان دریافت تابش، کاهش بار حرارتی و جلوگیری از ایجاد سایه نامطلوب بر ساختمان‌های مجاور، به بهبود عملکرد انرژی ساختمان کمک کنند.
با این حال، طراحی پوسته ساختمان تنها یکی از ابزارهای کنترل تابش است. ضوابط شهری، محدودیت‌های اجرایی، شکل زمین، عملکرد ساختمان و شرایط اقلیمی می‌توانند آزادی طراح در شکل‌دهی فرم را محدود کنند.
به همین دلیل، در بسیاری از پروژه‌ها بهترین نتیجه از طریق ترکیب طراحی فرم ساختمان، جهت‌گیری مناسب، سایه‌اندازی طبیعی و استفاده از سایه‌بان‌های خارجی حاصل می‌شود.
همچنین توسعه روش‌های طراحی پارامتریک و شبیه‌سازی انرژی این امکان را فراهم کرده است که فرم ساختمان دیگر صرفاً بر اساس ملاحظات بصری طراحی نشود، بلکه عملکرد حرارتی، میزان تابش و مصرف انرژی نیز به‌عنوان بخشی از فرایند شکل‌گیری معماری در نظر گرفته شوند.
منابع علمی ۸ منبع
On the use of ‘solar volume’ for determining the urban fabric
Solar Energy · Vol. 70(3) · pp. 275–280
The Solar Envelope: Its Meaning for Energy and Buildings
Energy and Buildings · Vol. 35(1) · pp. 15–25
The Residential Solar Block Envelope: A Method for Enabling the Development of Compact Urban
Blocks with High Passive Solar Potential
Energy and Buildings · Vol. 99 · pp. 303–312
Energy Performance of the Self-Shading Building Envelope
Energy and Buildings · Vol. 35(3) · pp. 327–336
DOI
↗
Influence of Inclined Wall Self-Shading Strategy on Office Building Heat Gain and Energy
Performance in Hot Humid Climate of Malaysia
Heliyon · Vol. 5(7) · e02077
DOI
↗
Optimization of the Design of Primary School Classrooms in Terms of Energy and Daylight
Performance
Energy Reports · Vol. 6 · pp. 1590–1607
DOI
↗
Multi-objective Optimisation of Building Form, Envelope and Cooling System for Improved Building
Energy Performance
Automation in Construction · Vol. 94 · pp. 449–457
Co-simulation and Optimization of Building Geometry and Multi-energy Systems
Applied Energy · Vol. 242 · pp. 1661–1682
