رسم توضیحی۱- روند بررسی عملکرد حرارتی ساختمانهای خاکپناه
۱-۸-محدودیت ها
در ساختمانهای خاک پناه، رفتار خاک تعیین کننده رفتار حرارتی بنا است. همچنین ویژگی های فیزیکی متفاوت خاک تعیین کننده نحوهی انتقال حرارت پیرامون بنا و نحوه مصرف انرژی سرمایشی و گرمایشی میباشد. از طرف دیگر خاک هر منطقه نسبت به منطقه دیگر از کره ی زمین ویژگیهای متفاوتی دارد. چه بسا در سطح یک شهر و در قطعات متفاوت، خاکهای متفاوتی از لحاظ دانه بندی، رطوبت، چگالی و سایر پارامترهای فیزیکی تعیین کننده انتقال حرارت وجود داشته باشد. این موضوع یکی از عواملی است که در مسیر دستیابی به رفتار دقیق خاک، اخلال ایجاد می کند. در واقع تغییر پارامترهای فیزیکی خاک به منزلهی تغییر دمای هوای پیرامون یک بنا است که از اقلیمی به اقلیم دیگر متفاوت است. بنابر تمام عوامل ذکر شده، روند بررسی دقیق تغییر رفتار حرارتی ساختمان خاکپناه، با دستیابی به ویژگیهای فیزیکی دقیق بستر ساختمان بهدست می آید.
موضوع مهم دیگر که محدودیتی برای عملی شدن شبیه سازی خاک پیرامون بنا ایجاد می کند، شناساندن رفتار حرارتی خاک برای نرمافزارهای شبیهسازی انرژی است. ارتباط میان محاسبات انتقال حرارت زمین و ساختمانی که با آن ارتباط دارد یکی از چالش برانگیزترین روشهای محاسبات نرم افزاری است. غالب نرم افزارهای شبیهسازی انرژی معادلات هدایت حرارتی را به صورت تک بعدی حل مینمایند. در صورتیکه انتقال حرارتی در تودهی خاک زمین به صورت سهبعدی صورت میگیرد (Mazarrón & Cañas, 2012 ). شناساندن نحوه انتقال حرارت سه طرفهی خاک از طریق هدایت، یکی از چالشهایی است که پژوهشگران را وادار به ابتکار مدلهای متفاوت برای شناساندن ویژگی انتقال حرارتی خاک پیرامون بنا کرده است. لذا انتخاب صحیح روش شبیه سازی از جمله چالش هایی است که پژوهشگران در این موضوع بایستی آن را مدنظر قرار دهند.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
۱-۹- ساختار فصول رساله
رساله حاضر با هدف بررسی عملکرد حرارتی ساختمانهای خاکپناه در پنج فصل نگاشته شده است. فصل اول به شرح کلیات موضوع پرداخته است. در فصل دوم تحقیقات انجام شده و عوامل تاثیرگذار بر عملکرد حرارتی ساختمانهای خاکپناه شرح داده شده است. در این فصل علاوه بر واکاوی عوامل تاثیرگذار، مزایا و معایب این ساختمانها نیز به تفصیل بیان شده است. جهت مطالعات حرارتی این گونه ساختمانی در ابتدا بایستی عوامل اقلیمی و بستر طرح به خوبی شناخته شود. لذا فصل سوم به بررسی نمونه مورد مطالعه (شهر یزد) و مطالعه بستر طرح می پردازد. فصل چهارم نیز به شرایط انجام تحقیق و بررسی نرمافزار شبیه سازی آن می پردازد. همچنین مدل طرح و اعتبار سنجی آن در این فصل سنجیده می شود. در نهایت با توجه به الزامات و شرایط سنجیده شده مدل طرح با چهار عامل تاثیرگذار نوع خاک، نوع کاربری، جهتگیری و نرخ تهویه شبانه شبیه سازی میگردد. نتایج و گزارش این شبیه سازی ها به طور مفصل در پایان فصل چهار بحث میگردد. فصل آخر (پنجم) نیز با جمعبندی تمامی مطالب به ارائه راهکار و پیشنهاد می پردازد.
۱-۱۰- نتیجه گیری
بحث علمی و بررسی جدی بر روی ساختمانهای خاک پناه قدمت چندانی ندارد. پژوهشگران معدودی در سرتاسر جهان بر روی این موضوع تمرکز کرده اند. تاثیر این گونه ساختمانی و نحوه مصرف انرژی آن در پژوهشهایی در کشورهای مختلف، به خصوص مناطق خشک، بررسی شده است. یکی از مسائل بسیار چالش برانگیز در این رابطه نحوهی شبیه سازی و رفتار حرارتی خاک است. شناساندن رفتار حرارتی خاک برای نرم افزارهای شبیهسازی انرژی، باید به دقت و با کنترل بسیار انجام گیرد. این چالش، پژوهشگران را وادار به ابتکار مدلهای متفاوت برای شناساندن ویژگی انتقال حرارتی خاک پیرامون بنا نموده است که بایستی با آزمودن هوشمندانه مورد بررسی قرار گیرد.
فصل دوم- مرور تحقیقات انجام شده
۲-۱-مقدمه
بحث ساختمانهای خاک پناه و نحوه رفتار حرارتی آن، در ابتدا نیازمند شناخت پیشینهی تاریخی و انسانی آن است. با مطالعه اسناد تاریخی و معاصر، ساختمانهای خاک پناه از حیث نیازهای انسانی و معماری به گونه های مختلفی تقسیم میگردند.
بحث مهم دیگری که در زمینه شناخت موثر این ساختمانها مطرح میگردد، مزایا و معایب همزاد این گونه معماری است. این ساختمانها از حیث بهره وری سطح زمین و محیط زیست و همچنین مسائل زیست محیطی، نیازهای انسانی و چرخهی زندگی بنا ویژگیهایی را ایجاب مینمایند که بایستی به دقت مد نظر قرار بگیرند. تامین شرایط آسایش درساختمانهای خاک پناه همچنین از موارد دیگری نیز تاثیر میپذیرد. جهت گیری، تهویه و بهره گیری از نور طبیعی موارد بسیار تعیین کننده ای در رفتار حرارتی این ساختمانها است. از آن گذشته ویژگیهایی که خاک پیرامون بنا از لحاظ حرارتی و اثرات آن ایجاد می کند، پژوهش را ملزم به شناخت دقیق ویژگی های این ماده مینماید.
۲-۲- چالش انرژی
امروزه انرژی به عنوان یکی از اصلیترین عوامل برای شکل گیری و پیشرفت جوامع صنعتی شناخته شده است. به طوریکه میزان دسترسی کشورها به منابع گوناگون انرژی نشانگر پیشرفت و قدرت سیاسی اقتصادی آنان میباشد. قیمت بالای انرژی و هزینه های بسیار زیاد بخش سرمایه گذاری از یک طرف و رشد بیپروای صنعتی شدن جوامع و نیاز روزافزون آنها به انرژی از طرف دیگر، کشورها را بر آن داشته است که برای جلوگیری از مصرف بیرویه و غیر بهینه انرژی و همچنین کاهش هزینه های تولید و افزایش رفاه عمومی، سیاستهایی را تحت عنوان بهینه سازی مصرف انرژی به مرحله اجرا درآورند[۱]. برای بهینه سازی مصرف انرژی ابتدا باید یک سری از استانداردهای مصرف در بخشهای مختلف را با توجه به آخرین سطح تکنولوژی و دیگر عوامل تاثیرگذار بر مصرف انرژی تعیین کرد. سپس آنها را در قالب راهکارهایی که قابلیت اجرایی داشته باشند به تولیدکنندگان و مصرفکنندگان بخشهای مختلف ارائه نمود (نصراللهی، ۲۰۰۶).
۲-۲-۱- چالش انرژی در ساختمانها و مشکلات زیست محیطی
بحث بحران منابع تجدیدناپذیرانرژی و آسیبهای زیست محیطی، نگرانی گستردهای برای حفظ محیط زیست و منابع تامین انرژی بشری مطرح کرده است. از زمانی که این موضوع مطرح شد، تمام زمینههایی که با این امر درگیر بودند به چالش کشیده شدند. یکی از مهمترین منابع مصرف انرژی، ساختمانها هستند. بحث پایینآوردن مصرف انرژی ساختمانها و همچنین سازگارکردن هرچه بیشتر آنها با محیط زیست از چالشهای بزرگی است که باعث ایجاد موجی از فعالیتها در زمینه ساخت و ساز شده است (همان). مفاهیمی چون معماری پایدار، معماری اکولوژیک، معماری سبز و غیره از جمله جنبشهایی در زمینه معماری و شهرسازی است که امروزه در بسیاری از مجامع توجه صاحبنظران و مجریان را به خود جلب کردهاست. به طور کلی هدف مشترک بسیاری از این مفاهیم بررسی و تهیه استاندارد برای طراحی و اجرای ساختمانهایی است که علاوه بر بهرهوری انرژی، کاهش تولید co2 و حداکثر سازگاری با محیط زیست را در پی داشتهباشند (خداکرمی و اکرمی، ۱۳۹۲).
۲-۲-۲- مصرف انرژی در دنیای امروز
در سالهای اخیر با افزایش جمعیت و توسعه صنایع و تکنولولوژی روند استفاده از انرژی روبه افزایش است[۲]. همانطور که در نمودار منتشر شده از سوی دپارتمان انرژی آمریکا مشاهده میکنیم شیب مصرف انرژی در کشورهای جهان در سالهای کنونی رو به افزایش است و این میزان برای کشورهای در حال توسعه چندین برابر است. این موضوع یک هشدار بزرگ جهانی است که تمام کشورها را تهدید می کند (نمودار ۱). گرم شدن کره زمین در پی مصرف بی رویه و همچنین پیامدهای زیست محیطی حاصل از آن پدیده جدی است که چالشهای فراوانی برای تمامی جهان ایجاد کرده است[۳]. از آن گذشته این موضوعی است که هر کس را به سهم خود درگیر می کند و برای پیشگیری از تهدیدات آن باید تمهیداتی بنیادین اندیشیده شود.
نمودار ۱- مصرف جهانی انرژی در کشورهای مختلف سالهای ۱۹۹۰- ۲۰۳۰ (۳)
۲-۲-۳- چالش های انرژی ایران و میزان مصرف انرژی در بخش ساختمان
تلاش و توسعه ایران در سالهای اخیر و همگام شدن با توسعه صتعتی مصرف انرژی زیادی را در پی داشته است۳. چنانکه در سالهای اخیر طبق نمودار ۲ میزان مصرف انرژی در بخشهای مختلف کشور چندین و چند برابر شده است. روند افزایشی مصرف انرژی در کشورمان یک هشدار جدی برای تمام اقشار جامعه است (نمودار ۲۳).
نمودار ۲- مصرف انرژی در بخشهای مختلف در سالهای اخیر کشور ایران[۴]
طبق آخرین آمار منتشرشده از سوی شرکت بهینه سازی مصرف سوخت، میزان مصرف انرژی در بخشهای مختلف بررسی شده است. مطابق نمودار۳ سهم مصارف خانگی و تجاری که درآن سکونت بلند مدت صورت میگیرد، از سایر بخشهای مصرفی بیشتر است. این امر نشان میدهد که عمده مصرف کننده انرژی نیاز به بازنگری و بررسی در لایه های مختلف دارد. بخش ساختمان یکی از عمده علل مصرف بی رویه بخش خانگی و تجاری است که با ملاحظات و مطالعات گسترده باید گامی موثرتر در حل این معضل برداشت .
نمودار ۳- سهم سالانه مصرف انرژی ایران در بخشهای مختلف در سال ۱۳۸۶ (راهبرد، ۱۳۸۸)
برای کاهش مصرف انرژی در بخش ساختمان تمهیدات مختلفی اندیشیده می شود که از رایجترین آن بهسازی پوسته ها، تاسیسات، سیستم روشنایی و لوازم خانگی است (براتی و حوری، ۱۳۸۸). از رایجترین و ارزانترین روشهای بهینه سازی انرژی در بخش ساختمان، بهسازی و طراحی درست جدارههاست (کاری، ۱۳۹۱). این امر به صورت قابل ملاحظهای بار انرژی مصرفی ساختمان را میکاهد. اما کوششها و تلاش های خلاق محققان در امر کاهش مصرف انرژی تنها منوط به بهسازی پوستهها نمیگردد. استفاده از منابع جدید انرژی تجدیدپذیر، استفاده از سیستمهای انرژی غیرفعال و همچنین طراحی خلاق معماری همساز با اقلیم از مواردی است که امروزه به عنوان اصولی تعیین کننده مورد توجه قرار میگیرد. اگرچه بسیاری از این روشها هزینه بر هستند اما مزیت بلند مدت آنها نمیتواند مورد غفلت واقع شود.
۲-۳- ساختمان خاک پناه چیست؟
بشر برای در امان ماندن از آسیبها و ناملایمات محیط زندگی همیشه در راه حلهای آسان و مناسب جهت حفظ خود بوده است. برای تحقق این هدف او همواره راه حلی آسان را جستجو می کند. یکی از روشهایی که سرپناهی امن و مستحکم برای انسان فراهم می کند پناه بردن به دل زمین است که از گذشته دور تاکنون در بسیاری از مناطق دنیامرسوم بوده است. فضاهای زمین پناه و یا خاک پناه[۵] لزوما به این معنا نیست که باید در زیز زمین احداث گردد بلکه در واقع اطلاق نام خاک پناه به این گونه ساختمانی ، زاییدهی نحوه ارتباط او با محیط پیراموون است. در مورد این گونه، ساختمان همان سازهی معمولی و رایج خود را دارد با این تفاوت که بخشی یا تمام پوستهی آن با لایهی ضخیمی از خاک پوشیده می شود. به عبارت دیگر گویی پتویی ضخیم از جنس خاک بر روی ساختمان کشیده شده است.
۲-۴- دلیل اصلی استفاده از ساختمانهای خاک پناه
پناه بردن به خاک یکی از قدیمیترین روشهای معماری است که به تکنولوژی جدید و خاصی نیاز ندارد. با توجه به بحران انرژی و سیاستهای پیش رو امروزه تمرکز زیادی بر روی کاهش مصرف انرژی به همراه تامین آسایش حرارتی می شود. تکنولوژیهای ساختمان می تواند به طور خاصی دو هدف را تامین کند. ساختمانهای خاک پناه یکی از نمونههایی است که می تواند این دو نقش را با هم بازی کند. تحقیقات زیادی با هدف ارزیابی نحوه عملکرد و برهمکنش ساختمان و محیط از جنبه های مختلف بر روی این گونه ساختمان صورت گرفته است.
با قراردادن به طور کامل در عمق زمین و یا بردن بخشی از آن به زیر خاک و یا بالا آوردن سطح خاک و خاکریزی[۶] میتوان از مزایای تماس مستقیم بنا با زمین بهره جست. این ساختمانها معمولا رو به جنوب باز بوده تا ورود نور خورشید موجب روشنایی و گرما در فصول سرد شود (قیابکلو،۱۳۹۲). این روش کم هزینه و ساده است که معمولا به تکنیک پیشرفته ای نیاز ندارد. همچنین نورگیرهای مستقر در سمت شمالی میتوانند تهویه مناسب و نور در قسمت شمالی بنا را تضمین کنند. در مواردی که بخشی از ساختمان داخل زمین بوده و یا در سطح زمین بنا شده ولی اطراف آن را با خاک میپوشانند، این قابلیت وجود دارد که تهویه عبوری از طریق پنجرهها صورت پذیرد.
۲-۵- طبقه بندی ساختمانهای خاک پناه و اصطلاحات تخصصی
در مطالعه بهره برداری از فضای خاک پناه لازم است تقسیم بندی تخصصی جهت سازماندهی گونه های موجود انجام گردد تا اصطلاحات علمی استاندارد برای تعریف واضحتر این گونه ها بیان گردد. همچنین این تقسیم بندی، پایه ای مناسب برای تفسیر، تحلیل و تحقیق در این زمینه را فراهم می کند. همچنین این موضوع امکان انطباق موضوعات جدید با زمینه دانش قبلی را به وجود می آورد. علاوه بر تمام موارد ذکر شده، تقسیم بندی امکان تفسیر ویژگیهای مهم یک پدیده را به روشی فراهم می کند که دیگران میتوانند بدون بررسی تفصیلی، درک بهتری از آن داشته باشند.
محققان در گذشته تقسیم بندی خاصی از دید اصول مورد نظرشان انجام داده اند. با اینحال اکثر این طبقه بندیها، مفاهیم وسیع و گسترده را در برمی گیرد و در برخی موارد ذهنیات موجود در مورد کاربریهای خاک پناه تطابقی با هدف احداث اینگونه ساختمانها را ندارد. (Baggs,1991) یکی از مشکلاتی که برای مطالعات طراحی فضای زیرزمینی (همچون بسیاری از فعالیتهای میان رشته ای) وجود دارد، کاربرد بسیار گسترده آن است چرا که میتوان از جنبه های مختلف آن را طبقه بندی کرد. این کاربردها گسترهی وسیعی از تاسیسات شهری تا مراکز مذهبی را در برمیگیرد. پروژه های زیرزمینی از میکروتونلها تا عملیات گسترده متغیراند و مقیاس فضاها از نمونههای نیمه مدفون کوچک تا سیستم تونلها در مقیاس شهر را در بر میگیرد. همچنین طیف گسترده ای از انواع حرفهها چون معماران، برنامه ریزان و مهندسین با تخصصهای مختلف در این زمینه فعالیت دارند. اصول مکان یابی و طرح این بناها که بسته به نوع کاربری و پارامترهای طراحی متنوع است، از اهمیت بسیاری برخوردار است. بعنوان مثال واژه ی “عمیق” در فضای زیرزمینی به نظر معماران، فضایی است که حدود ۸ تا ۱۰ طبقه (حدودا ۳۰ متر) در زیر زمین قرار گیرد، در حالیکه عمیق در فضای زیرزمینی برای مهندسین معدن، زمانی است که به حدود ۱۰۰۰ متر زیر زمین رسیده باشد. در نتیجه، هیچ طرح و نقشه و سلسله مراتب مشخصی متناسب با تنوع کاربریهای وجود ندارد (ابراهیمی،۱۳۸۸).
با توجه به هدف این رساله، تمرکز اصلی بر روی بررسی نمونه های ساختمانی خاک پناه است که با فرو رفتن در دل خاک از مزیتهای بهره وری انرژی آن سود میبرد. لذا پیش از آغاز بحث عملکرد حرارتی این بناها نیاز به شناخت واژه های همزاد این بحث و گونه های موجود است تا مسیر روشنتری جهت گام برداشتن با این هدف پیش رو قرارگیرد.
۲-۵- ۱- گونه بندی از حیث معماری
همانگونه که پیشتر عنوان شد منظور از ساختمانهای خاک پناه بنایی است که برای بهره گیری از طبیعت و تامین مقاصد خود، به دل زمین و خاک آن پناه میبرد. این پناهندگی می تواند به طور کامل در دل خاک مطرح گردد (گونه کاملا مدفون) و یا اینکه سطوح نورگذر خاصی، آن را با محیط بیرون مرتبط گرداند( گونه نیمه مدفون). از سوی دیگر، نحوه برخورد بشر برای احداث اینگونه ساختمانی نیز مطرح است. در اعصار گذشته مطابق آنچه در متون تاریخی مشاهده میگردد، بشر از ظرفیت نساخته طبیعت بهره گرفته و بنای خود را با آن همساز میکرده است ( غارهای کافر کلی بابل). این نمونههای طبیعی به ندرت در مناطق خاص که بستر زمین مهیا بوده است، دیده می شود. در نمونههای غیر طبیعی جهت احداث اینگونه بناها با مداخله دست و ابزار حفرهی قرارگیری بنا احداث میشده است. بقایای این نمونهها به صورت گونه نیمه مدفون در زمین مشاهده می شود ( گودال باغچههای فلات مرکزی، نمونه معماری دستکند میمند و کندوان ). نمونههای امروزی، بنا به مصالح زمین و موقعیت احداث و به مدد ابزارهای پیشرفته راه حل آسانتری را یافته است. در این نمونهها احداث بستر ساختمان توامان با خاکبرداری و خاکریزی صورت میگیرد. یعنی بهجای قرار گیری کل زمین در محدوده خاکبرداری شده، اطراف ساختمان خاکریزی می شود که به آن نمونه خاک پناه دارای خاکریز میگویند (تصویر ۱).
تصویر ۱- نمونه ساختمان خاکپناه (نمونه معاصر: سمت راست ، نمونه گذشته: سمت چپ) (منبع: نگارنده)
محققان زیادی که بر روی این گونه معماری و بهره گیری از مزایای آن فعالیت می کنند، طبقه بندی متنوعی را ارائه داده اند (van Dronkelaar, 2013) و( (Sterling & Carmody,1993. با این وجود باتوجه به نکات مشترک و تعیین کننده، هم از جهت معماری و هم از جهت بررسی عملکرد حرارتی گونه های خاک پناه، ارائه ی طبقه بندی کاملتری که ویژگی گونه های متفاوت را روشنتر بیان کند، ضروری است. جدول شماره ۱ دو گونه ی اصلی ساختمانهای خاک پناه را از دید معماری و نحوه تماس با خاک نشان میدهد. با توجه به ملاک تماس با سطح خاک دو گونه ی نیمه مدفون و نیمه مدفون دارای خاکریز میتوانند وضعیت نمونه های مطرح شده را به خوبی ساماندهی کنند.
جدول ۵- گونه بندی بندی ساختمانهای خاک پناه از جهت سطح تماس با خاک بر اساس مطالعات موجود (منبع: نگارنده)
نوع ساختمان | نیمه مدفون در زمین | نیمه مدفون با خاکریز |
بدون ارتباط مستقیم |
[جمعه 1400-09-05] [ 11:25:00 ب.ظ ]
|