خاک و باد و آتش و آب آورد سر خویش از جمله بیرون آورد
عنوان تاثیر حرارت خورشید بر انسان و ساختمان
استاد راهنما: ارائه دهنده:
تعادل حرارتی بین بدن انسان و محیط پیرامون
ایجاد تعادل حرارتی بین بدن و محیط اطراف، از جمله نیازهای اولیه برای تامین سلامتی و آسایش انسان است. برای برقراری این تعادل، علیرغم تغییرات زیاد درجه حرارت هوای اطراف بدن، دمای پوست باید ثابت بماند یا فقط به میزان بسیار کمی تغییر کند.
ایجاد چنین تعادلی به ترکیب عوامل مختلفی بستگی دارد. بعضی از این عوامل، ویژگی های متابولیکی شخص، فعالیت فیزیکی، نوع لباس و عادی وی به هوای محیط اطراف است و عوامل دیگر آن عبارتند از: درجه حرارت هوا، تابش آفتاب، رطوبت و جریان هوا که عناصر اقلیمی نامیده می شوند.
تاثیر دمای هوا بر انسان
بدن انسان به وسیله ی غذایی که مصرف می کند و به نسبت فعالیتی که دارد، به میزان مختلفی انرژی تولید می کند. وقتی بدن در حال فعالیت استف فقط مقدار کمی از این انرژی صرف کارهای مکانیکی شده، بقیه به حرارت تبدیل می شود. در جدول 2-1 مقدار انرژی تولید شده توسط بدن در حالت های گوناگون نشان داده شده است.
شکل و میزان تبادل حرارتی بدن و محیط اطراف
در حالت طبیعی، دمای درونی بدن 37 درجه و دمای پوست 32 درجه سانتیگراد است. اگر بدن در محیطی گرم تر از پوست قرار گیرد، شروع به جذب حرارت می کند و برعکس، اگر در محیطی سردتر از پوست بدن باشد، حرارت خود را به تدریج از دست می دهد. بدین ترتیب در هر محیطی بین بدن و هوای اطراف آن تبادل حرارتی صورت می گیرد. این تبادل به اشکال و نسبت های مختلفی صورت می گیرد که در جدول نشان داده شده است. اگر در اثر این تبادل حرارتی، حرارت تولید شده در بدن و حرارت دفع و یا جذب شده از محیط متعادل نشود، بدن برای برقراری تعادل به ناچار حرارتی درونی خود را افزایش یا کاهش می دهد. در این حالت، بدن انسان دچار اختلالات گوناگونی می شود که در جدول نشان داده شده است.
عوارض گوناگون ایجاد شده در انسان در اثر تغییرات حرارت درونی بدن
مقدار حرارت تولید شده در بدن در حالت های مختلف
جدول تاثیر تابش آفتاب بر منطقه ی آسایش
تابش آفتاب و تاثیر آن بر ساختمان و محیط اطراف
نور خورشید، همیشه برای ایجاد روشنایی طبیعی در ساختمان لازم است، ولی از آنجا که این نور در نهایت به حرارت تبدیل می شود، میزان تابش مورد نیاز برای هر ساختمان باید با توجه به نوع آن و شرایط اقلیمی محل آن تعیین شود. بدین منظور، در این قسمت نخست ماهیت نور خورشید و حرارت حاصل از آن مورد بررسی قرار گرفته، سپس به نحوه ی انتقال این حرارت از جداره های ساختمان به فضای داخلی آن اشاره شده است.
مقدار حرارتی که خورشید در فاصله 148000000 کیلومتری (93 میلیون مایل فاصله خورشید تا مدار زمین) در سطحی عمود بر پرتو آن تولید می کند، برای 94/1 کالری در سانتیمتر مربع در دقیقه است که رقم ثابت خورشید نامیده می شود. البته زمین مقدار حرارت کمتری جذب می کند، زیرا مقداری از پرتوهای خورشید در اثر برخورد با سطح ابرها دوباره به سمت بالا منعکس می شود و مقداری از آنها نیز بوسیله اکسید کربن، بخار آب و اوزون موجود در اتمسفر جذب می شود. همچنین مقدار مشخصی از پرتوهای خورشید در اثر برخورد به مولکول های هوا به اطراف منتشر می شود. البته قسمتی از این پرتوهای منتشر شده در آسمان دوباره به سمت زمین می تابد.
بنابراین شدت تابش آفتاب و حرارت حاصل از آن در یک نقطه از سطح زمین به فاصله ای که پرتو خورشید باید طی کند، ضخامت ابر و وضعیت آلودگی هوا بستگی دارد. به همین دلیل، شدت تابش آفتاب در یک محل با ارتفاع آن محل از سطح دریا متناسب است و در مناق مرتفع، چون پرتو خورشید فاصله ی کمتری از اتمسفر را طی می کند، حرارت بیشتری تولید می نماید. همچنین در ظهر محلی هر منطقه که خورشید در قائم ترین حالت خود نسبت به زمین آن محل قرار دارد و فاصله کمتر است، شدت تابش آفتاب بیشتر از صبح و عصر است که خورشید در مایل ترین حالت نسبت به زمین محل موردنظر قرار دارد.
با توجه به مطالب فوق درمی یابیم که شدت تابش آفتاب در هر نقطه از سطح زمین، به موقعیت خورشید نسبت به آن منطقه بستگی دارد. از آنجا که موقعیت خورشید به دلیل حرکت وضعی و دورانی زمین در ساعت ها، روزها و فصل های مختلف متفاوت است. برای بررسی شدت تابش آفتاب بر سطوح مختلف و حرارت حاصل از آن باید موقعیت خورشید نسبت به محل موردنظر در زمان های مختلف مشخص باشد. بدین منظور در این قسمت موقعیت خورشید مورد بررسی قرار می گیرد.
موقعیت خورشید
در هر نقطه از سطح زمین، مسیر حرکت خورشید در آسمان در روزهای مختلف سال متفاوت است. برای مثال، حرکت خورشید نسبت به ساختمانی که نیم کره ی شمالی و رو به جنوب قرار گرفته، بدین طریق است که در تابستان خورشید از شمال شرقی محوطه ی این ساخنمان طلوع و در شمال غربی آن غروب می کند. در زمان، طلوع خورشید از جنوب شرقی و غروب آن در جنوب غربی محوطه ی ساختمان مزبور صورت می گرد و فقط در اول فروردین و اول مهرماه، خورشید کاملاً از شرق طلوع کرده، در غرب غروب می کند.
موقعیت خورشید را در هر منطقه و در هر زمان می توان بوسیله دو زاویه یکی «زاویه تابش» و دیگری «جهت تابش» مشخص کرد. زاویه تابش، زاویه ای است که بین امتداد پرتو خورشید و سطح افق تشکیل می شود و جهت تابش زاویه ای است که بین تصویر امتداد پرتور خورشید بر صفحه ی افق و شمال واقعی پدید می آید. تغییرات روزانه و سالانه ی این دو زاویه به عرض جغرافیایی محل بستگی دارد. در بسیاری از کشورها، مقادیر این دو زاویه برای نقاط گوناگون و در زمان های مختلف محاسبه شده و به صورت جدول ها و منحنی های ارائه شده است. ولی چنانچه موقعیت خورشید برای مناطق خاصی موردنظر باشد، آنها را می توان از طریق محاسبات ریاضی بدست آورد.
اولین عامل موثر در محاسبه ی زویایا موقعیت خورشید، زاویه چرخش زمین است.
پرتوهای منتشر شده ای که به زمین می تابند.
موقعیت خورشید نسبت به زمین
جهت و زاویه تابش پرتوهای خورشید
تابش آفتاب
به طور کلی، تابش آفتاب با ساطع شدن پنج نوع پرتو یک ساختمان را تحت تاثیر قرار می دهد. این پنج نوع پرتو به ترتیب اهمیت عبارتند از:
پرتو مستقیم با طول موج کوتاه
پرتو پراکنده از آسمان با طول موج کوتاه
پرتور بازتابیده از سطوح اطراف با طول موج کوتاه
پرتو ساطع شده از زمین و اجسام گرم شده با طول موج بلند (بازتاب حرارتی)
پرتو ساطع شده از ساختمان به آسمان با طول موج بلند (بازتاب حرارتی)
هر یک از این پرتوها، به نوعی بر ساختمان تاثیر می گذارد.
تاثیر تابش آفتاب بر حرارت داخلی ساختمان
در اینجا با مشخص شدن تاثیر تابش آفتاب در سطح مختف می توان تاثیر این تابش را بر فضای داخلی ساختمان نیز مورد برسی قرار داد. بدین منظور، ابتدا به توضیح انواع تبادل حرارتی پرداخته، نحوه انتقال حرارت خورشید از طریق دیوارها، سقف و پنجره های ساختمان به فضای داخلی آن را مورد بررسی قرار می دهیم. سپس به نحوه ی عملکرد اجزاء مختلف ساختمان می پردازیم.
سقف و دیوارهای جانبی ساختمان، فضای داخلی آن را از محیط اطرافش جدا می سازد و بدین طریق، از تاثیر مستقیم عناصر اقلیمی مانند دما و رطوبت هوا، باد، تابش آفتاب، برف و باران بر فضای داخلی آن جلوگیری می کند. ولی در هر صورت، هر یک از این عوامل از طریق تاثیر بر جداره های خارجی ساختمان، هوای داخلی آن را تحت تاثیر قرار می دهند. به طور مثال، حرارتی که در اثر تابش آفتاب، در سطوح خارجی یک ساختمان جذب می شود، با تغییراتی به سطوح داخلی و سرانجام به هوای داخلبی انتقال می یابد و باعث افزایش دمای هوا می شود. به طور کلی، انتقال حرارت ممکن است به چهار صورت رسانش (هدایت)، همرفت (جابجایی) تابش و تبخیر صورت گیرد.
رسانش:
حرارت با گذشتن از یک مولکول به مولکول همجوار می تواند از داخل اجسام یا از جسمی به جسم دیگر که با آن تماس دارد، عبور کند. این نوع انتقال حرارت (رسانش) نامیده می شود. از طریق رسانش، حرارت موجود در یک اتاق بدون عایق حرارتی دفع می شود یا حرارت هوای خارج و حرارت تولید شده در اثر تابش آفتاب در سطح خارجی دیوارها، به فضاهای داخلی انتقال می یابد. معمولاً هرچه مصالح یک دیوار متراکم تر باشد، حرارت سریع تر به صورت رسانش از آن عبور می کند. برای مثال بتن که متراکم تر از چوب است، ضریب رسانش بیشتری نسبت به چوب دارد.
دمای سطح خارجی دیوارهای خاکستری رنگ در جهت های مختلف
همر فت:
جریان هوا می تواند حرارت را از سطوح گرم منقل کند این نوع انتقال حرارت «هم رفت » نا میده می شود هوادر اثر گرم شدن منبسط و در نتیجه سبک می شود و به همین دلیل بالا می رود . این هوای گرم پس از مدتی حرارت خود را به اجسام و سطوح اطرا ف خود انتقال می دهد ودو باره سرد و منقبض و سنگین شده به طرف پایین حرکت می کند در یک فضای بسته مانند اتاق حرارت با عث به جریان افتادن هوای گرم از پایین به بالا و های سرد از بالا به پایین می شود . و قتی جریان هوا بین جدار های یک دیوار یا سقف دو جداره به و جود آید مقدار زیادی حرارت از سطوح داخلی دیوار ها و بام به سطح خارجی یا برعکس در صورت گرم بودن هوای خارج ، از سطوح خارجی به سطوح دا خلی انتقال می یابد البته باید تو جه داشت که هوا فقط زمانی می تواند با عث انتقال حرارت می شود که فضای کافی برای عمل همرفت داشته باشد و در صورتی که حفره های کو چک یا لایه های بسیار نازک محدود شود (مانند هوای دا خل یونو لیت ) قادر به انتقال حرارت نیست و عایق حرارتی بسیار مناسبی هم به شمار می رود .
تا بش :
حرارت نیز مانند نور به شکل امواج الکترو مغناطیسی منتقل می شود این نوع انتقال حرارت را «تا بش» می نامند. از طریق تابش یا ساطع شدن امواج الکترومغناطیسی با طول مو ج بلند، حرارت از یک جس گرم به جسم سرد منتقل می شود ؛ بدون آنکه تاثیری در دمای هوا بین دو سطح بگذارد .
دمای سطح خارجی دیوارهای سفیدرنگ در جهت های مختلف
تبخیر:
« تبخیر » عبارت است از تغییر دما و انتقال حرارت دراثر تغییر مایع به بخار این تغییر شکل باعث دفع حرارت می شود .
در تبادل حرارتی انتقال حرارت ممکن است به اشکال گوناگون صورت گیرد برای مثال انتقال حرارت از خار ج به دا خل سا ختمان به این صورت ا نجام می شود که ابتدا پرتو های حرارت زای خورشید به سطح دیوار های خارجی می تابد و درآنها جذب می شود جذب حرارت در سطوح دا خلی دیوار ها منتقل می شود در دیوار های دو جداره حرارت به صورت هم رفت و تابش از یک طرف دیوار به طرف دیگر آن سپس به صورت رسانش به سطح دا خلی دیوار انتقال می یابد و با عث گرم شدن آن می شود . سطوح دا خلی نیز پس از گرم شدن حرارت خود را به شکل همرفت و تابش به هوای دا خلی و سطوح دیگر منتقل می کنند
تابش آفتاب بر انواع دیوار :
تاثیر تابش آفتاب در حرارت دا خلی سا ختمان به ویژگی مصالح به کار رفته در دیوار های خارجی آن بستگی دارد و قتی هوای دا خلی سا ختمان به وسیله سیستم های مکانیکی کنترل نشود . نوع مصالح به کار رفته در سا ختمان تا ثیر زیادی در تا مین آسایش سا کنین آن دارد حتی و قتی هوای دا خلی سا ختمان به وسیله سیستم های مکانیکی کنترل می شود کیفیت مصالح سا ختمانی به کار رفته تا ثیر زیادی در میزان حرارت دفع شده یا جذب شده سا ختمان دارد درنتیجه آسایش سا کنین همچنین در بازدهی اقتصادی و سایل مکا نیکی مو ثر است در هر صورت لازم است با توجه به نوع سا ختمان و شرایط اقلیمی مصالح سا ختمانی مناسب به دقت انتخاب شود .
ضریب جذب انرژی حرارتی خورشید در رنگ های مختلف
راه های مختلف تبادل حرارت در ساختمان از طریق دیوارهای دوجداره
در این قسمت قبل از یررسی میزان تاثیر کیفیت مصالح دیوار ها در کنترل حرارت دا خلی سا ختمان به چگونگی انتقال حرارت از محیط خارج به دا خل به نحوه تاثیر ان بر شرایط هوای دا خلی سا ختمانی به وسیله ی سیستم ها ی مکانیکی کنترل می شود کیفیت مصالح سا ختمانی به کار فته تا ثیر زیادی در میزان حرارت دفع شده یا جذب شده ای سا ختمان داد و در نتیجه در آسایش سا کنین همچنین در بازدهی اقتصادی
وسایل مکانیکی مو ثر است در هر صورت لازم با توجه به نوع سا ختمان و شرایط اقلیمی مصالح سا ختمانی مناسب به دقت انتخاب می شود.
در این قسمت قبل از بررسی میزان تاثیر کیفیت مصالح دیوار ها در کنترل حرارت دا خلی سا ختمان به چگونگی انتقال حرارت از محیط خارج به دا خل و نحوه تاثیر آن بر شرایط هوای دا خلی سا ختمان که فقط تحت تاثیر محیط اطراف قرار گر فته می پردا زیم .
دمای هوا ی خارج میزان تابش آفتاب دارای یک دوره تغییرات روزانه است و الگوی این تغییرات به مو قعیت جغرافیایی محل بستگی دارد دمای هوا ی دا خلی سا ختمان ها مجهز به وسایل مکانیکی نیز همین دوره روزانه دارد البته باتغییراتی روزانه است و الگوی این تغییرات به مو قعیت جغرا فیایی محل بستگی دارد دمای هوای دا خلی سا ختمانهای مجهز به وسایل مکانیکی نیز همین دوره روزانه رادارد البته با تغییراتی که به جزئیات طرح و نوع مصالح سا ختمان بستگی دارد
قبل از طلوع آفتاب هوای آزاد و سطوح خارجی سا ختمان در سردترین مو قعیت خود قرار دارند و لی پس طلوع آفتاب هوا شروع به گرم شدن می کند وهنگام بعدازظهر-یعنی حدود ساعت 2تا4-دمای آن به حداکثر میزان ممکن می رسد .میزان این افزایش دما،تاحد زیادی به فاصله ی مکان موردنظربادریا بستگی دارد .درمناطق ساحلی-بویژه در نقاطی که باد هنگام روزاز دریابه سمت خشکی می وزد –میزان افزایش دمای هوا کم است ونوسان آن در روز به حدود 4تا7در حه سانتی گراد می رسد .ولی در نواحی غیر ساحلی،نوسان دمای هوا در روز ممکن است به 15تا10درجه ی سانتی گراد یابیشتر نیز برسد.
افزایش دمای هوای خارج باعث گرم شدن سطح خارجی دیوارهای جانبی ساختمان می شود .این تاثیر در تمام جوانب ساختمان یکسان است وجهت دیوارها ،تاثیری در میزان حرارت دریافت شده در این حالت ندارد .هم زمان با این افزایش دمای دیوار،آفتاب بصورت مستقیم،پراکنده ومنعکس شده از سطوح اطراف به ساختمان می تابد.قسمتی از پرتو تابیده به دیوار دراثر برخورد به سطح آن منعکس می شود وبقیه در دیوار جذب شده،باعث گرمتر شدن ان می شود .در این حالت جهت دیوارها در مقدار تابش دریافت شده ودر نتیجه ،مقدار حرارت ایجاد شده در آنها کاملاًموثر است .به همین دلیل،در دیوارها وبام ساختمان ،تحت تاثیر تابش آفتا،دمای متفاوتی ایجاد می شود.
برای درک بهتر جریان عبور حرارت از سطح خارجی به سطح داخلی یک دیوار می توان تصور کرد که دیواراز لایه های متعددی تشکیل شده است .در اثر انتقال حرارت به هریک از این لایه ها ،دمای آنها افزایش می یابدومقدار حرارتی که باعث این افزایش دما شده،در لایه ی مزبور ذخیره می شود وبقیه لایه ی سرد بعدی انتقال می یابد.بنابراین ،هر لایه از دیوار مقدار حرارت کمتری نسبت به لایه ی سرد بعدی انتقال می یابد.بنابراین،هر لایه از دیوار مقدار حرارت کمتری نسبت به لایه ی قبلی خود دریافت می کند ودر نتیجه،دمای ان نسبت به لایه ی قبلی کمتر می شود.با ذخیره شدن حرارت در داخل دیوار،حرارت کمتری به سطح داخلی آن انتقال می یابدودمای آن کمتر از دمای سطح خارجی می شود.
پس از آنکه دمای سطح خارجی دیوار به حداکثر میزان خود می رسدوبه دلیل کاهش شدت آفتاب وخنک شدن هوا شروع به سرد شدن می کند.جریان حرکت حرارت در داخل آن بر عکس می شود .در این مرحله ابتدا حرارتی که دردیوار ذخیره شد،در دوجهت به سمت داخل وخارج حرکت می کند .ولی پس از آن،فقط به سمت خارج حرکت می کند.از این پس،لایه های دیوار بتدریج حرارت خود را از دست می دهندوخنک می شوند.
بدین ترتیب،دیوارهای ساختمان در طول روز یک دوره گرم شدن وسرد شدن را طی می کنند.البته دامنه نوسان این دوره گرم وسرد شدن برای سطوح داخلی وخارجی یکسان نیست.نوسان دما در سطوح داخلی همیشه کمتر از سطوح خارجی است وسطوح داخلی نیز،مدتی پس از سطوح خارجی به حداکثر وحداقل دمای خود می رسند.
با فرض ثابت بودن شرایط هوای خارج،حداکثر وحداقل دمای سطوح داخلی ونسبت نوسان دمای سطوح داخلی به سطوح خارجی،به ظرفیت ومقاومت حرارتی یک دیوار بیشتر باشد.نوسان دمای سطح داخلی کاهش می یابدوزمان به حداقل وحداکثر رسیدن دمای سطوح داخلی نسبت به هوای خارجی بیشتربه تاخیر می افتد.کاهش نوسان درجه حرارت سطوح داخلی یک ساختمان نسبت به سطوح خارجی آن،با مقاومت حرارتی مصالح دیوارهای آن متناسب .
ولی تاخیر در به حداکثروحداقل رسیدن دمای سطوح داخلی نسبت به سطوح خارجی،به ظرفیت حرارتی مصالح دیوار بستگی دارد.
ظرفیت حرارتی:
ظرفیت حرارتی مصالح،به وزن مخصوص وگرمای ویژه ی آنها بستگی دارد.هرچه وزن مخصوص یک جسم بیشتر باشد.ظرفیت حرارتی آن بیشتر است.ظرفیت حرارتی دیوار ها نیزبه ضخامت فشردگی مصالح آنها بستگی دارد.برای مثال،مدت زمانی که حرارت ناشی از تابش آفتاب وگرمی هوا از سطح خارجی به سطح داخلی انتقال می یابد،برای ورقه آهنی حدود چند دقیقه وبرای یک دیوار سنگی ضخیم چندین ساعت است.
هرچه ظرفیت حرارتی دیوار بیشتر باشد،حرارت باسرعت کمتری از خارج به سمت داخل انتقال می یابد.در نتیجه،سطوح داخلی با تاخیر بیشتری به حداکثر دمای خود نسبت به سطوح خارجی می رسند .این زمان تاخیر باعث می شود در ساعاتی که هوادر حداگثردرجه حرارت است،حرارت نفوذ کرده در دیوارهای خارجی در همان جا ذخیره می شود وهنگام عصروشب که هوا نسبتاًخنک است،از آن خارج میگردد.
هنگام شب،حرارت ذخیره شده در مصالح یک ساختمان با ظرفیت حرارتی زیاد آزاد می شود.در نتیجه،میزان انتقال حرارت هوای داخل به خارج کاهش می یابد.یعنی این ساختمان هنگام شب به تریج سرد می شود وحداقل دمای شبانه ی هوای آن بیشتر از حداقل دمای شبانه ی هوادر ساختمان هایی با ظرفیت حرارتی کم می شود .بدین طریق،ظرفیت حرارتی مصالح ساختمانی باعث کاهش میزان انتقال حرارت از خارج به داخل می شود وبرعکس.
در نتیجه،تغییرات دمای هوای داخل ساختمان کاهش می یابد. در فصل زمستان وبویژه مناطق سرد که بطور کلی دمای هوای خارج کمتر از دمای هوای گرم شده ی داخلی است.ظرفیتحرارتی مصالح یک ساختمان فقط دامنه نوسان دمای هوای داخلی آن را کاهش می دهد وتاثیری در جهت حرکت ومیانگین دمای هوا ندارد.ولی در تابستان ودر مناطق گرم که سطوح خارجی ساختمان هنگام روزگرمتر وهنگام شب سردتر از هوای داخلی است.ظرفیت حرارتی علاوه بر آنکه در کاهش تبادل حرارت هوای داخلی وخارجی موثر است ،در جهت حرکت حرارت نیز تاثیر می گذارد.
بنابراین در مناطقی که تغییرات روزانه ی دمای هوا وشدت تابش افتاب زیاد است(مانند مناطق گرم وخشک)ساختمانی باظرفیت حرارتی زیاد می تواند به میزان قابل توجهی وضعیت حرارتی داخل خود را کنترل کند .همچنین با انتخاب مصالح ساختمانی مناسب برای یک ساختمان هم می توان نوساناتی را که در اثرتابش مستقیم آفتاب از میان پنجره ها ونفوذ هوا از درز پنجره ها وگرمایی که در اثر پخت وپزدر دمای هوای داخلی ایجاد می شود.
با توجه به مطالب فوق می توان نتیجه گرفت حرارتی زیاد در مناطقی که مشکل گرمای هوای داخلی معمولاًدر شب ها نیز وجود دارد(مانندمناطق مرطوب ساحلی)،مناسب نیست.
رابطه ی ضخامت دیوار،ظرفیت حرارتی ووضعیت حرارتی داخلی ظرفیت حرارتی یک دیوار نتیجه ی وزن مخصوص،صخامت وگرمای ویژه مصالح آن است .ونتایجی که در اثر وزن مخصوص مصالح یا تغیییر ضخامت یک دیوار در و ضعیت حرارتی آن حاصل می شود کا ملاً متفا وت است حتی اگر این تغییرات از نظر ظرفیت حرارتی نتایج یکسانی داشته باشد .
به طور کلی ظرفیت حرارتی تقریباً براساس وزن مصالح مشخص می شود و لی هر گونه افزایش ظرفیت حرارتی از طریق افزایش وزن مخصوص- یعنی با مترا کم کردن مصالح با افزایش ضریب رسا نش حراراتی همراه است در نتیجه باعث کا هش مقاومت حرارتی بدون تغییر ضخا مت دیوار باعث کا هش ظر فیت حرارتی می شود در نتیجه فقط تا حد کمی در بهبود و ضعیت حرارتی دیوار و هوای دا خلی سا ختمان در تا بستان تاثیر می گذارد ولی هنگامی که به منظور افزایس ظرفیت حرارتی دیوار ضخا مت آن افزوده می شود مقا ومت حرارتی کلی دیوار نیز به نسبت افزایش می یابد و در نتیجه تاثیر آن در شرایط حرارتی هوای دا خلی تا حد زیادی افزوده خواهد شد .
بر اساس محاسبات و بررسی های نظری میزان نوسان در جه حرارت دا خلی یک سا ختمان با تغییر ضخا مت دیوار های آن تغییر میکند و در نتیجه باافزایش می یابد و لی در حقیقت تا ثیر ضخا مت دیوار ها ی یک سا ختمان حدااکثر در جه هوای دا خلی یک سا ختمان به شرایط تهویه ای طبیعی در آن سا ختمان و رنگ سطح خارجی دیوارها بستگی دارد .
اگررنگ سطح خارجی دیوار ها تیره باشد باافزایش ضخا مت دیوارها حدا اکثر در جه حرارت هوای دا خلی سا ختمان کاهش می یابد ولی در صورت سفیذ بودن سطح خارجی چون تقریباً تمام پرتو های خورشید از سطح دیوار منعکس می شود و فقط مقدار کمی از انرژی حرارتی آن جذب دیوار می شود ضخا مت دیوار تاثیر چندانی در کنترل حدااکثر در جه حرارت هوای دا خلی ندارد ولی در هر دو حالت با افزایش ضخا مت دیوار ها حداقل در جه حرارت هوای داخلی ساختمان افزایش می یابد ورنگ سطح خارجی دیوارها تاثیری دراین افزایش دما ندارد.
همچنین وضعیت گرمایی ساختمان که هوای خارج در آن جریان دارد.به دوعامل انتقال حرارات از دیوار ها و شرایط تهویه طبیعی بستگی دارد اگر رنگ سطح خارجی این دیوار ها روشن باشد ضخا مت دیوار ها تحت تاثیر تهویه طبیعی قرار می گیرد .ولی اگر سطح خارجی آنها تیره رنگ باشد امکان انتقال حرارت از دیوار ها به هوای دا خلی سا ختمان تا حد زیادی افزایش می یابد و در نتیجه ضخا مت دیوار کنترل شرایط حرارتی هوای دا خلی ا همیت فرا وانی خواهد یا فت .
در مورد تاثیر ضخا مت و رنگ سطح خا رجی دیوار ها شرایط تهویه ای طبیعی در تغییر و ضعیت حرارتی هوای دا خلی سا ختمان ازمایش های گونا گونی انجام شده که نتایج به دست آمده موید مطالب فوق است نتیجه آزمایشی که در مورد تاثیر ضخا مت دیوار های قائم سا خته شده از بتن سبک در شرایط حرارتی هوای دا خلی در حالات گونا گون ا نجام شده نشان داده شده است
تعیین ظر فیت حرارتی دیوار های مختلف :
ظر فیت حرارتی مصالح دیوار عبور حرکت از سطوح خارجی به سطح دا خلی آن را به تا خیر می اندازد و در نتیجه گرمای تعدیل یا فته در هوای خنک و سرمای شب در سا عت های گرم روز به دا خل منتقل می شود به طور کلی در مناطقی که نوسان در جه هوا زیاد است تقریباً نصف روز زمان تا خیر یعنی انتقال گرمای روز هنگام شب و سرمای شب هنگام روز با عث ایجاد تعادل حرارتی حا صل از آن در سطح مختلف یک سا ختمان متفاوت است زمان تا خیر باید به طور دقیق تر تعیین شود .
برای ارزیابی محاسبه و تعیین ویژگی حرارتی مصالح سا ختمانی در یک منطقه باید تغییرات در جه حرارت هوا در طول سال بسته به منطقه آسایش مورد مطالعه و بررسی قرار گیرد اگر دمای سالانه هوا به حدا کثر میزان ممکن برسد مقا ومت حرارتی مناسب برای مصالح سا ختمانی – یعنی میزان عایق حرارتی لازم – را می توان تعبین کرد همچنین با مشخص بودن دامنه ی نوسان دمای روزانه هوا می توان ظرفیت حرارتی مصالح بام و دیوار های سا ختمان مورد نظر را تعیین نمود .
در مورد ظرفیت حرارتی مورد نیاز در اقلیم های مختلف لروکس معتقد است در مناطقی که نوسان دمای روزانه هوا 6 تا 8 در جه سا نتی گراد است مصالح سنگین مانندبتن آجر و سنگ که وزنی حدود 300 کیلو گرم در متر مکب دارد مناسب است وی معتقد است اگر این نوسان 10 تا 12 در جه سا نتی گراد باشد لازم از مصالحی با وزن 600 تا 700 کیلو گرم در متر مکعب و اگر نوسان دمای روزانه هوا بیش از 20 در جه ای سا نتی گراد از مصالحی با وزن 1200کیلو گرم در متر مکعب استفاده شود
جدول حداکثر، حداقل و نسبت نوسان دمای داخلی دیوارهای ساخته شده از بتن سبک
اولگوی نتایج فوق رااز لحاظ نظری و اصولی صحیح دا نسته و لی کاربرد آنها را مورد انتقاد قرار داده است وی در مورد انتخاب مصالح سا ختمانی متنا سب با اقلیم روش زیر را که جزئیات بیشتری دارد پیشنهاد کرده است در این روش را بطه ی بین منطق آسا یش و تغییرات روزانه دما هوا در چند نا حیه مختلف مورد برسی قرار گر فته و به صورت نمودار نشان داده شده است. هما نطور که در این نمودار ها نشان می دهد اگر نوسان در جه حرارت هوا زیاد باشد ظر فیت حرارتی با عث می شود هوای دا خلی سا ختمان درمنطقه آسایش قرار گیرد (الف و ب( اگر میا نگین دمای هوا 29 در جه ی سا نتی گراد یا بیشتر باشد استفاده ار مصال سنگین به تنها یی کا فی نیست و با عث می شود هوای دا خلی سا ختمان خارج از منطقه آسایش قرار گیرد وی در این حالت بااستفاد از خصوصیات مقا ومت و ظر فیت حرارتی مصالح هردو می توان منطقه آسایش را در دا خل ساختمان ایجاد کرد در این حالت با بسته نگاه داشتن پنجره ها در سا عاتی که هوا بحرانی ترین و ضعیت است ا مکان ایجاد فضای آسایش در فضای دا خلی بو جود آورد در منطقه ای که تغییرات فصلی و روزانه دمای هوا بسیار زیادا ست استفاده از ظر فیت و مقا ومت حرارتی – هردو – لازم است در مناطقی که تغیرات فصلی دمای هوا بسیار شدید است مقا ومت حرارتی مصالح اهمیت بیشتری دارد و استفاده از سیستم های تا سیساتی برای ایجاد منطقه آسایش در دا خل سا ختمان لازم است در این حالت تغییات روزانه دمای هوا نادیده گر فته می شود و لی اگر دا منه این تغییرات زیاد باشد استفاده از مصالح دارای ظرفیت حرارتی زیاد در سطوح دا خلی دیوار ها موثر است و باعث حفظ دمای هوای دا خلی در طول روز در حد تعادل می شود
در دو نمودار تفاوت عمده ای بین دو سا ختمان سا خته شده است از مصال ح مختلف در شرایط یک سان نشان داده دشه است دراین نمودار عملکر د یک سا ختمان سبک با پلان باز سا خته شده از مصال ح چوبی با سا ختمانی با پلان بسته و سا خته شدهاز مصالح سنگین مقا یسه می کنیم در شرایطی که دمای هوای دا خلی سا ختمان چوبی در اثر تغییر دمای هوا کم یا زیاد می شود و دامنه نوسان آن به ه4 در جه سا نتی گراد در روز می رسد میانگین دمی روزانه ی هوا دا خلی ساختمان آجری نسبتاً پایین و ثابت می ماند در طول روز فقط 5 در جه ی سا نتی گراد نوسان می یابد اولگی بررسی های دیگر نیز برای تعیین زمان تا خیر مناسب برای دیوارها ی با جهت های مختلف یک سا ختمان مسکونی وا قع در شهر فینیکس ( عرض جغرا فیایی 32 در جه شمالی معادل مو قعیت یزد ) برای سرایط تا بستانی ( اول تیر ماه آسمان صاف و شرایط حرارتی متوسط) انجام داده که دراینجا به طور خلاصه به نتایج آنها اشاره می شود
تاثیر ظرفیت و مقاومت حرارتی مصالح در دمای هوای داخلی ساختمان
دراین بررسی شدت دوام تا بش آفتاب در سطوح مختلف مشخص شده و براساس آن،مناسب ترین زمان برای تغییر دیوارهای واقع در جهت های مختلف ساختمان پیشنهاد شده است.در این بررسی مشاهده شده است که حرارت ناشی از تابش آفتاب ودمای هوا در ساعت های اولیه ی بعدازظهر به حداکثر میزان خود میرسد.برای انکه این گرما را در ساعت های خنک به داخل انتقال یابد،زمان تاخیر دیوارهای جهت های مختلف ساختمان باید متفاوت باشد.در حین این بررسی،حداکثر میزان گرما برروی بام(سطوح افقی)ایجاد می شود که حدوداًبه11تا12ساعت زمان تاخیر نیاز دارد.بااحتساب میزان حرارت ایجاد شده در دیوارهایشرقی،حداقل زمان تاخیر برای این دیواره ها 12ساعت وحدمطلوب آن 17ساعت است .این مدت،حداکثر زمان تاخیر مورد نیاز است وبا توجه به طولانی بودن آن،راه حل عملی این است که هیچ زمان تاخیری برای این دیوارها پیش بینی نشود تاحرارت ایجاد شده ،درهمان ساعت های صبح که هنوز هواگرم نشده،به داخل برسد.دیوارهای جنوبی،به دلیل تابش کمتری که در تابستان دریافت می کنند،از نظرظرفیت حرارتی اهمیت کمی دارند.ولی درهرصورت،حداقل7وحداکثر0 ساعت زمان تاخیر برای این دیوارها مناسب است.دیوارهای غربی که در بین دیوارهای واقع در جهت های مختلف شدیدترین تابش آفتاب را دریافت می کنند .با توجه به ساعتی که حداکثر حرارت در آنها جمع می شود،باید زمان تاخیری بین5تا10ساعت داشته باشند.در بین دیوارها،یوارهای شمالی کمترین اهمیت را از این نظر دارند.ولی در هر صورت،پیش بینی زمان تاخیری بین5تا10ساعت برای این دیوارها به بهبود شرایطی حرارتی هوای داخلی ساختمان کمک می کند .
نکته قابل توجه دراین نمودار ها این است که در طول روز(از 7صبح تا7بعد از ظهر)ساختمان ساخته شده از مصالح سنگین،حرارت کمتری را نسبت به ساختمان ساخته شده از مصالح سبک به داخل انتقال می دهد.البته همانطور که در این نمودار مشاهده می شود. سا ختمان سا خته شدن از مصالح سبک هنگام عصرخنک می شود و از این نظر نسبت سا ختمان ساخته شده از مصالح سنگین شرایط دا خلی بهتری فراهم می کند ولی باید تو جه داشت هنگام عصر که هوار ی خار ج خنک است باایجاد تهویه مو ثر در سا ختمان ساخته شده از مصالح سنگین می توان هوای دا خلی این سا ختمان را نیز خنک کرد و شرایط مناسبی در آن ایجاد نموده با مقا یسه این نمودار در می یابیم که در این منطقه بهترین شرایط دا خلی از نظر اسایش فیزیکی در سا ختمان ایجاد می شود که دیوار های اتاق نشیمین آن که روز ها مورد استفاده قرار گیرد از مصالح سنگین و دیوار های اتاق خواب و سایر قسمت هایی که شب ها از آن استفاده می شود از مصال ح سبک سا خته شده است
تاثیر نوع مصالح در دمای هوای داخلی ساختمان
دمای ناشی از تاثیر تابش آفتاب و گرمای هوا در یک ساختمان معمولی
مقا ومت حرارتی
مقا ومت حرارتی دیوار عبارت است از مقا ومتی که آن دیوار در برابر انتقال حرارت از یک طرف به طرف دیگر ایجاد می کند بنا براین نوسان دما سطح دا خلی دیوار های یک سا ختمان به مقاومت حرارتی مصالح آن دیوار ها بستکی دارد هر چه ضریب رسانش حرارتی بر عکس مقا ومت حرارتی مصال ح یک دیوار کمتر باشد مقا ومت حرارتی آن دیوار بیشتر است ودر نتیجه مقدار حرارت انتقال یا فته از آن کمتر خواهد بود چنا چه پیش از آن اشاره شده هوای سا کن بهترین عاق حرارتی است به طور کلی مصالح سا ختمانی سبک که شا مل حفره ها و لایه های بسیار نازک هوا هستند مقا ومت حرارتی زیادی دارند
به طور کلی تا ثیر مقا ومت حرار تی مصالح یک سا ختمان در شرایط حرارتی فضاهای دا خلی تا حد بسیاری زیادی بو جود یا عدم و جود تا سیسات مکانیکی در آن سا ختمان بستگی دارد در اینج بررسی هر یک از این دو حالت می پردازیم
تا ثیر مقا ومت حرارتی دیوار ها در سا ختمانهای مجهز به تا سیسات مکانیکی
در فصل زمستان هنگامی که سا ختمان از دا خل گرم می شود مقا ومت حرارتی دیوار های خارجی دمای سطح دا خلی آنها میزان مصرف دستگاههای مکانیکی ( اگر دمای هوای دا خل ثابت نگه داشته شو د) و دمای هوای دا خل سا ختمان را ( اگر حرارت تولیدی دستگاه مورداستفاده ثابت باشد ) تعیین می کند .
از آنجا که اختلاف بین میا نگین دمای هوای دا خل و خارج سا ختمان در فصل زمستان در مقا یسه با تغییرات دمایی روزانه هوا بیشتر است انتقال حرارت از دا خل به خارج در سسا ختمانهایی که به طور دا ئم گرم می شوند به ثابتی می رسد در این حالت مقا ومت حرارتی مصالح ( اگر چه تنها عامل نیست ) از عوا مل اصلی تعیین کننده شرایط هوای دا خلی سا ختمان سا ختمان است و لی اگر سا ختمان به طور متنا وب گرم می شود ظر فیت حرارتی مصال ح ا همیت بیشتری می یابد
در ساختمانهای که هوای دا خل آنها در فصل تا بستان به وسیله دستگاههای تهویه کنترل می شود با و جود آنکه جهت حرکت حرارت از خار ج به دا خل ثابت نیست و مو قع شب برعکس می شود تا ثیر ممقا ومت حرارتی مصالح در تعیین شرایط هوای دا خلی مانند فصل زمستان است . و لی چون در این حالت معمولاً ا ختلاف بین میا نگین دمای هوای دا خل و خا رج نسبت به نوسان دمای روزانه کم است نسبت اهمیت مقا ومت حرار تی مصالح در تعیین شرایط هوای دا خلی کمتر است ظر فیت حرارتی مصالح اهمیت بیشتری می یابد
در مورد مقا ومت حرارتی مصالح دیوار ها باید به مساله ایجاد تعریق بر روی سطوح دا خلی نیز تو جه دا شت و قتی دمای هوای دا خل به پایین تر از نقطه شبنم هوای آن می رسد بر روی این سطوح تعریق صورت می گیرد بنا براین با افزایش مقاوم حرارتی مصالح دیوار ها ا حتمال ایجاد تعریق بر روی سطح آنها کاهش می یابد در مناطقی که رطوبت هوا در فصل زمستان زیاد است جلوگیری از ایجاد تعریق بر روی سطوح دا خلی ممکن است مهم ترین عا مل در تعیین مقا ومت حرارتی مصال ح دیوار ها باشد .
تا ثیر مقا ومت حرارتی دیوارها در سا ختمان ها فاقد تا سیسات مکا نیکی
در فصل تا بستان در سا ختمانهای فاقد تا سیسات مکانیکی خنک کنده افزایش مقا ومت حرارتی مصالح دیوار های خار جی و سقف با عث کا هش عبور حرارت از سطوح خار جی به دا خل در روز از سطوح دا خلی به خار ج در شب می شود البته تاثیر افزایش مقا ومت حرارتی مصالح دیوار ها از طریق افزون لایه ای عایق در وضعیت حرار تی هوا ی دا خلی به محل قرار گر فتن لایه ی عایق حرارتی در دیوار بستگی دارد
در مواردی که برای جلو گیری از عبور حرارت ازدا خل یک دیوار لایه های عایق حرارتی مورد استفاده قرار می گیرند اگر این لایه ها در سطو ح خا رجی دیوار به کار می روند تا ثیر شان بیشتر از مو اقعی که در سطوح دا خلی دیوار نصب شوند
رنگ سطح خار جی دیوار های یک سا ختمان در مقدار حرارت جذب جذب شده در دیوار و در نتیجه و ضعیت حرارتی هوای داا خلی آن تاثیر دارد اگر رنگ سطح خارجی دیوار ی تیره باشد به شدت گرم تر از هوای اطافش می شود و در اثر انتقال حرارت از دیوار سطح دا خلی آن نیز گرم می شود در این حالت افزایش مقا ومت حرارتی دیوار ها تا ثیر کا ملا ً متفا وتی نسبت به قبل دارد در این شرایط به دلیل نزدکی به بودن به دمای سطو ح خارجی به دما یهوا یاطراف حررات به میزان بسیار کمی از میان جدار های خار جی سا ختمان عبور می کند در نتیجه مقا ومت حرار تی دیوار ها و سقف سا ختمانها تا ثیر چندانی در و ضعیت حرارتی هوای دا خلی آن ندارد در این حالت مقا ومت حرارتی بیشتر با عث بالا بردن حدا اقل دمای روزانه هوای دا خلی می شود تا پایین آوردن حدا اکثر دمای آن در نمودار های شکل 3-17 نتیجه ای آزمایش های که به منظور بررسی تا ثیر مقا ومت حرراتی در دمای سطح دا خلی صفحات افقی سا خته شده از آزبست و سیمان ا نجام شده نشان داده شده است رنگ سطح خا رجی این صفحات سیاه و ضخا مت آنها 2 سا نتی متر بوده است یکی از این دیوار ها بدون عایق است در سطح زیرین بقیه آنها عایق هایی از جنس پلی استیرن منبسط شده به ضخا مت های 1.7.5.3.1 سا نتی متر نصب شده و به همین دلیل مقا ومت حرارتی آنها بدون افزایش ظر فیت حرارتی شان ا فزایش یا فته است در این نمودار ها برای مقا یسه دمای دا خلی یک صفحه ا فقی سفید رنگ نیز نشان داده شده است
در آزمایش دیگری که نتایج آن بر روی نمودارهای شکل 3-18 نشان داده شده است تا ثیر افزون مقا ومت حرارتی به صفحاتی ا فقی با همان مشخصات قبلی که فقط رنگ سطح خارجی آنها به سفیدتغییر یا فته مورد برسی قرار گر فته است هما نطور که در نمودار های این شکل دیده می شود در این شرایط حتی با شرایط تا بش شدبدآفتاب در یک روز تا بستانی حدا اکثر دمای سطح دا خلی صف حات به نسبت افزایش ضخا مت لایه ای عایق افزایش یا فته است
فقط در منا طقی که دا منه نوسان دمای هوا حدود 10 در جه سا نتی گرا د یا بیشتر رطوبت هوا تا حدی پایین است که امکانایجاد شرایط اسایش در دا خل بدون استفاده از تهویه طبیعی و جوددارد که مقدار آن را با در نظر گر فتن رنگ سطح خا رجی دیوار ها و شرایط تهویه طبیعی می توان تعیین کرد افزایش مقا ومت حرارتی بیش از این تا ثیر چندانی در کنترل و تعدیل شرایط حرارتی هوای دا لی سا ختمان ندارد.
در مناطق گرم تنظیم مقا ومت حرارتی دیوار های خا رجی سا ختمان به تنهایی برای اصلاح شرایط حرارتی هوای دا خلی بدون درنظر گرفتن و استفاده از ظر فیت حرارتی مصالح محدود به مناطقی است که حدااکثر دمای هوا را از 30 در جه ای سا نتی گراد تجا وز نکند این محدودیت به این دلیل است که امکان کا هش گرمای روزانه هوا ی دا خلی سا ختمان در صورتی که دارای مصال حی سبک با ظر فیت حرارتی کم باشد بسیار اندک است
تا بش آفتاب بر انوا ع بام
بام تاثیر پذیر ترین جز سا ختمان در برابر عومل اقلیمی است تا بش آفتاب در تابستان و بارش برف و باران در زمستان بیشتر بر بام سا طع کردن پرتو های با طول مو ج بلند از خود سریع تر و بیشتر از دیوار ها حرارت خود را از دست می دهد به همین دلیل در منا طق سرد یا در فصل زمستان بام سا ختمان عمده ترین عا مل اتلاف حررات دا خل است
البته میزان انتقال حرارت ،به مقاومت حرارتی مصالح بام بستگی دارد.همچنین در فصل زمستان،بام مشکلات خاصی از نطر تعریق ایجاد می کند.
درهوای گرم نیز،هوای داخلی ساختمان تحت تاثیر گرمای بام قرار می گیرد .میزان این تاثیربه جزئیات طرح ساختمان بستگی دارد.در مناطق بسیار گرم این باور وجود دارد که بام،عامل اطلی گرم کننده ی هوای داخلی ساختمان است.البته این مسئله در بیشتر موارد صحیح است.ولی دلیل آن،طرح غیر اصولی بام است.همانطور که در بعد مطرح خواهد شد.بام را می توان به صورتی طراحی کرد که تاثیر چندانی در گرم کردن هوای داخلی ساختمان نداشته باشد.
سطح خارجی بام معمولاً تحت تاثیربیشترین میزان نوسان دمای هوا وتابش آفتاب قرار دارد.البته میزان تاثیر این نوسان تاحد زیادی به نوع بام ورنگ سطح خارجی آن بستگی دارد.
به طور کلی بام ها را می توان به دو دسته تقسیم کرد
1-بام های یکپارچه یا ترکیبی سنگین
2-بام های یک لایه یا دو لایه ی سبک(بام وسقف)که بوسیله هوا از هم جدا شده اند در این قسمت نخستین ویژگی هریک از این دونوع بام می پردازیم وسپس تاثیر ار تفاع سقف در حرارت هوای داخلی را مورد بررسی قرار می دهیم.
تاثیر ضخامت و مقاومت حرارتی بام های سخت و یکپارچه در شرایط هوای داخلی یک شاختمان با تاثیر رنگ سطح خارجی سطح بام ارتباط داشته، به نوسان درجه حرارت هوای روزانه نیز بستگی دارد. در مقایسه با نوسان دمای سطح خارجی بام، نوسان دمای سطوح داخلی به دلیل عملکرد مصالح بام کاهش می یابد. این کاهش با افزایش ضخامت و مقاومت حرارتی مصالح بام متناسب است.
تاثیر افزودن لایه های عایق حرارتی گوناگون به بام در دمای سقف، طی مجموعه آزمایش هایی مورد بررسی قرار گرفته و نتایج زیر بدست آمده است.
ضخامت بام و ارتباط آن با مقاومت حرارتی
تاثیر افزودن عایق های حرارتی گوناگون در حداکثر دمای سقف برای انواع مختلف این نوع عایق ها تقریباً یکسان است و باعث کاهش حداکثر دمای سقف به میزان حدود 5 درجه ی سانتیگراد می شود.
در مورد حداقل دما، رنگ سفید براق موثرتر است و باعث می شود سقف در حد بام های عایق نشده (که با ساطع کردن پرتو با طول موج بلند ممکن است به سرعت خنک شوند) خنک شود. در حالی که افزودن عایق حرارتی به بام باعث کاهش میزان خنک شدن بام هنگام شب و در نتیجه افزایش حداقل دمای سقف می شود.
در این بررسی، مقایسه ی حداکثر دمای بام آجری با سطح خارجی سفید براق و بام بدون عایق نشان می دهد که هرچه مقاومت حرارتی مصالح بام افزایش یابد، رنگ سفید تاثیر کمتری در کاهش حداکثر دمای سقف خواهد داشت. سفید کردن بام با عایق حرارتی، فقط یک درجه ی سانتیگراد حداکثر دمای آن را کاهش می دهد. در حالی که این کاهش دما برای یک بام بدون عایق حرارتی حدود 5 درجه سانتیگراد است.
البته تاثیر لایه های عایق با افزایش ضخامت آنها رابطه ی مستقیم ندارد. برای مثال، یک لایه 6 سانتیمتری عایق حرارتی از نوع SEA SHELL حدود 5 درجه سانتیگراد، حداکثر دمای سقف را کاهش می دهد، ولی یک لایه 12 سانتیمتری از همین عایق، حدود 6 درجه سانتیگراد دما را کاهش می دهد. یعنی دو برابر کردن ضخامت عایق فقط به میزان 5/1 تاثیر آن را افزایش می دهد.
در مناطقی که درجه حرارت هوا نوسان کمتری دارد (یعنی حدود 5 تا 8 درجه سانتیگراد)، با وجود اینکه حداکثر دمای سقف یک بام سفید رنگ با افزایش ضخامت و مقاومت حرارتی آن تقریباً تغییر نمی کند، ولی افزودن عایق حرارتی باعث افزایش حداقل دمای سقف می شود و به طور نسبی، میانگین دمای آن را افزایش می دهد. بنابراین اگر در مناطق گرم دمای روزانه ی هوا کمتر از 22 درجه سانتیگراد باشد، استفاده از ضخامت زیاد و مقاومت حرارتی در فصل تابستان موثر نیست، ولی در فصل زمستان رای بالا نگهداشتن حداقل دمای داخلی و تامین آسایش ساکنین، مقدار کمی مقاومت حرارتی لازم است.
اگر رنگ سطح خارجی بام تیره باشد، تاثیر ضخامت و عایق حرارتی مصالح بام در شرایط هوای داخلی ساختمان بسیار متفاوت است. از آنجا که سطوح خارجی تیره رنگ در روز بسیار بیشتر از هوای خارج و داخل ساختمان گرم می شوند. در این حالت، مقاومت حرارتی مصالح بام عامل تعیین کننده ی دمای روزانه ی سقف و مقدار انتقال حرارت از بام به داخل ساختمان است.
در مناطقی که نوسان روزانه ی درجه حرارت هوا زیاد و دمای آن از 33 درجه سانتیگراد بیشتر است، حتی زمانی که رنگ سطح خارجی بام سفید است. برای جلوگیری از انتقال بیش از حد حرارت از خارج به داخل که در اثر اختلاف دمای هوای داخل و خارج ساختمان ایجاد می شود. بهتر است مقاومت حرارتی مصالح بام افزایش یابد. بنابراین مقدار عایق حرارتی مورد نیاز برای بام به رنگ سطح خارجی آن بستگی دارد.
محل عایق حرارتی بام
محل عایق حرارتی در بام یکپارچه یا ترکیبی سنگین ـ به ویژه اگر رنگ سطح خارجی بام تیره باشد ـ تاثیر فراوانی در تامین و دوام شرایط آسایش برای ساکنین ساختمان در فصل تابستان دارد.
هنگامی که عایق حرارتی روی بتن قرار داده شود، به دلیل روشن بودن سطح خارجی و خصوصیت جنس این عایق تا حد زیادی از نفوذ حرارت در طول روز به داخل بتن جلوگیری شده، مقداری از حرارت عبور کرده از لایه ی عایق در بتن جذب می شود و دمای آن را کمی افزایش می دهد، ولی اگر عایق حرارتی زیر بتن بام قرار داده شود، لایه بتنی حرارت زیادی را جذب می کند (دمای سطوح تیره رنگ تا 22 درجه سانتیگراد نسبت به دمای هوا افزایش می یابد) و چون مقاومت حرارنی آن کم است، دمای سطح زیر بتن در سطحی نزدیک به دمای سطح خارجی آن نوسان می یابد. بنابراین سطح فوقانی لایه ی عایق به شدت گرمتر از هوای داخل می شود و در این حالت ـ علیرغم وجود مقاومت حرارتی ـ به دلیل کم بودن ظرفیت حرارتی لایه ی عایق، حرارت به اندازه ی کافی از آن عبور می کند تا دمای سطح داخلی را افزایش دهد. بنابراین در این حالت، دمای سقف و مقدار حرارت انتقال یافته به داخل ساختمان از طریق بام، بیشتر از زمانی است که لایه ی عایق در سطح خارجی بام قرار داده شود.
قرار دادن لایه ی عایق حرارتی بام در سطح فوقانی بتن و زیر عایق رطوبتی و پوشش تیره رنگ (مانند آسفالت) باعث می شود لایه فوقانی (عایق رطوبتی) به شدت داغ شود. این گرمای زیاد باعث تاول کردن آسفالت و بخار شدن مواد نفتی فرار آن می شود. اگر عایق حرارتی از جنسی باشد که بخار در آن نفوذ نکند (مانند پشم معدنی یا بتن سبک)، بخار در قسمت فوقانی آن و سطح زیرین عایق رطوبتی جمع می شود. این رطوبت هنگام شب به شبنم و هنگام روز به بخار تبدیل می شود و فشارهای ناشی از این تغییر شکل باعث ایجاد تاول هایی در این لایه و در نتیجه، پاره یا کنده شدن عایق رطوبتی از سطح زیرین خود می شود. به همین دلیل سطح خارجی بام در مناطق گرم ـ حتی وقت بام به طور کامل عایق شده باشد ـ حتماً باید به رنگ روشن باشد.
در مناطق سرد بهتر است تمام اتاق هایی که با وسایل مکانیکی گرم می شوند، دارای عایق حرارتی باشند. این عایق باید روی بتن بام و زیرعایق رطوبتی قرار داده شود. البته برای خارج کردن بخار ایجاد شده بین عایق رطوبتی و عایق حرارتی باید تدابیر لازم اندیشیده شود.
تاثیر عایق حرارتی
در افریقای جنوبی در مورد تاثیر عایق حرارتی در خصوصیات حرارتی بام های سبک دو لایه، مطالعات و آزمایش هایی بر روی یک ساختکان آجری کامل با بام دو جداره که لایه ی خارجی آن از ورق آهن گالوانیزه موج دار و لایه ی خارجی آن از ورق های پلاستر بوده، انجام شده است. عایق هایی که در این آزمایش ها مورد استفاده قرار گرفته عبارتند از: ورق فلزی براق که زیر تیرهای سقف نصب شده، پشم معدنی به ضخامت 2، 4 و 6 اینچ و عایق پوکه ی مصنوعی به ضخامت 1 و 2 اینچ که به طور مستقیم بر روی سقف قرار داده شده است. نتیجه ی این آزمایش ها نشان می دهد که تاثیر عایق یک اینچی حدود یک دوم عایق 6 اینچی است و تاثیر عایق 4 و 6 اینچی تفاوت چندانی ندارند. تاثیر ورق های منعکس کننده نیز به اندازه ی عایق 3 اینچی پشم معدنی است. این نتایج، همچنین نشان می دهد که اگرچه اضافه کردن عایق باعث افزایش حداقل دمای هوای داخلی می شود، ولی تاثیر آن در پایین آوردن حداکثر دما بسیار بیشتر است.
میزان تاثیر عوامل اقلیمی بر ساختمان
ویژگی های طرح و مصالح بکار رفته در هر ساختمان، در عکس العمل های آن ساختمان در برابر عناصر اقلیمی پیرامونش تاثیر فراوانی دارد. میزان انرژی خورشیدی جذب شده یا نفوذ یافته در ساختمان، دمای هوا و سطوح داخلی و … به این ویژگی ها بستگی دارد.
روش کنترل حرارت خورشیدی
روش های کنترل حرارت خورشیدی را می توان به سه گروه تقسیم کرد:
جلوگیری از تابش آفتاب
انعکاس
جهت و مساحت سطح پنجره.
روش های جلوگیری از تابش آفتاب شامل درخت ها، پیش آمدگی بالای ساختمان و پانل هایی که در بالای دیوارها و سقف نصب شده اند، می باشند. اینها معمولاً موثرترین و مطلوب ترین روش های کنترل حرارت خورشید هستند، به شرط آنکه در مواقع ضروری (مانند زمستان) مانع از ورود نور خورشید نشوند. در مناطق شمالی که پوسته ساختمان ها معمولاً به خوبی ایزوله شده اند و قادرند که در برابر انتقال حرارت مقاومت کنند (جریان حرارت خورشیدی اضافی)، سایه بان ها غالباً تنها مکانیزم کنترل حرارت خورشیدی هستند.
در نواحی جنوبی (نزدیک استوا) که پوسته ساختمان ها ایزوله نیستند و دمای هوا از محدوده مطلوب و آسایش انسانی تجاوز می کند، نیاز به انعکاس حرارت خورشید از روی پوسته ساختمان ها مکمل مهمی برای سایه بانهاست. در تمام نواحی، سطح و جهت شبکه بندی پنجره ها، بخصوص در مورد پنجره هایی که نمی توان برای آنها سایه بان تدارک دید، از اهمیت بسیاری برخوردار است. البته شکل و جهت پوسته ساختمان در مناطق خیلی گرم مهم است، اما در مقابل افزایش حرارتی پوسته بنا، از اهمیت آن کاسته می شود.
مقدار حرارت انتقال یافته به فضاهای داخلی را می توان با کاهش دادن نور بوسیله خود شیشه انجام داد. این کار با استفاده از شیشه های رنگی یا شیشه های جاذب حرارت و یا شیشه هایی با حفره هایی پر از آب انجام می شود. از مشکلات این روش آن است که اگر داخل بنا تهویه نشود، دمای شیشه بطور فاحشی بالا می رود و قسمت اعظم این گرما از طریق تابش و جابجایی حرارت از سمت داخل شیشه به درون ساختمان انتقال می یابد.
پوسته حرارتی (زمستان)
بسیاری از روش های طراحی محیطی برای ذخیره انرژی حرارتی بر اساس عایق بندی فضای داخلی در مقابل آب و هوای سرد زمستان است.
کاهش سطوح خارجی دیوار و بام (نسبت سطح خارجی به حجم محصور)
استفاده از فضای زیر بام شیب دار به عنوان فضای حائل بین هوای داخل و خارج
استفاده از زیرزمین با فضای گربه رو به عنوان منطقه حائل بین فضای داخلی و زمین
جهت استفاده از زیرزمین با فضای گربه رو به عنوان منطقه حائل بین فضای داخلی و زمین
منابع حرارتی را در مرکز ساختمان قرار دهید.
از هشتی و یا دیوار بادشکن در قسمت ورودی ساختمان استفاده شود.
طراحی فضاهای ثانوی مانند انبار، تاسیسات و گاراژ به عنوان فضای حائل
تقسیم داخلی ساختمان به دو قسمت سرد و گرم.
استفاده از عایق حرارتی در پوسته ساختمان جهت مقاومت در برابر جریان حرارت
نصب عایق حرارتی جهت کنترل انتقال رطوبت
دقت در جزئیات اجرایی ساختمان برای کم کردن نفوذ هوا از خارج به داخل و برعکس
انتخاب مصالح با ظرفیت حرارتی زیاد
برای کنترل جریان حرارتی در پوشش ساختمان برای پنجره ها عایق حرارتی درنظر بگیرید.
بازشوها را در جهت های شمالی، شرقی و غریی به حداقل برسانید.
جزئیات درب و پنجره را طوری طراحی کنید تا مانع از ورود یا خروج ناخواسته هوا شوید.
جهت فضاهای خاص و وسایل مکانیکی از دریچه های ت
استفاده از فضای زیر بام شیب دار به عنوا ن فضای حائل بین هوای داخل و خارج
جهت استفاده مجدد از حرارت بنا، از کانال های عمودی هوا استفاده شود (بصورت مکانیکی یا طبیعی)
جهت استفاده مجدد از حرارت بنا، از کانال های عمودی هوا استفاده شود (بصورت مکانیکی یا طبیعی)
استفاده از حرارت خورشید در بنا دو مشخصه دارد: اول اینکه حرارت خورشید در طی شبانه روز به یک میزان نیست و دوم، درجه این حرارت کم می باشد. بنابراین بهتر است حرارت اضافی در روز جهت استفاده مجدد ذخیره شود.
ذخیره، توزیع و استفاده صحیح از حرارت اهمیت ویژه ای دارد. استفاده مجدد از هوای بیش از حد گرم شده و حرارت ایجاد شده توسط وسایل مکانیکی و برقی خانه مانند اجاق گاز، یخچال و غیره و همچنین استفاده از حرارت زمین توسط قرار دادن کانال های ورودی هوا در داخل زمین (زیرا حرارت زمین در زمستان بیشتر از هوای خارج است) همه در بهبود سیستم حرارتی خانه می توانند موثر باشند.
حفظ حرارت
به جای تخلیه هوای گرم به خارج بنا، می توان حرارت این هوا را در یک مخزن حرارتی (مانند انبار قلوه سنگ) ذخیره کرد. با ایجاد یک فضای عمودی بلند مانند راه پله، می توان هوای گرم از بالای این فضا را جهت استفاده مجدد به داخل ساختمان انتقال داد. بهتر است انبار ذخیره حرارتی در زیر کف ساختمان باشد تا حرارت در قسمت های پایین ساختمان نیز تامین شود و حرارت انبار ذخیره از طریق کف به اتاق منتقل شود.
جهت جلوگیری از اتلاف حرارت از طریق بدنه خارجی ساختمان، توجه ویژه ای باید نسبت به نحوه نصب و نوع عایق های حرارتی و کیفیت دریچه های هوا مبذول شود.
استفاده مجدد از گرمای وسایل حرارتی
شومینه ها و بخاری ها حرارتی زیادی تولید می کنند که قسمت اعظم آن از طریق دودکش به هدر می رود. با نصب لوله های آب یا کانال های هوا در اطراف شومینه یا بخاری، می توان حرارت را به انبار ذخیره حرارتی انتقال داد. لوله های آب نصب شده در اطراف شومینه دیواری این ساختمان حرارت را به یک تانک آب که خوب ایزوله شده انتقال می دهد. عملکرد این سیستم به قدری خوب است که حتی زمانی که داخل شومینه کاملاً سرد شده، حرارت همچنان در تانک آب حفظ می شود.
در این ساختمان نیز کانال برگشت هوا (هوای گرم اضافی) ابتدا از داخل تانک آب عبور می کند و سپس در زیر ساختمان حرارت آن به قلوه سنگ ها منتقل می شود. مصالح کف بنا به گونه ای است که حرارت را از انبار ذخیره حرارت به راحتی به داخل اتاق منتقل می کند و حتی اگر دمای انبار حدود 80 درجه فارنهایت باشد، آسایش در داخل اتاق فراهم خواهد بود.
بعضی از شومینه ها جریان هوا را به چند اتاق انتقال می دهند. این جریان هوا را می توان به یک مخزن حرارتی مانند قلوه سنگ و یا سطح زیر کف اتاق انتقال داد تا از این حرارت به صورت موثری در طول زمان استفاده شود.
منابع حرارتی را در مرکز ساختمان قرار دهید.
استفاده از مواد با ظرفیت حرارتی زیاد جهت ذخیره حرارت خورشید
اگر حرارت به یک مخزن حرارتی مانند انباری از قلوه سنگ هدایت شد، قابلیت ذخیره سازی سیستم کسب غیرمستقیم افزایش خواهد یافت. با این کار می توان ظرفیت منبع ذخیره حرارت در بین دو فضا را کاهش داد و یا حذف کرد. این اساس کار «زیر بام خورشیدی» است که در آن فضای زیر بام به عنوان کلکتور خورشیدی عمل می کند.
روش دیگر اتصال یک گلخانه به فضای مسکونی است که دیوار بین این دو فضا باید شیشه ای باشد. اگر یک پرده کلفت در قسمت گلخانه روی دیوار شیشه ای قرار گیرد، در آن صورت سیستم می تواند هم به صورت مستقیم و هم غیرمستقیم و یا ذخیره حرارت در مکان دور حرارت خورشید را حفظ کند.
استفاده از مواد با ظرفیت حرارتی زیاد جهت ذخیره حرارت خورشید
ایجاد نواحی داخلی آفتاب گیر جهت استفاده حداکثر از حرارت خورشید
ایده کلی اتاق های رو به جنوب جهت استفاده غیرفعال از حرارت خورشید می تواند یک مرحله فراتر رفته و با طراحی اتاق های خورشیدی و یا حیاط مرکزی، حداکثر استفاده از حرارت مستقیم خورشید بشود.
استفاده از چنین فضاهایی به منظور اتاق خواب یا آشپزخانه مناسب نخواهد بود، ولی می توان از آن به عنوان اتاق نشیمن، فضای بازی و یا گلخانه (با امکان فعالیت در آن) استفاده کرد. حرارت کسب شده در اتاق خورشیدی را می توان به سایر اتاق ها و یا یک منبع ذخیره حرارتی از طریق جابجایی طبیعی و یا پنکه انتقال داد.
اکثر پیمانکاران ساختمانی اتاق خورشیدی یا اتاق فلوریدا را می شناسند. سایر فضاهای خورشیدی می تواند حیاط مرکزی با سقف شیشه ای، گلخانه مرکزی یا گلخانه متصل، اتاق های آفتابگیر با پنجره های بزرگ رو به جنوب و یا نورگیر وسیع روی بام باشد.
از آنجایی که اکثر شیشه ها حرارت زیادی از دست می دهند، لذا سطوح این شیشه ها باید در شب هنگام با عایق پوشیده شود. این مطلب خصوصاً در مناطق شمالی مهم است. در نواحی گرمتر ضرورت استفاده از عایق حرارتی کمتر است. هم اکنون تحقیقات در مورد شیشه های جدید به نام آیینه حرارتی جهت فضاهای خورشیدی انجام می شود. این شیشه ها نور خورشید را به خوبی از خود عبور می دهند، ولی جلوی انتقال حرارت تابشی ایجاد شده از داخل به خارج را می گیرند.
در مورد گلخانه های متصل به خانه باید توجه ویژه ای مبذول شود. از آنجایی که اغلب گلخانه های پیش ساخته و یا حتی آنهایی که در محل طرح و اجرا می شوند، عایق بندی مناسبی ندارند، در نتیجه نمی توانند مقدار زیادی از حرارت خورشید را در خود حفظ کنند. مقدار حرارتی که از گلخانه های متصل کسب می شود، کمتر از پنجره ای خواهد بود که اندازه آن به اندازه سطح اتصال گلخانه و خانه می باشد. به خاطر اینکه در حقیقت گلخانه روی دیوار بین دو فضا سایه می اندازد.
مزیت فضای خورشیدی که از خانه جداست، این است که در روزهای آفتابی دمای این فضا می تواند از درجه حرارتی که انسان در آن احساس آرامش می کند، بالاتر رود. لذا به طور موثرتری از این حرارت جهت ذخیره می توان استفاده کرد و در عین حال حرارت این فضا می تواند از دمای آسایشی انسان پایین تر رود، بدون آنکه احتیاج باشد حرارت این فضا را تامین کرد. به علاوه اتاق فضای مسکونی خانه را نیز افزایش می دهد.
قرار دادن کف ساختمان روی زمین جهت تبادل حرارتی با زمین