بررسی تاثیر بار برودتی و حرارتی بام سبزمرتبط با آتریوم بر مدیریت انرژی فضاهای آموزشی اقلیم سرد

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دوره نوزدهم،ویژه نامه شماره 5 ، تابستان1396

بررسی تاثیر بار برودتی و حرارتی بام سبزمرتبط با آتریوم بر مدیریت انرژی فضاهای آموزشی اقلیم سرد

کاوه شکوهی دهکردی [1]

 مریم فرهادیان [2]*

m.farhadian@std.iaushk.ac.ir

چکیده

زمینه و هدف: فضاهای آموزشی ایران با جمعیت دانش‌آموزی حدود 12 میلیون نفر و رده پایین 75 درصدی مدارس در بحث مدیریت انرژی یکی از کاربری‌های اصلی هدر دهنده انرژی می‌باشند و این در حالی است که جمعت دانش‌آموزی ایران در حال گسترش و ذخایر انرژی تجدید ناپذیر در حال نابودی هستند. لذا ارایه پیشنهادهای مدرن در استفاده از منابع تجدید پذیر به‌عنوان منابع جایگزین در طراحی فضاهای آموزشی ایران یکی از ملزومات اساسی در جهت توسعه‌های آتی این کاربری است.از این ‌رو در پژوهش حاضر با معرفی معماری سبز به ‌عنوان یک منبع تجدید پذیر انرژی، مدل مدارس سبز با پوشش بام سبز در ارتباط با آتریوم با دریچه‌های قابل‌کنترل ارایه‌شده و تأثیر بار برودتی و حرارتی بام‌های سبز مرتبط با آتریوم در تهویه هوای تابستان و کنترل تلفات حرارتی زمستان در یکی از اقلیم‌های سرد ایران نسبت به نمونه مدارس متداول بررسی ‌شده است.

روش بررسی: در این مقاله که به‌صورت توصیفی- تحلیلی است، ابتدا مدل مدارس سبز با بام سبز در ارتباط با آتریوم به ‌صورت فرضی به ‌عنوان مدل مناسب در صرفه‌جویی در مصرف منابع تجدید پذیر پیشنهاد شد و سپس این مدل به کمک نرم‌افزارcarrier Hap"" ( از پیشرفته‌ترین نرم‌افزارها در بحث بارهای برودتی و حرارتی که آنالیزهای آن مورد تایید شورای ساختمان‌های سبز آمریکا یا LEED هست) در شهر شهرکرد به‌عنوان نمونه شهری از ایران با اقلیم سرد  شبیه‌سازی شد و در ادامه مقایسه‌ای بین بارحرارتی و برودتی حاصل از مدل پیشنهادی با بار حرارتی و برودتی مدل متداول ساخت مدارس در این اقلیم انجام گرفت.

یافته‌ها: نتایج این پروژه مزیت استفاده از بام سبز  در بهبود بار حرارتی  در زمستان و بار برودتی در تابستان در مدل کلاس‌هایی با بام سبز در ارتباط با آتریوم را نسبت به کلاس‌هایی با بام‌های 40سانتی متری معمولی و یا بام‌های 66سانتی متری هم ضخامت با بام سبز در صرفه‌جویی در مصرف انرژی در تابستان و زمستان نشان داد، به‌نحوی‌که با ایجاد مدارس با بام سبز مرتبط با آتریوم در عین حفظ ارتباط دانش آموزان با طبیعت و استفاده از این پوشش به‌عنوان فضای کمک‌آموزشی به ترتیب به میزان  (63،85) درصد در زمستان و (95،99) درصد در تابستان نسبت به بام معمولی 40 سانتی‌متری  و بام 66 سانتی­متری هم ضخامت با بام سبز  صرفه‌جویی در مصرف انرژی رخ می‌دهد.

واژه­های کلیدی: بار حرارتی و برودتی،مدیریت انرژی،بام سبز مرتبط با آتریوم،فضاهای آموزشی.

  Investigating the effect of Atrium-related Green Roof Cooling and Heating loads on Energy Management in Pedagogical Spaces in Cold Climate

Kaveh Shokoohi Dehkordi[3]

Maryam Farhadian [4]*

m.farhadian@std.iaushk.ac.ir

Abstract

Background and Objective: Educational spaces in Iran, with a student population of about 12 million people and lowgradedness of 75% of schools in terms of energy management, are one of the most energy wasting applications. Adding to this is the developing student population and non-renewable energy reserves which are under distruction. Therefore, it is essential to bind to modern proposals for the use of renewable energy sources as alternatives for designing educational spaces in Iran to step towards further development of this application. In this study, in line with the introduction of green architecture as a renewable source of energy, the green schools model covered with a green roof in connection with atrium has been presented. Moreover, the impact of atrium-related green roof cooling and heating loads on energy management in pedagogical spaces in Sharekors as one of the cold climate regions of Iran has been investigated.

Method: In the present study, which is descriptive-analytic, suggested a synthetic model of atrium- related green roof has been suggested as a strategy for energy saving in pedagogical. For studying the heating load in summer and cooling load in winter, three classrooms in Shahrekord as an example of cold climate region in Iran were simulated by Carrier Hap software (Hourly Analysis Program, one of the most modern softwares for heat transfer analysis whose results of are accepted by the U.S Green Building Council or LEED).

Findings: The results of this project showed the advantage of using  green roofs for improvement of heating load in the winter and cooling load in summer in the classes with atrium-related green roofs  over the classes with 40-cm and 66-cm  conventional roofs .

Keywords: Cooling and heating loads, Energy management, Atrium related green roof, Pedagogical Spaces.

مقدمه

با افزایش قیمت حاملان انرژی امروزه برنامه‌ریزان ساخت مدارس بیش از گذشته به امر صرفه­جویی در انرژی در مدارس توجه دارند، چرا که در چند دهه آینده ما شاهد افزایش جمعیت دانش­آموزی خواهیم بود  و این در حالی است که هرروزه ما با کاهش حاملان انرژی روبه‌رو هستیم. درواقع امروزه هزینه‌ای که مدارس صرف حاملان انرژی می­کنند، 25 درصد از هزینه­هایی که  در مدارس صرف کتاب­های درسی و تأسیسات کامپیوتری می­شود بیشتر است و این نکته لزوم توجه به بحث انرژی در مدارس را آشکار می­سازد(1). در آمریکا بالغ ‌بر 6 میلیارد دلار در سال صرف حاملان انرژی در مدارس می­شود (2).این در حالی است که بامطالعه‌ی­که­در سال 1997بر روی 2000مدرسه کشور ایران در اقلیم­های مختلف ،مشخص­شد 75 درصد مدارس دررسیدن به شاخص استفاده از حاملان انرژی در رده پایین‌تری از شرایط خوب قرار­داشتند و تنها 25 درصد مدارس دارای شاخص خوب در مصرف انرژی بودند. (3) راه‌حل کارا در بحث صرفه‌جویی مصرف انرژی با حفظ ذخایر موجود استفاده از معماری سبز بود که در اواخر سال 1982بر پایه قطع­نامه مجمع عمومی سازمان ملل جایگاه خاصی در طراحی معماری گرفت(4). این نمونه معماری درون مثلثی در نظر گرفته شد که در رأس آن انرژی و اقلیم و اکولوژی قرار داشت و هر یک از این عوامل در شرایط خاص بر دیگری ارجحیت یافتند و درنتیجه برهم‌کنش هر سه عامل معماری سبز به وجود آمد.(5)به‌طورکلی اصول معماری سبز را می‌توان در غالب پنج بخش شامل:1.اصول اقتصادی ،2.زیست‌محیطی -اقلیمی،3.کالبدی -فضایی،4.اجتماعی -فرهنگی و5. فنی دسته‌بندی نمود (6) که از مهم‌ترین این بخش­ها، بحث زیست‌محیطی اقلیمی است، یعنی به حداقل رساندن مصرف منابع انرژی و هماهنگی هرچه بیشتر با طبیعت.(7) ازآنجایی‌که بام‌ها و دیوارهای مدارس یکی از سطوح اصلی کنترل نشده در بحث انرژی هستند و بالغ‌بر70 درصد انرژی گرمایشی مدارس از طریق بام­ها  و دیوار­ها هدر می­رود (8)  این سؤال اصلی درزمینه­ی پژوهش حاضر مطرح می‌شود که با ارایه پیشنهادهایی در خصوص سبز سازی فضای پشت‌بامی در عین ارتباط دانش آموزان با طبیعت و نیز کنترل شرایط انتقال حرارت دیوارهای خارجی با ایجاد آتریوم­هایی در مقابل این فضاها در ارتباط با بام سبز، آیا می‌توان از این فضاها به‌عنوان سیستم‌های برودتی و حرارتی در تابستان و زمستان در جهت مدیریت انرژی و صرفه‌جویی در مصرف انرژی استفاده نمود؟ در این­جا این سیستم به‌عنوان یک سیستم ترکیبی بام سبز و آتریم[5] در نظر گرفته‌شده که فضای آتریومی می­تواند نور طبیعی و فضای حفاظت‌شده‌ای از باد و باران را همراه با تسهیل دسترسی­ها و وجود پوشش سبز در اختیار دانش آموزان قرار دهد.حال آنکه یک آتریوم خود به‌تنهایی به روش­های مختلف باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی می­شود:1.آتریوم به‌عنوان یک فضای حایل که دارای دمای ثابت 15 تا 18 درجه سانتی‌گراد‌است. 2.آتریوم با جرم ذخیره‌ساز انرژی 3.آتریوم با فضای سبز که موردتوجه بحث حاضر است(9)و (10). در اقلیم­های سرد آتریوم­ها نقش یک متعادل‌کننده هوا را ایفا خواهند نمود به‌طوری‌که در زمستان پرتوهای خورشید با طول‌موج‌های بلند از شیشه آتریوم  عبور کرده و در اثر برخورد با کف و دیوار­های اطراف پرتو­هایی با طول‌ موج‌های کوتاه‌تر از فضای داخل ساطع می­کنند و ازآن­جایی‌که این طول‌موج‌ها در محدوده عبوری از شیشه نمی­باشند درنتیجه هوای گرم در محیط  داخل آتریم باقی خواهند ماند که باعث گرمی فضا در زمستان می‌شود . اما در تابستان با ایجاد تمهیداتی مانند باز کردن دریچه­های هواکش آتریوم ، هوای گرم به علت سبکی به سمت دریچه­ها حرکت می­کند و هوای خنک از سمت دیگر وارد فضا می­شود( مانند عمل­کرد یک بادگیر): ازاین‌رو همواره یک آتریوم با ایجاد بار حرارتی و برودتی مناسب باعث تعدیل دمایی در زمستان و تابستان خواهد شد. (11) اما بام‌های سبز[6]که در بحث موجود به‌عنوان سیستم ترکیبی با آتریم جهت بهبود تهویه برودتی و حرارتی و به‌عنوان یک عامل اساسی در مدیریت انرژی در مدارس پیشنهادشده ، به یک سیستم سبک سقفی گفته می­شود که از لایه­های پیش‌ساخته تشکیل‌شده و با بام ساختمان یک سیستم واحد را به وجود می‌آورند  و رشد گیاهان را در محیط کشت رویشی خاص ،در تمام و یا قسمت­هایی از بام میسر می­سازد .لایه کشت بام سبز با خاک معمولی متفاوت بوده و برای رویش گیاهان مختلف به عمق کمتری نیاز داشته و نسبت به بام‌های معمولی بسیار سبک‌تر است.(12)این نوع بام­ها بر اساس سیستم اجرایی برحسب عمق متوسط کشت و میزان تأسیسات موردنیاز به سه دسته اصلی: الف- سیستم گسترده،[7]ب- سیستم متمرکز ،[8]پ- سیستم مدولار یا جعبه گیاه،[9]  تقسیم می­شوند که دارای مزیت‌های بی‌شماری می‌باشند ازجمله کمک به بهبود جریان روان آب‌ها با اعمال پوشش زهکشی آبی در پوشش سبز و کمک به دفع آب‌های ناشی از بارندگی‌های فصلی(13) (14)و کاهش هدر رفت حرارت از سطوح بامی (15). هم­چنین استفاده از این نمونه بام‌ها در فضاهای آموزشی علاوه بر موارد بالا باعث پاسخ‌های مثبت رفتاری دانش آموزان مثل وابستگی مکانی و هویت مکانی (16) و به دست آوردن تجربه در ارتباط با طبیعت است، به‌نحوی‌که فقدان فضای باز[10]مناسب در مدارس و فضاهای ترکیبی یکی ازعوامل مهم در از دست دادن تماس کودکان با طبیعت می­باشد(17). پس تلاش برای تبدیل مدارس موجود با آسفالت به باغ‌های زیست‌محیطی با پشت بام­های سبز باعث ترویج رفتار فعال‌تر و دوستانه‌تر در دایره محیط‌زیست می­شود.از طرفی پیرو اصول زیست‌محیطی اقلیمی ، ایجاد یک محیط‌زیست طبیعی در عین حفظ ارتباط دانش آموزان با طبیعت می‌تواند باعث  رفع خستگی دانش آموزان و بازخورد مثبت آن‌ها  و عملکرد­های اجتماعی‌تر و کاهش اضطراب­های دانش آموزان شود(19)  علاوه بر موارد یادشده طبق مطالعات تیلور[11](18) و کاپلان[12](19)، وجود پوشش‌های سبز بر روی پشت‌بام‌های مدارس با ایجاد سطوح سبز وسیع و قابل‌دسترس برای دانش آموزان باعث بهبود راندمان کارایی معلمان  در جهت بهره‌وری از فضای سبز در بعد آموزشی و درنتیجه‌ بهبود عملکردهای آموزشی دانش آموزان می‌شود،  به‌نحوی‌که دانش‌آموزانی که در مدارس سبز با" پوشش بامی سبز"مشغول به تحصیل بودند نسبت به مدارس معمولی ساخته‌شده در آمریکا به مطالعات تجربی علاقه بیشتری نشان می‌دادند و درک آن‌ها از مسایل درسی نسبت به دیگر دانش آموزان بیشتر بوده است(20). اما چیزی که در طراحی پشت‌بام‌های سبز در مدارس از اهمیت زیادی برخوردار است، استفاده از این پوشش در تمامی اقلیم‌ها و در تمامی فصول است. شاید در ابتدای امر به نظر برسد که بام‌های سبز تنها مختص اقلیم‌های گرم و فصول گرم سال می‌باشند، اما مطالعات یانسی کوردن و همکاران [13]در سال2011 در دانشگاه آلبرتای شمالی نشان داد که پوشش‌های بام سبز مانند پوشش‌های عایق ریشه گیاهان بومی را از سرمازدگی حفظ می‌کند و درنتیجه گیاهان مناطق سرد عمر و دوام بیشتری در این نوع بام‌ها نسبت به زمین‌های معمولی خواهند داشت و هر چه عمق کاشت گیاهان بیشتر شود این گیاهان سازگاری بیشتری از خود نشان می‌دهند، به‌نحوی‌که حتی در زمستان بدون وجود پوشش‌های گل­خانه‌ای می‌توان گیاهان را از سرمازدگی حفظ نمود(21)و (22).

اهداف موردنظر در این پژوهش عبارت‌اند از:

-بهبود بار حرارتی و برودتی مدارس با پیشنهاد مدل بام سبز مرتبط با آتریوم در جهت مدیریت منابع انرژی و استفاده از منابع تجدید پذیر

-کاهش تلفات حرارتی از بام و دیوارهای مدارس با پیشنهاد سبز سازی پشت‌بام‌ها و استفاده از سیستم آتریومی مرتبط با بام سبز در مقابل جدارهای کنترل نشده کلاس‌ها به‌شرط بسته بودن دریچه‌های آتریوم در فصل زمستان

-کمک به بهبود تهویه طبیعی از طریق ایجاد پشت‌بام‌های سبز مرتبط با آتریوم به‌شرط باز بودم دریچه‌های آتریوم در فضای داخلی کلاس‌ها

- استفاده از سطوح وسیع بام سبز مرتبط با آتریوم  به‌عنوان فضای طبیعی کمک‌آموزشی در طراحی واحدهای آموزشی در تمامی فصول

روش پژوهش

 در این تحقیق فرضیه اصلی ، تأثیرگذاری مثبت مدل پیشنهادی بام سبز مرتبط با آتریوم در جهت بهبود بار حرارتی و برودتی در طراحی فضاهای آموزشی و درنتیجه بهبود مدیریت انرژی در این فضاها بود. براساس ماهیت اصلی پژوهش که به‌عنوان یک مطالعه توصیفی- تحلیلی است با شبیه‌سازی مدل پیشنهادی و مقایسه داده‌های حاصل از شبیه‌سازی با داده‌های حاصل از شبیه‌سازی مدل‌های معمول بام مدارس 40 سانتی­متری و 66 سانتی­متری هم ضخامت با بام سبز به کمک نرم‌افزار Carrier HAP4.5، این فرضیه بررسی شد . به این منظور در ابتدا  سه نمونه کلاس با پوشش بام سبز و پوشش بام معمولی 40 سانتی­متری و بام 66 سانتی­متری هم ضخامت با بام سبز در این نرم‌افزار شبیه‌سازی شد که برای این کار داده­های آب و هواشناسی 20 ساله شهرکرد به عنوان نمونه هدفمند شهری با آب و هوای سرد  برای فصل تابستان و زمستان  از ایستگاه سینوپتیک شهر [14]استخراج  و به نرم‌افزار داده شد:(جدول 1)

جدول 1- داده­های آب و هواشناسی 20 ساله  استعلام شده از نرم‌افزار carrier Hap

Table1- Meteorological data of the past 20 years extracted by Carrier Hap

در ادامه برای هر سه نمونه کلاس‌ها تعداد ثابت 30 نفر با مساحت42مترمربع متناسب با یک کلاس استاندارد در نظر گرفته‌شد و روشنایی‌های سقفی[15] برابر  3276 و تجهیزات الکتریکی [16]برابر  2108  متناسب با نمونه‌های اجراشده در مدارس شهرکرد برای هر سه مدل به مقدار ثابت مد نظر گرفته و بار برودتی[17]  آتریم به‌عنوان پارتیشن به ترتیب برابر   276 و  656 و  704 برای پوشش بام سبز و بام 40سانتی­متری و بام 66 سانتی­متری به‌شرط باز بودن دریچه­های آتریوم محاسبه گردید. هم­چنین  بار حرارتی[18] کلاس‌ها  که معرف میزان انتقال حرارت گرمایشی در فصل زمستان برای این کلاس‌ها است  برابر   569  به‌شرط بسته بودن دریچه‌های آتریوم در نظر گرفته شد" در این شبیه سازی ها  ضریب اطمینان [19]برابر 10 % برای فضای آموزشی به‌عنوان درصد تعریف‌شده ثابت در نرم‌افزار برای فضاهای آموزشی است"و داده‌های حاصل از بام‌های سبز و بام‌های 40سانتی­متری وبام 66 سانتی­متری  مطابق با شکل(1)و جزییات table (A-1).(B-1). (C-1) به نرم‌افزار داده شد و اعداد table A.B.C به دست آمد (شکل 1) (جدول 2و 3و 4).

شکل1-جزییات بام سبز و بام16و 66سانتی­متری معمولی

Figure 1- Details of green roof and typical 16- inch and 26-inch roofs

جدول2-داده­های حاصل از بار حرارتی یک کلاس با یک جداره در ارتباط با آتریوم با پوشش بام سبز حاصل از شبیه‌سازی با نرم‌افزارCarrier Hap

Table 2- Data resulted from heating and cooling process of a classroom in relation to atrium with green roof, simulated by Carrier Hap

جدول3-داده­های حاصل از بار حرارتی یک کلاس با یک جداره در ارتباط با آتریوم با پوشش بام معمولی 40سانتی­متری حاصل از شبیه‌سازی با نرم‌افزارCarrier Hap

Table 3- Data resulted from heating and cooling process of a classroom in relation to atrium with a typical 20-cm roof, simulated by Carrier Hap

جدول4-داده‌های حاصل از بار حرارتی یک کلاس با یک جداره در ارتباط با آتریوم با پوشش بام معمولی 66سانتی­متری حاصل از شبیه‌سازی با نرم‌افزارCarrier Hap

Table 4- Data resulted from heating and cooling process of a classroom in relation to atrium with a typical 66-cm roof, simulated by Carrier Hap

بحث

همان‌گونه که در مقدمه نیز اشاره شد، امروزه از یک سو تحقیقات بیشماری پیرامون آتریوم انجام گرفته که انواع و مزیای آن را تحلیل نمود و از سویی دیگر تحقیقات گسترده دیگری نیز مزایای بام سبز را برسی نمودند اما همان گونه که پیش از این نیز مطرح شد هیچ‌یک از مطالعات به‌صورت جامع به بررسی تأثیر این بام‌ها در ارتباط با آتریوم به‌عنوان یک سیستم ترکیبی از بام سبز برای پوشش بام مدارس و آتریوم به‌عنوان فضای حایل دیوارهای کلاس نپرداخته­است. لذا در این مقاله با ارایه پیشنهاد ترکیب این دو سیستم "بام سبز مرتبط با آتریوم "، به بررسی تأثیر این سیستم مرکب بر بار حرارتی و برودتی در فضاهای آموزشی در فصل تابستان و زمستان پرداختیم  که داده­های حاصل از شبیه‌سازی متناسب با جداول(2و 3و 4)  بار برودتی [20] بام سبز مرتبط با آتریوم به‌شرط باز بودن دریچه‌های آتریم را  BTU/h 16604، بار برودتی بام 40سانتی­متری معمولی در ساخت‌وسازهای متداول در مدارس شهرکرد را  BTU/h  17416و بار برودتی بام 66سانتی­متری متناسب باضخامت بام سبز را  BTU/h 16707نشان داد که در مقایسه هر یک از داده های شبیه سازی شده در سه مدل کلاس با  یکدیگر  نتایج  جدول زیر استخراج گردید.(جدول 5)

جدول5-نتایج حاصل از بار برودتی کلاس‌هایی در ارتباط با آتریوم با پوشش بام سبز و بام 40سانتی­متری و بام 66سانتی­متری

Table 5- Results of the cooling load of classrooms in relation to atrium with green roof, a 40cm roof and a 66cm roof

در تحلیل جدول(5) عدد مربوط به بار برودتی بام سبز مرتبط با آتریوم برای کلاس شبیه‌سازی‌شده عددی کمتر از بار برودتی بام 40سانتی­متری معمولی و بام 66سانتی­متری متناسب باضخامت بام سبز است که این نشان‌دهنده کاهش انتقال حرارت بیرون از فضای آموزشی در فصل تابستان  به داخل فضای کلاس‌ها در این اقلیم می­باشد، به‌نحوی‌که چنان­چه دریچه آتریوم در فصل تابستان در این مدل فضای آموزشی باز باشد، نه‌تنها بام سبز مانع از انتقال حرارت هوای بیرون  به محیط کلاس‌ها می‌شود، بلکه با فراهم آوردن یک محیط طبیعی مانند یک خرد اقلیم به تعادل دمایی فضای داخل نیز کمک می‌کند، به‌طوری‌که هوای گرم داخل کلاس‌ها به دلیل سبکی بالا رفته و از دریچه‌های بالای آتریوم خارج می‌شود. از سویی دیگر هوایی که در ارتباط با بام سبز خنک و مرطوب شده و درجه حرارت پایین‌تری نسبت به فضای داخلی و محیط خارجی دارد سنگین‌تر شده و به پایین حرکت کرده و از پنجره‌های کلاس وارد فضای داخلی می­شود و از سویی به بهبود تهویه هوای داخلی نیز کمک می­کند .(شکل 3)

شکل3-تحلیل سازوکار بام سبز مرتبط با آتریوم در فصل تابستان برای کلاس‌های شبیه‌سازی‌شده

Figure 3- Analyze of mechanism green roof relation to atrium insummer for simulated classes

هم­چنین در مقایسه داده­های حاصل از پژوهش برای بار حرارتی (شدت انتقال حرارت در واحد زمان) کلاس‌هایی با بام سبز مرتبط با آتریوم در فصل زمستان، به‌شرط این­که هواکش‌های آتریوم بسته باشند و هیچ‌گونه تبادل حرارتی با فضای آزاد وجود نداشته، باشد نسبت شدت انتقال حرارت در واحد زمان کلاس‌هایی با بام سبز برابر با  BTU/h3946و هم،چنین شدت انتقال حرارت در واحد زمان کلاس‌هایی با پوشش بام معمولی 40 سانتی­متری و پوشش بام 66 سانتی­متری هم ضخامت با بام سبز به ترتیب برابر با  BTU/h6238وBTU/h 4799به دست آمد که در مقایسه داده‌های حاصل از شبیه‌سازی با نرم‌افزار داده‌های جدول زیر استخراج گردید. (جدول6)

جدول6-نتایج حاصل از بار حرارتی کلاس‌هایی در ارتباط با آتریوم با پوشش بام سبز و بام40سانتی­متری و بام66سانتی­متری

Table 6- Results of the heating load of classrooms in relation to atrium with green roof, a 40cm roof and a 66- cm roof

در تحلیل جدول(6)  عدد مربوط به بار حرارتی یا همان شدت انتقال حرارت در واحد زمان بام سبز مرتبط با آتریوم برای کلاس شبیه‌سازی‌شده عددی کمتر از بار حرارتی  بام 40سانتی­متری معمولی و بام 66سانتی­متری متناسب باضخامت بام سبز است که این نشان‌دهنده کاهش انتقال حرارت از فضای داخلی آموزشی  به محیط بیرون در فصل زمستان می­باشد، به‌نحوی‌که چنان­چه دریچه آتریوم در فصل زمستان در این مدل فضای آموزشی بسته باشد پرتوهای تابیده‌شده به محیط داخلی، آتریوم که دارای طول‌موج بلند می­باشند پس از عبور از آتریوم و برخورد به جداره‌های داخلی طول‌موج کوتاه پیداکرده که این طول‌موج در گستره‌ی عبوری از آتریوم نیست درنتیجه هوای گرم درون آتریوم محبوس می‌شود و این گرما باعث گرم شدن فضای داخلی کلاس می­گردد هم­چنین خود بام سبز نیز مانند یک پوشش عایق برای بام عمل کرده و مانع از تلفات حرارتی یا هدر رفت این حرارت حاصل از تابش آفتاب، از جداره بام می­شود و درنتیجه فضای داخلی تا مدت طولانی گرم می­ماند.(شکل 4)

شکل4- تحلیل سازوکار بام سبز مرتبط با آتریوم در فصل زمستان برای کلاس‌های شبیه‌سازی‌شده

Figure 4- Analyze of mechanism green roof relation to atrium in winter for simulated classes

لذا به‌طورکلی در مقایسه­ی استفاده از سیستم بام سبز مرتبط با آتریوم نسبت به بام 40سانتی­متری متداول در ساخت مدارس و بام 66سانتی­متری هم ضخامت با بام سبز، کاهش بار حرارتی و بار برودتی در فصل تابستان و زمستان به‌شرط قابل‌کنترل بودن دریچه‌های آتریوم مشاهده گردید. در ادامه از تقسیم بار حرارتی و برودتی بام سبز مرتبط با آتریوم بر بار حرارتی و برودتی بام 40سانتی­متری متداول در ساخت مدارس و بام 66سانتی­متری هم ضخامت با بام سبز، درصد صرفه‌جویی این سیستم ترکیبی مطابق با جدول زیر به دست آمد .(جدول7)

جدول7-درصد صرفه‌جویی در مصرف انرژی

Table 7- Percent savings on energy consumption

در تحلیل جدول زیر میزان صرفه‌جویی در مصرف انرژی برای کلاس‌هایی با پوشش بام سبز نسبت به پوشش بام 40سانتی­متری و پوشش بام 66سانتی­متری هم ضخامت با بام سبز به ترتیب برابر با  63%و 85% در فصل زمستان به‌دست‌آمده و هم­چنین  این میزان صرفه‌جویی در مصرف انرژی  بام سبز مرتبط با آتریوم نیز در فصل زمستان به ترتیب برابر با  95%و 99% نسبت به بام 40سانتی­متری و پوشش بام 66سانتی­متری به‌دست‌آمد که درنتیجه استفاده از این سیستم در فضای آموزشی اقلیم سرد شهرکرد علاوه بر ایجاد پوشش سبز گسترده در فضای پشت‌بام و استفاده از این فضای سبز در تمامی فصول به‌عنوان یک فضای باز کمک‌آموزشی از 63%تا  95% صرفه‌جویی در مصرف انرژی در فصل‌های تابستان و زمستان ایجاد خواهد نمود که این میزان صرفه‌جویی در مصرف انرژی باعث کاهش هزینه‌های مصرفی مدارس و درنتیجه مدیریت منابع و انرژی در فضاهای آموزشی می­شود.

نتیجه‌گیری

مطابق با بررسی‌های انجام‌گرفته و همان‌گونه که در بحث به آن اشاره شد، استفاده از سیستم بام سبز و آتریوم به‌شرط این‌که سیستم آتریوم دارای دریچه‌های هواکش قابل‌کنترل باشد، می‌تواند بر بهبود بارحرارتی و بار برودتی فضاهای آموزشی در شهرکرد به‌عنوان یک اقلیم سرد بیافزاید به‌نحوی‌که چنان­چه دریچه‌های آتریوم در فصول سرد مانند زمستان در این شهر بسته باشد بام‌های سبز مانند یک پوسته عایق عمل نموده و شدت انتقال حرارت از بام‌ها را کاهش می‌دهد و گرمای محیط  که حاصل از تابش خورشید به  فضای آتریوم  است درون فضای آموزشی محبوس می‌شود و این گرما میزان استفاده از سوخت‌های فسیلی را در این فصول کم می‌نماید که  این گرمای محبوس شده در فضا باعث صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌شود.

هم­چنین ازنظر بار برودتی چنان­چه دریچه‌های آتریوم در فصول­گرم مانند تابستان در این شهر باز  باشد بام‌های سبز مانند یک  خنک‌کننده هوا عمل نموده و  باعث ایجاد برودت حرارتی و خنکی در فضای داخل می‌شود، به‌نحوی‌که هوای گرم ساختمان به سمت سقف حرکت نموده و از دریچه‌های تهویه آتریوم خارج‌شده و هوای بیرون که در مجاورت بام سبز تعدیل دما پیدا نموده است، از جبهه دیگر فضا وارد فضای آموزشی خواهد شد  .

از جنبه دیگر وجود یک بام سبز مرتبط با آتریم می‌تواند با ایجاد یک فضای سبز وسیع بر روی پشت‌بام باعث تماس دانش آموزان با طبیعت در تمامی فصول و تمامی اقلیم‌ها شود. از طرفی این سیستم ترکیبی به کاهش اضطراب و ترویج رفتارهای گروهی فعال‌تر و دوستانه‌تر و بهبود راندمان معلمان و دانش آموزان در استفاده از این فضاها به‌عنوان یک فضای سبز کمک‌آموزشی کمک خواهد نمود به‌نحوی‌که دانش آموزان نسبت به آموزش‌های مدارس علاقه‌ی بیشتری از خود نشان خواهند داد و به درک بهتری از مسایل درسی خواهند رسید.  

پیشنهاد‌ها

مدل استفاده از بام سبز مرتبط با آتریوم به‌شرط قابل‌کنترل بودن دریچه‌های هواکش آتریوم نه‌تنها در فضاهای آموزشی شهرکرد به‌عنوان نمونه اقلیم سرد پیشنهاد می­شود بلکه تمامی مدارس اقلیم‌های مشابه با این اقلیم نیز می‌توانند از این مدل ترکیبی جهت صرفه‌جویی در مصرف انرژی در تابستان و زمستان بهره ببرند و در ادامه به‌منظور توجیه‌پذیری این نمونه در دیگر اقلیم‌ها شبیه‌سازی مدل‌های کلاس‌ها در دیگر اقلیم‌ها  با شرایط مدل‌های متفاوت بام سبز به خوانندگان پیشنهاد می‌شود.

منابع

1-      Rodney H. Matsuoka. 30 September 2010, Student performance and high school landscapes: Examining the links. Landscape and Urban Planning, Volume 97, Issue 4, Pages 273-282.

2-      برایان-ادوارد، (نویسنده)، تهران. شهروز، (مترجم)،1389، رهنمون­هایی به‌سوی معماری پایدار، انتشارات مه رازان ، 252 صفحه

3-      مظفری ترشیزی.حسین،1384، راهکارهای بهینه‌سازی مصرف سوخت در مدارس،سازمان نوسازی ،توسعه و تجهیزات مدارس دفتر فنی،160 ص.

4-      زیاری.کرامت الله، 1388،  اصول و روش­­های برنامه‌ریزی منطقه‌ای، شماره 24 انتشارات دانشگاه تهران.320صفحه.

5-   بهادری نژاد.،مهدی و صفر زاده. حبیب‌الله ، 1369، طراحی یک ساختمان بی‌نیاز از انرژی­های فسیلی، ژورنال انرژی خورشیدی جلد 4 ،شماره 36 ، ص  365-375.

6-      صیادی.،سید احسان، 1391، معماری پایدار.نشر لوتوس، چاپ دوم ،200ص.

7-      پیرایی. مهرانگیز،1391، معماری سبز،نشر کالج، چاپ اول،کردستان،سنندج.68ص.

8-   واتسون.دانا و لبز.کنت(نویسندگان)، قبادیان.وحید(مترجم)،1373.طراحی اقلیمی اصول نظری و اجرایی کاربرد انرژی در ساختمان،دانشگاه تهران،موسسه انتشارات و چاپ،249ص.

9-   شکوهی.رحمان و حجابی تار قلی. ویدا،1392 ، بررسی نقش فضاهای باز ساختمان به‌مثابه شش­های تنفسی در ادامه حیاط این موجود زنده،ولین همایش ملی معماری پایدار و توسعه شهری، 9ص.

10-  کسمائی. مرتضی ،1389، اقلیم و معماری،.نشر خاک پاییز،چاپ ششم ،اصفهان، 289ص.

11-  مفیدی شمیرانی.سید مجیدو مدی.حسن ،1386، آتریوم نماد یک معماری پایدار،ششمین همایش ملی انرژی،9ص.

12-  Weiler,s&.scholz-bart,k.2009 .green roof system aguid to the planing ,design,and construction of landscapes over structure. Published simultaneously in Canada .p108.

13-  JOHNNEL,J. 2007. Thermal Performance of Green Roofs in Cold Climates. Queen’s University Kingston, Ontario, Canada. September.p48-80.

14-  Foser,j & lowe,A &wenkelman, s.2012.the valueof green infrastructure for urban climate adaptation.the center for clean air policy.p300.

15-  Group building environmernt. 2012. Cooling the cities -Areview of reflective and green roof mitigation technologies to fight heat island and improve comfort in urban environment.solar energy.vol103.p:682-703.

16-  Shamsuddina*, s & Bahauddinb H & AbdAzizc N . July 2012,Relationship between the Outdoor Physical Environment andStudents’ Social Behaviour in Urban Secondary SchoolAcE-Bs BangkokASEAN Conference on Environment-Behaviour Studies,Bangkok, Thailand, 16-18.

17-  Dinsdle,s & pearen,b & wilson,ch.april2006.Feasibility study for green roof applicatio on Queen uneversity campuse".Queen physical plant services.58pp.

18-  Taylor,F.2009. Coping with ADD – the surprisingconnection to green play settings. Environment and Behavior 33 (1), 54–77.

19-  Kaplan, S. 1993. The role of natural environment aesthetics in the restorative experience.In: Gobster, P.H. (Ed.), Managing Urban and High-Use Recreation Settings, General Technical Report NC-163. Forest Service, USDA, St. Paul, MN, pp. 46–49.

20-  Duncan, s. 1997, oreginal green school tool: creat healthy school environment through resourcr efficiency, eashington country health tem, 500pp.

21-  Corden,, Y. September2011. Efficacy of Green Roof Technology in Colder Climates.  Earth Common Journal Vol. 1, No. 1 p73.

22-  Virtudes, A & Manso,M. 2012. Green Walls Benefits in Contemporary City, Department of Civil Engineering and Architecture, University of Beira Interior, Portugal, p207.