تعریف طراحی ایستا (غیر فعال)

طراحی ایستا رویکردی است در طراحی ساختمان که از راه کارهای معماری به منظور حداقل رساندن مصرف انرژی و بهبود آسایش حرارتی بهره مند می گردد. فرم ساختمان و عملکرد حرارتی عناصر ساختمانی مانند: معماری، سازه ای، پوسته ای و تاسیسات مکانیکی غیر فعال به منظور تعاملی مناسب با ریز اقلیم محلی، با دقت مورد ارزیابی و بهینه سازی واقع می شوند. چشم انداز و هدف غایی طراحی غیر فعال حذف کلیه الزامات سامانه های مکانیکی فعال (پویا) و مصرف انرژی مبتنی بر سوخت فسیلی و در نهایت تامین آسایش ساکنان می باشد.

حتی اگر دستیابی به نهایت طراحی ایستا برای همه ساختمان ها میسر نباشد، اجرای این رویکرد تا حد امکان نیز مصرف انرژی ساختمان را کاهش خواهد داد. فرم بنا، جهت گیری و ترکیب حجمی ساختمان نقش قابل توجهی در تامین شرایط آسایش ساکنان را با بکارگیری اشکال مطلوب انرژی در سایت و محافظت از اشکال نامطلوب انرژی ایفا می کنند. با اعمال اصول طراحی ایستا، می توان انرژی مود نیاز ساختمان را حتی پیش از تعریف سامانه های مکانیکی، به صورت قابل توجهی کاهش داد.

طرح هایی که رفتار حرارتی ایستا را در نظر نمی گیرند می باید صرفا به تکیه بر سامانه های مکانیکی گرمایشی و سرمایشی در جهت تامین شرایط داخلی بسنده نمایند که ممکن است دربرگیرنده شرایط آسایش بهینه نباشد. علاوه بر آن حتی کارآمدترین تکنولوژی ها برای تامین نیازهای یک ساختمان با طراحی و ساختاری ضعیف، مصرف انرژی زیادی خواهند داشت.

با هدف اجرای موفقیت آمیز رویکرد طراحی ایستا، باید موارد ذیل مد نظر قرار گیرند:

1-معیارهای آسایش حرارتی تعریف و کاملا شناخته شوند.

2-تحلیل و ارزیابی دقیق اقلیم محلی و داده های مختص سایت پروژه.

3-درک واقع بینانه با هدف اندازه گیری عملکرد انرژی.

راهبردهای طراحی غیرفعال

برخی از عناصر غیرفعال ساختمان ذاتا دارای هم افزایی هستند و می توانند برای ایجاد پیشرفت های بالقوه بیشتر در عملکرد انرژی ساختمان و احساس آسایش باهم ترکیب شوند.

اما ترکیب نادرست عناصر می تواند بر احساس آسایش حرارتی و بهره وری انرژی ساختمان تأثیر منفی بگذارد. به عنوان مثال، پنجره های بزرگ رو به جنوب و غرب که برای گرمایش خورشیدی غیرفعال مفید هستند باید همگام  با پنجره هایی با کارایی بالا و سایه انداز بیرونی اجرا شود تا فضای داخلی در برابر افزایش بیش از حد گرمای خورشیدی در طول تابستان محافظت شود تا بتواند از راندمان مطلوب ساختمان بهره مند شود.

توجه به این نکته ضروری است که این دستورالعمل ها بین سرمایش و تهویه تمایز قائل شده اند. در یک سیستم HVAC معمولی هوای اجباری، کارکرد تهویه و کنترل دمای فضا ترکیب می شوند. با این وجود، تفکیک عملکرد کنترل دمای فضا از عملکرد تهویه، مزایای زیادی دارد، به خصوص هنگام طراحی بهینه برای عملکرد غیرفعال. این تفکیک، امکان انتخاب سیستم گرمایش و سرمایش هیدرولیک را فراهم می کند و از آب به جای هوا برای انتقال انرژی استفاده می کند. آب بیش از 3000 برابر ظرفیت حمل انرژی هوا را دارد، بنابراین سیستم های هیدرولیک می توانند به طور چشمگیری بهره وری سیستم را افزایش دهند. تفکیک و جداسازی، امکان استفاده از یک سیستم تهویه مستقل را فراهم می کند که 100٪ هوای تازه را تأمین کند.

شکل 1، مثالی از تأثیر ترکیب عناصر غیرفعال مختلف بر روی یک ساختمان معمولی در ونکوور با شرایط ثابت آسایش حرارتی را نشان می دهد. مبناها، حداقل شرایط استاندارد ASHRAE 90.1 را برآورده می کند. با افزودن هر عنصر اضافی، مصرف انرژی سالانه بیشتر کاهش می یابد، در نهایت دستیابی به سطح بالایی از بازده با استفاده از یک عنصر، غیرممکن خواهد بود. اقدامات طراحی غیرفعال بر اساس الزامات و نتایج متداول ترین روشهای استانداردهای انرژی آمریکای شمالی است.

شکل1. تاثیر طراحی غیرفعال بر شدت انرژی

با وجود بسیاری از استراتژی های غیرفعال، بین عملکرد گرمایش و عملکرد سرمایش یک رابطه برقرار است. نوع ساختمان و بهره برداری تعیین می کند که کدام استراتژی ها بهترین تأثیر را در عملکرد انرژی خواهند داشت. در همه موارد، مدل سازی انرژی ساختمان برای پروژه باید انجام شود. لازم است که توجه داشته باشید که نتایج شبیه سازی ارائه شده در این گزارش فقط مقایسه پارامتری است و جایگزین مدل سازی پروژه نیست. 

 گرمایش غیرفعال

استفاده از طراحی ساختمان برای مهار اشعه خورشید و جذب گرمای داخلی، تنها روش غیرفعال برای اضافه کردن انرژی گرمایی رایگان به ساختمان است. گرمایش خورشیدی غیرفعال، یک ساختمان عایق بندی شده را با سایر عناصر ترکیب می کند که تلفات انرژی را به حداقل می رساند و انرژی خورشیدی را برای جبران نیازهای انرژی سیستم های مکمل گرمایش و تهویه مکانیکی ذخیره می کند. عناصری که در گرمایش خورشیدی غیرفعال نقش دارند عبارتند از:

• جهت گیری ساختمان
• شکل ساختمان
• فضای بافر 
• برنامه ریزی فضا
• پنجره های با کارایی بالا (شفاف، کم گسیل)
• بازیابی گرما و تهویه (HRV)
• نسبت مساحت کم پنجره به دیوار (N/E)
• نسبت مساحت بالای پنجره به دیوار (S/W)
• سایه بان خارجی
• عایق کاری بالا
• جرم حرارتی
• به حداقل رساندن نفوذ

 تهویه غیرفعال

در استراتژی های تهویه غیرفعال از الگوهای جریان هوا که به طور طبیعی وجود دارد، در داخل و ساختمان استفاده می شود تا هوای بیرون را به داخل فضا بیاورد. باد و نیروی شناوری ناشی از اختلاف دمای هوا، باعث اختلاف فشار هوا را در کل فضاها می شود. ساختمانها می توانند بگونه ای طراحی شوند که جریانهای هوای طبیعی را تقویت کنند و از مزایای آنها استفاده کنند. 

تهویه غیرفعال باید در طول طراحی مورد توجه قرار گیرد زیرا بسیاری از ویژگی های معماری بر جریان هوا در ساختمان تأثیر می گذارد، از جمله شکل ساختمان، چیدمان دیوارهای داخلی، کف و حتی مبلمان. ویژگی های طراحی باید تعادل بین نیازهای کاهش حریم خصوصی / سر و صدا و مسیر مطلوب کمترین مقاومت در توزیع هوا ایجاد کند. میزان تهویه نیز تحت تأثیر جهت غالب باد خواهد بود.

سه روش رایج برای تهویه غیرفعال وجود دارد. ساده ترین شکل، تهویه یک طرفه با پنجره هایی است که هوای تهویه از طریق همان پنجره (های) در همان طرف فضا وارد و خارج می شود. محدودیت های طراحی در مورد چگونگی تهویه فضای مناسب، برای این روش وجود دارد: تهویه یک طرفه نتیجه قابل توجهی ارائه نمی دهد مگر اینکه سقف ها بسیار بلند باشند. 

مؤثرترين روش، تهويه متقابل است كه در آن پنجره ها بر روي ديوارهاي مجاور يا مخالف، هواي تهويه را به درون فضا می کشند. طراحی ها برای ساختمانهای مسکونی و تجاری باید حداقل برای دو دیوار خارجی در نظر گرفته شود تا تهویه متقابل فراهم شود.

نهایتا، در ساختمانهای بزرگتر که دارای فضای اصلی قابل توجهی هستند، تهویه القایی با فضاهای زیاد مانند دهلیزها، پشته ها و برج های بادی ممکن است برای تهویه کافی غیرفعال لازم باشد. این ویژگی های معماری، مسیرهای بهینه ای را برای تهویه طبیعی غیرفعال ایجاد می کند.

عناصر غیرفعال که به تهویه طبیعی کمک می کنند شامل موارد زیر است:

• پنجره ها
• فضای بافر 
• شکل ساختمان
• برنامه ریزی فضا
• جهت گیری ساختمان
• ویژگی های راهبردی معماری
• بازشوهای راهروها 
• راهرو مرکزی و لابی ها
• برج های بادی

شکل 2. تهویه یک جهته

شکل 3. تهویه دوجهته

شکل 4. تاثیر روی هم قرار گرفتگی آتریوم

 سرمایش غیرفعال

راهبردهای سرمایش غیرفعال با مسدود کردن بهره گیری خورشیدی و از بین بردن عوامل حرارت زای داخلی، مانع از گرمای بیش از حد ساختمان می شود (به عنوان مثال استفاده از هوای خنکتر بیرون برای تهویه، ذخیره گرمای اضافی در جرم حرارتی)

استراتژی های سرمایش غیرفعال غالباً با استراتژی های تهویه غیرفعال همراه است و عملکرد سرمایش با افزایش سرعت گردش هوای غیرفعال در دوره هایی که دمای هوای بیرون به اندازه کافی کم است تا بتواند گرما را از ساختمان خارج کند، حاصل می شود. عناصری که به سرمایش غیرفعال کمک می کنند شامل موارد زیر است:

• سایه بان خارجی ثابت 
• جرم حرارتی
• نسبت مساحت پنجره به دیوار کم (S/W)
• تهویه غیرفعال
• سرمایش شبانه
• پنجره های روی هم قرار گرفته
• سرمایش تبخیری غیرفعال
• کانال های زمین گرمایی

سرمایش شبانه از تهویه طبیعی در طول شب استفاده می کند تا گرمای جمع شده در جرم ساختمان در طول روز از بین برود. هوای خنک شب هنگام، جرم ساختمان گرم را خنک می کند.

پنجره های روی هم قرار گرفته، باعث می شوند هوای خنک در پنجره پایین قرار گیرد و یک خلاء رو به بالایی ایجاد می کند که هوای گرم را از پنجره بالا خارج می کند. 

سرمایش تبخیری از گرمای فضاها برای تبدیل آب از مایع به بخار استفاده می کند، که هوا را از حالت گرم و خشک به سرد و مرطوب تغییر می دهد. برای خنک کردن فضایی با روش سرمایش تبخیری، باید رطوبت را به هوا اضافه کرد. این امر می تواند با جریان هوا به سمت آب و یا از طریق آب موجود حاصل شود (به عنوان مثال شیء آبی خارجی و ...)

 زمین گرمایی از درجه حرارت نسبتاً ثابت زمین در عمق بیش از 1.5 متر استفاده می کند تا گرمایش را برای تهویه هوای ساختمان فراهم کند. این امر نیاز به دفن یک مسیر ورودی هوای تهویه دارد که به آن لوله زمینی گفته می شود.

روشنایی روز

نور روز، استفاده و توزیع نور طبیعی پراکنده روز در فضای داخلی ساختمان را به حداکثر می رساند تا نیاز به روشنایی برقی مصنوعی را کاهش دهد. برای جلوگیری از گرمای بیش از حد و به حداقل رساندن تابش و همچنین برای تکمیل استراتژی های گرمایش و سرمایش غیرفعال مانند سایه انداختن، طراحی دقیق لازم است. برای به حداکثر رساندن صرفه جویی در انرژی، سیستم های پیشرفته کنترل الکتریکی مانند سنسورها باید استفاده شوند. ویژگی هایی که به یک استراتژی روشنایی روز کمک می کند عبارتند از:

• برنامه ریزی فضاها
• سقف های بلند که با پنجره های بلند جفت شده است
• اندازه و محل قرارگیری پنجره (نسبت مساحت پنجره به دیوار)
• رنگ و پرداخت سطوح داخلی
• ویژگی های استراتژیک معماری
• قفسه های سبک
• نورگیرهای سقفی

فواید صرفه جویی در انرژی از نور روز روشن است. نور روز باعث می شود تا انرژی مورد نیاز نورپردازی برقی کاهش یابد. به طور غیرمستقیم، نور روز می تواند نیازهای انرژی را برای سرمایش فضا کاهش دهد.

استراتژی های روشنایی روز بسیار خاص پروژه است. برای دستیابی به یک طراحی کارآمد و همچنین برآورد صرفه جویی در انرژی، مدل سازی و تجزیه و تحلیل ساختمان دقیق لازم است. به همین علت، نور روز در شبیه سازی های پارامتری این مطالعه گنجانده نشده است.

  استفاده از استراتژی ها: ساختمانهای مسکونی

در بازار ونکوور، اکثریت قریب به اتفاق تحولات ساختمانهای مسکونی، برج های متوسط و مرتفع هستند. فضاهای مسکونی استفاده شبانه کمتری دارند و منابع گرمایی داخلی نسبتاً کم دارند (جدا از پخت و پز متناوب)، که منجر به ساختمانهایی با نیاز گرمایشی بالا در آب و هوای ونکوور می شود. رویکردهای غیرفعال خاص که عملکرد انرژی کلی ساختمانهای مسکونی ونکوور را بهبود می بخشد  شامل موارد زیر است:

• عایق بندی دقیق با حداقل پل های حرارتی از جمله دیوارهای بیرونی و سقف. 
• پنجره های شفاف، کم گسیل، همراه با سایه بان خارجی قابل استفاده برای جلوگیری از بهره گیری خورشیدی در طول تابستان و دریافت بهره گیری خورشیدی در زمستان
• توجه: هر ساختمان که در آن نسبت سطح پنجره به دیوار از 50٪ بیشتر باشد برای دستیابی به عملکرد انرژی بالاتر مورد چالش قرار می گیرد.
• فضای بافر تهویه نشده و محصور (به طور منظم اشغال نشده) که محیط پیرامون فضا را پوشش می دهد، مجهز به پنجره هایی است تا تهویه طبیعی را از خارج به فضای داخلی در صورت دلخواه فراهم کند.
• جرم حرارتی در قسمت داخلی عایق که در کفها، دیوارهای خارجی و دیوارهای بین واحدهای مجاور قرار دارد.
• فرم مختصر و ساده. 
• عدم انتقال هوا و رطوبت
• تهویه حالت مختلط با استفاده از HRV در طول زمستان و تهویه غیرفعال در بقیه سال.

جدول زیر عناصری را نشان می دهد که در استراتژی های مختلف طراحی غیرفعال برای ساختمانهای مسکونی نقش مثبت دارند.

 استفاده از استراتژی ها: ساختمانهای تجاری

ساختمانهای تجاری نسبت به ساختمانهای مسکونی دارای خصوصیات متفاوتی هستند، مانند دریافت بیشتر گرمای داخلی ناشی از تجهیزات و روشنایی، نیاز به تهویه بالاتر و برنامه های مختلف حضور افراد. 

ساختمان های تجاری از سرمایش غیرفعال بهره مند می شوند، اما در آب و هوای ونکوور، طراحی باید بین عملکرد گرمایش و سرمایش تعادل برقرار کند. رویکردهای غیرفعال خاص که عملکرد انرژی کلی ساختمانهای تجاری در ونکوور را بهبود می بخشد شامل موارد زیر است:

• عایق بندی دقیق با حداقل پل های حرارتی از جمله دیوارهای بیرونی و سقف.
• کنترل بهره گیری خورشیدی با استفاده از یا پنجره های با کارایی بالا با ضریب سایه کم (رنگی یا بازتابی) یا پنجره های ساده با کارایی بالا با پوشش کم گسیل ترکیبی با سایه بان خارجی، قابل استفاده برای عدم بهره گیری خورشیدی در فصول تابستان و دریافت تابش خورشید در فصل زمستان. 
• نسبت سطح پنجره به دیوار محدود به 50٪ است.
• نما های دوجداره با عناصر تشکیل سایه و پنجره های قابل استفاده به عنوان فضاهای بافر حرارتی، پیش گرم شدن هوای تهویه در زمستان و عدم بهره گیری خورشیدی و تأمین تهویه طبیعی در تابستان.
• شکل و جرم ساختمان که باعث افزایش تهویه طبیعی و استفاده نور روز می شود، بویژه برای برجهای تهویه و آتریوم مرکزی.
• جرم حرارتی در قسمت داخلی عایق، که در کفها، دیوارهای خارجی و دیوارها بین واحدهای مجاور قرار دارد.
• استراتژی های سرمایش غیرفعال، مانند تهویه ... برای پیش سرد کردن فضا در طول تابستان و ورودی های هوای تهویه واقع در مناطق خنک و انتقال آن به ساختمان با لوله های زمینی.