ساختمانهای خورشیدی ، حركت به سوی معماری پایدار

 
چكیده :
انسان از دیر باز همیشه سعی بر آن داشته است كه از ابزار محیطی خود به بهترین شكل ممكن استفاده نماید.انر‍ی خورشیدی یكی از این راهكار ها برای بهره گیری از مزایایی زیاد این منبع بی زوال می باشد.با توجه به پیشرفت معماری و نیاز انسان به رویكرد های جدید ، معماری خورشیدی می تواند انسان را به دنیایی جدید رهنمون سازد . معماری خورشیدی مسیر است میانبر برای رسیدن به معماری پایدار و استفاده بهینه ازابزارهای و امكانات فعلی بدون آنكه نیاز آیندگان به خطر بیافتد . در این مقاله طراحی خانه خورشیدی با استفاده از فناوری انرژی خورشیدی و اینكه چگونه توسط كلكتور ها نور را جذب و پس از ذخیره سازی در فضای گلخانه و انبار سنگی ، در فضا های خانه پخش میكند مورد بحث قرار می گیرد و طرز استفاده از این انرژی در گرمایش و سرمایش خانه ها و نوع طراحی خانه ها  با استفاده از روشهای مختلف خورشیدی بیان شده است. طرز قرار گرفتن ساختمان در سایت ، نوع پوشش گیاهی ، باشوها ، چیدمان داخلی فضا ها بر حسب مقدار نور در جهت های مختلف از موارد دیگر در طراحی خانه های خورشیدی می باشد.

                                         
مقدمه
خورشید عامل و منشا انر‍یهای گوناگونی است كه در طبیعت موجود است از جمله : سوختهای فسیلی كه در اعماق زمین ذخیره شده اند ، انرژی باد ، رشد گیاهان كه بیشتر موجودات برای بقا خود از آن استفاده می كنند . مواد آلی كه قابلیت تبدیل به انرز‍ی حرارتی و مكانیكی را دارند . امواج دریاها ، قدرت جزر و مد كه بر اساس جاذبه و حركت به دور خورشید و ماه حاصل می شود ، اینها همه نماد هایی از انرژی خورشیدی هستند . خورشید یكی از دو منبع مهم انرژی است كه باید به آن روی آورد زیرا به فن آوری های پیشرفته و پر هزینه نیاز نداشته و میتواند به عنوان یك منبع مفید و تامین كننده انرژی در اكثر نقاط جهان بكار گرفته شود. بر خلاف بعضی از انرژی ها مثل انرژی هسته ای اثرات نامطلوبی از خود بر جا نمیگذارد و خطرناك نیست . برای كشور هایی كه فاقد منابع انرژی زیر زمینی هستند ، مناسبترین راه برای دستیابی به نیرو و رشد و توسعه اقتصادی هستند. امروزه استفاده از انرژی خورشیدی بهر شكل مطلوب می باشد ولی امكانات اقتصادی طرح های مختلف باید دقیقا محاسبه شود. بهره گیری از انرژی خورشیدی برای گرم كردن منازل ، از لحاظ فناوری امكان پذیر می باشد. از نظر اقتصادی نیز به علت افزایش روز افزون قیمت سوختها ی فسیلی و سایر منابع انرژی و تلاش متخصصین در كاهش هزینه ، مهندسین و دانشمندان را  به استفاده از انرژی خورشیدی  بیش از بیش تشویق  نموده است . در میان استفاده از انرژی خورشیدی در سیستم گرمایش و سرمایش ساختمان ها می تواند در بسیاری از جهات مفید واقع شود و باعث صرقه جویی بسیار زیادی در استفاده از انرژیها بشود. بطوریكه ایتفاده از این سیستم باعث صرفه جویی 50 درصدی انرژی می شود.
استفاده از انرژی خورشیدی در صورت بومی شدن فناوری استفاده از آن می تواند در استقلال صنعتی كشور نقشی ارزنده ایفا نماید . علاوه بر آن به دلیل موقعیت جغرافیایی ایران امكان خودكفایی كشور در زمینه انرژی نیز فراهم است. ترویج استفاده از انرژی خورشیدی می تواند زمینه ساز تولید شغل نیز در بسیاری زمینه های تولید مصالح ،ساخت دستگاه ها ، احداث سیستمهای انتقال و سایر زمینه های مربوطه گردد و نه تنها به نیروی كا نیمه ماهر نیاز دارد كه برای متخصصین نیز تولید شغل خواهد نمود. استفاده از انرژی خورشیدی گامی مؤثر در جهت موضوع بحث این نوشتار در تقلیل (و حذف) استفاده  از انرژی فسیلی در ساختمان و در نتیجه كاهش آلودگی  می باشد .
راهكار های استفاده از سیستم خورشیدی
الف) شیمی خورشیدی  : در این روش با تابش خورشید بر سطح  زمین و ایجاد عمل فتوسنتز در گیاهان و تبدیل دی اكسید كربن به اكسیژن و تولید مواد غذائی در زمین ، عامل بقاء برای انسان و سایر جانداران میشود .
ب)برق خورشیدی :  با استفاده از مبدل های خورشیدی به انرژی الكتریسیته تبدیل میشود كه بیشتر قدرت سفینه های فضایی و قمرهای مخابراتی و سایر دستگاه های الكتریكی در زمین تامین میگردد.
ج)گرما خورشیدی : با استفاده از انواع كلكتور های و تولید انرژی حرارتی ، جهت تامین آبگرم مصرفی ، حرارت مركزی و تهویه مطبوع ساختمان ها و ... تامین میشود و به نسبت 2 روش قبلی كاربرد وسیعی دارد.
انواع سیستمهای خورشیدی
الف) سیستم فتوبیولوژی : در این سیستم عمل فتوسنتز در گیاهان انجام میشود كه با استفاده از انرژی خورشیدی گیاهان تشعشع خورشید را جذب كرده و با كمك آن گاز كربنیك آب را به مواد قندی تبدیل میكند.
ب)سیستم شیمیایی : در این سیستم از تشعشع خورشید در عملیات شیمیایی استفاده میشود و در بعضی مواقع از حرارت خورشید به عنوان یك منبع حرارتی بهرهگیری شده و عملیات شیمیایی انجام میگرید.
ج)سیستم فتوولتائیك :  سیستمی است كه در آن انرژی خورشیدی بدون بهره گیری از مكانیزمهای متحرك و شیمیایی ، به انرژی الكتریی تبدیل میشود ، كه این انرژی را فتوولتائیك می گویند.
د) سیستم های حرارتی و برودتی : شامل سیستم های تهیه آب گرم ، گرمایش و سرمایش ساختمان ها ، تهیه آب شیرین ، سیستم های انتقال و پمپاژ ، سیستم های تولید فضای سبز (گلخانه ها ) ، خشك كنها و اجاق خورشیدی ، سیستم سردسازی ، برجهای نیرو ، خشك كنهای خورشیدی و نیروگاههای خورشیدی .
انرژی تجدید پذیر چیست ؟
انرژی تجدیدپذیر عبارت از هر نوع منبع انرژی است كه بدون آنكه مخازن تامین كننده آن رو به زوال روند ، مورد استفاده قرار گیرد.
مزایا
• انرژی تجدیدپذیر به هیچ عنوان CO2 و یا سایر گازه های آلاینده و مضر برای اتمفسر را تولید نمی كند
• انرژی تجدیدپذیر زباله یا بقایای مشكل آفرین تولید نمی كنند .
• این انرژی ها پایان ناپذیرند
• انرژی تجدیدپذیر را می توان به طور منطقه ای و محلی تولید نمود
• این انرژی باعث قطع وابستگی  می شود

استفاده از انرژی خورشیدی در سرمایش و گرمایش ساختمان ها
ساختمان ها به 2 روش انرژی خورشیدی را دریافت میكنند : انفعالی (غیر فعال یا ایستا) و فعال .
در سیتم انفعالی كیفیت و چگونگی معماری ساختمان به دریافت و ذخیره انرژی خورشیدی بستگی دارد. در این سیستم گرم كردن ساختمان بطور طبیعی مثل خورشید انجام میگیرد یعنی بدون نیاز به سوختهای فسیلی یا دیگر سوختها .
در روش فعال باید از گردآورهای  خورشیدی و یك منبع انرژی دیگر جهت تهیه و انتقال سیال گرم شده به داخل ساختمان استفاد كرد.
طراحی خانه با سیستم غیر فعال خورشیدی
انرژی خورشیدی غیر فعال نقش مهمی را در این استراتژی ایفا می كند . بطوری كه علاوه بر كاهش هزینه های انرژی گرمایشی ـ سرمایشی  خانه با طراحی خورشیدی غیرفعال ؛ راحتی ،آسایش ، پایداری ، جذابیت ، تطابق محیطی و ... نیز به ساكنان آن عطاء می شود . ذاتا"اهداف كلی از این چنین طراحی تطبیق پذیر با محیط با استفاده بهینه  از انرژی تجدیدپذیر خورشیدی با ریسك پایین نگهداری در سرتاسر عمر یك ساختمان بر میگردد.
نور خورشید قادر است علاوه بر تامین مقادیر معتناهی گرما ، نور و سایه برای یك خانه طراحی شده خوب ، تهویه آن در تابستان را نیز ممكن سازد.
طراحی خورشیدی غیر فعال قادر است هزینه های انرژی گرمایش و سرمایش را كاهش ، سرزندگی و نشاط فضایی را افزایش داده و راحتی را بهبود بخشد. بطوری كه در یك خانه خورشیدی ساخته شده با اصول صحیح ، موارد زیر در آن به وضوح قابل مشاهده خواهد بود:
1. راحتی : خانه های خورشیدی در زمستان گرم و در تابستان خنك هستند
2. اقتصادی بودن : صاحبان خانه برگشت سرمایه ممتازی را دریافت می كنند
3. دوام و پایداری : خانه های خورشیدی معمولا از مصالح با عمر طولانی و هزینه نگهداری پایینی ساخته می شوند.
4. جذابیت : خانه های خورشیدی آكنده از نور هستند و خیلی خوب با خارج از منزل مرتبط می شوند.
5. تطبیق پذیری محیطی : خانه های خورشیدی استفاده موثر از منابع انرژی ما با باعث می شوند .
روش های طراحی
طراحی خورشیدی غیر فعال تركیبی از خصوصیات و ویژگی های ساختمان را جهت كاهش یا حذف نیاز به سرمایش و گرمایش مكانیكی و نور مصنوعی روز هنگام بكار می بندد. طراحان و ساختمان سازان توجه ویژه ای به خورشید جهت نیاز های گرمایشی و سرمایشی دارند. لازم نیست طرح پیچیده و مبهم باشد ولی در عین حال دانش و آگاهی از هندسه خورشیدی ، تكنولوژی پنجره و اقلیم محل را می طلبد . درصورت وجود یك ساعت ساختمانی مناسب می تواند طراحی خورشیدی غیر فعال را در آنجا كامل كرد.
عموما روشهای گرمایش خورشیدی غیر فعال در یكی از 3 دسته بندی ذیل قرار می گیرند :
1- دریافت مستقیم  2- دریافت غیر مستقیم   3- دریافت ایزوله شده
برای دریافت مستقیم بواسطه تابش خورشیدی است كه مستقیم به داخل نفوذ می كند و در فضاهای زندگی ذخیره می شود.
دریافت غیر مستقیم با بكارگیری برخی مصالحد ذخیره حرارتی (نظیر دیوار ترومب) ، تابش خورشیدی را جمع آوری نموده ، ذخیره كرده و ژخش می كند.
سیستم های دریافت ایزوله (نظیر فضای خورشیدی ) تابش خورشید را در یك محفظه ای كه بطور انتخابی می تواند به بقیه فضا های خانه باز یا بسته شود جمع آوری می كنند.  
روش های دریافت مستقیم طراحی خورشیدی غیر فعال
سایتهای طراحی خورشیدی غیر فعال بواسطه موقعیت ساختمان و اقلیم منطقه تفاوت می كند لیكن روشهای پایه ای یكسان می باشند . كه از مهمترین آنها افزایش كسب حرارت خورشیدی در زمستان و كاهش آن در تابستان است .
تكنیك های ویژه عبارتند از :
- آغاز كار با بكارگیری استراتژی طرح مصرف انرژی بهینه
- جهت دهی راستای محور طولی خانه به صورت شرقی / غربی
- ساختن سایه انداز های جبهه جنوبی به نحوی كه سایه اندازی پنجره را در تابستان تامین و اجازه دریافت خورشیدی در زمستان را بدهد.
- افزودن جرم حرارتی در دیوارها یا كف ها بمنظور افزایش ذخیره گرمایی و عدم پوشش آن با مبلمان
- استفاده از تهویه طبیعی جهت كاهش یا حذف نیازهای سرمایشی
- استفاده از نور روز جهت تامین نورپردازی طبیعی
- جهت یابی و برآورد نوع پنجره انتخابی جهت بهینه سازی كسب گرما در زمستان و كمینه كردن كسب گرما در تابستان برای اقلیم مشخص

طویل ترین دیوار خانه بایست زاویه ای در حدود مثبت یا منفی 15 درجه جنوب حقیقی جهت بیشترین دریافت گرمایی زمستان و كاهش هزینه های سرمایشی تابستان بخ خود گیرد. انحراف بیش از مقدار سبب كسب حرارت زمستانی كمتر از حالت اپتیمم می شود . در 30 درجه شرقی یا غربی سمت جنوب (جنوب حقیقی ) كسب حرارت زمستانی تا 15 درصد از حالت آپتیمم كمتر می شود. كوچك كردن دیوارها و ژنجره های شرقی و غربی دریافت گرمای مفرط (بیش از حد) در تابستان را كاهش می دهد.       

فضاها با توجه به كاربری شان بایستی متناسب با مسیر خورشید باشند .
اتاقهای با نیاز های گرمایش ، نور و كاربری پایین نظیر گاراژ ، اتاق انباری ، كارگاه ، راه پله جهت كاهش اثر بارهای گرمایشی زمستان در جبهه شمالی ساختمان مستقر می شوند . این عمل به صورت نرمال اتلاق حرارتی بالای دیوارهای شمالی را مادامیكه مغایرتی با دسترسی خورشیدی ندارند كاهش می دهد. اجزاء محوطه از قبیل درختان همیشه سبز می توانند جبهه های شمالی و غربی خانه را در برابر یادهای سرد زمستان و آفتاب شدید بعد ار ظهر تابستان محافظت كنند. موارد قید شده بخشی از استراتژی های طراحی در رابطه با بهینه سازی مصرف انرژی هستند .
گزاردن جرم حرارتی در معرض مستقیم خورشید اهمیت دارد.
اگر جرم حرارتی به طرز صحیحص در اتاق توزیع گردد راحتی و آسایش نیز افزایش می یابد چون مساحت سطحی افزایش یافته محلهلی تمركز گرما یا سرما را كاهش می دهد. مصالح سبك وزن و با رنگ روشن ، تا زمانی كه در اتاقی با مقدار زیادی از انرژی خورشیدی دریافتی باشند ، آن انرژی را به مصالح سنگین و متراكم منتقل می كنند. همچنین توده سطح قایمی كه در معرض مستقیم نور خورشید نیستند می توانند نوسانهای دمایی را با جذب گرمایی زیادی هوا تقلیل دهند. همینطور قالیچه ها و پرده ها دیواری نقش دار می توانند اثر توده حرارتی را چند درجه كاهش دهند. از اینرو عاقلاته است كه جهت پیوند بهینه سیستم ها با كاربری اتاق طراحهای پیشنهادی با جزئیات كامل تری ارایه شوند.    خانه های رو به خورشید فاقد جرم حرارتی خورشیدی داخلی باید پنجره های روبه جنوب با سطح شیشه ای كمتر از 7 درصد كف گرم شده داشته باشند. سیستم های دریافت مستقیم می توانند تا حدود 12 درصد سطح طبقه را در پنجره های جبهه جنوبی داشته باشند. فضا های خورشیدی فقط بایستی شامل شیشه های قدیمی باشند. شیشه های سطو شیشه ای شیب دار می توانند گرمای مفرط فوق العاده ای را باعث شوند. هر فوت مربع شیشه رو به جنوب بایستی تا 3 فوت مربع از مصالح بنایی با ضخامت مناسب توام شود.
طراحی سایت خانه خورشیدی
طراحی و توجه به محیط اطراف ساختمان ، در موقعیت طرح بسیار موثر است . در این قسمت پیشنهاداتی برای طراحی هرچه بهتر محیط اطراف ساختمان و نحوه جایگیری ساختمان در سایت طراحی می پردازیم .به منظور طراحی یك ساختمان با تامین آسایش آن در حد استاندارد ، طراح می بایستی كار را با طراحی سایت شروع كند. از طرفی جانمایی ساختمان در زمین ، با منظر ، فضای سبز ، فرم ساختمان در ارتباط است . (این ارتباط و تبادل با محیط و منظر به چیدمان عملكردی فضاهای داخلی ف اجرای پوسته خارجی ، انتخاب مصالح و ... وابسته است). نخستین مرحله بسیار مهم در طراحی ساختمان ، مطالعه سایت است . یعنی طراحی فضای باز بین ساختمان ها با اجتناب از سایه اندازی و با استفاده از گیاهان ، بادشكن ها و .... به منظور تثبیت شرایط میكرواقلیمی در اطراف ساختمان .
میكرو اقلیم در حقیقت شرایط آب و هوایی اطراف ساختمان است. انتباق و همسویی طرح با میكرواقلیم می تواند شرایط آسایش داخلی و میزبان نیاز گرمایشی و سرمایشی ساختمان را بهبود بخشد. اصلاح میكرواقلیم از طریق زیر امكان پذیر است:

 منظر و فضای سبز
درختان اطراف ساختمان می توانند بنا را از تابش مستقیم خورشیدی محافظت كرده و با تبخیر سطحی برگ هایشان ، دمای محیط را كاهش دهند. و نهایتا یك فضای حفاظت شده و مناسب را برای ساكنان داخلی ساختمان ایجاد نمایند. سرما و خنكی ایجاد شده از حوضها و فواره ها در تركیب با كانالهای باد ایجاد شده توسط گیاهان ، می تواند شرایط اطراف ساختمان را بهبود بخشد.
طراحی سایت و جانمایی ساختمان در آن
طراحی مناسب سایت و نحوه جایگیری ساختمان ئر آن ، می تواند شامل مواردی نظیر استفاده از خصوصیات توپوگرافی موجود ، ساختمان های مجاور ، پوشش گیاهان برای حفاظت تابشی طبیعی ، نسیم و بادهای محلی برای تهویه در تابستان و یا پوشش گیاهی موجود و آبهای سطحی برای سرمایش طبیعی باشد.
پوشش گیاهی – بادشكن
انتخاب درست نوع و مكان پوشش گیاهی در سایت و در اطراف ساختمان ، می تواند درتعدیل سرمای زمستان و گرمای تابستان بسیار مثبت و تاثیرگذار باشد. استفاده از درختان خزان پذیر در جبهه جنوبی ساختمان ، به صورت طبیعی ساختمان را از تابش مستقیم خورشید در فصل تابستان محافظت می كند . و در عین حال در فصل زمستان ، اجازه آفتاب گیری را به بنا می دهد. به علاوه درختان مقدار زیادی از انرژی خورشید را جذب كرده و دمای سطح زیرین خود را خنك نگه می دارند . از طرفی تبخیر سطحی گیاهان به كاهش دمای محیط بسیار كمك می كند .
آبنما ها و حوض ها
در كنار پوشش گیاهی و تكنیك های متفاوتی كه شدت و مسیر باد را تعریف می كند ، یكی دیگر از روشهای طراحی منظر و فضای سبز استفاده از حوض ، جوی ها و آبشارهایی به منظور ایجاد سرمایش یا استفاده از تبخیر است. این روش با اقلیم گرم و مرطوب بهترین همسازی را دارد. مكانیزم های سرمایش تبخیری فضای خارجی ساختمان ، علاوه بر ایجاد آسایش ساكنان در فضای بیرون بنا ، با پایین آوردن دمای هوای اطراف ساختمان (هوایی كه ساختمان را احاطه كرده است ) ، هزینه های سرمایش داخلی را نیز كاهش می دهند . روشهای سرمایش تبخیری در طراحی منظر شامل استفاده از حوض ، فواره ها ، استفاده از اسژری آب ، آبیاری قطره ای و سطوح مرطوب شنی یا سنگی است.
جاگیری ساختمان
مسال های كه طراح در مسایل شهری با آن روبه رو است این است كه طراح مجبور است ساختمان خود را در یك محیط آماده و موجود جایگذاری نماید و پیدا نمودن زمین بزرگ خالی در شهر بسیار مشكل است. بنابر این پیشنهاد راه حلهایی كه تضمین كند ساختمان ها رو به جنوب باشند و توسط ساختمان های مجاور سایه اندازی نداشته باشند بسیار مشكل است . اما به هر حال افتابگیری و تابش خورشید به فضای داخلی ، همانطوری كه توصیه شده است ، با طراحی هوشیارانه انرژی امكان پذیر است. در شهرك های جدید خصوصا در مناطق سبز ، با مشكلات كمتری مواجه هستیم و امكانات بیشتری جهت استفاده از استراتژی های ذخیره انرژی وجود دارد. بایستی توجه خاص با انتخاب نوع و جاگذاری پوشش گیاهی در روی ساختمانها و در اطراف آنها انجام پذیرد تا هیچ ضربه ای به ساختار بنا وارد نگردد.
در ذیل برخی از بهترین راهكار های علمی به منظور نیل به طراحی بهینه سایت و طراحی بهینه ساختمان از لحاظ مصرف انرژی ، ارائه گردیده است :
- حداقل یكی از نماهای ساختمان بایستی جهت جنوبی داشته باشد و حداكثر انحراف قابل قبول از جهت جنوب 25 درجه است.
- بهتر است ساختمان كشیدگی شرقی غربی داشته باشد تا نمای جنوبی مناسبی ایجاد گردد.
- در یك پروژه خانه سازی چه به صورت بلند مرتبه و چه به صورت ساختمان های كوتاه ، بهتر است ورودی ساختمان ها در سمت شمال واقع شود تا نیازی به سایبان وجود نداشته باشد
- ساختمان می بایستی تا حد امكان به جبهه شمالی زمین نزدیك شود. بدین ترتیب فاصله این بنا از ساختمان روبرویی زیاد شده و احتمال سایه اندازی در ساختمان كم می شود. در نتیجه دریافت خورشیدی راحت تر شده و سطح فضای سبز جلوی ساختمان نیز افزایش می یابد. از آنجا كه این جهت ، جهت مناسبتری برای ایجاد شرایط میكرواقلمی است ، شرایط بهتری حاصل می گردد.
- زمین های كوچك و زمین هایی كه شكل نامنظمی دارند، صرفنظر از مشكل تراكم ، از نظر جهت گیری ساختمان نیز مساله ساز خواهد بود.
- تا حد امكان بایستی از طراحی ساختمان های بلند در زمینهای كنار خیابان های كم عرض و خیابان های كه محور شمالی جنوبی دارند ، اجتناب نمود.
- عموما تمامی راه حلهایی كه در آنها به قرارگیری ساختمان در سایت اهمیت داده می شود ، شامل پیشنهادات مطاله نور و سایه خورشید در هر ساختمان و در بلوك های ساختمانی ، با در نظر گرفتن محورهای حركت خورشید و محور های زمین می باشند .
- طراحی خیابان ها به صورت موازی و در محور شرقی غربی مناسبتر است. زیرا این امكان جهت گیری ساختمان ها به سمت جنوب را فراهم می آورد .

 چیدمان عملكرد فضاهای داخلی (مناطق حرارتی )
آسایش ساكنان داخل ساختمان با چیدمان عملكردی و مناسب فضاهای داخلی راحت تر تامین می شود. بنابر این می بایستی نكات زیر را درنظر گرفت :
- فضاهایی با عملكرد طولانی مدت (نظیر اتاق نشیمن ، آشپزخانه ، نهار خوری ، اتاق خواب و ... ) نیاز به درجه حرارت داخلی بیشتری دارند، بنابر این می بایستی در جبهه جنوبی ساختمان واقع شوند.
- فضاهایی با عملكرد كوتاه مدت (نظیر اتاق كار و حمام ) كه نیاز به درجه حرارت كمتری دارند می بایستی در مكان با درجه حرارت میانه واقع شوند.
- فضاهای كمكی (انبار و گاراژها ) در صورت استفاده می بایستی در جبهه شمالی واقع شوند تا بعنوان یك فضای بافر میان فضاهای گرم داخل و محیط خارج ساختمان ، عمل كنند .
- اتاقهای خواب بدلیل سر و صدای خیابان نباید در سمتی كه مشرف به خیابان است واقع شوند .