فناوری تهویه طبیعی در معماری سنتی

در عرصه ی معماری شيوه ها و فناوری های جديدی در چند دهه اخير معرفی شده اند که مهمترين اهداف آنها سازگاری و تعامل معماری با محيط زيست، بهينه سازی مصرف انرژی و بهره گيری از انرژی های تجديد پذير طبيعی است. اما اين اهداف منتج از رويكردهای اخير نيستند و در گذشته و معماری سنتی خاورميانه و کشورهايی چون ايران وجود داشته و معماری سازگار با طبيعت را به وجود آورده اند

علی بهار

دنیای پردازش آنلاین: مصرف بيش از حد انرژی های تجديدناپذير، آسيب رسانی زندگی انسان به طبيعت، دغدغه های زيست محيطی و نگرانی در مورد آتيه بشر از جمله علل اصلی پديدآمدن مفاهيم طراحی و توسعه پايدار شناخته می شوند. در اين راستا در عرصه ی معماری نيز شيوه ها و فناوری های جديدی در چند دهه اخير معرفی شده اند که مهمترين اهداف آنها سازگاری و تعامل معماری با محيط زيست، بهينه سازی مصرف انرژی و بهره‌گيری از انرژی های تجديد پذير طبيعی است.
اما اين اهداف منتج از رويكردهای اخير نيستند و در گذشته و معماری سنتی خاور ميانه و کشورهايی چون ايران وجود داشته و معماری سازگار با طبيعت را به وجود آورده اند.
سرآغاز اين پژوهش، بررسی امكان کاربرد برخی از ارزش های معماری سنتی در ساختمان های متداول امروزی است و تهويه و خنك کنندگی فضاهای داخلی به عنوان موضوع پژوهش انتخاب شده است.
بنابراين جهت حصول نتايج کاربردی، شيوه های پاسخگويی معماری سنتی به اين نياز به اجمال بررسی می گردد.

در ادامه طرحی متشكل از گنبد دوپوسته ارایه می شود که ملهم از ارزش های معماری سنتی و نتايج حاصل از پژوهش است و قادر است با بهره گيری از عوامل طبيعی و موجود، به تهويه و خنك کنندگی فضاهای داخلی بپردازد. طرح مذکور که در قالب اختراع به ثبت رسيده است، می تواند با در نظرگرفتن برخی تمهيدات، در ساختمان های امروزی نصب و راه اندازی گردد.
در چند دهه اخير افزايش تقاضای انرژی، محدوديت منابع انرژی فسيلی و افزايش قيمت آن و همچنين عدم امنيت و ثبات بازار انرژی، با موضوعات ديگری چون آسيب لايه ازن، گرم شدن زمين و آلودگی محيط زيست همسو شده‌اند.
ارزش و درجه اهميت انرژی هر روز بيشتر جلوه می کند و مصرف بيش ازحد انرژی های تجديد ناپذير، دغدغه زيست محيطی، آسيب رسانی زندگی انسان به طبيعت، و همچنين طراحی و توسعه پايدار مفاهيمی هستند که تغيير در شيوه زندگی انسان را طلب می کنند.

در عرصه ی معماری شيوه ها و فناوری های جديدی در چند دهه اخير معرفی شده اند که مهمترين اهداف آنها سازگاری و تعامل معماری با محيط زيست، بهينه سازی مصرف انرژی و بهره‌گيری از انرژی های تجديد پذير طبيعی است. اما اين اهداف منتج از رويكردهای اخير نيستند و در گذشته و معماری سنتی خاورميانه و کشورهايی چون ايران وجود داشته و معماری سازگار با طبيعت را به وجود آورده اند

مصرف بيش از حد انرژی های تجديدناپذير، آسيب رسانی زندگی انسان به طبيعت، دغدغه های زيست محيطی و نگرانی در مورد آتيه بشر از جمله علل اصلی پديدآمدن مفاهيم طراحی و توسعه پايدار شناخته می شوند.

در اين راستا در عرصه ی معماری نيز شيوه ها و فناوری های جديدی در چند دهه اخير معرفی شده اند که مهمترين اهداف آنها سازگاری و تعامل معماری با محيط زيست، بهينه سازی مصرف انرژی و بهره گيری از انرژی های تجديد پذير طبيعی است.
اما اين اهداف منتج از رويكردهای اخير نيستند و در گذشته و معماری سنتی خاور ميانه و کشورهايی چون ايران وجود داشته و معماری سازگار با طبيعت را به وجود آورده اند.
سرآغاز اين پژوهش، بررسی امكان کاربرد برخی از ارزش های معماری سنتی در ساختمان های متداول امروزی است و تهويه و خنك کنندگی فضاهای داخلی به عنوان موضوع پژوهش انتخاب شده است.
بنابراين جهت حصول نتايج کاربردی، شيوه های پاسخگويی معماری سنتی به اين نياز به اجمال بررسی می گردد.

در ادامه طرحی متشكل از گنبد دوپوسته ارایه می شود که ملهم از ارزش های معماری سنتی و نتايج حاصل از پژوهش است و قادر است با بهره گيری از عوامل طبيعی و موجود، به تهويه و خنك کنندگی فضاهای داخلی بپردازد. طرح مذکور که در قالب اختراع به ثبت رسيده است، می تواند با در نظرگرفتن برخی تمهيدات، در ساختمان های امروزی نصب و راه اندازی گردد.
در چند دهه اخير افزايش تقاضای انرژی، محدوديت منابع انرژی فسيلی و افزايش قيمت آن و همچنين عدم امنيت و ثبات بازار انرژی، با موضوعات ديگری چون آسيب لايه ازن، گرم شدن زمين و آلودگی محيط زيست همسو شده‌اند.
ارزش و درجه اهميت انرژی هر روز بيشتر جلوه می کند و مصرف بيش ازحد انرژی های تجديد ناپذير، دغدغه زيست محيطی، آسيب رسانی زندگی انسان به طبيعت، و همچنين طراحی و توسعه پايدار مفاهيمی هستند که تغيير در شيوه زندگی انسان را طلب می کنند.
در اين راستا توسط محققان، رويكردهای جديدی در مبحث انرژی ارایه شده است و دو راه حل بنيادين مورد توجه قرارگرفته است:
– بهينه سازی توليد و مصرف انرژی (کاهش و يا کنترل تقاضا)
– استفاده از منابع انرژی جايگزين (به طور عمده انرژی های تجديدپذير)
بر اساس دو راه حل مذکور، در عرصه معماری و طراحی ساختمان ها نيز رويكردها، شيوه ها و فناوری های جديدی در چند دهه اخير معرفی شده و روز به روز بر ميزان درجه اهميت و کاربرد آنها افزوده می شود.

مهمترين آنها عبارتند از:

سامانه های کنترل هوشمند ساختمان، اقليم و شرايط محيطی، سامانه های توليد همزمان برق، حرارت و برودت، ساختمان های غيرفعال خورشيدی، ساختمان های سبز و انرژی صفر، سامانه های متمرکز سرمايش و گرمايش.
اما آيا همه اين راه حل ها، سامانه های ذخيره سازی سرما و انرژی فناوری های مبتنی بر انرژی های نو و تجديد پذيرمحصول دنيای مدرن و پيشرفته امروز و نتيجه صنعت و فناوری های نوين هستند و سازگاری معماری با محيطزيست و بهره گيری از انرژی‌های تجديد پذير طبيعی حاصل رويكردهای اخير است؟
با گذر زمان و رشد و توسعه فناوری و اتكای صنعت و معماری به مواد و فناوری های جديد، متأسفانه روز به روز ارزش های معماری سنتی به فراموشی سپرده می شود و سعی می گردد نيازهای موجود با بهره مندی از فناوری ها و محصولات جديد پاسخ داده شود.

اين شيوه مزايايی را نيز به دنبال داشته است، اما نبايد فراموش کرد که از نتايج مشهود اين روش نوين زندگی، مصرف بيش از حد انرژی های تجديدناپذير، ازدياد پسماندها و بروز آلودگی‌ها و آسيب‌های زيست محيطی است که حال و آتيه انسان را با تهديد مواجه ساخته است.

مواجهه با اين گونه مشكلات باعث پيدايش دغدغه های زيست‌محیطی شده است. مفهوم پایداری در دهه 1970 میلادی، نتیجه آگاهی بشر نسبت به مسایل محیط زیست و مشکلات فرهنگی- اجتماعی و اقتصادی است.

معماري سنتي و سازگار با طبيعت

تعامل مناسب با طبيعت و بهره مندی از ارزش ها و انرژی های طبيعی، يكی از مهمترين راهكارهای طراحی و توسعه پايدار معرفی شده است، شيوه ای که در گذشته و در معماری سنتی خاورميانه و کشورهايی همچون ايران، معماری سازگار با طبيعت را به وجود آورده است.

معماری سنتی آسيای مرکزی و خاورميانه محصول توپوگرافی زمين، شرايط آب و هوايی و فرهنگ و اجتماع است و ارتباط بنا با طبيعت و محيط اطراف و بهره مندی معماری از شرايط مطلوب جوی و اقليمی، يكی از مهمترين شيوه‌های پاسخگويی به نياز انسان ها در فضاهای معماری بوده است.

در معماری سنتی ايران، ساختمان بر اساس موقعيت جغرافيايی اش، از طريق سقف ها، کاهش سطح خارجی در برابر تابش مستقيم آفتاب، ايجاد سايبان های متناسب با هر منطقه، بادگيرها و زيرزمين ها، حياط مرکزی، جان پناه‌های سايه گستر، پنجره های رو به آفتاب، انتخاب مصالح مناسب سقف، ديوار، انبار و غيره، چنان با محيط خارج مقابله می کند که بهترين آسايش فضای داخلی را بدون استفاده از دستگاه  های پيچيده انرژی بر و آلوده کننده امكان پذير می سازد.

آيا می توان برخی از ارزش های معماری سنتی را در معماری امروز و ساختمان  های متداول به کار برد؟
اين سؤال سرآغاز گرايش به پژوهشی است که توسط نگارندگان انجام شده است. در راستای بهينه سازی مصرف انرژی و استفاده از منابع انرژی تجديد پذير طبيعی، که در آغاز سخن به آن اشاره شد، موضوع تهويه و خنك‌کنندگی فضاهای داخلی به عنوان موضوع پژوهش انتخاب گرديد.

امروزه تهويه و خنك کردن فضاهای داخلی ساختمان ها توسط کولرهای آبی، کولرهای گازی، اسپليت و مواردی مشابه انجام می شود که هر کدام نيازمند صرف انرژی زيادی هستند. نياز مبرمی که در گذشته نيز وجود داشته است، اما در معماری سنتی به شيوه های ديگری به اين نياز پاسخ داده شده است.
بنابراين، پژوهش با مطالعه بر شيوه های پاسخ گويی به اين نياز در معماری سنتی آغاز شد.

بادگيرهاي سنتي تا بادگيرهاي مدرن تجاري

در معماری سنتی مناطق گرم و خشك، دم و بازدم ساختار معماری توسط کانال های يك سويه به نام های «بادخور» و «بادخان» انجام می شده است.
بادخورها با ورود هوای خنك به فضای داخلی و بادخان ها با خروج هوای گرم، تهويه طبيعی را بادخان ميسر می ساخته اند. ساختار کامل تری در معماری کشورهای خاورميانه به كار رفته است که بادگير نام دارد و عملكرد ورود هوای خنك و خروج هوای گرم را به طور همزمان و ترکيبی به انجام می رساند.

بادگير مجرای قایمی است که عموماً مقطع مربع يا چند وجهی منتظم دارد و ارتفاع آن 5 تا 88 متر است.

مطالعات تجربی نشان داده است که بادگيرهايی با مقطع مربع يا مستطيل نسبت به مقاطع مدور يا چند وجهی کارايی موفق تری دارند، زيرا لبه های تيز و قائمه سطح بيرونی اين گونه بادگيرها باعث سهولت تفكيك جريان باد و اختلاف بيشتر فشار هوا در دو سمت بادگير می شود.
در رأس بادگير دريچه هايی وجود دارد که ورود و خروج هوا را ميسر می سازند (بادگيرهای دو وجهی، چهار وجهی، شش وجهی و هشت وجهی).
تيغه های جداکننده، مجرای بادگير را به دو يا چند مجرای باريك تر تقسيم می کنند تا با کمك دريچه های رأس بادگير، عملكرد ورود و خروج هوا در اين ساختار صورت پذيرد. راندمان بادگيرها مبتنی بر اختلاف فشار هوای خارج و داخل ساختمان است. اين اختلاف فشار ممكن است ناشی از اختلاف دما (تأثير اندك) و يا وزش باد باشد که وزش باد مؤثرترين عامل تلقی می شود.
بادگيرهای چند وجهی در مناطقی به كار می روند که راستای باد غالب، مشخص و قابل پيش بينی نيست.

در پژوهشی که توسط منتظری و عزيزيان صورت پذيرفته است، کارکرد تهويه طبيعی بادگيرهای چند وجهی توسط آزمون دود و همچنين (CFD) بررسی شده و نتايج عددی و تجربی نشان می دهند که با افزايش تعداد دريچه های رأس بادگير، ميزان جريان هوای ورودی کاهش می يابد و در صورتی که باد با زاويه عمود بر دريچه بادگير بوزد، بادگيرهای دو وجهی بيشترين ميزان جريان هوا را به فضای داخل منتقل می سازند.

تلفيق سامانه خنك كننده (تبريد) با بادگيرهاي سنتي

در اين سامانه، تبخير آب که فرايندی گرماگير است باعث خنك شدن هوای مجاور شده و چگالی آنرا نيز می افزايد. سامانه خنك کننده تبخيری در معماری سنتی خاور ميانه به كار رفته است. به عنوان مثال در بادگير باغ دولت آباد يزد که بلندترين بادگير جهان تلقی می شود (با ارتفاع 33متر) در اتاقك زير بادگير ( با ابعاد 6*4*2/5 متر) حوضچه ای تعبيه شده که جريان هوای ورودی را خنك نموده و هوای خنك به فضای داخلی منتقل می شود. (تصوير شماره1)

شيوه ای مشابه در ساختارهای معماری ديگر نيز ديده می شود.
به عنوان مثال ترکيب نهر آب زيرزمينی يا قنات و بادخان، سامانه ای را در معماری ايرانی از قرن دهم به وجود آورده است که دمای هوای داخل را تا پانزده درجه سانتيگراد کاهش می دهد.
در اين سامانه بادخان در بالای ساختمان قرار گرفته و دريچه آن در جهتی قرار می گيرد که مقابل جريان باد غالب نباشد.

بنابراين در مجاورت دريچه بادخان فشار کمتری وجود دارد که باعث مكش هوای بادخان به بيرون می شود.
بر اين اساس هوای گرم ساختمان خارج شده و هوای خنك کانال قنات از دريچه ای به داخل ساختمان کشيده می شود تا جايگزين گردد.
نمونه‌های جديدی از تلفيق سامانه خنك کننده با بادگير طراحی شده و مورد مطالعه قرار گرفته است.

در يك نمونه لوله های سفالی توخالی به طور عمود و با فاصله پنج تا ده سانتيمتر از يكديگر، درون بادگير قرار گرفته اند و توسط افشانه آب که در بالای مجرای بادگير تعبيه شده، مرطوب نگه داشته می شوند.
در نمونه ديگر به جای لوله های سفالين، از پرده های پارچه ای استفاده شده است.

در نمونه سوم نيز لايه هايی که توسط افشانه آب مرطوب می شوند در دهانه ورودی بادگير طراحی شده اند و در هر سه نمونه جريان هوا با عبور از سطوح مرطوب، خنك و سنگين تر شده و به پايين بادگير هدايت می شود.
در تحقيقاتی که توسط «دکتر بهادری» (عضو هيأت علمی دانشگاه شريف) بر روی نمونه های مذکور انجام شده است، نشان می دهد که کاربرد سامانه های تبخيری درون بادگير تأثير بسزايی در کاهش دمای هوای ورودی به فضای داخلی دارند، اما ميزان جريان هوای ورودی را کاهش می دهند.

در مطالعات ديگری نيز کارايی برودتی نمونه های مذکور با مدل سازی عددی و تحليلی (CFD) تحت پارامترهای ساختاری و شرايط خارجی متفاوت مورد بررسی قرار گرفته است.
نتايج اثبات می کنند که تلفيق سامانه تبخيری با بادگير می تواند تأثير بسزايی درکاهش نياز به استفاده از دستگاه های خنك کننده مرسوم در تابستان داشته باشد، اما کاربرد دستگاه افشانه درون بادگير، خود نيازمند صرف انرژی الكتريكی است و راه حلی سبز تلقی نمی شود.

تلفيق دودكش هاي حرارتي (خورشيدي) با بادگير

دودکش های حرارتی، کانال های عمودی در سطح ساختمان هستند که ديواره آنها با تابش نور خورشيد به جذب گرما پرداخته و گرمای حاصل به داخل کانال انتقال می يابد. بنابراين هوای داخل کانال گرم شده و به سمت بالا حرکت می کند و از دريچه بالای دودکش خارج می شود.

اين جريان طبيعی باعث مكش هوا از فضای داخلی ساختمان می شود و هوايی که نسبتاً خنك تر است از پنجره ها و يا دريچه هايی که در سطوح پايين تر قرار دارند، جايگزين می گردد.
مطالعاتی که با استفاده از مدل رياضی بر روی سامانه تلفيقی از بادگير و دودکش حرارتی انجام شده نشان می دهد در شرايطی که سرعت باد اندك و نور و حرارت خورشيد زياد است، دودکش حرارتی ميزان جريان هوای عبوری را تا پنجاه درصد می افزايد.

(تصوير شماره 4) ايده ای را نشان می دهد که در آن ساختار بادگير با محفظه خنك کننده هوا و دودکش حرارتی (خورشيدی) تلفيق شده و سامانه تهويه و تبريد طبيعی را به وجود آورده است.

محفظه خنك کننده که در قسمت بالای بادگير نصب می شود، متشكل از پمپ و افشانه آب و لايه هايی است که افشانه آب آنها را مرطوب و خنك می سازد و جريان هوا از بين آنها عبور نموده و با دمای کمتر و چگالی بيشتر به سمت پايين بادگير حرکت می کند.
در سمت ديگر ساختمان دودکش حرارتی با گرمای نور خورشيد گرم می شود و جريان همرفت باعث صعود هوای گرم داخل دودکش شده و هوای گرم داخل ساختمان را به داخل دودکش و به سمت خارج ساختمان مكش می‌کند. بنابراين در اين گردش طبيعی، هوای خنك جايگزين هوای گرم داخل ساختمان می شود.

اما اين ايده نيازمند مصرف انرژی الكتريكی است و فقط در شرايطی کارايی دارد که طرح اين سامانه، متناسب با راستای باد غالب و جهت تابش نور خورشيد باشد.
لازم به ذکر است که طراحی بادگيرها و ويژگی های ساختاری و کاربرد آنها، از ارزش های معماری سنتی خاورميانه است که درکتب و مقالات متعددی توسط محققان بين المللی مورد تحقيق و بررسی قرار گرفته، اما به دليل عدم امكان ادغام چنين ساختارهايی با معماری و فضاهای شهری موجود و همچنين ابعاد و فضاهای مورد نياز، امروزه بادگيرهای سنتی در طراحی ساختمان ها به کار نمی روند.

بادگيرهاي تجاري

در سال های اخير طرح بادگيرهای سنتی با تكنولوژی مدرن تلفيق شده و طراحان محصولی را ارایه نموده اند که همانند بادگير، جريان هوای بيرون را به فضاهای داخلی و به طور همزمان هوای گرم و آلوده را به بيرون منتقل می سازد. (تصوير شماره 5)
اساس کار اين محصول اختلاف فشار هواست.

قسمت اصلی اين محصول اتاقكی فلزی با مقطع مربع است که بر روی سقف سوار می شود. در چهار طرف آن دريچه های کرکره ای تعبيه شده که علاوه بر امكان ورود و خروج جريان هوا از چهار وجه، مانع ورود آب باران و برف به داخل کانال می شود. در قسمت تحتانی اين اتاقك نيز دريچه تنظيم کننده با تيغه های موازی وجود دارد که به ساکنين اجازه می دهد ميزان جريان هوای عبوری را بنابر نياز تنظيم نمايند.

دريچه مذکور به شيوه دستی (کنترل الكتريكی از راه دور) و خودکار (نصب سنسور دما و کيت کنترل خودکار) مكانيزم کنترل تهويه طبيعی را فراهم می سازد.
در نوع پيشرفته اين گونه بادگيرهای تجاری، در سطح بالايی اتاقك بادگير، پنل خورشيدی نصب می شود که انرژی مورد نياز پروانه دمنده خورشيدی که در زير آن قرار دارد را تأمين می کند.
در شرايطی که جريان باد وجود ندارد و يا سرعت آن اندك است، پروانه خورشيدی باعث تداوم جريان هوا و عملكرد اين نوع بادگير می شود.

نتايج نشان می دهد که استفاده از پروانه خورشيدی می تواند جريان هوا را تا چهار برابر افزايش دهد.
بايد توجه داشت که ابعاد بادگيرهای تجاری، کوچك تر از بادگيرهای سنتی است (سطح مقطع معمول آنها حدود 50 در 50 سانتيمتر است) و ابعاد دريچه و کانال و همچنين سرعت جريان باد، عوامل اصلی تأثيرگذار بر ميزان جريان باد و تهويه طبيعی هستند. علاوه بر اين، عملكرد مناسب اين بادگيرها زمانی ميسر می شود که سرتاسر مجرای کانال انتقال جريان هوا به درون ساختمان، همانند بادگيرهای سنتی به چهار بخش تقسيم شده باشد تا مسير جريان هوای گرم به بيرون و هوای خنك به درون ساختمان جداسازی شود.

نكته ديگر اين است که پروانه دمنده خورشيدی نقش يكسانی بر روی چهار مجرای مجزا شده بادگير دارد، در صورتی که هر چهار بخش، نقش ورود هوا را به درون ساختمان به طور همزمان بر عهده ندارند. با اين وجود نتايج تحقيقات نشان داده است که بادگيرهای تجاری نقش مؤثری در تهويه طبيعی بر عهده دارند.

كارايي حرارتي و تهويه سقف هاي گنبدي

سقف های گنبدی شكل در معماری سنتی ايران و برخی از کشورها، جهت پوشاندن سطوح وسيع نظير مساجد، بازارها، معابد و کليساها استفاده شده است و بسياری از محققان علت طرح و کاربرد اين نوع سقف را کمبود چوب های بلند جهت پوشش سقف معماری در اغلب مناطق گرم و خشك و مخصوصاً فلات مرکزی ايران دانسته اند که از خشت و آجر در قالب طاق قوسی و گنبد جهت پوشش سقف استفاده می شده است.

بنابر تقسيم بندی که توسط استاد «پيرنيا» ارایه شده است، گنبد از لحاظ فرم در چهار نوع گنبد نار، گنبد رك، گنبد خرپشته و گنبد اورچين وجود دارد که در اين پژوهش، گنبد نار با فرم تقريباً نيم کروی مد نظر است.
در برخی از مساجد، گنبدها دوپوسته هستند که علت کاربرد گنبدهای دوپوسته، توجه به مقياس ساختمان و مقياس شهر ذکر شده است، اما گنبد دوپوسته نقش ارزنده ای در کاهش تبادل حرارتی بين داخل و خارج بنا دارد و هوای راکد بين دو پوسته نقش عايق حرارتی را ايفا می کند.

-در فصل تابستان سطح خارجی طاق گنبدی نسبت به زاويه تابش خورشيد مايل است و به علت انحنای سطح خارجی، هميشه بخشی از آن در سايه قرار دارد.
علاوه بر اين سطح بيشتری نسبت به بام مسطح دارد و جريان باد بر روی آن باعث انتقال حرارت سطحی بام به هوای مجاور شده و نسبت به طاق مسطح، حرارت کمتری را جذب و به فضاهای داخلی انتقال می دهد.

-کاربرد ارزنده ديگر طاق های گنبدی، ارتفاع زياد زير گنبد از کف اتاق يا سالن است. بر اساس جريان همرفت، هوای گرم و سبك به بالا صعود نموده و به سمت زير گنبد حرکت می کند. تعبيه دريچه در زير گنبد باعث خروج هوای گرم و جايگزين شدن هوای خنك تر می شود. بنابراين تهويه طبيعی بر اساس جريان همرفت در اين نوع طاق ها وجود دارد.

-در معماری برخی از مناطق، ترکيب بادگير و گنبد سامانه موفق تری را به وجود آورده است. جريان باد در ارتفاع بالاتر توسط دهانه بادگير دريافت شده و به فضای داخلی منتقل می شود. بنابراين اختلاف فشار و جريان هوای ورودی به جريان همرفت زير گنبد کمك نموده و خروج هوای گرم از رأس و دريچه های جانبی گنبد، تهويه طبيعی را به وجود می آورد. کاربرد اين ترکيب در طراحی برخی از آب انبارها نيز باعث خنك شدن آب می شود. (تصوير شماره 6)

اصل برنولي و تأثير آن بر سقف هاي گنبدي

دانشمند سوئيسی، «دانيل برنولی» کتابی با عنوان «هيدروديناميك» را در سال 1738 ارایه می کند و در اين کتاب، اصلی را مطرح می سازد که امروزه با نام «اصل برنولی» شناخته می شود. اين اصل بيان می کند که در يك جريان روان، با افزايش سرعت سيال، فشار و يا انرژی پتانسيل آن به طور همزمان کاهش می يابد. (تصوير شماره 7)

بر اساس اصل برنولی، هنگامی که وزش و جريان باد در اطراف يك گنبد وجود دارد، سرعت جريان باد حين عبور از سطح گنبد افزايش می يابد، بنابراين همزمان با افزايش سرعت، فشار سطحی باد کاهش خواهد يافت.
همانگونه که در تصوير شماره 8 مشاهده می شود، در جهتی که وزش باد وجود دارد، ناحيه پر فشار و در سمت ديگر به طور نسبی ناحيه کم فشار به وجود می آيد، اما هميشه راستای وزش باد مشخص نيست. رأس گنبد ناحيه‌ای است که هنگام وزش باد از جهات مختلف، در سطح آن هميشه فشار کمتری وجود دارد.
بنابراين با تعبيه دريچه ای در رأس گنبد، فشار کمتر باعث مكش هوای زير گنبد می شود. بر اين اساس جريان همرفت و صعود هوای گرم در زير گنبد به همراه مكش ناشی از اصل برنولی، باعث خروج هوای گرم درزير گنبد می‌شود.

اين ويژگی در سقف گنبدی برخی از بناها مثل چهار سوق بازارها و کاروانسراهای سنتی و … وجود دارد و تهويه طبيعی را به وجود آورده است. (تصوير شماره 9)
نتايج حاصل از مطالعات و پژوهش انجام شده، سؤالاتی را در ذهن به وجود می آورد:
– چرا ارزش های فرمی، عملكردی و بسياری از ويژگی های معماری سنتی به فراموشی سپرده شده است؟
– آيا می توان از شيوه های تهويه در معماری سنتی ايران الگوبرداری نموده و در ساختمان های امروزی استفاده نمود؟
– آيا می توان طرح و مكانيزمی را ارایه نمود که فقط با استفاده ازانرژی های طبيعی بتواند به تهويه و خنك نمودن فضای داخل ساختمان ها بپردازد؟
– آيا شيوه عملكرد کولرهای آبی می تواند بدون استفاده از انرژی الكتريكی صورت پذيرد؟
– آيا بادگيرهای تجاری می توانند بدون بهره گيری از انرژی الكتريكی و کاهش راندمان، قابليت خنك کنندگی نيز داشته باشند؟ و بسياری سؤالات ديگر…

تهويه و تبريد با كاربرد گنبد دو پوسته

راه حل ارایه شده، از ارزش های معماری سنتی بهره می گيرد و با استفاده از ويژگی های فرمی و عملكردی گنبد دوپوسته، به تهويه و خنك کنندگی طبيعی فضاهای داخلی می پردازد. (تصوير شماره 10)
طرح ارایه شده که در قالب دو اختراع (مكانيزم و محصول) به ثبت رسيده است، متشكل از دو پوسته گنبد با شعاع متفاوت است که با فاصله اندك هم مرکز هستند و پوسته سومی نيز با فرم کلاهك بر روی آنها قرار می گيرد و تقريباً تابع فرم پوسته خارجی گنبد است.

در قسمت رأس پوسته داخلی گنبد، دريچه ای وجود دارد که توسط مخروطی با انحنای جانبی به دريچه بالای کلاهك با ابعاد بزرگ تر مرتبط می گردد. در واقع دو دريچه و مخروط مذکور، رابط فضای زير پوسته داخلی گنبد با محيط بيرون هستند تا هوای گرم و آلوده بتواند خارج گردد.
کلاهك گنبد مانع ورود باران و برف به فضای بين دو پوسته می شود.
علاوه بر اين از قسمت زير کلاهك، امكان ورود جريان باد از جهات مختلف به داخل و بين دو پوسته وجود دارد.

فرم داخل کلاهك باعث گردش جريان باد به دور پوسته داخلی گنبد و ورود به فضای داخلی می شود.
پوسته ای نازك از سفال يا جنسی با قابليت مشابه، در سطح خارجی گنبد زيرين نصب شده و با آبرسانی به شيوه قطره ای، مرطوب نگه داشته می شود تا يك سامانه تبخيری و گرماگير را به وجود آورد.
ميزان شدت آبرسانی قطره ای بر اساس ميزان دمای هوا و همچنين نوع اقليم قابل کنترل است.

به اين شيوه، ايجاد رسوب، آلودگی و … وجود نخواهد داشت.
جريان هوايی که وارد ساختار گنبد می شود در مجاورت پوسته مرطوب داخلی خنك شده و از طريق دريچه هايی که رابط گنبد با فضای داخلی هستند به داخل منتقل می شود.

اين دريچه ها می توانند (مشابه دريچه های بادگيرهای تجاری) قابل تنظيم و حتی برنامه ريزی بوده و دارای فيلتر باشند تا ميزان رطوبت هوای ورودی را کنترل نموده و مانع ورود گرد و غبار و آلودگی شوند. سطح زيرين پوسته داخلی گنبد در برابر رطوبت نفوذ ناپذير است و رطوبت به ساختار معماری انتقال پيدا نمی کند.

بنابراين جريان هوا می تواند از زير کلاهك وارد فضای بين دو پوسته گنبد شده و پس از خنك شدن وارد فضای داخلی شود. آيا خروج هوای گرم و آلوده داخل، از مرکز اين ساختار و ورود هوای تازه به فضای داخلی می تواند به طور طبيعی صورت پذيرد؟
-هنگامی که جريان باد در اطراف ساختار گنبدی شكل وجود دارد:
با وجود جريان باد در اطراف يك گنبد، بر اساس اصل برنولی هميشه در رأس گنبد ناحيه کم فشار وجود دارد و در صورت تعبيه يك دريچه، هوای زير گنبد در اثر اين عامل و همچنين جريان همرفت، به بيرون مكش شده و در زير گنبد کاهش فشار رخ خواهد داد. جهت جبران اين کاهش فشار، هوای خنك بين دو پوسته گنبد به فضای داخل جريان می يابد و گردش طبيعی جريان هوا ادامه پيدا می کند.

گردش طبيعی و خنك شدن جريان هوا که بدون نياز به مصرف انرژی برق صورت می پذيرد، باعث خنك شدن فضاهای داخلی معماری می شود.
-هنگامی که جريان باد در اطراف ساختار گنبدی شكل وجود ندارد:
در قسمت رأس پوسته داخلی گنبد دريچه ای وجود دارد که توسط مخروطی با انحنای جانبی به دريچه بالای کلاهك با ابعاد بزرگ تر مرتبط می گردد.
بر روی دهانه مخروط يا دريچه کلاهك بيرونی، فن يا هواکش سبك خورشيدی نصب می شود که انرژی مورد نياز آن با سلول های خورشيدی مجاور هواکش تأمين می گردد.

هواکش خورشيدی نصب شده بر روی دريچه ساختار گنبدی شكل، باعث مكش هوای داخل و انتقال آن به بيرون می شود و در نتيجه در زير گنبد کاهش فشار رخ می دهد.

بنابراين از دريچه های بين دو پوسته هوای خنك به فضای داخل جريان می يابد تا کاهش فشار زير گنبد را جبران کند.

مدل سازي و آزمون طرح

مطالب مذکور، طرح ارایه شده را به شيوه ای علمی توجيه می کنند، اما مدل سازی و آزمون حداقل تجربی طرح، ضروری به نظر می رسيد. در مدلی که جهت آزمايش عملكرد اين طرح با مقياس يك دهم ساخته شد، ساختار گنبدی شكل دو پوسته و کلاهك آن از جنس سفال است و بر روی اتاقكی از جنس نئوپان با ابعاد (60در60در60) سانتيمتر نصب گرديد.

مدل در ساعت 12:30 ظهر بر روی پشت بام منزل مسكونی يك طبقه در شهرستان سمنان و در شرايطی که وزش باد مناسب برای عملكرد اين مدل وجود داشت، مورد آزمايش قرار گرفت. اختلاف دمای داخل اتاقك و بيرون، با کاربرد دماسنج ديجيتال که دارای دو حسگر داخلی و بيرونی است، اندازه گيری شد. حسگر بيرونی دماسنج در داخل اتاقك چوبی نصب شد. بيشترين اختلاف دمای اندازه گيری و ثبت شده در اين آزمون، حدود 23 درجه سانتيگراد است، بنابراين آزمون تجربی نيز عملكرد مناسب اين طرح را تأييد نمود.

(تصوير شماره 11) لازم به ذکر است که سرعت و جهت جريان باد، مهمترين عوامل تأثيرگذار بر کارکرد سامانه های تهويه سنتی و تجاری هستند.
در اين طرح فرم مدور کلاهك و گنبد، امكان ورود جريان هوا را از جهت های مختلف ميسر می سازد، اما جهت تحليل دقيق کارکرد و راندمان محصول در سرعت های مختلف باد و ارایه نمودارهای مربوطه، لازم است تا از طريق آزمون‌های مختلف (مدلسازی CFD و…) تأثير سرعت جريان باد به شيوه ی عددی مورد مطالعه قرار گيرد که از عهده اين مقاله خارج است.

امكان توليد و كاربرد طرح در ساختمان هاي امروزي

مدل سازی سه بعدی رايانه ای و همچنين مدل سازی آزمايشی که به آن اشاره شد، بر اساس ابعاد و مشخصات گنبد های سنتی انجام پذيرفته است، اما بايد تأکيد شود که هدف اصلی از طراحی اين محصول، توليد به شيوه سنتی نبوده و محصول مشابه می تواند به شيوه صنعتی، در ابعاد مختلف و با مواد جايگزين توليد شده و جهت کاربرد در ساختارهای معماری عرضه شود.

اين شيوه توليد باعث کاهش وزن و قيمت، سهولت نصب و بهبود کارکرد اين محصول شده و امكان عرضه و کاربرد آنرا در سطح وسيع ميسر می سازد.
محصول مورد نظر می تواند با ابعاد مختلف و بنابر کاربرد معماری خريداری شده و با در نظر گرفتن برخی تمهيدات، بر روی قسمتی از سقف نورگيرهای مرکزی ساختمان ها و يا بر روی کانال های مرکزی، نصب و راه اندازی شود و به شيوه طبيعی باعث خنك شدن فضاهای داخلی شود.

مزاياي طرح

1. امروزه ساختارهای معماری نيازمند استفاده از تجهيزات و امكانات صنعتی هستند که با صرف انرژی زياد در سطح کلان، به تهويه و خنك کنندگی فضای داخلی می پردازند.
طرح محصول ارایه شده با بهره گيری از ويژگی های طبيعی و موجود (جريان باد و استفاده از آبياری قطره ای) و کاربرد هواکشی که انرژی خود را از نور روز تأمين می کند، جريان هوای خنك را وارد فضای داخلی نموده و می تواند تا حد زيادی منجر به کاهش دما گردد.
اين محصول با افزايش کاربرد، نقش بسزايی در بهينه سازی مصرف انرژی در سطح کلان و همچنين کاهش هزينه های مصرفی خواهد داشت. همچنين منطبق با اصول طراحی سبز و پايدار است و يك طرح سبز تلقی می شود.

2. مزيت اين طرح در مقايسه با بادگيرهای تجاری، خنك نمودن جريان هوای ورودی به شيوه تبخيری و همچنين عدم نياز به کانال های شبكه بندی شده در سراسر ساختمان است.

3. محصول طراحی شده ملهم از ارزش های معماری سنتی و ايرانی است، اما می تواند در ساختمان های امروزی (مسكونی، اداری و تجاری و …) به کار برده شود. ابعاد اين محصول می تواند در هماهنگی با محل نصب و اجرا انتخاب شود، البته تعبيه کانال مرکزی در طرح معماری، می تواند باعث افزايش کارايی و راندمان اين محصول شود.

کلام آخر

معماری سنتی ايران و خاورميانه بيش از حال حاضر ملهم از طبيعت و ارزش های طبيعی بوده و در اغلب موارد، تعامل مناسب تری با طبيعت و اقليم خود داشته است.

به نظر می رسد ناديده گرفتن ارزش های معماری سنتی به بهانه حضور مواد و فناوری های نوين، به معنای از دست دادن مزايا و راه حل های ارزشمندی است که دنيای امروز نيز به آنها نيازمند است.

می توان برخی از ارزش های معماری سنتی را در معماری امروز و ساختمان های
متداول به کاربرد که انجام آن تنها نيازمند انجام پژوهش های کاربردی مرتبط است.

 

منبع: ماهنامه دنیای پردازش