اصول کاهش مصرف انرژی در طراحی ساختمان‌ها

پنجره در ساختمان

هدف اصلی از تعبیه پنجره در ساختمان بهره‌گیری از نور طبیعی و روشنایی روز و جذب انرژی گرمایی خورشید است. در عین حال پنجره امکان تهویه طبیعی و ارتباط بصری را با محیط خارج از بنا فراهم می‌کند. برای استفاده حداکثر از تابش گرمایشی خورشید تعیین اندازه و مکان قرارگیری پنجره در جهات مختلف بنا از اهمیت بسیاری برخوردار است.

سرمایش بام

یکی از روش‌های خنک کردن فضاهای داخلی خنک کردن پشت بام فضاهاست. با توجه به اینکه سقف ساختما ن عمده‌ترین بخش نفوذ گرما به درون فضاهاست با خنک کردن سقف به میزان قابل توجهی می‌توان به تعدیل دمای فضاهای داخلی کمک کرد. با ایجاد حوضچه‌های آب بر روی بام یا استفاده از اسپری آب (آب فشانی) بر روی بام می‌توان در سطح خارجی بام سرمایش تبخیری ایجاد کرد. به این ترتیب با سرد شدن سقف و برخورد هوای گرم داخلی بنا با سقف سرد هوای فضاهای داخلی خنک می‌شود.
استفاده از حوضچه‌ها یا استخرهای سقفی یکی از رایج‌ترین انواع این سامانه هاست که اولین بار در دهه ۱۹۳۰ میلادی به اجرا درآمد و نتایج موفقیت آمیزی را نیز به دنبال داشت. در این سامانه حوضجه سقفی حرارت نورخورشید را طی روز زمستانی جذب کرده و در هنگام شب برای حفظ گرمای حاصله سقف را باعایق حرارتی می‌پوشانند. به این ترتیب گرمای آب درون استخر به تدریج از طریق هدایت وتشعشع هوای درون ساختمان را گرم نگاه می‌دارد. حداقل عمق آب حوضچه نباید کمتر از 10 cm باشد. نوع دیگر این سامانه توسط شیشه پوشانده می‌شود. در روزهای تابستان به عکس در طول روز حوضچه با عایق پوشانده شده و شب‌ها به منظور خنک شدن آب حوضچه عایق حرارتی کنار زده می‌شود.
در این سامانه از اب به عنوان جرم حرارتی در بام استفاده می‌شود. اجزای اصلی این سامانه عبارتنداز :صفحه نگهدارنده حوضچه، ظرف محتوی آب، روکش محافظت‌کننده، سامانه افشاننده و چرخش دوباره آب بر روی بام. باید بین فضای ساختمان و حوضچه،انتقال حرارت بالایی وجود داشته باشد لذا نگهدارنده حوضچه با استفاده از صفحات فلزی یا دال بتونی مسلح ایجاد خواهد شد. بهتر است آب در کیسه‌هایی پلاستیکی قرارگیرد در این حالت آب تبخیر نشده و نیازی به پر کردن دوباره محفظه آب وجود ندارد. معمولاً آب در کیسه‌های پلاستیکی، مخازن فلزی یا فایبرگلاس با پوشش شفاف پلاستیکی سفت و سخت قرارمی گیرد. از فوم پلی اورتان که با لایه‌های فایبرگلاس مسلح شده و بین پوسته‌های آلومینیومی فشرده شده به عنوان روکش محافظت‌کننده استفاده می‌شود. براساس گفته گیوانی شرایط ضروری برای استفاده کارا از این سامانه این است که دمای مرطوب هوا(WBT) کمتر از ۲۰ درجه سانتیگراد باشد عمق کیسه‌ها باید ۱۰ تا۲۵ سانتیمتر باشد. در روزهای تابستان آب حرارت را از داخل ساختمان جذب می‌کند. البته مهم است که در طول روز روکش حوضچه بسته باشد تا حوضچه در معرض تابش خورشید قرار نگیرد. از افشاننده‌ها هم برای خنک کردن آب کمک گرفته می‌شود. در شب روکش کنار رفته و گرمای جذب شده به بیرون تابیده می‌شود. در زمستان‌های معتدل قرارگرفتن حوضچه در معرض تابش خورشید آب را گرم کرده و به گرمایش فضای زیر آن کمک می‌کند. در هنگام شب قرار گرفتن روکش روی حوضچه آن را از شرایط بیرونی حفظ کرده و اتلاف حرارتی داخل را کاهش می‌دهد.

اسپری (آب پاشی) بر روی بام

در طریقه آب فشانی بر روی بام سطح خارجی بام خیس نگه داشته می‌شود و بدین ترتیب دمای بام کاهش می‌یابد. در آب پاشی صحیح بام حدوداً ۹۰٪ از بار حرارتی ناشی از تابش آفتاب در روی بام خنثی می‌گردد.
ساده‌ترین شکل آب پاشی بر روی بام استفاده از شیوه آب پاشی قطره‌ای است که دمای بام را به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهد.
چند نمونه از ساختمان‌هایی که در طراحی آن‌ها از این روش‌ها استفاده شده‌است:

آتریوم

آتریوم یک فضای میانی مثل یک حیاط مرکزی در بنا است که دارای سقف شفاف و آفتابگیر است و بخش‌ها و فضاهای مختلف ساختمان پیرامون فضای آتریوم شکل می‌گیرند.
پرتوهای حرارت زای خورشیدی از طریق سقف شیشه‌ای وارد فضای آتریوم شده و بدین ترتیب طبق (پدیده گلخانه) انرژی حرارتی در فضای آتریوم ذخیره شده و از طریق بازشوها و جداره‌های پیرامون آتریوم وارد فضاهای داخلی می‌شود. برای ممانعت از گرم شدن فضاها در فصل تابستان بایستی فضای آتریوم به نحوی مطلوب تهویه شده و سقف شیشه‌ای آن به‌طور مؤثری با سایه بان‌های مناسب پوشانده شود.

ساختمان دایملر ـ کریسلر، برلین

معمار: رنزو پیانو
در ساختمان اداری پیانو از شیشه و سفال قرمز استفاده شده‌است. با استفاده از سایه دیوار دو جداره پنجره‌های قابل تغییر مصرف انرژی دستگاه‌های خنک‌کننده و گرم‌کننده داخلی دال بتنی کف‌ها در لبه‌های خارجی بیرون زده‌اند تا با جذب گرمای اضافه در طول روز و تشعشع آن در شب موجب گرما نگاه داشتن فضا شود. پنجره‌ها قابلیت باز شدن دارند و سایه بان‌های خارجی با پایین آمدن تابش زنندهٔ خورشید را کاهش می‌دهند.
دیوار دو جدارهٔ کرکره‌ای به ساکنین این اجازه را می‌دهد که بتوانند پنجره‌های خود را به سمت بیرون باز کنند. همچنین سکوهای تأسیسات که بین لایه‌های شیشه‌ای قرار داده شده همانند یک سایه بان خورشیدی عمل می‌کنند و به وسیلهٔ شیشهٔ ایمنی لایه دار برای جلوگیری از پخش آتش و دود در قسمت بالا بسته شده‌است.
جدارهٔ شیشه‌ای خارجی با فاصلهٔ 68 cm از دیوار داخلی که دارای پنجره‌های شیشه‌ای متحرک است، قرار گرفته. این صفحه‌های شیشه‌ای خارجی بر روی محوری به وسیله حسگر (تا ۷۰ درجه) برای تهویهٔ هوای گرم می‌چرخند. زمانی که این صفحه‌ها بسته می‌مانند لایهٔ خارجی به عنوان عایق حرارتی در طول زمستان عمل می‌کند.
ایجاد آتریوم عظیم به هر واحد اداری داخلی این اجازه را می‌دهد تا از نور طبیعی برخوردار باشد. صفحه‌های شیشه‌ای شیری رنگ در زیر نور آسمان به لطیف شدن و پخش نور طبیعی در ۶ طبقه ارتفاع کمک می‌کند.

تکنوپلیس، شهر اکوتک، سنگاپور

معماران: کیشو کورو کاوا و همکاران
ساختمان ۱۲۳۰۰۰ مترمربعی که به «تکنوپلیس» معروف است، مجموعه‌ای است برای اطلاع‌رسانی و صنعت رسانهٔ جمعی طراحی کیشو کوروکاوا به عنوان برندهٔ پیشنهادی در مسابقهٔ بین‌المللی ۱۸ آوریل ۲۰۰۲ انتخاب شده‌است.
شهر اکوتک از لایه‌های چند بعدی عناصر متنوع (مسکونی، دفاتر، خدمات عمومی، تبلیغاتی) به وجود آمده‌است. هر چند تعداد این لایه‌ها بیشتر باشد تر از ارتعاشی ساختمان بالاتر خواهد بود. شهر لایه‌ای توسط روش جدیدی به نام حوزه بندی عمودی به جای حوزه بندی معمول افقی به وجود آمده‌است.
در اصل ساکنین در لایه‌های بالایی با باغچه‌های سقفی جای گرفته‌اند که هم از لحاظ منظر و هم تأمین محرمیت مناسب تر است. دفاتر بین لایهٔ دوم و لایهٔ دوم و لایهٔ مسکونی قرار گرفته‌اند.
برای این که این حوزه بندی عمودی با موفقیت اعمال شود هر ساختمان به‌طور واضح با کانال‌های مخصوص به خود برای ارتباط عمودی مجهز شده‌است. همچنین آسانسور مستقیمی به باغچهٔ سقفی و طبقه خدمات عمومی اختصاص یافته‌است. هر یک از این کانال‌های ارتباط عمودی شامل یک لابی ورودی در طبقهٔ همکف خود می‌باشند. هنگام نگهداری از این سامانه‌های حوزه بندی عمودی این امکان وجود دارد که هر برج به‌طور جداگانه کنترل شود.
زیرزمین به عنوان طبقهٔ صفر در نظر گرفته شده و همکف به عنوان طبقه اول خیابان‌های باریک در طبقهٔ هم کف شیارهایی هستند از بازشوهای آتریوم به طبقهٔ صفر نور طبیعی از طریق این شیارهای روی زمین به طبقات زیرین لایهٔ صفر می‌رسد. این شیار (فضای باز) در واقع آتریومی است شامل آسانسورها و راه پله‌هایی که طبقه صفر را به طبقه اول مرتبط می‌سازد و با سقفی شفاف پوشیده شده‌است. طبقهٔ همکف توسط باغچه‌ها درخت‌ها و بوته‌ها خدمات عمومی شهری امکانات ورزشی امکانات فرهنگی مغازه‌ها رستوران‌ها کافه و امکانات تفریحی اشغال شده‌است.
سازهٔ ساختمان از پیشرفته‌ترین ابر سازه‌هایی است که فقط شامل یک ستون هسته‌ای و ابر اسلب پایه است. ابر اسلب همچنین شامل تجهیزات و فضاهای مکانیکی است که به وافر مکانیکی موسوم است. توزیع اتاق‌های مکانیکی داخل ابر اسلب امکان کاهش تعداد لوله‌ها و فضاهای لوله کشی مورد نیاز را به راحتی فراهم می‌کند.
برای نگهداری و تعمیرات ابر اسلب‌ها هر زمان می‌توان وارد آن‌ها شد. لوله‌های عمودی فضای باز مرکزی هر ساختمان کانال عمودی هوای تازه است که هوای تمیز را برای هر طبقه تأمین می‌کند. این یک سیستم تهویه طبیعی است که به‌طور پیوسته هوای تازه و تصفیه شده را برای همهٔ طبقات اداری و مسکونی فراهم می‌کند و هوا از داخل از طریق فضای بین دیوار داخلی و خارجی (پوسته دو لایه) تخلیه می‌شود. هوای آلودهٔ خارج از ساختمان حتی با وجود بازبودن پنجره‌ها نمی‌تواند به داخل نفوذ کند.
به دلیل این که دیواره‌های خارجی ساختمان دو پوسته و از جنس شیشه است فشار باد به‌طور مستقیم بر جدارهٔ داخلی وارد نمی‌شود. حتی هنگام وزیدن طوفان همچنین هنگام برخورد نور خورشید با پوسته دو جداره هوای گرم خارجی از بالا تخلیه می‌شود. این مکش با نیروی شدید سبب خارج شدن هوای داخل خواهد شد.
کانسپت برجستهٔ پلان وجود خیابان‌های باریک و متراکم را برای عابرین پیاده می‌طلبد. از آن جایی که این به معنی قرارگیری ساختمان‌ها در نزدیکی هم است به منظور تأمین محرمیت طبقات مسکونی در سطوح مختلفی قرار می‌گیرند. در جایی که قسمت اداری در مقابل قسمت مسکونی قرار می‌گیرد دیوار خارجی بخش اداری عقب‌نشینی می‌کند و ساخت باغچه‌ها حائل مناسبی را ایجاد می‌کند که برای تأمین محرمیت در هر دو بخش مسکونی و اداری مؤثر است.
شیشهٔ خارجی پوستهٔ دو جدارهٔ نما به گونه‌ای پوشش داده شده که محرمیت اتاق‌های پشت آن را در حین شفافیت آن تأمین می‌کند. این مسئله توسط چاپ یک الگوی پوششی بر شیشه خارجی انجام می‌شود به گونه‌ای که از داخل فضای خارج به وضوح قابل رؤیت است اما دیدن فضای داخل از خارج کشور است.
سقف ساختمان نیز توسط صفحه‌های خورشیدی ساخته شده‌است که نیمه شفاف هستند.
در این بنا آب باران از پیاده‌روها جمع‌آوری شده و همراه آب زاید بازیافتی برای فلاش توالت‌ها و آبیاری درختان مصرف می‌شود. قابل ذکر است که حتی بخشی از حرارت تولید شده توسط بدن افراد در دفاتر و سایر فضاها برای استفاده به عنوان منبع حرارتی جمع‌آوری می‌شود.

ساختمان کوئینز مدرسه مهندسی و تولیدات انگلستان

معماران: آلن شرت و برایان فورد
این مدرسه در سال ۱۹۹۳ توسط ملکه الیزابت دوم گشایش یافت. ساختمان شامل آزمایشگاه‌ها سالن کنفرانس کلاس‌ها و دفاتر اداری برای ۱۰۰۰ نفر دانش آموز و اساتید بوده و اساساً کمتر از ساختمان‌های آزمایشگاهی عادی و معمولی هزینه داشته‌است.
تهویهٔ طبیعی از طریق طراحی دقیق هندسهٔ ساختمان و دودکش‌های حرارتی که هوای داخل ساختمان را به بیرون هدایت می‌کند اتفاق می‌افتد. این اثر دودکشی هوای گرم را از طریق ۸ برج وسیع که به وسیلهٔ سرپوش‌های فلزی پوشانده شده به بیرون می‌فرستد و هوای بیرون از طریق دریچه‌ها به داخل ساختمان مکیده می‌شود. ساکنان می‌توانند پنجره‌ها را باز یا ببندند تا سطح آسایش را در فضاهایشان تنظیم کنند. برای اطمینان از اینکه درجه حرارت در حدود قابل قبول باقی می‌ماند یک سامانه مدیریت خودکار برای تنظیم دریچه‌ها و کنترل‌کننده‌های گرمایی به وجود آمده‌است. همچنین سایبان‌های محاسبه شده و دیوارهای بنایی سنگین موجب به حداقل رساندن توان تجهیزات خنک‌کننده شده‌است.
طراحی ساختمان به صورت فشرده بر روی کار آمدی و بهینه‌سازی انرژی متمرکز شده‌است. طراحان مخصوصاً برای حمایت از اقتصاد محلی از آجر و مصالح بنایی استفاده نموده‌اند. همچنین توجه محتاطانه‌ای به نورگیری در این ساختمان شده‌است.