معماری ساختمان در اقلیم سرد ایران برای حفظ انرژی

امین فرجی ملایی؛ دکترای جغرافیا و برنامه ریزی شهری

آزاده عظیمی؛ مدرس دانشگاه آزاد اسلامی

عزت اله قنواتی؛ دانشیار دانشگاه تربیت معلم تهران

در این مقاله هدف اصلی بررسی پارامترهای اقلیمی‌ موثر در طراحی بنا در اقلیم سرد در راستای بهینه‌سازی مصرف انرژی است. در این راستا از تکنیک مطالعه اسنادی جهت گردآوری داده‌ها استفاده شده است و نیز برای تحلیل داده‌ها از روش توصیفی- تحلیلی استفاده شده است. در این مقاله ابعادی چون فرم بنا، نوع مصالح، کالبد شهر و روستا و سایر موارد در ارتباط با اقلیم سرد مورد بررسی قرار گرفته است.نتایج ابن مقاله در قالب ارائه ویژگی‌های بنا در اقلیم سرد ایران است.

سلسله جبال البرز و زاگرس نواحی مرکزی ایران را از دریای خزر در شمال و جلگه بین‌النهرین در غرب جدا می‌کنند . کوه‌هایی نیز به صورت منفرد در مرکز و شرق ایران وجود دارند از جمله کوه تفتان ، شیر کوه و …کوهستان‌های غربی که دامنه‌های غربی رشته‌کوه‌های فلات مرکزی ایران و سراسر کوه‌های زاگرس را در‌بر می‌گیرد از مناطق سردسیر کشور به شمار می‌آیند.کلیات آب وهوایی این منطقه به شرح زیر است:

سرمای شدید در زمستان و هوای معتدل در تابستان

اختلاف بسیار زیاد درجه حرارت هوا بین دمای شب وروز

بارش برف سنگین

رطوبت کم هوا

میانگین دمای هوا در گرم‌ترین ماه سال در این اقلیم بیش از 10 درجه سانتی‌گراد و متوسط دمای هوا در سردترین ماه سال کمتر از 3- درجه سانتی گراد است .

نوسانات دمایی در طی شبانه‌روز نیز در نواحی کوهستانی بیشتر است . در این اقلیم دره‌ها در فصل تابستان بسیار گرم و در زمستان معتدل‌اند . مقدار تابش آفتاب در فصل تابستان در این منطقه زیاد و در زمستان بسیار کم است . زمستان‌ها طولانی ، سرد و سخت بوده و تا چند ماه از سال ، زمین پوشیده از یخ ، و بهار کوتاه‌مدت است و زمستان و تابستان را از هم جدا می‌کند. سرما از اوایل آذر ماه شروع می‌شود و کم وبیش تا اواخر فروردین ادامه می‌یابد . در سراسر این منطقه از آذربایجان گرفته تا استان فارس ، زمستان‌ها به شدت سرد است .

در این نواحی ، میزان بارندگی در تابستان کم و در زمستان زیاد است و بیشتر به صورت ریزش برف است . برف‌های پیاپی بیشتر قله‌ها را می‌پوشاند . در ارتفاعات بالای 3000 متر همواره برف وجود دارد و این کوهستان‌ها سرچشمه رودخانه‌ها و قنات‌ها در کشور محسوب می‌شوند .

بارش برف در نواحی شمال و شمال‌غربی منطقه بیش از نواحی جنوب‌غربی آن است . علی‌رغم بارندگی فراوان ، رطوبت دراین اقلیم کم است . همچنین سلسله جبال غربی همانند سدی مانع از نفوذ هوای مرطوب مدیترانه به داخل فلات ایران می‌شوند و رطوبت هوا را تنها در دامنه‌های خود نگاه می‌دارند . برخلاف نواحی شمال ایران و سواحل دریای خزر که غلظت هوا به دلیل پستی زمین و بارش زیاد است در اقلیم سرد ، این غلظت کمتر بوده و همین امر میزان استفاده از تهویه طبیعی هوا را کاهش می‌دهد.

فرم بنا

برودت بسیار زیاد هوا در بخش عمده‌ای از سال ، در نواحی سرد و کو هستانی باعث شده است تا حداکثر استفاده از تابش آفتاب ، بهره‌گیری از نوسان روزانه دما ، حفظ حرارتی و جلو گیری از باد سرد زمستانی در فضاهای مسکونی امری ضروری شود . لذا فرم بنا در جهت مقابله با سرمای شدید طراحی و اجرا می‌شود . در ادامه ، به توضیح خصوصیات کلی فرم بنا در این اقلیم خواهیم پرداخت:

الف) ساختمان‌های درون‌گرا با حیاط مرکزی: بناهای سنتی در اقلیم سرد مانند نواحی مرکزی فلات ایران دارای حیاط مرکزی بوده و سایر قسمت‌ها دورتادور این حیاط چیده می‌شوند . اتاق‌های واقع در سمت شمال حیاط بزرگتر از سایر قسمت‌ها و تالار یا اتاق اصلی نشیمن خانه نیز در این سمت حیاط واقع شده است تا از تابش مستقیم و حرارت آفتاب در فصل سرد زمستان استفاده کنند . جبهه جنوبی ساختمان به دلیل کوتاه و معتدل بودن فصل تابستان کمتر به کار گرفته می‌شود . لذا اتاق‌های جنوبی و اتاق‌های شرقی و غربی به عنوان انباری یا فضاهای خدماتی همچون اتاق خدمه یا سرویس‌های بهداشتی کاربرد دارند . برخلاف مناطق معتدل و مرطوب سواحل جنوبی دریای خزر ، خانه‌های این مناطق ، اغلب دارای زیرزمینی با سقف کوتاه در پائین زمستان نشین هستند که به علت خنکی هوای آن ، در تابستان برای سکونت و آسایش ساکنان خانه به کار می‌رود

ب)استفاده از ایوان و حیاط کوچک در بنا: از آنجایی که در بیشتر روزهای سال در مناطق کوهستانی سرد ویا بسیار سرد است اکثر فعالیت‌های روزمره در اتاق‌ها انجام می‌پذیرد . لذا ابعاد حیاط‌ها در این مناطق قدری کوچک‌تر از نواحی فلات مرکزی ایران است . ساختمان‌ها در این اقلیم دارای ایوان‌اند ولی عمق آنها نسبت به ایوان‌های مناطق جنوبی کشور به مراتب کمتر است و همانند ایوان‌های منطقه خزر ، کاربرد نشیمن ندارند و صرفا جهت حفظ ورودی‌های بنا از برف و باران استفاده می‌شوند . نکته دیگر پائین بودن کف حیاط بناهای اقلیم سرد به اندازه 1 تا 1٫5 متر از سطح پیاده روها است تا بتوان آب جاری در نهرها و جوی‌ها را بر باغچه حیاط یا آب انبار واقع در زیرزمین سوار کند و از سوی دیگر ، زمین مانند عایق حرارتی اطراف بنا را احاطه کرده ، مانع از تبادل حرارتی بین بنا و محیط پیرامون آن و باعث حفظ حرارت درون ساختمان می‌شود

پلان ، فرم بنا و نحوه قرار گیری آن:

در حوزه اقلیمی‌ سرد و کوهستانی ، بناها دارای پلان و بافت متراکم هستند . فرم بنا باید به گونه‌ای باشد که سطح تماس آن رابا سرمای خارج کمتر کند تا حرارت کمتری از درون به بیرون انتقال یابد . لذا از احجامی‌ نظیر مکعب یا مکعب مستطیل استفاده می‌کنند تا نسبت سطح خارجی بنا به حجم داخلی آن کاهش یابد و آن را در حداقل ممکن نگه دارد . ساختمان‌ها بین 20 درجه به طرف غرب و 45 درجه به سمت شرق و در سایه باد یکدیگر و خارج از سایه آفتاب هم ، در محور شمالی – جنوبی مستقر می‌شوند.

اتاق‌های کوچک با ارتفاع کم:

در نواحی سرد و برفی ، باید از ایجاد اتاق‌ها و فضاهای بزرگ داخل بنا اجتناب کند چرا که با افزایش سطح تماس آنها با فضای سرد بیرونی ، گرم کردن این فضای وسیع مشکل خواهد بود . بنابراین در این مناطق سقف اتاق‌ها را پائین‌تر از اتاق‌های مشابه در سایر حوزه‌های اقلیمی‌ در نظر می‌گیرند تا حجم اتاق کاهش یابد و سطح خارجی نسبت به حجم بنا حداقل گردد . ارتفاع کم سقف در تالار‌ها و اتاق‌های مهم و طاق راسته‌ها و حجره‌های بازارهای این مناطق نیز مشهور است.

بازشوهای کوچک:

در این مناطق برای جلو گیری از تبادل حرارتی بین داخل و خارج بنا از بازشوهای کوچک و به تعداد کم استفاده می‌کنند . در صورت بزرگ بودن پنجره‌ها ، استفاده از سایبان الزامی ‌است . بازشوها در ضلع جنوبی برای استفاده هر چه بیشتر از تابش آفتاب ،بزرگتر و کشیده تر انتخاب می‌شوند . همچنین از استقرار بازشوها در جهت بادهای سرد باید اجتناب کند . پنجره‌های دو‌جداره نیز برای رساندن تبادل حرارتی به حداقل ممکن مناسب‌ترند . در ضمن به منظور جلوگیری از ایجاد سوز در داخل و خروج حرارت داخلی به خارج ساختمان ، میزان تعویض هوای داخل وتهویه طبیعی را باید به حداقل ممکن رساند . در مقایسه با اقلیم گرم و خشک ابعاد بازشوها در این حوزه اقلیمی ‌برای استفاده از انرژی حرارتی حاصل از تابش آفتاب افزایش یافته است

دیوارهای نسبتا قطور:

قطر زیاد دیوارها نیز به نوبه خود از تبادل حرارتی بین فضای داخلی بنا و محیط بیرونی ساختمان جلوگیری می‌کند . معیارهای معماری اقلیم سرد و کوهستانی و گرم و خشک تقریبا مشابه است و تنها تفاوت آنها در منابع حرارت‌دهنده است که در اقلیم گرم و خشک این منبع از سمت بیرونی بنا و در اقلیم سرد از سمت داخل فضا است . لذا باید در این اقلیم به کمک مصالح بنایی قطر دیوارها را زیاد کند تا این جداره بتواند به عنوان منبع ذخیره حرارت داخل بنا عمل کند . دیوارهای قطور ، گرما و حرارت تابش آفتاب روزانه را در طول شب حفظ و به تعدیل دمای داخل ساختمان کمک می‌کند . در معماری بومی‌این مناطق تا حد ممکن تلاش می‌شود تا به شکل طبیعی یا یا با استفاده از بخاری و گرمای ناشی از حضور افراد ، پخت وپز یا حضور حیوانات ، بنا را گرم کند.

بام‌های مسطح:

ابنیه سنتی در کوهپایه‌های شمالی سلسله کوه‌های البرز دارای بام‌های شیب‌دار و در مناطق کوهستانی غالبا مسطح هستند . بام‌های شیب‌دار در صورت مناسب بودن پوشش آن به مراتب از بام‌های مسطح بهترند چرا که آب باران را به سهولت از روی بام دور می‌کنند . ولی در صورت کاهگلی بودن پوشش بام ، قدرت آن در برابر رطوبت و باران و به ویژه برف بسیار تضعیف خواهد شد .چرا که آب ناشی از ذوب تدریجی برف وارد سقف کاهگل می‌شود و بنا مرطوب و نمدار می‌شود . به همین دلیل به محض بارش برف ، آن را از روی چنین بامی ‌پارو می‌کنند و با غلتکی سنگی و کوچک ، بام را دوباره غلتک می‌کشند تا پوشش کاهگلی آن مجددا متراکم و سوراخ‌های ایجاد شده در اثر نفوذ آب مسدود شوند . انتخاب بام‌های مسطح در اقلیم سرد مشکلی ایجاد نمی‌کند چرا که با نگهداری برف بر روی بام ازآن به عنوان عایق حرارتی در مقابل سرمای زیاد هوای خارج که چندین درجه کمتر از درجه حرارت برف است استفاده می‌شود و همچنین فضای زیر اسکلت خرپا که کاربرد انباری دارد ، عایق مناسبی بین فضای داخل و خارج بنا خواهد بود . لذا دو جداره بودن سقف بنا در این اقلیم برای حفظ گرمای بنا حائز اهمیت است

نوع مصالح

مصالح مورد استفاده در ابنیه سنتی در مناطق سرد و کوهستانی مانند سایر حوزه‌های اقلیمی‌از مصالح موجود در آن اقلیم است. این مصالح باید از ظرفیت و مقاومت حرارتی خوبی برخوردار باشند تا گرمای بنا را در فضای داخلی آن حفظ کند .لذا بدنه این ابنیه از سنگ ( یا چوب ، ملات کاهگل ، خشت و آجر ) و پوشش سقف و بام از تیر‌های چوبی و کاهگل است . از سنگ و مصالح مقاوم و سنگین برای برای پی‌سازی بنا استفاده می‌کنند و در برخی نقاط ، کرسی‌چینی با مصالح سنگین جهت جلوگیری از رطوبت به کار می‌رود ، هر چند ابنیه این مناطق ، به طور کلی ، بر روی زمین بنا می‌شوند . در این رابطه می‌توان از شهر جوانرود و روستاهای اطراف آن واقع در منطقه غربی رشته کوه زاگرس و در 95 کیلو‌متری شمال غرب کرمانشاه نام برد . در این منطقه ساختمان‌های سنگی ، سیمایی موزون و هماهنگ به کل بافت شهر و همچنین به بافت روستاها داده است . سنگ که به وفور در این منطقه کوهستانی وجود دارد و به صورت لاشه و یا قواره در دیوارهای قطور ساختمان‌ها به کار می‌رود . در این منطقه اقلیمی ‌سرد و نسبتا پر‌باران ، بام ساختمان‌ها مسطح و با تیر چوبی و کاهگلی پوشیده شده است هر چند که بام اغلب ساختمان‌‌های جدید در جوانرود دارای خرپای چوبی و پوشش شیروانی است

کالبد شهری و روستایی

بافت شهری و روستایی حوزه اقلیمی‌ سرد و کوهستانی در جهت مقابله با سرمای شدید شکل گرفته است . ویژگی‌های بافت شهری و روستایی در این اقلیم عبارتند از :

1 بافت متراکم و فشرده

2 فضاهای کوچک و محصور

3 بهره‌گیری از جهات آفتاب و زمین‌ (‌به عنوان عوامل تعیین‌کننده‌ی جهت استقرار و گسترش شهر و روستا و سیمای آنها‌)

4 معابر باریک به موازات خط تراز زمین

با توجه به شرایط اقلیمی‌ منطقه سرد و کوهستانی در ایران به منظور جلوگیری از اتلاف حرارتی و کوران هوا ، بنا‌ها به صورت متراکم و فشرده و متصل و در کنارهم ساخته می‌شوند تا سطح تماس فضاهای گرم مسکونی با محیط سرد خارج کاهش یابد. همچنین بنا‌ها طوری کنار هم قرار می‌گیرند که یکدیگر را محصور کنند و فضاهای شهری تا حد امکان کوچک شوند تا نفوذ جریان باد سرد به داخل فضاهای شهری کم شود و تابش حرارت از سطح خارجی دیوارهای گرم ابنیه به فضاهای کوچک و محصورشهری ، هوای سرد آنها را تعدیل کند . نکته قابل مشاهده دیگر در این نوع شهرها ، طراحی معابر کم عرض و باریک برای استفاده بهتر از حرارت و جلوگیری از تبادل گرما و سرما است . معمولا در این نوع اقلیم ، مجتمع‌های زیستی در وسط دامنه بلندی‌ها و رو به جنوب و در داخل زمین یا روی آن به منظور بالا بردن ظرفیت حرارتی دیواره‌های بدنه شمالی و افزایش حجم داخلی نسبت به سطح بیرونی ، استقرار می‌یابند . در واقع در صورت استقرار روستا در پائین دره اولا خطر سیل‌خیزی و نابودی روستا وجود خواهد داشت . ثانیا نفوذ هوای سرد سنگین به دره‌ها باعث افزایش شدت سرما به هنگام شب خواهد شد . ثالثا جبهه شمالی کوه همواره در سایه قرار گرفته و سرد است درحالی‌که روستاها و شهر‌ها باید جهت حداکثر استفاده از تابش خورشید ، رو به دره و در آفتاب بنا شوند . رابعا به علت فزونی ناهمواری‌های زمین و شدت باد در بالای کوه و دسترسی به منابع آبی و رود خانه‌ها که در قسمت پائین ارتفاعات جاری هستند ،استقرار بافت روستایی و شهری بر بالای کوه صحیح نیست. نتیجه‌گیری

بر اساس آنچه که گفت می‌توان نتیجه گرفت که شهر و ساختمان‌های موجود در آن متناسب با نوع اقلیم خود دارای ابعاد متفاوتی از معماری هستند. به عبارتی دیگر نوع معماری بنا در یک اقلیم سرد بسیار متفاوت با معماری در اقلیم گرم است. در این مقاله به بررسی پارامترهایی پرداخته شد که در آن به نحوه بارزی اثرات سوء اقلیم سرد کنترل شده و در این راستا مصرف انرژی بهینه شده است.

نشریه پنجره ایرانیان، سال پنجم ، شماره 56 ، خردادماه 1391