نقش طراحی و اجرای ساختمان‌ها در بهینه‌سازی مصرف انرژی

دکتر جمشید ریاضی

مهندس مرتضی خرمی

مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن

بررسی‌ها نشان داده است ‌که سالانه معادل میلیارد‌ها دلار در کشور صرف تامین انرژی مورد نیاز ساختمان‌ها می‌شود. این در حالی است که با رعایت الگوی بهینه مصرف انرژی می‌توان حدود 35 تا 40 درصد از کل انرژی مصرفی را صرفه‌جویی کرد. لذا، علاوه بر کاهش هزینه‌های اقتصادی‌، ‌از استفاده بی‌رویه ذخایر پایان‌پذیر سوخت، کاسته شده و آلودگی‌های زیست محیطی و پیامدهای ناگوار آن نیز به طرز قابل توجهی کاهش خواهد یافت. پارامترهای بسیاری در صنعت ساختمان‌سازی وجود دارند که هر یک از آنها به نحوی در میزان انرژی مصرفی موثر هستند؛ عایقکاری حرارتی، مواد و مصالح به کار رفته، ارتفاع مفید طبقات و غیره.اما آنچه که امروزه کمتر مورد توجه قرار می‌گیرد، نقش طراحی و اجرای ساختمان‌ها‌ به صورت تک واحدی یا آپارتمانی است. یکی از تفاوت‌های عمده ساختمان‌های تک واحدی و آپارتمانی، پوسته خارجی آنها است. به عبارت دیگر، در صورت ثابت نگه‌داشتن هزینه‌ها‌ی عایقکاری حرارتی، مقدار انرژی مصرفی آنها تفاوت قابل ملاحظه‌ای با یکدیگر دارند. لذا در مقاله حاضر نقش طراحی و اجرای ساختمان‌ها از دیدگاه جنس و مساحت پوسته خارجی آنها در اتلاف انرژی مورد توجه قرار گرفته و در این راستا با بهره‌گیری از تجربیات برخی کشور‌ها‌، رهنمودهای در زمینه‌ طراحی و اجرای مسکن مورد نیاز کشور در سال‌ها‌ی آتی ارائه می‌شود.

وجود منابع غنی سوخت در کشور باعث شده است تا ارزش واقعی این سرمایه ملی پایان‌پذیر که طی میلیون‌ها‌ سال بوجود آمده است، مورد کم توجهی قرار گیرد. به طوری که آمار و ارقام نشان می‌‌دهد، سالانه نزدیک به 15 میلیارد دلار برای مصرف انرژی هزینه می‌شود. این در حالی است که حدود یک سوم آن ناشی از اتلاف بی‌رویه است. لذا در آستانه آمایش و ساخت وساز کشور، توسعه و صنعتی شدن باید به دقت مورد توجه قرار گیرد. در این راستا صرفه‌جویی در مصرف سوخت از اهم اقدامات لازم به شمار می‌آید.نتیجه این است که علاوه بر حفظ ذخایر پایان پذیر سوخت‌ها‌ی فسیلی، موجب کاهش آلودگی محیط زیست نیز می‌شود. تحقیقات نشان داده است که آثار سوء گلخانه‌ای ناشی از تولید گرمای بی‌رویه و آزاد شدن C. F. C‌ (کلروفلوروکاربن‌ها‌) ‌باعث تخریب لایه اوزن در سطوح فوقانی اتمسفر شده و یا با تصاعد گازهای صنعتی مضر و مخرب، ‌باران‌ها‌ی اسیدی تولید می‌کند و در نتیجه گیاهان سبز را از بین می‌برد و نیز حیات انسان بر روی کره زمین را به مخاطره می‌اندازد. از این رو برای مبارزه با این پدیده مخرب که به گونه‌ای فزاینده در حال گسترش است، می‌بایست چاره‌اندیشی کرد. در غیر این صورت، اختیار حفظ محیط زیست از دستان بشر خارج شده و زیست هستی انسان را به نیستی خواهد کشاند.

عوامل موثر بر طراحی ساختمان

پوشش ساختمان را سطوح پوسته خارجی متشکل از دیوار‌، سقف‌، کف، بازشو وشیشه‌ها‌ تشکیل می‌دهد. اتلاف حرارت محیط داخل ساختمان عمدتا ناشی از انتقال حرارت از طریق جرم جدارها، تشعشع و جابجایی هوای داخل این پوشش با محیط خارج از ساختمان است. به نحوی که هر چه سطوح پوسته خارجی‌، نسبت به سطح مفید زیر بنای ساختمان بیشتر باشد، مقدار اتلاف انرژی حرارتی، بیشتر خواهد بود. این موضوع در ارتباط مستقیم با تیپولوژی یا گونه‌گون بودن ساختمان‌ها‌ است.

 در این راستا نسبت سطوح پوسته خارجی به سطح مفید زیر بنای ساختمان ازاهمیت خاصی برخوردار است که در معادلات بهینه‌ساز‌ی اقتصادی مصرف سوخت، در شرایط محیطی و اقلیمی ومختلف، تاثیر گذار خواهد بود و در آیین‌نامه‌ها‌ ومقررات عایق‌کاری حرارتی می‌باید در نظر گرفته شود. مطالعات نشان داده است نسبت سطوح پوسته خارجی به سطح مفید زیر بنای ساختمان، در ساختمان‌ها از نظر مصرف انرژی در آپارتمانی و تک واحدی بین 25/0 تا75/1 است.

به منظور تبیین اهمیت این موضوع، مروری بر وضعیت تیپولوژی یا گونه‌گون بودن مسکن در کشورهای انگلستان و فرانسه با ظرفیت واحدهای مسکونی تقریبا یکسان (حدود 52×601 واحد )و جمعیتی حدود 60 میلیون نفر انجام شده است :واحدهای مسکونی تک واحدی کشور انگلستان حدود 80 درصد و در فرانسه حدود 50 درصد منازل مسکونی را تشکیل می‌دهند‌. ‌به کمک محاسبه نسبت سطوح پوسته خارجی به سطح مفید زیر بنای ساختمان می‌توان تخمین زد که چند درصد تلفات انرژی در کشور انگلستان بیشتر از کشور فرانسه است. همچنین در صورت ثابت نگه‌داشتن هزینه‌ها‌ی عایق‌کاری حرارتی‌، متوسط ضریب انتقال حرارت حجمی بهینه‌سازی شده بطور متوسط برای واحدهای مسکونی تک واحدی و برای واحدهای مسکونی آپارتمانی مشخص خواهد شد که در این صورت کل انرژی حرارتی مصرفی در مجموع واحدهای مسکونی بهینه‌ساز‌ی شده در انگلستان بیش از 25 درصد بیشتر از همان تعداد واحدهای مسکونی بهینه‌سازی شده تحت همان شرایط محیطی در فرانسه است.

اختلاف مصرف انرژی، ناشی از تعداد بیشتر واحدهای مسکونی تک واحدی در انگلستان نسبت به فرانسه است. لذا نقش نسبت سطوح پوسته خارجی ساختمان‌ها‌ به سطوح زیر بنای مفید آنها در بهینه‌سازی اقتصادی مصرف انرژی در سطح کلان اهمیت قابل توجهی خواهد داشت.در نتیجه درمی‌یابیم که فرایند بهینه‌ساز‌ی مصرف انرژی در ایران، الگوی گونه‌گون بودن یا تیپولوژی واحدهای مسکونی، چه نقش مهمی در مصرف انرژی می‌تواند داشته باشند.از طرف دیگر، انتخاب نوع مصالح و سیستم ساختاری ساختمان، تشکیل دهنده پوسته خارجی را به طور کل، ظرفیت حرارتی جرم ساختمان به لحاظ صرفه‌جویی در مصرف انرژی از دیگر عوامل موثر در طراحی ساختمان به حساب می‌آید که با ویژگی‌ها‌ی حرارتی مصالح در قالب بهینه‌سازی اقتصادی آن به خصوص در امر انبوه‌سازی مسکن در کشور، ارتباط دارد.به عبارت دیگر برخی از مهمترین عوامل موثر بر طراحی و اجرای ساختمان که در بهینه‌سازی مصرف انرژی نقش دارند عبارتند از :هزینه مصالح، مزد کارگر، سرعت عمل در اجرای ساختمان، ضخامت دیوار‌ها‌ در ارتباط با کاهش یا افزایش سطح زیر بنای مفید، سبکی در ارتباط با شالوده و جرم ساختمان، قابلیت‌ها‌ی هدایت حرارت، انتقال و یا ذخیره حرارت.

واقعیت این است که وجود عایق حرارتی باعث افزایش ظرفیت حرارتی جداره شده و در نتیجه با ایجاد چرخ لنگر مناسب تاخیر زمانی باعث جلوگیری از استهلاک زود هنگام تاسیسات، ناشی از کارکرد متداوم می‌شود. به عبارت دیگر قابلیت ذخیره حرارت در مصالح و ساختارهای ساختمانی اعم از حرارت انتقال یافته از موتورخانه به داخل به طور مکانیکی و یا با دریافت و ذخیره انرژی رایگان خورشیدی به روش‌ها‌ی مختلف می‌تواند در تاخیر زمان کارکرد موتورخانه، بسیار موثر واقع شود.دیگر عوامل جانبی، اگرچه در صرفه‌جویی مصرف انرژی مستقیما تاثیر ندارند ؛ لکن به لحاظ کمی وکیفی از دیدگاه کنترل ضوابط و مقررات ملی ساخاتمانی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. به نحوی که در طراحی و اجرای عایقکاری حرارتی ساختمان باید به ویژگی‌ها‌ی جذب آب و نفوذ بخار آب در عناصر و اجرای تشکیل دهنده جداره توجه کرد.مطالعات نشان داده است در صورت تلاقی خطوط انتقال حرارت و حالات متعارف فشار بخار آب اشباع در داخل ساختمان، وقوع میعان در سطح و یا درون لایه‌ها‌ی ساختار، حتمی است. بدین ترتیب علاوه بر انواع خرابی‌های به جا مانده از میعان بخار، مانند تبله کردن یا زنجاب‌زدگی در نما، باعث از بین رفتن خاص عایق‌ها‌ی حرارتی نیز می‌شود. در نتیجه افزایش انتقال حرارت در ساختارهای ساختمانی، غیر بهداشتی بودن، بروز بوهای مشمئز و نا‌خواسته ناشی از رشد میکروارگانیسم‌ها و قارچ‌ها اتفاق می‌افتد.

از این‌رو، رعایت عوامل مذکور نه تنها در بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان موثر است، بلکه در هزینه‌ تولید عایق‌ها‌ی حرارتی و به تبع آن، تاثیری بسزایی در اقتصاد کلان کشور خواهد داشت. به عنوان مثال با کاهش 2 یا 3 سانتی‌متر از عایق حرارتی در سطح پوسته خارجی ساختمان، ناشی از دریافت رایگان انرژی خورشیدی، با توجه به کل سطوح پوسته خارجی میلیون‌ها‌ واحد مسکونی و ساختمانی، حجم قابل ملاحظه‌ای در تولید و به کار گیری از عایق‌ها‌ی حرارتی کاسته خواهد شد، بالاخص که بهینه‌سازی مشمول یارانه‌ها‌ی دولتی نیز هست. لذا با توجه به پارامترهای متعدد و موثر در بهینه‌سازی اقتصادی عایقکاری حرارتی ساختمان‌ها‌، یک برنامه کامپیوتری مدون و جامع الزامی است.به طور کلی رعایت آیین‌نا‌مه‌ها‌ی ساختمانی، مانند :عایق‌بندی حرارتی صداهای هوابرد و کوبه‌ای مبحث 18، نیروهای دینامیکی ناشی از زلزله آیین‌نامه 2800 پیشگیری در مقابل حریق مبحث 3، تشعشعات مضر و نهایتا رعایت استانداردهای حفظ ظاهر دوام در طول عمر مفید و نیز قابلیت تعمیر و مرمت ساختمان در مقاطع زمانی مختلف، باید مدنظر قرار گیرد.

نتیجه‌گیری

بدیهی است به منظور تامین مسکن مورد نیاز اقشار مختلف جامعه، سیاست‌گذاری‌ها‌ی کلان در زمینه انبوه‌سازی مسکن در حال انجام است. در این راستا بهره‌گیری از الگوی مسکن آپارتمانی مناسب، موجب صرفه‌جویی قابل توجه در مصرف انرژی کشور می‌شود. بکارگیری الگوی مناسب در آپارتمان‌سازی، علاوه بر جلوگیری از گسترش بی‌رویه شهرها و مشکلات مربوط به آن، باعث اصلاح زیر ساخت‌ها‌ی شهری متناسب با نیازهای واقعی انسان نیز می‌شود. به طوری که می‌توان با بوجود آوردن تنوع و تباین ناشی از فضاهای بسته شهری در مقابل فضاهای باز سر‌سبز، محیطی مطلوب برای زندگی فراهم کرد و از این رهگذر اصالت فرهنگی و هویت واقعی شهر را غنا بخشید.در این برهه از زمان که انبوه‌سازی مسکن و ساختمان در کشور آغاز شده است، توجه به طراحی و اجرای بهینه اقتصادی واحدهای مسکونی و ساختمانی از اهم اقدامات لازم به شمار می‌رود. در این راستا نقش مراکز تحقیقاتی و موسسات آزمایشگاهی نه تنها در تعیین و تقویم ویژگی‌ها‌ی محصولات تولیدی شرکت‌ها‌ی ساختمانی و کاربرد آنها در آیین‌نامه‌ها‌ و مقررات ملی ساختمان ضروری است، بلکه ارائه الگوی مناسب جهت تعیین کالبد معماری و شهرسازی در بهبود بافت شهر نیز از اهمیت خاصی برخوردار است.