ﺑﻬینه‌سازى مصرف انرژی در ساختمان با نوسازی مقررات شهرسازی

• دکتر محمودى محمدى
• استاد دانشکده معماری و شهرسازی؛ دانشگاه هنر اصفهان

کنترل و بهینه‌سازی مصرف انرژی بویژه انرژی‌های فسیلی که یکی از مهمترین منابع انرژی مصرفی در ساختمان‌ها است نه تنها از نظر اقتصادی و صرفه جویی در هزینه‌های استحصال و دستیابی به آن، بلکه از منظر زیست محیطی و از این جهت که انرژی با مصرف از بین نرفته بلکه تبدیل به انرژی‌های دیگر با کارایی کمتر و بعضا مزاحم می‌شود که کنترل آنها نیز خود نیاز به مصرف انرژی مجدد دارد، با اهمیت است. پس در واقع اینگونه می‌توان بیان کرد که بهینه‌سازی مصرف انرژی در جامعه دارای تاثیرات چند جانبه مثبت است و هم از این رو است که حتی اگر دستیابی به انرژی‌های فسیلی راحت، آسان و ارزان باشد همچنان که در ایران چنین است کنترل و از بین بردن تاثیرات نامطلوب زیست محیطی آن به هیچ وجه آسان و ساده نبوده و هزینه‌‌های مالی و زیست محیطی زیادی را طلب می‌کند. این مقاله قصد دارد تا ضمن بیان چگونگی تاثیر شکل شهرها و سازو کارهای تاثیر روش‌های طراحی شهری و ضوابط و مقررات شهر سازی بر بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان، راهکارهای اجرایی برای آن ارائه کند.

باتوجه به نقش با اهمیتی که مصرف انرژی در جوامع انسانی دارد، یکی از نکات مهمی که در بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان رعایت و در نظر گرفتن آن اساسی است کاهش مصرف انرژی در زمان بهره برداری از ساختمان است. به طور معمول انرژی مصرفی در ساختمان را به چهار دسته تقسیم می‌کنند:

1 .گرمایش و سرمایش هوا

2 .گرم کردن و یا سرد کردن مواد

3 .روشنایی، وسایل صوتی و تصویری و ماشین‌های خانگی

4 .تهویه.

 در این خصوص اگر چه اطلاع روشن و دقیقی از میزان انرژی مصرفی در ساختمان‌های کشور برای هر یک از مصارف فوق در دسترس نیست، ولی مطالعاتی که در سایر کشورها انجام شده و بیانگر این نکته است که مقدار انرژی مصرفی سرانه برای مصارف آب گرم، روشنایی، لوازم محرکه و پخت وپز نسبتاً ثابت و آن مقدار از انرژی،که برای گرمایش مصرف می‌شود می‌تواند به مقدار زیادی به سرمای هوا ارتباط داشته باشد. این موضوع نشان می‌دهد که جدای از اینکه طرح ساختمان‌ها در مناطق مختلف برای جوابگویی به تغییرات اقلیمی باید با یکدیگر فدق داشته باشند، اهمیت ضوابط و مقررات شهرسازی در صرفه جویی مصرف انرژی را نشان می‌دهد.

به طور کلی در هر برنامه تحقیقی در زمینه بهینه‌سازی و کاهش مصرف انرژی در ساختمان چندین گروه و دسته از متغیرهای وابسته، مستقل و محیطی می‌توان تشخیص داد که بر مبنای آنها می‌توان مسائل متعددی را صورت‌بندی کرده و در جهت بهینه‌سازی و حل آنها اقدام کرد. بهینه‌سازی میزان مصرف انرژی در ساختمان برای گرمایش و سرمایش هوا یکی از مساله‌های اساسی بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان است که در صورت‌بندی آن هر دو دسته متغیرهای وابسته، مستقل و محیطی دخالت دارند. متغیر وابسته این مساله میزان و مقدار مصرف انرژی در ساختمان برای گرمایش و سرمایش هوا است که تحت تاثیر عوامل و متغیرهای مستقل اندازه آن متفاوت است. ضوابط و قواعد طراحی ساختمان‌ها و شهرها متغیرهای مستقلی هستند که به همراه برخی عوامل و متغیرهای مستقل غیر طراحی دیگر بر میزان مصرف انرژی در ساختمان برای گرمایش و سرمایش هوا در ساختمان تاثیر داشته و می‌توان میزان تاثیر هر کدام از آنها را بوسیله شاخص‌هایی سنجید. از مهمترین متغیرهای مستقلی که به قواعد و ضوابط طراحی مربوط می‌شوند و بر کاهش میزان نیاز به سوخت برای گرمایش هوا و سرمایش و جلوگیری از هدر رفتن گرما و سرمای تولید شده در ساختمان موثرند ؛ می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. مواد و مصالح تشکیل دهنده پوسته خارجی ساختمان (در این مورد بیشترین اثر مربوط به میزان مقاومت حرارتی لایه‌های تشکیل دهنده پوسته خارجی و ضریب انتقال حرارتی این پوسته است)
2. میزان نشت هوا از درزها و بازشوهای پوسته خارجی (دفعات تعویض هوا درساعت)
3. نسبت سطح پوسته خارجی ساختمان به حجم فضای مفید (فرم کالبدی ساختمان)
4. نسبت سطح بام به سطح مفید ساختمان
5. نسبت سطح بازشوها در پوسته خارجی ( مانند درها و پنجره‌های بازشوها به هوای آزاد یا فضای کنترل شده ) به سطح مفید ساختمان.
6. جهت استقرار ساختمان نسبت به چهار جهت جغرافیایی
7. خصوصیات جذب تشعشع سطوح خارجی ساختمان.
8. استفاده از سیستم‌های غیر فعال خورشیدی
9. استفاده از سیستم‌های فعال خورشیدی (جمع آورنده‌های خورشیدی).

بحث و بررسی در زمینه رعایت ضوابطی در اجرای ساختمان و انتخاب مصالح مصرفی که اولاً نیاز به گرمایش و سرمایش را کاهش دهد و ثانیاً از هدر رفتن گرما و سرمای تولید شده جلوگیری به عمل آورد، مقوله ای وسیع و گسترده است که مورد توجه زیادی قرار گرفته و تا حدودی نیز اصول و ضوابط آن تدوین و تعیین شده است. اما آنچه تا کنون در صرفه جویی مصرف انرژی در ساختمان‌ها کمتر بدان توجه شده، نه ویژگی مواد و مصالح تشکیل دهنده پوسته خارجی ساختمان و یا میزان نشت هوا از درزها و بازشوهای پوسته خارجی، بلکه تاثیری است که ویژگی‌های شکل کالبدی شهرها (ساختار و بافت شهرها) که خود متاثر از روش‌های طراحی شهری و ضوابط و مقررات شهرسازی طرح‌های جامع و تفصیلی شهرها است بر مصرف انرژی در ساختمان دارند. در واقع از آنجا که ساختمان‌ها سلول‌های تشکیل دهنده نواحی شهری هستند، نه تنها روش‌های طراحی، تولید و ساخت و جنس مصالح آنها که محدوده عمل و فعالیت آنها به طور عمده به چهار دیواری فضای درون ساختمان محدود می‌شود، بلکه الگوهای ساختار فضایی و بافت کالبدی شهرها و نحوه آرایش و استقرار سلول‌ها و ساختمان‌های شهری در نسبت و ربط با یکدیگر نیز در بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان نقش مهمی دارند.

در این مقاله و در اینجا تاثیر متغیرهای مستقل 3 و 4 و 6 بر مصرف انرژی در ساختمان که بیشترین تاثیر را از قواعد طراحی و ویژگی‌های بافت‌های شهری می‌پذیرند بررسی می‌شود.

• نسبت سطح پوسته خارجی ساختمان به حجم فضای مفید ( فرم کالبدی ساختمان ).
• نسبت سطح بام به سطح مفید ساختمان.
• جهت استقرار ساختمان نسبت به چهار جهت جغرافیایی.

ولی نکته مهمی که در اینجا لازم است به آن توجه شود این است که بجزء متغیرهای مستقل نام برده متغیرهای دیگری در مکانیزم تاثیر متغیرهای مستقل بر متغیر وابسته تحقیق دخالت دارند که می‌توان از آنها به عنوان متغیرهای محیطی نام برد. از مهمترین متغیرهای محیطی در این زمینه می‌توان از تفاوت‌های اقلیمی و جغرافیایی و همچنین شرایط فصول سال نام برد. تاثیر این متغیرها بدین شکل است که در یک اقلیم خاص مانند اقلیم سرد قواعد مؤثر بر مصرف انرژی در ساختمان متفاوت اقلیم‌های دیگر مانند اقلیم گرم و مرطوب است. بدین شکل در بهینه‌سازی مصرف انرژی و انرژی در ساختمان از طریق رعایت قواعد طراحی، برای هر اقلیم و هر منطقه خاص می‌باید قواعد جداگانه ای در نظر گرفت. همچنین نحوه عمل و تاثیر قواعد طراحی بر مصرف انرژی در ساختمان در فصول مختلف سال فصل سرد و فصل گرم متفاوت است و بدین منظور باید قواعدی را در نظر گرفت که ضمن اقتصادی بودن، تامین شرایط آسایش مطلوبتر، در نهایت بیلان مصرف انرژی سالانه کمتری داشته باشند.

بدیهی است در برخی مناطق در مقایسه با دیگر مناطق، به دلایل و عوامل متعدد اقلیمی، پوشش گیاهی، دوری و نزدیکی به دریاها و آبها، عوارض طبیعی و عرض جغرافیایی خاص هر منطقه مصرف انرژی بویژه مصرف انرژی در ساختمان متفاوت است، ولی آنچه مسلم است در تمام اشکال و ساختارهای شهری میزان مصرف انرژی در ساختمان‌ها به یک اندازه نیست، بلکه برخی اشکال و ساختارهای شهری از نظر میزان مصرف انرژی بهینه‌تر می‌باشند. یعنی علاوه بر تفاوت‌های محیطی و اقلیمی خاص هر منطقه، میزان مصرف انرژی در ساختمان‌ها، به عوامل و الگوهای فضایی کالبدی شهرها نیز وابسته است.به طور کلی اگر چه در اکثر جوامع میزان مصرف انرژی بدلایل مختلف متفاوت است ولی، با هر دیدگاه و منظری که به نواحی شهری بنگریم، در برخی از انواع اشکال شهرها مصرف انرژی در ساختمان‌ها کمتر است. در خصوص بیان علت وجود این وضعیت دلایل بسیاری وجود دارند.

تلاش جهت دستیابی به دلایل این وضعیت و توضیح چگونگی ساز و کارهای تاثیر شکل شهرها بر میزان مصرف انرژی در ساختمان‌ها موضوع اصلی و محوری تحقیق حاضر را تشکیل می‌دهد. استدلال این مقاله این است که با شناخت ویژگی‌ها و خصوصیات اشکال مختلف شهری بهتر می‌توان در مصرف انرژی در ساختمان‌ها صرفه جویی کرد.

مفاهیم و شاخص‌هاى متغیرهاى مستقل تحقیق

شکل شهر: مانند هر مصنوع دیگر انسانی شهرها دارای شکل‌های خاصی و متفاوتی هستند که تحت تاثیر عوامل مختلفی ایجاد شده اند. در یک تعریف کلی شهر را می‌توان شامل کلیه عوامل، ویژگی‌ها، اجزاء و عناصر جغرافیایی کالبدی و غیر فضایی، قابل رؤیت و پنهان، طبیعی و مصنوعی دانست که ماهیت، موجودیت و کلیت سکونت گاه‌های انسانی را تشکیل می‌دهند. از بین رفتن شش دسته عوامل، ویژگی‌های فضایی کالبدی، قابل رؤیت و مصنوع شکل شهرها از جمله ویژگی‌هایی هستند که در اینجا جهت بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان‌ها مورد بررسی و ارزیابی قرار می‌گیرند. از میان مهمترین عوامل و اجزاء فضایی کالبدی، قابل رؤیت و مصنوع شکل شهرها که در مصرف انرژی در شهرها و ساختمان‌ها نقش دارند می‌توان به بافت شهر، ساختار شبکه معابر و کاربری اراضی اشاره کرد که جهت تحقیق، تاثیر بافت شهر و ضوابط.( مربوط به آن مورد توجه نظر این مقاله است.

بافت شهر: از میان مشخصات کالبدی شکل شهرها، تاثیر بافت در مصرف انرژی در ساختمان‌ها را می‌توان بسیار مهم دانست. در یک تعریف کلی بافت شهر ناظر برآن دسته از ویژگی‌های کالبدی شکل شهرها است که در آن نحوه و چگونگی ترکیب و تلفیق سلول‌ها و اجزاء شهر در مقیاس سه بعدی در سطح (طول و عرض) و ارتفاع مورد توجه است. در واقع ویژگی‌ها و خصوصیات کالبدی سلول‌ها و دانه‌های شهری در ترکیب با یکدیگر و دیگر اجزاء شکل شهر، مانند شبکه معابر، کلیت‌های همگنی از نظر کالبدی در نواحی و مناطق مختلف شهر بوجود می‌آورند که بافت شهر نامیده می‌شود.

اجزاء بافت: برای هر بافت شهری دو بخش و جزء اساسی می‌توان تشخیص داد: یکی سلول‌ها و دانه‌های شهری که همان ساختمان‌ها هستند و دیگری شبکه معابر بافت که به مانند اسکلت و چهار چوبی سلول‌ها و دانه‌های شهری را به یکدیگر پیوند می‌دهند. خود سلول‌ها نیز از دو قسمت مجزا یعنی فضاهای ساخته شده یا ساختمان‌ها و سطوح باز و فضاهای خالی، تشکیل شده اند. نحوه ترکیب دو بخش اساسی بافت، سلول‌ها و معابر و دو قسمت عمده سلول‌ها، فضاهای ساخته شده و سطوح باز، همراه با برخی ویژگی‌های دیگر معرف بافت‌های شهری هستند. در واقع بافت‌های شهری مانند هر پدیده و مقوله انسانی دیگر بر حسب برخی ویژگی‌ها و خصوصیات خاص دارای انواع و گونه‌های مختلفی هستند که بر حسب ویژگی‌ها و خصوصیات سلول‌ها و دانه‌های شهری و نحوه ترکیب آنها با یکدیگر، الگوهای مختلف بافت شهری از یکدیگر متمایز می‌شوند. از این روی می‌توان انتظار داشت که هر یک از انواع بافت‌های شهری از نظر بهینه‌سازی مصرف انرژی و انرژی دارای امکانات و محدودیت‌هایی باشند.

ویژگی‌های بافت‌های شهری: از مهمترین ویژگی‌ها و خصوصیات سلول‌ها و دانه‌های شهری که انواع مختلف بافت‌های شهری را شکل می‌دهند و بر مصرف انرژی در ساختمان‌ها بی تاثیر نیستند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

الف) نظام و الگوی قطعه بندی و تفکیک زمین دانه‌های شهری،

ب) شکل و مشخصات فضا و توده ساختمانی دانه‌های شهری،

ج) الگوی شبکه معابر بافت،

نکته ای که در اینجا لازم به اشاره می‌باشند این است که تاثیرات این سه ویژگی نه بصورت منفرد و مجزا بلکه به شکل ترکیبی و در ربط با یکدیگر مد نظر است. درواقع بخش اعظم تاثیر این سه ویژگی ناشی از ترکیب و همجواری آنها با یکدیگر است، مانند: ترکیب و نحوه همجواری فضاهای پر و خالی قطعات با معبر و با یکدیگر (بهم پیوستگی بافت شهری)، نحوه همجواری و ترکیب ارتفاع و تراکم ساختمانی قطعات با معبر (درجه محصوریت معبر)

 الف) نظام و الگوی قطعه بندی و تفکیک زمین و عرصه دانه‌های شهری، ناظر بر آن دسته مشخصه‌های اصلی هر دانه و سلول شهری شامل اندازه و مساحت، شکل هندسی، ابعاد طول و عرض قطعات و جهت گیری قطعه است که در ترکیب با مشخصه‌های سایر قطعات بافت، الگوی نظام قطعه بندی و تفکیک زمین دانه‌های شهری را شکل می‌دهند. در واقع می‌توان اینگونه بیان داشت که مشخصه‌های فوق شاخص‌هایی هستند که از طریق آنها می‌توان تاثیر نظام و الگوی قطعه بندی و تفکیک اراضی بافت بر مصرف انرژی در ساختمان‌ها را مورد ارزیابی قرار داد. نظام و الگوی قطعه بندی و تفکیک زمین دانه‌های شهری برحسب ویژگی‌ها و خصوصیات ترکیبی قطعات و دانه‌های بافت، الگوها و درجاتی از منظم تا نا منظم به خود می‌گیرند.

ب) شکل و مشخصات فضا و توده ساختمانی دانه‌های شهری: همچنان که بیشتر اشاره شد سلول‌های شهری خود از دو قسمت مجزا یعنی فضاهای ساخته شده یا ساختمان‌ها و سطوح باز و فضاهای خالی، تشکیل شده اند. این معیار ناظر بر آن دسته مشخصات ساخت و ساز هر دانه و سلول شهری است که از ترکیب فضاهای باز و بسته دانه‌های شهری شامل ارتفاع و تراکم ساختمانی، سطح اشغال و نسبت سطح ساخته شده به فضای باز هر قطعه، نحوه استقرار بنا در عرصه دانه و اتصال و همجواری با فضاهای پر و خالی سایر قطعات ناشی می‌شوند.

ج) نظام و الگوی شبکه معابر بافت: معابر یکی دیگر از اجزاء اساسی بافت‌های شهری می‌باشند که از آنجا که به مانند اسکلت و چهارچوبی سلول‌ها و دانه‌های شهری را به یکدیگر پیوند می‌دهند، نقش مهمی برکارآیی مصرف انرژی در ساختمان‌ها دارند. معابر بافت از لحاظ شکل دارای الگوهای مختلف و از لحاظ اندازه دارای مشخصات فیزیکی متفاوتی شامل طول و عرض هستند که برکارآیی مصرف انرژی درون ساختمان‌ها مؤثرند. به طور کلی نحوه و سار وکار تاثیر شبکه معابر بدین صورت است که شکل‌ها، الگوها و اندازه طول و عرض معابر عمدتاً در ترکیب با فضاهای ساخته شده و فضاهای باز دانه‌های شهری بر مصرف انرژی در ساختمان‌ها تاثیر می‌گذارند. مشخصات و الگوی شبکه معابر از دو طریق و در دو سطح بر مصرف انرژی در شهر و ساختمان تاثیر می‌گذارند: یکی در سطح کلان و دیگری در سطح خرد. در سطح کلان الگوی شبکه معابر با جهت دهی و تحت تاثیر قرار دادن جهت گیری قطعات بافت در رابطه با بهترین نورگیری خورشید و در سطح خرد از طریق همجواری سطح ساخته شده با معبر بر مصرف انرژی در ساختمان تاثیر می‌گذارد.

چگونگى تاثیر شاخص‌ها و عوامل متغیر‌هاى مستقل تحقیق (ویژگى‌هاى بافت‌هاى شهرى) بر مصرف انرژی در ساختمان

در یک نگرش مبتنی بر توسعه پایدار، انرژی خورشیدی منبع پایان پذیری (تجدید شوندهای) است که هم می‌توان از آن بصورت فعال با استفاده از سیستم‌های تبدیل انرژی بهره گرفت و هم بصورت غیر فعال با رعایت قواعدی در طراحی و اجرای ساختمان هر چه بیشتر آن استفاده کرده و بهینه‌به مصرف رساند. استفاده از ویژگی‌های بافت‌های شهری را می‌توان یکی از روش‌های مهم استفاده از سیستم‌های غیر فعال برای صرفه جویی در مصرف انرژی قلمداد کرد که در اینجا سعی می‌شود به روش‌های بهره گیری از این ویژگی‌ها جهت استفاده مناسبتر (خورشیدی) و جلوگیری از اتلاف سوخت در ساختمان توجه نماییم. به طور کلی قبل از پرداختن به چگونگی و نحوه تاثیر ویژگی‌های بافت شهری (به عنوان متغیرهای اصلی مسأله) بر مصرف انرژی در ساختمان‌ها، ضرورت دارد نقش متغیرهای دیگری (متغیرهای محیطی) که در این زمینه تاثیر دارند، روشن شود. همچنان که بیشتر اشاره شد، نقش هر یک از شاخص‌های بافت شهری بر میزان مصرف انرژی در ساختمان در شرایط اقلیمی گوناگون متفاوت است. در مناطق گرم، هدف پرهیز از کسب حرارت ناشی از تابش آفتاب در مواقع گرم سال است. در مناطق مرطوب کوشش می‌شود تا از وزش بادهای محلی در خنک کردن فضاهای داخلی ساختمان حداکثر استفاده به عمل آید. در شرایط اقلیمی سرد تلاش می‌شود ساختمان با داشتن حداکثر پیشانی بیشترین نور گیری و دریافت انرژی را داشته باشد. به طور کلی با توجه به شرایط خاص هر منطقه با توجه به نیازهای حرارتی ساختمان و امکانات طبیعی موجود، می‌باید ضوابط و قواعد متفاوتی جهت کنترل مصرف انرژی در ساختمان کرد. برای این منظور ضروری است برای هر منطقه اقلیمی خاص ابتداء اولویت اقلیمی آن منطقه را مشخص ساخته و سپس بر مبنای آن قواعد طراحی را تدوین کرد. از مهمترین اولویت‌ها در این زمینه می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1.کسب حداقل انرژی خورشیدی در مواقع گرم

2.جلوگیری از نفوذ مستقیم آفتاب به فضاهای داخلی در مواقع گرم

3.جلوگیری یا تقلیل تاثیر بادهای گرم و غبار آلود در فضاهای داخلی و خارجی ساختمان

4.کسب انرژی خورشیدی در مواقع سرد

5.تامین جریان هوا در فضاهای داخلی در مواقع ضروری

توجه به اولویت‌ها یا نسبت اهمیت هر یک از موارد یاد شده، در قواعد طراحی ساختمان امری ضروری است چون عملاً تامین نیازهای انرژی ساختمان در رابطه با کلیه عناصر اقلیمی طور یکسان، امکان پذیر نیست

نسبت سطح پوسته خارجی ساختمان به حجم فضای مفید(شکل کالبدی ساختمان)

در میان قسمت‌ها و بخش‌های مختلف ساختمان، مهمترین بخشی که بر اتلاف سوخت در ساختمان تاثیر دارد، ویژگی‌های سطح پوسته خارجی ساختمان است. یکی از این ویژگی‌ها مساحت پوسته خارجی ساختمان است. در مطالعاتی که انجام شده به طور متوسط در یک خانه از مجموع کل مساحت پوسته خارجی ساختمان، بام 30 درصد، دیوارهای 30 درصد، کف 30 درصد و پنجره‌ها 10 درصد کل مساحت را به خود اختصاص می‌دهند. بنابراین راه‌های اصلی اتلاف حرارت در ساختمان به ترتیب اهمیت عبارتند از: دیوارها، بام، کف، پنجره‌ها و نفوذ هوا به داخل. اگر چه شیشه از لحاظ عایق بودن به خوبی با نمای آجری نیست، مع هذا، دیوارهای تو پر اتلاف حرارتی خیلی بیشتری دارند زیرا مساحت آنها در یک خانه به طور متوسط خیلی بیشتر از  پنجره‌هاست

به صورت نظری مقدار اتلاف و انتقال حرارت از طریق سطح پوسته خارجی ساختمان قسمت‌هایی مانند: دیوارها، بام، کف، پنجره‌ها و نور گیرها، تابعی از میزان عایق بودن آن عضو، مساحت و اختلاف درجه حرارت بین داخل و خارج ساختمان است. تاثیر عایق بودن عضو بر میزان مصرف انرژی در ساختمان بسته به جنس و کیفیت عایق مورد استفاده دارد ، ولی مساحت و اندازه پوسته خارجی ساختمان تا حدود زیادی نیز اختلاف درجه حرارت بین داخل و خارج ساختمان وابسته به قواعد و روش‌های طراحی ساختمان است و مستقیماً به موضوع بحث این مقاله مربوط می‌شود. مساحت و اندازه سطح پوسته خارجی ساختمان خود تحت تاثیر شکل ساختمان است. بنابراین، در بررسی اتلاف حرارت در ساختمان، تاثیر و اهمیت مساحت پوسته خارجی ساختمان و همچنین تنظیم اختلاف درجه حرارت بین داخل و خارج ساختمان اگر بیشتر نباشد کمتر از استفاده از مصالح عایق بندی نیست. در واقع می‌توان اینگونه بیان کرد که ویژگی‌های بافت‌های شهری به صورت یک عایق طبیعی از اتلاف انرژی در ساختمان جلوگیری می‌کند.به طور کلی در اندازه مساحت پوسته خارجی ساختمان و یا نسبت مساحت پوسته خارجی به مساحت زیر بنای ساختمان اکثر شاخص‌ها و ویژگی‌های بافت شهری مانند:

الف) نظام و الگوی قطعه بندی و تفکیک زمین و عرصه دانه‌های شهری،

ب) شکل و مشخصات فضا و توده ساختمانی دانه‌های شهری،

ج) نظام و الگوی شبکه معابر بافت، هم بصورت مجزا و هم بصورت ترکیبی تاثیر دارند.

 یکی از شاخص‌های مهمی که بر اندازه سطوح پوسته خارجی ساختمان تاثیر دارد و می‌توان آنرا در زیر گروه شاخص‌ها و ویژگی‌های شکل و مشخصات فضا و توده ساختمانی دانه‌های شهری طبقه بندی کرد الگوی سطح اشغال زمین است. منظور از الگوی سطح اشغال زمین، نحوه استقرار ساختمان در قطعه زمین مربوط به آن است. الگوی سطح اشغال زمین اگر نه اولین شاخص مؤثر بر مساحت پوسته خارجی ساختمان ولی در اصل مهمترین شاخص در این زمینه به شمار می‌رود.

الگوی اشغال سطح زمین نه تنها در اندازه و سطح پوسته خارجی ساختمان تاثیر دارد بلکه از آنجا که جهات و جبهه‌های مختلف ساختمان از نظر کسب انرژی با یکدیگر متفاوت هستند، نقش مهمی در نور گیری و کسب انرژی ساختمان دارد. در شکل گیری الگوی سطح اشغال زمین در بافت‌های شهری عوامل مختلفی دخالت دارند ولی در اینجا، الگوهای معمول سطح اشغال زمین، صرفاً از نظر بیلان انرژی و مصرف انرژی در ساختمان جهت گرمایش و سرمایش در فصول سال مورد بررسی قرار می‌گیرند و هدف از این بررسی صرفاً نشان دادن معایب و مزایایی است که هر یک از این الگوها در ارتباط با نیازهای سوختی ساختمان دارند. نکته اساسی که اشاره به آن در اینجا لازم و ضروری است این است که الگوی سطح اشغال زمین نه بصورت سوخت در ساختمان تاثیر می‌گذارد. در واقع بخش اعظم تاثیر این شاخص بر مصرف انرژی در ساختمان، ناشی از ترکیب آن با ویژگی‌های ساختمان‌های اطراف و سایر عناصر بافت‌های شهری مانند: ترکیب با معبر، ترکیب و همجواری فضاهای پر و خالی قطعات با یکدیگر و اندازه و ابعاد قطعه زمین دخالت است.

از آنجا که جهات و جبهه‌های مختلف ساختمان از نظر کسب انرژی با یکدیگر متفاوت هستند شاخص دیگری که بر بیلان و میزان انرژی دریافتی ساختمان تاثیر می‌گذارد و می‌توان آنرا در زیر گروه شاخص‌های نظام و الگوی قطعه بندی و تفکیک زمین طبقه بندی کرد، اندازه ابعاد و شکل هندسی زمین قطعات است. در واقع قبل از اینکه الگوی سطح اشغال بر دریافت انرژی ساختمان مؤثر باشد، اندازه و ابعاد اضلاع قطعات زمین تعیین می‌کند که ساختمان تحت چه الگوی سطح اشغالی می‌باید ساخته شود. در قطعاتی که اضلاع شمالی و جنوبی در مقایسه با اضلاع شرقی و غربی طول بیشتری دارند در صورتی که جبهه اصلی ساختمان در اضلاع جنوبی قرار داشته باشد بیشترین نور گیری و دریافت انرژی را خواهیم داشت و در صورتی که بخاطر جهت گیری شبکه معابر پیشانی و جبهه اصلی ساختمان بصورت شرقی و غربی احداث شوند نورگیری و دریافت انرژی نامطلوبی خواهیم داشت. در اینجا به برخی از مهمترین الگوهای سطح  اشغال ساختمان‌ها که در بافت‌های شهری معمول هستند، اشاره می شود

الگوی شماره 1: استقرار ساختمان در وسط قطعه زمین بگونه ای که از چهار طرف با هوای خارج ارتباط داشته باشد. در این الگو، مساحت پوسته خارجی ساختمان که با هوای آزاد در ارتباط است به حداکثر سطح می‌رسد و طبیعتاً در این حالت ساختمان بیشترین انتقال و اتلاف حرارتی را خواهد داشت و مصرف انرژی جهت کنترل دمای درون ساختمان نسبت به سایر الگوها حداکثر خواهد بود. در این الگو اگر چه ممکن است با برخی تمهیدات طراحی ساختمان را در مقابل تابش آفتاب بویژه در مناطق گرم کنترل کرد ولی در مناطق سرد که جلوگیری از انتقال حرارت درون به بیرون ساختمان مهم است استفاده از عایق بندی بویژه در نمای شمالی، غربی و شرقی جهت جلوگیری از اتلاف انرژی ضروری است. در واقع در این الگو هزینه عایق بندی ساختمان بالا خواهد بود. ترکیب این الگو در قطعات همجوار اصولاً در بافت‌های شهری بافتی فشرده و متراکم ایجاد نخواهد کرد. این الگو بیشتر در مناطق مرطوب بویژه در مناطق ساحلی که استفاده از باد و جریان هوای آزاد برای کنترل رطوبت هوا از اهمیت بیشتری نسبت به کنترل حرارت درون ساختمان برخوردار است، معمول است.

الگوی شماره 2: مانند الگوی شماره یک است منتهی با این تفاوت که ساختمان تمام عرض زمین را اشغال کرده است و در ترکیب با الگوی سطح اشغال قطعات همجوار پوسته خارجی دیوارهای شرقی و غربی توسط قطعات همجوار پوشش داده می‌شود. در این الگو، به دلیل مشترک بودن دیوارهای شرقی و غربی ساختمان‌های مجاور هم، از تابش شدیدترین آفتاب تابستانی بر سطوح خارجی ساختمان جلوگیری می‌شود و در زمستان از انتقال حرارت از داخل ساختمان به خارج آن در مناطق سرد جلوگیری می‌شود. مساحت سطح خارجی این الگو کمتر از الگوی قبلی است. این الگو غیر از موارد یاد شده تفاوت دیگری با الگوی قبلی ندارد.

الگوی شماره 3: در این الگو ساختمان در منتهی الیه قسمت شمالی زمین قرار گرفته و تمام عرض آن را اشغال می‌کند. این الگو که الگوی سطح اشغال رایج بافت‌های شهری جدید مرسوم به بافت‌های آماده سازی شده است، مجموعه‌های ساختمانی به صورت ساختمانی یک طرفه در می‌آید که فقط یک نمای اصلی دارد. نسبت سطح به حجم این الگو در قطعاتی که معبر در شمال قطعه قرار دارد مانند الگوی قبلی است ولی در قطعاتی که معبر در جنوب قطعه واقع می‌شود در صورتی همجوار با فضای ساخته شده قطعه شمالی خود باشد، کمتر از الگوی قبلی است. در این الگو در حالتی که معبر در جنوب قطعه واقع می شود به دلیل وجود یک نمای اصلی، امکان برقراری جریان هوا در فضاهای داخلی امکانپذیر نیست ولی در حالتی که معبر در شمال قطعه واقع شود، در صورتی که برای هر یک از فضاها دو پنجره پیش بینی شود، جریان هوای آرامی در آنها ایجاد خواهد شد.

الگوی شماره 4: در این الگو ساختمان شکل L لاتین دارد و دو ضلع عمود بر هم قطعه زمین را اشغال کرده و دارای دو نمای عمود برهم است. این نمونه، درمجموعه‌های ساختمانی می‌تواند بافت نسبتاً متراکمی ایجاد کند. در صورتی که ساختمان‌های واقع در یک مجموعه، در نماهای غیر اصلی به یکدیگر اتصال یابند مساحت سطوح خارجی آنها تقلیل خواهد یافت. هر یک از بال‌های ساختمان، باعث ایجاد سایه متقابل بر یکدیگر می‌شوند و در مجموع، سطوح واقع در سایه ساختمان افزایش می‌یابد. مشکل عمده ای که در این الگو وجود دارد این است که نماهای عمود بر هم در صورتی که هر دو دارای یک ارزش باشند، امکان تعیین جهتی مناسب برای استقرار ساختمان را فراهم نمی‌سازند و در صورتی که یکی از نماها د رجهت مناسبی قرار داده شود، نمای دیگر جهت مطلوبی نخواهد داشت. علاوه بر این گرچه ساختمان دارای دو نمای اصلی است، اما از نظر ایجاد کوران در فضاهای داخلی این دو نما نقش مهمی‌ایفا نمی‌کنند.

الگوی شماره 5: ساختمان دو طرفه مجزا، ساختمان به طور مجزا در دو طرف زمین مورد نظر قرار گرفته است. هر یک از قسمت‌های این ساختمان مانند یک ساختمان یک طرفه عمل می‌کند، بنابراین موارد یاد شده در مورد ساختمان یک طرفه در مورد هر یک از قسمت‌های این الگو صادق است. در ارتباط با مساحت سطوح خارجی و نسبت سطح به حجم و همچنین کنترل تابش آفتاب و تعیین جهت استقرار ساختمان، این الگو مشابه الگوی دو طرفه عمل می‌کند. در مواردی که زیر بنای کافی وجود دارد و می‌توان فضاهای جداگانه ای برای استفاده در فصول مختلف پیش بینی کرد این الگو، الگوی بسیار مناسبی است. قسمت شمالی که نمای جنوبی دارد برای زمستان‌ها کاملاً مناسب است و قسمت جنوبی که رو به شمال است برای استفاده در تابستان‌ها مفید خواهد بود.

الگوی شماره 6: ساختمان U  شکل علی رغم وجود سه نمای مختلف، در این الگو نیز نمی‌توان جریان هوای مناسبی در فضاهای داخلی ایجاد کرد.در صورتی که در نما یا نماهای مشرف به خارج (کوچه‌ها) بازشوهایی پیش بینی شود، مشکل ایجاد جریان هوا در فضاهای داخلی بر طرف خواهد شد، اما د راین حالت، کل مساحت سطح خارجی ساختمان و در نتیجه نسبت سطح به حجم هر یک از ساختمان‌ها و کل مجموع ساختمانی بسیار کم خواهد شد. نماهای مختلف یا قسمت‌های مختلف چنین الگویی باعث ایجاد سایه متقابل بر روی یکدیگر می‌شوند. به همین دلیل این الگو از نظر کنترل سطوح خارجی در مقابل تابش آفتاب الگوی مناسبی است. کلیه نماهای اصلی این نمونه معطوف به حیاط مرکزی هستند و فرم این ساختمان اصولاً درون گرا است. وجود سه نمای اصلی و هم ارزش در این الگو تعیین جهت مناسب برای هر سه نما را عملاً غیر ممکن می‌سازد.

الگوی شماره 7: الگوی حیاط مرکزی با چهار طرف ساخت. ساختمان حیاط مرکزی در قطعات بزرگ با شکل نزدیک به مربع قابل پیشنهاد است. ساختمان از درون دارای چهار نمای اصلی است که در چهار جهت مختلف جغرافیایی قراردارد. از نظر عملکرد اقلیمی، چنین الگویی تنها در مواردی قابل پیشنهاد است که نماهای مختلف دارای ارزش‌های متفاوتی باشند، یا امکان تغییر فصلی محل زندگی وجود داشته باشد، چون نماهای مختلف در فصول مختلف عملکرد متفاوتی دارند. به دلیل وجود چهار نمای مختلف که هر یک در جهت متفاوتی قرار دارند عملاً تعیین جهت استقرار برای این الگو در صورت هم ارزش بودن نماها بی معنی است. ساختمان حیاط مرکزی، الگوی کاملاً آشنایی در بافت قدیمی شهرهای ایران است. به طور کلی در ترکیب فضاهای پر وخالی یک بافت. شهری خاص هر چه تعداد و مساحت دیوارهای مشترک بین ساختمان‌های مجاور هم بیشتر باشد انتقال حرارتی و اتلاف انرژی کمتری ایجاد می‌شود. در صورتی که ساختمان‌ها در نماهای شرقی و غربی با هم مشترک باشند، سطح مشرف به شدیدترین تابش آفتاب تابستان در این ساختمان‌ها کمتر خواهد شد. چسبندگی ساختمان‌ها به یکدیگر کل سطح خارجی ساختمان‌ها را کاهش خواهد داد. بنابراین در طراحی، آماده سازی و تفکیک اراضی شهری جهت جلوگیری از اتلاف و انتقال حرارت از داخل ساختمان به خارج ضرورت دارد، الگوهای تفکیکی مورد استفاده قرار گیرد که دیوارهای مشترک بیشتری بین ساختمان‌ها بوجود آورد. از طرف دیگر نزدیکی ساختمان‌ها به یکدیگر باعث افزایش میزان سایه متقابلی خواهد شد که این ساختمان‌ها بر یکدیگر ایجاد می‌کنند. این موضوع در مناطق گرم می‌تواند کمک مؤثری برای جلوگیری از انتقال حرارت خارج به داخل ساختمان و در نهایت صرفه جویی در مصرف انرژی باشد.

 نسبت سطح بام به سطح مفید ساختمان

سطح بام ساختمان‌ها یکی دیگر از سطوح خارجی ساختمان است که در مقایسه با سایر سطوح ساختمان انرژی خورشیدی بیشتری بویژه درتابستان کسب می‌کند. برسی گرمای تابشی بر بام اهمیت فراوان دارد چون سطح آن تقریباً برابر مجموع سطوح جانبی ساختمان می‌شود، سطح بام ساختمان‌ها در ایران عموماً مسطح است مگر در مناطق اقلیمی خاص مانند، مناطق مرطوب بارانی که بام‌ها بصورت شیروانی ساخته می‌شوند و یا در مناطق گرم و خشک که سنگین ترین بارد گرمایی بر بام افقی قرار می‌گیرد و به همین دلیل برای جلوگیری از حرارت زیاد بام بشکل کروی و یا اصطلاحاً گنبدی ساخته می‌شوند.در روش‌های طراحی شهری و ساختمان برای کاهش نسبت سطح بام به کل سطوح ساختمان راه‌های متعددی مورد استفاده قرار می‌گیرد. استفاده از ساختمان‌های چند طبقه، کاهش سطح اشغال بنا و یا استفاده از بام‌های غیر مسطح از جمله این راه‌ها است. در مناطق گرم و خشک ایران که در یافت حرارت زیاد یکی از مهمترین عوامل مخل آسایش حرارتی در ساختمان است استفاده از بام‌های گنبدی راه حل مناسبی برای کاهش دریافت حرارتی از طریق سطح بام ساختمان بوده است. بام‌های گنبدی به علت برجستگی که دارند همواره در معرض وزش نسیم قرار می‌گیرند این در کم کردن گرمایی که بام در اثر شدید آفتاب می‌گیرد موثر است. هنگام شب نیز گرمایی که بام پس می‌دهد به ترتیبی که گفته شد سریعتر بر طرف می‌شود. در بام‌های گنبدی یا استوانی چون شدت تابش آفتاب بر تمام رویه بام یکسان نیست همیشه قسمت پشت گنبد گرمای کمتری نسبت به قسمت جلویی گنبد دریافت می‌کند و این در تقلیل درجه حرارت زیر گنبد تاثیر دارد به خصوص که اگر گنبد دررای ساقه نیز باشد. در معماری ایران با اختراع گنبد دو پوسته ای مسأله بالا را به طریق جالب ترین حل کرده اند بدین معنی که عمل عایق سازی فضای بین دو پوسته باعث می‌شود که پوسته داخلی نسبت به پوسته خارجی سرد باشد. این طرز عمل در معماری اماکن عمومی بیشتر به چشم می‌خورد جائی که ازدحام جمعیت و آمد و شد زیاد بوده است. معماران ایرانی همواره به دنبال راه حل‌های بهتری برای خنک نگاه داشتن زیر گنبد در تابستان و بالعکس گرم بودن آن در زمستان می‌گشته اند.

جهت استقرار ساختمان نسبت به چهار جهت جغرافیایى

جهت استقرار ساختمان‌ها یکی دیگر از عوامل و متغیرهای مهمی است که بر میزان مصرف انرژی در ساختمان‌ها تاثیر می‌گذارد و خود عموماً تحت تاثیر جهت کوچه‌ها و شبکه معابر بافت شهری است. به طور کلی در تعیین جهت استقرار ساختمان‌ها عواملی مانند: دسترسی، پستی و بلندی زمین، اشراف و محرمیت، نحوه همجواری با ساختمان‌ها اطراف و شرایط اقلیمی محل دخالت دارند. در واقع جهت استقرار ساختمان‌ها را می‌توان ضرورت انطباق ساختمان با طبیعت شرایط اقلیمی دانست. اگر چه جهت استقرار ساختمان‌ها نقش مهمی در دریافت انرژی ساختمان بویژه در مناطق سرد دارد ولی در هر صورت جهت انتخاب شده باید جوابگوی کلیه نیازهای مطرح شده در جامعه باشد. در این قسمت، جهت استقرار ساختمان صرفاً در رابطه با شرایط اقلیمی و بیلان انرژی دریافتی ساختمان بررسی می‌شود. به همین دلیل لازم است در انتخاب جهت نمایی، کلیه جهت‌هایی که از نظر اقلیمی و شرایط دریافت انرژی قابل قبول اند در ارتباط با عوامل دیگر مورد بررسی قرار گیرند.

به طور کلی نقش هر یک از عناصر مختلف اقلیمی در تعیین جهت استقرار ساختمان در شرایط اقلیمی گوناگون متفاوت است. در مناطق گرم، هدف پرهیز از کسب حرارت ناشی از تابش آفتاب در مواقع گرم است و در شرایط اقلیمی سرد تلاش می‌شود ساختمان با داشتن حداکثر پیشانی بیشترین نورگیری و دریافت انرژی را داشته باشد. از این روی ضرورت دارد با توجه به شرایط خاص هر منطقه و با در نظر گرفتن نیازهای حرارتی ساختمان و امکانات طبیعی موجود، ضوابط تعیین جهت استقرار ساختمان را با توجه به الویت‌های هر منطقه مشخص کرد. در صورتی که هدف از تعیین جهت استقرار، کسب حداقل انرژی خورشید در تمام فصول سال یا در مواقع گرم سال باشد، جهت شمالی مناسبترین جهت استقرار ساختمان محسوب می‌شود و مناطقی که کسب حداکثر انرژی خورشید در مواقع سرد سال هدف باشد، جهت جنوبی مهمترین جهت استقرار ساختمان است.در هر شکل جهت گیری مناسب برای قطعات بافت شهری جهت شمالی جنوبی، یعنی اندازه طول اضلاع شمالی و جنوبی قطعه کمتر از طول اضلاع شرقی و غربی قطعه باشد. به طور معمول در ایران جهت مناسب ساختمان‌ها جهت شمالی جنوبی است و می‌باید از طراحی قطعات بصورت شرقی غربی اهتراز کرد.

 جمع بندى و نتیجه گیرى

استفاده از روش‌های طراحی معماری و شهرسازی برای صرفه جویی در مصرف انرژی و انرژی در ساختمان از هر دیدگاه و منظری که به آن نگاه کنیم یک اصل و ضرورت مهم و اساسی چه در سطح ملی و چه در مقیاس بین المللی است. مشکلات زیست محیطی که هم اکنون جهان با روبرو است، قسمت اعظم آن مربوط به مصرف انرژی‌های فسیلی بویژه در بخش ساختمان است. جدای از تاثیرات زیانباری که اتلاف انرژی و سوخت بر زیست بوم کره زمین دارد، از منظر اقتصادی اتلاف انرژی و سوخت یعنی از بین رفتن منابعی که می‌توانست جهت تعالی و رفاه افراد جامعه به مصرف برسد. به طور کلی اگر میزان اتلاف انرژی و سوخت در ساختمان‌ها را حداقل 30 درصد در نظر بگیریم هر یک درصد صرفه جویی و جلوگیری از اتلاف آن منافع مادی عظیمی را برای کشور در بر دارد. همچنان که در طرح ساختمان‌ها و شهرها می‌باید تمام جنبه‌ها و ابعاد اجتماعی، روانی و فردی انسان‌ها را مورد توجه قرار داد و ساختمانی که بدون توجه به جنبه‌های فوق ساخته شود مطلوب نخواهد بود، ولی به طور قطعی می‌توان گفت که در حال حاضر جوامعی که به اتلاف انرژی در ساختارهای کالبدی جامعه خود بی توجه باشند در جهان رقابت آمیز کنونی جایی نخواهند داشت. اهمیت استفاده از روش‌های طراحی در مقایسه با دیگر روش‌ها را در صرفه جویی در مصرف انرژی و انرژی در این موضوع است که در استفاده از سایر روش‌ها مانند عایق بندی، می‌باید انرژی به مصرف رسانده شود، در حالی که استفاده از روش‌های طراحی هیچ گونه انرژی بجز انرژی اندیشه و شعور انسانی نیاز ندارد. از این روی روش‌های طراحی را می‌توان در زمره روش‌های پاک قلمداد کرد.

نشریه پنجره ایرانیان، سال پنجم ، شماره 54 ، فروردین 1391