ارزیابی کارایی پنجره‌های دو‌جداره و سایه‌بان‌ها در بهبود عملکرد کاربری‌های آموزشی (مطالعه موردی: دبستان مهرآیین و آفرینش در شهر رشت)

الموضوعات : Sustainable Development and Geography

دکتر سعید عظمتی ¹

1 - گروه معماری، واحد تهران شرق، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران

تاريخ الإرسال : 27 الجمعة , شوال, 1446 تاريخ التأكيد : 30 الأربعاء , ربيع الثاني, 1447 تاريخ الإصدار : 02 الإثنين , رجب, 1447

الکلمات المفتاحية: سایبان, پنجره دوجداره, بهینه‌سازی انرژی, طراحی اقلیمی,

ملخص المقالة :

افزایش مصرف انرژی در بخش ساختمان، به‌ویژه در فضاهای آموزشی که استفاده مداوم و تراکم بالایی دارند، به یکی از دغدغه‌های اصلی در طراحی پایدار تبدیل شده است. در این میان، بهره‌گیری از راهکارهای غیرفعال نظیر پنجره‌های دوجداره و سیستم‌های سایه‌بان (ثابت و متحرک) می‌تواند نقش مؤثری در کاهش بارهای سرمایشی و گرمایشی، ارتقای آسایش حرارتی و کاهش هزینه‌های بهره‌برداری ایفا کند. پژوهش حاضر با هدف بررسی میزان کارایی این دو عنصر معماری در بهبود عملکرد حرارتی مدارس ابتدایی، دو نمونه موردی دبستان پسرانه مهرآیین و آفرینش در شهر رشت را مورد ارزیابی قرار داده است. در این تحقیق از طریق شبیه‌سازی انرژی به‌وسیله نرم‌افزار DesignBuilder  جهت تحلیل سناریوهای مختلف طراحی بهره گرفته شده است. در سناریوها، وضعیت موجود مدارس با حالت‌های پیشنهادی شامل استفاده از پنجره‌های دوجداره، سایه‌بان‌های ثابت و سایه‌بان‌های متحرک مقایسه شده‌اند. نتایج نشان می‌دهد که استفاده همزمان از پنجره‌های دوجداره و سایه‌بان‌های متحرک، نسبت به سایر حالت‌ها، عملکرد بهینه‌تری در کاهش مصرف انرژی و بهبود شاخص‌های آسایش حرارتی ارائه می‌دهد. این راهکارها به‌ویژه در اقلیم مرطوب از کارایی بالاتری برخوردارند. در پایان، پیشنهاداتی برای بهینه‌سازی طراحی معماری مدارس با تأکید بر استفاده از عناصر غیرفعال و ارتقای بهره‌وری انرژی ارائه شده است.

چکیده مبسوط فارسی

مقدمه

یکی از مهم‌ترین بخش‌های هر ساختمان، به‌ویژه در مناطقی با اقلیم‌های مختلف، پنجره‌ها و سیستم‌های سایه‌بان هستند که تأثیر مستقیمی بر بهبود عملکرد انرژی در فضاهای داخلی دارند. در این میان، پنجره‌های دوجداره و سیستم‌های سایه‌بان از جمله فناوری‌هایی هستند که در بهینه‌سازی مصرف انرژی و بهبود شرایط داخلی ساختمان‌ها مورد توجه قرار می‌گیرند. آن‌ها با کاهش اتلاف انرژی، در تنظیم دمای محیط و نور نقش دارند و می‌توانند مصرف انرژی را کاهش داده و محیطی راحت‌تر برای ساکنان ساختمان فراهم کنند. با توجه به اینکه اقلیم‌های مختلف نقش بسزایی در تأثیرگذاری بر عملکرد ساختمان‌ها دارند، بررسی و ارزیابی عملکرد سیستم‌های مختلف در این اقلیم‌ها می‌تواند به بهبود شرایط ساختمان‌ها کمک کند. در این مطالعه، به‌ویژه در مورد سیستم‌های سایه‌بان ثابت و متحرک در کنار پنجره‌های دوجداره، شناسایی شده است. با افزایش چالش‌های طراحی مربوط به مصرف انرژی و نیاز به ساختمان‌های پایدار و بهینه، موضوع بهبود عملکرد حرارتی و بصری ساختمان‌های آموزشی اهمیت بیشتری یافته است. در این میان، فناوری‌هایی مانند پنجره‌های دوجداره و سایه‌بان‌های ثابت و متحرک به عنوان راه‌حل‌های نوآورانه ارائه شده‌اند. با این حال، ارزیابی اثربخشی این موارد، به ویژه در ساختمان‌های آموزشی، نیازمند مطالعه‌ای دقیق و مبتنی بر داده‌ها است. در این راستا، با مطالعه موردی بر روی مدارس ابتدایی مهرآیین و آفرینش در رشت، هدف این مطالعه بررسی اثربخشی این سیستم‌ها در بهبود عملکرد انرژی ساختمان‌ها است. سیستم‌های سایه‌بان ثابت و متحرک می‌توانند با تنظیم میزان نور خورشید ورودی به ساختمان، کاهش گرما و تابش مستقیم، به بهبود شرایط داخلی و کاهش هزینه‌های انرژی کمک کنند. سیستم‌های سایه‌بان ثابت و متحرک چه نقشی در بهبود عملکرد انرژی ساختمان‌های آموزشی دارند؟ آیا ترکیب پنجره‌های دوجداره با سیستم‌های سایه‌بان ثابت و متحرک می‌تواند به بهینه‌سازی شرایط داخلی ساختمان‌های آموزشی و کاهش هزینه‌های انرژی کمک کند؟ این تحقیق به بررسی عملکرد این سیستم‌ها در کنار پنجره‌های دوجداره می‌پردازد تا بهترین گزینه ممکن برای استفاده در ساختمان‌های آموزشی در اقلیم‌های مشابه ارائه شود.

 داده و روش

این تحقیق از روش شبیه‌سازی انرژی برای تحلیل اثرات سیستم‌های مختلف پنجره و سایه‌بان استفاده خواهد کرد. علاوه بر این، مطالعه میدانی و تحلیل داده‌های واقعی از ساختمان‌های شهر رشت نیز به عنوان بخش دوم تحقیق در نظر گرفته خواهد شد. در این روش، مدل‌سازی و شبیه‌سازی انرژی با استفاده از نرم‌افزارهای تخصصی EnergyPlus و DesignBuilder برای شبیه‌سازی عملکرد حرارتی و مصرف انرژی ساختمان‌ها در فصول مختلف سال انجام خواهد شد. در مرحله میدانی، داده‌های مربوط به دما، رطوبت، تابش خورشیدی، مصرف انرژی و آسایش حرارتی از دو مدرسه ابتدایی در رشت، مهرآیین و آفرینش، جمع‌آوری خواهد شد. این دو مدرسه به عنوان مطالعات موردی انتخاب شده‌اند زیرا هر کدام از سیستم‌های متفاوتی برای پنجره‌ها و سایه‌بان‌ها استفاده می‌کنند. مهرآیین از پنجره‌های دوجداره با سایه‌بان‌های ثابت و آفرینش از پنجره‌های دوجداره و سایه‌بان‌های متحرک استفاده می‌کند. داده‌های میدانی از طریق دستگاه‌های اندازه‌گیری محیطی مانند دماسنج، رطوبت‌سنج، دماسنج دیجیتال و حسگرهای تابش خورشیدی جمع‌آوری می‌شوند.

بحث و نتیجه گیری

شبیه‌سازی نشان داد که استفاده از سایبان‌های متحرک در مدرسه آفرینش، نوسانات دما در فضاهای آموزشی را در مقایسه با سایبان‌های ثابت در مدرسه مهرآیین کاهش داده است. در تابستان، میانگین دمای داخلی کلاس‌های درس در آفرینش حدود 2 تا 3 درجه سانتیگراد کمتر از مهرآیین ثبت شد. در زمستان، پنجره‌های دوجداره در هر دو مدرسه، اتلاف گرما را کاهش دادند، اما در مهرآیین، به دلیل عدم امکان تنظیم سایبان، تابش خورشید به اندازه کافی وارد نشد و دمای داخلی کاهش یافت. در بخش بعدی، میزان مصرف انرژی سالانه برای سیستم‌های سرمایش و گرمایش بررسی شد. ترکیبی از داده‌های میدانی و منابع استاندارد برای تخمین مصرف انرژی سالانه در مناطق سرمایش و گرمایش مدارس مورد مطالعه استفاده شد. در مرحله اول، میانگین مصرف ماهانه از طریق مصاحبه با مسئولین تأسیسات مدرسه و بررسی قبوض مصرف انرژی (برق و گاز) در طول یک سال تحصیلی (1401-1402) استخراج و سپس به مصرف سالانه تعمیم داده شد. در مرحله بعد، داده‌های به‌دست‌آمده با مقادیر استاندارد ارائه شده در منابع معتبر ملی و بین‌المللی مقایسه و تطبیق داده شدند تا از صحت نتایج اطمینان حاصل شود. در ساختمان آفرینش، استفاده از سایبان‌های متحرک امکان کنترل بهتر بر شدت و مدت نور طبیعی را فراهم کرد. این امر منجر به کاهش نیاز به نور مصنوعی شد. در مقابل، در مدرسه مهر آیین با سایبان‌های ثابت، در برخی از ساعات روز، نور بیش از حد یا ناکافی مشاهده می‌شد.

نتایج

نتایج این مطالعه که با هدف ارزیابی تأثیر ترکیب پنجره‌های دوجداره با سیستم‌های سایه‌بان ثابت و متحرک در بهبود عملکرد انرژی ساختمان‌های آموزشی در اقلیم معتدل و مرطوب رشت انجام شد، نشان می‌دهد که این عناصر معماری غیرفعال نقش کلیدی در کنترل شرایط محیطی و بهینه‌سازی مصرف انرژی دارند. تجزیه و تحلیل داده‌های شبیه‌سازی شده با استفاده از نرم‌افزار DesignBuilder نشان داد که سیستم‌های سایه‌بان متحرک به دلیل قابلیت تطبیق با موقعیت خورشید در ساعات مختلف روز و فصول سال، تأثیر بیشتری نسبت به سیستم‌های سایه‌بان ثابت در کاهش بار سرمایشی داشته‌اند. این عملکرد در فصول گرم سال، به‌ویژه تابستان، بسیار محسوس بوده و کاهش حدود 25 درصدی در مصرف انرژی سرمایشی نسبت به حالت پایه را نشان می‌دهد. همچنین، ترکیب این سیستم‌های سایه‌بان با پنجره‌های دوجداره، تبادل حرارتی را به طور قابل توجهی کاهش داده و در نتیجه، آسایش حرارتی کاربران را در ساعات دانشجویی بهبود بخشیده است.

منابع ومآخذ

• اردوزاده، نسرین، برنا، رضا، جبرائیل، قربانیان، ومرشدی، جعفر (1403). تعیین مناسب ترین ایام تحصیلی دانش آموزان شهر اهواز بر اساس نتایج شاخص مشاور اقلیم. نشریه اندیشه های نو در علوم جغرافیایی ،6(2) ,29-48.
• نوروزی، سجاد، اسدیان، فریده، دریاباری، سید جمال الدین، وبرنا، رضا (1403). اقلیم و معماری با تاکیدی بر دو مولفه جهت ابنیه ها و تابش (نمونه موردی :کلانشهر اهواز). نشریه اندیشه های نو در علوم جغرافیایی ،5 (2)،23-42.
• Ahmed, R., & Johnson, M. (2021). The impact of shading devices on energy consumption in educational buildings. Energy and Buildings, 13(2), 112–123.
• Alwetaishi, M. (2021). Impact of Window to Wall Ratio on Energy Loads in Hot Regions: A Study of Building Energy Performance. Energies, 14(4), 1080
• Asadi, E., da Silva, M. G., Antunes, C. H., & Dias, L. (2012). Multi-objective optimization for building retrofit strategies: A model and an application. Energy and Buildings, 44, 81–87.
• (2023). ASHRAE handbook—Fundamentals. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
• Bakó-Biró, Z., Clements-Croome, D. J., Kochhar, N., Awbi, H. B., & Williams, M. (2012). Ventilation rates in schools and pupils’ performance. Building and Environment, 48, 215–223.
• Barrett, P., Zhang, Y., Moffat, J., & Kobbacy, K. (2015). A holistic, multi-level analysis identifying the impact of classroom design on pupils' learning. Building and Environment, 89, 118–133.
• Ghaffarianhoseini, A., Berardi, U., & Ghaffarianhoseini, A. (2013). A review on environmental sustainability and energy efficiency in buildings. Building and Environment, 68, 1–13.
• Givoni, B. (1994). Passive and low energy cooling of buildings. Wiley.
• Gratia, E., & De Herde, A. (2007). Green roofs and solar shading: Impact on cooling energy need. Energy and Buildings, 39(5), 505–513.
• Heschong, L. (2002). Daylighting and human performance. ASHRAE Journal, 44(6), 65–67.
• Iranian Institute of Architecture and Urban Planning & University of Guilan. (2018). Comparative study of the performance of awnings and windows in schools in the north of the country.
• (2006). Designing spaces for effective learning: A guide to 21st-century learning space design.
• Karami, A., Hashemi, S. A., & Nabati, M. (2017). Energy performance of buildings in northern Iran: A case study of the city of Rasht. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 67, 578–589.
• Karava, P., Stathopoulos, T., & Athienitis, A. K. (2012). Evaluation of wind-driven rain on building facades using CFD: The case of low-rise buildings. Building and Environment, 57, 35–48.
• Mohammadi, F., Bayat, M., & Jafari, R. (2019). Energy performance analysis of primary schools in hot and dry climates. Iranian Climate Architecture Journal.
• Mozaffari, M., Deylami, M., & Soleimani, B. (2018). Climatic classification of the city of Rasht for architectural design. Journal of Environmental Engineering, 144(3), 04018017.
• Olgyay, V. (2015). Design with climate: Bioclimatic approach to architectural regionalism. Princeton University Press.
• Olgyay, V., & Seruto, C. (2010). Whole-building retrofits: A gateway to climate stabilization. Environmental Building News, 19(7), 1–10.
• Sharifi, A., Naghibi, S. A., Kabiri, K., & Murayama, A. (2022). A review of climate-sensitive urban design strategies for mitigating urban heat island effects. Sustainable Cities and Society, 76, 103498.
• Smith, J., Brown, T., & Lee, K. (2020). Energy efficiency in modern buildings: The role of double-glazed windows and shading systems. Journal of Sustainable Architecture, 12(3), 45–58.
• Taleghani, M., Smith, J., & Johnson, A. (2023). Evaluation of passive cooling strategies for sustainable architecture in arid climates. Journal of Building Engineering, 68, 102982.
• S. Department of Energy. (2017). Energy efficiency trends in residential and commercial buildings.
• Wargocki, P., & Wyon, D. P. (2013). Providing better thermal and air quality conditions in school classrooms would be cost-effective. Building and Environment, 59, 581–589.
• Wong, N. H., & Huang, B. (2004). Comparative study of the indoor thermal environment of naturally ventilated classrooms. Building and Environment, 39(1), 43–50.
• Zolfaghari, A., Farhadi, H., & Ghasemi, F. (2019). Evaluating the energy performance of adjustable shading devices in educational buildings in humid climates of northern Iran. Journal of Building Performance, 10(1), 45–58.

 

المصادر:

1) اردوزاده، نسرین، برنا، رضا، جبرائیل، قربانیان، ومرشدی، جعفر (1403). تعیین مناسب ترین ایام تحصیلی دانش آموزان شهر اهواز بر اساس نتایج شاخص مشاور اقلیم. نشریه اندیشه های نو در علوم جغرافیایی ،6(2) ,29-48.
2) نوروزی، سجاد، اسدیان، فریده، دریاباری، سید جمال الدین، وبرنا، رضا (1403). اقلیم و معماری با تاکیدی بر دو مولفه جهت ابنیه ها و تابش (نمونه موردی :کلانشهر اهواز). نشریه اندیشه های نو در علوم جغرافیایی ،5 (2)،23-42.
3) Ahmed, R., & Johnson, M. (2021). The impact of shading devices on energy consumption in educational buildings. Energy and Buildings, 13(2), 112–123.
4) Alwetaishi, M. (2021). Impact of Window to Wall Ratio on Energy Loads in Hot Regions: A Study of Building Energy Performance. Energies, 14(4), 1080
5) Asadi, E., da Silva, M. G., Antunes, C. H., & Dias, L. (2012). Multi-objective optimization for building retrofit strategies: A model and an application. Energy and Buildings, 44, 81–87.
6) ASHRAE. (2023). ASHRAE handbook—Fundamentals. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.
7) Bakó-Biró, Z., Clements-Croome, D. J., Kochhar, N., Awbi, H. B., & Williams, M. (2012). Ventilation rates in schools and pupils’ performance. Building and Environment, 48, 215–223.
8) Barrett, P., Zhang, Y., Moffat, J., & Kobbacy, K. (2015). A holistic, multi-level analysis identifying the impact of classroom design on pupils' learning. Building and Environment, 89, 118–133.
9) Ghaffarianhoseini, A., Berardi, U., & Ghaffarianhoseini, A. (2013). A review on environmental sustainability and energy efficiency in buildings. Building and Environment, 68, 1–13.
10) Givoni, B. (1994). Passive and low energy cooling of buildings. Wiley.
11) Gratia, E., & De Herde, A. (2007). Green roofs and solar shading: Impact on cooling energy need. Energy and Buildings, 39(5), 505–513.
12) Heschong, L. (2002). Daylighting and human performance. ASHRAE Journal, 44(6), 65–67.
13) Iranian Institute of Architecture and Urban Planning & University of Guilan. (2018). Comparative study of the performance of awnings and windows in schools in the north of the country.
14) JISC. (2006). Designing spaces for effective learning: A guide to 21st-century learning space design.
15) Karami, A., Hashemi, S. A., & Nabati, M. (2017). Energy performance of buildings in northern Iran: A case study of the city of Rasht. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 67, 578–589.
16) Karava, P., Stathopoulos, T., & Athienitis, A. K. (2012). Evaluation of wind-driven rain on building facades using CFD: The case of low-rise buildings. Building and Environment, 57, 35–48.
17) Mohammadi, F., Bayat, M., & Jafari, R. (2019). Energy performance analysis of primary schools in hot and dry climates. Iranian Climate Architecture Journal.
18) Mozaffari, M., Deylami, M., & Soleimani, B. (2018). Climatic classification of the city of Rasht for architectural design. Journal of Environmental Engineering, 144(3), 04018017.
19) Olgyay, V. (2015). Design with climate: Bioclimatic approach to architectural regionalism. Princeton University Press.
20) Olgyay, V., & Seruto, C. (2010). Whole-building retrofits: A gateway to climate stabilization. Environmental Building News, 19(7), 1–10.
21) Sharifi, A., Naghibi, S. A., Kabiri, K., & Murayama, A. (2022). A review of climate-sensitive urban design strategies for mitigating urban heat island effects. Sustainable Cities and Society, 76, 103498.
22) Smith, J., Brown, T., & Lee, K. (2020). Energy efficiency in modern buildings: The role of double-glazed windows and shading systems. Journal of Sustainable Architecture, 12(3), 45–58.
23) Taleghani, M., Smith, J., & Johnson, A. (2023). Evaluation of passive cooling strategies for sustainable architecture in arid climates. Journal of Building Engineering, 68, 102982.
24) U.S. Department of Energy. (2017). Energy efficiency trends in residential and commercial buildings.
25) Wargocki, P., & Wyon, D. P. (2013). Providing better thermal and air quality conditions in school classrooms would be cost-effective. Building and Environment, 59, 581–589.
26) Wong, N. H., & Huang, B. (2004). Comparative study of the indoor thermal environment of naturally ventilated classrooms. Building and Environment, 39(1), 43–50.
27) Zolfaghari, A., Farhadi, H., & Ghasemi, F. (2019). Evaluating the energy performance of adjustable shading devices in educational buildings in humid climates of northern Iran. Journal of Building Performance, 10(1), 45–58.