• Home
  • The Assessment of Role of Orientation, Type of Materials and Facade Construction Details on the Energy Consumption of Residential Buildings in Tehran

Share To

Article Url


Manuscript ID : HOVIATSHAHR-2203-12197 (R5) Visit : 197 Page: 81 - 92

10.30495/hoviatshahr.2022.66460.12197

Article Type: Original Research

The Assessment of Role of Orientation, Type of Materials and Facade Construction Details on the Energy Consumption of Residential Buildings in Tehran

Subject Areas : architecture

amin alah ahadi 1

1 - Assistant Professor, Department of Architecture, Parand Branch, Islamic Azad University, Prand, Iran

Received: 2022-04-03 Accepted : 2022-10-02 Published : 2022-12-22

Keywords: Tehran city, buildings envelop, Residential buildings, saving energy consumption,

Abstract :

In this research, focusing on the East, West and South regions of Tehran, the cooling and heating load in residential buildings in different geographical directions has been compared, and concerning the building façade material and construction details, optimal choices have been proposed. This study answers these questions, which of the typical façade materials and construction detail in Tehran city have the best performance in reducing the energy consumption of residential buildings, and what is the effect of facade direction on heating and cooling energy consumption of residential buildings. For this purpose, the simulation tool has been utilized using Energy plus software with a design-builder interface for thermal analysis. The results of this study show that the heating load of residential buildings in Tehran is higher than the cooling load in the western and northern units and the cooling load of the building is higher than the heating load in the southern and eastern units. In this regard, the heating load in the west facing units is 8%, and in the north units, it is 15 to 26% more than the cooling load. In south-facing units, the heating load of the building is 11 to 30%, and in east-facing units, the heating load of the building is up to 20% less than the cooling load. Comparison of heating load in southern, northern, eastern and western units shows that the best orientation of the building in Tehran to reduce the heating load of the building are respectively south-facing, east-facing (19 to 22% more than the southern unit), west-facing (20 to 25% more than southern units) and north-facing (30 to 40% more than southern units). The best orientation of the building in Tehran to reduce the cooling load of the building are the units facing south, north (0.5 to 7.5% more than the southern unit), west (6.5 to 7% more than the southern unit) and east (10.5 more than the southern unit) respectively. Regarding total cooling and heating load, the best orientation of the building in Tehran to reduce energy consumption are respectively south and then east facing units (about 16% more than southern units), west (15 to 17% more than southern units) and north (18 to 20% more in different views than southern units). The priorities of selection of facade materials and construction details in southern facades are brick facades with dry connection method, concrete panels with dry connection method and stone facades with dry connection method. In north-facing units, this arrangement includes a brick facade with a dry connection method, concrete panels with a dry connection method and stone facades with a dry connection method. In the west facing units, concrete panels with dry connection method, brick facades with dry connection method, and stone facades with dry connection method are the best. In the east facing units, brick facades with dry connection method, stone facades with dry connection method, ceramic facades with dry connection method and concrete panels with dry connection method have better performance in reducing the energy consumption of the building.

References:


  1. امیری فرد، رضا؛ ثقفی، محمود رضا؛ و طاهباز، منصوره. (1399). بررسی تأثیر هم‌زمان درصد سطوح شفاف نما و جهت­گیری بنا بر میزان مصرف انرژی مدارس در اقلیم معتدل و مرطوب ایران. صفه، 30(4)، 49-65. https://soffeh.sbu.ac.ir/article_100562.html
    2.
  2. ذوالفقاری، سید علیرضا؛ سعادتی نسب، مهران؛ و نوروزی، الهه. (1393). ارزیابی میزان تأثیر نمای خارجی ساختمان بر مصرف انرژی سالانه در اقلیم­های مختلف ایران. انرژی ایران، ۱۷ (۴)، 45-51. http://necjournals.ir/article-1-589-fa.html
    3.
  3. ذوالفقاری، سید علیرضا. (1393). واکاوی الزامات و قیود بهینه­سازی مصرف انرژی در ساختمان. انرژی­های تجدید پذیر و نو، 1(1)، 12-23. https://www.magiran.com/paper/1307489
    4.
  4. سازمان برنامه‌وبودجه ایران. (1395). دستورالعمل طراحی سازه‌ای و الزامات و ضوابط عملکردی و اجرایی نمای خارجی ساختمان­ها ضابطه شماره 714. تهران: سازمان مجری ساختمان­های دولتی و عمومی معاونت برنامه‌ریزی و مهندسی.
    5.
  5. شریفی، مهدی؛ و قبادیان، وحید. (1396). بررسی تأثیر خصوصیات فیزیکی پوسته­های ساختمان­ها بر زمان تأخیر و ضریب کاهش انتقال حرارت (نمونه­ی موردی: ساختمان­های بلندمرتبه‌ی شهر همدان). علوم و فنّاوری محیط‌زیست. 19(4)،167-178. https://jest.srbiau.ac.ir/article_10720.html
    6.
  6. کریم پور، علیرضا؛ دیبا، داراب؛ و اعتصام، ایرج. (1398). تحلیل­های اقتصادی و ارزیابی میزان مصرف انرژی بر اساس نوع و نسبت پنجره­ها با استفاده از مدل­های شبیه­سازی (موردمطالعه: یک واحد مسکونی نمونه در شهر تهران). هویت شهر. 13(3), 19-34. https://hoviatshahr.srbiau.ac.ir/article_14924.html
    7.
  7. کسمائی، مرتضی. (1391). اقلیم و معماری. تهران: شرکت سرمایه­گذاری خانه‌سازی ایران.
    8.
  8. محمد، شقایق. (1392). مطالعه رفتار حرارتی مصالح رایج در ساخت دیوار (مطالعه موردی: ساختمان­های مسکونی شهر تهران). معماری و شهرسازی (هنرهای زیبا). 18(1), 69-78. https://jfaup.ut.ac.ir/article_36358.html
    9.
  9. مداحی، سید مهدی؛ و توانائی، فهیمه. (1398). بهینه‌سازی عملکرد حرارتی جداره­های خارجی یک ساختمان مسکونی میان مرتبه در اقلیم سرد و خشک با بهره­گیری از نرم‌افزار شبیه­ساز انرژی (نمونۀ موردی: شهر مشهد). مهندسی و مدیریت انرژی. 9(3)، 108-121. https://energy.kashanu.ac.ir/article-1-1086-fa.html
    10.
  10. وزارت نیرو. (1392). ترازنامه انرژی ایران سال 1391. تهران: معاونت امور برق و انرژی. دفتر برنامه‌ریزی کلان برق و انرژی.
    11.
  11. وزارت نیرو. (1399). ترازنامه انرژی ایران سال 1397. تهران: معاونت امور برق و انرژی. دفتر برنامه‌ریزی کلان برق و انرژی.
    12.
  12. Abanda, F.H., & Byers, L. (2016). An investigation of the impact of building orientation on energy consumption in a domestic building using emerging BIM (Building Information Modelling). Energy, 97(c), 517-527. DOI: 10.1016/j.energy.2015.12.135
    13.
  13. Abba, H. Y., Majid, R. A., Ahmed, M. H., & Ayegbusi, O. G. (2022). Validation of Design builder Simulation Accuracy Using Field Measured Data of Indoor Air Temperature in A Classroom Building. Journal of Tourism Hospitality and Environment Management, 7 (27), 171-178. http://www.jthem.com/PDF/JTHEM-2022-27-03-14.pdf
    14.
  14. Albatayneh, A., Alterman, D., Page, A., & Moghtaderi, B. (2018). The Significance of the Orientation on the Overall buildings Thermal Performance-Case Study in Australia. Energy Procedia, 152, 377-372. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.09.159
    15.
  15. Balali, A., & Valipour, A. (2020). Identification and selection of building façade's smart materials according to sustainable development goals. Sustainable Materials and Technologies, 26(4), 213-224. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2020.e00213
    16.
  16. N., & Turkmen. H. (2008). Analysis of Annual Heating and Cooling Energy Requirements for Office Buildings in Different Climates in Turkey. Journal of Energy and Building, 40(5), 763-773. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2007.05.008
    17.
  17. Fathalian, A., & Kargarsharifabad, H. (2018). Actual validation of energy simulation and investigation of energy management strategies (Case Study: An office building in Semnan, Iran). Case Studies in Thermal Engineering, 12, 510-516. https://doi.org/10.1016/j.csite.2018.06.007
    18.
  18. Jalali, S., Parapari, D. M., & Mahdavinejad, M. J. (2019). Analysis of Building Facade Materials Usage Pattern in Tehran. Advanced Engineering Forum, 31, 46–62. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AEF.31.46
    19.
  19. Jamal Jalal, Sh., & Bani, R. (2017). Orientation modeling of high-rise buildings for optimizing exposure/transfer of insolation, case study of Sulaimani, Iraq. Energy for Sustainable Development, 41, 157-164. DOI:10.1016/j.esd.2017.09.003
    20.
  20. Karimimoshaver, M., & Samadpour Shahrak, M. (2022). The effect of height and orientation of buildings on thermal comfort. Sustainable Cities and Society, 79, 103-117. https://doi.org/10.1016/j.scs.2022.103720
    21.
  21. Lixing, G. (2007). Airflow Network Modeling in EnergyPlus. Conference Proceedings 10th International Building Performance Simulation Association Conference and Exhibition. September 6-3, Beijing: China.
    22.
  22. Lobaccaro, G., Fiorito, F., Masera, G., & Poli, T. (2012). District geometry simulation: a study for the optimization of solar facaded in urban canopy layers. Energy Procedia, 30, 1163-1172. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2012.11.129
    23.
  23. Av., & Fiorelli. F. (2008). Comparison between detailed model simulation and artificial neural network for forecasting building energy consumption. Journal of Energy and Building, 40(12), 2169-2176. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2008.06.013
    24.
  24. Renuka, S.M., Maharani, C.M., Nagasudha,S., & Raveena Priya, R. (2022). Optimization of energy consumption based on orientation and location of the building. Materials Today: Proceedings, 65(2), 527-536. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.03.081
    25.
  25. Saleem, M., Chhipi-Shrestha, G., Barbosa Andrade, M., Dyck, R., Ruparathna, R, Hewage, K., & Sadiq, R. (2018). Life Cycle Thinking–Based Selection of Building Facades. Journal of Architectural Engineering, 24(4), 1-13. DOI:10.1061/(ASCE)AE.1943-5568.0000333
    26.
  26. Susorova, I., Angulo, M., Bahrami, P., & Stephens, B. (2013). A model of vegetated exterior facades for evaluation of wall thermal performance. Building and Environment, 67, 1-13. DOI:10.1016/j.buildenv.2013.04.027
    27.
  27. Tokbolat, S., Karaca, F., Durdyev, S., & Calay, RK. (2020). Construction professionals’ perspectives on drivers and barriers of sustainable construction. Environ Dev Sustain, 22, 4361–4378. https://doi.org/10.1007/s10668-019-00388-3
    28.
  28. Wonorahardjo, S., Sutjahja, I., Mardiyati, Y., Andoni, H., Amalia Achsani, R., Steven, S., Thomas, D., Tunçbilek, E., Arıcı, M., Rahmah, N., & Tedja, S. (2022). Effect of different building façade systems on thermal comfort and urban heat island phenomenon: An experimental analysis. Building and Environment, 217, 109-113. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109063
    29.

 

 

_||_
Full-Text:


ارزیابی نقش جهت­گیری، نوع مصالح و اجرای نما بر مصرف انرژی ساختمان­های مسکونی در تهران

 

دکتر امین اله احدی*

____________________________________________________________

 

 

چکيد‌‌‌‌‌‌‌ه

غالب ساختمان­هاي امروزی به علت نداشتن طراحی اقلیمی، ناگزیر از مصرف بالای انرژي جهت تهویه، گرمایش، سرمایش، روشنایی و آسایش حرارتى هستند. این پژوهش به این سوال پاسخ می­دهد که در بین مصالح و جزییات اجرائی رایج نماسازی در شهر تهران، حالت بهینه در کاهش مصرف انرژی ساختمان­های مسکونی چیست و تاثیر جهت­گیری نما در مصرف انرژی ساختمان­های مسکونی چقدر است. به این منظور، شبیه­سازی با نرم­افزار Energy plus v8.6  جهت تحلیل حرارتی و مصرف انرژی ساختمان انجام شده است. نتایج پژوهش نشان می­دهد که در میان 13 نوع نمای رایج، بهترین مصالح نما در میان مصالح متداول، آجر و پانل بتنی و بهترین نحوه اجرا، اجرای خشک این مصالح می­باشد. واحدهای جنوبی کمترین مجموع بار سرمایشی و گرمایشی مصرفی را دارند و بعد از آن به ترتیب واحد­های شرقی (16% بیشتر از واحدهای جنوبی)، غربی (15 تا17% بیشتر واحدهای جنوبی) و شمالی (18تا20% بیشتر از واحدهای جنوبی) قرار دارند.

 

 

 

 

واژه‌هاي کليد‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ي

ساختمان‌های مسکونی، جداره‌های خارجی ساختمان، کاهش مصرف انرژی، شهر تهران

 

 

______________________________________________________________________________________________________________

* استادیار و عضو هیئت علمی تمام وقت، گروه معماری، واحد پرند، دانشگاه آزاد اسلامی، پرند، ایران         Email: a.ahadi@piau.ac.ir

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8969-6416

 

 

 

 

مقدمه

در رابطه با اهمیت موضوع، غالب ساختمان­هاي امروزى به علت عدم تطابق با استانداردهاي مصرف، ناگزیر از مصرف بیش از حد انرژي براي ایجاد شرایط آسایش حرارتى می باشند. جداره خارجی در ساختمان، کارآمدى انرژى و آسایش محیطى را تحت تأثیر قرارداده و درعین حال بزرگ­ترین عناصر اتلاف حرارتى نیز محسوب مى گردند (کریم پور و همکاران، 1398). بنابر این توجه به طراحی مناسب نما و جداره خارجی به عنوان عامل اصلی اتلاف انرژی ساختمان نقش مهمی در صرفه­جویی مصرف انرژی ساختمان دارد. به خصوص آن که بخش ساختمان به دليل طراحي و ساخت نامناسب، مصالح و تجهيزات غيراستاندارد و مواد به‌کاررفته در ساختمان‌ها و انتخاب نامناسب پوشش ساختمان‌ها اعم از پنجره‌ها و سيستم عایق‌کاری، بزرگ‌ترین مصرف‌کننده انرژي در مقايسه با ساير بخش­های اقتصادي كشور است (وزارت نیرو، 1392، 63). در سال­های اخیر مصرف انرژی در این بخش به دلایل متعدد از جمله افزایش جمعيت کشور، ازدیاد نرخ رشد جمعيت شهرنشين، ورود لوازم و تجهيزات مصرف کننده انرژی، بالا رفتن نسبی سطح رفاه جامعه، تلفات بالای مصرف انرژی در ساختمانها و تأسيسات، ارزان بودن نرخ و تعرفه­های انرژی و غيره، افزایش هم یافته است (وزارت نیرو، 1399، 67). بیشترین سهم در مصرف منابع انرژی در ساختمان به مصرف انرژی الکتریکی جهت روشنایی، سرمایش و تهویه اختصاص دارد. با توجه به اینکه جریان حرارت از میان پوسته­های خارجی ساختمان عامل اصلی تغییرات دمای هوای داخل است و به طور مستقیم بر بار گرمایشی و سرمایشی و آسایش حرارتی فضای داخلی موثر می باشد (شریفی و قبادیان، 1396)، انتخاب مناسب مصالح ساختمانی متناسب با شرایط اقلیمی هر منطقه میتواند منجر به صرفه­جویی مصرف انرژي در ساختمان گردد. یکی از عواملی که میتواند تاثیر بسزایی بر میزان دریافت انرژي خورشیدي توسط ساختمان داشته باشد، جنس مصالح بکار رفته در نماي خارجی ساختمان است. همچنین جزییات ساخت جداره خارجی ساختمان (سقف و دیوار بیرونی) و اندازه بازشو­ها از دیگر عوامل موثر می­باشند (مداحی و توانائی، 1398). با توجه به مباحث صرفه­جویی در مصرف انرژی و ویژگی­های اقلیمی شهر تهران، این پژوهش به این پرسش پاسخ می دهد که درمیان مصالح و جزییات اجرائی رایج، جنس مصالح مناسب در نمای ساختمان­های مسکونی در تهران چیست و جزییات اجرایی بهینه جداره­های خارجی ساختمان­های مسکونی در مناطق شرق و غرب و جنوب تهران در جهت صرفه­جویی در مصرف انرژی چگونه است. همچنین تاثیر جهت­گیری ساختمان بر میزان بار سرمایشی و گرمایشی در ساختمان­های مسکونی مورد مطالعه قرار گرفته است. در رابطه به ضرورت انجام این پژوهش، بررسی ادبیات موضوع نشان می دهد که تا کنون تحقیقاتی موردی در رابطه با تاثیر جنس نما بر مصرف انرژی ساختمان انجام شده است، از جمله پژوهش ذولفقاری و همکاران که در آن اثر جنس نماهاي مختلف بر میزان مصرف انرژي ساختمان در شهر تهران، تبریز و بندرعباس مورد بررسی قرار گرفته است و استفاده از نمای آجری را پیشنهاد شده است (ذولفقاری و همکاران، 1393) و نیز بررسی تأثیر هم­زمان درصد سطوح شفاف نما و جهت­گیری بنا­بر میزان مصرف انرژی مدارس در اقلیم معتدل و مرطوب ایران (امیری فرد و همکاران، 1399). همچنین بررسی نحوه رفتار گونه­های مختلف دیوار که از ترکیب بلوکهای سفالی، لیکا، هبلکس و عایق، حرارتی ساخته شده و در ساختمانهای مسکونی شهر تهران متداولند و انتخاب دیوار ساخته شده از دو ردیف بلوک لیکای ۱۰ سانتیمتری با ۵ سانتیمتر عایق در میانه آنها به عنوان حالت بهینه در پژوهشی که لایه­های پشت نمای ساختمان را بررسی کرده است (محمد، 1392)، در پیشینه این پژوهش دیده می شود.  با این وجود پژوهشی که تاثیر همزمان جهت­گیری، جنس مصالح رایج­ نما و نحوه اجرای نما را مورد بررسی قرار داده باشد و الگوهایی اجرایی برای ساختمان­های شهر تهران ارائه کند، انجام نشده و پرداختن به این مسئله که موضوع اصلی این پژوهش می­باشد، ضروری می­نماید. هدف کلی این پژوهش توجه به شرایط اقلیمی شهر تهران در انتخاب مصالح نمای ساختمان و نحوۀ اجرای آن در ساختمان و نیز تعیین دقیق و عددی تاثیر جهت­گیری نما در میزان مصرف انرژی و در نهایت رسیدن به یک الگوی بهینه در طراحی­های جدید یا بهینه سازی نماهای موجود می­باشد. در این راستا، این پژوهش به این سوال پاسخ می­دهد که در بین مصالح و جزییات اجرائی رایج نماسازی در شهر تهران، حالت بهینه در کاهش مصرف انرژی ساختمانهای مسکونی چیست؟، تفاوت دقیق درصدی استفاده از هریک از این نماها با یکدیگر در میزان انرژی مصرفی ساختمان چه میزان است؟ و تاثیر جهت­گیری نما در مصرف انرژی گرمایشی و سرمایشی و مجموع انرژی مصرفی سالیانه ساختمان­های مسکونی به تفکیک هر کدام از نماها و جزییات اجرایی مورد بررسی چقدر است؟

مروری بر پیشینه پژوهشی 

تاکنون تحقیقات زیادي در زمینه بررسی میزان اثرگذاري جنس نماي خارجی بر مصرف انرژي ساختمان انجام پذیرفته است. تحقیقات گذشته نشان می­دهد که مصالح مورد استفاده در نما در پدیده جزیره گرمایی و آسایش حرارتی در محیط بیرون نیز موثر هستند (Wonorahardjo et al., 2022). در این رابطه با اندازه‌گیری‌های میدانی، تاثیر استفاده از آجر، بتن، شیشه، پانل کامپوزیت آلومینیومی (ACP)  و شیشه شفاف بر گرما در محیط­های داخلی و خارجی ساختمان  بررسی شده و در نتیجه دیوار آجری دمای هوای داخل را به میزان قابل توجهی کاهش می­دهد اما دمای هوای بیرون را کمی افزایش داده است. این مطالعه نشان می­دهد که چگونه سیستم­های مختلف نمای ساختمان­ها به طور قابل توجهی بر محیط­های داخلی و خارجی تأثیر می­گذارد. صنعت ساختمان مصرف انرژی بالایی دارد که منجر به کاهش منابع طبیعی، کاربری زمین، تخریب اکوسیستم، آلودگی جو و بسیاری دیگر از اثرات زیست محیطی می­شود. بنابراین، در ساخت‌وسازهای مدرن، ضمن حفظ محیط داخلی رضایت‌بخش و راحت، مصرف کمتر انرژی و استفاده بهینه از منابع، هدف اصلی طراحی ساختمان است. با این وجود تاکنون تحقیقات زیادی جهت انتخاب و نحوه بکارگیری بهینه مصالح در نمای ساختمان­های مسکونی شهر تهران انجام نشده است. تحقیقات Jalali et al (2019) نشان می­دهد که علی رغم نبود مطالعات کافی در انتخاب مصالح، سنگ تراورتن به عنوان پرمصرف ترین مصالح نما در تهران در 10 سال گذشته در میان سایر مصالح متداول می­باشد (Jalali et al., 2019). در تهران نیز آجر از نماهای متداول می­باشد که انجام تحقیقاتی مشابه در این زمینه قابل توجه است. در پژوهشی که چرخه زندگی (LCE)، ارزیابی چرخه عمر (LCA) و هزینه‌یابی چرخه عمر (LCC) را برای ارزیابی عملکرد پایداری نماهای ساختمان در برزیل، برای انتخاب آنها مورد بررسی قرار داده است، با در نظر گرفتن اثرات زیست محیطی، مصرف انرژی، اثرات اجتماعی و اقتصادی چهار نمای ساختمان (نماهای آجری، گرانیتی، آلومینیومی و شیشه‌ای) انتخاب و با استفاده از تحلیل تصمیم چند معیاره و بر اساس تجزیه و تحلیل­های متعدد، نمای آجری به عنوان پایدارترین نما در سناریوی اقتصادی بودن شناسایی شد (Saleem et al., 2018). در پژوهشی دیگر در قزاقستان، عملکرد حرارتی ساختمان­های دارای نماهای آجری، سنگی و سیمانی با شبیه­سازی در نرم افزار دیزاین بیلدر مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج تحقیق نشان می­دهد که ساختمان­های با نماهای آجرکاری (آجرهای سفالی) و سنگ کاری (تراورتن) از نظر هزینه ساخت و هزینه­های مصرف انرژی عملکرد کارآمدتری داشتند و ساختمان­های با پانل­های کامپوزیت آلومینیومی و نماهای گچی تزئین شده عملکرد نامناسبی دارند (Tokbolat et al., 2020). در سال 2012، لوباکارو و همکاران با استفاده از شبیه­سازي عددي به تحلیل میزان اثرات جنس نماي خارجی ساختمان بر میزان مصرف انرژي سالانه ساختمان در اقلیم میلان ایتالیا پرداختند. در این پژوهش، نماهاي بتنی، نماهاي آلومینیمی، نماهاي شیشه اي و نماهاي داراي پوشش گیاهی را مورد مطالعه قرار گرفت (Lobaccaro et al., 2012). همچنین در سال 2013، سوسوروا و همکاران تاثیر استفاده از پوشش­هاي گیاهی بر روي جدار خارجی ساختمان را به صورت عددي و تجربی بررسی نمودند (Susorova et al., 2013). نتایج این تحقیق نشان داد که استفاده از پوششهاي گیاهی موجب کاهش جذب انرژي خورشیدي و کاهش بار سرمایشی میشود، این در حالی است که این امر میتواند بار گرمایش ساختمان را افزایش دهد. در ایران، در مبحث 19 مقررات ملی ساختمان، مطالعات وسیعی در زمینه ویژگی­های حرارتی و سایر خصوصیات مصالح ساختمانی که در صرفه­جویی در مصرف انرژی ساختمان موثر است، ارائه شده است. با این وجود چگونگی استفاده از این مصالح در قالب دیتیل­های ساختمانی بهینه، معرفی راهکارهایی در زمینه طراحی نماهای اداری و تجاری و استفاده بهینه از مصالح رایج برای نمای این کاربری­ها، پژوهش در زمینه مصالح جدید، ارزیابی عملکرد حرارتی نماهای ساختمان های ساخته شده و نیز مقایسه میزان تاثیرات بکارگیري مصالح متداول براي نما در اقلیم­هاي مختلف ایران (مانند اقلیم شهر تهران در این پژوهش)، کمتر مورد توجه قرار گرفته است. که در این پژوهش به آن پرداخته می شود. شایان ذکر است که مناسب بودن مصالح بکار رفته در نما کاملا به شرایط آب و هوایی منطقه وابستگی دارد. از طرفی جدیدترین پژوهش­های انجام گرفته در رابطه با مصالح ساختمانی پوسته خارجی بنا بر استفاده از مصالح هوشمند و نیز مصالح تغییر فاز دهنده متمرکز شده است. اگرچه استفاده از مصالح هوشمند در نمای ساختمان­ها می تواند کمک شایانی به اهداف معماری پایدار کند، اما مطالعات بسیار محدودی در خصوص این مواد انجام شده است. علاوه بر این، مطالعات موجود تنها تعدادی از مواد هوشمند را به طور همزمان مورد بررسی قرار داده‌اند. در پژوهشی در شهر شیراز با هدف انجام مطالعه گسترده‌تر، شناسایی و اولویت‌بندی مناسب‌ترین مصالح هوشمند نمای ساختمان با توجه به اهداف توسعه پایدار که برای تجزیه و تحلیل داده ها از آزمون فریدمن و تحلیل سلسله مراتبی (AHP) استفاده کرده است، مواد فتوولتائیک، مواد ترموکرومیک و مواد فتو تراکتور بهترین جایگزین‌ها برای استفاده در نمای ساختمان معرفی شده اند (Balali & Valipour, 2020). انجام مطالعات امکانسنجی و بررسی صرفه اقتصادی و قابلیت صرفه جویی در مصرف انرژی با استفاده از مصالح تغییر فاز دهنده و مصالح هوشمند در تحقیقات آینده پیشنهاد می­گردد. عامل تاثیر­گذار مهم دیگر جهت­گیری نمای ساختمان می­باشد. در این رابطه در پژوهشی در استرالیا تاثیر جهت­گیری نمای ساختمان مسکونی بر مصرف انرژی سالیانه مورد ارزیابی قرار گرفته است (Albatayneh et al., 2018). نتایج این پژوهش که از طریق شبیه­سازی رایانه­ای انجام شده است، نشان می­دهد که در نمونه موردی مورد بررسی و در شرایط یکسان، میزان انرژی کلی مصرفی ساختمان در ساختمان رو به شمال، شرق، غرب و جنوب به ترتیب برابر با 24، 57، 54 و 78 MJ/m2 بوده است که نشان دهنده تاثیر قابل توجه جهت­گیری ساختمان بر مصرف انرژی ساختمان دارد. در پژوهش دیگری که در شهر لندن با شبیه­سازی رایانه ای در نرم­افزار گرین بیلدینگ استودیو (Green Building Studio) انجام شده است، تاثیر جهت­گیری ساختمان با تغییر 45 درجه در هر مرحله بر مصرف گاز و برق ساختمان­های مسکونی در این منطقه بررسی شده است. نتایج این شبیه­سازی نشان دهنده تفاوت حدود 10 درصدی بین بهترین جهت­گیری (180 درجه از شمال) با بدترین حالت دارد (Abanda & Byers, 2016). در پژوهش دیگری در شهر سلیمانیه عراق تاثیر تغییر 5 درجه ای جهت­گیری یک نمونه ساختمان بلند مرتبه (در مجموع 18 حالت بررسی شده است) بر مصرف انرژی سالیانه آن مورد بررسی قرار گرفته است (Jamal Jalal & Bani, 2017). در این پژوهش جهت­گیری­های 70°–160°, 160°–250° و 250°–340° به عنوان حالت بهینه معرفی شده است. در ایران، کسمایی، 1391، جهت­گیری بهینه ساختمان برای مناطق مختلف ایران را بیان نموده است (کسمائی، 1391، 195-206). با این وجود پژوهشی در زمینه میزان تاثیر جهت­گیری های مختلف ساختمان بر بارسرمایش، گرمایش و مجموع بار سرمایش و گرمایش ساختمان به خصوص در ساختمان­های مسکونی شهر تهران انجام نشده است. در رابطه با تاثیر جهت­گیری بر میزان مصرف انرژی ساختمان مطالعه­ای در شهر تبریز انجام شده است که در آن، زوایای 135 درجه تا 200 درجه در جهت عقربه­های ساعت از شمال مورد بررسی قرار گرفته­اند (Karimimoshaver & Samadpour Shahrak, 2022). در این مطالعه برای شبیه­سازی سناریوهای مختلف، از انوی مت (Envi-met) و ری من (Rayman) استفاده شده و  سه عامل دمای هوا (Ta)، میانگین دمای تابشی (Tmrt) و شاخص دمای معادل فیزیولوژیکی (PET) به عنوان عوامل ضروری آسایش حرارتی مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج این نشان می دهد که با در نظر گرفتن وضعیت متغیر­ها در تابستان و زمستان، زاویه 135 درجه از شمال مناسب­ترین حالت برای این شهر می­باشد. در مطالعه دیگری در هند با تجزیه و تحلیل کارایی انرژی یک ساختمان بر اساس موقعیت مکانی (شهرهای هند) و جهت­گیری آن در شهرهای انتخاب شده بمبئی، شیلونگ، دهلی، چنای، برخی از پارامترهای رایجی که بر مصرف انرژی منبع ساختمان تأثیر می‌گذارند مانند ارتفاع ساختمان، ساختمان‌های همسایه، مصالح سقف، مساحت پنجره، متریال پنجره و برآمدگی‌ها در نظر گرفته شده است و تاثیر جهت­گیری در آن ها دیده شده است (Renuka et al., 2022). نتایج این تحقیق نشان می­دهد که بیشترین کاهش درصد در مصرف انرژی در دهلی با جهت ساختمان رو به شمال (26.42%) و پس از آن چنای با جهت ساختمان رو به شمال (20.90%) وجود دارد. از تجزیه و تحلیل به این نتیجه می­رسد که اجرای پارامترهای بهینه یافت شده در این مطالعه با توجه به موقعیت مکانی (شهرهای هند) و جهت­گیری آن می تواند مصرف انرژی ساختمان در هند را کاهش دهد. هدف از این پژوهش بهینه سازی نما در جهت کاهش مصرف انرژی می­باشد. بهینه‌سازی به مجموعه تلاش‌هایی اطلاق می‌شود که به‌منظور کمینه یا بیشینه‌سازی یک تابع هدف صورت می‌پذیرد. در مباحث انرژی، کمینه کردن تابع مصرف انرژی موردنظر است که در آن باید تأمین آسایش حرارتی، تأمین آسایش بصری، تأمین آسایش تنفسی در کنار کمینه کردن زمان بازگشت هزینه اولیه مدنظر باشد (ذولفقاری، 1393). در این پژوهش به حداقل رساندن مجموع بار گرمایشی و سرمایشی ساختمان از طریق انتخاب بهینه مصالح، روش ساخت جداره خارجی و جهت­گیری ساختمان مورد نظر می­باشد. در مقایسه با تحقیقات پیشین، در این پژوهش سعی شده است که تمامی انواع نماهای رایج در شهر تهران در چهار جهت اصلی مورد ارزیابی قرار گیرد و علاوه بر ارائه درصد دقیقی از تاثیر متغیر­های مختلف مورد نظر این پژوهش، بر انرژی سالیانه ساختمان، تاثیر جهت­گیری ساختمان نیز در این متغیر­ها دیده شود. در این رابطه بررسی نمونه­های موجود در شهر تهران (محدوده­ی مورد مطالعه) نشان می­دهد که دیوار­های پشتیبان نما در دو حالت دیوار­های بنایی (بلوک­های سفالی و سیمانی یا آجر) و دیوار­های پیش ساخته، ساخته می­شوند. همچنین نماها بر اساس مصالح به کار رفته در آن ها به انواع نماي سنگی، نمای آجری، نمای سیمانی و بتنی، نمای سرامیک و نمای کامپوزیت فلزی  تقسیم می­شوند که به دو روش خشک و تر اجرا می­شود (سازمان برنامه و بودجه ایران، 1395، 67). شکل1 جزئیات اجرایی این نماها را نشان می­دهد. این جزئیات (چگونگی اتصال نما به دیوار پشتیبان یکسان) جهت ساخت مدل­های شبیه­سازی این پژوهش مورد استفاده قرار گرفته است. 

C:\Users\Asus\Desktop\مقاله بنیاد تعاون ناجا\کاشی و شرامیک تر.jpg 

شکل1. جزئیات اجرایی نماهای متداول در شهر تهران (ماخد
: سازمان برنامه و بودجه ایران، 1395، 67)

Figure 3. Common construction details of buildings facades in Tehran (Source:Iran Planning and Budget Organization, 2016).

 

روش تحقیق

این پژوهش به لحاظ نوع تحقیق کاربردی است و در رابطه با داده­های مورد بررسی و خروجی پژوهش، کمی است. متغیرهای مستقل پژوهش انواع نماهای ساختمانی و روش­های اجرای آن­ها می­باشد و متغیر وابسته بار گرمایش، سرمایش و مجموع بارگرمایشی و سرمایشی مدل­های ساختمان­های مسکونی مورد مطالعه می­باشد. مدل ساخته شده شامل 4 زون70 مترمربعی در جهات رو به شمال، جنوب، شرق و غرب و در چهار طبقه می­باشد. کاربری هر زون مسکونی با سیستم  پکیج و سیستم سرمایش کولر در نظر گرفته شده است. شکل2، مدلسازی ساختمان در نرم افزار دیزاین بیلدر (واسط کاربری نرم افزار انرژی پلاس) را نشان می­دهد.

Description: D:\Users\amin\Desktop\Untااitled.png 

شکل2. مدلسازی ساختمان در نرم افزار دیزاین بیلدر

Figure 2. Modeling of building in Design builder software.

 

شبیه­سازی رایانه ای ابزار اصلی در این پژوهش می­باشد. به این منظور از نرم افزار دیزاین بیدر جهت تحلیل­های حرارتی استفاده شده است. از آن جا که تمامی این تحلیل­ها بر پایه اطلاعات اقلیمی انجام می­گردد، اطلاعات اقلیمی در قالب فایل اطلاعات آب و هوایی، از نرم افزار متونورم استخراج شده و در نرم افزار کلایمیت کنسولتنت تحلیل شده است. دیزاین بیدر از موتور انرژی پلاس جهت تحلیل­های حرارتی ساختمان استفاده می­کند. پژوهش­های میدانی متعددی دقت و کارایی بالای این نرم افزار را در شبیه­سازی ساختمان نشان داده است (Abba et al., 2022; Fathalian & Kargarsharifabad, 2018). دقت این نرم افزار در مقایسه با مقادیر بدست آمده از پژوهش­های میدانی، حداکثر ٪ 13± تفاوت داشته است که مقدار قایل قبولی است (Neto & Fiorelli, 2008). مدلسازی شبکه جریان هوای نرم افزار انرژی پلاس با استفاده از مقایسه نتایج مدلسازی با سری زیادی از اندازه گیریهای آزمایشگاهی با کیفیت بالا توسط لابراتوری ملی اواک ریگ  اعتبارسنجی شده است. اعتبارسنجی مدلسازی شبکه جریان هوای نرم افزار انرژی پلاس همچنین با استفاده از اطلاعات اندازه­گیری شده توسط لابراتوری علوم ساختمانی در مرکز انرژی خورشیدی فلوریدا انجام شده است (Lixing, 2007). با توجه به انواع پوشش­های متداول بکار رفته در نما در محدوده­ی مورد مطالعه و جزییات اجرایی این نماها، به منظور ارزیابی عملکرد حرارتی این نما­ها و انتخاب نمای بهینه، تاثیر استفاده از مصالح مختلف در نمای ساختمان در دمای تابشی سطوح و بار سالانه سرمایش، و مجموع بار حرارتی ساختمان ساختمان، شبیه­سازی رایانه­ای در نرم­افزار دیزاین بیلدر ورژن 01/5 ، در طول یک سال با در نظر گرفتن فایل اطلاعات اقلیمی مناطق جنوب، شرق و غرب تهران که از سرور انرژی پلاس و ایستگاه­های هواشناسی مرتبط دریافت شده است، در 13 حالت به شرح زیر انجام شده است :نماهای کامپوزیت فلزی، سرامیک با روش اتصال خشک، سرامیک با روش اتصال چسبیده، سیمانی، پانل­های بتنی با روش اتصال خشک، آجری با روش اتصال خشک، آجری با روش اتصال چسبیده، سنگی با روش اتصال خشک (سنگ گرانیت، مرمر، کوارتزیت و ماسه سنگ)، سنگی با روش اتصال چسبیده. به این منظور، جنس دیوار پشتیبان در تمامی حالات بلوک سیمانی سبک در نظر گرفته شده است. شکل3، مدلسازی انجام شده و نتایج شبیه­سازی را برای نماهای مختلف نشان می­دهد.

img0 

img0 

شکل­3. جزییات مدلسازی و نتایج مربوط به شبیه­سازی رایانه­ای عملکرد حراراتی نمای آجری با اتصال خشک و تر، نمای سنگی با اتصال خشک و تر و نمای سرامیک با اتصال تر، نمای سیمانی، کامپوزیت، پانل سیمانی، پانل سنگی و سرامیکی با اتصال خشک

Figure 3. The details of modeling and the results of simulations of thermal performance of brick, stone, composite panel, cement panel, stone panel and ceramic facade with dry and wet joint.

 

بحث

در ادامه با توجه به نتایج حاصل از شبیه­سازی رایانه ای، عملکرد حرارتی 13 نوع نمای مورد بررسی با توجه به بار سرمایشی، بار گرمایشی و مجموع بار مصرف انرژی سالانه ارائه شده و نماها و نحوه­ی اجرای بهینه نما با توجه به ایجاد کمترین بارگرمایشی و سرمایشی در ساختمان، اولویت­بندی شده است. شکل4، مقایسه انرژی مصرفی در ساختمان­های رو به جنوب، شکل5، مقایسه انرژی مصرفی در ساختمان­های رو به شمال، شکل6، مقایسه انرژی مصرفی در ساختمان­های رو به غرب و شکل7، مقایسه انرژی مصرفی در ساختمان­های رو به شرق با انواع مختلف نماسازی را نشان می­دهند. مقادیر نشان داده شده در شکل بر حسب گیگا ژول می­باشد (1GJ = 77777778/277 kWh). در واحد­های رو به جنوب، به ترتیب، کمترین بار گرمایشی مربوط به نمای آجری با روش اتصال خشک، پانل­های بتنی با روش اتصال خشک و نمای آجری با روش اتصال چسبیده می­باشد و نماهای سنگی با روش اتصال چسبیده بدترین عملکرد را دارد و بعد از آن نماهای سیمانی و نمای سرامیک با روش اتصال چسبیده عملکرد حرارتی نا­مناسبی دارند. نحوه­ی اتصال و جرای نما تاثیر قابل توجهی در بار گرمایشی ساختمان دارد. نتایج شبیه­سازی نشان می­دهد که در نماهای با مصالح یکسان، اجرای نما با اتصال خشک تا %12 در بار گرمایشی و 5/3 تا 5/7% در بار سرمایشی ساختمان­های رو به جنوب صرفه­جویی ایجاد می­کند. کمترین بار سرمایشی مربوط به پانل­های بتنی با روش اتصال خشک و نمای سنگ با رنگ روشن با روش اتصال چسبیده می­باشد و نماهای سیمانی بدترین عملکرد را دارد و بعد از آن نماهای سرامیکی، سنگی و آجری با روش اتصال چسبیده عملکرد حرارتی نامناسبی دارند. کمترین بار کلی انرژی مربوط به نمای آجری با روش اتصال خشک، پانل های بتنی با روش اتصال خشک و نماهای سنگی با روش اتصال خشک می­باشد. نماهای سیمانی بدترین عملکرد را دارد و بعد از آن نماهای سرامیکی، سنگی و آجری با روش اتصال چسبیده عملکرد حرارتی نا­مناسبی دارند. نمای کامپوزیت فلزی که عملکرد بهتری از نماهای سنگی، سرامیکی و آجری با روش اتصال چسبیده دارد ولی عملکرد همین نماها با روش اتصال خشک بهتر از نماهای کامپوزیت فلزی است.

img0 

شکل4. مقایسه انرژی مصرفی در ساختمان­های رو به جنوب با انواع مختلف نماسازی.

Figure 4. The comparison of energy consumption in south-facing buildings with different facades.

 

img0 

شکل5. مقایسه انرژی مصرفی در ساختمان­های رو به شمال با انواع مختلف نماسازی.

Figure 5. The comparison of energy consumption in north-facing buildings with different facades.

در واحدهای رو به شمال نماهای آجری با روش اتصال خشک، پانل­های بتنی با روش اتصال خشک و نمای سنگ ماسه سنگی با روش اتصال خشک به ترتیب کمترین بار گرمایشی و نمای سیمانی، نماهای سنگی با روش اتصال چسبیده، نمای سرامیک با روش اتصال چسبیده، نمای آجری با روش اتصال چسبیده و نمای کامپوزیت فلزی بیشترین به ترتیب بار گرمایشی را داشته اند. در نماهای با مصالح یکسان، اجرای نما با اتصال خشک 12تا 13% درصد در نمای شمال نسبت به اجرای نما به صورت چسبیده و با ملات، در بار گرمایشی و 5/3 تا 5/4% در بار سرمایشی ساختمان صرفه جویی ایجاد می­کند. در واحدهای رو به شمال کمترین بار سرمایشی مربوط به پانل­های بتنی با روش اتصال خشک و نمای سنگ با رنگ روشن با روش اتصال چسبیده می­باشد و نماهای سیمانی بدترین عملکرد را دارد و بعد از آن نماهای سرامیکی، سنگی و آجری با روش اتصال چسبیده عملکرد حرارتی نا­مناسبی دارند. کمترین بار کلی انرژی مربوط به واحد­های با نمای آجری با روش اتصال خشک، پانل­های بتنی با روش اتصال خشک و نماهای سنگی با روش اتصال خشک می­باشد. نماهای سیمانی بدترین عملکرد را دارد و بعد از آن نماهای سرامیکی، سنگی و آجری با روش اتصال چسبیده عملکرد حرارتی نا­مناسبی دارند. نمای کامپوزیت فلزی عملکرد بهتری از نماهای سنگی، سرامیکی و آجری با روش اتصال چسبیده دارد ولی عملکرد همین نماها با روش اتصال خشک بهتر از نماهای کامپوزیت فلزی است.

img0 

شکل6. مقایسه انرژی مصرفی در ساختمان­های رو به غرب با انواع مختلف نماسازی.

Figure 6. The comparison of energy consumption in west-facing buildings with different facades.

 

img0 

شکل7. مقایسه انرژی مصرفی در ساختمان­های رو به غرب با انواع مختلف نماسازی.

 Figure 7. The comparison of energy consumption in east-facing buildings with different facades.

 

بهترین جنس نما به منظور کاهش بار گرمایشی ساختمان در واحد­ها و جداره های رو به غرب، نماهای آجری با روش اتصال خشک و پانل­های بتنی با روش اتصال خشک می­باشد. در این رابطه نامناسب ترین نما، نمای سیمانی می­باشد.

نتایج شبیه­سازی نشان می­دهد که در نماهای با مصالح یکسان، اجرای نما با اتصال خشک تا 14 درصد در نماهای غربی نسبت به اجرای نما به صورت چسبیده و با ملات، در بار گرمایشی و 5/3 تا 7% در بار سرمایشی ساختمان صرفه جویی ایجاد می­کند. بهترین جنس نما به منظور کاهش بار سرمایشی ساختمان در واحد­ها و جداره­های رو به غرب، نمای پانل بتنی و نماهای سنگی با رنگ روشن (مانند سنگ مرمری) با روش اتصال خشک می­باشد. در این رابطه نامناسب ترین نما، نمای سیمانی است. بهترین جنس نما به منظور کاهش بار کلی انرژی ساختمان در واحد­ها و جداره­های رو به غرب، پانل­های بتنی با روش اتصال خشک، نمای آجری با روش اتصال خشک و نماهای سنگی با روش اتصال خشک می­باشند. در این رابطه نامناسب­ترین نما، نمای سیمانی و نماهای سنگی و سیمانی با روش اتصال با ملات می­باشد. در واحدهای رو به شرق نمای آجری با روش اتصال خشک، پانل­های بتنی با روش اتصال خشک و نمای سنگ ماسه سنگی با روش اتصال خشک به ترتیب کمترین بار گرمایشی و نماهای سنگی با روش اتصال چسبیده، نمای سیمانی، نمای سرامیک با روش اتصال چسبیده، نمای آجری با روش اتصال چسبیده و نمای کامپوزیت فلزی به ترتیب بیشترین بار گرمایشی را دارند. اجرای نما با اتصال خشک تا 14% در نماهای شرقی نسبت به اجرای نما به صورت چسبیده و با ملات، در بار گرمایشی و 4 تا 7% در بار سرمایشی ساختمان صرفه­جویی ایجاد می کند. در واحد­های رو به شرق، به ترتیب، کمترین بار سرمایشی مربوط به پانل های بتنی با روش اتصال خشک و نمای سنگ با رنگ روشن با روش اتصال چسبیده می­باشد و نماهای سیمانی بدترین عملکرد را دارد و بعد از آن نماهای سرامیکی، سنگی و آجری با روش اتصال چسبیده عملکرد حرارتی نا­مناسبی دارند. در واحدهای رو به شرق ترتیب نماها در کاهش بار کلی انرژی ساختمان، نمای آجری با روش اتصال خشک، نماهای سنگی با روش اتصال خشک، نمای سرامیک با روش اتصال خشک و پانل های بتنی با روش اتصال خشک می­باشد. میزان مصرف انرژی نماهای سنگی، سرامیکی و بتنی با روش اتصال خشک در واحد های رو به شرق به هم نزدیک است. در این واحد­ها نماهای سیمانی، سرامیک و سنگ با روش اتصال چسبیده به ترتیب بدترین عملکرد را دارند. با توجه به نتایج ارائه شده در شکل5 تا 8، در واحد­های رو به غرب، به طور کلی بار گرمایشی ساختمان تا 8 درصد بیشتر از بار سرمایشی آن می­باشد با این وجود در واحد­های با نمای آجری با روش اتصال خشک بار سرمایشی بیشتر از بار گرمایشی بوده است. در واحد­های رو به جنوب، در تمامی نماها بار گرمایشی ساختمان 11 تا 30 درصد کمتر از بار سرمایشی آن می­باشد. در واحد­های رو به شمال، به طور کلی بار گرمایشی ساختمان 15 تا 26 درصد بیشتر از بار سرمایشی آن می­باشد. در واحد­های رو به شرق، به طور کلی بار گرمایشی ساختمان تا 20 درصد کمتر از بار سرمایشی آن می­باشد. تنها در نماهای سیمانی بار سرمایشی اندکی کمتر از گرمایشی است. شکل8، مقایسه نسبت بار گرمایشی به سرمایشی در نماهای مختلف را نشان می­دهد.

C:\Users\Asus\Desktop\مقایسه.jpg 

شکل8. مقایسه نسبت بار گرمایشی به سرمایشی در نماهای مختلف.

Figure 8. The comparison of heating to cooling building energy consumption in different facades orientations.

نتایج شبیه­سازی در نماهای مختلف نشان می­دهد که به طور کلی، بار گرمایشی ساختمان در واحد شمالی 30 تا40 % در نماهای مختلف بیشتر از واحد جنوبی می­باشد. این درصد در واحد­های غربی 20 تا 25 درصد و در واحد­های شرقی 19 تا 22% بیشتر از واحد جنوبی است. بنابر این بهترین جهت­گیری ساختمان در شهر تهران جهت کاهش بار گرمایشی ساختمان به ترتیب واحد­های رو به جنوب، شرق، غرب و شمالی می­باشد. سرمایشی ساختمان در واحد جنوبی کمتر از سایر جهات است. در واحد­های رو به شمال با توجه به نوع نما بار سرمایشی ساختمان 5/0 تا 5/7 درصد در نماهای مختلف بیشتر از واحد جنوبی می­باشد. این درصد در واحد­های غربی 5/6 تا 7% و در واحد­های شرقی 5/10 تا 11% بیشتر از واحد جنوبی است. بنابر این بهترین جهت­گیری ساختمان در شهر تهران جهت کاهش بار سرمایشی ساختمان به ترتیب واحد­های رو به جنوب، شمال، غرب و شرقی می­باشد. در واحد­های رو به شمال با توجه به نوع نما مجموع بار سرمایشی و گرمایشی ساختمان 18 تا20% در نماهای مختلف بیشتر از واحد جنوبی می­باشد. این درصد در واحد­های غربی 15 تا 17% و در واحد­های شرقی حدود 16% بیشتر از واحد جنوبی است. بنابر این بهترین جهت­گیری ساختمان در شهر تهران جهت کاهش مصرف انرژی در ساختمان به ترتیب واحد­های رو به جنوب، شرقی، غربی و شمالی می­باشد. شکل9، مقایسه جداگانه بار گرمایشی، سرمایشی و مجموع بار سرمایشی و گرمایشی در نماهای مختلف را نشان می­دهد. در این رابطه در نظر گرفتن ضریب انتقال انرژی متفاوت و متناسب در نماهای رو به جهت­های مختلف ضروری می­باشد.

مقایسه بار گرمایشیمقایسه بار سرمایشیمجموع بار گرمیشی و سرمایشی 

شکل9. مقایسه جداگانه بار گرمایشی، سرمایشی و مجموع بار سرمایشی و گرمایشی در نماهای مختلف.

Figure 8. The separate comparison of annual heating, cooling and total cooling and heating energy consumption in different facades orientations.

نتیجه گیری

نتایج این پژوهش که به منظور انتخاب جنس و نحوه اجرای مصالح مناسب در نمای ساختمان­های مسکونی در تهران، درمیان مصالح متداول و نیز ارزیابی تاثیر جهت­گیری ساختمان بر میزان بار سرمایشی و گرمایشی در ساختمان­های مسکونی انجام شده است، نشان می­دهد که بار گرمایشی ساختمان­های مسکونی در تهران نسبت به بار سرمایشی در واحدهای غربی و شمالی و بار سرمایشی ساختمان نسبت به بار گرمایشی در واحد­های جنوبی و شرقی بیشتر است. این موضوع می­تواند در انتخاب جهت­گیری ساختمان­ها با توجه به نوع کاربری آن (برای مثال کاربری­هایی که بیشتر در روز فعال هستند و در بیشتر زمان­ها انرژی گرمایشی کمتری نسبت به کاربری­هایی که شبانه روز فعال هستند نیاز دارند) تاثیر­گذار باشد. در این رابطه بار گرمایشی در واحد­های رو به غرب، 8% و در واحد­های رو به شمال 15 تا 26% بیشتر از بار سرمایشی آن می­باشد. در واحد­های رو به جنوب، بار گرمایشی ساختمان 11 تا 30% و در واحد­های رو به شرق، بار گرمایشی ساختمان تا 20% کمتر از بار سرمایشی آن می­باشد. مقایسه بار گرمایشی در واحدهای جنوبی، شمالی، شرقی و غربی نشان می­دهد که بهترین جهت­گیری ساختمان در شهر تهران جهت کاهش بار گرمایشی ساختمان به ترتیب واحد­های رو به جنوب، شرق (19 تا 22% بیشتر از واحد جنوبی)، غرب (20 تا 25% بیشتر از واحد­های جنوبی) و شمالی (30 تا 40% در نماهای مختلف بیشتر از واحد جنوبی) می­باشد. بهترین جهت­گیری ساختمان در شهر تهران جهت کاهش بار سرمایشی ساختمان به ترتیب واحد­های رو به جنوب، شمال (0.5 تا 5/7%در نماهای مختلف بیشتر از واحد جنوبی)، غرب (5/6 تا 7% بیشتر از واحد جنوبی) و شرقی (5/10 تا 11% بیشتر از واحد جنوبی) می­باشد. به طور کلی (مجموع بار سرمایش و گرمایش) بهترین جهت­گیری ساختمان در شهر تهران جهت کاهش مصرف انرژی در ساختمان به ترتیب واحد­های رو به جنوب، شرقی (حدود 16% بیشتر از واحد جنوبی)، غربی (15 تا 17% بیشتر از واحد­های جنوبی) و شمالی (18 تا 20% در نماهای مختلف بیشتر از واحد جنوبی) می باشد. اولیت­های انتخاب مصالح نما و نحوه اجرا در نماهای جنوبی با توجه به کاهش مجموع بار سرمایشی و گرمایشی ساختمان، نمای آجری با روش اتصال خشک، پانل­های بتنی با روش اتصال خشک و نماهای سنگی با روش اتصال خشک می­باشد. در واحد­های رو به شمال، این ترتیب شامل نمای آجری با روش اتصال خشک، پانل­های بتنی با روش اتصال خشک و نماهای سنگی با روش اتصال خشک می­باشد. بهترین جنس نما به منظور کاهش بار کلی انرژی ساختمان در واحد­ها و جداره­های رو به غرب، پانل­های بتنی با روش اتصال خشک، نمای آجری با روش اتصال خشک نماهای سنگی با روش اتصال خشک می­باشد. در واحدهای رو به شرق ترتیب نماها در کاهش بار کلی انرژی ساختمان، نمای آجری با روش اتصال خشک، نماهای سنگی با روش اتصال خشک، نمای سرامیک با روش اتصال خشک و پانل­های بتنی با روش اتصال خشک می­باشد.

نقش نویسنده­گان

بررسی ادبیات، تعریف مسئله، سوالات و اهداف، روش تحقیق، مدلسازی و شبیه­سازی و تفسیر نتایج، تدوین و نگارش مقاله توسط نویسنده، امین اله احدی، انجام شده است.

تقدیر و تشکر

از نظرات سازنده داوران مقاله و روند پیوسته پذیرش تا چاپ مقاله که توسط تحریریه نشریه هویت شهر صورت گرفت، کمال تشکر و قدردانی را دارم.

تعارض منافع نویسندگان

نویسندگان به­طورکامل از اخلاق نشر تبعیت کرده و از هرگونه سرقت ادبی، سوء رفتار، جعل داده‏ها و یا ارسال و انتشار دوگانه، پرهیز نموده‏اند و منافعی تجاری در این راستا وجود ندارد و نویسندگان در قبال ارائه اثر خود وجهی دریافت ننموده‏اند 

 

فهرست مراجع

1.       امیری فرد، رضا؛ ثقفی, محمودرضا؛ و طاهباز، منصوره. (1399). بررسی تأثیر هم زمان درصد سطوح شفاف نما و جهت­گیری بنا بر میزان مصرف انرژی مدارس در اقلیم معتدل و مرطوب ایران. صفه، 30(4)، 49-65. https://soffeh.sbu.ac.ir/article_100562.html

2.       ذوالفقاری، سید علیرضا؛ سعادتی نسب، مهران؛ و نوروزی، الهه. (1393). ارزیابی میزان تأثیر نمای خارجی ساختمان بر مصرف انرژی سالانه در اقلیم­های مختلف ایران. انرژی ایران، ۱۷(۴)، 45-51.  http://necjournals.ir/article-1-589-fa.html

3.       ذولفقاری، سید علیرضا. (1393). واکاوی الزامات و قیود بهینه­سازی مصرف انرژی در ساختمان. انرژی­های تجدید پذیر و نو، 1(1)، 12-23. https://www.magiran.com/paper/1307489

4.       سازمان برنامه و بودجه ایران. (1395). دستورالعمل طراحی سازه اي و الزامات و ضوابط عملکردي و اجرایی نماي خارجی ساختمان­ها ضابطه شماره 714. تهران: سازمان مجري ساختمان­هاي دولتی و عمومی معاونت برنامه ریزي و مهندسی.

5.       شریفی، مهدی؛ و قبادیان، وحید. (1396). بررسی تاثير خصوصيات فيزيکی پوسته­های ساختمان­ها بر زمان تاخير و ضريب کاهش انتقال حرارت (نمونه­ی موردی: ساختمان­های بلند مرتبه­ی شهر همدان). علوم و تکنولوژی محيط زيست. 19(4)،167-178. https://jest.srbiau.ac.ir/article_10720.html

6.       کریم پور، علیرضا؛ دیبا، داراب؛ و اعتصام، ایرج. (1398). تحلیل­های اقتصادی و ارزیابی میزان مصرف انرژی بر اساس نوع و نسبت پنجره­ها با استفاده از مدل­های شبیه­سازی (مورد مطالعه: یک واحد مسکونی نمونه در شهر تهران). هویت شهر. 13(3), 19-34. https://hoviatshahr.srbiau.ac.ir/article_14924.html

7.       کسمائی، مرتضی. (1391). اقلیم و معماری. تهران: شرکت سرمایه­گذاری خانه سازی ایران.

8.       محمد، شقایق. (1392). مطالعه رفتار حرارتی مصالح رایج در ساخت دیوار (مطالعه موردی: ساختمان­های مسکونی شهر تهران). معماری و شهرسازی (هنرهای زیبا). 18(1), 69-78. https://jfaup.ut.ac.ir/article_36358.html

9.       مداحی، سید مهدی؛ و توانائی، فهیمه. (1398). بهینه سازی عملکرد حرارتی جداره­های خارجی یک ساختمان مسکونی میان مرتبه در اقلیم سرد و خشک با بهره­گیری از نرم افزار شبیه­ساز انرژی (نمونۀ موردی: شهر مشهد). مهندسی و مدیریت انرژی. 9(3)، 108-121. https://energy.kashanu.ac.ir/article-1-1086-fa.html

10.       وزارت نیرو. (1392). ترازنامه انرژی ایران سال 1391. تهران: معاونت امور برق و انرژي. دفتر برنامه‌ریزی كلان برق و انرژي.

11.       وزارت نیرو. (1399). ترازنامه انرژی ایران سال 1397. تهران: معاونت امور برق و انرژي. دفتر برنامه‌ریزی كلان برق و انرژي.

12.       Abanda, F.H., & Byers, L. (2016). An investigation of the impact of building orientation on energy consumption in a domestic building using emerging BIM (Building Information Modelling). Energy, 97(c), 517-527.. DOI: 10.1016/j.energy.2015.12.135

13.       Abba, H. Y., Majid, R. A., Ahmed, M. H., & Ayegbusi, O. G. (2022). Validation of Design builder Simulation Accuracy Using Field Measured Data of Indoor Air Temperature in A Classroom Building. Journal of Tourism Hospitality and Environment Management, 7 (27), 171-178. http://www.jthem.com/PDF/JTHEM-2022-27-03-14.pdf

14.       Albatayneh, A., Alterman, D., Page, A., & Moghtaderi, B. (2018). The Significance of the Orientation on the Overall buildings Thermal Performance-Case Study in Australia. Energy Procedia, 152, 377-372. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2018.09.159

15.       Balali, A., & Valipour, A. (2020). Identification and selection of building façade's smart materials according to sustainable development goals. Sustainable Materials and Technologies, 26(4), 213-224. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2020.e00213

16.       Eskin. N., & Turkmen. H. (2008). Analysis of Annual Heating and Cooling Energy Requirements for Office Buildings in Different Climates in Turkey. Journal of Energy and Building, 40(5), 763-773. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2007.05.008

17.       Fathalian, A., & Kargarsharifabad, H. (2018). Actual validation of energy simulation and investigation of energy management strategies (Case Study: An office building in Semnan, Iran). Case Studies in Thermal Engineering, 12, 510-516. https://doi.org/10.1016/j.csite.2018.06.007

18.       Jalali, S., Parapari, D. M., & Mahdavinejad, M. J. (2019). Analysis of Building Facade Materials Usage Pattern in Tehran. Advanced Engineering Forum, 31, 46–62. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AEF.31.46

19.       Jamal Jalal, Sh., & Bani, R. (2017). Orientation modeling of high-rise buildings for optimizing exposure/transfer of insolation, case study of Sulaimani, Iraq. Energy for Sustainable Development, 41, 157–164. DOI:10.1016/j.esd.2017.09.003

20.       Karimimoshaver, M., & Samadpour Shahrak, M. (2022). The effect of height and orientation of buildings on thermal comfort. Sustainable Cities and Society, 79, 103-117. https://doi.org/10.1016/j.scs.2022.103720

21.       Lixing, G. (2007). Airflow Network Modeling in EnergyPlus. Conference Proceedings 10th International Building Performance Simulation Association Conference and Exhibition on September 3-6, in Beijing, China.

22.       Lobaccaro, G., Fiorito, F., Masera, G., & Poli, T. (2012). District geometry simulation: a study for the optimization of solar facaded in urban canopy layers. Energy Procedia, 30, 1163-1172. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2012.11.129

23.       Neto. Av., & Fiorelli. F. (2008). Comparison between detailed model simulation and artificial neural network for forecasting building energy consumption. Journal of Energy and Building, 40(12), 2169-2176. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2008.06.013

24.       Renuka, S.M., Maharani, C.M., Nagasudha,S., & Raveena Priya, R. (2022). Optimization of energy consumption based on orientation and location of the building. Materials Today: Proceedings, 65(2), 527-536. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.03.081

25.       Saleem, M., Chhipi-Shrestha, G., Barbosa Andrade, M., Dyck, R., Ruparathna, R, Hewage, K., & Sadiq, R. (2018). Life Cycle Thinking–Based Selection of Building Facades. Journal of Architectural Engineering, 24(4), 1-13. DOI:10.1061/(ASCE)AE.1943-5568.0000333

26.       Susorova, I., Angulo, M., Bahrami, P., & Stephens, B. (2013). A model of vegetated exterior facades for evaluation of wall thermal performance. Building and Environment, 67, 1-13. DOI:10.1016/j.buildenv.2013.04.027

27.       Tokbolat, S., Karaca, F., Durdyev, S., & Calay, RK. (2020). Construction professionals’ perspectives on drivers and barriers of sustainable construction. Environ Dev Sustain, 22, 4361–4378. https://doi.org/10.1007/s10668-019-00388-3

28.       Wonorahardjo, S., Sutjahja, I., Mardiyati, Y., Andoni, H., Amalia Achsani, R., Steven, S., Thomas, D., Tunçbilek, E., Arıcı, M., Rahmah, N., & Tedja, S. (2022). Effect of different building façade systems on thermal comfort and urban heat island phenomenon: An experimental analysis. Building and Environment, 217, 109-113. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.109063


 

The Assessment of Role of Orientation, Type of Materials and Facade Construction Details on the Energy Consumption of Residential Buildings in Tehran

Amin alah Ahadi, Assistant Professor, Department of Architecture, College of Architecture, Parand Branch, Islamic Azad University, Parand, Iran.

 

Abstract:

 

In this research, focusing on the East, West and South regions of Tehran, the cooling and heating load in residential buildings in different geographical directions has been compared, and concerning the building façade material and construction details, optimal choices have been proposed. This study answers these questions, which of the typical façade materials and construction detail in Tehran city have the best performance in reducing the energy consumption of residential buildings, and what is the effect of facade direction on heating and cooling energy consumption of residential buildings. For this purpose, the simulation tool has been utilized using Energy plus software with a design-builder interface for thermal analysis. The results of this study show that the heating load of residential buildings in Tehran is higher than the cooling load in the western and northern units and the cooling load of the building is higher than the heating load in the southern and eastern units. In this regard, the heating load in the west facing units is 8%, and in the north units, it is 15 to 26% more than the cooling load. In south-facing units, the heating load of the building is 11 to 30%, and in east-facing units, the heating load of the building is up to 20% less than the cooling load. Comparison of heating load in southern, northern, eastern and western units shows that the best orientation of the building in Tehran to reduce the heating load of the building are respectively south-facing, east-facing (19 to 22% more than the southern unit), west-facing (20 to 25% more than southern units) and north-facing (30 to 40% more than southern units). The best orientation of the building in Tehran to reduce the cooling load of the building are the units facing south, north (0.5 to 7.5% more than the southern unit), west (6.5 to 7% more than the southern unit) and east (10.5 more than the southern unit) respectively. Regarding total cooling and heating load, the best orientation of the building in Tehran to reduce energy consumption are respectively south and then east facing units (about 16% more than southern units), west (15 to 17% more than southern units) and north (18 to 20% more in different views than southern units). The priorities of selection of facade materials and construction details in southern facades are brick facades with dry connection method, concrete panels with dry connection method and stone facades with dry connection method. In north-facing units, this arrangement includes a brick facade with a dry connection method, concrete panels with a dry connection method and stone facades with a dry connection method. In the west facing units, concrete panels with dry connection method, brick facades with dry connection method, and stone facades with dry connection method are the best. In the east facing units, brick facades with dry connection method, stone facades with dry connection method, ceramic facades with dry connection method and concrete panels with dry connection method have better performance in reducing the energy consumption of the building.

 

 

 

 

Keywords: Residential buildings, Buildings envelop, Saving energy consumption, Tehran City

 

 

 

 

* Corresponding author Email: a.ahadi@piau.ac.ir  ahadi6688@yahoo.com

 

 


Related articles

The rights to this website are owned by the Raimag Press Management System.
Copyright © 2021-2024

Home| Login| About Us| Contact Us|
[فارسی] [العربية] [fa] [ar]