Urban policy to optimize energy consumption with regard to natural ventilation (Case study: optimal orientation of residential buildings based on the angles included in the detailed plan of Shiraz city)

Subject Areas : Architecture

Tahereh Nasr ¹ , Arash Bostanian ²

1 - Associate Professor, Faculty of Art and Architecture, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran.
2 - Ph.D. Student in Architecture, Faculty of Art and Architecture, Shiraz Branch, Islamic Azad University, Shiraz, Iran

Received: 2023-09-02 Accepted : 2023-12-09 Published : 2023-11-22

Keywords: Shiraz City, Natural Ventilation, Optimizing Energy Consumption, urban policy, Residential building, Building Orientation,

Abstract :

In recent decades, urban policy-making has been raised as a significant and scientific topic in major cities of the world, and it has received several attentions from urban studies. One of the topics that is not paid attention to in climate approaches, especially in sustainable architecture, is the consideration of solar energy in buildings, but a lot of attention to solar energy has unfortunately caused that to some extent other renewable energies such as Wind energy and its significant impact on natural ventilation are passively neglected. Paying attention to this case can be taken into consideration by the officials in order to pay attention to the optimization of energy consumption in urban policy making. One of the effective solutions in this field is the use of natural ventilation in residential buildings, determining a suitable direction for creating blinds and receiving wind with positive pressure and benefiting from this influential climatic element in the interior spaces of the building. In this research, an attempt was made to investigate and simulate natural ventilation conditions in residential buildings in Shiraz using Vasari energy simulation software, and parameters such as wind speed, wind direction, wind temperature, and other influencing factors were investigated. and be analyzed. According to the results of the simulation and examination of the twenty-year average of the climatic indicators of Shiraz city, it can be said that if the issues related to natural ventilation and the creation of blinds in the building are considered and the optimal orientation angle can be obtained from solar energy and Also, use wind energy to reduce the load on the building's mechanical facilities throughout the year. that the optimization of energy consumption has been done and in the scale of residential buildings in the metropolis of Shiraz, it can lead to the reduction of fossil fuel consumption to a significant extent.

Full-Text:



سیاستگذاری شهری برای بهینه‌سازی مصرف انرژی با توجه به تهویه طبیعی

 (موردکاوی: جهت‌گیری بهینه ساختمان‌های مسکونی بر اساس زوایای مندرج در طرح تفصیلی شهر شیراز)

 

چکیده: در چند دهه ی اخیر سیاستگذاری شهری به عنوان مبحثی قابل توجه و علمی در شهر های بزرگ جهان مطرح و بخش قابل توجه ای از مطالعات شهری را به خود اختصاص داده است. یکی از مباحثی که امروزه در رویکردهای اقلیمی علی‌الخصوص در معماری پایدار به آن توجه نمی‌شود در نظر گرفتن انرژی خورشید در ساختمان می‌باشد، اما توجه بسیار زیاد به به انرژی خورشید متاسفانه باعث شده که تا حدودی از دیگر انرژی‌های تجدیدپذیر چون انرژی باد و تأثیر قابل توجه آن در تهویه طبیعی به صورت غیرفعال غفلت شود. توجه به این مورد می‌تواند در راستای توجه به بهینه‌سازی مصرف انرژی در سیاستگذاری شهری مدنظر مسئولان قرار گیرد. یکی از راهکارهای مؤثر در این زمینه استفاده از تهویه طبیعی در ساختمان‌های مسکونی، تعیین جهتی مناسب برای ایجاد کوران و دریافت مناسب باد با فشار مثبت و بهره‌مندی از این عنصر تأثیرگذار اقلیمی در فضاهای داخلی ساختمان است. در این پژوهش کوشش گردیده تا شرایط تهویه طبیعی در ساختمان‌های مسکونی در شهر شیراز با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌سازی انرژی واساری بررسی و شبیه‌سازی شده، و پارامترهایی چون سرعت، جهت باد، میزان دمای باد و دیگر عوامل تأثیرگذار مورد بررسی و تحلیل قرار گیرد. با توجه به نتایج شبیه‌سازی و بررسی میانگین بیست ساله‌ی شاخص‌های اقلیمی شهر شیراز، می‌توان گفت در صورتی که مسائل مربوط به تهویه طبیعی و ایجاد کوران در ساختمان مد نظر قرار گیرد و زاویه بهینه جهت‌گیری که هم بتوان از انرژی خورشیدی و همچنین از انرژی باد بهره گیرد تا میزان بار تأسیسات مکانیکی ساختمان در طول سال کم شود. که بهینه‌سازی مصرف انرژی صورت گرفته است و در مقیاس ساختمان‌های مسکونی کلان‌شهر شیراز می‌توان منجر به کم‌شدن مصرف سوخت‌های فسیلی به میزان قابل توجهی گردد.

 

 

واژگان کلیدی: سیاستگذاری شهری، بهینه سازی مصرف انرژی، تهویه طبیعی، جهت گیری ساختمان، ساختمان مسکونی، شهر شیراز

 

مقدمه

بر اساس آمار آژانس بین‌المللی انرژی، در طی بیست سال گذشته میزان تولید انرژی اولیه 49 درصد و انتشار دی اکسید کربن نیز افزایش داشته است. به علاوه 30 تا 40 درصد از مجموع انرژی مصرفی در کشورهای توسعه‌یافته مربوط به بخش ساختمان‌های مسکونی و اداری می‌باشد. از طرف دیگر افزایش جمعیت، تعداد ساختمان‌های مسكونی و بالا رفتن تقاضای مصرف انرژی سبب افزایش اهمیت این موضوع شده است. چرا که تأمین انرژی مورد نیاز کاربران حائز اهمیت است. از طرفی دیگر تهویه طبیعی راهکاری غیرفعال است که با مصرف هزینه‌ای کم بر اساس پتانسیل‌های دمایی و میزان وزش باد منطقه برای بهبود آسایش حرارتی و کیفیت هوای داخل ساختمان به ویژه در اقلیم گرم استفاده می‌شود. امروزه به خاطر تغییرات آب و هوایی به وجود آمده، استفاده از سیستم‌های تهویه مطبوع برای تأمین آسایش حرارتی در حال افزایش است. از این رو تکنیک‌های سرمایش غیرفعال جایگزینی بسیار مناسب برای سیستم‌های تهویه مطبوع در ساختمان‌ها می‌باشد. همچنین بهره‌مندی از تهویه طبیعی در سیستم‌های سرمایشی تابع دمای محیط است به طوری که افزایش این عامل سبب کاهش بهره‌مندی از این نوع سیستم‌ها به ویژه در طی ماه‌های گرم سال می‌شود (Neshat Safavi and Eghbali, 2021). استفاده روزافزون از سیستم‌های تهویه مطبوع برقی جهت سرمایش فضای مسکونی باعث افزایش تقاضای انرژی شده است. اگر چه سعی شده با به‌کارگیری انرژی بهینه و ساخت تجهیزات با مصرف انرژی کمتر این روند تعدیل گردد. در ایران نیز بیشترین مصرف انرژی مربوط به بخش ساختمان می‌باشد. حدود 40 درصد انرژی مصرف‌شده در کشور در بخش ساختمان است. بر طبق آمارها، در بخش ساختمان به تنهایی مصرف انرژی 2.5 تا 4 برابر استانداردهای جهانی گزارش شده است. در چنین شرایطی پیش‌بینی می‌شود اگر الگوی مصرف انرژی در بخش مسکونی و تجاری اصلاح نشود و روند فعلی ادامه یابد، علاوه بر تبعات زیست‌محیطی بحران‌های بسیار جدی در بخش امنیت انرژی و اقتصاد کشور را می‌توان شاهد بود. در سال‌های اخیر، تلاش مشترک برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای در سراسر جهان ایجاد شده که در این راستا کاهش مصرف انرژی باید در نظر باشد. ساختمان، به عنوان یکی از بزرگترین مصرف‌کنندگان برق، می‌تواند سهم قابل توجهی در حفاظت از انرژی و همچنین حذف آلاینده‌ها از طریق طراحی ماهرانه ساختمان داشته باشد. تهویه طبیعی به عنوان یک استراتژی غیرفعال مؤثر برای سرمایش و کاهش مصرف انرژی ساختمان‌ها مورد توجه قرار گرفته است. از آنجا که تهویه طبیعی هیچ سوخت فسیلی را مصرف نمی‌کند، می‌تواند میزان انتشار گاز دی‌اکسیدکربن را به طور قابل توجهی کاهش دهد در حالی که کیفیت هوای داخلی حفظ می‌شود (Moghadam Ziyabari and Mozafari, 2018). تهویه طبیعی یک جایگزین کارآمد برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان به حساب می‌آید و بسیار توصیه می‌شود. چنانکه هزینه انرژی یک ساختمان با تهویه طبیعی مناسب، 40 درصد کمتر از یک ساختمان با تهویه مطبوع است (Rahaei and Azemati, 2020). تهویه طبیعی در معماری بومی گذشته ایران اتفاقی غریب نیست، معماران سنتی به گونه‌ای تجربی به این مهم دست یافته بودند. تأثیر این ساختمان‌ها چه از بعد تعویض هوا و معیار سلامت و چه از جنبه سرمایش ایستا بر آسایش ساکنین قابل توجه بوده است. جریان هوا در بنا باعث تبادل حرارت بین بدن و محیط می‌شود و بنابراین تأثیر فراوانی بر احساس آسایش حرارتی دارد (پسران و همکاران، 1398). استفاده از باد در مسکن بومی سبب صرفه‌جویی در مصرف سوخت و مهم‌تر از آن ارتقای کیفیت آسایش و بهداشت محیط‌های مسکونی و سالم‌سازی محیط زیست می‌شود (Memarian, Mohammadmoradi  Hosseianlipour and Heidari, 2017). بنابراین سیاستگذاران شهری باید به تهویه طبیعی به عنوان یک راهکار بهینه و تأثیرگذار در بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان توجه نمایند. از این رو سوال اصلی را چنین می توان بیان کرد، که چگونه به بهینه ترین جهت گیری ساختمان در راستای بهره وری هر چه بهتر از تهویه طبیعی با توجه به جهت گیری های مجاز ساختمان در طرح تفصیلی شهر شیراز می توان دست یافت.

 

 

پیشنیه تحقیق

در ســال‌های اخیر پژوهش‌های بسیاری در زمینه آسایش حرارتی در فضاهای مختلف بســته و باز و نیمه بــاز با کاربری‌های مختلف و تحت شــرایط متفاوت تهویه مطبوع، تهویه طبیعی و هیبریدی انجام شده است (Vakilinezhad and Shaeri, 2020). با بررسی دقیق و شبیه‌سازی رایانه‌ای به وضوح دریافت می‌شود که سیستم‌های تهویه سنتی همچون بادگیرها نکات قابل توجه بسیاری دارند که می‌توان از تکنیک‌هایی که برای ایجاد کوران و افزایش سرعت باد و در نتیجه تهویه بهتر در این بادگیرها استفاده شده در طراحی معماری بناهای امروزی نیز استفاده کرد (Hojati and saedvandi, 2021:27). طبق تعریف اشر آسایش حرارتی، شرایط ذهنی است که میزان رضایت افراد از محیط را بیان می‌کند. دو رویکرد اصلی در مطالعات آسایش حرارتی: 1- مدل کلاسیک و ایستا معرفی شده توسط فانگر (1970) که بر اساس تعادل حرارتی بدن در شرایط آزمایشگاهی می‌باشد. 2- رویکرد تطبیقی بر اساس مطالعات میدانی که در آن افراد در دنیای واقعی و بدون تغییر شرایط محیط مورد پرسش قرار می‌گیرند (Abdollahzadeh, Heidari and Einifar, 2011 :35). آگاهی از جریانات داخلی در محیط‌های بسته به سه دلیل قابل توجه است: آسایش حرارتی، کیفیت هوای داخل و مصرف انرژی ساختمان. مطالعات نشان می‌دهد در دو دهه گذشته توجه به «جریان هوای داخل» در قالب دانشی نوین به طور چشمگیری افزایش یافته است (Rahaee, 2013). مروری بر نوشته‌ها و تحقیقات مختلف نشان می‌دهد که در اواخر دهه 1930 علاقه فراوانی در زمینه مهندسی تهویه به وجود آمد. آگاهی از جریانات هوای داخلی در محیط‌های بسته به سه دلیل قابل توجه است: آسایش حرارتی، کیفیت هوای داخل و مصرف انرژی ساختمان. در مناطقی که در آن انرژی محدود و یا کمیاب است، تهویه طبیعی باید مورد استفاده قرار گیرد. دو روش برای تحلیل جریان هوا در ساختمان وجود دارد: روش تجربی و شبیه‌سازی‌های عددی. شبیه‌سازی‌های عددی در مقایسه با روش‌های آزمایشگاهی بسیار ارزان‌تر، دقیق‌تر و سریع‌تر هستند. با این حال در این روش نمی‌توان تمامی شرایط فیزیکی را در نظر گرفت و همواره نیاز به یک سری تقریب وجود دارد. بنابراین ضرورت دارد تا شبیه‌سازی‌های عددی توسط نتایج آزمایشگاهی اعتبارسنجی شوند. در سه دهه گذشته مطالعات تجربی متعددی بر جریان جابجایی طبیعی انجام شده است. در این آزمایش‌ها از آب به جای هوا استفاده شده؛ لازم به ذکر است که مقادیر آشفتگی در این آزمایش‌ها اندازه‌گیری نشده است (Rahaei and Azemati, 2020).

در نیمه دوم قرن بیستم تهویه مکانیکی و تهویه مطبوع به سیستم تأسیساتی غالب ساختمان‌ها تبدیل شده و به طور گسترده به کار رفتند . بحران تحریم اوپک در سال 1973 و اعمال سیاست‌های کاهش مصرف سوخت و به دنبال آن با کاهش کیفیت هوای داخلی ساختمان‌ها ، «سندروم ساختمان بیمار» در میان ساکنان ساختمان‌های با تهویه مکانیکی توسعه یافت. نتایج مطالعه، بیماری سندروم ساختمان را در ارتباط مستقیم با بناهای تهویه مکانیکی نشان می‌دهد. سیستم‌های مکانیکی تهویه و اجزای آن‌ها به عنوان یک منبع آلودگی در رابطه با این بیماری شناخته شده‌اند. به این ترتیب در دو دهه گذشته عوامل فوق در کنار بحران‌های زیست‌محیطی و مصرف سوخت‌های فسیلی، تمایلی مجدد برای کاربرد تهویه طبیعی را ایجاد کرده است (Bahrami and Kasmai, 2020).

پژوهشی با عنوان «افزایش تهویه طبیعی، آسایش حرارتی و صرفه‌جویی در انرژی در ساختمان‌های بلند مرتبه مسکونی در بانکوک از طریق استفاده از شفت ‌های تهویه» در سال  2011 انجام گردید. در این مقاله سرعت هوا در مناطق از پیش اشغال شده در دو اتاق بدون و با استفاده از شفت تهویه )که به ترتیب اتاق مرجع و آزمایش نامیده شدند (بعد از شبیه‌سازی در نرم‌افزار دیزاین بیلدر با استفاده از  (CFD)همین نرم‌افزار ارزیابی شدند، همچنین ساعت‌های آسایش در تابستان در هر دو اتاق بر اساس دمای مؤثر اتاق، بعد از اینکه سرعت جریان هوای افزایش یافته تعدیل شد، مورد بررسی قرار گرفتند. امید رهایی (1393) در مقاله خود «بررسی فرایند جریان هواي داخل و مدل‌هاي تحلیلی آن در سوله‌های صنعتی کوچک با روش  CFD» به بررسی وضعیت جریان هواي داخل در ساختمان‌هاي صنعتی پرداخته است. شبیه‌سازي‌ها در یک سوله موردي صورت گرفته و توسط برنامه‌هاي  GambitوFluent  انجام شده‌اند. نتایج نشان دادند که جریان هواي داخل تحت تأثیر متغیرهاي مستقل معماري به همراه موقعیت بازشوها، دمنده‌ها و مکنده‌ها قرار داشته و تغییرات در شرایط این متغیرها می‌تواند جریان هواي داخل را اصلاح و خروج آلاینده‌ها را امکان‌پذیر نماید. ارزیابی اثر شناوری دودکش در مقاله‌ای با عنوان «میزان اثربخشی تهویه طبیعی از طریق دودکش در کارخانه آبجوسازی»  با استفاده از نرم‌افزار دیزاین بیلدر- انرژی پلاس مورد مطالعه قرار گرفته است. شبیه‌سازی‌های مختلفی به منظور دستیابی به مناسب‌ترین نحوه کارکرد بازشوهای پنجره‌ها انجام شده تا بهترین شرایط تهویه به دست آید (Keshavarz, 2017).

سیاستگذاری شهری

سیاستگذاری شهری به عنوان یکی از زیرشاخه های سیاستگذاری عمومی در چند دهه ی اخیر در برنامه ریزی های توسعه در شهرها، اهمیت بسیاری یافته است. از آنجا که موضوع محوری سیاستگذاری عمومی دولت است، مسئله قدرت در مسائل شهر و سیاستگذاری شهری موضوعیت می یابد. این مسئله دقیقا در جایی حادث می شود که موضوع دخالت مورد عمل است. دولت مرکزی با به کارگیری یک سری سیاستگذاری ها و اتخاذ مقررات شهری قدرت خویش را بر دولت های محلی و واحدهای مسئول سیاسی در سطح محلی اعمال می کند. دولت های محلی، واحد های اعمال قدرت مرکزی در سطح محلی اند که بارزترین شیوه ی آن قدرت شوراهای شهر و انجمن های امور شهری است که از طریق فرایند انتخاباتی روی کار می آیند و پیگیر و دنباله رو سیاست های دولت مرکزی هستند (Moslemi Mehni, 2018: 146).

تهویه طبیعی

تهویه طبیعی و گردش هوا در بنا یکی از مؤثرترین راه‌ها برای تحقق پایداری و توجه به محیط‌زیست می‌باشد. تهویه طبیعی
به معنای استفاده از هوای تازه بدون استفاده از دستگاه‌های مکانیکی پیچیده و تأمین شرایط آسایش انسان است (Rahsepar Monfared, Kardar and Tehrani, 2021). تهویه هوا به عمل جانشین کردن و یا جابجا کردن هوا در یک فضا گفته می‌شود که به منظور تأمین هوای تازه، خارج کردن هوای گرم و مرطوب و خنک کردن فضا و تأمین آسایش حرارتی انسان انجام می‌شود. در روش تهویه طبیعی عمل جابجایی هوا از طریق اثر دودکش که مبتنی بر حرکت هوای گرم به بالا و ورود هوای سرد از پایین به جای آن است و یا از طریق فشار مثبت و منفی باد انجام می‌شود. امروزه توجه به استفاده از تهویه طبیعی در طراحی‌های ساختمان به طور فزاینده‌ای رو به افزایش است و طراحان به این طریق سعی در افزایش رضایت‌مندی کاربران فضاها و نیز کاهش هزینه‌های ساخت و نگهداری و کاهش مصرف انرژی دارند. نیروهایی که باعث تهویه طبیعی می‌شوند در دو عامل کلی خلاصه می‌شود: نیروهای باد و خاصیت شناوری. این نیروها مکانیزم‌های مربوط به تهویه طبیعی را مشخص می‌کنند (Ahadi and Alirezaei Vernosfaderani, 2021). یکی از مهم‌ترین آیتم‌های تأثیرگذار در تهویه طبیعی جهت باد می باشد. منظور از جهت باد سویی است که باد از آن طرف می‌وزد. جهت‌های باد به کمک جهات جغرافیایی تعیین می‌شود (Razjooyan, 2016: 6). استفاده از وزش باد برای سرمایش طبیعی ساختمان‌ها از گذشته‌های دور و در معماری سنتی ایران و کشور‌های همسایه متداول بوده است. به منظور جایگزین کردن طبیعی جریان هوای خارج با هوای داخل بدون استفاده از سامانه‌های مکانیکی، روش‌ها و عناصر معماری متعددی وجود دارند که از جمله مهم‌ترین آن‌ها، پنجره‌ها، بادخورها و بادخان‌ها هستند (Ghiabaklou, 2013: 96). یکی از عوامل اقلیمی که بر شرایط جوی هر منطقه یا محل اثر می‌گذارد جریان هوا (باد) است و ایجاد باد به عدم تعادل گرما و سرما در مناطق مختلف کره زمین بستگی دارد. اختلاف دمای دو نقطه باعث جریان هوا و ایجاد باد می‌شود. از نکات مورد توجه در تهویه را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد، تهویه برای سلامت: تأمین هوای قابل تنفس در داخل ساختمان به وسیله جانشین ساختن هوای تازه خارجی به جای هوای کثیف و مصرف شده داخلی. تهویه برای آسایش: بالا بردن میزان کاهش دمای اضافی بدن از طریق تبخیر نمودن عرق ایجاد شده بر روی پوست و همچنین از طریق بر طرف نمودن ناراحتی که در اثر خیس شدن سطح بدن از عرق بوجود می‌آید. تهویه برای خنک کردن ساختمان: ایجاد آسایش فیزیکی در داخل ساختمان به وسیله خنک نمودن جسم ساختمان هنگامی که هوای داخلی گرم تر از هوای خارج است (Moradi, 2012: 27). تهویه طبیعی شامل جریان هوایی می‌باشد که بر اثر فشارها و نیروهای حرارتی از فعل و انفعالات جوی به وجود آمده است. این حالت شامل کوران طبیعی هوا و سیستم اثر دودکش نیز می‌باشد. «جابجایی طبیعی» در زبان مهندسی انتقال حرارت، تنها به انتقال حرارت توسط جابجایی هوا که تحت تأثیر نیروهای حرارتی است اتلاق می‌شود، در صورتی که «تهویه طبیعی» ممکن است به وسیله باد یا نیروی حرارتی به وجود آید (Watson and Kenneth, 2013: 64). بازشوهای مربوط به تهویه باید به گونه‌ای جا بگیرند که جریان هوا در فضاها هدایت گردد و همراه با آن تولید مقدار زیادی حرارت صورت بگیرد (Gonzalo and Haberman, 2012: 112). از مزاياي تهويه طبيعي مي‌توان بـه مناسـب بـودن بـراي منـاطق گـرم و مرطـوب، هزينـه سـرمايه‌گـذاري كـم، بهره‌برداري و نگهـداري سـاده و سـادگي در اجـراي آن اشاره نمود (Sarmadi, Yaghmaeian, Nabizadeh, Naddafi, Saeedi and Yousefzadeh, 2017).

قلمرو مکانی

شهر شیراز، مرکز استان فارس به طول 40 کیلومتر و عرضی متفاوت بین 15 تا 30 کیلومتر با مساحت 1268 کیلومترمربع به شکل مستطیل و از لحاظ جغرافیایی در جنوب غربی ایران و در بخش مرکزی فارس قرار دارد. مختصات جغرافیایی شیراز عبارت است از 29 تا 30 درجه و 8 تا 9 دقیقه عرض شمالی و 51 تا 53 درجه و 50 تا 57 دقیقه طول شرقی نسبت به نصف‌النهار مبدا قرار دارد. با مساحت 6751 کیلومتر مربع (Kiamarsi and Khanizadeh, 2016).

تفکیک قطعات مالکیت با کاربری مسکونی به چند قطعه می بایسـت بـا توجـه بـه جهـت‌گیـری متناسب با شرایط اقلیمی شهر شیراز صورت گیرد به قسـمی کـه در اولویـت اول طـول قطعـات مالکیت دارای جهت 61 تا 31 درجه جنوب شرقی و در نهایت دارای جهت شمال ـ جنـوب باشـد. در هر صورت در قطعات تفکیکی رعایت زاویه بهینه و حد نهایی استقرار ساختمان الزامی است (Shiraz Municipality, 2013: 29).

 

تصویر 1: زوایای پیشنهادی طرح تفصیلی شهر شیراز (Shiraz Municipality, 2013: 29)

 

تصویر 2: طول و عرض جغرافیایی شهری شیراز

 

روش تحقیق

با جمع‌آوری مؤلفه‌های اقلیمی شهر شیراز در بیست سال اخیر میانگین دما، سرعت باد، جهت باد، دمای وزش باد، دمای خشک، نقطه شبنم و غیره، ساختمان‌های مشخص در بخشی از شهر شیراز واقع در منطقه چهار، زرهی مدل گردیده و پس از مدل سازی ساختمان در نرم افزار راینو، مدل ساختمان که در یک بافت شهری قرار گرفته شده است، وارد نرم افزار واساری گردیده، و پس از آن داده های اقلیمی مربوط به شهر شیراز و از طریق نرم افزار متونورم و با فرمت epw وارد نرم افزار واساری گردیده، و در ادامه با چرخش زاویه ی یک درجه ای از سمت جنوب تا جنوب شرق (زوایایی که مورد تایید طرح تفصیلی شهر شیراز می باشد) داده های به دست آمده به صورت تطبیقی مورد تحلیل و ارزیابی قرار گرفته، تا به بهترین زاویه جهت کوران و استفاده هرچه بهینه تر از انرژی باد در راستای تهویه طبیعی دست یافت. به عبارتی می‌توان گفت شیوه‌ی پژوهش در این تحقیق به صورت شبیه‌سازی بوده است.

 

در گام اول: استخراج داده‌های اقلیمی و بررسی داده‌های اقلیمی شهر شیراز

در مرحله‌ی اول تمامی اطلاعات بیست‌ساله‌ی اخیر اقلیمی شهر شیراز از نرم‌افزار Meteonorm استخراج و جمع‌آوری شده و به فرمت epw در راستای انتقال به نرم‌افزارهای محاسباتی انرژی واساری تبدیل گردیده است. و در ادامه خلاصه حداکثر و حداقل اطلاعات اقلیمی چون بیشترین و کمترین دمای خشک و همچنین حداکثر و حداقل سرعت باد و غیره در نمودار تصویر 3 ترسیم گردیده است. و در نهایت میانگین درجه حرارت و حداکثر حداقل دما در طول سال در یک نمودار ارائه شده و محدوده‌ی دمای آسایش به صورت یک نوار خاکستری مشخص گردیده است (تصویر 3).

 

 

تصویر 3: میانگین ساعتی در ماه‌های مختلف سال

 

 

 

تصویر 4: میزان آسمان ابری طول سال در شهر شیراز

گام دوم: بررسی میانگین دما در طول سال در شهر شیراز

 در این بخش از مقاله میانگین سالیانه دمای هوا به اختصار دسته‌بندی ماه‌های سال به صورت یک نمودار در آمده است تا مشخص گردد که در راستای تهویه طبیعی، چه ماه‌هایی از سال دمای فضای باز مناسب جهت کوران و تهویه فضای داخلی می‌باشد. همانطور که در نمودار (تصویر 4 و تصویر 5) مشخص گردیده، می‌توان بازه‌ی دمای مناسب جهت تهویه طبیعی را از اواسط مارس تا حدودا اواسط نوامبر (اواخر اسفند الی اواسط آبان) دانست و همچنین در این بخش از سال دمای بیرون در محدوده دمای آسایش (20 الی 27 درجه سانتی گراد) بوده که می‌توان در راستای تهویه مطبوع مورد استفاده قرار گیرد.

 

 

 

تصویر 5: میانگین دمای شهر شیراز در پاییز و زمستان

 

 

تصویر 6: میانگین دمای شهر شیراز در بهار و تابستان

گام سوم: مدل‌سازی ساختمان و شبیه‌سازی بدون در نظر گرفتن تهویه طبیعی

در این بخش، ساختمان مدل شده با نرم افزار واساری بررسی شده و همانطور که در تصاویر قبل مشخص است تحلیل های اقلیمی در زمان‌هایی از سال که دمای هوا در محدوده آسایش قرار دارد مورد ارزیابی قرار گرفته است، بنابرین در این مرحله قبل از در نظر گرفتن تهویه طبیعی در ساختمان، مدل را بدون در نظر گرفتن پیش فرض تهویه طبیعی و تنها در شرایطی ثابت مورد تحلیل قرار گرفته است که، نتیجه چنین بود، در سال 991 ساعت ساختمان بدون نیاز به هیچ‌گونه سیستم انرژی فعال و غیر فعال در دمای آسایش قرار دارد، هر سال 8760 ساعت است بنابرین این میزان حدود 11.31 درصد در سال می‌باشد (تصویر 6).

 

 

تصویر 7: میانگین سرعت باد در طول سال در شهر شیراز

 

 

تصویر 8: میانگین دمان خشک و رطوبت و دمای آسایش در طول سال

گام چهارم: بررسی جریان باد در طول سال در شهر شیراز

در این بخش از مقاله، داده‌های اقلیمی از نظر سرعت و جهت باد به اختصار هر ماه به صورت جداگانه در قالب یک نمودار در آمده تا میزان سرعت و جهت غالب باد در شهر شیراز مشخص شود و در نهایت در یک جدول با یکدیگر مورد مقایسه قرار گرفته‌اند (جدول 1).

 

 

تصویر 9: سنجش سرعت و دمای باد در در طول سال به صورت روزانه و ساعتی

 

 

تصویر 10: سنجش سرعت و دمای باد در در طول سال به صورت ماهانه و ساعتی

 

 

 

 

 

تصویر 11: سنجش سرعت و دمای باد از زمان طلوع تا غروب خورشید در طول سال

گام پنجم: مشخص کردن ماه‌هایی در سال که نیاز به تهویه طبیعی دارند

طبق بررسی‌های صورت گرفته دمای شیراز از اوایل آپریل و اواخر اکتوبر (اوایل فروردین و اوایل مهر) در ساختمان‌های مسکونی این شهر نیاز به تهویه طبیعی جهت بهینه سازی انرژی دارند. (تصویر 7). و همچنین داده‌های میانگین سرعت وزش باد در فصول مختلف در تصویر 11 مورد بررسی قرار گرفته است.

گام ششم: شبیه‌سازی تهویه طبیعی در نرم‌افزار واساری

داده‌های جمع‌آوری شده که شامل سرعت و جهت باد بوده وارد نرم‌افزار گردید تا این بار خروجی و شبیه‌سازی بر اساس تهویه طبیعی صورت گیرد. از این رو زاویه قرار گیری ساختمان از جنوب شرقی تا جنوب (که مورد تایید طرح تفصیلی شهر شیراز می باشد) هر 5 درجه مورد تحلیل و تونل باد قرار گرفته تا بتوان به بهینه‌ترین زاویه برای از استفاده حداکثری از نور خورشید و همچنین استفاده از تهویه طبیعی دست یافت (جدول 1).

شماره	خصوصیات	تونل باد
1	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 135 درجه
2	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب، 5 درجه به سمت شرق -       زاویه باد غالب به بنا 130 درجه
3	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب، 10 درجه به سمت شرق -       زاویه باد غالب به بنا 125 درجه
4	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب، 15 درجه به سمت شرق -       زاویه باد غالب به بنا 120 درجه
5	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب، 15 درجه به سمت شرق -       زاویه باد غالب به بنا 120 درجه
6	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب، 20 درجه به سمت شرق -       زاویه باد غالب به بنا 115 درجه
7	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب، 25 درجه به سمت شرق -       زاویه باد غالب به بنا 110 درجه
	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب، 30 درجه به سمت شرق -       زاویه باد غالب به بنا 105 درجه
9	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب، 35 درجه به سمت شرق -       زاویه باد غالب به بنا 100 درجه
10	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب، 40 درجه به سمت شرق -       زاویه باد غالب به بنا 95 درجه
11	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت جنوب شرقی -       زاویه باد غالب به بنا 90 درجه
12	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت شرق، 40 درجه به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 85 درجه
13	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت شرق، 40 درجه به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 85 درجه
14	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت شرق، 35 درجه به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 80 درجه
15	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت شرق، 30 درجه به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 75 درجه
16	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت شرق، 25 درجه به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 70 درجه
17	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت شرق، 20 درجه به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 65 درجه
18	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت شرق، 15 درجه به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 60 درجه
19	-       جهت‌گیری ساختمان به سمت شرق، 10 درجه به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 55 درجه
جمع‌‌بندی	-       بهترین جهت‌گیری با در نظر گرفتن استفاده حداکثری از تابش خورشید و همچنین تهویه طبیعی در راستای ایجاد کوران در فضای داخلی -       جهت‌گیری ساختمان به سمت شرق، 15 درجه به سمت جنوب -       زاویه باد غالب به بنا 60 درجه می‌باشد

جدول 1: محاسبه تونل باد در زوایای مورد تایید طرح تفصیلی شهر شیراز

نتیجه گیری

همان‌طور که در جدول یک مشخص است، در شیراز باد غالب از سمت غرب بوده و قرارگیری ساختمان‌ها با جهت‌گیری جنوب شرقی به جنوب باعث شده پشت ساختمان کاملا به سمت باد غالب شهر شیراز باشد و با ایجاد اثر مکش و بار منفی در بافت‌های شهری، اکثر ساختمان‌ها نتوانند از این انرژی بی‌پایان طبیعی استفاده کنند، از این رو بنا به تحلیل‌های شکل گرفته بهینه‌ترین زاویه ساختمان 15 درجه جنوب شرقی می‌باشد که با زاویه 60 درجه شمال غرب باد، ساختمان می‌تواند بدون هیچ مانعی علاوه بر استفاده از نور خورشید، از تهویه طبیعی نیز نهایت بهره را برد. از آنجا که شیراز در اقلیم گرم قرار گرفته است و به دلیل بادهای خنک فصل‌های پاییز و بهار، که هوای شیراز تا حدودی گرم است می‌توان استفاده از تأسیسات مکانیکی سرمایشی را تا احد امکان کاهش داد، و به دلیل اینکه اکثر ساختمان‌ها در فضای شهری شیراز، مسکونی بوده، این امر می‌تواند کاهش چشمگیری در کم کردن استفاده از سوخت‌های فسیلی و انرژی‌های برگشت‌ناپذیر داشته باشد و همچنین با جهت‌گیری مناسب ساختمان می‌توان کوران و تهویه طبیعی را وارد فضاهای شهری، معابر و مکان‌های بدون سقف کرد، که این امر می‌تواند نقش مؤثری در ارتقای فضای شهری نیز ایفا نماید. توجه به این موارد در سیاستگذاری شهری برای بهینه‌سازی مصرف انرژی تأثیرگذار می‌باشد. از این رو با اعمال سیاستگذاری مجدد و مناسب در راستای جهت گیری ساختمان با توجه به تهویه طبیعی، می توان در راستای بهینه سازی مصرف انرژی در کلان شهر شیراز برای ساختمان های مسکونی که درصد قابل توجه ای از ساخت و ساز را شامل می شوند، و در اقلیم گرم و خشک، می تواند سهم قابل توجه ای در کم کردن مصرف انرژی چنین ساختمان هایی را ایفا نماید. امید است که این پژوهش آغازی باشد در راستای توجه هرچه بیشتر به تهویه طبیعی نه تنها در فضاهای مسکونی بلکه در فضاهای اداری، شهری، تجاری و غیره که هر کدام شرایط و استانداردهای خاص خود را می‌طلبند. 

 

منابع:

1.       Neshat Safavi S.H, Eghbali S.E, Investigation Of Phase Change Materials In Passive Cooling To Improve Natural Ventilation And Thermal Comfort, Journal Of Renewable And New Energy , Volume 8, Issue 2, Autumn & Winter 2021

2.       Moghadam Ziyabari S.A, Mozafari F, The Effect Of Balcony On Natural Ventilation, Thermal Comfort And Reduction Of External Noise In Residential Buildings, Journal Of Memari Shenasi, Volume 1, Issue 6, Winter 2018

3.       Rahaei O, Azemati H.R, Improving The Quality Of Natural Ventilation In Classrooms Of Mazandaran Province Based On The Position Of The Openings Using Cfd Method, Scientific Journal Of Iranian Architecture & Urbanism, Volume 11, Issue 19 Spring & Summer 2020

4.       Pesaran, A., Kariminia, S., Nazemi, E., Toghyani, S. (2019). Evaluating The Existence Of A Design Mechanism Based On Natural Ventilation In The Traditional Architecture Of Cities In Hot-Arid Climate Without The Use Of Windcatchers (Case Study: Outer Space Of Four-Sided Qajar Buildings In Shiraz). Journal Of Architecture In Hot And Dry Climateis, 7(9), 101-119.

5.       Memarian G, Mohammdmoradi A, Hosseinalipour S M, Heidari A, Doodi S. Analysis Of Wind Behaviour In Naturally Ventilated Vernacular Housing In Ghaleno Village In Sistan, Using CFD Modelling. Jhre. 2017; 36 (157) :21-36

6.       Moslemi Mehni, Y. URBAN POLICY IN IRAN: INTRODUCE AN APPLIED MODEL (CASE STUDY: METROPOLIS KERMAN CITY). POLITICAL QUARTERLY, 2018; 48(1): 163-173. doi: 10.22059/jpq.2018.99109.1006273 

7.       Vakilinezhad, R., & Shaeri, J. (2020). Evaluation Of Thermal Comfort Zone In Naturally Ventilated Offices In Bushehr. Hoviatshahr, 14(4), 61-72. Doi: 10.30495/Hoviatshahr.2020.16777

8.       Hojati A, Saedvandi M, De Angelis E. Analysis Of Performance Of Three Wind-Catchers For Ventilation Of Contemporary Houses In Isfahan- Hot And Arid Climate - Hot And Dry Climate Of Isfahan. Naqshejahan 2021; 11 (3) :16-32 

9.       Abodollahzadeh S M, Heidari S, Einifar A. The Investigation Of Thermal Adaptation In Apartments In Hot And Dry Climate: A Study On Thermal Comfort And Thermal Behavior In Apartments In Shiraz. Naqshejahan 2021; 11 (3) :33-48 

10.       Rahaee, O. (2013). Cultural Identity And Its Effects On Indigenous Methods Of Natural Ventilation Passage Of Metal Smiths In Dezful’s Old Bazzar. The Monthly Scientific Journal Of Bagh-E Nazar, 10(24), 39-46.

11.       Bahrami S, Kamran Kasmai H, Investigating The Effect Of The Appropriate Direction Of The Building And The Type Of Opening On Natural Ventilation In The New City Of Fardis, Journal Of Memari Shenasi, Volume 3, Issue 14, Spring 2020

12.       Keshavarz, Z. (2017). Evaluation Of Natural Ventilation In A Corridor Double Skin Façade (Case Study Office Building In Shiraz). Journal Of Sustainable Architecture And Urban Design, 5(1), 15-28. 

13.       Ahadi A A, Alirezaei Vernosfaderani B. Evaluating Appropriate Roof Shape And Efficiency Of Wind Tower And Wind Scoop For Natural Ventilation In Residential Buildings Of Chabahar. Jhre. 2015; 33 (148) :33-44 

14.       Rahsepar Monfared, R., Kardar, S., & Shahrooz Tehrani, I. (2021). Study Of The Design Principles Of Residential Buildings In A Moderate And Humid Climate With A Natural Ventilation Approach (Case Study: Analysis Of Simulated Openings Of A Residential Building In Amol City). Journal Of Environmental Science And Technology, 22(12), 133-146. Doi: 10.22034/Jest.2021.40167.4482

15.       Razjooyan M, Wind And Comfort: Design With Climate, Shahid Beheshti University Publications, Second Edition, 2016.

16.       Ghiabaklou Z, Fundamentals Of Building Physics 4 (Passive Cooling), Jihad University Publications, Amir Kabir University, First Edition, 2013.

17.       Moradi S, Enviromental Control System, Arman Shahr Publications, Third Edition, Ninth Edition, Autumn 2012.

18.       Watson D, And Kenneth L, Translated By: Ghobadian V, Faze Mahdavi Mo, Climate Design Efficient Building Principles And Practices, Tehran University Publication, 14th Edition, 2013.

19.       Gonzalo R, Haberman K, Translators: Khashoui A, Sayadi S.H, Mebhout M.R, Energy Efficient Architecture, Lotous Publication, First Edition, Spring 2012.

20.       Sarmadi M, Yaghmaeian K, Nabizadeh R, Naddafi K, Saeedi R, Yousefzadeh S. Investigation Of Natural Ventilation Potential In Different Ward Of Tehran University Of Medical Sciences Affiliated Hospitals In 2014. Ioh. 2017; 14 (4) :150-142 

21.       Kiamarsi M, Khanizadeh M.A, Analysis And Investigation Of Urban Space (Pedestrian) With The Approach Of Promoting Social Interactions (Case Example: Shiraz City Health Pedestrian), 4th International Conference On Architecture And Sustainable Urban Development - Dubai And Masdar. 2016

22.       Shiraz Municipality, Detailed Plan Of Shiraz City, Rules And Regulations Of Urban Planning And Construction (With The Exception Of The Historical-Cultural Area), City And House (Consulting Engineers And Urban Planners And Architects), Final Edition, Fall 2013

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Urban policy to optimize energy consumption with regard to natural ventilation

 (Case study: optimal orientation of residential buildings based on the angles included in the detailed plan of Shiraz city)

 

Abstract: In recent decades, urban policy-making has been raised as a significant and scientific topic in major cities of the world, and it has received several attentions from urban studies. One of the topics that is not paid attention to in climate science studies, especially in sustainable architecture, is considering solar energy in the building, but paying too much attention to solar energy makes it acceptable to some extent from unbearable energy sources such as wind energy and effects. It should be passively neglected in natural ventilation. Paying attention to this issue can be considered to optimize energy consumption in urban policy making. One of the important solutions in this field is the use of natural ventilation in residential buildings, a suitable direction for creating blinds and receiving wind with positive pressure and benefiting from this element that is responsible for creating climate in the interior of the building. In this research, the natural ventilation conditions in residential buildings in Shiraz city are investigated and simulated using Vasari energy simulation software, and factors such as speed, wind rate and other influencing factors are investigated and analyzed. According to the results of simulation and examination of climate indicators of Shiraz city for about twenty years, it can be considered about the issues related to natural ventilation and the creation of blinds in the building, and in the direction that can be made from solar energy as well as energy Energy benefit, he said. Get the amount of mechanical loading of the building during the year. that the optimization of energy consumption has been done and the consumption of fossil fuels can be significantly reduced in the residential buildings of Shiraz metropolis.

 

Keywords: Urban Policy, Building Orientation, Optimizing Energy Consumption, Natural Ventilation, Residential Building, Shiraz City

 

---