مأخذ : ماهنامه تهویه مطبوع – شماره اول – فروردین 1382
ترجمه: مهندس اردشیر فرشیدیان فر – دکتر انوشیروان فرشیدیان فر
نوع مصالح ساختمانی تأثیر زیادی بر جذب گرما در تابستان و تلفات حرارتی از جداره‌های ساختمان در زمستان دارد. در بناهای قدیمی معمولا دیوارها ضخیم بوده و از شیشه به میزان کمتری استفاده می‌شده در نتیجه اتاق‌ها در زمستان گرم تر و در تابستان خنک‌تر بوده‌اند. در ساختمان‌های جدید ضخامت دیوارها به مراتب کمتر و در نتیجه ساختمان سبک‌تر بوده و مصالح کمتری در آن به کار می‌رود ولی در عوض برای گرم و سرد کردن این فضاها به انرژی بیشتری نیاز است.
بنابراین هنگامی که بناهای قدیم را با ساختمان‌های جدید مقایسه می‌کنیم به این نتیجه می‌رسیم که در ساختمان‌های قدیمی بهای اولیه بالا و مخارج نگهداری و گرم و یا سرد کردن محیط، پائین است، در صورتی که در ساختمان‌های جدید مخارج اولیه پائین‌تر و مخارج نگهداری و یا سرد کردن محیط بالاتر است.
گرانی قیمت زمین و مرتفع سازی از عواملی است که در حال حاضر استفاده از دیوارهای ضخیم را غیرممکن ساخته، در نتیجه با توجه به ضخامت کم دیوارها بایستی از مصالحی استفاده شود که صرفه‌جویی در مصرف انرژی برای ایجاد گرمایش و سرمایش را به دنبال داشته باشد. برای انتخاب مصالح ساختمانی مناسب بایستی با اصطلاحاتی از قبیل ظرفیت حرارتی و مقاومت حرارتی یک جداره آشنا شویم. همچنین بایستی اطلاعات کاملی از نحوه انتقال حرارت در اثر تابش آفتاب بر روی دیوارها داشته باشیم.
تأثیر تابش آفتاب بر روی دیوارها
اشعه آفتاب، موجی مغناطیسی است که از خورشید ساطع می‌شود، وقتی این موج وارد اتمسفر می‌گردد، از شدت آن کاسته شده و طیف‌های آن به نسبت طول موجی که دارند در اتمسفر جذب، منعکس یا پراکنده می‌شوند.
اکثر اشعه‌هایی که دارای طول موج کمی هستند به وسیله لایه ازن جذب و اشعه هایی که دارای طول موج زیادی هستند به وسیله بخار آب و اکسید کربن جذب می‌گردند.
مقدار انرژی خورشیدی که در طول سال به هر نقطه از سطح زمین می‌رسد به شدت تابش آفتاب در آن نقطه بستگی دارد. همچنین شدت تابش آفتاب و حرارت حاصل از آن در یک نقطه از سطح زمین به فاصله‌ای که اشعه خورشید باید طی نماید، ضخامت ابر و وضعیت هوا از نظر آلودگی بستگی دارد. به همین دلیل شدت تابش آفتاب در یک محل با ارتفاع آن محل از سطح دریا متناسب بوده و در نقاط مرتفع، چون اشعه خورشید فاصله کمتری از اتمسفر را طی می‌نماید، حرارت بیشتری تولید می‌کند. همچنین در ظهر محلی هر منطقه، که خورشید در عمودی‌ترین حالت خود نسبت به زمین آن محل قرار داشته و فاصله آن کمتر است، شدت تابش آفتاب بیشتر از صبح و عصر که خورشید در مایل‌ترین حالت نسبت به زمین محل مورد نظر قرار دارد، می‌باشد.
تأثیر تابش آفتاب در گرمای داخلی ساختمان به خصوصیات مصالح به کار رفته در دیوارهای خارجی آن بستگی دارد. افزایش دمای هوای خارج باعث گرم شدن سطح خارجی دیوارهای جانبی ساختمان می‌شود که هم‌زمان با این افزایش دمای دیوار، آفتاب نیز به صورت مستقیم بر دیوارها می تابد. قسمتی از اشعه تابیده شده به دیوار در برخورد با سطح دیوار انعکاس یافته و بقیه در دیوار جذب شده و باعث گرمتر شدن دیوار می‌شود. در این حالت، جهت دیوارها در مقدار تابش دریافت شده و در نتیجه مقدار حرارت ایجاد شده در آن‌ها کاملا تأثیر دارد.
مصالح ساختمانی
برای درک بهتر جریان عبور حرارت از سطح خارجی به سطح داخلی یک دیوارها، می توان چنین تصور نمود که دیوار از لایه های متعددی تشکیل گردیده است. در اثر انتقال حرارت به هر کدام از این لایه ها دمای آن‌ها افزایش یافته و مقدار حرارتی که باعث این افزایش دما شده در لایه مزبور ذخیره می‌شود و بقیه به لایه سرد بعدی انتقال می‌یابد. بنابراین هر لایه از دیوار مقدار حرارت کمتری نسبت به لایه قبلی خود دریافت نموده و در نتیجه دمای آن نسبت به لایه ماقبلش کمتر خواهد شد. در اثر این ذخیره شدن حرارت در داخل دیوار، گرمای کمتری به سطح داخل آن انتقال یافته و دمای آن کمتر از دمای سطح خارجی می‌شود.
در مقطعی از زمان دمای سطح خارجی دیوار به حداکثر خود می‌رسد و بعد از آن به دلیل کاهش اشعه آفتاب و خنک شدن هوا، شروع به سرد شدن می‌نماید و جریان حرکت در داخل آن برعکس می‌شود. در این مرحله، ابتدا حرارتی که در دیوار ذخیره شده در دو جهت به طرف داخل و خارج حرکت می‌نماید اما بعد، حرکت فقط به طرف خارج صورت می گیرد. از این به بعد لایه‌های دیوار شروع به از دست دادن حرارت خود نموده و خنک می‌شوند.
پارامترهای تعیین کننده در اینجا ظرفیت و مقاومت حرارتی دیوار است. هرچه وضعیت این دو پارامتر در یک دیوار افزایش یابند، نوسان دمای سطح داخلی کمتر شده و زمان رسیدن دمای سطح داخلی کمتر شده و زمان رسید دمای سطوح داخلی به حداقل و حداکثر، نسبت به هوای خارج بیشتر به تأخیر می‌افتد.
کاهش نوسان درجه حرارت سطوح داخلی یک ساختمان نسبت به سطوح خارجی آن با مقاومت مصالح دیوارهای آن متناسب است اما به تأخیر افتادن زمان ایجاد حداکثر و حداقل دمای سطوح داخلی نسبت به زمان مربوط به سطوح خارجی به ظرفیت حرارتی مصالح دیوار بستگی دارد.
ظرفیت حرارتی جداره
ظرفیت حرارتی مصالح به وزن مخصوص و گرمای ویژه آن‌ها بستگی دارد. هر چه وزن مخصوص یک جسم بیشتر باشد ظرفیت حرارتی آن بیشتر است، ظرفیت حرارتی دیوارها به ضخامت و فشردگی مصالح بستگی دارد، مثلا زمانی که طول می‌کشد تا گرمای ناشی از تابش گرمای آفتاب و گرمی هوا از سطح خارجی به سطح داخلی یک ورقه آهنی انتقال یابد برای یک ورقه آهنی حدود چند دقیقه است و برای یک دیوار سنگی ضخیم چندین ساعت است.
هرچه ظرفیت حرارتی یک دیوار بیشتر باشد گرمای خارجی با سرعت کمتری به طرف داخل انتقال می‌یابد و در نتیجه تأخیر بیشتر در زمان رسیدن سطوح داخلی به حداکثر دمای خود نسبت به سطوح خارجی روی می دهد. این زمان تأخیر باعث می‌شود در ساعاتی که هوا در حداکثر درجه حرارت است گرمای نفوذ کرده در دیوارهای خارجی در همانجا ذخیره شده و در عصر و شب که هوا نسبتا خنک است از آن خارج شود.
در شب، حرارت ذخیره شده در مصالح یک ساختمان با ظرفیت حرارتی زاید آزاد شده و باعث کاهش میزان انتقال گرمای هوای داخل به خارج می‌گردد. یعنی چنین ساختمانی در شب به آرامی سرد شده و حداقل دمای شبانه هوای آن به طور قابل ملاحظه‌ای بیشتر از حداقل دمای شبانه هوا در ساختمان‌های با ظرفیت حرارتی کم می‌شود. بدین طریق ظرفیت حرارتی مصالح ساختمانی باعث کاهش میزان عبور گرما از خارج به داخل و بالعکس و در نتیجه باعث کاهش تغییرات دمای هوا داخل ساختمان می‌گردد.
در زمستان و به خصوص در مناطق سرد که به طور کلی دمای هوای خارج کمتر از دمای هوای گرم شده داخلی است. ظرفیت حرارتی مصالح تأثیر چندانی ندارد. اما در تابستان و در مناطق گرم که سطوح خارجی ساختمان در روز گرمتر و در شب سردتر از هوای داخل هستند، ظرفیت حرارتی علاوه بر آن که در کاستن تبادل گرمای هوای داخل و خارج تأثیر دارد، در جهت حرکت حرارت نیز اثر می‌گذارد. بنابراین در مناطقی که تغییرات روزانه دمای هوا و شدت تابش آفتاب زیاد است، مثل مناطق خشک، یک ساختمان با ظرفیت حرارتی زیاد قادر خواهد بود به میزان قابل توجهی وضعیت گرمایی هوای داخل خود را کنترل نماید.
برای مناطق مرطوب ساحلی که مشکل گرمای هوای داخل معمولا در شب‌ها نیز وجود دارد استفاده از مصالح با ظرفیت حرارتی زیاد، مفید نمی‌باشد.
رابطه ضخامت دیوار با ظرفیت حرارتی
ظرفیت حرارتی یک دیوار نتیجه وزن مخصوص، ضخامت و گرمای ویژه مصالح آن است. اما نتایجی که در اثر تغییر وزن مخصوص مصالح یا تغییر ضخامت یک دیوار در وضعیت گرمایی آن حاصل می‌شود کاملا متفاوت است.
به طور کلی ظرفیت حرارتی تقریبا به وسیله وزن مصالح مشخص می‌شود. اما هرگونه افزایش ظرفیت حرارتی به وسیله افزایش وزن مخصوص یعنی به وسیله متراکم ساختن مصالح، با افزایش ضریب هدایت گرمایی توأم خواهد بود و در نتیجه باعث کاهش مقاومت حرارتی می‌گردد. از طرف دیگر جایگزینی مصالح سنگین با مصالح سبک و مقاومت حرارتی زیاد، بدون تغییر ضخامت دیوار، باعث کاهش ظرفیت حرارتی شده و در نتیجه فقط به مقدار کمی در بهبود وضعیت گرمایی دیوار و هوای داخلی ساختمان در تابستان اثر می‌گذارد.
اما وقتی به منظور افزایش ظرفیت حرارتی دیوار، ضخامت آن افزوده می‌شود، مقاومت حرارتی کلی دیوار هم به نسبت افزایش یافته و در نتیجه آن در شرایط گرمایی هوای داخلی نیز به میزان زیادی افزوده خواهد شد.
بر اساس محاسبات و نتایج تئوری، میزان نوسان درجه حرارت هوای داخلی یک ساختمان با تغییر ضخامت دیوارهای آن تغییر می‌یابد. در نتیجه با افزایش ضخامت دیوارهای یک ساختمان، حداکثر درجه حرارت هوای داخلی پایین آمده و حداقل آن افزایش پیدا می‌کند.
مقاومت حرارتی
مقاومت حرارتی یک دیوار عبارتست از مقاومتی که آن دیوار در برابر انتقال حرارت از یک طرف خود به طرف دیگرش ایجاد می‌نماید. بنابراین نوسان دمای سطوح داخلی دیوارهای یک ساختمان به مقاومت حرارتی مصالح آن دیوارها بستگی دارد. هرچه ضریب هدایت حرارتی، عکس مقاومت حرارتی، در مصالحی کمتر باشد، مقاومت حرارتی آن مصالح بیشتر بوده و در نتیجه مقدار گرمای انتقال یافته از آن دیوار کمتر است.
هوای ساکن بهترین عایق حرارتی است و به طور کلی مصالح ساختمانی سبک، که شامل حفره‌ها و لایه‌های بسیار نازک هوا هستند، مقاومت حرارتی زیادی دارند.
در زمستان وقتی ساختمانی از داخل گرم می شود، مقاومت حرارتی دیوارهای خارجی تعیین کننده دمای سطح داخلی آن‌ها می‌باشد. در ساختمان‌هایی که به طور دائم گرم می‌شوند و انتقال حرارت از داخل به خارج به یک حد ثابت می‌رسد، مقاومت حرارتی مصالح از عوامل اصلی تعیین کننده شرایط هوای داخل ساختمان می‌باشد اما در صورتی که ساختمان متناوباً گرم شود ظرفیت حرارتی مصالح اهمیت بیشتر خواهد داشت.
در ساختمان‌هایی که هوای داخلی آن‌ها در تابستان با دستگاه تهویه کنترل می‌شوند تأثیر مقاومت حرارتی مصالح در تعیین شرایط هوای داخل مانند حالت زمستان است، با وجود آن که جهت حرکت گرما از خارج به داخل ثابت نبوده و در شب برعکس می‌شود، اما چون در این حالت معمولاً اختلاف بین میانگین دمای هوای داخل و خارج نسبت به نوسان دمای روزانه کم است، نسبت اهمیت مقاومت حرارتی مصالح در تعیین شرایط هوای داخل کمتر بوده و ظرفیت حرارتی مصالح اهمیت بیشتری خواهد داشت.
به طور خلاصه مقاومت حرارتی مصالح بیشتر در زمستان مطرح است و مستقل از پارامتر زمان می‌باشد. هرچه مقاومت بیشتر باشد میزان تلفات حرارتی کمتر می‌گردد. ظرفیت حرارتی
مصالح بیشتر در تابستان مطرح است و زمان حرکت گرما را افزایش داده و در عبور گرما تأخیر به وجود می‌آورد و تابع زمان می‌باشد.
ویژگی مصالح ساختمانی مناطق مختلف
مناطق مختلف ایران به چهار اقلیم تقسیم می‌شود:
- اقلیم معتدل و مرطوب (سواحل جنوبی دریای خزر)
- اقلیم سرد (کوهستان‌های غربی)
- اقلیم گرم و خشک (فلات مرکزی)
- اقلیم گرم و مرطوب (سواحل جنوبی ایران)
ویژگی مصالح ساختمانی برای هر اقلیم با اقلیم دیگر متفاوت است، در مناطق معتدل و مرطوب، ساختمان‌ها بایستی با مصالحی با حداقل ظرفیت حرارتی بنا شوند، در صورت استفاده از مصالح ساختمانی سنگین ضخامت آن‌ها در حداقل ممکن نگه داشته شود چون در مناطق معتدل و مرطوب نوسان دمای روزانه هوا کم است و ذخیره حرارت هیچگونه استفاده‌ای ندارد و به آن نیازی نداریم و علاوه بر آن مصالح ساختمانی سنگین تا حدود زیادی از سودمندی تهویه و کوران که یکی از ضروریات این منطقه است می‌کاهد.
در مناطق گرم و خشک از مصالحی مانند خشت و گل که ظرفیت حرارتی زیادی دارند استفاده می‌شود. در مناطقی که شرایط حادی دارند بایستی با قرار دادن خانه‌ها در دل تپه‌ها یا زیرزمین زمان تأخیر را به بی‌نهایت رساند و بدین شکل از شرایط گرمایی متعادل عمق زمین بهره‌گیری کرد.
همچنین به منظور تقلیل هرچه بیشتر حرارت ایجاد شده در دیوارها در اثر تابش آفتاب بر آن‌ها، معمولا سطوح خارجی سفیدکاری می‌شوند.
در مناطق سرد استفاده از مصالحی که دارای ظرفیت و عایق حرارتی زیادی هستند توصیه می‌گردد. جهت جذب بیشتر آفتاب سطوح خارجی بایستی تیره رنگ باشند.
در مناطق گرم و مرطوب بایستی از مصالح ساختمانی با ظرفیت حرارتی کم استفاده نمائیم. جهت جذب کمتر گرمای خورشید سطوح خارجی بایستی دارای رنگ روشن باشند.
