آسایش حرارتی، طراحی برای مردم – بخش اول

مأخذ: ماهنامه اشری – دسامبر 2017

ترجمه: مهندس سید فرخ میرحیدری

……………………………………………………………

دست‌یابی و فراتر رفتن از الزامات جهت کیفیت هوای داخل، آسایش دمایی و شنیداری و کیفیت بصری می‌تواند منجر به محیط‌هایی بهینه با عملکرد خوب باشد. با این وجود، بررسی بر روی تعداد زیادی از ساختمان‌ها نشان داده است که رضایت از شرایط محیطی داخلی معمولاً فراهم نمی‌شود. با توجه به این موضوع پیشنهاد می‌شود که تمام بخش‌های صنعت نیاز به انجام آنالیز طراحی و طراحی روش‌های سیستماتیک بیشتری دارند.

این اولین مجموعه از سری مقالات برای اهداف زیر در نظر گرفته شده است:
1) افزایش آگاهی جامعه طراحی ساختمان از فرصت‌های فراهم شده از طریق آنالیزها و استانداردهای آسایش دمایی به‌منظور کمک به بهینه‌سازی محیط‌های دمای داخلی برای افراد.

2) افزایش آگاهی از اصول اساسی، فرضیات و ساده‌سازی‌های مدل‌سازی در طراحی فضاها برای آسایش دمایی و

3) ارائه راهنمایی از طریق نمونه‌هایی جهت نشان دادن چگونگی استفاده از استاندارد اشری 2017-55 برای دستیابی به مقدار بهینه شرایط دمایی برای سکونت، با حداقل وابستگی سیستم‌ها در مصرف انرژی.

کیفیت دمایی محیط یکی از مهم‌ترین الزامات اساسی جهت سکونت انسان است و بعد از آن کیفیت هوای داخلی (IAQ) در درجه دوم اهمیت قرار می‌گیرد. مطالعات نشان داده‌اند که کیفیت محیط داخل تأثیر زیادی روی رضایت از محیط داخل دارد.

در مطالعه‌ی ساختمان‌های با عملکرد بالا نویسندگان مشاهده کرده‌اند که بیشتر ساکنین تمایل به ابراز نارضایتی در شرایط غیرقابل‌تحمل از لحاظ دمایی را دارند.

در غیر این صورت معمولاً ساکنین وابسته به گرم‌کن‌های شخصی خود در فصل سرما و یا بازنمودن پنجره‌ها در هنگام گرما حتی در شرایط نامطلوب آب و هوایی هستند. از جهتی مجریان و مدیران ساختمان از هیچ‌کدام از شرایط نارضایتی آگاه نیستند و از منظر دیگر ارزیابی‌های پس از سکونت (پسا سکونت) همچنان رایج نیستند که می‌تواند سبب عدم وجود بازخورد ساکنین به طراحان شود. درنتیجه این امکان وجود دارد که رضایت و حال مساعد ساکنین و عملکرد خوب تحت مخاطره قرار بگیرد.

آنالیزهای آسایش دمایی در حصول انرژی خورشیدی با استفاده از طراحی‌های معماری و مهندسی کارآمدتر هستند. این در حالی است که نباید اجازه داد تا انرژی متمرکز تهویه مطبوع، گرمای جذب شده از خورشید را در فضاهای محیطی از بین ببرد (حذف کند).

درحالی‌که سرمایش اضافی در نواحی داخلی مجاور امکان‌پذیر باشد. آنالیزهای آسایش دمایی (حرارتی) اجازه مطالعه تأثیرات مجاز برای شرایط حرارتی ساختمان در راستای کاهش تهویه مکانیکی به‌جای تقاضای انرژی در طیف محدود دمای داخلی، فراهم می‌کند. همچنین آنالیزهای آسایش دمایی به طراحان در انتخاب و شکل دادن به زون مناسب و سطح تکنولوژی‌های به‌کاررفته در اتاق برای دستیابی به آسایش دمایی مانند سیستم‌های تابشی، توزیع خروجی هوا، توزیع هوای زیر در تهویه ناشی از جابجایی هوا و سرمایش از کف کمک می‌کند.

استاندارد 55-2017 اشری روش سیستماتیکی (قانون‌مندی) برای کمک به معماران و مهندسان برای آنالیز طراحی‌های جایگزین به‌منظور یکپارچه نمودن ترکیبات مناسب جهت حصارچینی، جانمایی‌های در و پنجره، ساخت و سازها، تکنولوژی‌های HVAC پایانه‌ای و ابعاد و آرایش فضا و دستیابی یا عدم دستیابی به الزامات حرارتی محیط برای سکونت، ارائه می‌دهد.

علاوه بر این استاندارد 55-2017 اشری روش‌ها و معیارهایی برای کمک به ارزیابی آسایش دمایی در ساختمان‌های موجود با استفاده از الف (نظرسنجی ساکنین ب) اندازه‌گیری‌های عینی محیطی و سیستم خودکار ساختمان به‌عنوان ضمیمه‌ای برای موارد الف و ب فراهم می‌کند.

فضایی همراه با آسایش دمایی را چگونه آنالیز کنیم؟

آسایش دمایی به شرایط ذهنی گفته می‌شود که با توصیف رضایتمندی از دمای محیط همراه است و به‌وسیله برداشت شخصی از دمای محیط ارزیابی می‌شود.

ارزیابی آسایش دمایی سه بعد را شامل می‌شود: فیزیکی، فیزیولوژی، روانشناسی.

با توجه به کتاب هندبوک مبانی اشری در سال 2017، زمانی ذهن، هوشیار به نظر می‌رسد (هوشیاری ذهن پدیدار می‌شود) که در مورد داشتن و یا نداشتن آسایش دمایی از طریق لمس مستقیم دما و رطوبت توسط پوست، دمای درونی بدن و تلاش لازم برای تنظیم دمای بدن و… به نتایجی دست یابد.

در کل، آسایش زمانی اتفاق می‌افتد که دماهای بدن در یک طیف کوچک، کمینه شدن تلاش فیزیولوژیکی بدن برای خودتنظیمی دمایی و رطوبت پوست کم باقی بماند.

آسایش حرارتی با استفاده از مدل‌های آسایش دمایی تجربی و ارزیابی در ساختمان‌های موجود به‌وسیله اندازه‌گیری‌های عینی محیطی و پرسشنامه‌های شخصی از ساکنین، پیش‌بینی می‌شود.

استانداردهای آسایش دمایی وابسته به مدل‌هایی هستند که در پیش‌بینی آسایش دمایی تحت شرایط مشخص فردی و محیطی به کمک طراحان می‌آیند.

انسان‌ یک موجود هوموترم است: سیستم تنظیم دمایی انسان دمای داخلی بدن را در یک طیف کوچک حدود 37 سانتی‌گراد (98.6 فارنهایت) حفظ می‌کند. به‌عنوان‌مثال هوموستازیست‌ها.

دمای طبیعی بدن روزانه بر اساس یک دوره 24 ساعته تغییر می‌کند. ولی در هرلحظه دمای مرکزی، در روز چند دهم درجه و در شب با تغییراتی جزئی به‌صورت دقیق تنظیم می‌شود. از جنبه تعادل دمایی نرخ حرارت تولیدی متابولیکی بدن با نرخ حرارت ازدست‌رفته از بدن به محیط در تعادل است.

در نتیجه، محدوده‌ای از شرایط دمایی محیط مجاور مورد نیاز است که در آن یک فرد بتواند بدون نیاز به صرف انرژی بالاتر یا پایین‌تر از نرخ طبیعی متابولیسم پایه، دمای عادی بدن خود را حفظ کند. انحراف از آن شرایط باعث واکنش‌های فیزیولوژیکی متناسب با عدم توازن گرمایی می‌شود.

فرض اساسی این است که تجربه حس گرما توسط فرد(شخص)، تابعی از فشار فیزیولوژیکی تحمیلی توسط محیط است. با این وجود، بدن دارای سیستم قابل تطبیق است که واکنش‌های تنظیم دمایی در آن به صورت تابعی از شرایط خود شخص و غالب شدن بر شرایط محیطی جهت رسیدن به تعادل پایدار عمل می‌کند.

هدف اصلی در طراحی آسایش حرارتی این است که به شرایط دمای داخل نزدیک به تعادل گرمایی که منجر به پذیرش دمایی طیف گسترده‌ای از افراد ساکن در محیط می‌شود، دست یابیم.

مدل‌های آسایش دمایی که در استاندارد گنجانده شده‌اند، آسایش مبتنی بر تجربه را بر اساس معیارهای آسایش مورد استفاده (احساس دمایی) به عنوان یک متغیر مستقل ( به جای دمای هوای اتاق) ارائه می‌کنند و این معیار آسایش را با محیط حرارتی غالب مرتبط می‌سازد.

مدل‌های آسایش حرارتی کدامند؟

مدل‌های آسایش حرارتی به طراحان در بررسی ترکیب‌های مختلف شرایط فردی و محیطی که برای ساکنین یک فضا قابل قبول است، کمک می‌کند. استاندارد 2017-55 ، روش‌های تحلیلی برای ارزیابی آسایش حرارتی در محیط‌های متعادل با ساکنینی در سطح معمول فعالیت ارائه می‌کند.

همان‌طور که در شکل 1 نشان داده شده است، برای پیش‌بینی آسایش حرارتی، استاندارد 2017-55 از 2 مدل آسایش حرارتی اصلی استفاده می‌کند: یک مدل آسایش توازن حرارتی کل بدن (WBC) برای ساختمان‌هایی با تهویه مکانیکی، و مدل تطبیقی آسایش حرارتی (ATC) برای ساختمان‌هایی با شرایط تهویه طبیعی. هر دو مدل از دمای عملیاتی به عنوان متغیر محیطی مستقل یا شاخص جهت تحلیل‌ها استفاده می‌نمایند، چون آن‌ها دو حالت اصلی انتشار گرما توسط بدن انسان را ترکیب می‌کنند : همرفت و تابش (شکل 1).

مدل استاندارد دمای موثر محیطی (SET) (بر اساس روش ناحیه آسایش سرعت افزایش یافته هوا) سبب توسعه WBC و ATC می‌شود، این در حالی است که سرمایش هدایتی ارتقا یافته باید تحلیل شود؛ مدل سولارکال (solarCal) زمانی که احتیاج است تأثیر تابش مستقیم نور خورشید بر روی ساکنین در نظر گرفته شود، منجر به توسعه مدل WBC می‌شود.

مدل آسایش توازن حرارتی کل بدن (WBC)، یک مدل آسایشی و ترموفیزیولوژیکی است که بر اساس ساکنین در محیط‌هایی با اقلیم دمایی متعادل، توسعه یافته است. این مدل به پیش‌بینی دمای احساسی (متوسط رای پیش بینی شده PVM) و درصد نارضایتی (درصد نارضایتی پیش‌بینی شده PPD) کمک می نماید.

که این امر بر اساس گروهی از مردم بر اساس تعادل دمایی در حالت پایدار در بدن انسان با در نظر گرفتن سطح عایق پوششی و فعالیت مشخص در یک محیط انجام می‌گیرد.

همچنین در این مدل حرارت تبخیر شده از بدن انسان که توسط هدایت، هوای جابه‌جا شده حول بدن انسان انجام می‌شود را در نظر می‌گیرد.

در مدل WBC تعادل حرارتی بدن انسان که حاصل آن دماهای مختلف پوست می‌باشد باید در طیف‌های معین بدون در نظر گرفتن تجمع عرق و بسته به فعالیت‌های متابولیکی و فیزیولوژیکی جهت تولید حس دمایی طبیعی (PMV، روان‌شناسی حسی) و رضایت دمایی آگاهانه (PPD، روان‌شناسی شناختی) نگه داشته شود.

اساس فرضیه مدل تطبیقی آسایش حرارتی (ATC) بر مبنای قوانین تطبیق تعریف می‌شود : اگر تغییری در محیط اتفاق افتد مانند عدم آسایش فرد، مردم در جهت حفظ آسایش خود، به این موضوع واکنش نشان می‌دهند.

نوع واکنش‌های تطبیقی و تأثیر آن‌ها در حفظ آسایش به فاکتورهای مفهومی بستگی دارد که شامل تاثیر گنبدوار اقلیمی و فرصت‌های در دسترس تطبیق می‌باشد.

افرادی که با استفاده از فرصت‌های در دسترس خود جهت تطبیق، خود را با محیط یا محیط را با نیازهای خود تطبیق می‌دهند، کمتر از عدم آسایش رنج می‌برند.

بنابراین مدل ATC یک مدل دینامیکی می‌باشد. مدل ATC از زمانی که مطالعات میدانی بر روی تهویه طبیعی ساختمان‌ها انجام می‌شد، ایجاد شد. این مدل میانگین دماهای خارجی را با دماهای آسایش داخلی به هم ربط می‌دهد.

همین‌طور به‌طور ضمنی واکنش دمایی دینامیکی را از ساختمان به هوای متغیر و رفتارهای تطبیقی ساکنین محاسبه می‌کند و این امر منجر به استخراج دماهای عملیاتی داخلی و آرای مربوط به آسایش می‌شود.

مدل تطبیقی به‌صورت ضمنی 3 نوع مکانیزم تطبیقی را در نظر می‌گیرد: فیزیولوژیکی (تطابق با آب هوای یک محیط به‌صورت کوتاه‌مدت: کاهش تغییر با در معرض قرار گرفتن در یک محیط به اندازه کافی، تطبیق‌پذیری بلندمدت با یک اقلیم)، رفتاری: (نظیر رفتارهای فردی، از نوع تکنولوژی و یا فرهنگی که سبب تغییر جریان‌های حرارتی متعادل می‌شود. برای مثال تغییر پوشش یا فعالیت، به‌عنوان‌ مثال: استفاده از پنجره‌های بازشوی سالم، پرده‌ها، فن‌ها، سایبان‌ها، کنترل‌های شخصی محیطی) یا فیزیولوژیکی مانند انتظارات تغییریافته بر مبنای کنترل آگاهانه، تجربیات دمایی و پیشینه اجتماعی و اقتصادی و فرهنگی.

مدل WBC تا اندازه‌ای خود را با محاسبه تنظیمات رفتاری تطبیق می‌دهد. مفهوم کنترل آگاهانه نیز مکمل تئوری تطبیق می‌باشد: یعنی فرض بر این است که افراد انتظارات خاموش و همین‌طور پذیرش بالاتری برای داشتن تغییرات دمای محیطی و گروه‌های دمایی وسیع‌تری دارند که این آگاهی و درک افراد می‌تواند قابل‌کنترل باشد و امکان ایجاد اولویت‌های حرارتی مخصوص هر فرد را فراهم می‌سازد.

اصول تطبیقی فرض می‌کند همه افراد به‌جز اشخاص دارای مشکلات فیزیکی و فیزیولوژیکی (مانند بیماری ریناد، اسکلروسیس، پارکینسون، ارتریت و …) یا سلامت روانی و یا معلولیت‌های شناختی که مانع توانایی مطابقت می‌شود، توانمند هستند. طراحان باید توجه داشته باشند که استاندارد 2017-55 به‌صورت مستقیم جمعیت‌های آسیب‌پذیر را پوشش نمی‌دهد.