إن تعريف المنزل في المفهوم العام هو المكان المصمم من قبل الإنسان ذو جدران، وسقف، وأرضية، يهدف إلى توفير سطح مستوٍ للقيام بالنشاطات اليومية، إضافة إلى توفير الحماية من العوامل الجوية (رياح، عواصف، حر، برد) ومن هجوم الحيوانات، بالإضافة إلى توفير مساحة خاصة بالأفراد.
هذا التعريف يُنبهنا إلى أهمية توفير تصاميم معمارية تلبي حاجة الإنسان من راحة وسكينة، لذلك وجدت هندسة التصميم الشمسي السلبي منذ القدم، حيث إكتشف أحد المعماريين الأوائل في عصر ما قبل التاريخ فكرة أن من الأفضل صنع ثقوب في جدران مسكنه، وقد عرف قدماء اليونان أن شرفات المنازل تستطيع صد شمس الصيف؛ لكنها تسمح بتسلل شمس الشتاء. وفي أمريكا، قام هنود "الأنازاسي" ببناء أكواخ اللبن (الطين) التي عملت على تخزين حرارة النهار لإطلاقها في الليل. وبعد أن عرفت العمارة الإسلامية طريقها لتتميز به عن سائر الطرز والفنون، ظهرت عناصر في المباني والمنازل تخدم التكيف الهوائي والشمسي للمكان، فكان من بينها ما تم إقتباسه من العمارة الرومانية كالأفنية الداخلية، والدرقاعة، والمشربية، والبراجيل، وغيرها من العناصر.
للأسف كل هذه الإكتشافات إندثرت مع بداية الثورة الصناعية، وبدأ استخدام الطاقات الغير متجددة، فقد نسيت الحضارة الحديثة فن التدفئة بواسطة الشمس، حتى أجبرت مصادر الطاقة المتناقصة العلماء على إلقاء نظرة أخرى نحو الطاقة الشمسية، إلا أن أغلب الإهتمام كان ينصب على الأنظمة الإيجابية، وهي التي تستخدم طاقة ميكانيكية أو كهربائية لنقل الحرارة، أما الأنظمة"السلبية" فكانت تعتبر بلا كفاءة، وغير متطورة. وبقيت كذلك حتى أعادت الناس إكتشاف بأن الطاقة الشمسية السلبية عملية فعلاً.
لذلك كان لا بد من دراسة آلية عملها، كيف تنتقل الحرارة من مكان لآخر؟ وكيفية التحكم بها؟ والسؤال الأهم كيفية تصميم منزل ما للحصول على أفضل أداء، وأقل تكاليف؟
في هذا المقال سنعرض ما توصل إليه العلماء من طرق، وآليات تحقق الراحة الحرارية، وإستغلال الإضاءة الطبيعية لتوفير بيئة مناسبة للإنسان بأقل التكاليف.
غلاف المبنى (Building envelope) هو أي عنصر يفصل البيئة الداخلية عن الخارجية، يساعد على مقاومة إنتقال الحرارة، والضوضاء بين الداخل، والخارج.
الراحة الحرارية
الراحة الحرارية هي حالة ذهنية تعبر عن الرضا عن البيئة الحرارية. يشعر معظم الناس بالراحة عند درجة حرارة الغرفة، المتعارف عليها ضمن المجال 20 إلى 22درجة مئوية ولكن بسبب الموضوعية، تختلف الراحة الحرارية لكل فرد. يتم الحفاظ عليها عندما يُسمح للحرارة الناتجة عن التمثيل الغذائي البشري بالتبدد بمعدل يحافظ على التوازن الحراري في الجسم، مما يعني أن الشخص لا يشعر بالدفء الشديد ولا بالبرودة الشديدة.
إنتقال الحرارة
هي حركة الطاقة الحرارية بين نظامين مختلفين في درجة الحرارة. هذان النظامان يمكن أن يكونا كلاهما صلب، أو أحدهما صلب والآخر إما سائل أو غاز، أو حتى داخل السوائل أو الغازات.
آلية نقل الحرارة
كيف يتم نقل الحرارة؟ إذا أردنا منع الحرارة من التسرب من وإلى داخل المبنى لا بد من فهم الآلية التي تنتقل بها الحرارة.
إذا كان هناك إختلاف في درجة الحرارة بين نظامين، ستجد دائماً طريقة للإنتقال من الأعلى إلى النظام السفلي.
يمكن أن تنتقل الحرارة من مكان إلى آخر بثلاث طرق:
* التوصيل:
إنتقال الحرارة بين الأجسام المتلامسة ماديًّا. التوصيل الحراريهو خاصية المادة المتعلقة بتوصيلها للحرارة ويقاس بشكل أساسي من خلال قانون يدعى قانون فورييه للتوصيل الحراري.
* الحمل الحراري:
إنتقال الطاقة بين جسم والوسط المحيط به، بسبب حركة المائع. تعد درجة الحرارة الوسطية مرجعًا لقياس الخواص المتعلقة بإنتقال الحرارة بالحمل.
* الإشعاع:
والمقصود به إنتقال الحرارة عن طريق الإشعاعات مثل الأشعة فوق البنفسجية أو أشعة الليزر التي تحمل قدرًا كبيرًا من الحرارة. جميع أنواع الموجات الكهرومغناطيسية لها طاقة حرارية مختلفة تعتمد على التردد، من ضمنها الأشعة تحت الحمراء التي يمكننا بتصويرها معرفة تسرب الحرارة من البيوت في البلاد الباردة، ومعرفة مدى ممانعة الجدران والنوافذ لتسرب الحرارة إلى الخارج.
فقدان الحرارة:
هو مقياس للإنتقال الكلي للحرارة من خلالها نسيج المبنى من الداخل إلى الخارج أيضاً من التوصيل أو الحمل الحراري أو الإشعاع أو أي توليفة من هؤلاء. عادة ما يتم إعطاء رقم فقدان الحرارة هذا ف ي أي منهما كيلووات (kW) أو الوحدات الحرارية البريطاني (BTUs) ويمثل الطاقة المطلوبة للحفاظ على درجة حرارة الغرفة في أبرد الأيام.
ناتج عن تدفق الحرارة بواسطة تيارات الهواء (يحدث الحمل الحراري الطبيعي عندما يتم تسخين الهواء ويرتفع، مع إرتفاع الهواء ،يتم إستبداله بالهواء البارة). أي عند دخول الهواء البارد إلى داخل المنزل يكتسب الحرارة، مما يؤدي إلى إرتفاعه إلى الأعلى بسبب تمدد الهواء وبالتالي تقل كثافته، فيخرج من الفتحات العلوية داخل المنزل ليحل مكانه الهواء البارد فيستمر فقدان الحرارة. يحدث من خلال:
•تسرب للهواء في غلاف المبنى غير محكم الإغلاق.
•تبادل الهواء من خلال الأنظمة الميكانيكية.
•فتحات الأظرف (الأبواب والنوافذ).
كيف تقلل من فقدان الحرارة بالحمل الحراري؟
عن طريق تقليل فتحات التسريب بإستخدام حواجز الهواء، ومانعات التسريب المناسبة.
2. فقدان الحرارة بالتوصيل
تنتقل الحرارة عبر المادة الصلبة، من منطقة مرتفعة الحرارة إلى منطقة ذات درجة حرارة أقل، حتى يتم الوصول إلى تعادل في درجة الحرارة.
على سبيل المثال: تقوم جدران المنزل (الخارجية) في الشتاء بنقل الحرارة من الجانب الدافئ (الداخلي) إلى الجانب البارد (الخارجي) مما يسبب لفقدان مستمر في درجات الحرارة.
كما تقوم الأرضيات في الطابق السفلي بنقل الحرارة من الجانب الداخلي للمنزل إلى (الأرض الباردة) لتحقيق التوازن الحراري.
لكن، ولأن كون الأرض كتلة حرارية غير محدودة ستستمر في سحب الحرارة من الطابق السفلي.
كيف تقلل من فقدان حرارة التوصيل؟
العزل (طبقات متعددة من الزجاج في النوافذ) يقلل من خسائر التوصيل. بمعنى آخر، قم بزيادة المقاومة (قيمة R) للمواد بين درجتي حرارة مختلفتين. كلما زادت قيمة R ، ينخفض فقد الحرارة.
3. فقدان الحرارة المشعة
يحدث عندما ينطلق الإشعاع الكهرومغناطيسي من المادة الساخنة.
كيف تقلل من فقدان الحرارة المشعة؟
من الصعب منع فقدان الحرارة الإشعاعية. لذا يُنصح باستخدام مادة عاكسة، ليرتد هذا الإشعاع مرة أخرى. أو يمكن استخدام الكتل الحرارية الكبيرة مثل حجر البناء لامتصاص الكثير من الحرارة المشعة أثناء مرورها عبرها.
ملاحظة: الفراغات الهوائية في هذا النوع من فقدان الحرارة غير فعال، لأن الإشعاع الحراري لا يحتاج إلى وسيط للإنتقال (مثل حرارة الشمس التي تصل إلى الأرض عن طريق الإشعاع).
اكتساب الحرارة
تعريف: اكتساب الحرارة هو زيادة الحرارة داخل فراغ نتيجة للتدفئة المباشرة عن طريق الإشعاع الشمسي، والحرارة التي تشعها مصادر أخرى مثل الأضواء أو المعدات أو الأشخاص.
طرق كسب الحرارة:
1. كسب الحرارة بالحمل الحراري.
2. كسب الحرارة بالتوصيل الحراري.
3. اكتساب الحرارة بالإشعاع الحراري.
تشمل مصادر اكتساب الحرارة ما يلي:
• اكتساب الطاقة الشمسية لأشعة الشمس المباشرة من خلال النوافذ.
• اكتساب أشعة الشمس الشمسية مباشرة على أسطح المباني، ويتم تمريرها من خلال الجدران فالأسقف ثم إلى الفضاء.
• الهواء الدافئ الخارجي يتسلل إلى داخل المبنى مما يزيد من الحرارة الداخلية.
• تعمل الإضاءة، والمعدات في الفضاء، وتنتج حرارة.
• الحرارة الناتجة من الناس.
التسخين الشمسي السلبي
التسخين الشمسي السلبي هو أحد أساليب التصميم العديدة التي تسمى مجتمعة التصميم الشمسي السلبي. تستخدم أنظمة التدفئة السلبية إشعاع الموجة القصيرة من الشمس لتوفير غالبية الطلب على التدفئة في المساحات الداخلية للمباني. يسمى هذا النهج "السلبي" لأنه يتم إنجازه بدون استخدام أنظمة "نشطة"مثل الأنظمة الميكانيكية ذات المراوح والمضخات.
ماذا يرمز التصميم الشمسي السلبي؟
إنها تعني العديد من أساليب / إستراتيجيات التصميم، عندما يتم دمجها بشكل صحيح، يمكن أن تساهم في التدفئة، والتبريد، وضوء النهار تقريباً.
تم تصميم المباني الشمسية السلبية للسماح بدخول الحرارة إلى المبنى خلال أشهر الشتاء، وحجب أشعة الشمس خلال أيام الصيف الحارة. يمكن تحقيق ذلك من خلال عناصر تصميم الطاقة الشمسية السلبية مثل التظليل، وتنفيذ النوافذ الكبيرة المواجهة للجنوب (في مناطق النصف الشمالي من الكرة الأرضية)، ومواد البناء التي تمتص حرارة الشمس وتطلقها ببطء.
عادةً ما يتضمن التسخين الشمسي السلبي ما يلي:
1. تجميع الطاقة الشمسية من خلال النوافذ ذات الإتجاه الصحيح والتي (تواجه الجنوب)في النصف الشمالي من الكرة الأرضية، (تواجه الشمال) في النصف الجنوبي من الكرة الأرضية.
(من المهم دراسة حركة الشمس في موقع البناء، ومعرفة ساعة الذروة، وزواياها نسبة إلى المبنى لمعرفة كيفية تصميم فتحات المبنى لتوظيف أشعة الشمس خير توظيف).
2. تخزين هذه الطاقة في "كتلة حرارية" تتكون من مواد بناء ذات سعة حرارية عالية مثل الألواح الخرسانية، والجدران المبنية من الطوب أو أرضيات البلاط.
3. عودة التوزيع الطبيعي للطاقة الشمسية المخزنة إلى مكان المعيشة، عند الحاجة، من خلال اكتساب الحرارة بالحمل الحراري والإشعاع.
4. مواصفات النوافذ للسماح بمعامل اكتساب حرارة شمسي أعلى.
في نظام التسخين الشمسي السلبي، تكون الفتحة (المجمع) عبارة عن منطقة زجاجية (نافذة) كبيرة يدخل من خلالها ضوء الشمس إلى المبنى. عادةً، يجب أن تواجه الفتحة (الفتحات) في حدود 30 درجة من الجنوب الحقيقي، ويجب ألا تكون مظللة بمباني أو أشجار أخرى من الساعة 9 صباحًا حتى الساعة 3 مساءً.كل يوم خلال موسم التدفئة.
الكتلة الماصة
يُعرف السطح الصلب الداكن لعنصر التخزين بالممتص. هذا السطح - الذي يمكن أن يتكون من جدار أو أرضية أو قسم أو وعاء ماء -يقع في المسار المباشر لضوء الشمس. ثم يصطدم ضوء الشمس بالسطح، ويمتص على شكل حرارة.
الكتلة الحرارية
تتكون الكتلة الحرارية من مواد تحتفظ أوتخزن الحرارة الناتجة عن ضوء الشمس. الفرق بين الكتلة الماصة، والحرارية، على الرغم من أنهما غالبًا ما يشكلان نفس الجدار أو الأرضية، هو أن الممتص سطح مكشوف، في حين أن الكتلة الحرارية هي المادة الموجودة أسفل هذا السطح أو خلفه.
يتم وضعه في مكان مثالي داخل المبنى حيث يتعرض لأشعة الشمس الشتوية؛ ولكنه معزول عن البيئة الخارجية للمبنى لتجنب فقدان الحرارة للخارج. تقوم الشمس بتدفئة المادة وتخزين الحرارة بها لتطلق الطاقة الحرارية إلى الداخل أثناء الليل.
توزيع
التوزيع هو الطريقة التي تنتقل بها حرارة الشمس من نقاط التجميع، والتخزين إلى مناطق مختلفة من المبنى. سيستخدم التصميم السلبي تمامًا أنماط نقل الحرارة الطبيعية الثلاث حصريًا – التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع. ومع ذلك، في بعض التطبيقات، قد تساعد المراوح، والقنوات، والمنافخ في توزيع الحرارة عبر المبنى.
التحكم
تشمل العناصر التي تساعد في التحكم في انخفاض درجة حرارة نظام التسخين الشمسي السلبي، وارتفاع درجة حرارته، بروزات السقف، والتي يمكن استخدامها لتظليل منطقة الفتحة خلال أشهر الصيف، وفتحات قابلة للتشغيل التي تسمح أو تقيد تدفق الحرارة، والستائر، والمظلات، والنباتات.
من طرق التحكم بإستخدام النباتات، زراعة النباتات الموسمية أمام النوافذ لتحجب أشعة الشمس في الصيف بينما تسمح بدخولها في فصل الشتاء للإستفادة من حرارة الشمس.
يدخل ضوء الشمس المنزل من خلال النوافذ المواجهة للجنوب، ويضرب أرضيات، وحوائط البناء التي تمتص، وتخزن حرارة الشمس. عندما تبرد لغرفة أثناء الليل، تطلق (الكتلة الحرارية) الحرارة في المنزل.
الكسبغير المباشر
يحتوي المنزل الشمسي السلبي غير المباشر على تخزين حراري بين النوافذ المواجهة للجنوب، ومساحات المعيشة. نهج الكسب غير المباشر الأكثر شيوعًا هو جدار ترومب.
لماذا النوافذ / المناور هي عناصر مهمة للغاية في التصميم البيئي؟
تم تصميم النوافذ، والمناور للسماح للإشعاع الشمسي(الحرارة) بالمرور بأقل قدر من المقاومة، على عكس العناصر غير الشفافة. تسمح الأجهزة الشفافة / الشفافة أيضًا بدخول ضوء النهار إلى المباني وغالبًا ما توفر التهوية المطلوبة.
لماذا يتطلب إهتماماً خاصاً في التصميم البيئي؟
• لا تزال مكونات الأظرف الشفافة / الشفافة هذه تحتوي عادةً على أدنى قيمة R ( أعلى U) من جميع مكونات الظرف.
• تساهم بشكل رئيسي في تسرب الهواء الخارجي مما يزيد من أحمال التدفئة فيفصل الشتاء أو تبريد الصيف.
• يعترفون بالحرارة الشمسية، للأفضل (في الشتاء) أوللأسوأ (في الصيف)
الفرق بين المواد الشفافة / شبه الشفافة
تسمح المادة الشفافة بمنظر غير مشوه بشكل عام (كماهو الحال مع الزجاج الشفاف)؛ مادة شفافة (شبه شفافة) تسمح بمرور الضوء، ولكن ليس الصور التفصيلية (كما هو الحال مع الكتل الزجاجية أو البلاستيك اللبني).
ما الذي يؤثر على عامل Uفي حالة النوافذ؟!
•حجم الفجوة الهوائية بين ألواح التزجيج.
•الطلاءات على ألواح التزجيج.
•تعبئة الغاز المستخدمة بين ألواح التزجيج.
•الهيكل الإنشائي.
كُلما إنخفض معامل U إنخفض تدفق الحرارة لفرق معين في درجة الحرارة.
معامل اكتساب الحرارة الشمسية (SHGC).
يمثل SHGCالنسبة المئوية للإشعاع الشمسي (عبر الطيف) الحادث على نافذة معينة أو مجموعة قوة تنتهي في مبنى كحرارة. إنه مقياس لقدرة النافذة على مقاومة إكتساب الحرارة من الإشعاع الشمسي.
من المستحسن استخدام SHGCالمرتفع (أي المقاومة الضعيفة للكسب الإشعاعي) لتطبيقات التسخين الشمسي، في حين أن انخفاض SHGC)المقاومة الجيدة) أفضل للنوافذ حيث يكون التبريد هو القضية الحرارية السائدة.
تتأثر SHGCبـ:
•نوع الزجاج.
•عدد الأجزاء.
•الصبغ.
•الطلاءات العاكسة.
•التظليل من النافذة أو إطار النافذة العلوية.
النفاذية المرئية (VT):
تمثل هذه الخاصية الحرارية / الضوئية النسبة المئوية للضوء الساقط (الطيف المرئي فقط) بزاوية سقوط طبيعية تمر عبر زجاج معين.
كُلما زادت النفاذية المرئية، زاد إنتقال ضوء النهار.
تأثر VT بما يلي:
•لون الزجاج (الزجاج الشفاف لديه أعلى (V
•الطلاءات
•عدد التزجيج
نسبة الضوء ‐ إلى الشمسية (LSG):
LSG = VT / SHGC
كلما زاد ، LSGكلما كان الزجاج أكثر ملاءمة ضوء النهار في المناخات الحارة (أو في أي مكان يكون فيه التبريد الحالة الحرارية السائدة)، حيث يوجد المزيد من الضوء مرغوب فيه مع إكتساب أقل للطاقة الشمسية.
هذه النسبة هي القياس المستخدم لتحديد ما إذا كانالتزجيج "إنتقائياً طيفياً".
زجاج إنتقائي طيفي:
زجاج النوافذ الانتقائي طيفياً هو نوع خاص من الطلاء المنخفض الانبعاث الذي يسمح بأجزاء معينة من الطيف الشمسي بينما يحجب الآخرين. هذا يعني أنه يحافظ على منزلك بارداً في الصيف، ودافئاً في الشتاء ، دون تقليل الضوء الطبيعي الزجاج منخفض الانبعاث (glass e-low)هو نوع من الزجاج الموفر للطاقة والذي يعكس طاقة الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة ( أو الحرارة). يحتوي زجاج (e-Low)على طلاء غير مرئي يقلل بشكل كبير من انتقال الحرارة.
تكمن المشكلة الحقيقية في تدفئة المنزل في الاحتفاظ بالحرارة التي تنتجها: في الشتاء، يكون الهواء المحيط بمنزلك، والتربة أو الصخور التي يقف عليها دائمًا في درجة حرارة أقل بكثير من درجة حرارة المبنى، لذلك، بغض النظر عن مدى كفاءة التدفئة لديك، سيظل منزلك يفقد الحرارة عاجلاً أم آجلاً.
المفهوم الرئيسي للعزل الحراري
يعمل على تقليل فقد الحرارة من التوصيل، والحمل الحراري، والإشعاع من خلال غلاف المبنى. بمعنى آخر، نحتاج إلى النظر إلى كل باب، وجدار، ونافذة، وسقف، وأي مصدر محتمل آخر لفقدان الحرارة.
إستخدم تقنيات التصميم السلبي جنبًا إلى جنب مع العزل:
مواد العزل الشائعة
كتلة البوليسترين الموسع يتم استخدام الكتل الحرارية المصنوعة من البوليسترين بشكل متكامل بين طبقتين من خليط الركام الخرساني عالي الضغط بنجاح لبناء الجدار الخارجي.
1. ألواح البوليسترين
2. صوف زجاجي
3. ألياف السليلوز
العزل السائب Bulk insulation
يُقاوم العزل السائب بشكل أساسي نقل الحرارة الموصلة، والمحكوم عليها، بالإعتماد على جيوب من الهواء المحتبس داخل هيكله. مقاومته الحرارية هي نفسها بشكل أساسي بغض النظر عن إتجاه تدفق الحرارة من خلاله. يشمل العزل السائب مواد مثل الصوف الزجاجي، والصوف، وألياف السليلوز، والبوليستر،والبوليسترين. جميع منتجات العزل السائبة تأتي بقيمة R واحدة لسمك معين.
العزل العاكس Reflective insulation
عازل حراري يتكون من واحد أو أكثر من الأسطح ذات النفاذية المنخفضة، ويحيط بواحد أو أكثر من الفراغات الهوائية المغلقة. يقاوم بشكل أساسي التدفق الحراري المشع بسبب إنعكاسه العالي وإنخفاض إنبعاثه (القدرة على إعادة إشعاع الحرارة). يعتمد على وجود طبقة هوائية لا تقل عن 19 ملم بجوار السطح اللامع. عادة ما يكون العزل العاكس عبارة عن رقائق ألومنيوم لامعة مغلفة بالورق أو البلاستيك، ومتوفرة على شكل صفائح (سرخس). تُعرف هذه المنتجات معًا بإسم رقائق الرقائق العاكسة أو RFL.
هناك احتمال حقيقي بأن المنزل السلبي يمكن أن ينتشر بسرعة كافية لخلق بيئة خالية من الكربون بحلول عام 2050.
فالنهاية إذا أعجبك المقال يمكنك قراءة المزيد في قسم الهندسة المعمارية أو التوجه مباشرةً من هنا.
توضح الصورة وجود جدار يمتلك كتلة حرارية كبيرة يليه فراغ ثم بعدها نوافذ زجاجية في الجانب الخارجي من المبنى، حيث تقوم أشعة الشمس باختراق النوافذ فتعمل على تسخين الهواء الموجود بالفراغ مما يسبب في تمدده، وبالتالي ارتفاعه للأعلى فيدخل من الفتحة العلوية هواء ساخن، يعمل على تدفئة المبنى بالشتاء، وبسبب التبادل الحراري يبرد الهواء داخل الغرفة؛ فتزداد كثافته مما يجعله يتجه نحو الفتحة السفلية لإعادة تسخينه مرة أخرى، ولتجديد الهواء يمكن فتح الفتحة السفلية الخارجية مع غلق الفتحة السفلية الداخلية.
أما في فصل الصيف تفتح الفتحة العلوية الخارجية لخروج الهواء الساخن من الفراغ إلى الخارج بينما تسمح الفتحة السفلية الداخلية بانتقال الهواء من داخل المبنى ليتجه إلى الخارج مشكلاً مجرى هواء طبيعي وبارد.
الكسب المعزول
مساحة شمسية يمكن إغلاقها من المنزل بأبواب، ونوافذ، وفتحات أخرى قابلة للتشغيل. تُعرف أيضًا باسم حجرة التشمس، أو غرفة الطاقة الشمسية ، أو مقصورة التشمس الإصطناعي التي يتم تسخينها بشكل كبير بواسطة الشمس التي تنقل بعد ذلك بعض حرارتها إلى الفضاء الموجود خلفها.
.avif)
.svg){kind=small}
.avif)
.avif)
.avif)
.avif)
.avif)
.avif)