خانه های کویری

چکیده

با توجه به خصوصیات مناطق کویری ایران، بادگیرها، سقفهای گنبدی و کلاه فرنگی‌ها از بهترین تمهیدات برای به گردش در آوردن جریان هوا و ایجاد سرمایش در ساختمانهای قدیمی بوده‌اند. طراحی بادگیرها، سقفهای گنبدی و کلاه فرنگی ها به نوع ساختمان، ساختار سرمایشی، سرعت و جهت وزش باد، مقطع عبور جریان در گذرها و محل استقرار آنها در ساختمان بستگی دارد. در این مقاله به بررسی تجربی نحوه عملکرد بادگیرها، سقفهای گنبدی و کلاه فرنگی ها، با توجه به مشاهدات تجربی و اندازه‌گیری‌های انجام شده، پرداخته شده است. در ادامه، نحوه خنک سازی آب در آب انبارها با توجه به اندازه گیری درجه حرارت در نقاط مختلف آب انبار مورد بررسی قرار گرفته و نتایج تجربی بدست آمده با نتایج حاصله از حل تئوری، مورد مقایسه قرار داده شده است.

 

 

مقدمه

شهرها و مناطقی که در حاشیه کویر قرار دارند، به علت شرایط اقلیمی حاکم بر آنجا دارای ساختاری مخصوص به خود می‌باشند. از شرایط اقلیمی حاکم بر آنجا می‌توان، آفتاب سوزان، خنکی هوا در شب، بارش اندک نزولات آسمانی همراه با تبخیر بسیار سریع آن، بادهای شدید، طوفانهای شن، تفاوت دمای محسوس بین آفتاب و سایه و همچنین معضل کم آبی را نام برد. مردمی که در این نواحی زندگی می کنند تدابیر خاصی برای مقابله با این شرایط اقلیمی اندیشیده‌اند که می‌توان از متمرکز بودن اماکن و بناها در یک جا، ایجاد خانه هایی با دیوارهای بلند و ضخیم با سقفهای گنبدی و همچنین کوچه های نسبتاً باریک و گهگاه سر پوشیده با طاقهای قوسی را نام برد.

از ویژگی های دیگر، می‌توان به استفاده از خشت خام و گل به عنوان مصالح اصلی ساختمان که احتمالاً قدمت آن به تمدنهای اولیه پارسی می‌گردد اشاره کرد. کمبود مصالحی مانند سنگ، چوب و…  از جمله دلایل اصلی برای انتخاب ساختمانهای خشتی بوده و هزینه های کم و عملکرد حرارتی مناسب، از مهمترین عوامل کاربرد وسیع آنها محسوب می‌شده است.

همچنین حفر قناتهای طولانی و ایجاد آب انبارها برای تأمین آب آشامیدنی و ساخت بادگیرها، سقفهای گنبدی و  کلاه فرنگی ها که در عین زیبایی و زینت بخشیدن به ساختمان، نقش بسیار مهم و ارزنده‌ای در تهویه فضای درونی ساختمانها و آب انبارها که به صورت طبیعی و بدون صرف انرژی دارند را ایفا می نموده است.

1- بررسی تجربی نحوه عملکرد بادگیرها

بادگیر، برجی بلند از آجر و خشت است که چند متر بالاتر از بام ساختمان قرار می گیرد و در مناطق کویری ایران برای تهویه و سرمایش سردابها، آب انبارها و فضای داخلی ساختمانها و همچنین زیر زمین ها بکار می‌رود. چون مناطق کویری ایران دارای انواع بادهای فصلی و روزانه هستند، بادگیرها را در جهتی[1]که این بادها دارای بیشترین سرعت وزش می‍‌باشند بنا می‌کنند. (شکل 1).

شکل 1- بادگیر باغ دولت آباد- یزد

 

1-1- نحوه عملکرد بادگیرها

با عبور جریان هوا از اطراف بادگیر، قسمتی از آن از طریق دهانه ها و بعد کانالهای ورودی به اطاق زیر بادگیر یا حوض خانه انتقال داده می شود. بخشی از جریان هوای وارد شده، به قرینه کانالهای ورودی از کانالهای دیگر خارج می شود که این فرایند مکش جریان هوا به محیط بیرون در اثر وجود اختلاف فشار بین دو وجهی از بادگیر که یکی در مقابل و دیگری در خلاف جهت جریان هوای بیرون قرار دارد ایجاد می‍گردد. با توجه به سرعت جریان هوا، بخشی دیگر از جریان هوای وارد شده به اطاق زیر بادگیر یا حوض خانه پس از برخورد به سطح آب وارد فضاهای دیگر ساختمان می‌شود که در این حالت بادگیر باعث دمش جریان هوا به محیط داخلی ساختمان می شود. نوع دیگر عملکرد بادگیر بدین صورت است که جریان هوا از طریق در و پنجره ها وارد محیط داخلی ساختمان و سپس اطاق زیر بادگیر یا حوض خانه شده و با کل جریان هوای وارد شده از طریق کانالهای ورودی به قرینه، از کانالهای دیگر خارج می شود که در این صورت بادگیر به مانند دودکش فقط جریان هوا را از محیط داخلی ساختمان به فضای خارج مکش می نماید.

اگر در شب هیچ گونه جریان هوایی نداشته باشیم، چون بادگیر در طول روز انرژی گرمایی را در خود ذخیره نموده است به تبادل حرارتی با محیط پیرامون خود می پردازد که در نتیجه هوای اطراف آن گرم شده و به طرف بالا حرکت می نماید. به دلیل اختلاف فشاری که ایجاد می شود هوای محیط داخلی ساختمان از طریق بادگیر به فضای بیرون مکش می شود بنابراین باعث ایجاد تهویه و چرخش جریان هوا در محیط داخلی ساختمان می شود. همچنین در صبحگاه اگر هیچ گونه جریان هوایی نداشته باشیم بادگیر باعث دمش جریان هوا به محیط داخلی ساختمان می شود.

 

2- بررسی تجربی نحوه عملکرد سقفهای گنبدی و کلاه فرنگی ها

در مناطق کویری ایران، سقفهای گنبدی و کلاه فرنگی ها را می توان در کنار بادگیرها بکار برد تا محیط مناسب‌تری برای روزهای گرم تابستان بدست آید. بطور کلی می توان مزایای سقفهای گنبدی و کلاه فرنگی ها را به صورت زیر بیان نمود.

(1)   در صورت نبودن تیرهای چوبی، فولادی یا بتونی، سقفهای گنبدی تنها روش های برای مُسقف کردن مکانهای مسکونی می باشند.

(2)   دمای سطـح سقـف در روز و در چنـد ساعـت اولیـه شب اغلب بیـشتر از دمـای محیـط[2] است. بـه عنـوان مثـال دمـا بـرای یـک سقـف مسطـح از خشت کــم وزن یـا آجـر بـا خصوصیـات تـرمـودینامیـکی، ، در ساعت سه بعد از ظهر یک روز تابستانی با دمای محیط   ، حداکثر  می باشد[2].

سقف گنبدی در مقایسه با یک سقف مسطح و صاف در مناطق کویری، دارای مساحت رویه بیشتر بوده و با توجه به فزون‌تر بودن سرعت جریان هوا از روی سقفهای گنبدی، اتلاف حرارت از طریق جابجایی با محیط (وقتی دمای سطح سقف بالاتر از دمای محیط باشد) زیادتر است. در ضمن دریافت تشعشع خورشیدی که به سقف مسطح می رسد با سقف گنبدی به همان مساحت تقریباً برابر می باشد.

(3)   وقتی باد بر روی یک سقف گنبدی می وزد ، با‌عث مکشی در نوک آن می شود. به عبارتی فشار در رأس گنبد کاهش می یابد که این کاهش فشار را می توان با عبور جریان سیال بر روی کره یا در جهت عمود بر محور یک استوانه توجیه نمود .  چنان که در شکل 2 دیده می‌شود، جریان آزاد سیال در نقطه سکون جلوئی به حالت ساکن در می آید و در این نقطه فشار آن به طور قابل توجهی افزایش می یابد. از این نقطه به بعد با افزایش x ، محور مختصات خط جریان ، فشار کاهش یافته و لایه مرزی تحت تأثیر گرادیان فشار مطلوب  رشد می کند . ولی فشار در نهایت به کمترین مقدار رسیده و رشد لایه مرزی در حضور گرادیان فشار معکوس  در پشت استوانه صورت می‍گیرد [3].

شکل 2- تشکیل لایه مرزی و جدایی روی یک استوانه عمود بر جریان [3].

با ایجاد روزنه ای در نوک سقف گنبدی ، هوای اتاق در هنگام وزش باد از این شکاف خارج می شود . بنابراین تهویه طبیعی از ایـن طریـق در ساختمـان ایجـاد میگردد و حـرکت هـوا در ساختمـان بـه حفظ راحتـی و مطلوب بـودن دمـا بـرای ساکنـان کمـک می‌کنـد. اگـر بر روی سـوراخ ایجـاد شده در نـوک سقف گنبـدی ، پوشش کلاهـی شکل قـرار دهیـم.

(شکل 3 ) ، اختلاف فشار بیشتری ایجاد شده و تهویه بهتر و سریعتر صورت می‌گیرد که به پوشش کلاهی شکل ، کلاه فرنگی می‌گویند . نمونه ای از کلاه فرنگی که در کنار بادگیر واقع شده در شکل 4 نشان داده شده است .

 

1-2- بررسی نحوه عملکرد کلاه فرنگی باغ دولت آباد یزد با مشاهدات تجربی و اندازه گیری درجه حرارت

 

با توجه به مشاهدات تجربی و اندازه گیری درجه حرارت روی کلاه فرنگی عمارت باغ دولت آباد یزد در صورتیکه به جریان هوا رطوبت زده نشود ، درجه حرارت فضای زیر کلاه فرنگی و محیط بیرون مطابق شکل 5 می باشد.

 

شکل 5- نمودار دما برای چهار روز متوالی در ماه جولای 2000 (مرداد 79)

الف- تغییرات دمای محیط بیرون

ب- تغییرات دما در فضای زیر کلاه فرنگی

 

همچنین اگر سرعت باد بطور متوسط از  کمتر باشد بادگیر کنار کلاه فرنگی نقش مکش جریان هوا را دارد.

در این صورت جریان هوا از در و پنجره‌ها وارد محیط داخلی عمارت شده و از طریق کلاه فرنگی و بادگیر به فضای بیرون مکش می‌شود. اگر سرعت باد به طور متوسط از  بیشتر باشد بادگیر کنار کلاه فرنگی نقش دمش جریان هوا را دارد.

در این صورت جریان هوا از بادگیر و سپس اطاق زیر بادگیر به فضاهای دیگر وارد شده و از طریق کلاه فرنگی و در و پنجره‌ها به فضای بیرون انتقال می‌یابد.

3- بررسی چگونگی نگهداری و خنک سازی آب در آب انبارها

در مناطق کویری ایران قبل از آبرسانی به شیوه کنونی و ساخت وسایل مدرن سرمایشی و برودتی از آب انبارها برای ذخیره و خنک نگه داشتن آب جهت تأمین آب آشامیدنی در روزهای گرم سال استفاده می‌شده است . آب انبارها دارای مخازنی به عمق 5 تا 15متر به شکل استوانه یا مکعبی بوده اند [1] که در یکی از شبهای زمستان با سردترین آب ممکن پر   می شده اند. همچنین آب انبارها دارای دو، چهار و یا شش بادگیر و یک سقف گنبدی بر روی مخزن جهت به گردش در آوردن جریان هوا در فضای درونی خود بوده‌اند . امروزه استفاده از آب انبارها به دلیل مسائل بهداشتی تقریباً به طور کامل در ایران منسوخ شده است. (شکل 7).

شکل 7- شماتیک آب انبار و

چگونگی عملکرد آن

 1-3- فرایند خنک سازی آب در آب انبارها

مخزن آب انبارها را از طریق کانالهایی به طول چندین کیلومتر در یکی از سردترین شبهای زمستان آب سرد پر می نمایند. اغلب کانالها رو باز بوده تا آب از طریق سرمایش تبخیری و انتقال حرارت تشعشعی با آسمان خنک شده بطوری که دمای آن تا نزدیکی نقطه انجماد کاهش می یابد . در تابستان آب درونی مخزن به صورت لایه های حرارتی درآمده بطوری که دمای سطح آب با توجه به تبادل حرارت تشعشعی با سقف گنبدی همان دمای محیط داخل آب انبار می باشد و درجه حرارت آب نزدیک به کف تقریباً همان دمای آبی است که مخزن در زمستان با آن پر شده است.

علت لایه بندی حرارتی آب درون مخزن این است که وقتی جریان هوای محیط بیرون از طریق کانالهای ورودی بادگیر به فضای درونی آب انبار وارد می شود ، با برخورد به سطح آب مخزن باعث تبخیر آن شده که در اثر این فرایند لایه سطحی آب ، گرمای خود را از دست می‌دهد و جای خود را با چند لایه گرمتر و زیرین خود به علت جرم مخصوص بیشتر عوض می نماید . شیر برداشت آب از مخزن در پایین ترین نقطه آن قرار داده می شود به نحوی که هیچ گونه اغتشاشی در طبقه بندی حرارتی موجود ایجاد نشود و لایه بندی حرارتی حفظ گردد.

2-3- بررسی و مقایسه نتایج تجربی و تئوری

بها دری و حقیقت (1988) با تحقیقات و مطالعاتی که در مورد آب انبارها انجام داده اند و با توجه به فرضیاتی که در نظر گرفته اند با حل عددی موفق به ارائه نمودار نشان داده شده در شکل 8 شده اند که این نمودار دمای آب در پایین ترین و بالاترین لایه آب مخزن برای کلیه ماههای سال با توجه به دمای متوسط روزانه و نوع خاک پیرامون آب انبار را نشان می دهد.

دمای آب در کف مخزن برای خاک رسی خشک

دمای آب در کف مخزن برای خاک شنی خشک

دمای آب در بالای مخزن برای خاک رسی خشک

دمای آب در بالای مخزن برای خاک شنی خشک

شکل 8- دمای آب درمخزن برای خاک رسی خشک، و * و برای خاک شنی خشک، و *  با دمای آب برای سال اول [4] .

 

بر روی یکی از آب انبارهای شهر یزد که دارای چهار بادگیر چهار وجهی ، یک سقف گنبدی و مخزنی استوانه ای شکل، که به ارتفاع و قطر قاعده یکسان به طول 10mمی‌باشد اندازه‌گیریهایی انجام شده است[3]، آب مخـزن ایـن آب انبـار از فاصـله‌ای در حدود 30 کیلومتر، توسـط کـانـالی کـه در طول مسیـر به دو صـورت رو بـاز و پـوشیده مـی‌باشد تأمـین می‌شده است . در حال حاضر برای جلوگیری از ترکیدن مخزن ، آب آن توسط چاه آبی که در نزدیکی این آب انبار واقع شده تأمین می‌شود. برای دو ماه جولای (تیرماه ) و آگوست (مرداد ماه) سال2001  که گرمترین ماههای سال در ایران می باشند مطابق با شکل 9 ، به طور متوسط دمای آب در کف مخزن به ترتیب 13.2 و 14.2 درجه سانتیگراد و دمای متوسط محیط و تقریباً دمای سطح آب به ترتیب 41 و 39 درجه سانتیگراد می باشد. با توجه به نتایج حاصل از حل عددی و اندازه گیریهای تجربی ، می توان به این نکته اشاره نمود که دمای آب مخزن تابعی از حجم مخزن ، دمای آب اولیه وارد شده به مخزن ، نوع خاک و مقدار رطوبت آن می‌باشد.

شکل 9- (الف) تغییرات دمای محیط(ب) تغییرات دمای آب در کف مخزن

  تغییرات دما در 15 ماه جولای 2001 (24 تیرماه 80)

  تغییرات دما در 15 ماه آگوست 2001 (24 مرداد ماه 80)

 

4- نتایج

بادگیرها با توجه به جهت و سرعت وزش باد از طریق مکش یا دمش جریان هوا باعث به گردش در آمدن جریان هوا در محیط داخلی ساختمان می‌شوند،  همچنین در سقفهای گنبدی و کلاه فرنگی ها اختلاف فشار ایجاد شده در نوک و محیط داخلی ساختمان ، باعث مکش و گردش جریان هوا از محیط داخلی ساختمان به فضای بیرون می‌گردد . به طور کلی قرار گرفتن کلاه فرنگی در کنار بادگیر باعث ورود دبی‌ هوای بیشتر به محیط داخلی ساختمان می شود.

در مناطق کویری ایران برای ذخیره و خنک نگه داشتن آب آشامیدنی مورد نیاز در تابستان از آب انبارها استفاده می شده است، که این آب انبارها را در زمستان با آب سرد پر می‌کردند. در تابستان به دلیل جذب گرما توسط آب، به وسیله هوای محیط که در مجاورت سطح آب در جریان است از طریق انتقال تشعشعی حرارت از سقف آب انبار و در نهایت از کف و دیواره‌ها، یک لایه بندی حرارتی پایدار در راستای عمق آب به وجود می آید. که به علت افت حرارتی ناشی از سرمایش تبخیری سطح آب، دمای آب در لایه های تحتانی ثابت بوده و تقریباً همان دمای آب سردی است که مخزن در زمستان با آن پر شده است. به طور کلی دمای آب مخزن تابعی از حجم مخزن، دمای آب اولیه وارد شده به مخزن ، نوع خاک، مقدار رطوبت آن و نرخ برداشت آب از مخزن می باشد.

5- واژه ها

 ضریب جذب

K  ضریب هدایت حرارتی

 جرم مخصوص

C  گرمای ویژه .

6-    مراجع

1- معماریان، غلامحسین، سیری در معماری آب انبارهای یزد، انتشارات علم و صنعت تهران، 1372.

2- دهقانی، علیرضا و مزیدی، محسن، تعیین جریان کلی هوا در بادگیرها به عنوان عاملهای تهویه مطبوع سنتی درساختمانهای قدیمی ، مجموعه مقالات کنفرانس دانشجویی مهندسی مکانیک ایران، جلد اول، 1379..

3- Incropera, F.P. and Dewitt, D.P.Introduction to heat Transfer, john wiley and sens, pp. 464, 1985.

4- Bahadori, M.N and Haghighat,F. ,long- Term Storage of chilled Water in Cisterns in Hot, Arid Regions, Building and Environment, Vol.23, No.1, pp.29-37, 1988.

5- Bahadori, M .N, Thermal performance of Adobe structures with Domed roofs and  moist Internal surface, Solar Energy, Vol .36. No. 4, pp. 365- 375 , 1986.

6- Bahadori, M .N,Passive cooling systems in Iranian Architecture, Scientific American, pp.144- 145, 1978.