مقدمه
تا قبل از سال 1352 شمسی (1972) کمتر اقدامی در جهت ضرفه جویی در مصرف انرژی صورت گرفته است. با شروع رشد ناگهانی قیمت انرژی از سال 1352 و استمرار افزایش آن، توجه مجامع بین‌المللی جلب شیوه‌های مختلف صرفه‌جویی در مصرف انرژی شده است.
اهمیت مشکل محدودیت منابع انرژی در دسترس، کم و بیش برای کلیه کشورها، اعم از صنعتی و توسعه یافته و یا در حال توسعه در جهان، مشترک است. در حالی که کشورهای توسعه یافته و صنعتی وابستگی شدیدی به انرژیهای فسیلی جهت گردش چرخهای صنعتی صنایع خود و نیز تامین مصارف دیگر دارند، کشورهای در حال توسعه نیز برای توسعه صنایع و تامین مصرف جوامع خود به انرژی بیشتری نیاز دارند. در کشورهای مختلف بسته به میزان فعالیتهای صنعتی بین 30 تا 35 درصد کل انرژی مصرفی در ارتباط با ساختمان استفاده می‌شود. از این میزان حدود 50 الی 60 درصد آن صرف گرمایش و سرمایش ساختمان در فصول مختلف سال می‌گردد. این بدان معناست که از کل انرژی مصری کشور بین 15 تا 20 درصد به مصرف گرمایش و سرمایش فضای مسکونی داخل ساختمانها می‌رسد. بنابراین، اقدامهایی که در جهت ارتقاء کیفیت ساختمان از دیدگاه تبادلات حرارتی صورت پذیرد منتج به صرفه جویی قابل ملاحظه‌ای در مصرف کل انرژی می‌شود.
قسمت بزرگی از اتلاف انرژی گرمایشی و سرمایشی ساختمان از طریق اجزاء پوسته‌ای یعنی سقف، دیوارها، شیشه‌ها و کف صورت می‌گیرد. بنابراین، در میان اقدامهایی که در اجزای پوسته‌ای غیر شفاف ساختمان و نیز دو جداره نمودن شیشه‌ها از موثرترین و مهمترین به شمار می‌رود به کارگیری عایقهای حرارتی در اجزای پوسته‌ای غیر شفاف ساختمان، افزون بر صفه‌جویی دراز مدت در هزینه گرمایش و سرمایش فضای ساختمان آسایش بهتر افراد و صرفه‌جویی در ظرفیت سیستمهای حرارتی و برودتی را نیز به همراه دارد. حجم صرفه‌جوییها به حدی است که سرمایه‌گذاری جهت عایقبندی حرارتی ساختمان، در مدتی کوتاه برگشت می‌نماید.
نگاهی به تجربه جهانی در دو دهه گذشته در جهت تدوین استانداردهایی که به صورتی صرفه جویی انرژی در ساختمان و از جمله عایقبندی حرارتی ساختمان را ضروری می‌سازد، ما را در جهتی که بایستی پیش بگیریم راهنما خواهد بود.
استانداردهای صرفه‌جویی انرژی در ساختمان - تجربه جهانی
بعضی از کشورهای اروپایی اقدامهایی در جهت ترغیب عایقبندی حرارتی ساختمان را از دهه شصت میلادی شروع نمودند. تا اواسط دهه هفتاد بیشتر کشورهای اروپایی و آمریکایی آیین‌نامه و یا استانداردهای مشخصی را در خصوص صرفه‌جویی انرژی در ساختمان تدوین نمودند که هر یک به صورتی عایقبندی اجزای پوسته‌ای ساختمان را ضروری می‌ساخت.
استانداردها عموماً بر دو نوع‌اند: نوع اول حاوی دستورالعملهایی با جزئیات مشخص در خصوص عنصرهایی از ساختمان هستند، مانند: استانداردی که در خصوص کارکرد حرارتی اجزای پوسته‌ای ساختمان، تعیین کننده عایق حرارتی دیوار از نوع خاص و میزان مشخصی باشد. این دسته استانداردها را اصطلاحاً استانداردهای تجویزی[1] گویند. نوع دوم بیشتر متوجه کارآیی جنبه‌ای از ساختمان است. این نوع ممکن است مشخص کند که مصرف انرژی جهت گرمایش در ساختمان نباید بیش از مقدار معینی برای شرایط خاص باشد. این دسته استانداردها را اصطلاحاً استانداردهای کارکردی[2] گویند. بیشتر کشورها با نوع استانداردهای تجویزی که متوجه موارد خاصی از عملکرد حرارتی ساختمان در خصوص موارد متعددی از عملکرد حرارتی ساختمان می‌شد.
برای مثال به چند کشور اروپایی نگاهی گذرا می‌افکنیم:
در انگلستان سقفی برای ضرایب انتقال حرارتی[3] برای هر یک از اجزای پوسته‌ای ساختمان معین شد. کشورهای دیگر از جمله نروژ و سوئد، سقفی برای معدل ضریب انتقال حرارتی نمای ساختمان (دیوار+ شیشه‌ها) قرار دادند. استاندادهای ایرلندی حدودی مجاز را برای کل اتلاف حرارتی ساختمان، بنا بر نسبت حجم به سطوح خارجی ساختمان در نظر گرفتند که بیشتر متمایل به نوع دوم از استانداردها یعنی «کارکردی» است. در فرانسه که پیشتاز در تدوین ضوابط عایقبندی حرارتی در ساختمان است، کل اتلاف حرارتی برای چندین دسته از ساختمانهای مسکونی در سه منطقه اقلیمی محدود شدند. کل اتلاف حرارتی مجاز برای ساختمانی از دسته مشخص توسط ضریب (G) در هر یک از مناطق اقلیمی مشخص می‌شوند که G عبارت است از:
قابل ملاحظه است که ضوابط فرانسه بسیار نزدیک به «کارکردی» صرف است حتی در بعضی از مناطق کشور آمریکا برای بعضی ساختمانهای مسکونی میزان ثابتی بود چه برای انرژی مصرفی در نظر گرفته شده که کاملاً از نوع «کارکردی» است.
در مجموع، عموماً بیشتر کشورها هنوز ترکیبی از استانداردهای تجویزی و کارکردی را با هم به صورتهای گوناگون مورد استفاده قرار می‌دهند. مثلاً ممکن است استانداری به صورت مستقل به دیوار یا سقف و یا پوسته ساختمان مربوط شود.
هر کدام از این دو نوع استاندارد مزایا و مضراتی نسبت به دیگری دارد. نوع تجویزی از لحاظ اجرا و نیز کنترل، ساده‌تر از نوع کارکردی است لیکن نه فقط قوه خلاقیت طراحان و سازندگان را محدود می‌سازد بلکه موجب دلسردی آنان در نوآوریها می‌گردد. از سوی دیگر استانداردهای از نوع کارکردی، نوآوریها و ارائه راه‌حلهای جدید طراحی و اجرایی را تشویق نموده و انعطاف پذیر است ولی در مقابل، ابهام آمیز بوده و نظارت و کنترل اجرای دقیق آن مشکل به نظر می‌رسد، همچنین به دانش فنی بالاتری نیازمند است. بادرک بیشتر و بهتر استانداردها خصوصاً در مورد انرژی در ساختمان و نیز پیشرفت دانش فنی در این زمینه، بیشتر کشورها سعی بر این دارند که استانداردهای «تجویزی» را به استانداردهای «کارکردی» تبدیل کنند.
استانداردهای عایق حرارتی در ساختمان- تجربه جهانی
تدوین استانداردهای عایقبندی برای دیوارها، سقف و کف ساختمانها از اولین اقدامهای انجام شده در جهت تنظیم و صرفه‌جویی مصرف انرژی در ساختمان است. اغلب استانداردها بر مبنای بهینه اقتصادی میزان عایق در اجزای ساختمان تدوین شده‌اند. در محاسبات اقتصادی از روش هزینه‌های دوره‌ای به عنوان مبنا استفاده شده است.
اختلاف دما و اقلیم در تعیین میزان عایق حرارتی در اکثر کشورها به صورت منطقه‌بندی اقلیمی بر مبنای روز درجه گرمایش مورد توجه قرار گرفته است. منطقه‌بندی اقلیمی و محدوده هر منطقه برای کشورهای مختلف متفاوت است. برای مثال، فرانسه به سه منطقه اقلیمی متمایز بر حسب روز درجه گرمایش بشرح ذیل تقسیم‌بندی شده است:
منطقه
روز درجه سالیانه گرمایش
A
B
C
2800
2500
2000
در حالی که این تقسیم بندی برای اسپانیا بشرح ذیل است:
منطقه
روز درجه سالیانه گرمایش
A
B
C
D
400<
800-401
1300-801
1800-1301
کشورهای دیگر نیز منطقه‌بندیهای خاصی را مشابه موارد مذکور اتخاذ نموده‌اند. معمولاً منطقه‌بندی اقلیمی موردی بوده وبستگی به پارامترهایی از جمله: شرایط اقلیمی، ارتفاع، رطوبت، پراکندگی ساختماها در سطح کشور و نیز مطلوبیت میزان یکنواختی استانداردها در سطح کشور دارد. برای هر یک از این مناطق اقلیمی استانداردهایی به صورت بهینه مقدار K یا G و یا صرفاً ذکر ضخامت معینی از عایق حرارتی در اجزای ساختمان تدوین شده است. در کشورهایی که از استانداردهای کارکردی و یا «کارکردی اجزایی[4]» بهره می‌گیرند، فرم، ابعاد، و بافت مجموعه ساختمانی، در میزان استاندارد موثر افتاده و به روشهای مختلفی منظور شده است. در فرانسه کلیه ساختمانها به هفت دسته و برحسب فرم، میزان سطوح عریان خارجی (منظور سطوح حایل بین محیط خارج و فضای داخل ساختمان است) و سطح زیربنای مفید فضای ساختمان، تقسیم شده است. در کشورهای دیگر یک ضریب فرم که از نسبت مساحت سطوح عریان خارجی اجزای پوسته ساختمان بر حجم فضای مفید و یا سطوح زیر بنای مفید به دست می‌آید برای دسته‌بندی ساختمانها استفاده شده است. در بعضی از کشورها که استانداردهای «کارکردی» را مبنا قرار می‌دهند، طبقه‌بندی بین ساختمانها با فرم و ابعاد مختلف وجود ندارد. برای مثال، کلیه ساختمانهای مسکونی بودجه انرژی مشخصی بر حسب واحد زیربنا را دارا هستند.
اهداف و دامنه پروژه
امروزه در ایران هیچ گونه استاندارد و آیین نامه‌ای در خصوص عایقبندی حرارتی ساختمان تهیه و تدوین نشده است. اگرچه در بعضی ساختمانهای صنعتی و یا قطعات پیش ساخته بتنی به صورت پراکنده ممکن است از عایق حرارتی استفاده شود، لیکن هیچ گونه استاندارد علمی و مشخصی رعایت نشده و آیین‌نامه‌ای نیز در این خصوص وجود ندارد.
بنابراین، هدف این پروژه، تعیین بهینه میزان عایق حرارتی برای اجزای پوسته‌ای ساختمانهای مسکونی در ایران است. انتظار می‌رود نتایج به دست آمده در این پروژه مبنای تدوین آیین‌نامه عایقبندی حرارتی ساختمانهای کشور و نیز رسیدن به استانداردهایی در عایقبندی حرارتی ساختمان قرار گیرد.
دامنه مطالعات این پروژه با توجه به مطلب فوق عبارت است از:
1- بررسی مبانی آسایش حرارتی انسان در ساختمان و کیفیت انتقال حرارت از طریق اجزای پوسته‌ای ساختمان،
2- بررسی عملکرد حرارتی ساختارهای پوسته‌ای غیر شفاف ساختمانهای متداول و مرسوم در ایران،
3- تعیین بهینه اقتصادی عایق حرارتی در اجزای پوسته‌ای ساختمانهای مسکونی در اقلیمهای مختلف کشور،
4- تهیه برنامه کامپیوتری جهت تسهیل در محاسبات بهینه میزان عایق.
دامنه کار در این پروژه به ساختمانهای مسکونی محدود است. سایر ساختمانها و نیز صرفه‌جویی انرژی از جنبه‌های دیگر، مانند: درزبندی ساختمان، تاسیسات حرارتی، نور و شیشه اگر چه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است فعلاً نمی‌توان در دامنه کار این پروژه منظور نمود. امید است در پروژه‌ای تکمیلی، این جنبه‌های کارنیز مورد توجه قرار گیرد. روش هزینه‌های دوره‌ای مبنای محاسبات اقتصادی جهت تعیین بهینه میزان عایق در اجزای ساختمانی قرار گرفت. کلیات مسئله به صورت نمونه[5] تدوین و برنامه کامپیوتری جهت انجام محاسبات نوشته شد. این برنامه تسهیلات لازم را برای تکرار محاسبه در صورت تغییراتی در میزان هر یک از پارامترهای موثر در نمونه به وجود می‌آورد. نظر به این که بهینه اقتصادی در محاسبات مورد نظر است مطالعاتی در خصوص تاثیر نوسانهای پارامترهای اقتصادی از جمله قیمت انرژی، نرخ ارزش سرمایه و تورم بر نتیجه کار نیز انجام گرفت. تاثیرات اقتصادی به کارگیری عایق در بعد خرد و کلان نیز مورد مطالعه قرار گرفت تا میزان تاثیر عایقهای حرارتی و فایده‌های بالقوه آن آشکار گردد.
نظر به اینکه در بسیاری از موارد، اطلاعات و داده‌های پایه‌ای در دسترس نبوده ناگزیر از انجام دادن محاسبات اضافی جهت تدوین این گونه اطلاعات شدیم و در مواردی نیز بناچار از مفروضاتی استفاده کردیم که در جای خود به آنها اشاره خواهد شد.
فصل دوم این پروژه به اصول و مبانی آسایش حرارتی و انتقال حرارت از اجزای ساختمان در حد ضرورت میپردازد. درک مناسب این مبانی برای تدوین استانداردها و نیز اجرای آنها حایز اهمیت است و در صورتی که آشنایی قبلی با این مبانی از سوی خواننده وجود دارد الزامی به مطالعه آن نیست.
فصل سوم به بررسی عملکرد ساختارهای پوسته‌ای ساختمانی که در ایران متداول است میپردازد. این بررسی فقط به اجزای غیر شفاف (دیوارها، سقفها و کفها) اختصاص دارد، و دیگر اینکه مبادلات حرارتی آنها و تاثیر به کارگیری عایقهای حرارتی را نیز مورد مطالعه قرار می‌دهد.
فصل چهارم که کانون مطالعه و بررسی این پروژه به شمار می‌رود، عمدتاً به محاسبه بهینه اقتصادی میزان عایق حرارتی برای اجزای پوسته‌ای غیر شفاف ساختمانهای مسکونی در مناطق اقلیمی مختلف ایران پرداخته است. نتایج محاسبات در قالب حداکثر ضریب انتقال حرارت هر یک از اجزای ساختمان (ضریب k) و نیز کل تبادلات حرارتی پوسته ساختمان (ضریب G) تدوین شده است.
فصل پنجم اختصاص به ارزیابی اقتصادی خرد و کلان اجرای عایقبندی در ساختمان به صورت آیین نامه در کشور را، دارد. ضمایم این پروژه حاوی مبانی محاسبات و نیز برنامه کامپیوتری است که از نظر خوانندگان می‌گذرد.
انتقال حرارت از طریق اجزای پوسته‌ای ساختمان
در اکثر مناطق ایران، نوسان روزانه و سالانه دمای هوا طیف وسیعی دارد. در مناطق کوهستانی و سردسیر حداقل دمای هوا در زمستان به طور قابل ملاحظه‌ای پایین‌تر از حد آسایش است. در مناطق کویری، سواحل خلیج‌فارس و دریای عمان، دمای هوا در تابستان بسیار بالاتر از حد آسایش است. در مناطق کویری در فصل تابستان هوا ممکن است در روز خیلی گرم و در شب کاملاً خنک باشد.