جرم حرارتی ساختمان | راهنمای کامل عملکرد جرم حرارتی ساختمان در زمستان و تابستان

جرم حرارتی ساختمان چیست؟ نقش جرم حرارتی ساختمان در کاهش مصرف انرژی زمستان و تابستان

جرم حرارتی ساختمان یکی از مهم‌ترین اصول طراحی اقلیمی و ساختمان‌های کم‌مصرف است. دیوارهای آجری، کف‌های بتنی و سایر مصالح دارای جرم حرارتی، گرمای خورشید یا هوای داخل را ذخیره کرده و در زمان مناسب آزاد می‌کنند؛ در نتیجه مصرف انرژی برای گرمایش و سرمایش کاهش یافته و آسایش حرارتی افزایش می‌یابد.

آسایش حرارتی چیست

آسایش حرارتی حالتی است که بیشتر افراد یک محیط، شرایط دمایی را مطلوب ارزیابی می‌کنند. این افراد از نظر گرمایی احساس رضایت دارند. مطالعات نشان می‌دهد اگر حدود ۸۰ تا ۹۰ درصد افراد از شرایط محیط رضایت داشته باشند، آن محدوده در ناحیه آسایش حرارتی قرار می‌گیرد.

ناحیه آسایش ناحیه ای است که دمای هوا، رطوبت نسبی، دمای تابشی میانگین، سرعت حرکت هوا و میزان عایق حرارتی پوشش (Clo)، محیط را از نظر حرارتی مطلوب باشد.که این دما با سیستم و محصولات تهویه مطبوع مانند هواساز، چیلر، داکت اسپلیت تامین می شود.

نظریه فنگر و استانداردهای آسایش حرارتی

پایه‌های علمی ناحیه آسایش توسط P. O. Fanger بنا نهاده شد. وی با انجام مطالعات گسترده آزمایشگاهی، رابطه میان احساس حرارتی انسان و متغیرهای محیطی و فردی را به‌صورت ریاضی بیان کرد و شاخص‌هایی را برای پیش‌بینی میزان رضایت افراد از شرایط حرارتی ارائه داد.

این شاخص‌ها درصد افراد دارای آسایش حرارتی را برآورد می‌کنند و در یک دمای مشخص، شرایط محیط را از نظر حرارتی مطلوب ارزیابی خواهند کرد.

یافته‌های . Fanger مبنای تدوین استانداردهای معتبر بین‌المللی در زمینه آسایش حرارتی قرار گرفته است استانداردهایی نظیر ISO 7730 و ASHRAE Standard 55 از مدل فنگر استفاده می‌کنند. این استانداردها، معیارهای طراحی و ارزیابی محیط‌های داخلی ساختمان را بر اساس شاخص‌های آسایش حرارتی ارائه می‌کنند.

پژوهشگران این نمودارها را تهیه کرده‌اند در این استانداردها،آسایش حرارتی برای افرادی با فعالیت متابولیکی سبک (نشسته یا فعالیت اداری) و در سطوح مختلف عایق حرارتی لباس (Clo) به کار گرفته شده است.

مهندسان تأسیسات از این نمودارها برای تعیین دمای طراحی استفاده می‌کنند.

شکل 1 رابطه درصد افراد برخوردار از آسایش با دمای متوسط

محدوده آسایش در ساختمان‌ها

بر اساس مطالعات آسایش حرارتی، با تغییر دمای محیط، درصد افرادی که شرایط حرارتی را مطلوب ارزیابی می‌کنند نیز تغییر می‌یابد. این رابطه معمولاً به‌صورت نمودار «درصد افراد برخوردار از آسایش در برابر دمای متوسط» نمایش داده می‌شود و مبنایی برای تعیین محدوده دمای آسایش در استانداردهای طراحی ساختمان است.

در ساختمان‌های دارای تهویه طبیعی، محدوده آسایش حرارتی به‌صورت۷± درجه سلسیوس پیرامون دمای خنثی حرارتی (Thermal Neutrality Temperature) هر منطقه در نظر گرفته می‌شود. دمای خنثی حرارتی، دمایی است که در آن اغلب افراد نه احساس گرما دارند و نه احساس سرما و از نظر حرارتی در وضعیت تعادل قرار می‌گیرند.

این دما در مناطق مختلف جهان یکسان نیست، زیرا انسان‌ها به‌تدریج خود را با شرایط اقلیمی محل زندگی سازگار می‌کنند. به همین دلیل، توانایی تحمل شرایط حرارتی در میان ساکنان مناطق مختلف متفاوت است.

بدن انسان با تغییر فصل‌ها سازگار می‌شود. در زمستان تحمل دماهای پایین‌تر افزایش می‌یابد و در تابستان بدن آمادگی بیشتری برای تحمل دماهای بالاتر پیدا می‌کند. همچنین، افرادی که در اقلیم‌های گرم زندگی می‌کنند، معمولاً دماهای بالا را با آسودگی بیشتری نسبت به ساکنان مناطق سردسیر یا مرتفع تحمل می‌کنند. در مقابل، ساکنان مناطق سرد یا کوهستانی قادرند بدون ایجاد احساس ناراحتی، در دماهای پایین‌تری نسبت به ساکنان اقلیم‌های گرم به فعالیت روزمره خود ادامه دهند.

شکل 2 این تفاوت‌های اقلیمی و سازگاری انسان با محیط را به‌صورت گرافیکی نشان می‌دهد. این نمودار بر اساس روابط ریاضی ارائه‌شده تو بیانگر تأثیر سازگاری اقلیمی بر محدوده آسایش حرارتی انسان است.

شکل 2 تفاوت‌های اقلیمی و سازگاری انسان با محیط

مزایای تأمین آسایش حرارتی در ساختمان‌ها

یکی از مهم‌ترین مزایای طراحی حرارتی مناسب، ارتقای سلامت و رفاه ساکنان است. انتخاب صحیح سیستم تهویه مطبوع مانند پکیج پشت بامی، هواساز، VRF و داکت اسپلیت نیز این هدف را تقویت می‌کند.

هنگامی که شرایط حرارتی داخل ساختمان در محدوده مطلوب قرار داشته باشد، ساکنان برای گرم یا سرد کردن محیط اطراف خود به انرژی کمتری نیاز خواهند داشت. در نتیجه، بهبود آسایش حرارتی ساختمان می‌تواند موجب **کاهش هزینه‌های گرمایش و سرمایش** شود.

کاهش مصرف انرژی نیز به‌طور مستقیم باعث کاهش انتشار **گازهای گلخانه‌ای (GHG)** و اثرات زیست‌محیطی ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی خواهد شد.

مطالعات انجام‌شده در آفریقای جنوبی نشان داده است که عملکرد حرارتی ضعیف ساختمان‌های کم‌درآمد و ساخت‌وسازهای غیررسمی، موجب تحمیل هزینه‌های نامتناسب انرژی برای گرمایش و سرمایش به اقشار کم‌برخوردار جامعه می‌شود. این در حالی است که با به‌کارگیری اصول صحیح طراحی حرارتی و رعایت الزامات آسایش، می‌توان شرایط زندگی این گروه‌ها را بهبود بخشید و هزینه‌های انرژی آن‌ها را کاهش داد.

انجمن آجر رسی آفریقای جنوبی با انجام پژوهش‌های مستقل نشان داده است که ساختمان‌هایی که دارای **عملکرد حرارتی بهینه در دیوارها** بوده و با استفاده از **آجر رسی** و سطوح مناسب **مقاومت حرارتی (Thermal Resistance)** ساخته شده‌اند، انرژی کمتری برای گرمایش و سرمایش مصرف می‌کنند و از نظر هزینه بهره‌برداری، اقتصادی‌ترین گزینه برای ساکنان محسوب می‌شوند.

به‌کارگیری آسایش حرارتی انسان در طراحی ساختمان

طراحان ساختمان با انتخاب صحیح مصالح، شرایط آسایش حرارتی را ایجاد می‌کنند. دمای هوای داخلی ساختمان در حدود ۸۰ درصد از محدوده آسایش حرارتی انسان باید قرار گیرد. این هدف از طریق استفاده صحیح از ویژگی‌های حرارتی اجزای ساختمان، به‌ویژه مقاومت حرارتی و ظرفیت حرارتی (Thermal Mass)دیوارها و کف‌ها، قابل دستیابی است.

کنترل دمای داخلی ساختمان

با طراحی مناسب پوسته ساختمان نوسانات دمای داخلی را کنترل می‌شود. این کار تغییرات دمای روزانه را در محدوده آسایش حرارتی نگه می‌دارد.

مزایای طراحی مناسب پوسته ساختمان:

نیاز به گرمایش در فصل زمستان به حداقل برسد؛
افزایش دمای داخلی در روزهای گرم تابستان کنترل شود؛
دمای اوج داخل ساختمان از حد بالای محدوده آسایش تابستانی فراتر نرود.

بنابراین، دمای هدف یا حداکثر دمای مجاز روزانه داخل ساختمان باید در مراحل طراحی معماری و انتخاب مصالح ساختمانی لحاظ شود تا مصرف انرژی به حداقل ممکن برسد.

روش‌های ارزیابی عملکرد حرارتی ساختمان

میزان نوسان مجاز دما در ساختمان را می‌توان با استفاده از روش CR Method که در استاندارد SANS 204: Energy Efficiency in Buildings ارائه شده است، یا با بهره‌گیری از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی انرژی ساختمان، بر اساس مشخصات طراحی و مصالح مورد استفاده محاسبه کرد.

دمای متوسط تابشی (MRT) و آسایش حرارتی

اهمیت دمای متوسط تابشی در آسایش حرارتی، یکی از عوامل کلیدی در دستیابی به آسایش حرارتی، اطمینان از آن است که دمای سطوح داخلی ساختمان، شامل دیوارها، کف‌ها و سقف‌ها، به‌طور میانگین نزدیک به دمای هوای داخل باشد.

این پارامتر که با عنوان دمای متوسط تابشی (Mean Radiant Temperature – MRT) شناخته می‌شود، نقش مهمی در احساس حرارتی انسان دارد و از طریق طراحی مناسب مقاومت حرارتی و ظرفیت حرارتی اجزای ساختمان قابل کنترل است.

حفظ دمای متوسط تابشی در نزدیکی دمای مطلوب هوای داخلی اهمیت زیادی دارد، زیرا احساس آسایش حرارتی انسان تنها تحت تأثیر دمای هوا نیست؛ بلکه تقریباً:

دو سوم احساس آسایش حرارتی ناشی از تبادل تابشی با سطوح اطراف است؛

یک سوم باقی‌مانده ناشی از اثرات هدایت و جابه‌جایی حرارت از طریق هوای محیط است.

ازاین‌رو، طراحی پوسته ساختمان با تأکید بر ویژگی‌های حرارتی مصالح، جرم حرارتی مناسب و مقاومت حرارتی کافی، یکی از مهم‌ترین راهکارها برای ایجاد محیط داخلی آسوده، کاهش مصرف انرژی و افزایش بهره‌وری ساختمان محسوب می‌شود.

راهبردهای طراحی غیرفعال برای اقلیم‌های مختلف آفریقای جنوبی (RSA) و خاورمیانه

اگر هدف طراحی، ایجاد شرایطی باشد که ۸۰ درصد ساکنان ساختمان در محدوده آسایش حرارتی قرار گیرند، لازم است ساختمان‌های مسکونی در تمام ساعات بهره‌برداری، در محدوده دمای خنثی حرارتی (Thermal Neutrality) مربوط به منطقه اقلیمی خود باقی بمانند. البته ساختمان‌هایی که تنها در ساعات روز مورد استفاده قرار می‌گیرند، ممکن است به سطح پایین‌تری از این الزام نیاز داشته باشند.

شرایط زمستانی

در شرایط زمستانی، در بسیاری از مناطق مرتفع و جنوبی آفریقای جنوبی، محدوده دمای خنثی حرارتی (با در نظر گرفتن سازگاری اقلیمی ساکنان) معمولاً بالاتر از دامنه نوسانات دمای روزانه قرار دارد. بنابراین، بهره‌گیری از گرمایش طبیعی خورشیدی از طریق تابش خورشید که از پنجره‌ها وارد فضای داخلی می‌شود، اهمیت ویژه‌ای دارد.

در اغلب این مناطق، برای رساندن شرایط داخلی به سطح آسایش حرارتی انسان، استفاده از سیستم‌های گرمایشی ضروری است؛ به‌جز نواحی ساحلی شرقی، منطقه Lowveld و دره Limpopo که به دلیل شرایط اقلیمی گرم‌تر، نیاز کمتری به گرمایش دارند.

با استفاده از راهکارهای مناسب طراحی غیرفعال می‌توان نیاز به گرمایش را کاهش داد. این راهکارها شامل موارد زیر است:

اجرای عایق‌کاری مناسب سقف برای کاهش اتلاف حرارت؛
طراحی بهینه پنجره‌ها با توجه به جهت، ابعاد و میزان دریافت تابش خورشیدی؛
افزودن عایق حرارتی در فضای خالی دیوارهای دو جداره (Cavity Wall Insulation)؛
افزایش ضخامت دیوارهای رو به شمال برای بهره‌گیری بیشتر از ظرفیت حرارتی و جذب انرژی خورشیدی؛
استفاده از عایق‌کاری پیرامونی ساختمان (Perimeter Insulation) در اطراف کف و پی برای کاهش انتقال حرارت به زمین.

اجرای این اقدامات باعث کاهش بار گرمایشی ساختمان و بهبود عملکرد حرارتی پوسته خارجی خواهد شد.

شرایط گرم و تابستانی

در بسیاری از اقلیم‌های معتدل آفریقای جنوبی، در شرایط گرم، محدوده دمای خنثی حرارتی در داخل دامنه نوسانات دمای روزانه قرار می‌گیرد. در چنین مناطقی، دستیابی به آسایش حرارتی داخلی بدون استفاده گسترده از سیستم‌های سرمایشی و صرفاً با کاهش دامنه تغییرات دمای داخل ساختمان امکان‌پذیر است.

این هدف با استفاده از راهبردهای طراحی غیرفعال زیر قابل دستیابی است:

افزودن عایق حرارتی در سقف برای کاهش انتقال گرمای تابشی از بام؛
استفاده از عناصر ساختمانی با جرم حرارتی بالا (High Thermal Mass)، مانند دیوارهای ساخته‌شده از آجر رسی، به منظور جذب و تأخیر در انتقال گرما؛
بهره‌گیری از تهویه و سرمایش شبانه (Night Cooling/Night Ventilation) برای تخلیه گرمای ذخیره‌شده در جرم حرارتی ساختمان؛
اجرای عایق‌کاری دیوارها، پیرامون ساختمان و ناحیه پی برای کاهش ورود گرمای خارجی؛
جلوگیری از ورود تابش مستقیم خورشید با استفاده از سایه‌بان و کنترل تابش پنجره‌ها.

در مجموع، طراحی غیرفعال ساختمان با تمرکز بر جهت‌گیری مناسب، کنترل تابش خورشیدی، استفاده صحیح از جرم حرارتی و عایق‌کاری پوسته، می‌تواند بدون وابستگی زیاد به تجهیزات مکانیکی گرمایش و سرمایش، شرایط آسایش حرارتی پایدار و مصرف انرژی پایین را فراهم کند.

منابع (References):

ASHRAE Standard 55 – Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE).
International Organization for Standardization. (2025). ISO 7730:2025 – Ergonomics of the thermal environment — Analytical determination and interpretation of thermal comfort using calculation of the PMV and PPD indices and local thermal comfort criteria. Geneva, Switzerland: ISO.