بررسی تطبیقی انواع فرم آتریوم و هندسه نورگیر آن در راستای کاهش مصرف انرژی ساختمان‌های آموزشی در شهر تهران

کشتکار قلاتی, احمدرضا; فرح خیز, مریم

doi:10.22034/usd.2024.2014712.1154

بررسی تطبیقی انواع فرم آتریوم و هندسه نورگیر آن در راستای کاهش مصرف انرژی ساختمان‌های آموزشی در شهر تهران

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

احمدرضا کشتکار قلاتی ¹

مریم فرح خیز ²

¹ استادیار، گروه معماری، دانشکده هنر و معماری، دانشگاه خوارزمی، تهران، ایران.

² دانش‌آموخته کارشناسی ارشد معماری و انرژی، گروه معماری، دانشکده معماری، مؤسسه آموزش عالی رسام، کرج، ایران.

10.22034/usd.2024.2014712.1154

چکیده

استفاده از نور طبیعی روز در ساختمان‌ها موجب ارتقاء کیفیت فضای داخلی و کاهش مصرف انرژی می‌گردد که این امر به خصوص در کاربری‌هایی که بار استفاده فراوان در طول روز دارند، مانند فضاهای اداری و آموزشی، اهمیت بیشتری دارد. آتریوم‌ها به عنوان ابزار مؤثر دریافت نور طبیعی در ساختمان، می‌توانند علاوه بر کاهش هزینه انرژی ناشی از نور مصنوعی، آسایش بصری، رفاه و راحتی ساکنان را در حین کار بهبود بخشند. برای طراحی مناسب آتریوم، به گونه‌ای که نور طبیعی بدون تلفات انرژی در فضا انتشار یابد، لازم است متغیرهای طراحی که تأثیر مستقیم بر بازدهی کارکرد حرارتی دارند، شناسایی شوند. این متغیرها شامل مصالح، فرم آتریوم و هندسه سقف نورگیر آن می‌شوند. هدف از این مطالعه مقایسه انواع فرم بدنه آتریوم و سقف نورگیر آن در یک فضای آموزشی دبستان در اقلیم تهران، در راستای بهینه‌سازی مصرف انرژی است. در این راستا دو مؤلفه فرم (پلان آتریوم) و هندسه نورگیر سقف در یک فضای آموزشی دبستان، با استفاده از نرم‌افزار دیزاین‌بیلدر شبیه‌سازی و از موتور انرژی‌پلاس برای محاسبات بهره‌گیری و از نرم‌افزار اکوتکت جهت اعتبارسنجی نتایج استفاده گردید. نتایج نشان می‌دهد که در پلان‌های مختلف آتریوم با مساحت مشابه، فرم آتریوم با پلان دایره بهترین و پلان مستطیل ضعیف‌ترین کارکرد را در کارآیی انرژی ساختمان دارد. همچنین در خصوص هندسه نورگیر سقف، آتریوم با فرم پلان دایره و کلاهک مسطح نسبت به سایر فرم‌ها عملکرد بهتری در کارآیی انرژی دارد. بنابراین می‌توان گفت افزایش کشیدگی پلان آتریوم و همچنین افزایش بیرون‌زدگی کلاهک نورگیر آن موجب کاهش کارآیی انرژی ساختمان خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

کارآیی انرژی

فرم آتریوم

نور روز

ساختمان آموزشی

شهر تهران

20.1001.1.27170128.1404.6.18.5.8

موضوعات

معماری

عنوان مقاله English

A Comparative Study of the Types of Atriums Form and Skylight to Improve the Energy Efficiency in Educational Buildings in Tehran

نویسندگان English

Ahmadreza Keshtkar Ghalati ¹

Maryam Farahkhiz ²

¹ Assistant Professor, Department of Architecture, Faculty of Art and Architecture, Kharazmi University, Tehran, Iran.

² M.Sc. in Architecture and Energy, Department of Architecture, Faculty of Architecture, Rassam Institute of Higher Education, Karaj, Iran.

چکیده English

Atrium, as a passive light absorbing solution, in addition to having positive psychological effects due to creating a connection between indoor and outdoor space, may increase the heat in the hot season of the year and increase the cooling load if there is no ventilation and shading on the glass surfaces. Therefore, the atrium should be measured with criteria and patterns of energy consumption reduction, otherwise, it will impose a significant energy load on the building. Many studies on the daylighting of atriums have been investigated and have shown that the daylighting performance of an atrium largely depends on its geometrical characteristics. The main features of atriums can be categorized into three parts: (1) skylight system (skylight height, shape, scale); (2) atrium form (well height, shape, scale); and (3) surrounding interface (corridors, windows, etc.). In this research, two important components of the atrium form and the geometry of the roof skylight have been investigated. The purpose of this study is to compare the different forms of the atrium body and its skylight roof in an educational space in order to optimize energy consumption. For this purpose, Design Builder software has been used for data simulation and analysis, as well as Energy Plus engine for calculations. In this regard, the initial model with three different plans of the atrium was simulated in the design-builder software and the optimal plan was determined according to the amount of energy consumption, and then three types of skylight roofs were added to the atrium and the amount of energy consumption in them was checked again. In this project, the dimensions of the plans are considered so that they have the same area. In the first stage of the research, three plans with the same areas with three forms of circle, square, and rectangle are simulated and the amount of energy consumption in each is obtained. At this stage, the energy analysis results obtained from three atrium forms are compared, then the most optimal form is selected in terms of energy consumption. Calculations related to energy consumption have been evaluated separately and the amount of energy consumed by equipment, lighting, heating, cooling, and the amount of energy for hot water consumption have also been determined. The results show that in different atrium plans with the same area, in the circular plan, the total energy consumption is 215.5 (MWh), and this amount is 215.9 (MWh) in the square plan and 216.77 (MWh) in the rectangular plan. Therefore, the atrium plan form with a circular plan has the best function and the rectangular form has the weakest energy efficiency. In the second step, three forms of spherical, flat, and cylindrical skylights with a height of 1.20 were simulated. The results showed that the amount of energy consumption in the building with a flat skylight is 207.1 (MWh), in the atrium with a spherical skylight is 222.83 (MWh), and in the atrium with a cylinder skylight is 215.5 (MWh). Therefore, it can be concluded that the atrium with a circular plan form and a flat skylight has a more effective energy efficiency than other forms.

کلیدواژه‌ها English

Energy Efficiency

Atriums Form

Daylight

Educational Building

Tehran City

اقبالی، فاطمه، فرخ‌زاد، محمد، و پژوهان‌فر، مهدیه. (1396). کنترل دست‌یابی به نور طبیعی روز در آتریوم‌های میانی ساختمان‌ها. پنجمین کنگره بین المللی عمران، معماری و توسعه شهری، تهران: دبیرخانه دائمی کنفرانس.

https://civilica.com/doc/735582

تقی‌پور میزانی، الهام، رشیدکلویر، حجت اله، و اکبری، حسن. (1399). بررسی تاثیر شکل سقف آتریوم بر دریافت روشنایی داخلی آتریوم در فضاهای آموزشی شهر تبریز. نامه معماری و شهرسازی، 13(29)، 111-97.

https://doi.org/10.30480/aup.2020.836

تورانی، احمدرضا، مفیدی شمیرانی، سید مجید، و طاهباز، منصوره. (1396). سنجش میزان تأثیر زاویه تمایل آتریوم بر آسایش بصری دانش‌آموزان توسط کارایی نور روز در ساختمان‌های آموزشی شهر تهران (یک مطالعه میدانی و شبیه سازی). پژوهش و برنامه ریزی شهری، 8(31)، 266-249.

https://dorl.net/dor/20.1001.1.22285229.1396.8.31.13.1

چشمه‌نور، محیا، مهدیزاده سراج، فاطمه، و یزدانفر، سید عباس. (1398). تأثیر جانمایی فضاهای داخلی مجاور آتریوم‌ از نظر پراکنش نور و حرارت دریافتی (مطالعه موردی: ساختمان اداری پژوهشگاه نیرو). معماری و شهرسازی پایدار، 7(2)، 134-119.

https://doi.org/10.22061/jsaud.2020.4617.1363

دفتر تدوین مقررات ملی ساختمان. (1399). مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان ایران (صرفه‌جویی در مصرف انرژی). ویرایش چهارم، تهران: نشر توسعه ایران.
زﻣﺮدﯾﺎن، زﻫﺮاﺳﺎدات، و ﺗﺤﺼﯿﻠﺪوﺳﺖ، ﻣﺤﻤﺪ. (1394). اﻋﺘﺒﺎرﺳﻨﺠﯽ ﻧﺮم‌اﻓﺰارﻫﺎی ﺷﺒﯿﻪ‌ﺳﺎزی اﻧﺮژی در ﺳﺎﺧﺘﻤﺎن: ﺑﺎ روﯾﮑﺮد ﺗﺠﺮﺑﯽ و ﻣﻘﺎﯾﺴﻪ‌ای. انرژی ایران، 18(4)، 132-115.

https://necjournals.ir/article-1-803-fa.html

زین‌العابدین زاده، سمانه، مدی، حسین، و مافی، مصطفی. (1400 الف). تحلیل عملکرد مصرف انرژی مجتمع تجاری الماس شرق بر مبنای مناسب‌ترین نوع شیشه اتریوم و رنگ آبی لاجوردی با نماد معماری اسلامی. مطالعات هنر اسلامی، 18(42)، 457-442.

https://doi.org/10.22034/ias.2020.225968.1222

زین‌العابدین‌زاده، سمانه، مدی، حسین، و مافی، مصطفی. (1400 ب). تحلیل عملکرد فرم و ارتفاع سقف نورگیر داخلی مرکزی ساختمان‌های تجاری اقلیم سرد و خشک (شهر مشهد). علوم و تکنولوژی محیط زیست، 23(3)، 71-57.

https://doi.org/10.30495/jest.2020.47878.4844

فرح‌خیز، مریم، وکشتکار قلاتی، احمدرضا. (1401). تحلیل الگوی آتریوم در بهینه‌سازی مصرف انرژی. دومین کنفرانس بین‌المللی معماری، عمران، شهرسازی، محیط زیست و افق‌های هنر اسلامی در بیانیه گام دوم انقلاب. تبریز: دانشگاه هنر اسلامی تبریز.

https://civilica.com/doc/1613017

عبدلی، سید سجاد، و موسوی، روح الله. (1396). بررسی تأثیر تناسبات و شکل آتریوم‌ها بر بهینه‌سازی انرژی در اقلیم سرد و کوهستانی. مجله مهندسی مکانیک دانشگاه تبریز، 47(4)، 189-183.

https://tumechj.tabrizu.ac.ir/article_7451.html

کاظم‌زاده، مرضیه، قبادیان، وحید، و طاهباز، منصوره. (1394). آتریوم و روشنایی فضای داخلی ساختمان های اداری (بررسی تأثیر فرم سقف آتریوم بر دریافت روشنایی داخلی). معماری و شهرسازی آرمان شهر، 8، 61-53.

https://www.armanshahrjournal.com/article_39334.html

نصراللهی، نازنین، عبدالله‌زاده، صفورا، و لیتکوهی، ساناز. (1396). بررسی تأثیر آتریوم بر شرایط محیط داخلی، آسایش حرارتی ساکنان و میزان مصرف انرژی در ساختمان‌های اداری، نمونه موردی: شهر تهران. معماری و شهرسازی آرمان‌شهر، 10(21)، 138-125.

https://www.armanshahrjournal.com/article_58595.html

Aizlewood, M.E. (1995). Daylighting of atria: A critical review. Proceedings of the 1995 ASHRAE Annual Meeting. San Diego: ASHRAE.

https://www.osti.gov/biblio/211845

Bajracharya, S. (1997). Computer simulation of thermal izof atriums. Master's thesis, Faculty of Mechanical engeeniring, University of Calgary, Calgary, Calgary, Canada.

http://hdl.handle.net/1880/26688

Bendar, M. J. (1986). The New Atrium. New York: McGraw-Hill Book Company.
Chow, S.K.H., Li, D.H.W., Lee, E.W.M., & Lam, J.C. (2013). Analysis and prediction of daylighting and energy performance in atrium spaces using daylight-linked lighting controls. Applied Energy, 112, 1016–1024.

https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.12.033

Danielski, I., Nair, G., Joelsson, A., & Fröling, M. (2016). Heated atrium in multi-storey apartment buildings, a design with potential to enhance energy efficiency and to facilitate social interactions. Building and Environment, 106, 352–364.

https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2016.06.038

Dong, L., He, Y., Qi, Q., & Wang, W. (2022). Optimization of Daylight in Atrium in Underground Commercial Spaces: A Case Study in Chongqing, China. Energy and Buildings, 256, 111739.

https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2021.111739.

Du, J., & Sharples, S. (2012). The Assessment of Vertical Daylight Factors across the Walls of Atrium Buildings, Part 2: Rectangular Atria. Lighting Research & Technology, 44(2), 124–138.

https://doi.org/10.1177/1477153511412531

Esquivias, P.M., Navarro, J., & Muñoz, C.M. (2011). Hacia la optimizacion del aprovechamiento de la luz natural a través del diseño de huecos. Comunicaciones de las Jornadas Técnicas Greencities: 2º Salón de la Eficiencia Energética en Edificación y Espacios Urbanos, Málaga: University of Málaga.

https://scholar.google.com/citations?view_op=view_citation&hl=en&user=aCWb6nIAAAAJ&citation_for_view=aCWb6nIAAAAJ:u-x6o8ySG0sC

Ghasemi, M., Kandar, M.Z., & Noroozi, M. (2016). Investigating the Effect of Well Geometry on the Daylight Performance in the Adjoining Spaces of Vertical Top-Lit Atrium Buildings. Indoor and Built Environment, 25(6), 934–948.

https://doi.org/10.1177/1420326X15589121.

Ibrahim, I., Al Badri, N., Mushtaha, E., & Omar, O. (2022). Evaluating the Impacts of Courtyards on Educational Buildings, Case Study in the University of Sharjah. Sustainability, 14(1), 141.

https://doi.org/10.3390/su14010141.

Li, J., Ban, Q., Chen, X., & Yao, J. (2019). Glazing Sizing in Large Atrium Buildings: A Perspective of Balancing Daylight Quantity and Visual Comfort. Energies, 12(4), 701.

https://doi.org/10.3390/en12040701.

Littlefair, P. (2002). Daylight Prediction in Atrium Buildings. Solar Energy, 73(2), 105–109.

https://doi.org/10.1016/S0038-092X(02)00038-5

Mahlabani, Y.G., Araei, R.A., Boushehri, A.M., & Alamuti, Z.M. (2019). A Study of Optimal Area of Atrium for Daylight Utilization (Case Study: Administrative Building in Qazvin, Iran). Architectural Engineering & Urban Planning, 29(1), 39–46.

http://dx.doi.org/10.22068/ijaup.29.1.39

Mohsenin, M., & Hu, J. (2015). Assessing Daylight Performance in Atrium Buildings by Using Climate Based Daylight Modeling. Solar Energy, 119, 553–560.

https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.05.011.

Omrany, H., Ghaffarianhoseini, A., Berardi, U., Ghaffarianhoseini, A., & Li, D.H.W. (2020). Is atrium an ideal form for daylight in buildings? Architectural Science Review, 63, 47–62.

https://doi.org/10.1080/00038628.2019.1683508

Piraei, F., Matusiak, B., & Lo Verso, V.R.M. (2022). Evaluation and Optimization of Daylighting in Heritage Buildings: A Case-Study at High Latitudes. Buildings, 12(12), 2045.

https://doi.org/10.3390/buildings12122045.

Pitts, A., & Bin Saleh, J. (2007). Potential for energy saving in building transition spaces. Energy and Buildings, 39(7), 815– 822.

https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2007.02.006

Rastegari, M., Pournaseri, S., & Sanaieian, H. (2021). Daylight Optimization through Architectural Aspects in an Office Building Atrium in Tehran. Journal of Building Engineering, 33, 101718.

https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101718.

Shafiei Fini, A., & Moosavi, A. (2016). Effects of “wall angularity of atrium” on “buildings natural ventilation and thermal performance” and CFD model. Energy and Buildings, 121, 265-283.

https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.12.054

Sharples, S., & Lash, D. (2006). Daylight in Atrium Buildings: A Critical Review. Architectural Science Review, 50, 301-312.

https://doi.org/10.3763/asre.2007.5037

Sudan, M., Mistrick, R.G., & Tiwari, G.N. (2017). Climate-Based Daylight Modeling (CBDM) for an Atrium: An Experimentally Validated Novel Daylight Performance. Solar Energy, 158, 559–571.

https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.09.067.

Verma, A. (2017). The effect of an atrium and building orientation on the daylighting and cooling load of an office building: An early stage study. Master’s thesis, Faculty of Civil and Architectural Engineering, KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Lund University, Lund, Sweden.

https://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:1163933/FULLTEXT01.pdf

Wu, P., Zhou, J., & Li, N. (2021). Influences of Atrium Geometry on the Lighting and Thermal Environments in Summer: CFD Simulation Based on-site Measurements for Validation. Building and Environment, 197, 107853.

https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2021.107853

Xue, Y., & Liu, W. (2022). A Study on Parametric Design Method for Optimization of Daylight in Commercial Building’s Atrium in Cold Regions. Sustainability, 14(13), 7667.

https://doi.org/10.3390/su14137667.

Yoshino, H., Ito, K., & Aozasa, K. (1995). Trends in thermal environmental design of atrium buildings in Japan. Journal of Architecture and Planning (Transactions of AIJ), 61(483), 63-72.

http://dx.doi.org/10.3130/aija.61.63_1