درس واره شماره 32- نورطبیعی

موثرترین روش استفاده از انرژی خورشید،‌ تأمین روشنایی با نور طبیعی است. حتی بهترین لامپ رشته ای در مقایسه با نور خورشید، ‌برای تأمین میزان معینی روشنایی، ‌به میزان بیشتری انرژی الكتریكی برای هر متر مربع نیاز دارد و میزان بیشتری گرما تولید می كند. مشاركت نور طبیعی در تأمین روشنایی هر ساختمان باید در عین توجه به مقابله با جذب حرارت نامطلوب صورت پذیرد.

ایده ی بهینه كردن ارتباط میان سایه و نور طبیعی هدایت شده به درون فضای معماری، ‌به اشكال جدید ممكن شده است. نور شكن های بزرگ پیش ساخته از بتن، كه رنزو پیانو در مجموعه ی منیل Menil در هوستونِ تگزاس استفاده كرد. نمودی زیبا از این اشكال تازه را به نمایش گذاشت.

Menil Collection ,Renzo Piano ,Houston-Texas ,1982-1986

Menil Collection ,Renzo Piano ,Houston-Texas ,1982-1986

 جالب توجه است كه راه حل مشابه و ظریف تری نیز برای ایجاد تعادل بین نور طبیعی و سایه را طراح آلمانی كوستر با مشاركت اكالوكس ارائه كرده است.

OKATECH insulation glass with metal grid by Okalux

 KAPILUX -T insulation glass by Okalux

نمونه ی دیگر، مركز طراحی در لینزِ استرالیا ، كار توماس هرتزوگ است. در این پروژه، از سیستمی استفاده شده است كه قابلیت انعكاس و خنثی سازی پخش نور طبیعی را دارد. علاوه بر آن، با همكاری كریستین بارتنباخ، هندسه ی اجزای كوچك (Microgeometry) در هریك از نورشكن ها (baffle) كاهش یافت.

Okalux HPI

Okalux + Kapilux

 منشورهای كوچك را می توان برای انعكاس یا تجدید مسیر  (redirect) ‌تابش مستقیم آفتاب و ایجاد امكان عبور نور تلطیف شده (Diffuse Light) به داخل را به كار بست.

امروز در روند تكاملی این تكنولو‍ژی، ‌باریكه های منشور شكل از طریق خروج تحت فشار مواد اولیه از قالب (Extrude)، در مقایسه با گذشته با قیمت پایین تر تولید می شوند. این منشورها به صورت قائم یا افقی قابل استفاده اند.

Design Center, Thomas Herzog, Linz-Austria,1988–1993

Design Center, Thomas Herzog, Linz-Austria,1988–1993

فیلگا، ‌تولیدكننده ی شیشه در ژاپن موفق به تعبیه ی منشورهای بسیار ظریف شیشه ای بین دو ورق شیشه شده است. نمونه ی با مقطع دایره ی این محصول برای نمایشگاه های هنری،‌ موزه ها، ‌سالن ها و نهایتاً فضاهای بزرگ كنفرانس برای دستیابی به نور ثابت در تمام فصول و زمان ها و جهات مناسب است. نمونه ی با مقطع مثلث نیز،‌ برای ساختمان ها، ادارات و فضاهای مسكونی مناسب است. این نمونه،‌ می تواند در زمستان نور را جذب و در تابستان آن را منعكس كند.

City of Santa Monica Parking Structure, Lighting Design by Bartenbach, 2013

 Europark, Lighting Design by Bartenbach, Salzburg-Austria, 2005

كنترل نور طبیعی، تندیسگری نور به وسیله شیشه

كاربرد شیشه، ‌معماری این قرن را بیشتر از هر ماده ساختمانی دیگری تحت تأثیر قرار داده است. اگر چه كاربرد این ماده ساختمانی در دهه های 50 و 60 باعث بروز مشکلاتی شد، هنوز هم شیشه یكی از مصالح تضمین شده با كارایی خیلی خوب در معماری خورشیدی است. جیمزكارپنتر،‌ معمار و طراح شیشه و نور در نیویورك كه از شیشه دیاكرومیك برای ایجاد تأثیرات نوری استفاده كرده است، در مدلی كه او برای كار در یك كلیسا پیشنهاد داده است، بیننده به محض مواجهه با اشكال هندسی ناشی از نور، ‌به اهمیت این ایده و حضور آن به عنوان یك هدف از ابتدای شكل گیری طرح پی می برد. از آن جا كه این برخورد الزاماً به بهینه سازی در مصرف برق نمی انجامد،‌ واضح است كه جستجوی روش های جدید برای مطلوب كردن كاربرد شیشه به عنوان یك ماده ساختمانی مورد نیاز است.

Sky Reflector, Net , James Carpenter,2013

Structural Glass Prisms, James Carpenter, Indianapolis-Indiana, 1985-1987

استفاده از پوشش های هولوگرافیك روی شیشه برای تجدید مسیر نور آفتاب،‌ به وسیله دو پروفسور اهل كلن در نمایشگاه باغ آرایی شهر اشتوتگارت اجرا شد.

شیشه ‌الكتروكرومیك،‌ دستاورد جالبی است كه از طریق افزودن خواص متحرك به یك ماده ثابت به دست آمده است. شیشة الكتروكرومیك، با استفاده از جریان الكتریكی به مدت چند ثانیه می تواند به یك سطح كدر تغییر یابد.

Millennium Tower at 160 Columbus Avenue, James Carpenter, New York, 1994-1995

Nuuk Greenland, Light within Darkness, James Carpenter

ایده ‌دیوار چند لایه ‌تمام متحرك را، كه مثل آفتاب پرست قادر به واكنش نسبت به محیط باشد،‌ مایك دیویس از شركت ریچارد راجرز دنبال كرد. مایك دیویس یك شخصیت پیشرو در كشف زمینه های جدید در تكنولوژی شیشه محسوب می شود. از فعالیت های او می توان به مطالعات متنوع در زمینه ‌اولین نمونه های جداره های درخشان چند پوسته Multi-Skin Glazing برای پیكینگتن براس و پروژه تحقیقی موسوم به پروژه ‌218 اشاره كرد.

Smart Glass

Electrochromic Glass

دیوار مجوف و قابل تهویه  جداره خارجی ساختمان لویدز لندن در عین كارایی حرارتی بالا، ‌نور طبیعی تلطیف شده را به شكل بهینه در اختیار فضاهای داخلی قرار می دهد.

یكی از زمینه های مناسب برای مطالعه و تحقیق، ‌بررسی امكان كاربرد گازها، ‌مایعات و حتی اجسام یا مواد ارگانیك است كه می توان آن ها را بین دو جداره شیشه یا به نحوی كه به خود شیشه شكل دهند، ‌استفاده كرد. به صورتی كه در جام های شیشه در ساختمان لویدز لندن به كار رفته است.

Lloyd's building, Mike Davies, London-United Kingdom, 1978-1986

Polyvalent wall, Mike Davies

نورطبیعی نمایشی، ساختمان های چشم نواز

هنر استفاده از نور طبیعی برای ایجاد تأثیرات نمایشی، ‌هنوز هم یكی از موضوعات مورد توجه در معماری است. در این زمینه فن آوری های جدید، امكانات جدیدی را پیش روی گذاشته اند.

ساختمان رایشتاگِ برلین، محل مجلس جدید آلمان  است،‌ تغییرات ساختمان موجود را دفتر لُرد نورمن فاستر و شركا انجام داده است.

Reichstag dome, Norman Foster, Berlin-Germany, 1992

Reichstag dome, Norman Foster, Berlin-Germany, 1992

ایده مبتكرانه این پروژه در مورد مسئله انرژی، نهایتاً ‌به سازه ای با نمود بیرونی در بالای ساختمان، ‌با قابلیت هدایت نور انجامید. این تعبیر جدید از یك گنبد كه جایگاه بازدیدكنندگان است نور طبیعی را به واسطه ی صدها آینه ‌تشكیل دهنده قیف میانی،‌ به بخش زیرین ساختمان یعنی مجلس منعكس می كند.

Reichstag dome, Norman Foster, Berlin-Germany, 1992

 Reichstag dome, Norman Foster, Berlin-Germany, 1992

 یكی از اجزای شاخص بانك هنگ كنگ كار دفتر فاستر، آتریوم تأمین كننده ‌نور طبیعی در ساختمان است. تأمین نور در این ساختمان از راه بازتاب نور از سطح دو آینه بسیار بزرگ میسر شده است.

Hongkong And Shanghai Bank Headquarters, Norman Foster, Hong Kong-China, 1979-1986

Hongkong And Shanghai Bank Headquarters, Norman Foster, Hong Kong-China, 1979-1986

صفحه جمع كننده ‌نور آفتاب در بیرون، از صدها آینه كوچك، ‌كه مسیر نور آفتاب را دنبال كرده و آن را به سمت آینه مقعری در بالای آتریوم می تابانند تشكیل شده است. این آینه مقعر نور را به درون فضا و حتی زیر كف طبقه ‌شیشه ای ساختمان هدایت می كند. اسكیس اولیه ‌نورمن فاستر ‌به بهترین شكل نحوه هدایت نور به زیر زمین را نشان می دهد.

Hongkong And Shanghai Bank Headquarters, Norman Foster, Hong Kong-China, 1979-1986

 Hongkong And Shanghai Bank Headquarters, Norman Foster, Hong Kong-China, 1979-1986

تنظیم فوق العاده ‌نور طبیعی در موسسه دنیای عرب ARAB WORLD INSTITUTE كار ژان نوول را هزاران شاتر متحرك حساس،‌ كه به وسیله كامپیوتر كنترل می شوند، ‌امكان پذیر كرده اند.

ARAB WORLD INSTITUTE, JEAN NOUVEL, PARIS-FRANCE, 1987

ARAB WORLD INSTITUTE, JEAN NOUVEL, PARIS-FRANCE, 1987

تبدیل نور طبیعی به برق، انباشت نیرو در باتری خورشیدی

نور ملموس ترین انرژی تجدید پذیر است. امروز، روش های جدیدی (‌از جمله باتری خورشیدی) ‌برای تبدیل این انرژی به جریان برق در دسترس قرار گرفته است.

فیزیكدانی به نام هنری بكرل كشف كرد كه هنگام برخورد نور به تركیبی از مواد حاوی سیلیكون، ولتاژ الكتریكی تولید می شود. این كشف انقلابی، به پیدایش این نظریه، كه امكان تولید انرژی الكتریكی از نور طبیعی در فرایندی مصنوعی شبیه به فتوسنتز وجود دارد، انجامید.

اشكال متفاوتی از باتری های خورشیدی موجودند. یكی از این نمونه ها، باتری متشكل از سلول های تك كریستالی نسبتاً هم شكل، با رنگ خاكستری مایل به سیاه است.

نمونه ‌دیگر هم، از سلول های چند كریستالی با شكلی شبیه به ذرات تفكیك شده ‌سنگ گرانیت تشكیل شده است.

با به كارگیری لایه های بسیار كم ضخامت از سیلیكون روی موادی مثل شیشه یا صفحات فلزی هم، می توان به اشكال مختلفی از باتری های خورشیدی دست یافت.

Antoine Henri Becquerel, French physicis, 1852–1908

Monocrystalline, Polycrystalline, Amorphous

تولید سلول های باتری خورشیدی با سیلیكون كراپ Silicon Crop كه محصولی جانبی از صنعت كامپیوتر است، آغاز می شود؛ به نحوی كه ابتدا آن را به صورت مذاب در می آورند،‌ سپس آن را به شمش تبدیل كرده و نهایتاً بلوك های تراش خورده را از آن می سازند. مرحله آخر كار برش این بلوك ها به صورت صفحات باریك به شكل ویفر خواهد بود.

باتری های خورشیدی كریستالی عموماً به صورت صفحات باریك به شكل ویفر موجودند و برای محافظت، هنگام استفاده در فضای بیرون،‌ آن ها را در پوشش های پلاستیكی یا شیشه ای نگه می دارند. صفحات این باتری ها برحسب نیاز مشتری می توانند با ابعاد یا خروجی های متغیر تولید شوند.

Silicon Crop Wafer

 Silicon Crop Wafer

مزیت سیلیكون غیربلوری این است كه تولید آن با كمیت زیاد راحت تر است. در حال حاضر،‌ كارایی این نوع سیلیكون محدودتر است اما در مقایسه با سیلیكون چند كریستالی ارزان تر تمام می شود. با استفاده از این نوع سیلیكون، ‌امكان ایجاد سطوح فیلم مانند و نیمه شفاف وجود دارد.

 Mono Crystalline, Solar Battery

 Poly crystalline, Solar Battery

تمام ساخته های فضایی، از طریق انرژی خورشیدی و سلول های باتری خورشیدی (PV) ‌تغذیه می شوند. در تلسكوپ هابل ازسلول های باتری خورشیدی غیركریستالی با بالاترین میزان كارایی تا به امروز،‌ استفاده شده است . اگر تلاش دانشمندان ناسا برای تأمین نیروی عظیم مورد نیاز ماهواره ها و همچنین فضا پیماها نبود، ‌چنین پیشرفت هایی در زمینه ساخت باتری خورشیدی (PV) به وجود نمی آمد. در طول برنامه ‌آپولو،‌ تكنولوژی تولید باتری خورشیدی دچار تحولات عظیم شد. كارایی سلول های خورشیدی از آن زمان تاكنون به چهار برابر افزایش پیدا كرده است.

Amorphous, Solar Battery

Hubble Telescope

صنعت باتری خورشیدی از پیشرفت های تكنیكی در زمینه های دیگر هم بهره مند می شود. پیشرفت های حاصل شده در درام های (Drum) با پوشش سیلیكون،‌ كه در دستگاه های فتوكپی رنگی كاربرد دارند. در حال حاضر در تولید نوارهای فلزی پوشیده از سیلیكون غیر بلوری مورد استفاده پیدا كرده اند.

صفحات باتری خورشیدی در حالت ایده آل باید مادامی كه خورشید می تابد، ‌در معرض آن قرار گیرند.

طبیعتاً ‌با تغییر جهت تابش خورشید، این امر غیر ممكن می شود اما امكان زاویه دادن به صفحات برای استقرار در بهترین جهت ممكن وجود دارد. همچنین نصب این صفحات به صورت خوابیده یا به شكل عمودی روی سقف یا نما وجود دارد، اما این امر تا حدی به كاهش كارایی و بازدهی باتری می انجامد.

Solar Panel Usage

Solar Panel Usage

استفاده از باتری خورشیدی با قرار گیری صفحاتی از سلول های متنوع در كنار هم ممكن خواهد بود. این سلول ها می توانند با هر شكل یا اندازه ای در كنار هم قرار گیرند.

می توان از یك صفحه ‌باتری خورشیدی ظریف برای تولید الكتریسیته در یك ماشین حساب استفاده كرد یا با ادغام هزاران صفحه بزرگ باتری خورشیدی در كنار هم، مزرعه ای از باتری های خورشیدی ساخت.

Solar Panel

Solar Panel

كاربرد باتری خورشیدی در ساختمان،‌ توجه معماران سراسر جهان را به خود جلب كرده است. در بسیاری از پروژه های موفق شناخته شده از صفحات باتری خورشیدی به عنوان قسمتی از سیستم پوشش یا نمای ساختمان استفاده شده است.

استفاده از این مصالح جدید،‌ كه ملزومات مخصوص به خود را، به خصوص از نظر زاویه جهت اقتضا می كند، ‌به مسئله طراحی ساختمان بدل شده است.

غرفه طراحی شده نیكلاس گریم شاو در نمایشگاه شهر سویل Seville در سال 1992،‌ كاربرد جدید سلول های باتری خورشیدی را نشان می دهد. در این پروژه، ‌سلول های باتری خورشیدی روی كلكتورهای (Collector) سقفی با اشكال زیبا نصب شده اند و علاوه بر سایه اندازی، ‌نقش تأمین نیروی لازم برای پمپاژ آب خنك كننده نمای ساختمان را بر عهده دارند.

Hysolar Research Building, Gunter Behnisch architect, Stuttgart-Germany, 1986-1987

 The British Pavilion for the Expo 92 , Nicholas Grimshaw, Seville-Spain, 1989

از آن جا كه تولید سلول های باتری خورشیدی كم است، هزینه تولید آن بالاست. در صورتی كه تقاضا برای تولید این محصول افزایش پیدا كند،‌ قیمت آن به میزان محسوس كاهش می یابد. بسیاری از دولت ها،‌ در حال حاضر سوبسیدهایی را برای افزایش میزان تولید این محصول در نظر گرفته اند، ‌در سال 1990 در آلمان، ‌برنامه ‌هزار سقف طرح ریزی شد. در ‍ژاپن نیز در سال 1995 برنامه مشابهی تحت عنوان هفتاد هزار سقف ‌دنبال شد.

The British Pavilion for the Expo 92 , Nicholas Grimshaw, Seville-Spain, 1989

Amorphous, Solar Panel

از آخرین دستاوردهای ژاپنی ها می توان به صفحات سقفی باتری خورشیدی غیر بلوری كانون و تایل های باتری خورشیدی ساینو اشاره كرد.

نمای متشكل از باتری های خورشیدی برای برنامه بهبود نیرو رسانی در آخن Aachen كشور آلمان كه با همكاری فلگسول صورت گرفت، ‌از اولین نمونه های از این دست در جهان محسوب می شود. نمای اداره ‌مركزی AG در گلزن كیرشن Gelsen kirchen نمونه ای پیشرفته تر از نماهای تشكیل شده از باتری های خورشیدی محسوب می شود.

امكان كارگذاشتن ورقه های سلول های باتری خورشیدی بین دو ورقه شیشه، كاربرد جالب دیگری دارد كه در آن بخشی از صفحه می تواند به عنوان وسیله ای برای ایجاد سایه عمل كند و اجازه عبور نور از شكاف های ما بین سلول ها را فراهم سازد.

Sayno Solar Panel

AG Headquarter in Gelsenkirchen, Germany

دفتر لرد نورمن فاستر و شركا با همكاری نوربرت كایزر، ‌اولین نمونه های پرده های پوشیده شده از باتری خورشیدی را ارائه دادند. این پرده ها در ساختمان های قدیمی می توانند به عنوان شاترهای قابل تغییر یا پرده های كركره ای متحرك كاربرد داشته باشند. كلیه قطعات سایه انداز به عنوان محلی برای نصب سلول های خورشیدی ایده آل هستند. چرا كه ضمن قرار گیری در مقابل خورشید می توانند با تغییر مسیر نور در طول روز، جهت خود را تغییر دهند. برای این كار، ‌سیستم های كنترل كننده پیچیده با استفاده از كامپیوتر لازم است تا میزان استفاده از نور خورشید، سایه اندازی لازم و جمع آوری انرژی را اولویت بندی كند.

كاربرد جالبی از باتری خورشیدی را شركت تجهیزات دیجیتالی DEC در شهر ژنو  انجام داده است.

ژنراتور برق 15 كیلو واتی،‌ كه با باتری سایه ای كار می كند. تولید حداكثر 16 هزار كیلو وات ساعت انرژی را در طول سال امكان پذیر می كند. این كار با همكاری سالوشن و كلات Solution and Clot ‌انجام شده است.

Solar Cell Between Glasses

Solar Cell Between Glasses

مواجهه با ابزار جدید برای طراحی محیطی، مرئی كردن جریان نامرئی انرژی

پیشرفت های اخیر در زمینه طراحی با كامپیوتر، واقعیت مجازی، علم دینامیك،‌ سیالات و مدل سازی نور،‌ امكان رویت بسیاری از قابلیت های نامرئی را  فراهم كرده است. این مسئله برای دستیابی به كیفیت بالاتر و كارایی بیشتر در طراحی ساختمان ها،‌ كمك شایانی خواهد كرد.

رویكرد جدید در طراحی، ‌مستلزم درك روشنی از چگونگی عملكرد ساختمان ها در شرایط گوناگون است و این كه چگونه از بیرون یا درون شكل خواهند گرفت. داشتن درك بهتری از دو عامل نحوه رفتار مردم و نحوه رفتار ساختمان،‌ در كنار بهره گیری از تكنیك های پیچیده مدل سازی با كامپیوتر،‌ عوامل كلیدی طراحی زیست محیطی با مصرف انرژی پایین هستند. ابزارهای متداول مدل سازی با كامپیوتر، ‌كه امروزه در اختیار مهندسان و معماران قرار گرفته است،‌ دارای قابلیت مدل سازی جریان حرارت،‌ انجام محاسبات مربوط به دانش سیالات و نهایتاً مدل سازی پردازش نور طبیعی و مصنوعی هستند.

برای افزایش بهره مندی از منابع طبیعی و داشتن استنباط روشنی از عوامل فراهم كننده آسایش ساكنان، شیوه زندگی اجتماعی آن ها و الگوی زیست این افراد، ‌لازم است محیط اطراف ساختمان مطالعه شود.

CIS Tower-Gordon Tait, Manchester-England, 1962

Solar Curtain

در ساختمان اداره مركزی بانك تجارت فرانفكورت برای افزایش كارایی ساختمان، آزمایشات گوناگونی صورت گرفت. شبیه سازی انجام شده از جریان سیالات توسط دفتر مهندسی جی راجر پریستون و شركا، ‌نه تنها مثل یك فتو مونتاژ ساختمان را در زمینه شهری آن نشان می دهد، بلكه می تواند شكل و شدت انرژی باد را پیرامون ساختمان و در ارتفاعات مختلف نمایش دهد. امروز از طریق خلق (‌واقعیت مجازی) ‌یا شبیه سازی كامپیوتری، ‌امكان بررسی چگونگی جابه جایی انرژی در سطح كره زمین و همچنین به طور مثال، بررسی نحوه توزیع جریان هوا و نور طبیعی در یك ساختمان منفرد به وجود آمده است، امكانات منحصر به فردی كه قبلاً در اختیار ما نبود.

The Deutsche Bank Twin Towers, J ROGER PRESTON, Frankfurt-Germany, 1978-1984

 Potsdamer Platz, Renzo Piano, Berlin-Germany, 1992-2000

پوتسدامر پلاتز در برلین، ‌یكی از بزرگ ترین، دیدنی ترین و با كیفیت ترین مراكز اداری ایجاد شده در اروپاست. طراحی این مجموعه به گونه ای است كه فضاها ضمن استفاده از تهویه طبیعی امكان بهره مندی كامل از نور طبیعی را نیز پیدا می كنند. در این پروژه ها از شبیه سازی كامپیوتری برای تسهیل عبور جریان هوای طبیعی در خلال وضعیت های گوناگون پنجره ها بهره گرفته شده است .

از شبیه سازی كامپیوتری مكانیك سیالات، ‌برای بهینه سازی جریان هوای طبیعی هم استفاده شده است.

نرم افزارهای كامپیوتری شبیه سازی چگونگی توزیع نور طبیعی در فضا را امكان پذیر كرده اند. این امر، به طراح كمك می كند كه طرح را به بهترین نحو و كاراترین فرم ممكن، اجرا كند.

Potsdamer Platz, Renzo Piano, Berlin-Germany, 1992-2000

Potsdamer Platz, Renzo Piano, Berlin-Germany,1992-2000

Potsdamer Platz, Renzo Piano, Berlin-Germany,1992-2000

Potsdamer Platz, Renzo Piano, Berlin-Germany,1992-2000