۳-۱- مقدمه
جهت مطالعه و بررسی ساختمان خاکپناه ، شهر یزد به عنوان نمونه موردی اقلیمی خشک، انتخاب گردید. انتخاب این شهر از آن جهت قابل تامل است که سابقه ساخت نمونه های متفاوت گونه خاک پناه در آن بس طولانی است و انواع کاربری های مختلف در این شهر هنوز زنده اند و مورد استفاده قرار میگیرند. علاوه بر آن در ساختمان سازی معاصر از این ایده ی معماری هنوز بهره گیری می­گردد. جهت بررسی عملکرد حرارتی این گونه ی ساختمانی در شهر یزد، در ابتدا ملزم به شناخت اقلیم و شرایط آب و هوایی این شهر است. در این فصل علاوه بر شرح وضعیت آب و هوایی این شهر به ترفندهای اقلیمی در راستای معماری و شهرسازی اشاره میگردد. همچنین گونه های مختلف کاربری های خاکپناه یکی از راهکارهای اقلیمی این شهر است که معرفی میگردد.
۳-۲- بررسی اقلیمی شهر یزد
۳-۲-۱- خصوصیات جغرافیایی و اقلیمی یزد
شهر یزد در عرض جغرافیایی ۳۱ درجه و ۵۲ دقیقه طول جغرافیایی: ۵۴ درجه و ۱۶ دقیقه شرقی واقع شده است^[۲۷]. استان یزد در قلمرو سلسله جبال مرکزی ایران واقع شده و از پستی و بلندی و چاله‌‌ها و کفه‌‌های کویری متعدد تشکیل شده است. این ناهمواری‌ها عمدتاً به پنج گروه کوه‌‌ها و تپه‌های پای‌کوه، دشت‌ها و جلگه‌ها، بیابان‌ها، مناطق شور و کویرها و تپه‌های ماسه‌ای تقسیم می‌شوند. خشکی اقلیمی استان یزد،‌ دو علت اساسی و عمده دارد : یکی این که روی کمربند خشک جهانی قرار دارد و دیگر آن‌که از دریاهای آزاد عمان و خلیج‌فارس و دریاچه‌های داخلی و بادهای رطوبت‌زای دریایی دور است. عامل مهم اعتدال نسبی آب و هوای یزد،‌ که قابلیت زیست نسبتاً مناسبی به آن بخشیده است، ارتفاعاتی است که بیشتر به صورت موضعی مؤثراند و این امر باعث شده است مناطقی که در ارتفاعات بیش از ۲۵۰۰ متر قرار دارند از اعتدال و رطوبت بیشتری نسبت به دشت‌های یزد و اردکان برخوردار باشند. به استثنای منطقه کوهستانی شیرکوه، سایر نقاط استان یزد اقلیم گرم و خشک و بیابانی دارد که از مغرب و جنوب غربی به سمت شمال شرقی و شرق خشک‌تر می‌شود.
به این ترتیب، آب و هوای استان یزد به علت قرار گرفتن در کمربند خشک جهانی، دارای زمستا‌ن‌های سرد و نسبتاً مرطوب و تابستان‌های گرم و طولانی و خشک است. در ایام تابستان،‌ ییلاق‌های شیرکوه پناهگاه مردم گرمازده این استان است^[۲۸] .
۳-۲-۲- تحلیل داده های اقلیمی شهر یزد
اولین قدم در تطبیق طراحی معماری با محیط پیرامون، مطالعه عوامل اقلیمی مکان مورد نظر است که هر عامل اقلیمی تاثیر متفاوتی بر آن داشته و راه حل متفاوتی نیاز دار .منطقه اقلیمی محل قرارگیری ساختمان، به تنهایی اطلاعات کافی برای انجام یک طراحی اقلیمی را فراهم نمی کند و داده های آب و هوایی بسیار بیشتری، برای شناخت دقیق شرایط اقلیمی مورد نیاز است. برای شناخت دقیق یک اقلیم و تحلیل آن، نیاز به داده های اقلیمی ساعتی و یا حداقل داده های اقلیمی روزانه می باشد. به منظور درک بهتر شرایط آب و هوایی مورد نیاز برای یک طراحی انرژی کارا، بایستی پارامتر های اقلیمی مختلف موثر در رفتار حرارتی ساختمان مورد بررسی قرار گیرد

( Nasrollahi, 2013). این پارامترها شامل دمای خشک و دمای مرطوب، رطوبت نسبی، سرعت و جهت وزش باد و همچنین تابش مستقیم و پراکنده خورشید می باشند که دارای بیشترین اهمیت در یک طراحی اقلیمی هستند. بدلیل اینکه اطلاعات ساعتی و روزانه هر اقلیم، هزاران داده عوامل اقلیمی را دربردارند، بکارگیری ابزاری که بتواند این عوامل اقلیمی را به خوبی نمایش دهد، ضروری است.بکارگیری چنین ابزاری برای درک بهتر شرایط اقلیمی بسیار مفید است. هرچند استفاده از چنین ابزارهایی زمانی کارایی لازم را خواهد داشت که این ابزارها فاکتورهای اقلیمی را در ارتباط با یکدیگر و در ارتباط با شرایط حرارتی مورد نیاز، مثل محدوده آسایش حرارتی، نمایش دهند. برخی از این ابزارهای مفید، نمودار زیست اقلیمی )بیوکلیماتیک(، نمودار سایکرومتریک، گلباد، نمودار تابش خورشید و نمودار سایه اندازی می­باشند.(همان). در این بخش، اقلیم شهر یزد مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. این شهر در همه مطالعات این پژوهش به عنوان نمونه موردی ساختمانهای خاکپناه در اقلیم گرم و خشک، مورد استفاده قرار گرفته است . بر اساس تقسیم بندی اقلیمی کوپن، شهر یزد در منطقه گرم و خشک واقع شده است (کسمایی،۱۳۹۱). در ادامه فاکتورهای اقلیمی شهر یزد و تاثیر ان بر محدوده ی آسایش حرارتی انسان شرح داده خواهد شد.
۳-۲-۲-۱- دمای هوا
نمودار شماره ۶ تغییرات متوسط ماهانه دمای خشک هوا برای سردترین و گرمترین شهر های ایران، بر اساس داده های سازمان هواشناسی ایران درسال ۲۰۰۹ میلادی، را نشان می دهد .^[۲۹] این نمودار همچنین متوسط ماهانه دمای هوای شهر یزد را در ماه های مختلف سال را در قیاس با گرمترین و سردترین شهر ایران، نشان می دهد. بر اساس این نمودار، متوسط ماهانه دما در شهر یزد در زمستان به محدوده پایینی دما در شهرهای ایران و در تابستان به محدوده بالایی دما در شهرهای ایران نزدیک می گردد. در نتیجه این شهر دارای زمستان های سرد و تابستان های گرم است. در نمودار شماره ۷، بیشینه و کمینه و متوسط ماهانه دما و نیز بیشینه و کمینه اندازه گیری شده این شهر در هر ماه در مقایسه با محدوده آسایش حرارتی نمایش داده شده است^[۳۰].. بر اساس این نمودار، متوسط ماهانه دمای هوا در شهر یزد تنها در برخی از ماه های سال در محدوده آسایش حرارتی قرار می گیرد. دمای هوا در ما ههای خدداد تا مرداد ، بالاتر از محدوده آسایش حرارتی بوده و در ماهای آذر تا اسفند، این میزان پایین تر از محدوده مذکور می باشد. بر اساس این نمودار، متوسط ماهانه دمای هوای محیط در شهر یزد تنها در ماه های فروردین، اردیبهشت، مهر و آبان در محدوده آسایش حرارتی انسان قرار دارد. هرچند قرارگیری متوسط ماهانه دما در محدوده آسایش حرارتی به معنای قرارگیری دما در سرتاسر این ما هها، در این محدوده نیست و چنانچه نمودار نشان می­دهد، بیشینه و کمینه و بخش عمده ای از محدوده دمایی در هر ماه، خارج از محدوده آسایش حرارتی می باشد. دلیل این امر تفاوت عمده دما در طول سال و بین ماه های مختلف و نیز در طول شبانه روز است که اصلی ترین دلیل این تفاوت، رطوبت نسبی اندک در این شهر می باشد.
نمودار۶- دمای ماهانه ی هوای خشک شهر یزد در مقایسه با سردترین و گرمترین شهر ایران(ماخذ: نگارنده)
نمودار ۷- بازه ی دمایی هوا در مقایسه با محدوده ی آسایش اشری^[۳۱]
۳-۲-۲-۲- رطوبت نسبی هوا
شهر یزد رطوبت نسبی بیشینه ۵۱ ٪ را در ماه دی و رطوبت نسبی کمینه ۱۵ ٪ را در ماه تیر تجربه می کند. در نمودار شماره ۸ تغییرات دما و رطوبت نسبی این شهر در ما ههای مختلف و برای ساعتهای مختلف، در مقایسه با محدوده آسایش حرارتی، نشان داده شده است.
نمودار۸-دما و رطوبت نسبی برای ساعتهای مختلف در ماه های مختلف شهر یزد
۳-۲-۲-۳- باد
نمودارهای زیر گلباد سالانه و ماهانه شهر یزد را نشان می دهند. این نمودارها شامل مدت زمان وزش باد در جهت های مختلف و سرعت بیشینه، کمینه و متوسط وزش باد و همچنین دما و رطوبت نسبی هوا در زمان وزش باد می باشند. میزان رطوبت نسبی و بویژه دمای هوا در زمان وزش باد از جبه ههای مختلف در این نمودارها، ضرورت استفاده از باد برای تهویه طبیعی و یا محافظت ساختمان در برابر وزش باد را مشخص می نماید. ترکیب میزان وزش باد، دمای هوا و رطوبت نسبی در زمان وزش باد نشان می دهد که آیا دما و رطوبت نسبی هوا در زمان وزش باد برای تهویه طبیعی مناسب می باشد. درصورتیکه دما و رطوبت نسبی هوا در محدوده آسایش حرارتی و یا اندکی پایین تر از آن باشد، امکان استفاده از تهویه طبیعی برای خنکسازی فضاها فراهم میباشد ولی درصورت بالاتر بودن دمای هوا از محدوده آسایش حرارتی، تهویه طبیعی در ساختمان های دارای سیستم سرمایشی، باعث افزایش انرژی مصرفی برای سرمایش می گردد و لذا تهویه طبیعی نبایستی انجام پذیرد. همچنین هرچند بالا بودن رطوبت نسبی هوا در یک اقلیم، میزان نیاز به تهویه طبیعی را افزایش می دهد؛ ولی درصورتیکه میزان رطوبت نسبی از میزان حداکثری آن برای شرایط آسایش حرارتی بیشتر باشد، تهویه طبیعی در ساختمان های با سیستم تهویه مطبوع دارای رطوبت گیر، بر روی شرایط آسایش حرارتی اثر منفی خواهد داشت ( Nasrollahi, 2013) .بر اساس گلباد سالانه یزد، باد غالب در طول سال در این شهر از جهت جنوب ، جنوب شرقی، غرب و شمال غرب می­وزد.هرچند مدت زمان وزش باد از سمت غرب و شمال غرب، بیش از بادهای جنوبی، جنوب شرقی است. این نمودار همچنین نشان می دهد که وزش باد در این شهر، از جهت های مذکور بسیار بیشتر از وزش باد از سمت شمال می باشد (نمودار ۹).
نمودار ۹- گلباد سالانه شهر یزد
۳-۲-۲-۴- نمودار سایکرومتریک
زمانیکه هدف در طراحی یک ساختمان استفاده از روش های غیرفعال برای تامین بخشی ازشرایط آسایش حرارتی با بهره گرفتن از قابلیت‌های آن اقلیم باشد، تحلیل نمودار سایکرومتریک این اقلیم، مناسبترین روش برای شناخت روش های غیرفعال تامین شرایط آسایش حرارتی و مدت زمان کارایی هر یک می­باشد ( Nasrollahi, 2013). نمودار شماره ۱۰ نمودار سایکرومتریک شهر یزد را بر پایه دمای خشک هوا نشان می دهد. بر اساس نمودار سایکرومتریک این شهر، برای دستیابی به شرایط آسایش حرارتی مورد نیاز انسان در این اقلیم، هم به گرمایش و هم به سرمایش نیاز می باشد. در این شهر در حدود۱۹.۵ ٪ از زمان سال، دما در محدوده آسایش حرارتی قرار دارد. این نمودار همچنین نشان می دهد که رطوبت نسبی در این شهر، بویژه در دوره گرم سال، بسیار پایین است.در جدول شماره ۶ درصد زمانی سالانه و تعداد ساعتهایی که هر یک از روش های غیرفعال و فعال توانایی تامین شرایط آسایش حرارتی در این اقلیم را دارند، آورده شده است.
نیاز به انرژی گرمایشی و سرمایشی یک ساختمان، فارغ از اقلیم محل این ساختمان، به معماری آن و همچنین به مصالح پوسته حرارتی آن وابسته است( Nasrollahi, 2013). ولی اگر تنها شرایط اقلیمی شهر جدید یزد معیار سنجش باشد، در این شهر در ماه های آبان، آذر، دی، بهمن و اسفند بایستی از گرمایش استفاده کرد و در ماه های خرداد، تیر ، مرداد و شهریور نیاز به سرمایش وجود دارد. در ادامه مهمترین روش های گرمایش و سرمایش غیرفعال برای اقلیم شهر جدید یزد، و مدت زمانی که هر یک از این روش ها قابلیت استفاده دارند، بر اساس نرم افزار Climate Consultant 5.4 و فایل اقلیمی معتبر دپارتمان انرژی امریکا، آورده شده است.. مدت زمان ذکر شده برای هر یک از این رو شها، تنها با توجه به اقلیم تعیین گردیده است و مشخصات ساختمان، شامل معماری و مصالح آن، نقشی در تعیین این میزان ها نداشته است.
۳-۲-۲-۴-۱-گرمایش
دریافت تابش مستقیم خورشید راه کاری بسیار مهم برای گرمایش غیرفعال ساختما نها در همه اقلیم ها و از جمله در اقلیم یزد است. در این اقلیم در ۹.۸ ٪ از سال، دریافت تابش خورشید برای گرمایش ساختما نها مورد نیاز است.
برای تامین شرایط آسایش حرارتی در این اقلیم، در ۲۲.۵ ٪ از سال می توان از جذب حرارت از منابع داخلی ساختمان استفاده نمود.
ساختمان های یزد می­بایستی در ۰.۱ % از سال در مقابل باد های سرد زمستانی آن منطقه محافظت گردند.
۳-۲-۲-۴-۲- سرمایش
بر اساس نمودار سایکرومتریک یزد در ۲۰.۱% از سال می بایستی از سایه بان برای سایه اندازی بر روی پنجره ها استفاده کرد تا از ورود مستقیم اشعه خورشید به داخل ساختمان جلوگیری کرده و مانع افزایش دمای محیط داخلی ساختمان گردد.
در ۴.۹ % از سال تهویه طبیعی می ­تواند شرایط آسایش حرارتی را در داخل ساختمان تامین نماید
به دلیل پایین بودن رطوبت نسبی در شهر یزد، سرمایش غیرفعال و فعال تبخیری در این اقلیم بسیار کارا بوده و از آن می توان برای خنک کردن فضاهای داخلی ساختمان در تابستان استفاده نمود. رو شهای سرمایش تبخیری، به عنوان یکی از موثرترین را هکارهای سرمایش در این اقلیم، میتوانند در ۲۵.۸ ٪ از سال استفاده گردند.
نمودار ۱۰-نمودار سایکرومتریک شهر یزد
جدول ۶- راهبردها و تخمین میزان کاهش مصرف انرژی