قانون کسینوس

افزایش نرخ شهرنشینی در دهه های اخیر و استفاده بی رویه از سوخت های فسیلی و انرژی های تجدیدناپذیر، موجب شده که طراحان و برنامه ریزان شهری، موضوع کنترل و بهینه سازی مصرف انرژی و استفاده از انرژی های تجدیدپذیر را در ساخت و سازها بیشتر از گذشته مورد توجه قرار دهند. با توجه به ویژگی های خاص اقلیمی نوار سواحل جنوبی کشور ایران، جهت گیری ساختمان ها در این مناطق لازم است بر مبنای استفاده بهینه از تابش خورشیدی و جریان باد تعیین شود. هدف این پژوهش تعیین بهترین جهت استقرار ساختمان ها بر اساس کسب حداقل انرژی در دوره گرم سال در شهرهای بندرعباس، بوشهر و اهواز است. برای دست یابی به این هدف، میزان انرژی تابشی دریافتی بر روی سطوح قائم به صورت نظری و واقعی با استفاده از روش محاسباتی قانون کسینوس و نقاله تابش اولگی، برای ماه های مختلف و در 24 جهت جغرافیایی محاسبه شده و در نهایت بهترین جهت استقرار ساختمان ها متناسب با اقلیم برای شهرهای مورد مطالعه تعیین گردیده است. مطابق با نتایج به دست آمده، جهت استقرار بهینه با استفاده از روش های قانون کسینوس و نقاله تابش اولگی در شهرهای مورد مطالعه، برای ساختمان های یک، دو و چهارطرفه یکسان می باشد. مناسب ترین جهت استقرار به منظور دریافت بهینه میزان انرژی خورشیدی برای ساختمان های یک طرفه در شهرهای بندرعباس، بوشهر و اهواز جهت 180 درجه جنوب و بعد از آن جهت 165 درجه جنوب شرقی و غربی است. جهت استقرار مناسب برای ساختمان های دوطرفه در شهرهای مورد مطالعه جهت شمال- جنوب و بهترین جهت گیری برای ساختمان های چهارطرفه جهات (75 ،105- ،15- ،165) و (105 ،75- ،15 ،165-) درجه است.

پژوهش حاضر در راستای تحلیل و محاسبه مناسب ترین جهت ساختمان از منظراقلیمی با استفاده از روش قانون کسینوس ها در شهر سقز تدوین گردیده است با استفاده از روش قانون کسینوس ها مناسب ترین جهت ساختمان در شهرستان سقز ابتدا بدون در نظر گرفتن عامل باد و سپس با لحاظ نموده این عامل محاسبه و ارائه شده است. برای این محاسبه لازم بود ابتدا سمت و زاویه تابش برای تمام طول سال محاسبه می شد. برای این کار از نرم افزار QBasic استفاده شده است. نتایج نشان داد که با اولویت قرار دادن انرژی در دوره سرد سال برای ساختمان های یک طرفه جهت جنوب، ساختمان های دو طرفه جهت شمال غرب - جنوب شرق و جهت شمال شرق- جنوب غرب، ساختمان های چهارطرفه جهت شمال - جنوب و غرب - شرق، مناسب ترین جهات جغرافیایی برای استقرار جهت دیوار ساختمان ها می باشند. بنابراین جهات دیوارها باید حتی المقدور در جهتی بین 180 درجه (جنوب) تا 135 + (جنوب شرق) انتخاب شود. با این همه چون در ساختمان های دو طرفه (آپارتمانها) بالاترین مقدار انرژی به دیوار جهت جنوب شرقی می تابد و چون این جهت با جهت شیب توپوگرافیک شهر هم منطبق است. بهترین جهت برای ساختمان های آپارتمانی جهت جنوب شرقی – شمال غربی است.نقشه کالبدی شهر تهیه شده و الگوی خیابان های اصلی و فرعی شهر استخراج و میزان انطباق الگوی گسترش مساکن نشان داد که بافت قدیم شهر انطباق تقریباً کاملی با الگوی مناسب جهت گیری حاصل از تحقیق و همساز با اقلیم دارد.

با توجه به شرایط خاص جغرافیایی و اقلیم گرم و خشک فلات مرکزی ایران، طراحی و ساخت بناها و فضاهای شهری همساز با اقلیم در این مناطق، نیازمند کسب حداقل انرژی خورشید در ماه های گرم از طریق جهت گیری مناسب، کاهش سطوح در معرض تابش و ایجاد حداکثر سایه اندازی بر روی سطوح خارجی است. هدف این پژوهش، تعیین جهت های بهینه استقرار ساختمان ها در اقلیم گرم و خشک منطقه، از طریق بررسی میزان انرژی مستقیم دریافتی سطوح قائم ساختمان ها در شهرهای اصفهان، سمنان، کرمان و یزد است. ابتدا با استفاده از روش محاسباتی قانون کسینوس، میزان انرژی تابشی دریافتی به صورت نظری و واقعی محاسبه گردید. سپس بر اساس حداقل دمای پایه آسایش حرارتی، میزان انرژی دریافتی سطوح قائم به تفکیک دوره های سرد و گرم سال در 24 جهت مختلف جغرافیایی محاسبه و پردازش گردید. در نهایت بر اساس حداقل انرژی دریافتی در دوره گرم سال، جهت مناسب استقرار سطوح قائم ساختمان های یک، دو و چهارطرفه در شهرهای مورد مطالعه تعیین گردیده است. یافته های تحقیق نشان می دهد که بهترین جهت استقرار سطوح قائم ساختمان های یک طرفه در شهرهای اصفهان، سمنان، کرمان و یزد جهت 180 درجه جنوب و بعد از آن جهت 165 درجه جنوب شرقی است. هم چنین بهترین جهت استقرار سطوح قائم ساختمان های دوطرفه در شهرهای مورد مطالعه، جهات (0 ،180) درجه و برای ساختمان های چهارطرفه جهات (90- ،90 ،0 ،180) درجه است.

با توجه به شرایط خاص جغرافیایی- اقلیمی و مصرف بسیار بالای انرژی های فسیلی در شهر تهران، طراحی و ساخت بناها و فضاهای شهری همساز با اقلیم و در راستای بهره مندی مطلوب از انرژی های تجدیدپذیر از جمله انرژی خورشیدی ضروری است. ویژگی های کالبدی ساختمان ها نقش بسیار مهمی در تنظیم شرایط خرد اقلیم و وضعیت حرارتی فضاهای داخلی و بیرونی ساختمان ها دارد. هدف این تحقیق تعیین فرم، نسبت ابعادی و جهت گیری مناسب ساختمان ها بر اساس میزان دریافت تابش خورشیدی در شهر تهران است. در این تحقیق شش فرم هندسی از جمله مربع، مستطیل، شش ضلعی، هشت ضلعی، شانزده ضلعی و سی و دو ضلعی (دایره) با مساحت و ارتفاع برابر و در راستای رو به جنوب مورد مطالعه قرار گرفت. با استفاده از نرم افزار Q-BASIC، زاویه سمت و ارتفاع خورشید استخراج شده، سپس بر اساس روش محاسباتی "قانون کسینوس"، میزان انرژی تابشی دریافتی سطوح قائم ساختمان ها در 32 جهت جغرافیایی محاسبه گردید. نتایج نشان می دهد که بیشترین میزان انرژی دریافتی سالانه مربوط به فرم مستطیل با راستای شمالی- جنوبی و کمترین نیز مربوط به فرم مستطیل با راستای شرقی- غربی است. بهترین فرم ساختمان در شهر تهران، مستطیل با راستای شرقی- غربی و بعد از آن فرم مربع است. مناسب ترین نسبت ابعادی برای فرم مستطیل با راستای شرقی- غربی در شهر تهران، نسبت 4/1:1 است. مناسب ترین جهات استقرار ساختمان برای نسبت ابعادی تعیین شده، جهت جهت 165 درجه جنوب شرقی و غربی و بعد از آن جهت رو به جنوب است.

طراحی اقلیمی روشی مناسب جهت ایجاد مکان یابی انواع سازه ها و ایمن سازی در ایجاد شرایط آسایش انسان توأم با کاهش همه جانبه ی هزینه ی انرژی در انواع آب وهوا بوده و حائز اهمیت است. هدف از این مطالعه، بررسی بهینه سازی جهت استقرار ساختمان در شهر کاشان است. این شهر در غالب ایام سال، گرم و خشک است و ضرورت دارد با تعیین بهترین جهت برای ساختمان از تابش مناسب آفتاب در مواقع گرم و هم چنین در مواقع سرد از بیش ترین تابش آفتاب استفاده شود. در این پژوهش، مقدار انرژی خورشیدی تابیده شده بر سطوح قائم ساختمان به صورت نظری و واقعی با روش محاسباتی قانون کسینوس (استیون سون) صورت پذیرفته است. برای تفکیک دوره ی گرم و سرد سال با استفاده از دمای ساعتی از روش اربز (Erbs) بهره گرفته شد. نتایج این پژوهش نشان داد ایده آل ترین جهت برای نمای اصلی ساختمان های یک طرفه جهتی است که در مواقع گرم، کم ترین انرژی و در مواقع سرد، بیش ترین انرژی را دریافت می نماید. بر این اساس، در جهت 180 درجه یا جنوب با دریافت 53.6 درصد از انرژی دریافتی در مواقع سرد و دریافت 41.7 درصد از کل انرژی در مواقع گرم جهت مناسبی به نظر می رسد. جهت مناسب برای ساختمان های دوطرفه مربوط به جهت شمال – جنوب است؛ زیرا در مواقع گرم سال 41.7 درصد از انرژی دریافتی حاصل و در مواقع سرد سال مقدار 53.5 درصد از انرژی را دریافت می دارد. بهترین جهت مناسب برای ساختمان های چهار طرفه مخصوصاً مجموعه های آپارتمانی جهت 60+،120-،150+ و 30- است؛ زیرا در مواقع گرم مقدار 52.8 درصد و در مواقع سرد 38.4 درصد انرژی دریافت می کند.

انرژی های تجدیدپذیر (مانند انرژی خورشیدی) می تواند از طریق طراحی فضاهای معماری و شهری سازگار با اقلیم و زیست بوم منطقه و با در نظر گرفتن ویژگی های معماری ساختمان از قبیل فرم، ابعاد و جهت گیری آن تأمین شود. هدف از این پژوهش، تعیین فرم، نسبت ابعادی و جهت مناسب استقرار ساختمان بر اساس انرژی تابشی خورشید و جهت باد غالب در شهرهای تبریز، یزد و بندرعباس است. در این پژوهش، شش فرم هندسی متداول، شامل مربع، مستطیل (با راستای شرقی- غربی و شمالی- جنوبی)، شش ضلعی، هشت ضلعی، شانزده ضلعی و سی ودو ضلعی (دایره) با مساحت و ارتفاع برابر و رو به جنوب موردبررسی قرار گرفته و از میان آن ها، فرم مستطیل با نسبت های ابعادی 2/1:1، 4/1:1، 6/1:1، 8/1:1 و 1:2 و در جهات 120، 135، 150، 165 و 180 درجه جنوب شرقی و غربی مطالعه گردیده است. میزان انرژی تابشی دریافتی بر روی سطوح قائم به صورت نظری و واقعی با استفاده از روش محاسباتی "قانون کسینوس"، برای ماه های مختلف و در 32 جهت جغرافیایی و به تفکیک دوره های سرد و گرم سال محاسبه و پردازش شده است. نتایج پژوهش نشان می دهد که بهترین فرم ساختمان در تمام شهرهای موردمطالعه، مستطیل با راستای شرقی- غربی و بعدازآن فرم مربع است. نسبت ابعادی بهینه برای فرم مستطیل با راستای شرقی- غربی، در شهر تبریز برابر 2/1:1 و در شهرهای یزد و بندرعباس برابر 6/1:1 است. جهت مناسب استقرار ساختمان بر اساس تابش و جهت باد غالب، در شهر تبریز، جهت 165 درجه جنوب شرقی و در شهرهای یزد و بندرعباس، جهت 180 درجه جنوب است.