331 – عمر
المناخ والعمارة
اعتبارات التصميم المعماري المناخي للمسكن
في منطقة الدرعية القديمة
الدكتور:
السيد عبدالفتاح عامر
إعداد الطالب:
محمد شويش الشويش
426105689
مايحتويه البحث :
- وصف المناخ الذي تتواجد به هذه المنطقة :
خصائص المناخ
درجة الحراة
الرطوبة
الأمطار
الأشعاع الشمسي
الرياح
الضغط الجوي
الراحة الحرارية
- الاعتبارات التصميمة المناخية :
شكل المبنى
فناء المبنى
اتجاه المبنى
تظليل النوافذ
ألوان غلاف المبنى
النباتات حول المبنى
مواد البناء المستخدمه
مدينة الدرعية القديمة
نبذة تاريخية :
يعود تاريخ هذه المدينة إلى ما يقارب الخمسة قرون وأكثر حيث انتقل مانع المريدي – جد آل سعود – إليها في عام 850هـ بدعوة من ابن عمه ابن درع ، ومنحهم منطقتين أسسوا فيها مدينة الدرعية تخليدا لذكراهم .
وتقع الدرعية في الشمال الغربي من مدينة الرياض ، وتتكون من عدة أحياء تاريخية مثل حي الطريّف وحي البجيري وغيرها ويعتبر حي الطريف من أهم أحياء الدرعية لاحتضانه أهم المباني الأثرية والقصور والمعالم التاريخية.
ويحيط بالحي سور كبير وأبراج كانت تستخدم لأغراض المراقبة والدفاع عن المدينة .
تتكون مادة البناء الأساسية للمباني في حي الطريف من اللبن والأساسات الحجرية وشيدت الأعمدة من الحجارة المقطوعة على شكل خرزات أسطوانية ، كما تم استخدام جذوع الأثل وسعف النخيل في تغطية أسقف المباني .
1- خصائص المناخ الحار الجاف :
تتواجد المناطق الحارة في خطوط العرض القريبة لخط الاستواء، تقريباً بين 15 و 30 و درجة شمال و جنوب خط الاستواء في وسط و غرب آسيا، و في الشرق الأوسط، و أفريقيا و أمريكا الشمالية والجنوبية و تتميز هذه المناطق بصفة رئيسية بجفافها و ارتفاع درجات الحرارة في موسم الصيف واتساع نطاق درجات الحرارة النهارية و ارتفاع الإشعاع الشمسي المباشر .
إن الخصائص الرئيسة للمناطق الحارة – الجافة بوجه عام و التي تؤثر على راحة الإنسان، عبارة عن خليط من الرطوبة المنخفضة و درجة الحرارة النهارية العالية. و الخصائص الجافة للعديد من المناطق الحارة الجافة تسببها الكتل الهوائية المنحدرة و التي تنقسم بالتالي و تهب من ناحية الشرق و الجنوب مكونة حزام الرياح التجارية ثم من جهة الغرب و في اتجاه القطبين، مكونة أحزمة الرياح الغربية.
. وفي بعض الحالات المناخ الحار - الجاف تسببه الرياح المارة فوق سلاسل الجبال مكثفة جزء من محتوى بخار مائها أثناء صعودها فوق المنحدرات الواقعة في اتجاه مهب الريح، و تسخن أثناء هبوطها على المنحدرات الواقعة عكس اتجاه مهب الريح.
كما أن من خصائص المناخ الحار الجاف تكون السماء صافية معظم أيام السنة، مما يزيد التسخين الشمسي خلال ساعات النهار و الفقد الإشعاعي طويل الموجات أثناء ساعات الليل. ومن خصائص المناخ الحار الجاف تكون الرياح عادة أقوى خلال ساعات منتصف النهار و بعد الظهر، و تهبط خلال ساعات المساء. غير أن، بعض المناطق الحارة - الجافة تتعرض لرياح قوية أيضاً خلال ساعات المساء.
من الخصائص المألوفة في العديد من المناطق الحارة - الجافة هي العواصف الترابية، بصفة رئيسية خلال ساعات بعد الظهر. و العواصف الترابية تشكل أحد العناصر الرئيسية لعدم الراحة و الإزعاج و لدرجة كبيرة يمكن تخفيض حدتها و المشاكل التي تسببها عن طريق الخصائص التصميمية الصحيحة للمباني و المدن. و إن انعكاس ضوء الشمس للأرض المكشوفة، و المطلية في كثير من الأحيان بألوان فاتحة، قد تحدث وهجاً شديداً مما يسبب مع انعكاس أشعة الشمس من جدران المباني إزعاجاً للبصر وحمولة حرارية إشعاعية كبيرة على النوافذ و الجدران.
2- تشخيص المناخ الحار الجاف في منطقة نجد :
تقع الدرعية على هضبة نجد على خط عرض 24 و 42 شمال خط الاستواء و خط طول 46 و 44 شرق غر ينتش و على ارتفاع 624 فوق سطح البحر. و فيما يلي تشخيص للمناخ السائد على منطقة نجد بالاعتماد على أحوال الطقس المسجلة بواسطة مصلحة الأرصاد و حماية البيئة
2-1 درجة حرارة الهواء :
يتميز المناخ الحار الجاف بالمدى الحراري اليومي ، حيث يتراوح متوسط الفرق بين أعلى وأقل درجة حرارة على مدى اليوم 14.2درجة في يناير و 17 درجة في مايو ويبلغ متوسطة السنوي 15 درجة مما يدل على التباين المناخي الشديد على مدار اليوم وعلى مدار العام. و يلاحظ أن فصل الصيف يمتد من شهر يونيو إلى شهر سبتمبر و يتراوح المعدل الشهري لدرجة الحرارة الهواء الجافة للنهاية الصغرى من 22 مْ الى 25.4مْ أما المعدل الشهري لدرجة الحرارة القصوى فتتراوح من 44مْ الى 47.4مْ
2-2 الرطوبة النسبية :
في المناخ الحار الجاف ينخفض معدل الرطوبة النسبية بصفة عامة فأن المعدلات العليا تتراوح من 32% إلى 66% و المعدلات الصغرى تتراوح من 2% إلى 3% مما يؤدي إلى تزايد معدل التبخر .
2-3 الأمطار :
أن المعدل الشهري لهطول الأمطار 0.0 ملم في أشهر الصيف بينما يصل 39.5 ملم في شهر إبريل و يمتد موسم الجفاف التام على مدار العام.
2-4 سطوع الشمس والإشعاع الشمسي :
يتميز المناخ في منطقة نجد بوجود أشعة الشمس شبه العمودية و التي تتراوح حرارتها من 813 إلى 929 واط / متر مربع. و تصل نسبة سطوع الشمس إلى أدناها في شهر ديسمبر وبنسبة 65% كما تبلغ أقصاها في باقي أشهر الصيف بنسبة 90 %، وتعتبر مدة السطوع وصفاء السماء عن توافر كمية كبيرة من الطاقة الحرارية التي يمكن استغلالها في تدفئة ليالي الشتاء البارد.
2-5 الرياح :
و تهب رياح حارة و جافة على منقطة نجد ، تُعرف برياح "السموم".
2-6 الضغط الجوي :
يتراوح الضغط الجوي ما بين 937.1ساعة ضغط إلى 940.4ساعة ضغط.
3 - الراحة الحراريــــــــــــــــــــة :
تستخدم خريطة الراحة المطورة أساسا من خريطة فيكتور لأولجاي في تقييم المناخ بالنسبة للظروف المناخية المريحة للإنسان يبين شكل نطاق الراحة الحرارية و مجال استخدام المعالجات الطبيعية على مدار السنة وأحياناً على مدار اليوم وتتمثل تلك المعالجات في التدفئة ليلاً في أشهر الشتاء والتبريد والتهوية والترطيب بالنهار في أشهر الصيف. و يحدد الراحة الحرارية للإنسان بالحالة التي يشعر الإنسان بالارتياح في البيئة التي يعيش فيها كما ورد تعريف الراحة الحرارية من جمعية مهندسي التبريد و التدفئة و التهوية الأمريكية و تبنى معيار الراحة الحرارية على 50 % رطوبة نسبية و 0.2 م/ث سرعة الهواء"ASHRAE" و درجة حرارة الهواء 24 درجة مئوية.
4- الاعتبارات التصميمية المناخية للمسكن الصحراوي :
4-1 معيار شكل المبنى :
في مناطق ذات المناخ الحار - الجاف صيفاً تحتاج المباني لحماية من العوامل المناخية المختلفة مثل الإشعاع الشمسي المباشر و يتم ذلك بتحقيق معدل انخفاض درجة الحرارة في الداخل خلال ساعات النهار "Compact" المساحة السطحية للغلاف في . و لتحقيق هذه الغاية يفضل أن يكون المبنى مدمجاً الخارجي يجب أن تكون صغيرة ما أمكن، و ذلك لتقليل الانسياب الحراري إلى داخل المبنى، أيضاً، يجب أن يحصر معدل التهوية في الحد الأدنى اللازم للصحة (حوالي 0.5 تغير هوائي في الساعة )، ليتسنى تقليل تسخين الأجزاء الداخلية بواسطة الهواء الخارجي الأسخن. المساحة السطحية للجدران و السقف، عندما يكون الإنشاء ليس مانعاً للهواء تماماً يساعد أيضاً في تخفيض التخلل خلال ساعات النهار.
4-2 معيار فناء المبنى :
يلعب الفناء دوراً خاصاً في المناطق الصحراوية "الحارة-الجافة" لأنه يساعد في تحقيق درجات حرارة داخلية باردة صيفاً . و شاع استخدامه في المباني لقرون بل آلاف السنين و تم تطويره استجابة لاحتياجات الإنسان المختلفة في المسكن و تلبية لعوامل أخرى كان المناخ واحد رئيسياً من هذه العوامل . تعتمد الظروف المناخية الفعلية في الفناء على تفاصيلها التصميمية و طرق معالجتها. و في بعض الأحيان تكون درجات الحرارة الهوائية و الإشعاعية في الفناء الداخلي أعلى، و لكنها أيضاً يمكن أن تكون أقل، من درجات الحرارة المحيطة المقابلة، حسب التفاصيل التصميمية للفناء. وجد ان فناء المسجد يسهم في توفير كبير في الطاقة الكهربائية لانه يمكن توظيف الفناء عندما تكون العوامل المناخية مناسبة و يمكن الاستغناء عن التبريد الميكانيكي بنسبة حوالي 31 % من اوقات الصلاة و يساوي توفير 31 % من الطاقة المستخدمة في تبريد الهواء .
في المنطقة الصحراوية نجد أن الفناء الداخلي و في الأرضية من التربة المجردة أو الخرسانة القاسية أو البلاط غير المظلل له درجة حرارة هوائية و إشعاعية أعلى من البيئة الخارجية خصوصاً في المباني منخفضة الارتفاع كما هو موضح في الشكل . و هذا يكون نتيجة لحجز الرياح في الفناء بينما يصل الإشعاع الشمسي معظم مساحة الفناء. و كلما زادت نسبة ارتفاع المبنى المحيط بالفناء لعرضه عند مستوى السقف، كلما قلت أشعة الشمس المتغلغلة إلى مستوى أرض الفناء. و هذا يزيد المساحة المظللة و يقلل درجات الحرارة الهوائية و الإشعاعية خلال ساعات النهار في المساحة المشغولة من الفناء. و يمكن أن يتحقق تظليل الفناء بالتفاصيل التصميمية للمسكن و الأروقة التي تحيط بواسطة سقف يبرز إلى الداخل و البلكونات أو بواسطة عناصر تظليل معينة مثل أشجار بسيقان عالية و مظلات واسعة .
الفناء المظلل يعتبر مكاناً بهيجاً و جذاباً. الفناء المظلل بشجرة يوفر مناخاً أكثر إراحة من الفناءات
الخالية من النباتات. و لتمكين دخول الضوء و الشمس في الشتاء يفضل أن تكون النباتات المظللة من الأنواع االنفضية التي تسقط أوراقها في الشتاء و تكتض بأوراقها في الصيف. الفناء المحاط المشجر الملئ بالأشجار ستكون درجة حرارة الهواء به أقل من تلك الموجودة في المحيط. و عندما يوضع عكس اتجاه مهب الرياح في المبنى فإنه يمكن من تهوية المبنى بهواء أبرد من الهواء المحيط.
4-3 معيار اتجاه المبنى و التوجيه لأشعة الشمس :
الهدف الرئيسي لاتخاذ القرار بشأن اتجاه المسكن نحو الرياح المحببة صيفا، يجب أن يتزامنه هدف آخر وهو تقليل أثر الشمس على المبنى في الصيف . كذلك تعتبر التهوية خلال ساعات المساء مهمة جداً في المناطق الصحراوية.
فمعظم المناطق الحارة - الجافة في العالم تقع في خطوط العرض القريبة من خط الاستواء، حيث أن أعلى شدة للإشعاع الشمسي الساقط في الصيف، ما عدا بالنسبة للسقف، يحدث في الجدران الشرقية و الغربية.
و هذا النمط من الإشعاع الشمسي على الجدران المختلفة ينتج عنه تفضيل واضح للاتجاهات الشمالية - الجنوبية للواجهات الرئيسية، خصوصاً للنوافذ. و مثل هذا الاتجاه يمكن من تحقيق التظليل السهل و الرخيص للنوافذ الجنوبية (في نصف الكرة الشمالي) في الصيف، و الجدار المطل جنوباً عموماً بواسطة المظلات الأفقية. و المظلات الأفقية يمكن أن تحجز بفعالية أشعة الشمس الصيفية العالية في السماء.
أما موضوع الاتجاه في المناطق الحارة - الجافة فيخص بصفة رئيسية النوافذ و المساحات الأخرى. و الأثر التسخيني للإشعاع الشمسي الساقط على الجدران يمكن أن يقلل بسهولة بإختيار ألوان عاكسة للجدران. في الواقع، الجدار الغربي الأبيض المعرض لأشعة الشمس في الصيف، في مكان حار - جاف بتربة متسعة مفتوحة خفيفة الألوان، يمكن أن يكون لها نفس درجة الحرارة تقريباً مثل الجدار الجنوبي المحمية تماماً من الإشعاع المباشر بواسطة مظلة.
4-4 معيار تظليل النوافذ :
نظراً لارتفاع شدة الإشعاع الشمسي في المناطق الصحراوية، فإن زيادة الحرارة بواسطة الطاقة الشمسية التي تتغلغل من خلال النوافذ أو يتم امتصاصها في الأسطح الخارجية للجدران، تكتسب أهمية خاصة. و الإشعاع المباشر الشديد، و ذلك المنتشر من السماء، تزيد شدته بانعكاس الإشعاع الشمسي و بالانبعاث طويل الموجات من الأرض المحيطة، التي تكون في أحيان كثيرة فاتحة الألوان و دون غطاء نباتي. هذه النقاط تؤكد أهمية توفير الحماية ليس فقط من أشعة الشمس المباشرة بل أيضاً من الإشعاع المنعكس و المنبعث من الأرض. لذا فإن إمكانيات تخفيض الحمل الحراري الشمسي المباشر و غير المباشر عن طريق التظليل لها أهمية خاصة في المناطق الحارة - الجافة. و هذا القسم يتناول وسائل التظليل "المعمارية سواء كانت ثابتة أم متحركة، في المناخ الحار - الجاف. في المناطق الحارة -الجافة، التي يكون فيها كل من الإشعاع المباشر و المنعكس أعلى مما في أنواع المناخ المختلفة، نجد أن تأثير الاختلافات في الفعالية الحرارية في أنواع التظليل المختلفة أكثر وضوحاً.
4-5 معيار ألوان غلاف المباني :
إن لون الجدران و السقف له تأثير كبير على الأثر الشمسي و على المبنى و مناخه الداخلي، خصوصاً في المناطق الصحراوية حيث شدة الشمس أعلى منها في المناطق الأخرى. و نتيجة للأنماط المختلفة لحدوث الإشعاع الشمسي على الأسقف و الجدران، لذا فإن أهمية اللون كعنصر تحكم في المناخ الداخلي، متغير. بالنسبة للسقف، يكون تأثير اللون في أقصى مستوياته.
و الكسب الحراري الناتج للأجزاء الداخلية للمبنى يعتمد على الخصائص الحرارية الطبيعية للسقف. و تأثير اللون الخارجي للجدران و السقف على درجة الحرارة السطحية، الحمولة الحرارية و درجات الحرارة الداخلية، كبير جداً بحيث له أثر ملموس على المقاومة الحرارية المطلوبة للغلاف و السعة الحرارية للمبنى. و يتم توسعة هذه النقطة في الأجزاء التالية.
الجدران الشرقية و الجنوبية أيضاً حساسة جداً للونها الداخلي، في حين أن الجدار الشمالي يعتبر الأقل حساسية. و الجدار الجنوبي يمثل حالة خاصة لأنه يستقبل معظم الإشعاع في الشتاء، عندما تكون التدفئة مرغوبة.
و مشكلة الألوان الخارجية في الصحراء تصبح أكثر تعقيداً بسبب الوهج. فمعظم الصحاري تكون عرضة لكثير من الوهج بسبب اللون الفاتح للأرض و عدم وجود الغطاء النباتي . و جميع المباني البيضاء، على الرغم من أنها أفضل من الناحية الحرارية، قد تزيد من شدة الوهج. لذا يجب البحث عن حل يقلل الحمولة الحرارية على المبنى في الصيف دون إحداث الكثير من الوهج. و مثل هذا الحل يمكن أن يتوفر بواسطة التصميم المحترس لبعض عناصر المبنى وإختيار إنتقائي للألوان للأجزاء المختلفة للمبنى.
4-6 معيار النباتات كعنصر تحكم :
في العديد من المناطق الصحراوية، نجد أن كمية الغطاء النباتي الذي يمكن الحصول عليه على الأراضي الخاصة تقيدها تكلفة المياه اللازمة للري. لذا، سيكون من المفضل إستخدام الغطاء النباتي بطريقة تمكن من زيادة إسهام المساحة الخضراء الصغيرة في راحة السكان إلى الحد الأقصى.
4-6-1النباتات حول المبنى :
وجود النباتات بالقرب من المنزل في المناطق الصحراوية يمكن أن يؤثر و يحسن المناخ المصغر داخل و حول المنزل بعدة طرق كما يحقق عدة أهداف. و لكل من الأهداف المختلفة، فإن النباتات المختلفة وتفاصيل تصميم التشجير المختلفة ربما تكون الأكثر كفاءة. و تشمل الأهداف المناخية للنباتات في المناطق الحارة-الجافة تظليل السقف، الجدران، و النوافذ؛ تظليل المناطق المفتوحة الخارجية؛ تقليل و حجز الغبار داخل و حول المبنى؛ رفع مستوى الرطوبة في المناخات الجافة جداً ؛ تقليل درجة الحرارة في المساحات المجاورة للمبنى؛ تركيز انسياب الهواء و زيادة سرعة الهواء في المناطق التي يحبذ فيها ذلك. بالنظر إلى جميع هذه التأثيرات، يجب التأكيد على أن المساحات التي تكون تأثيرات النباتات عليها ذات أهمية كمية تقتصر على المساحات المزروعة نفسها .
4-6-2 الحدائق الملحقة بالمباني :
الخصائص المناخية للمناطق الحارة - الجافة، من ناحية تصميم الحدائق العامة بغرض تحقيق الحد الأقصى من الاستغلال، هي الإشعاع الشمسي الشديد ( الذي يؤدي إلى حاجة ظل كافي في الصيف ) كثرة الغبار، و في حالات عديدة ندرة الماء. و نظراً لانخفاض الرطوبة المحيطة، فإن تخفيض سرعة الرياح عن طريق الغطاء النباتي لا يرجح أن تسبب انزعاجا، كما أن نسبة الرطوبة المرتفعة التي يحدثها التبخر من النباتات، تكون محبذة بالفعل. و تعتبر المساحات المزروعة في المدن سواء كانت عامة أم خاصة، عنصراً قيماً في المنطقة الحارة - الجافة، بسبب ندرة النباتات الطبيعية . و نتيجة لانخفاض درجة حرارة الأوراق و الهواء المار بها، فإن درجات الحرارة في المساحات الخضراء تكون أقل كثيراً مما هي فوق الأرض الجرداء، الأسطح القاسية مثل الطرق، أو في المساحات المكشوفة قاسية السطح، مثل مواقف السيارات. إضافة إلى ذلك، فإن درجة الحرارة السطحية للتربةالمظللة بالغطاء النباتي في المنطقة الحارة - الجافة تكون أقل كثيراً من سطح التربة غير المظللة . و نتيجة للعوامل أعلاه فإن العنصر المشع من الحمولة الحرارية على الأشخاص الموجودين في المساحات "الخضراء" ينخفض كثيراً، إضافة إلى انخفاض درجة حرارة الهواء .
4-7 معيار مواد البناء :
تبنى المباني التقليدية في المناطق الصحراوية من مواد ذات السعة الحرارية العالية. و يستخدم لبناء الجدران من مواد كثيفة عالية الكتلة و من مواد ثقيلة مثل الحجر، القرميد، الطوب و الّلبن ، كما أن الأسقف ذات السطح الخارجي المغطى بطبقة من التراب، أيضاً يوفر كتلة عالية للمبنى. و النوافذ تكون عادة صغيرة و محمية من أشعة الشمس بواسطة سماكة الجدار الذي توضع فيه و في الكثير من الحالات يتم تزويدها بدرف من الخشب. و يمنع الإنشاء السميك الثقيل للجدران و السقف امتصاص الحرارة الخارجية و يحافظ على درجة الحرارة الداخلية عند مستوى قريب من متوسط درجة حرارة الشمس و التي تقاس في طبقة الهواء القريبة لسطح غلاف المبنى من الخارج يختلف الأداء الحراري لمواد البناء باختلاف خصائصها الحرارية-الفيزيائية مثل قدرتها على نقل الحرارة بواسطة التوصيل و الإشعاع و الحمل و قدرتها على تخزين الحرارة –السعة الحرارية و قدرتها على العزل الحراري. إن إدراك هذه الخصائص و دراستها و الإلمام بجميع الظواهر الطبيعية يسهم في الحصول على تصميم جيد في اختار المواد المناسبة منها و الطريقة التي تستعمل بها لأجل تأدية دورها الإيجابي و تفادي سلبيات عناصر المناخ المحيط.
