سیستم ها کنترل محیط زیست

گرما و دما واژگاني هستند كه اغلب با هم اشتباه مي‌شوند. گرما انرژي جنبشي مولكولها در يك ماده است و دما مقدار متوسط انرژي جنبشي در هر كدام از مولكولهاي يك ماده مي‌باشد. بنابراين دما مقدار تمركز گرما در يك ماده است.

تقريباً تمامي اجسام مادي داراي گرما مي‌باشند و اين امر بدان جهت است كه مولكولهاي آنها در حال حركت مي‌باشند. طبق تعريف، صفر مطلق (F ْ ۶۹/۴۵۹- ، Cْ۱۵/۲۷۳- ، و يا K ْ۰) دمايي است كه در آن تمامي حركتهاي مولكولي متوقف مي‌شود. هر چه جنبش مولكولها زيادتر باشد، دما بيشتر خواهد بود. بسياري از مردم بواسطه تجربه روزمره خود، با دما (كه به صورت فارنهايت با سلسيوس اندازه‌گيري مي‌شود)آشنا مي‌باشند. امّا واحد اندازه‌گيري گرما- واحد حرارتي انگليسي (Btu) يا كالري- كمتر شناخته شده است. يك Btu ، طبق تعريف مقدار گرماي مورد نياز براي افزايش دماي يك پوند آب به اندازه يك درجه فارنهايت مي‌باشد.

گركا هميشه از مواد گرمتر به مواد سردتر در جريان است. اگر هيچ تفاوت دمايي وجود نداشته باشد هيچ انتقال گرمايي نيز بوجود نخواهد آمد.
هدايت گرمايي

هدايت، انتقال انرژي جنبشي بين مولكول‌هاي مجاور مي‌باشد. اين نوع انتقال هميشه از نقطه گرمتر- يعني منطقه داراي جنبش مولكولي سريعتر- به نقطه سردتر- يعني منطقه داراي جنبش مولكولي كندتر- صورت مي‌گيرد. اين انتقال به طور مساوي و در تمام جهات (بالا، پايين و اطراف) به آساني انجام مي‌گيرد و مستقل از نيروي گرانش زمين مي‌باشد. يك نمونه روشن از انتقال هدايتي گرما، نگهداشتن قاشق فلزي در كاسه محتوي سوپ داغ مي‌باشد.

براي موادي كه درمحيطهاي معماري قرار گرفته‌اند قانون عمومي وجود دارد؛ بدين صور كه هر قدر چگالي يك ماده بيشتر باشد انتقال گرمااز طريق هدايت در آن راحت‌تر خواهد بود. فلزات (آلومينيوم، فولاد، مس) هاديهاي بسيار خوبي مي‌باشند. بتون و مصالح سنگي نيز هاديهاي خوبي هستند. چوب در مرتبه بعدي قرار دارد. هوا و ديگر گازهاي رايج هاديهاي ضعيفي هستند و بنابراين عايق‌هاي خوبي مي‌باشند. مواد متخلخل (مانند پشم، عايق فايبر گلاس و فومهاي سفت) كه فضاهاي پراز هواي زيادي در خود دارند نيز عايق‌هاي خوبي هستند و اغلب در ساختمانها به منظور كاهش دفع و جذب گرما از آنها استفاده مي‌شود.

از آنجا كه هدايت گرمايي به انتقال انرژي جنبشي بين مولكولها بستگي دارد، در نبود مولكولها (يعني در خلأ) هيچ انتقالي از طريق هدايت انجام نمي‌شود.
اندازه‌گيري هدايت

امكان انتقال گرما به صورت هدايت به چند عامل بستگي دارد:
امكان انتقال از طريق هدايت در خود ماده (عموماً هر قدر چگالي زيادتر و ماده داراي هواي كمتري باشد، هدايت بيشتر خواهد بود).
اختلاف دما( هر چه اختلاف دما در دو طرف ماده زيادتر باشد، هدايت بيشتر خواهد بود).

سطح قرار گرفته در معرض گرما (هر چه مساحت سطح قرار گرفته در برابر اختلاف دما بيشتر باشد، هدايت بيشتر خواهد بود).
مدت زمان قرارگيري در معرض گرما (هرچه اين مدت زمان بيشتر باشد، هدايت بيشتر خواهد بود).

ضخامت (اينكه گرما تا چه مسافتي در ماده جريان مي‌يابد. هر چه ضخامت كمتر باشد، هدايت بيشتر خواهد بود).
ضريب هدايت حرارتي (k)، گرماي انتقال يافته به صورت هدايت مي‌باشد كه از طريق يك ماده با ضخامت معين و در زماني معين، هنگامي كه سطحي معين از آن در برابر اختلاف دمايي معين قرار رگفته است صورت مي‌گيرد. اين ضريب، مهمترين واحد اندازه‌گيري گرماي انتقال يافته از طريق هدايت در يك ماده مي‌باشد.

ضريب هدايت ويژه شبيه به ضريب هدايت حرارتي مي‌باشد با اين تفاوت كه مقدار آن براي ضخامت خاصي از يك ماده تعريف مي‌شود.
ضريب مقاومت حرارتي (R) برابر عكس ضريب هدايت ويژه مي‌باشد و واحد آن (hr.ft2.0F)/Btu مي‌باشد. اين ضريب، واحد معمول‌تريجهت اندازه‌گيري و انتخاب عايق‌بندي براي اجزاي ساختمان مي‌باشد. هر چه مقدار R بيشتر باشد مقدار عايق‌كنندگي نيز بيشتر خواهد بود. اين ضريب، واحد مناسبي بري محاسبه توانايي عايق‌كنندگي مجموعه‌اي تركيب شده از مصالح ساختماني مي‌باشد؛ مقاومت حرارتي مصالح به سادگي به همديگر افزوده مي‌شوند تا مقاومت حرارتي مجموعه تركيب شده مصالح بدست آيد.

ضريب عبور حرارتي
ضريب عبور حرارتي (U)، واحد مقدار گرماي انتقال يافته از طريق يك ساختمان در واحد زمان در واحد سطح مي‌باشد و مقدار آن برابر با عكس مقدار مجموع R مي‌باشد. واحد ضريب عبور حرارتي (U) همانند ضريب هدايت ويژه، Btu/(hr.ft2.0F) مي‌باشد. توجه داشته باشيد كه اگر چه براي محاسبه مقدار R براي كل يك تركيب، مقدار R مربوط به هر يك از اجزاء را باهم مي‌توان جمع نمود با اين حال، مقادير ضريب هدايت ويژه (C) را نمي‌توان باهم جمع نمود تا مقدار ضريب عبور حرارتي (U) محاسبه گردد بلكه به جاي آن مي‌بايست مقادير معكوس ضرايب هدايت ويژه را باهم جمع نمود تا مقدار مقاومت حرارتي (R) براي كل تركيب بدست آيد و رد پايان، مقدار معكوس R محاسبه شود تا ضريب عبور حرارتي (U) بدست آيد.

ذخيره سازي حرارتي
شيوه بالا در محاسبه دفع هدايتي گرما، اختلاف دما را در مدت زماني طولاني ثابت فرض مي‌كند. اگرچه اين مطلوب در عمل به ندرت اتفاق مي‌افتد با اين حال اگر گرماي نسبتاً كمي در مصالح ذخيره شود، اين شيوه هنوز قابل اطمينان خواهد بود و اين در حالتي اسن كه سازه ساختمان از لحاظ وزني سبك باشد (براي مثال چوب، فولاد، شيشه). با اين وجود مصالحي كه داراي جرم زيادي مي‌باشند (مثل بتون يا آجر) مقدار زيادي گرما را در حرارتي جداره ساختمان مي‌تواند تا حد زيادي عملكرد حرارتي آن را تحت تأثير قرار دهد.
در مقياس ساختماني اگر دماي خارجي ساختمان نسبتاً ثابت باشد ويژگي ذخيره‌سازي حرارتي در مصالح ساختماني تأثير ناچيزي بر دماي داخلي ساختمان خواهد داشت. اگر نوسانات دماي روزانه زياد باشد انتخاب مصالحي با ظرفيت ذخيره‌سازي حرارتي بالا مي‌تواند در تثبيت دماي داخلي ساختمان موثر باشد.
تابش

تابش حرارت، انتقال گرما، (انرژي جنبشي مولكولها) از طريق امواج الكترومغناطيسي مي‌باشد. وقتي كه مولكولها بر روي سطح يك ماده حركت مي‌كنند انرژي تابشي را به شكل تابش الكترومغناطيسي مي‌باشد. در اين نوع انتقال گرما همانند هدايت، انرژي از ماده گرمتر به ماده سردتر منتقل مي‌شود. ولي برخلاف هدايت، دراينجا هيچ واسطه مولكولي مورد نياز نيست. در واقع، تابش در آسانترين حالت خود در يك خلأ كامل اتفاق مي‌افتد. حركت جنبشي مولكولهاي سطح ماده با سرعت نور منتشر مي‌شوند (در واقع نظريه كوانتوم نور بيان مي‌دارد كه نور در بسته‌هاي كوچك تابشي منتشر مي‌شود كه فوتون نام دارند و تركيبي عجيب از موج و ذرات را به نمايش مي‌گذارند

تمامي مواد، انرژي را در تمام جهات به صورت تابعي از دماي مطلق سطح مي‌تابانند. بنابراين حتي يك سطح سرد نيز انرژي را به سطح گرم مي تاباند. با اين حال اين سطح سرد، انرژي بسيار بيشتري از سطح گرم و دريافت مي‌كند. تابش نيز همانند هدايت، مستقل از نيروي گرانش زمين مي‌باشد و به طور مساوي در تمامي جهات اتفاق مي‌افتد.
دماي يك سطح نه تنها ميزان تابش انتشار يافته را تعيين مي‌كند بلكه طول امواج (فركانس) تابش را نيز مشخص مي‌سازد.

منطقخ مرئي بخشي از طيف خورشيد است كه چشم قادر به ديدن آن است و بنابراين براي روشنايي مناسب مي‌باشد (۴/۰ تا ۷/۰ ميكرون). منطقه نزديك به مادون قرمز، بخش نامرئي در طيف خورشيدي است (۷/۰ تا ۴ ميكرون). طيف كوچك ماوراء بنفش نيز نامرئي است (۳/۰ تا ۴/۰ ميكرون) با اين حال از لحاظ معماري تنا به دليل تأثير آن بر بي‌رنگ ساختن رنگهاي داخلي ساختمان و كاهش رشد گياهان اهميت دارد. منطقه دور از مادون قرمز نيز قسمتي نامرئي از طيف خورشيدي است كه از فضاهاي گرم و ديگر سطوح زيمني منتشر مي‌شود (بزرگتر از ۸ تا ۵۰ ميكرون).

خصوصيات اپتيكي :
هنگامي كه انرژي تابشي به سطحي برخورد مي‌كند امكان وقوع سه اتفاق و يا تركيبي از آنها وجود دارد. اين ارنژي مي‌تواند جذب و تبديل به انرژي حرارتي شود و بدين ترتيب سطح دريافت كننده را گدم كند و يا مي‌تواند از سطح ماده منعكس شود كه در اين صورت هيچ گرمايشي انجام نمي‌پذيرد و يااينكه اگر ماده در برابر طول موجهاي تابشي شفاف باشد، اين انرژي مي‌تواند از ماده عبور كرده و منتشر شود. اين مقادير (جذب، انعكاس و عبور) بدون واحد بوده و بين ۰ تا ۱ تغيير مي‌كنند؛ به طوريكه مجموع اين مقادير براي هر ماده بايد مساوي با يك باشد. به عبارت ديگر؛ مقدار تابش برخوردي به يك سطح بايد هميشه برابر با مجموع تابش جذب شده، انعكاس يافته و عبوري باشد.
اثر گلخانه‌اي

در يك روز خوب وروشن، جو زمين براي تابش خورشيد نسبتاً شفاف است (مخصوصاً در منطقه طيف مرئي ونزديك به مادون قرمز). امواج تابشي خورشيد بعد از عبور از جو به سطوح زمين برخورد مي‌كنند ودر اين هنگام يا منعكس (حدوداً ۲۰ درصد) ويا جذب مي‌شوند (حدوداً ۸۰ درصد). اشعه‌هاي منعكس شده به همان سهولتي كه وارد جو زمين شده بودند از آن خارج مي‌شوند، اما اشعه‌هاي جذب شده تبديل به گرما شده و سطح جذب كننده را گرم مي‌كنند.

جو زمين براي امواج طولاني‌تر دور از مادون قرمز كه از سطوح گرم شده توسط خورشيد منتشر مي‌شوند، نسبتاً كدرتر مي‌باشد و به صورت يك «سپرتابشي» درمي‌آيد كه از تابش گرماي زمين به فضاي خارج از آن جلوگيزي مي‌كند. اين خاصيت، دليل محيط حرارتي نسبتاً گرم و پايدار جو زمين مي‌باشد. مقدار بخار آب هوا تأثير شگرفي بر اثر گلخانه‌اي دارد. در آب و هواي مرطوب، دماهاي روزانه نسبتاً ثابت مي‌باشند در حاليكه مناطق كويري به دليل آنكه مي‌توانند گرماي خود را به راحتي از طريق جو خشك زمين به خارج بتابانند، نوسانات زيادي را در دماي روزانه تجربه مي‌كنند.

اثر گلخانه‌اي در بعضي از مصالح ساختماني نيز وجود دارد. شيشه‌ها (عناصر شفاف در پنجره‌ها و نورگيرها) تنوع گسترده‌اي از اهدف كنترل تابش را در ساختمان در برمي‌گيرند كه شامل موارد زير مي‌باشد: وارد كردن نور، وارد كردن گرماي خورشيد، امكان ديد به داخل وخارج از ساختمان، جلوگيري از دفع حرارتي داخل ساختمان ويا هموار ساختن آن.
جابجايي

هنگامي كه يك ماده گرم مي‌شود مولكولهاي آن به سرعت حركت مي‌كنند. به عنوان يك قانون كلي، مولكولها در عكس المعل به اين فعاليت زياد، خود را بيشتر و بيشتر اين سو و آن سو پرتاب مي‌كنند. اين عمل، منجر به نوعي حالت انبساط در ماده مي‌شود. جامدات ومايعات دچار افزايش حجم مي‌شوند. مايعات وگازها غلظت كمتري مي‌يابند و در نتيجه نسبت به سيالات خنك مجاور خود، شناورتر مي‌شوند. جابجايي، انتقال گرما از طريق حركت يك واسطه سيالي (مانند آب يا هوا) مي‌باشد.

يكي از تفاوت‌هاي اساسي بين‌ هدايت و جابجايي، نوع حركت مولكولي آنها مي‌باشد. در هدايت موقعيت خود ر تغيير نمي‌دهند بلكه به جاي آن انرژي از مولكولي به مولكول ديگر با حالت رقص منتقل مي‌شود. در جابجايي هنگامي كه سيال حركت مي‌كند انرژي از طريق جايگيري فيزيكي مجدد مولكولها منتقل مي‌شود.
جابجايي طبيعي

حركت سيالي مورد نياز براي جابجايي را مي‌توان از طريق تفاوت خاصيت شناوري سيالات در نتيجه اختلاف دما بوجود آورد و اين همان جابجايي طبيعي است.
جابجايي واداشته

حركت سيالي موردنياز بري جابجايي را مي‌توان بوسيله يك نيروي خارجي (مثل پنكه، پمپ ويا باد) ايجاد كرد كه جابجايي واداشته نام دارد.
نفوذ

نفوذ، نشت تصادفي هواي خارج به داخل ساختمان مي‌باشد كه منبع اصلي انتقال جابجايي گرما از طريق جداره ساختمان بوده وبدين لحاظ مورد توجه خاص طراحان مي‌باشد. تفوذ، تركيبي ز جابجايي طبيعي و وادشته‌ مي‌باشد.
تغيير حالت
هنگامي كه ماده‌اي تغيير حالت پيدا مي‌كند (مثلاً از مايع به گاز تبديل مي‌شود)، مقدار زيادي گرما بايد جذب (يا آزاد) شود تا اين انتقال صورت گيرد. از آنجا كه تغيير حالت آب به بخار، عملي رايج‌ در محيطهاي معماري مي‌باشد و از آنجا كه رفتار حرارتي آب بي‌نظير است، اين نوع تغيير حالت در اينجا به صورت حالتي از انتقال حرارت متمايز با هدايت، تابش و يا جابجايي مورد بررسي قرار مي‌گيرد.

دماي خشك هوا
اگر هواي يك اتاق كاملاً خشك باشد، مي‌توان ويژگيهاي حرارتي آن را با استفاده از يك دماسنج معمولي كه دماي خشك آن را اندازه مي‌گيرد بيان كرد. اين حالت در محيطهاي واقعي تقريباً هيچگاه وجود ندارد چرا كه هميشه مقداري رطوبت به شكل بخار آب در هوا وجود دارد. مقدار بخار آب هوا تأثير به سزايي بر آسايش حرارتي مخصوصاً درمحيطهاي گرم دارد.
گرماي محسوس، گرماي نهان، آنتالپي

گرماي محسوس، گرماي خشك هواست كه با دماي خشك مرتبط مي‌باشد. گرمايي كه يك كويل مشتعل در چراغ خوراك‌پزي به هوا مي‌دهد، نمونه‌اي از اين نوع گرماست.
گرماي نهان، گرماي رطوبت داري است كه با تغيير حالت آب از مايع به بخار از طريق تبخير يا جوش، آزاد مي‌شوند. بخار آبي كه در اثر جوشيدن كتري بر روي چراغ خوراك‌پزي به هوا اضافه مي‌شود، نمونه‌اي از گرماي نهان است. اين فرآيند، برگشت‌پذير است زيرا هنگامي كه رطوبت هواميعان مي‌شود، گرماي نهان آزاد مي شود.
آنتالپي، مجموع گرماي نهان ومحسوس هوا مي‌باشد وگاهي نيز گرماي مجموع ناميده مي‌شود. واحد گرماي محسوس، گرماي نهان و آنتالپي همگي يكي مي‌باشد: (پوند هواي خشك) Btu.

دماي مرطوب هوا
دماي مرطوب نوعي واحد اندازه‌گيري براي سنجش ميزان بخار آب موجود در يك مخلوط بخار آب- هوا مي‌باشد. اين دما با استفاده از دماسنجي داراي يك حباب مرطوب اندازه‌گيري مي‌شود كه جهت كمك به تبخير به سرعت حركت مي‌كند.
اشباع

در هر دما، بيشينه‌اي براي ضريب رطوبت وجود دارد كه در آن دما مصداق پيدا مي‌كند (به ياد داشته باشيد كه گنجايش هوا براي رطوبت همراه با دما افزايش مي‌يابد). اين بيشينه، نقطه اشباع هوا مي‌باشد.

رطوبت نسبي
رطوبت نسبي، ضريب رطوبتي از هواست كه به صورت درصد نقطه اشباع در آن دما بيان مي‌شود. براي مثال، ضريب رطوبت هوا در اتاقي ۰۱۱۱/۰ و دماي خشك آن F ْ۸۰ اندازه‌گيري شده است. نقطه اشباع براي دماي F ْ۸۰ برابر با ۰۲۲۲/۰ مي‌باشد و بيدن ترتيب ضريب رطوبت نسبي ۵۰ درصد خواهد بود.
ميعان

هنگامي كه هواي مرطوب خنك مي‌شود جنبش مولكولها كمتر شده و به همديگر نزديكتر مي‌شوند و ظرفيت هوا براي حفظ رطوبت، كاهش يافته و در نتيجه پديده معيان اتفاق مي‌افتد. ميعان، فرآيند تبديل بخار به مايع از طريق گرفتن گرما از آن مي‌باشد. اين حالت هنگامي اتفاق مي‌افتد كه گرماي محسوس كاهش يابد (دماي خشك كم شود) و در عين حال ضريب رطوبت ثابت نگه داشته شود.

نقطه شبنم
نقطه شبنم، اين دماي بحراني است كه در آن با كاهش دماي خشك هواي مرطوب، ميعان رخ مي‌دهد. از آنجا كه نقطه شبنم و نقطه اشباع بر روي نمودار سايكرومتريك اتفاق مي‌افتند، اغلب با همديگر اشتباه مي‌شوند. تفاوت آنها در اين است كه نقطه اشباع با يك دماي خشك خاص مرتبط است (و نشان دهنده ميزان رطوبتي است كه هوا در آن دما مي‌تواند در خود نگه دارد) در حاليكه نقطه شبنم با يك ضريب رطوبت خاص مرتبط است (و نشان دهنده دمايي است كه در آن، هوا با آن مقدار رطوبت شروع به ميعان مي‌كند).
متابوليسم

مهمترين شيوه‌اي كه بدن انسان از طريق آن گرماست بدست مي‌آورد متابوليسم – تبديل انرژي شيميايي (غذا) به انرژي مكانيكي (كار) وحرارتي (گرما)- مي‌باشد. هر چه فعاليت بدن بيشتر باشد عمل متابوليسم نيز بيشتر انجام خواهد شد و عبارت ديگر؛ غذا سريعتر به كار وگرما تبديل مي‌شود. پس هر چه سطح فعاليت بدن بيشتر باشد گرماي بيشتري بايد از بدن خارج شود تا دماي دروني آن ثابت نگه داشته شود

.
انتقال گرما در بدن
از آنجا كه دماي داخلي بدن هميشه بايد ثابت نگه داشته شود گرماي توليد شده از طريق متابوليسم بايد از طريق سطح پوست و تنفس به محيط اطراف باز گردد. اين عمل از طريق تركيبي از جابجايي، تابش، هدايت وتبخير انجام مي‌شود.
جابجايي

هنگامي كه هواي سرد اطراف به سطح پوست برخورد مي‌كند پوست از طريق جابجايي خنك مي‌شود. هر چه اختلاف دما بيشتر باشد (هوا خنكتر شود)، اين انتقال بيشتر خواهد بود. هنگامي كه دماي هوا افزايش مي‌يابد بدن شروع به دريافت گرما از محيط مي‌كند. سرعت افت حرارت از طريق جابجايي نيز تحت تأثير سرعت حركت هوا بر روي سطح بدن قرار دارد.
تابش
پوست، همچنين مي‌تواند از طريق تابش، گرما را به سطوح اطراف خود باز گرداند. از آنجا كه امواج تابشي تنها درخطي مستقيم سير مي‌كنند تنها سطوحي كه در مقابل پوست قرار گرفته‌اند تحت تأثير اين امواج قرار مي‌گيرند.

تبخير
روش سومي كه بدن از طريق آن حرارت خود را دفع كرده و به محيط اطراف مي‌دهد تبخير مي‌باشد. هنگامي كه دماي هوا و سطوح اطراف افزايش مي‌يابد (يا فعاليت بدن افزايش پيدا مي‌كند) حفظ تعادل گرمايي تنها از طريق جابجايي وتابش، براي بدن بسيار دشوار خواهد بود. وقتي دماي پوست بدن افزايش مي‌يابد تعرق بدن نيز افزايش يافته و پوست تنها از طريق تبخير خنك مي‌شود.

هدايت
هدايت، در شرايطي معين شيوه‌اي بسيار مهم در دفع حرارت از بدن مي‌باشد. با اين حال در محيطهاي معمول معماري تماس مستقيم با سطوح گرم يا سطوح گرم يا سرد بسيار محدود بوده وتأثير كلي آ بر رفع حرارت بدن بسيار ناچيز مي‌باشد.
آسايش حرارتي
آسايش حرارتي يك حالت خوشايند دروني است كه شرايط و عوامل فردي و نيز مجموعه‌اي از عوامل مرتبط باهم مي‌توانند آنرا مي‌توانند آنرا تغيير دهند. انجمن «اَشري»، آسايش حرارتي را اينگونه تعريف مي‌كند: «شرايطي دروني كه در آن رضايت انسان از محيط حرارتي حاصل مي‌شود».