مراجع مختلف، آسایش حرارتی را به روش‌های متفاوتی تعریف کرده‌اند. حیدری با مروری بر تعاریف مراجعی مانند اشری، هیجز، بنزیگر، هنسن، لیمب، اولگیای، مکین‌تایر و جیونی، در نهایت آسایش حرارتی را رضایت‌مندی از حرارتی محیط دانسته است، به نحوی که افراد احساس سردی و گرمی نکنند. وی بیان میکند که راحتی وقتی اتفاق می‌افتد که دمای بدن در دامنه‌ای محدود و پوست کم نم باشد تا تلاش‌های فیزیولوژیکی انسانی برای غلبه بر گرما یا سرما به حداقل ممکن برسد.
امروزه محققین به این نتیجه رسیده‌اند که طراحی معماری نه تنها باید با رویکرد صرفه‌جویی در مصرف انرژی باشد، بلکه ایجاد کیفیت مناسب هوای داخل و آسایش برای انجام فعالیت‌های گوناگون، باید در مرکز توجه طراحان و مهندسان قرار بگیرد. در یک محیط مطلوب به لحاظ حرارتی، انسان می‌تواند به حداکثر بازدهی خود برسد، بهتر فکر کند و عمیق‌تر بیندیشد. بنابراین اهمیت فراهم کردن آسایش حرارتی، چه در محیط داخل و چه در محیط خارج، در دنیای انسان محور امروز، امری بدیهی و ضروری است. نیکل ضرورت پرداختن به آسایش حرارتی را در سه دلیل زیر بیان میکند:
- تامین شرایط رضایت برای ساکنین
- کنترل مصرف انرژی
- پیشنهاد و تهیه استانداردها
مهمترین موضوع در مقوله آسایش حرارتی، تعیین حدود آسایش است که این خود موضوع بسیار بحث برانگیزی در میان محققین بوده و هست. اگر در یک فضا، به دلایلی دمای هوا افزایش یابد، افراد احساس گرما می‌کنند و برعکس اگر دمای هوا پایین آید افراد از سرما شکایت خواهند کرد. بنابراین تعیین حد بالا و حد پایین آسایش حرارتی بسیار با اهمیت است زیرا اگر این مرز به درستی تعیین نشود، هم مصرف انرژی افزایش می‌یابد و هم نارضایتی حرارتی ایجاد می‌شود. متغیرهای آب و هوایی مانند دما، رطوبت، تابش، و جریان هوا عناصر اصلی در تعیین حدود آسایش حرارتی هستند. آنچه تعیین محدوده دقیق آسایش حرارتی را با دشواری روبرو میکند، این است که محدوده راحتی از انسانی به انسان دیگر، از فرهنگی به فرهنگ دیگر و از اقلیمی به اقلیم دیگر متغیر است. در این راستا دو رویکرد اصلی وجود دارد: مدل آسایش حرارتی ایستا و مدل سازگاری حرارتی.
در مدل ایستا، از اتاق‌های اقلیمی برای انجام تحقیقات استفاده می‌شده است. در این اتاق تمامی عناصر اقلیمی قابل کنترل در نظر گرفته می‌شدند و به این ترتیب احساس حرارتی افراد، با نرخ لباس و فعالیت ثابت، در یک محیط آزمایشگاهی تحت کنترل، اندازه‌گیری می‌شد [3]. مدل آسایش حرارتی فانگر[4]، که اساس استاندارد آسایش حرارتی ایزو 1984-7730 و همچنین استاندارد اشری 55 – 1992 قرار گرفت، بر اساس همین مدل ایستا استوار است. عوامل موثر بر آسایش حرارتی که توسط فانگر مطرح شدند عبارت هستند از: دمای هوا، رطوبت نسبی بین 30% تا 70%، تابش، جریان هوا، نرخ لباس، و نرخ فعالیت.
با گسترش نظریه فانگر و استفاده روزافزون از معادله تعادل حرارتی او، چهار انتقاد اصلی بر این نظریه شکل گرفت:
- نقش عایق لباس
- نرخ سوخت ساز بدن و فعالیت‌های فرد
- ویژگی پویایی شرایط آسایش حرارتی
- ویژگی‌های ذهنی و روانی افراد که می‌تواند بر آسایش تاثیر بگذارد مانند توانایی در عادت کردن و سازگاری.
با توجه به این موارد، همفریز و نیکل اعتبار نظریه آسایش حرارتی ایستا را مورد ارزیابی قرار دادند و متوجه شدند که محدوده دمایی آسایش حرارتی در ساختمانهای با تهویه طبیعی، بسیار وسیعتر از آنچه است که مدل‌های PMV-PPD پیش‌بینی می‌کنند (به ویژه در تابستان). همچنین آنها بیان کردند که تفاوت عمده‌ای بین یافته‌های مطالعات میدانی با پیش‌بینی‌های آسایش در معادلات تعادل حرارت وجود دارد. از سوی دیگر ددیر و براگر با جمع آوری نتایج مطالعات میدانی در سراسر دنیا و تقسیم این داده‌ها به دو بخش کلی ساختمانهای با تهویه طبیعی و ساختمانهای با تهویه مطبوع مرکزی، به این نتیجه رسیدند که معادلات پیش‌بینی PMV با دقت بسیار خوبی برای ساختمانهای کنترل شده مناسب است اما برای ساختمانهای با تهویه طبیعی از دقت لازم برخوردار نیست.
نکته جالب توجه در پژوهش‌های همفریز این بود که نشان داد یک ارتباط خطی بین آسایش حرارتی و دمای هوای بیرون وجود دارد که از رابطه زیر قابل محاسبه می‌باشد:
Tco = a.Tout + b
در این فرمول Tco دمای آسایش، Tout دمای هوای بیرون، و a , b نیز ضرایب ثابت (a شیب خط و b فاصله از مبدا) میباشند. همفریز، 1978، پیشنهاد کرد که میانگین دمای هوای ماهانه به عنوان دمای هوای بیرون در این فرمول قرار بگیرد.
تمامی این تلاش‌ها در نهایت منجر به تئوری سازگاری حرارتی شد. این تئوری بیان میکند که: اگر تغییری در محیط اتفاق بیفتد که موجب نارضایتی حرارتی شود، افراد به گونه‌ای رفتار می‌کنند که آسایش حرارتی آنها حفظ شود. به عبارتی بر خلاف مدل ایستا که رفتار حرارتی انسان را محدود و ثابت فرض میکند، در مدل سازگاری حرارتی انسان آزادانه می‌تواند شرایط حرارتی خود را با تغییر رفتار مانند تغییر نرخ لباس، تغییر نرخ فعالیت، باز و بسته کردن پنجره، جابه‌جایی در اتاق و … تنظیم نماید. به این ترتیب مدل سازگاری حرارتی یک مدل پویاست که با واقعیت تطابق دارد. اساس پژوهش در مدل سازگاری حرارتی، مطالعات میدانی در شرایط واقعی و بدون کنترل عناصر محیطی می‌باشد. مدل سازگاری حرارتی بیان میکند که انسان در محیط حرارتی به صورت فعال عمل میکند و چنانچه محیط گرم یا سرد شود تلاش میکند تا خود را با محیط وفق دهد و به این ترتیب در هنگام طراحی نیازی نیست که برای هر فضا نرخ لباس مشخصی در نظر گرفته شود و یا اینکه محدوده ای برای رطوبت و سرعت جریان هوا لحاظ شود. و خلاصه اینکه مدل سازگاری حرارتی برای ساختمانهایی مورد استفاده قرار می‌گیرد که دارای تهویه طبیعی هستند.
طالقانی [11] سه استاندارد اصلی در مدل سازگاری حرارتی را مورد بررسی قرار داد: استاندارد اشری 55-2010، استاندارد اروپا EN15251، و استاندارد هلند ATG. تفاوت این استانداردها در موارد زیر است:
- معادلات حد بالا و پایین آسایش
- دماهای مرجع
- محدوده‌های دمایی قابل قبول
- دیتاست
1- استاندارد اشری 55-2010 بر مبنای مدل سازگاری حرارتی
در دهه 1990، اشری در یک پروژه تحقیقاتی ویژه، از ددیر و براگر درخواست کرد که اطلاعات مربوط به مطالعات میدانی که در کشورهای تایلند، اندونزی، سنگاپور، پاکستان، یونان، آمریکا، انگلستان، کانادا، و استرالیا انجام شده بود را جمع‌آوری نمایند. این تحقیق نشان داد که پاسخ حرارتی ساکنین در یک ساختمان با تهویه طبیعی، بسیار وابسته به دمای هوای بیرون است. چنین فضاهایی باید دارای پنجره‌هایی با قابلیت باز و بسته شدن و فاقد سیستم‌های تهویه مطبوع باشند. نتایج بیش از 21000 اندازه‌گیری در سراسر دنیا در فرمول زیر خلاصه شد:
Tco = 0.31 Tref + 17.8 oC
در این فرمول Tref در واقع میانگین نمایی دمای هوای بیرون در بازه 7 تا 30 روز قبل از روز مورد نظر می‌باشد. به طور کلی مدل سازگاری زمانی کاربرد دارد که میانگین دمای هوای ماهانه خارج در محدوده 10-33.5 درجه سانتیگراد باشد. از سوی دیگر این مدل در دو حالت رضایت حرارتی برای 80% و 90%ساکنین قابل بررسی است.
2- استاندارد EN15251 بر مبنای مدل سازگاری حرارتی
در این استاندارد روش رسیدن به شرایط آسایش حرارتی در ساختمانهای غیر صنعتی در کشورهای اروپایی (فرانسه، یونان، پرتغال، سوئد، و بریتانیا) تعیین شده است. هیات اروپایی در 2007، استاندارد EN15251:2007 را بر اساس پروژه اسکات، برای ساختمانهای با تهویه طبیعی منتشر کرد و در آن فرمول سازگاری حرارتی را به شرح زیر ارائه داد:
Tco = 0.33 Trm7 + 18.8 oC
در این فرمول Trm7 میانگین نمایی دمای هوای بیرون برای مدت 7 روز گذشته می‌باشد که از فرمول زیر محاسبه می‌شود:
Trm7 = (T-1 + 0.8T-2 + 0.6T-3 + 0.5T-4 + 0.4T-5 + 0.3T-6 + 0.2T-7) / 3.8
3- استاندارد هلند ATG بر مبنای مدل سازگاری حرارتی
پیش از آنکه استاندارد آسایش حرارتی اروپا EN15251:2007 تدوین شود، هلند استاندارد جدید خود را در 2004 ارائه کرد. این استانداردِ محدوده دمای سازگاری (ATG) در مقابل استاندارد قبلی (1970) تدوین شد. استاندارد قبلی که بر اساس مدل فانگر بود، از انعطاف پذیری لازم برای پیش‌بینی دقیق در ساختمانهای با کاربری‌های مختلف برخوردار نبود. از این رو، استاندارد جدید ابتدا ساختمان‌ها را به دو گروه تقسیم کرد: ساختمانهای آلفا (با تهویه طبیعی) و ساختمانهای بتا (با تهویه مکانیکی و نماهای درزبندی شده). در این استاندارد، دمای مرجع در معادله سازگاری حرارتی برابر با میانگین دمای هوای بیرون در چهار روز اخیر در نظر گرفته شد [15]:
Trm = (Ti + 0.8Ti-1 + 0.4Ti-2 + 0.2Ti-3 ) / 2.4
در این فرمول Trm میانگین دمای هوای بیرون، Ti میانگین دمای هوای همان روز، و Ti-1 میانگین دمای هوای روز قبل (1، 2، 3 و 4 روز قبل) می‌باشد.
4- استاندارد آسایش حرارتی در ایران
در ایران نیز حیدری با بررسی 10 شهر با اقلیم‌های متفاوت، توانسته است معادله سازگاری حرارتی را ارائه دهد. این پژوهش با استفاده از روش‌های پرسشنامه‌ای متقاطع و اندازه‌گیری متغیرهای محیطی، نرخ لباس، نرخ فعالیت، و پاره‌ای موارد دیگر مانند باز و بسته کردن پنجره‌ها و حرکت از فضایی به فضای دیگر، که در سطح سه مطالعات آسایش حرارتی قرار می‌گیرد [16]، به انجام رسانده است. معادله نهایی ناشی از مطالعات ایران که قابل استفاده است و می‌تواند شاخصه معتبر و جدیدی برای مهندسان معمار و مکانیک باشد، به شرح زیر است:
Tn Hot Condition = 17.6 + 0.36 To
در این فرمول To میانگین دمای ماهانه خارج می‌باشد. این فرمول برای شرایط گرم تابستان از دقت پیش‌بینی بالایی برخوردار است اما برای پیش‌بینی شرایط آسایش در زمستان، حیدری معتقد است که باید مقدار 1.2 درجه سانتیگراد از دمای خنثی در فصل گرم کم کنیم. به این ترتیب معادله سازگاری حرارتی برای شرایط سرد در ایران به شرح فرمول زیر است:
Tn Cold Condition = Tn Hot – 1.2 oK
