بار حرارتی ساختمان در واقع به مجموعه بارهای سرمایشی و گرمایشی موجود در یک ساختمان اشاره دارد. بار گرمایشی به مقدار انرژی گرمایی گفته می شود که برای حفظ دما در محدوده قابل قبول باید به یک فضا اضافه شود. بار سرمایشی نیز به مقدار انرژی گرمایی گفته می شود که برای حفظ دما در محدوده قابل قبول باید از یک فضا حذف شود. به مجموعه بارهای سرمایشی و گرمایشی، بار حرارتی یک ساختمان گفته می شود. از آنجا که انتقال حرارت در ساختمان به چهار روش هدایت، همرفت، تابش، و تبخیر انجام میشود، بنابراین هر عنصر معماری که بتواند یک یا چند روش انتقال حرارت در ساختمان را تحت تاثیر قرار دهد، در واقع توانسته است بار حرارتی ساختمان را نیز تغییر دهد. عناصر معماری غیر فعال، که در فصل قبل به آنها اشاره شد، می‌توانند به طور مستقیم میزان بار حرارتی ساختمان را کاهش دهند. با محاسبه انتقال حرارت ناشی از هر چهار روش و در نهایت جمع آنها، بار حرارتی ساختمان محاسبه میشود.
به این ترتیب با جمع مقادیر همه روشهای انتقال حرارت در ساختمان، در هر لحظه می‌توان بار حرارتی ساختمان را بر حسب وات (W) محاسبه کرد. بار سرمایشی ساختمان در واقع مجموع بار حرارتی ساختمان به ازای تمام ساعات دوره گرم سال می‌باشد که بر حسب kWh محاسبه میشود و میزان مصرف انرژی ساختمان در دوره گرم را نشان می‌دهد. به همین ترتیب بار گرمایشی ساختمان نیز از مجموع بار حرارتی ساعتی در طول دوره سرد سال بر حسب kWh محاسبه میشود. همچنین برای اینکه بتوان بار حرارتی دو ساختمان مختلف را با هم مقایسه نمود، معمولا مقدار بار حرارتی بر مساحت فضای مورد نظر تقسیم میشود و بنابراین بار سرمایشی و بار گرمایشی با واحد kWh/m2 بیان می‌شوند. با مقایسه تغییرات بار حرارتی قبل و بعد ازاعمال طرح اقلیمی، می‌توان میزان کارایی طرح اقلیمی مورد نظر را ارزیابی نمود. تغییرات بار حرارتی متداول‌ترین متغیر وابسته در ارتباط با ارزیابی کارایی استراتژی‌های طراحی اقلیمی است. به طور کلی عملکرد انتقال حرارت در هر عنصر معماری اقلیمی، شامل ترکیبی از روشهای انتقال حرارت در ساختمان است که در ادامه به آنها پرداخته شده است.
1- انتقال حرارت از طریق هدایت
انرژی گرمایی منتقل شده در درون اجسام را انتقال حرارت از طریق هدایت می‌نامند. در این نوع انتقال حرارت هر چه جسم گرمتر شود تحرک مولکول‌های آن بیشتر میشود. گرمتر شدن جسم و تحرک بیشتر مولکول‌های آن باعث انتقال تحرک و گرما به قسمت های خنک‌تر جسم میشود. اجسام از نظر انتقال حرارت به صورت هدایت دو گونه‌اند: بعضی انرژی گرمایی را به سادگی در درون خود انتقال می‌دهند، مانند فلزات که آنها را هادی حرارت می‌گویند و بعضی که به سختی گرما را انتقال می‌دهند و آنها را عایق‌های حرارتی می‌نامند.
این نوع انتقال حرارت در محاسبه بار حرارتی ساختمان، بیشتر مربوط به طراحی و اجرای جداره‌های خارجی ساختمان به لحاظ نوع مصالح و کیفیت عایق بودن آنها می‌باشد. جداره‌های خارجی ساختمان شامل دیوارها، کف‌ها، سقف‌ها، درها، و پنجره‌ها است. برای محاسبه این نوع انتقال حرارت باید ابتدا مساحت هر گروه از این جداره‌ها به تفکیک محاسبه شود و سپس ضریب انتقال حرارت (u-value (W/m2ko)) هر جداره محاسبه و در مساحت آن جداره و در اختلاف دمای هوای داخل و خارج ضرب شود. در پایان چنانچه مقدار انتقال حرارت محاسبه شده همه جداره‌ها با هم جمع گردد، میزان انتقال حرارت هدایتی کل ساختمان به دست می‌آید. (برای مطالعه بیشتر در مورد روش محاسبه ضریب انتقال حرارت جداره، به مبحث 19 مقررات ملی رجوع شود.)
در ساختمان‌هایی که بدون عایق حرارتی هستند و به عبارتی جداره‌های ضعیفی به لحاظ انتقال حرارت دارند، بار حرارتی بسیار بالاتر از بار حرارتی در یک ساختمان کارامد انرژی است. در مقابل، بار حرارتی در ساختمان‌های با کارایی حرارتی بالا که از سیستم‌های غیرفعال استفاده می‌کنند، تقریبا ناچیز است. تحقیقات نشان می‌دهد که بار گرمایشی در ساختمان‌های خورشیدی غیر فعال حدود 10% بار گرمایشی در ساختمان‌های معمولی و سنتی است، به عبارتی به کارگیری سیستم‌های غیر فعال در معماری می‌توانند تا 90% در مصرف انرژی صرفه‌جویی ایجاد کنند.
2- انتقال حرارت از طریق همرفت
انتقال گرما به صورت همرفت (جابه‌جایی) در مایعات و گازها (سیالات) انجام میشود. اختلاف دمای بخشی از سیال با قسمت دیگر باعث حرکت سیال در ظرف میشود. قسمتی که در مجاورت منبع گرما قرار گرفته گرم و سبک میشود و به طرف بالا حرکت می‌کند و جایش را بخش سرد سیال می‌گیرد. اصولا انتقال گرما همزمان به صورت همرفت و هدایت انجام میشود. در بناها نیز انتقال حرارت فقط به صورت هدایت یا همرفتی انجام نمی‌شود.
این نوع انتقال حرارت در محاسبه بار حرارتی در ساختمان به صورت‌های مختلفی وجود دارد. حالت اول در ارتباط با میزان نشت و نفوذ هوا از طریق شکاف پنجره‌ها، کانالها، و درزها می‌باشد. در این حالت هدر رفت انرژی اتفاق می‌افتد که مطلوب نیست و معمولا به راحتی قابل محاسبه نمی‌باشد. این اتفاق عموما به دلیل اجرای نادرست اجزای ساختمان مانند بازشوها و تهویه طبیعی از طریق آنها همچنین عدم درزبندی اصولی کانالها، داکتها، کلیدها و پریزها، روی می‌دهد. زمانی که نشت یا نفوذ هوا از طریق شکاف‌ها و درزهای پیش‌بینی نشده رخ می‌دهد، تعداد دفعات تعویض هوای داخل در ساعت، بیشتر از مقدار محاسبه شده در طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع میشود و به همین دلیل سیستم‌های مکانیکی مجبور خواهند بود با حداکثر توان کار کنند. در چنین مواقعی علی‌رغم مصرف زیاد انرژی، آسایش حرارتی ساکنین نیز اغلب تامین نمی‌شود.
در مقابل، عناصری مانند دودکش خورشیدی، نمای دو پوسته، آتریوم، و غیره از طریق تهویه طبیعی و بیرون کشیدن هوای گرم از ساختمان در فصل گرم و یا از طریق پیش گرمایش هوا در فصل سرد، به کاهش بار حرارتی ساختمان کمک می‌کنند. البته نباید از نظر دور داشت که ساز و کار این سیستم‌ها فقط متکی به انتقال حرارت همرفتی نیست؛ بلکه تابش خورشید نیز نقش بسیار موثری در تکمیل کارایی آنها دارد. این عناصر همگی از تکنیک‌های معماری غیر فعال هستند.
روش دیگر انتقال حرارت همرفتی در ساختمان، مربوط به تهویه مکانیکی است. این نوع تهویه برای تامین هوای مورد نیاز ساکنین و همچنین ارتقاء کیفیت هوای داخل محاسبه میشود و بنابراین کاملا کنترل شده و مطلوب است. میزان این نوع تهویه بر اندازه و توان سیستم تهویه مطبوع تاثیر می‌گذارد. بدیهی است زمانی که عناصر معماری غیرفعال به درستی طراحی و اجرا شوند، تعداد ساعات کار سیستم‌های تهویه مطبوع کاهش می‌یابد و در نتیجه در مصرف انرژی صرفه‌جویی ایجاد میشود.
3- انتقال حرارت از طریق تابش
انتقاد حرارت به صورت تشعشع بر خلاف هدایت و همرفت نیاز به حامل گرما ندارد. انرژی گرمایی در فضا به صورت امواج الکترومغناطیس منتشر میشود؛ مانند تابش خورشید که از میلیون‌ها کیلومتر فاصله به زمین می‌رسد. اجسام گرم همیشه انرژی گرمایی خود را به صورت تشعشع منتشر می‌کنند و شدت انتقال گرما بستگی به اختلاف دمای دو جسمی دارد که در حال مبادله گرما هستند. اگر دو جسمی که اختلاف دما دارند در خلاء قرار بگیرند، انتقال گرما از طریق هدایت یا جابجایی صورت نمی‌گیرد و فقط از طریق تشعشع، گرما از جسم گرم به جسم سرد منتقل میشود، تا زمانی که تعادل حرارتی بین آنها برقرار شود. انتقال حرارت به صورت تشعشع و هدایت همزمان صورت می‌گیرد. درواقع تشعشع قسمتی از انتقال حرارت در بنا است که باعث تشدید انتقال حرارت از پوسته ی خارجی بنا میشود. وقتی دمای محیط اطراف پایین تر از دمای سطح دیوارهای خارجی بنا باشد گرما به صورت تشعشع نیز از سطح پوسته خارجی بنا به محیط اطراف منتقل میشود.
پنجره‌ها یکی از موثرترین محل‌های انتقال حرارت تابشی در ساختمان هستند زیرا با عبور تابش مستقیم از پنجره‌ها به داخل، دمای محیط افزایش چشمگیری پیدا می‌کند و چنانچه پنجره‌ها بسته باشند، امواج انعکاسی از سطوح داخلی با طول موج بلند قادر به خروج از پنجره‌ها نیستند و در نتیجه در اثر ایجاد پدیده گلخانه‌ای، دمای هوای داخل به شدت افزایش می‌یابد. این پدیده نه تنها در تابستان‌ها نامطلوب است بلکه در زمستان نیز، به ویژه در اقلیم‌های نه چندان سردی مثل شیراز، می‌تواند آزاردهنده و نامطلوب باشد. به همین دلیل انتخاب نوع پنجره از لحاظ جنس قاب، تعداد لایه‌های شیشه، فاصله شیشه‌ها، پوشش‌های کم گسیل، و غیره در میزان بار حرارتی بسیار موثر است. از سوی دیگر، سایبان‌های خارجی، چنانچه با اصول و کارایی بالا طراحی شده باشند، می‌توانند مانند پنجره‌ها و یا حتی بیشتر در تعدیل بار حرارتی موثر واقع شوند.
جنس نمای ساختمان نیز به لحاظ رنگ، سختی، و درخشندگی، از دیگر عناصر معماری است که تحت تاثیر تابش، می‌تواند دمای سطح خارجی را دست‌خوش تغییرات شدیدی کند و به این ترتیب در افزایش یا کاهش بار حرارتی موثر واقع شود. در واقع، بسیاری از تکنیک‌های معماری غیرفعال، مربوط به کنترل مناسب تابش خورشید هستند و از این طریق قادر خواهند بود که مصرف انرژی در ساختمان را کاهش دهند.
4- انتقال حرارت از طریق تبخیر
تبخیر به فرآیند تبدیل مایع به بخار (گاز) می‌گویند. در نتیجه افزایش دما، انرژی جنبشی مولکول‌ها افزایش پیدا می‌کند. به دلیل این افزایش، نیروی جاذبه بین مولکول‌ها کاهش می‌یابد و در نهایت، این مولکول‌ها به شکل بخار به محیط اطراف روانه می‌شوند. این فرآیند با تغییر حالت ماده و مصرف گرما همراه است.
استفاده از استخر آب بر روی بام ساختمان، یکی از تکنیک‌های معماری غیر فعال است که از طریق ترکیبی از روشهای انتقال حرارت، موجب کاهش بار حرارتی در ساختمان میشود. در مواقع گرم سال، آب برای تبخیر، گرمای مورد نیاز خود را از سطح بام دریافت می‌کند و به این ترتیب دمای سطح بام کاهش می‌یابد و در نتیجه با کاهش انتقال حرارت هدایتی بام، بار سرمایشی نیز کاهش می‌یابد. در مواقع سرد سال نیز به دلیل ظرفیت حرارتی زیاد آب، از نوسان بیش از حد دمای هوای داخل جلوگیری میشود ضمن اینکه با اجرای صحیح، می‌توان در طول روز آب را گرم نمود و از آن برای گرمایش بام در شب استفاده کرد. از تکنیک‌های سرمایش تبخیری برای خنک نمودن محوطه نیز می‌توان بهره فراوان برد.
5- اندازه سیستم سرمایش و گرمایش
در حالی که واژه بار حرارتی به معنی گرمایش و سرمایش مورد نیاز ساختمان است (که در بخش قبل توضیح داده شد)، واژه “ظرفیت” مربوط به میزان سرمایش یا گرمایشی است که یک دستگاه تهویه مطبوع می‌تواند ارائه دهد. البته باید توجه داشت که واژه بار حرارتی از یک سو، می‌تواند در تعریف کمی مقدار گرمای مورد نیاز یک فضا در واحد زمان (معمولا ساعتی) جهت گرم کردن و نگه داشتن دمای آن فضا در یک دمای معین به کار رود، و از سوی دیگر این واژه می‌تواند برای محاسبه ظرفیت سیستم تهویه مطبوع نیز به کار رود. برای محاسبه ظرفیت سیستم تهویه مطبوع لازم است که به غیر از بار حرارتی که در بخش قبل توضیح داده شد، همه منابع تولید گرما در ساختمان مانند حرارت ساکنین، انواع وسائل برقی، روشنایی مصنوعی، فعالیت‌های آشپزخانه، کامپیوترها، و غیره در نظر گرفته شوند. زمانی که مقدار کل بار حرارتی معین باشد، مهندسین تهویه مطبوع قادر خواهند بود سیستم مکانیکی ای طراحی کنند که دمای داخل را به نحو کارآمدی در محدوده مطلوب نگه دارد.
به طور کلی منظور از اندازه سیستم سرمایش/گرمایش، محاسبه حداکثر بارهای محسوس بر حسب وات با در نظر گرفتن ضرایب اطمینان برای طراحی سیستم مکانیکی (تهویه مطبوع) می‌باشد. این ضرایب بر اساس استاندارد اشری برای زمستان برابر با 1.25 و برای تابستان برابر با 1.15 در نظر گرفته شده است و به این ترتیب ظرفیت سیستم‌های سرمایش و گرمایش کمی بیشتر از حداکثر مورد نیاز برآورد می‌شوند. از آنجا که مقدار ظرفیت (اندازه) سیستم تهویه مطبوع به معنی توان و قدرت دستگاه است، بنابراین ظرفیت سیستم با واحد وات (W) بیان میشود. چنانچه ارزیابی انرژی یک طرح اقلیمی خاص مد نظر باشد، می‌توان اندازه سیستم سرمایش/گرمایش را قبل و بعد از اعمال طرح اقلیمی مقایسه نمود. به این ترتیب تغییرات اندازه سیستم سرمایش/گرمایش به عنوان یک متغیر وابسته در تحقیقات محسوب میشود.
