کنترل نور روز در محیط گلخانه‌ای با استفاده از پوسته‌های متحرک و تعدیل مصرف انرژی سالانه

دوره 22، شماره 146
مرداد 1404
صفحه 55-72

نوع مقاله : مقالۀ پژوهشی

نویسندگان

1 گروه معماری، دانشکدۀ هنر و معماری، دانشگاه مازندران، بابلسر، ایران.

2 دانشکدۀ بهداشت عمومی، دانشگاه ممفیس، آمریکا.

چکیده
بیان مسئله: گیاهان سایه‌دوست به نور زیاد حساس هستند و در محیط‌های کم‌نور رشد می‌کنند. این گیاهان که بخشی مهم از منظر سبز داخلی محسوب می‌شوند، برای رشد به شدت نوری بین ۳۰۰ تا ۱۰۰۰ لوکس نیاز دارند. از سوی دیگر، گلخانه‌ها برای تأمین شرایط مطلوب رشد، وابسته به تجهیزات مکانیکی و الکترونیکی پرمصرف هستند که موجب افزایش مصرف انرژی می‌شود. ازاین‌رو، کنترل نور روز و همچنین کاهش مصرف انرژی در این واحدهای تولیدی اهمیت زیادی دارد. پوسته‌های متحرک به‌عنوان یکی از راهکارهای معماری پایدار، در این پژوهش استفاده شده و نقش مهمی در کنترل نور و کاهش مصرف انرژی دارند.
هدف پژوهش: هدف این پژوهش ارائۀ پوستۀ متحرک برای کنترل نور روز در گلخانه‌های مخصوص گیاهان سایه‌دوست و کاهش مصرف انرژی در شهر بابلسر است.
روش پژوهش: این پژوهش با روش شبه‌تجربی انجام شده است. ابتدا، مطالعات نظری با روش اسنادی بررسی شده و سپس مدل‌سازی نرم‌افزاری در Rhino و Grasshopper انجام شده است. پوستۀ پیشنهادی با الگوبرداری از ارسی‌های سنتی معماری بومی مازندران طراحی شده و از سه هندسۀ مربع، دایره و دوازده ‌ضلعی تشکیل شده است. شبیه‌سازی‌های انرژی و نور با Honeybee و Ladybug صورت گرفته که بخش انرژی با موتور OpenStudio و نور با Radiance تحلیل شده است.
نتیجه‌گیری: در مقایسۀ سه الگوی هندسی، الگوی مربع بهترین عملکرد را از نظر نورگیری و مصرف انرژی دارد. این پوسته، براساس شاخص UDI، در 2/ 63 تا 4/ 91 درصد مواقع نور مطلوب را تأمین کرده و نور بیش از ۱۰۰۰ لوکس را کمتر از سایر الگوها به گلخانه منتقل می‌کند. از نظر شاخص سالانه EUI، این الگو با 19/154کیلووات‌ساعت‌برمترمربع کمترین مصرف انرژی را داشته و در مقایسه با مدل پایه، مصرف انرژی را 75/ 13 درصد کاهش داده است. نتایج پژوهش نشان می‌دهد هندسۀ مربع، نسبت به دایره و دوازده ضلعی، در طراحی پنل‌های متحرک گلخانه‌ای عملکرد بهتری دارد. 

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Daylight Control in Greenhouse Environments Using Kinetic Skin and Annual Energy Consumption Optimization

نویسندگان English

Pouria Abdali 1
Yaser Goldust 1
Ferial Ahmadi 2
1 Faculty of Art and Architecture, University of Mazandaran, Babolsar, Iran.
2 School of Public Health, University of Memphis, USA.
چکیده English

Problem statement: Shade-loving plants are sensitive to high-light intensity and grow in low-light environments. These plants, which constitute a significant component of indoor green landscapes, require an illuminance range of 300 to 1000 lux for optimal growth. Conversely, greenhouses rely on energy-intensive mechanical and electronic equipment to maintain ideal growth conditions, leading to increased energy consumption. Consequently, controlling daylight and reducing energy use in these production units are of great importance. Kinetic skins, as a sustainable architectural solution, have been employed in this study and play a crucial role in daylight control and energy consumption reduction.
Research objective: This study aims to propose an adaptive envelope for controlling daylight in greenhouses designed for shade-loving plants while reducing energy consumption in Babolsar.
Research method: This research employed a quasi-experimental approach. Initially, theoretical studies were examined through a literature review, then a software-based model was developed in Rhino and Grasshopper. The proposed envelope design was inspired by the traditional Orosi windows of Mazandaran and consisted of three geometric patterns: square, circle, and Dodecagon. Energy and daylight simulations were performed using Honeybee and Ladybug, where the energy analysis was conducted with the OpenStudio engine and daylight analysis with Radiance.
Conclusion: Among the three geometric patterns, the square pattern demonstrated the best performance in terms of daylighting and energy efficiency. Based on the Useful Daylight Illuminance (UDI) index, this envelope provided optimal daylight conditions for 63.2% to 91.4% of the time while transmitting excessive illuminance above 1000 lux less frequently than the other patterns. Regarding the annual Energy Use Intensity (EUI) index, the square pattern recorded the lowest energy consumption at 154. 19 kWh/m², reducing energy consumption by 13.75% compared to the base model. The findings indicate that the square geometry outperforms circular and Dodecagon geometries in the design of adaptive greenhouse panels.

کلیدواژه‌ها English

  • Daylight Control
  • Kinetic Skin
  • Greenhouse Environment
  • Shade-Loving Plants
  • Energy Consumption Reduction
  • UDI and EUI Indicators
حشمتی، پریسا. (1398). طراحی پوسته تغییرپذیر هوشمند با الهام از گیاهان برای تنظیم شرایط محیطی داخل فضا، طراحی باغ و مرکز تحقیقات گیاهشناسی در تهران. [پایان‌نامۀ کارشناسی‌ارشد، موسسه آموزش عالی معماری و هنر پارس].https://ganj.irandoc.ac.ir/#/articles/fed338a3b701873cc34f6c868d4d67e8 
شکری، آزاده. (1394). طراحی نمای متحرک درراستای کنترل نور خورشید در ساختمان اداری. [پایان‌نامۀ کارشناسی‌ارشد، دانشگاه مازندران]. https://ganj.irandoc.ac.ir/#/articles/d0403163635c20c454aa8e3671d28b79 
شیخی نشلجی، مهدی و مهدی‌زاده سراج، فاطمه. (1401). طراحی سایبان هوشمند برای ساختمان اداری جهت کنترل ورود نور مستقیم خورشید مبتنی‌بر کاهش بار سرمایشی با الگوبرداری از گره‌های ایرانی‌اسلامی. مجله علمی پژوهش‌های معماری نوین، 2(1)، 7-26. https://dorl.net/dor/20.1001.1.28209818.1401.2.1.1.6
فتحی پیر کاشانی، سهیل. (1399). طراحی ساختمان بلندمرتبه با هدف بهینه سازی مصرف انرژی از طریق پوسته‌های هوشمند [پایان‌نامۀ منتشر نشدۀ کارشناسی ارشد، دانشگاه رازی].
مهیاری، حسین. زرکش، افسانه و مهدوی‌نژاد، محمدجواد. (1401). ارائۀ یک پوستۀ تطبیق‌پذیر هوشمند با رویکرد بیومیمتیک جهت کاهش مصرف انرژی. هویت شهر، 52(16)، 23-38. 
Abedini, M. H., Gholami, H., & Sangin, H. (2025). Multi-objective optimization of window and shading systems for enhanced office Building performance: A case study in Qom, Iran. Journal of Daylighting, 12(1), 91-110.‏ https://dx.doi.org/10.15627/jd.2025.6
Atamewan, E. E. (2022). Appraisal of Day-lighting in Sustainable Housing Development in Developing Countries. Journal of Studies in Science and Engineering, 2(2), 59-75.‏ https://doi.org/10.53898/josse2022225
Bahri, S. Y., Forment, M. A., Riera, A. S., Heiranipour, M., & Hosseini, S. N. (2025). Kinetic facades as a solution for educational buildings: A multi-objective optimization simulation-based study. Energy Reports, 13, 3915-3928.‏ https://doi.org/10.1016/j.egyr.2025.03.021
Brzezicki, M. (2024). Enhancing Daylight Comfort with Climate-Responsive Kinetic Shading: A Simulation and Experimental Study of a Horizontal Fin System. Sustainability, 16(18), 8156.‏ https://doi.org/10.3390/su16188156
Edwards, L., & Torcellini, P. (2002). Literature review of the effects of natural light on building occupants.‏ https://www.nrel.gov/docs/fy02osti/30769.pdf
Goharian, A., Mahdavinejad, M. J., Ghazazani, S., Hosseini, S. M., Zamani, Z., Yavari, Y., Ghafarpoor, F., & Shoghid, F. (2025). Designing Adaptability Strategy to a Novel Kinetic Adaptive Façade (NKAF); Toward a Pioneering Method in Dynamic-objects Daylight Simulation (Post-Processing). Journal of Daylighting 12(1), 69-90. https://dx.doi.org/10.15627/jd.2025.5
Gonçalves, M., Figueiredo, A., Almeida, R. M. S. F., & Vicente, R. (2024). Dynamic façades in buildings: A systematic review across thermal comfort, energy efficiency and daylight performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 199, 114474.‏ https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114474
Hosseini, S. M., Mohammadi, M., & Guerra-Santin, O. (2019). Interactive kinetic façade: Improving visual comfort based on dynamic daylight and occupant’s positions by 2D and 3D shape changes. Building and Environment, 165, 106396.‏ https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2019.106396
Huang, T., Huang, W., Zhang, B., Chen, W., & Pan, X. (2025). Optimizing energy consumption in centralized and distributed cloud architectures with a comparative study to increase stability and efficiency. Energy and Buildings, 333, 115454.‏ https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2025.115454
Khatibi, A., Shahbazi, M., & Torabi, Z. (2022). Analyzing the thermal behavior of facades in order to determine the optimal performance of energy consumption (Case study: An office building in Tehran). Journal of Renewable and New Energy, 9(2), 121-129. https://doi.org/20.1001.1.24234931.1401.9.2.13.6
 Maden, F., & Kızılörenli, E. (2023). Modular responsive facade proposals based on semi-regular and demi-regular tessellation: Daylighting and visual comfort. Frontiers of Architectural Research, 12(4), 601-612.‏ https://doi.org/10.1016/j.foar.2023.02.005
Lee, E. S., Matusiak, B. S., Geisler-Moroder, D., Selkowitz, S. E., & Heschong, L. (2022). Advocating for view and daylight in buildings: Next steps. Energy and Buildings, 265, 112079.‏ https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2022.112079
Li, L. (2024). Research on daylighting optimization of building space layout based on parametric design. Sustainable Buildings, 7(3).‏ https://doi.org/10.1051/sbuild/2024003
Ma, J., & Cheng, J. C. (2016). Estimation of the building energy use intensity in the urban scale by integrating GIS and big data technology. Applied Energy, 183, 182-192.‏ https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.08.079
Mahmoud, A. H. A., & Elghazi, Y. (2016). Parametric-based designs for kinetic facades to optimize daylight performance: Comparing rotation and translation kinetic motion for hexagonal facade patterns. Solar Energy, 126, 111-127.‏ https://doi.org/10.1016/j.solener.2015.12.039
Mardaljevic, J., Heschong, L., & Lee, E. (2009). Daylight metrics and energy savings. Lighting Research & Technology, 41(3), 261-283.‏ https://doi.org/10.1177/1477153509339703
Mengmeng, W. A. N. G., Zhuoying, J. I. A., & Lulu, T. A. O. (2024). Review of dynamic façade typologies, physical performance and control methods: Towards smarter and cleaner zero-energy buildings. Journal of Building Engineering, 98, 111310.‏ https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.111310
Mirmomtaz, S. M. M., Baharvand, M., Dehghan, N., & Safikhani, T. (2025). Multi-objective Optimization of Two Types of Kinetic Shading Devices to Enhance Energy Efficiency and Daylighting. Sustainable Development of Geographical Enviroment, 6(11), 41-58. https://doi.org/10.48308/sdge.2024.234834.1187
Nabil, A., & Mardaljevic, J. (2005). Useful daylight illuminance: a new paradigm for assessing daylight in buildings. Lighting Research & Technology, 37(1), 41-57.‏ https://doi.org/10.1191/1365782805li128oa
Nashaat, B., & Waseef, A. (2017). Responsive kinetic façades: an effective solution for enhancing indoor environmental quality in buildings. In The First Memaryat International Conference (MIC 2017) Architecture of the Future: Challenges and Visions. Saudi Arabia.‏ https://www.researchgate.net/publication/330347504_Responsive_Kinetic_Facades_An_Effective_Solution_for_Enhancing_Indoor_Environmental_Quality_in_Buildings?utm_source=chatgpt.com
Nasr, T., Yarmahmoodi, Z., & Ahmadi, S. (2020). The Effect of Kinetic Shell’s Geometry on Energy Efficiency Optimization Inspired by Kinetic Algorithm of Mimosa pudic. Naqshejahan, 10(3), 219-230. https://doi.org/20.1001.1.23224991.1399.10.3.3.3
Özdemir, H., & Çakmak, B. Y. (2022). Evaluation of daylight and glare quality of office spaces with flat and dynamic shading system facades in hot arid climate. Journal of Daylighting, 9(2), 197-208.‏ https://dx.doi.org/10.15627/jd.2022.15
Reinhart, C. F. (2014). Daylighting handbook I: Fundamentals, designing with the sun. https://www.researchgate.net/publication/309661177_Daylighting_Handbook_I
Saleh, M. T., Mansour, Y., Kamel, S., Dewidar, K., & Farid, A. A. (2022). Towards a Taxonomy of The 21st century Architectural Practices in the age of Sustainability and Technology. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science (Vol. 1056, No. 1, p. 012011). IOP Publishing.‏ https://doi.org/10.1088/1755-1315/1056/1/012011
Sharaidin, K. (2014). Kinetic facades: towards design for environmental performance [Doctoral dissertation, RMIT University].‏ https://core.ac.uk/outputs/32229184/
Syam, F. H., Wisdianti, D., Sajar, S., & Bahri, S. (2023). Study of sustainable architecture concepts. International Journal of Research and Review, 10(4), 419-424.‏ https://doi.org/10.52403/ijrr.20230450
Takhmasib, M., Lee, H. J., & Yi, H. (2023). Machine-learned kinetic Façade: Construction and artificial intelligence enabled predictive control for visual comfort. Automation in Construction, 156, 105093.‏ https://doi.org/10.1016/j.autcon.2023.105093
Yano, M., Kojima, S., Takahashi, Y., Lin, H., & Sasaki, T. (2001). Genetic control of flowering time in rice, a short-day plant. Plant Physiology, 127(4), 1425-1429.‏ https://doi.org/10.1104/pp.010710
Yarmahmoodi, Z., Nasr, T., & Moztarzadeh, H. (2023). Algorithmic Design of Building Intelligent Facade to Control the Daylight Inspired by the Rafflesia Flower Kinetic Pattern. Naqshejahan, 13(2), 1-21.
Yeang, H. Y. (2013). Solar rhythm in the regulation of photoperiodic flowering of long-day and short-day plants. Journal of Experimental Botany, 64(10), 2643-2652.‏ https://doi.org/10.1093/jxb/ert130
Yunitsyna, A., & Sulaj, E. (2025). Daylight Optimization of the South-Faced Architecture Classrooms Using Biomimicry-Based Kinetic Facade Shading System. Journal of Daylighting, 12(1), 1-20.‏ https://dx.doi.org/10.15627/jd.2025.1
Zabihi, A., Mirzaei, R., Yazhari Kermani, A., & Heidari, A. (In -press). Optimizing the geometric pattern of light reception in the Sabak element to enhance the Optimal daylight level and use in the office building of Kerman. Journal of Urban Ecology Researches.https://doi.org/10.30473/grup.2025.70487.2833
Zhang, Y., Zhang, Y., & Li, Z. (2022). A novel productive double skin façades for residential buildings: Concept, design and daylighting performance investigation. Building and Environment, 212, 108817. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2022.108817
Zhang, G., & Shi, L. (2018). Improving the performance of solar chimney by addressing the designing factors. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 168(1), 012010.
Zhao, Z., Li, L., Zhang, G., Chew, M. Y. L., Wu, Q., Wang, Q., & Shi, L. (2024). Solar chimney applications in multi-storey buildings: A critical review. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 70, 103936.‏ https://doi.org/10.1016/j.seta.2024.103936