نقش جدارهای نورگذر کارآمد در بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان‌ها

چکیده
در پوسته خارجی ساختمان‌ها، جداره شفاف بیشترین ضریب انتقال انرژی به ازای واحد سطح را دارد. به همین علت انتظارات عملکردی از جدارهای شفاف به مراتب بیشتر از دیگر قسمت‌های پوسته خارجی ساختمان‌ها است.
با توجه به سیاست‌های ملی در زمینه بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان و در جهت اشاعه فرهنگ استفاده از این سیستم‌های کارآمد و همچنین تضمین کیفیت و دوام آن‌ها لازم است گام‌هایی جدی برداشت.
در این مقاله سعی می‌گردد نوآوری‌ها در زمینه طراحی و ساخت جدارهای شفاف شیشه‌ای کارآمد مطرح شود و نقش آن‌ها در رعایت صرفه‌جویی
و بهینه‌سازی مصرف انرژی در کشور تشریح گردد.

مقدمه
جدارهای شفاف باید به گونه‌ای طراحی شوند که امکان کنترل میزان ورود نور و انرژی خورشیدی را در ماه‌های مختلف سال تامین نمایند، و در عین حال میزان انتقال حرارت و صدابندی تامین شده توسط این جدارها باید منطبق با ضوابط و مقررات لازم‌الاجرا در این زمینه باشد. تمامی این عوامل دست به دست هم داده و باعث می‌گردند کیفیت و دوام شیشه‌های چند جداره از اهمیت خاصی برخوردار باشد.
با توجه به تاثیر بسزای این نوع جدارها در بهینه‌سازی مصرف انرژی در تعداد زیادی از کشورهای جهان قوانینی به اجرا گذاشته شده است تا استفاده از مجموعه‌های یک پارچه شیشه‌های دو یا چندجداره در تمامی مناطق یا بخشی از آن‌ها اجباری گردد.
در کشور ما نیز ضوابط مربوط به کاربرد شیشه‌های چندجداره در مقررات ملی ساختمان پیش‌بینی و پیش‌نویس استانداردهای مربوط به آن آماده گردیده است.
 
تاریخچه
هرچند تجربه دیرینه‌ای در مورد استفاده از چندجدار شفاف، از جمله سیستم‌های دو پنجره‌ای در مناطق سردسیر جهان وجود دارد، ولی تاریخچه کاربرد شیشه دوجداره تنها به اواخر قرن گذشته باز می‌گردد. در سال 1865 میلادی استنتون اولین پروانه حق امتیاز بهره‌برداری برای یک نوع شیشه دوجداره عایق‌کاری شده بصورت غیرقابل نفوذ را در ایالات متحده به ثبت رساند. ارتقاء کیفیت و گسترش کاربرد این نوع جدارها سیری تدریجی را طی کرد و در سال‌های پس از بحران نفتی در دهه هفتاد، نوآوری‌های متعددی با استفاده از فناوری‌های پیشرفته مطرح گردید و باعث شد کیفیت و دوام این جدارها بصورت چشمگیری بهبود یابد.
 
فناوری ساخت شیشه‌های چندجداره
سیستم شیشه چندجداره استاندارد با اتصال دو یا تعداد بیشتری شیشه تک جداره که بطور موازی نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند ساخته می‌شود. اصل و اساس شیشه دوجداره برمبنای ایجاد یک فضای خالی پر از هوای خشک (یا یک گاز مخصوص) بین دو یا تعداد بیشتری صفحات شیشه‌ای بنا شده است. نوع گاز تزریق شده از اهمیت خاصی برخوردار است و می‌تواند مشخصات حرارتی یا صوتی و یا هر دو را بهبود بخشد. باید اضافه کرد پوشش‌های فلزی (نقره ای ، ..) نیز در بعضی موارد برای محدود کردن انرژی منتقل شده (با افزایش میزان انعکاس نور خورشید) استفاده می‌شود، ولی این تکنیک باعث تیره شدن شیشه، تاریک شدن فضای داخل ساختمان و در نتیجه افزایش استفاده از نور مصنوعی می‌شود . برای رفع این نقطه ضعف، در ساخت شیشه عایق از پوشش‌های خاصی استفاده می‌شود که انتقال نور شیشه با استفاده از آن‌ها به 78% می‌رسد، که در مقایسه با میزان انتقال نور شیشه‌های رفلکتیو که در حدود 20% است بسیار چشمگیر می‌باشد. بطورکلی پوشش‌های گسیل در شیشه یا در اصطلاح Low-e به سه دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
1- پوشش‌های کم تاب برای تقلیل بیش از 50% انتقال حرارت از داخل ساختمان به بیرون :
این پوشش‌ها برای مناطق سردسیر توصیه می‌شود و روی سطح سوم شیشه دوجداره قرار می‌گیرد.
2- پوشش‌های کنترل نور خورشید برای محدود کردن انتقال انرژی خورشید بیش از 75% به داخل ساختمان :
این پوشش‌ها برای مناطق گرمسیر توصیه می‌شود و روی سطح دوم شیشه دوجداره قرار می‌گیرد.
3- پوشش‌هایی که ترکیبی از دو نوع قبلی است، برای استفاده در مناطق سردسیر و گرمسیر مناسب می‌باشد و روی سطح دوم و سوم شیشه دوجداره قرار می‌گیرد.
بکارگیری فاصل‌های آلومینیومی، که در گوشه خم کاری شده‌اند، یکنواختی فاصله بین دو شیشه را تضمین می‌کند. قطعات شیشه‌ای با استفاده از بوتیل به یکدیگر پیوند می‌خورند. بهره گیری ماده جاذب رطوبت مخصوص (سیلیکاژل) که در داخل فاصل‌ها پر شده‌اند، باعث می‌گردد هوا یا گاز محبوس شده بین شیشه‌ها عاری از رطوبت گردد. در آخرین مرحله تولید، پیرامون با یک ماده آب بند و هوابند که دارای خاصیت لاستیکی است پوشیده می‌شود. (مثل چسب پلی سولفید)
 
خصوصیات حرارتی شیشه‌های چندجداره
ضریب هدایت حرارت بالای شیشه و همچنین ضخامت ناچیز لایه‌های شیشه به کار رفته باعث می‌گردند سهم شیشه در مقاومت کل سیستم شیشه چندجداره بسیار ناچیز باشد. به همین علت در این جدارها، لازم است مقاومت حرارتی هوای خشک یا گاز مخصوص موجود بین جام‌های شیشه تا حد امکان افزایش یابد. البته باید توجه داشت در فناوری‌های نوین، از تمامی اقدامات ممکن در راستای کاهش ضریب انتقال حرارت این نوع جدارها استفاده می‌گردد، ولی تاثیر گاز بین لایه‌های شیشه محدود است و ضریب انتقال حرارت در حالت سیستم دوجداره کمتر از 2.8(w/k.m2) نمی‌تواند باشد.
در نتیجه، در فناوری‌های جدید از شیشه‌هایی با پوشش‌های کم تاب (Low-e) استفاده می‌شود تا عملکرد جدار بهبود یابد. این پوشش‌های نازک فلزی نامرئی به وسیله یک فرآیند الکترومغناطیسی در محفظه خلاء بر روی سطح شیشه اعمال می‌شود. لازم به توضیح است بطور طبیعی و کلی، پرتوهای حرارتی با طول موج بالا در زمان انتقال به داخل، به وسیله لایه سطح شیشه منعکس می‌شوند. لایه فلزی بکار رفته در سیستم‌های کم تاب تغییر قابل ملاحظه‌ای در نرخ انتقال نور مرئی شیشه ایجاد نمی‌کند.
این نوع شیشه‌ها به دلیل ظاهر بی‌رنگ به راحتی با سایر شیشه‌های مورد استفاده در نمای ساختمان‌ها قابل ترکیب می‌باشد و باعث می‌گردد ضریب انتقال حرارت برای سیستم‌های دوجداره تا 1.3 (w/k.m2) کاهش یابد. نوآوری‌های دیگری نیز جدیدا مطرح شده‌اند که با قراردادن یک یا چند لایه فیلم پلیمری در لایه هوا و یا با بکارگیری فاصل‌هایی همراه با انقطاع حرارتی برای به حداقل رسانیدن پل حرارتی فاصل‌ها عملکرد حرارتی شیشه‌های چندجداره را بیش از پیش بهبود می‌بخشند.

به طور خلاصه، خصوصیات سیستم‌های شیشه‌ای چند جداره به شرح زیر می‌باشد:
1- انتقال حرارت از جدارهای شفاف (بخصوص در دوره سرد سال) به حداقل می‌رسد.
2- از روشنایی و انرژی خورشید استفاده بهینه می‌شود.
3- ظاهر و جلوه جدار نامرئی و بی‌رنگ می‌باشد.(مگر در شیشه های رنگی)
در جدول زیر، مقادیر مربوط به ضرایب انتقال حرارت در ترکیب‌های مختلف ممکن در سیستم‌های شیشه‌ای، برای انجام مقایسه ارائه شده است:

نوع شیشه یا مصالح
ضخامت لایه های شیشه‌ای(میلی‌متر)
ضخامت لایه های هوا(میلی‌متر)
نوع لایه هوا
ضریب انتقال حرارت
U (w/k.m2)
تک‌جداره
4
-
-
5.9
تک‌جداره
6
-
-
5.8
تک‌جداره
50
-
-
4.7
دو‌جداره
4,6
12
هوای خشک
3.0
دو‌جداره
4,6
12
گاز آرگون
2.9
دو‌جداره کم‌تاب
4,6
12
گاز آرگون
1.3
دو‌جداره کم‌تاب
4,6
16
گاز آرگون
1.1
دوجداره کم‌تاب
4,6
12
گاز کریپتون
1.0
سه‌جداره
4,6,4
9,9
هوای خشک
2.2
سه‌جداره
4,6,4
9,9
گاز آرگون
1.9
سه‌جداره کم‌تاب
4,6,4
12,12
گاز آرگون
1.0
سه‌جداره کم‌تاب
4,6,4
8,8
گاز کریپتون
0.7
سه‌جداره کم‌تاب
4,6,4
10,10
گاز کریپتون
0.6
سه‌جداره کم‌تاب
4,6,4
12,12
گاز کریپتون
0.5
دیوار 35 سانتی آجری
-
-
-
حدودا 2
 
انتظارات تعیین‌شده در مبحث 19 مقررات ملی ساختمان ( صرفه جویی در مصرف انرژی):
در ویرایش اول مبحث 19 مقررات ملی ساختمان، در مورد جدارهای شفاف، تعیین مشخصات لازم برای گروه‌های مختلف، 1- 2 – 3 تعریف شده در این مبحث، به دو صورت می‌تواند صورت گیرد. روش تجویزی و روش عملکردی ( با محاسبه ضریب انتقال حرارت حجمی ساختمان)
گروه 1: ساختمان‌هاي ملزم به صرفه جويي زياد در مصرف انرژي؛
گروه 2: ساختمان‌هاي ملزم به صرفه جويي متوسط در مصرف انرژي؛
گروه3: ساختمان‌هاي ملزم به صرفه جويي كم در مصرف انرژي؛
در روش تجویزی، مقادیر تعیین‌شده برای ضرایب انتقال حرارت جدارهای شفاف به شرح زیر می‌باشد:
 

گروه 1
گروه 2
گروه 3
ضریب انتقال حرارت پنجره‌ها (w/k.m2)
2.8
4.2
5.2
  ‌‌‌‌‌  ‌
به عبارت دیگر در مورد گروه 1 بصورت سیستماتیک و در مورد گروه‌های 2 و 3 بسته به طراحی پنجره لازم است از سیستم‌های دو پنجره و یا پنجره ساده با شیشه‌های دوجداره استفاده کرد.
البته، در صورت طراحی بر مبنای روش عملکردی، آزادی عمل بیشتری در زمینه انتخاب نوع پنجره وجود دارد و طراح می‌تواند از سیستم‌های دوجداره استفاده نماید یا از آن اجتناب کند، بسته به اینکه ساختمان جزو کدام گروه محسوب می‌شود و میزان عایق‌کاری جدارهای غیرشفاف در چه حد است.
در ویرایش جدید مبحث 19، الگوی تعیین مشخصات فنی جدارهای شفاف طبق روش عملکردی مشابه ویرایش اول است، با این تفاوت که به جای ضریب انتقال حرارت حجمی ساختمان، ضریب انتقال حرارت کل ساختمان ملاک عمل می‌باشد و مقدار آن وابسته به سطح جدارهای شفاف می‌باشد. در ضمن، برای فراهم نمودن امکان طراحی ساختمان با افزایش سطوح شفاف در جهت‌های مناسب و استفاده بهینه از انرژی خورشیدی تعریف و محاسبه می‌گردد و در صورت جوابگویی مقادیر محاسبه شده با انتظارات تعیین شده در مقررات، طراح می‌تواند تخفیفی برای عایق‌کاری جدارهای غیرشفاف پوسته خارجی احراز نماید.
در روش تجویزی ویرایش جدید، برای انواع مختلف پنجره ( فلزی، چوبی یا پلیمری) امکان استفاده از شیشه‌های تک‌جداره، دوجداره یا سیستم‌های دو پنجره‌ای تعیین می‌گردد. در این روش نیز، در صورتیکه طراحی به گونه‌ای انجام شده باشد که امکان بهره‌گیری از انرژی خورشیدی برای مناطق تعیین شده در این مبحث فراهم شود، ضریب کاهشی به مقاومت‌های حداقل جدارهای غیرشفاف اعمال می‌گردد. در ضمن تنها در صورتی که نسبت سطوح جدارهای شفاف به سطح زیربنا از حدود تعریف شده در این مبحث کمتر باشد، امکان استفاده از شیشه‌های تک‌جداره فراهم می‌گردد.
استانداردها و روش‌های آزمون
با در نظر گرفتن این نکته که شیشه‌های دوجداره عایق کاری شده از بیش از 40 سال پیش مورد استفاده قرارگرفته است، انتظار می‌رود که کلیه شخصیت‌های حقیقی و حقوقی ذیربط به یک توافق کلی در خصوص مشخصات فنی و روش انجام آزمایش‌ها برای این کالاهای مهم که باعث صرفه‌جویی در میزان انرژی می‌شود نائل آمده باشند. لیکن با مرور مشخصات فنی کشورهایی که عمده تولیدکننده و مصرف کننده شیشه‌های عایق محسوب می‌شوند، به تفاوت‌های فاحشی در خصوص دستورالعمل‌های مربوط به روش انجام آزمایش‌ها و معیارهای تنظیم شده پی می‌بریم.
مصرف کنندگان در اصل نیاز به محصولی دارند که برای مدت نامحدودی کارایی خود را حفظ کند، یعنی شفاف باقی بماند و تمامیت ساختاری خود را در خلال طول عمری که از آن انتظار می‌رود حفظ کند. در نتیجه برای پیش‌بینی میزان دوام آن‌ها، روش‌هایی جهت انجام آزمایش‌هایی به عنوان قیاسی / تشابهی نسبت به آنچه در واقعیت با آن روبرو خواهند شد، با بهره‌گیری از ایجاد شرایط بحرانی و سخت جهت نیل به نتایج در مدت زمان کوتاه‌تری، طراحی شده‌اند. جزئیات این آزمایش‌ها و تاکید بر نتایج بدست آمده منعکس کننده نقطه نظرات در خصوص مکانیزم های تخریبی است که محققین و تدوین کنندگان مشخصات فنی به آن‌ها معتقد می‌باشند.
مکانیزم‌های متفاوت تخریب و خراشیدگی را می‌توان به شرح ذیل فهرست نمود:
1- نقایص و کاستی‌های مرتبط با کارگران که منجر به بروز نشت می‌گردد.
2- چسبندگی ناکافی مواد عایق‌کاری.
3- زوال مواد عایق‌کاری در اثر تماس با آب جمع شده در درون قاب‌ها.
4- گسیخته شدن پیوند شیشه‌ها با حائل آلومینیومی به دلیل فشارهای متغیر اعمال شده توسط نیروی باد.
5- انباشت و تجمع آب ناشی از انتقال بخار مرطوب.
6- میعان ( بخار یا مه گرفتگی شیمیائی).
7- از دست دادن و گسیخته شدن پیوند شیشه‌های عایق در اثر فشار درونی
روش‌های گوناگون آزمایش یک یا تعدادی از عوامل فوق را بررسی و نتایج آن را تحلیل می‌نمایند. همچنین، تقریباً در تمام آزمایش‌ها درجه حرارتی که در آن به نقطه اشباع می‌رسیم به عنوان یک معیار انطباقی با استانداردهای پذیرفته شده مختلف در نظر گرفته شده است.
برخی از استانداردهای ملی که تولیدکنندگان و موسسات تحقیقاتی می‌توانند به آن‌ها مراجعه کنند و محصولات خود را با رعایت آن‌ها تولید نمایند به شرح ذیل می‌باشند:
- استاندارد ملی کشور انگلستان به شماره BS 3175
- استاندارد ملی کشور آمریکا به شماره E377 or ASTM E 477
- استاندارد ملی کشور کانادا به شماره 7 CAN 2 – 21/8 – M 6
- استاندارد ملی کشور فرانسه به شماره 4NFP 87-15
- استاندارد ملی کشور آلمان به شمارهDIN 6821
- استاندارد ملی کشور هلند به شماره 2NEN 7653 / K 4
- استاندارد مشترک اعضا اتحادیه اروپائی به شماره 1EN-PR972
استانداردهای ملی تنظیم شده کشور کانادا در خصوص شیشه‌های عایق قدیمی‌ترین استاندارد ملی موجود در این رابطه می‌باشد. به همین دلیل استاندارد ملی سایر کشورها آن را به عنوان اساس و پایه قرار داده و متعاقب آن هریک به طریقی آن‌ها را توسعه و بسط داده‌اند. پیش‌نویس‌های استانداردهای ملی ایران نیز از این امر مستثنی نیست. با توجه به اینکه اخیراً پیشرفت‌هایی در زمینه تولید این محصول در کشورمان بوجود آمده و نظارت بر کیفیت محصول و تولید، ضامن استقبال عمومی و اطمینان بیشتر مصرف‌کنندگان می‌شود و از طرفی با در نظر گرفتن این نکته که مزیت‌های اساسی این نوع محصول رابطه مستقیمی با کیفیت تولید دارد، تسریع در تصویب نهایی پیش نویس‌های تهیه شده در کمیته‌های تخصصی استاندارد یکی از اقدامات مهم در راستای تحقق اهداف تعیین شده در سیاست‌گذاری‌های ملی برای استفاده این محصول می‌باشد و ارگان‌های ذیربط و حمایت‌کننده می‌بایست توجه بیشتری به انطباق محصولات با انتظارات حداقل مشخص شده در استانداردهای ملی داشته باشند. بخشی از آزمایش‌های لازم برای تعیین کیفیت شیشه‌های چندجداره عایق به شرح زیر می‌باشد:
 
 نقطه اشباع اولیه
استاندارد ملی اکثر کشورها یک نقطه اشباع حداقل را برای شیشه‌های عایق ذکر کرده‌اند. روش تعیین نقطه اشباع در بین استانداردهای ملی کشورهای مختلف متفاوت است. در روش آزمایش تشریح شده در پیش‌نویس استاندارد ملی ایران، جهت تعیین نقطه تشکیل برفک بر روی شیشه عایق چندجداره، از روش‌ها و تجهیزاتی نام برده می‌شود که می‌تواند به صورت همزمان برای پنجره در حالت افقی و عمودی مورد استفاده قرار گیرد تا نقطه تشکیل برفک را تعیین نماید.

هوازدگی
بحرانی‌ترین و مهم‌ترین آزمایشی را که می‌توان بر روی یک واحد شیشه عایق دو یا چندجداره انجام داد، تست موسوم به آزمایش تغییر و تعویض چرخه آب و هوا رطوبت نسبی است.
در آزمایش مزبور، نمونه‌ها در معرض دو نوع شرایط آب و هوایی در حدی قرار می‌گیرند تا شبیه سازی و آزمایش دوام تسریع شده بر روی آن‌ها صورت گیرد. البته باید خاطر نشان کرد که در استانداردهای ملی در کشورهای مختلف اتفاق نظری در این زمینه وجود ندارد، که شاید دلیل اصلی آن وجود تنوع بالا در شرایط اقلیمی در کشورها باشد.

قرار دادن نمونه‌ها در معرض رطوبت نسبی بالا
این تست یک آزمایش ساده که در آن نمونه‌ها در معرض رطوبت نسبی بالا برای دوره‌های زمانی مختلف قرار می‌گیرند. در استاندارد ملی برخی کشورها توصیه شده است که همزمان با اعمال شرایط رطوبت بالا، دما نیز بصورت چرخه‌ای تغییر داده شود. در حالی که در استاندارد ملی بعضی کشورها خواستار غوطه‌ور کردن کامل نمونه‌ها در آب و در دمای ثابت و در برخی از استانداردها تابانیدن هم زمان اشعه فرابنفش و قراردادن نمونه‌ها در معرض رطوبت پیشنهاد شده است.

بخار (مه ) گرفتگی در اثر نور فرابنفش
این یکی از جنجالی‌ترین و بحث انگیزترین آزمایش‌هایی است که شیشه‌های عایق دو یا چندجداره باید در معرض آن قرار گیرند. این آزمایش سعی دارد میزان تمایل یک شیشه عایق را نسبت به آزاد ساختن ترکیبات فرار و ناپایدار، پس از قرار گرفتن در معرض نور فرابنفش و افزایش درجه حرارت، اندازه‌گیری نماید.
نتیجه‌گیری
در این مقاله سعی شده است اهمیت کاربرد شیشه‌های چندجداره در جهت بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان مطرح شود و خصوصیاتی که باید این جدارهای شفاف دارا باشند تا حس کارآیی و دوام در دراز مدت تضمین گردد تشریح شود.
مشکل عمده‌ای که در زمینه استفاده از این اجزا در ساختمان‌سازی وجود دارد هزینه اولیه بالای این اجزا است. در نتیجه ضروری است با بکارگیری سیاستی تشویقی و همچنین با فرهنگ‌سازی در جهت تحقق اهداف تعیین‌شده در زمینه بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان گام برداشت.