نقش مواد پلیمری در کاهش مصرف انرژی در ساختمان

• بهروز اکبری؛  کارشناس ارشد شیمى
• کاملیا صابرپور؛ مهندس کامپیوتر گرایش نرم‌افزار

بحران انرژی در جهان امروز بیشتر کشورها و کارشناسان امور انرژی را به بهره‌گیری از منابع انرژی جایگزین و بهینه‌ساز مصرف سوخت واداشته است. کاربرد با ارزش و محسوس پلیمرها در صنعت ساختمان سازی در جایگزینی آنها بجای فلزات و چوب در ساخت چهارچوب پنجره‌ها و در پوشش نمای خارجی ساختمان‌ها نمود پیدا می‌کند. مزیت استفاده از این مواد در مقاومت آنها در برابر تخریب‌های محیطی و بیولوژیک است. این خصوصیت همراه با کاهش هزینه تزئینات ساختمان سبب شده‌است که این مواد در صنایع ساختمان کاربرد فزاینده‌ای پیدا کنند. پلیمرها از این نظر که گرمای نهان خود این مواد می‌تواند برای تولید انرژی بکار گرفته شود از فلزات , شیشه و سرامیک‌های متمایز است و این مسأله باعث می‌شود که تعادل انرژی به میزان بیشتری در جهت بکار گیری پلیمرها در ساختمان جابجا شود. سبک بودن پلیمرها و بعضی دیگر از خواص فیزیکی آنها به کار برد فزاینده آنها در ساختمان کمک می‌کند. تقریباً همه مواد پلیمری دانسیت‌های در حدود یک دارند، در حالی‌که حتی سبک‌ترین فلزات مثل آلومینیم که به طور متداول در ساختمان‌سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بسیار سنگین‌تر از این مواد است که این مسأله با توجه به استحکام بسیار زیاد بعضی از پلیمرها سبب کاربرد آنها در محیط‌های داخل و خارج ساختمان و مکان‌های با شرایط محیطی سخت شده‌است. از اینرو چون در طی تولید فلزات و شیشه نسبت به تولید پلاستیک‌های معمولی انرژی بیشتری صرف می‌شود اینطور نتیجه‌گیری می‌شود که هر چه در ساختمان بجای آهن, آلومینیم و شیشه از پلاستیک بیشتری استفاده شود نتیجتاً انرژی کمتری مصرف می‌شود که این مسأله با توجه به اینکه عمده‌ترین منبع تولید انرژی در کشورمان را سوخت‌های فسیلی تشکیل می‌دهد می‌تواند علاوه بر کاهش مصرف این قبیل سوخت‌ها در کاهش آلودگی زیست محیطی ناشی از مصرف سوخت‌های فسیلی نیز مؤثر باشد. پیشرفت‌های اخیر در زمینه کاربرد نرم افزارهای کامپیوتری در طراحی مواد پلیمری سبب شده‌است تا تولید مواد پلیمری بگونه ای باشد که دوام آنها در هوای آزاد, محیط‌های مرطوب و شرایط تابش نور خورشید به‌طور چشمگیری افزایش یابد. برای مثال پلی وینیل کلرید همانند پلی استیرن یک پلیمر شیشه‌ای غیر متبلور است اما نسبت به آن سخت‌تر است و با وارد کردن رنگدانه در این پلیمر می‌توان از آن در هوای آزاد برای پوشش بیرونی چهارچوب پنجره‌ها و غیره استفاده کرد. همچنین با طراحی مناسب این مواد می‌توان تولید آنها را به گونه‌ای انجام داد که قابل تخریب بیولوژیک بوسیله تابش نور یا توسط آب باشند و از این طریق با توجه به نوع کابرد آنها در ساختمان سازی زمان تخریب آنها را تحت کنترل درآورد. بررسی انرژی مورد نیاز برای تولید مواد مورد استفاده در ساختمان نشان می‌دهد که میزان مصرف انرژی (kwh.kg-1) برای تولید شیشه, فولاد و آلومینیم نسبت به پلاستیک‌ها به‌ترتیب حدود 5/2، 5/4 و 24 برابر است که نشان دهنده توجیه بسیار خوب بکارگیری مواد پلاستیکی و پلیمری در ساختمان در راستای کاهش مصرف انرژی است.

استفاده از مواد پلیمری در ساخت عایق‌های حرارتی و رطوبتی و درزگیرها از نظر حفظ سرمایش و گرمایش محیط داخل ساختمان و تولید روز افزون لوله‌های پلیمری و جایگزینی آنها بجای لوله‌های فلزی در لوله‌کشی ساختمان و از طرف دیگر دوام بسیار زیاد و قابل بازیابی بودن آنها از جمله نکاتی هستند که لازم است در ارزیابی مواد مورد استفاده در ساختمان از مرحله (تولید تا دفع نهایی) مد نظر قرار گیرد.

واقعیت این است که  از جمله عوامل مؤثر در بروز بحران انرژی محدودیت منابع سوخت‌های فسیلی و مسائل حاد زیست محیطی ایجاد شده بر اثر مصرف بی رویه این قبیل سوخت‌ها است. این مسأله دستاندرکاران و متخصصین مسائل انرژی را به فکر ابداع روش‌های جدید در تولید انرژی و مهمتر از آن جلوگیری از اتلاف بی رویه انرژی در تمام ارکان زندگی بشر واداشته است که با توجه به اینکه مصارف خانگی یکی از عمده‌ترین محل‌های مصرف انرژی است توجه صاحبنظران به بررسی راهکارهای کاهش مصرف انرژی در ساختمان معطوف شده است. استفاده از مواد پلیمری در صنعت ساختمان یکی از مؤثرترین روش‌های کاهش مصرف انرژی است که در سال‌های اخیر با جایگزینی این مواد بجای مواد سنتی مورد استفاده در ساختمان سازی نمود پیدا کرده‌است و در محل مناسب بجای فلزات و چوب در ساخت چهارچوب پنجره‌ها, نمای خارجی ساختمان و‌ترکیب آن با مصالح ساختمانی همچون بتون به منظور زیبایی و دوام بیشتر بکار می‌رود. تفاوت شاخص پلیمرها از فلزات, شیشه و سرامیک‌ها این است که می‌توان از گرمای نهان خود مواد پلیمری برای تولید انرژی استفاده کرد. از طرف دیگر سبک بودن مواد پلیمری نسبت به مواد ساختمانی سنتی و مقاومت آنها در برابر تخریب‌های بیولوژیکی و همچنین دارا بودن خاصیت عایق در برابر حرارت, رطوبت و صدا سبب کاربرد فزاینده این مواد در ساختمان سازی بخصوص مجتمع‌های مسکونی و تجاری و آسمان خراش‌ها گردیده است. دوام و طول عمر مواد پلیمری مسأله دیگری است که در ذخیره‌سازی انرژی مؤثر است. البته گاهی مشاهده شده است که از طرف صنایع تولید کننده این مواد به طول عمر فراورده‌های پلیمری کمتر توجه شده است و این مسأله تحت الشعاع مد قرار گرفته است که این مسأله دور ریزی زود رس آنها و مسائل زیست محیطی را بدنبال داشته است که در این زمینه آگاهی از اهمیت ذخیره‌سازی انرژی و مواد و اطلاع رسانی صحیح و بموقع و انجام امور نظارتی در تولید مواد پلیمری می‌تواند راهگشا باشد.

علیرغم مزایای کلی کاربرد پلیمرها (از جمله صرفه‌جویی در مصرف انرژی) متأسفانه تصور عمومی از این مواد با واقعیت‌های موجود تطابق ندارد که به دلیل معرفی نادرست این مواد طی سال‌های گذشته است. علیرغم نقش این مواد در صنعت,بهداشت مواد غذایی و تأمین تسهیلات عمومی برای بشر اینطور تصور می‌شود که این مواد منابع زیرزمینی را به هدر می‌دهند. همچنین تصور بر این است که این مواد تخریب پذیر بیولوژیکی نیستند و هنگامی که دور انداخته می‌شوند در محیط زیست باقی می‌مانند. همچنین تصور می‌شود که در کاربردهای با دوام طولانی, پلاستیک‌ها جایگزین مناسبی برای موادی مثل چوب, فلزات و سرامیک نهستند در حالی‌که اینگونه ناست و پلیمرها دارای خاصیت تخریب پذیری بیولوژیکی هستند ودر کارهایی که استحکام زیادی نیاز باشد با طراحی ویژه آنها استحکام شان به اندازه استحکام کششی فولاد نیز میرسد (پلی استرها(. بکارگیرى مواد پوشش دهنده پلیمرى در ساختمان خوردگی و زنگ زدگی قطعات فلزی یکی از مسائل غیر قابل اجتنابی است که هزینه‌های بسیاری را بر جوامع بشری تحمیل می‌کند. تنها مخارج سالانه خوردگی و جلوگیری از آن در سال‌های اوایل دهه 90 در ایالات متحده امریکا 8 بیلیون دلار برآورد شده است. غیر از هزینه‌های اقتصادی, خوردگی سبب از بین رفتن منابع طبیعی می‌شود و برای تولید مجدد فلزات جایگزین, انرژی بسیار زیادی صرف می‌شود. رنگ‌ها و پوشش دهنده‌های سطوح پلیمری که اساساًاز پلی استرهای غیر اشباع تهیه می‌شوند را می‌توان به منظور محافظت فلزات در برابر خوردگی بکار برد و این مسأله می‌تواند در مورد فلزات مورد استفاده در ساختمان علاوه بر جلوگیری از خوردگی در افزایش دوام و زیبایی فلزات بکار برده شده در چهارچوب پنجره‌ها مؤثر باشد. در سال‌های اول دهه 1970 بیش از 90 درصد رنگ‌ها و مواد پوشش دهنده سطوح که در سراسر دنیا فروخته می‌شدند در حلال‌های آلی بکار می‌رفتند. بر اثر وقع بحران نفت در اواسط دهه 1970 , تولید کنندگان متوجه شدند که اتلاف حلال‌های آلی با توجه به هزینه‌های انرژی نباید ادامه پیدا کند و فرایندهای خشک کردن یا پخت که مصرف انرژی کمتری را بدنبال داشتند مورد پیگیری قرار گرفتند. همچنین با سخت‌تر شدن قوانین زیست محیطی دیگر امکان بکارگیری حلال‌های آلی که قبلاً در مواد پوشش دهنده سطوح بکار می‌رفت وجود نداشت چرا که این مواد “ مواد خطرناک” طبقه‌بندی شده بودند.

افزایش دوام مصالح ساختمانى

 افزایش طول عمر مصالح ساختمانی راه دیگری در ذخیره‌سازی انرژی است. بعنوان مثال افزودن مقادیر معینی از یک پلیمر خاص به بتون مقاومت آنرا به مقدار زیادی افزایش می‌دهد. همچنین‌ترکیب اجزا در مواد پلیمری (کامپوزیشن) نقش تعیین کننده ای در میزان دوام این مواد در برابر تخریب‌های فوتونی (تابش نور خورشید) و بیولوژیکی دارند و مقاومت کششی و ضربه‌ای آنها را تحت تأثیر قرار می‌دهند. در طرف دیگر مقیاس دوام پذیری, مسأله پایداری بیش از حد وجود دارد. تا همین اواخر به اینکه مواد پلیمری چگونه به ضایعات ختم می‌شوند یا به صورت خرده زباله در می‌آیند کمتر فکر می‌شد اما هم اکنون بعلت مداخله دولت‌ها به مواد “ زیست سازگار” نیاز است. با این وجود بازگشت به استفاده از مواد سنتی, غافل شدن از منافع چشمگیر انرژی مصرفی را بدنبال دارد که این منافع بر اثر جایگزینی مواد پلیمری و پلاستیکی با فلزات, شیشه, سرامیک, کاشی و چوب حاصل شده‌اند. بنابراین مسأله طراحی مواد پلیمری برای مصارف اختصاصی نسبت به گذشته اهمیت بیشتری می‌یابد.

هزاران ساعت کار با رایانه صرف شده است تا مدل‌هایی برای تخریب پلیمرها ارائه شود بطوری که پیش بینی طول عمر‌ترکیبات پلیمری امکان پذیر گردد. این شیوه اساساً نیازمند طراحی اطلاعات کاملی از ثوابت سرعت هرگونه واکنش شیمیایی موجود در فرایندهای پراکسیداسیون و بازدارندگی و همچنین دانش کاملی از سرعت اتلاف فیزیکی مواد افزدونی از پلیمرها است. اما تفاوت ثوابت سرعت واکنش‌های پلیمری با واکنش‌های شیمی کلاسیک تعیین دقیق دوام این مواد را با مشکل مواجه کرده است. نوع فرمول بندی مواد پلیمری در میزان دوام آنها که به طور وسیعی در (UPVC) تأثیر به سزایی دارد به عنوان مثال پلی وینیل کلرید نرم نشده ساخت پنجره‌ها و یا بعنوان نمای ساختمان بکار می‌رود با دارا بودن فرمولاسیون مناسب و وارد کردن رنگدانه در آن سالیان زیادی دوام دارد اما بسیاری دیگر از مواد پلیمری مثل پلی پروپیلن بدون آنتی اکسیدان‌ها ظرف مدت چند هفته در هوای آزاد تخریب می‌شود.

مسأله دیگر افزایش دوام آندسته از مصالح ساختمانی است که در برابر تابش نور PVC خورشید قرار دارند. امروزه در نما و پروفیل‌های پنجره‌های ساختمان به میزان زیادی از جهت محافظت در برابر نور ماورای بنفش خورشید استفاده می‌شود. اولین ماده پایدار کننده‌ای که در پلیمرها بکار گرفته شد, دوده بود. دوده مؤثرترین ماده جاذب نوری شناخته شده است. در صنعت ساختمان از دوده به علت تأثیر در زیبایی و ظاهر مصالح ساختمانی صرفاً در مصارف اختصاصی مثل تولید لوله استفاده می‌شود. کاربرد توأم مواد جاذب اشعه ماورای بنفش و آنتی اکسیدان‌ها در تهیه ورق‌های پلی اتیلن برای پاسیوهای منازل و گلخانه‌ها است و دوام بیشتر و مقرون به صرفه‌تر بودن آنها از نظر قیمت و مصرف انرژی سبب جایگزینی آنها با شیشه شده است.

نتیجه‌گیرى

از نظر ارزش گرمایى, پلاستیک‌‌ها و پلیمرها مواد با ارزشى هستند. ارزش گرمایى پلاستیک‌هاى هیدروکربن عم ً لا بیش از ارزش گرمایى زغال و تقریبًا هم اندازه ارزش گرمایى نفت مىباشد. جدول ١ ارزش گرمایى پلاستیک‌ها را در مقایسه با دیگر مواد سوختى نشان مى دهد.

جدول ١- ارزش گرمایى پلاستیک‌ها در مقایسه با سوخت‌هاى متداول

امکان استفاده از گرمای نهان مواد پلیمری برای تولید انرژی سبب تمایز شاخص این مواد با دیگر مواد متداول مورد استفاده در ساختمان شده است. از طرف دیگر یکی از پارامترهای بسیار مؤثر در زمینه کاهش مصرف سوخت و انرژی در ساختمان گرم نگه‌داشتن آن در فصل سرما و خنک نگه‌داشتن آن در ماه‌های گرم سال است که در این زمینه مواد پلیمری با دارا بودن ضریب انتقال گرمایی بسیار اندک جایگاه خاصی را دارا هستند. کاربرد صفحات پلی استیرن در گرمابندی کف, زیر سقف و روی دیوار که تا دمای 130 درجه پایدار است قابل توجه (PS) برای انتقال آب و فاضلاب در (PVC) است. از طرف دیگر کاربرد لوله‌های پلی وینیل کلرید ساختمان نسبت به لوله‌های آهنی صرفه‌جویی انرژی بسیار زیادی را در کوتاه‌مدت و دراز مدت به دنبال دارد. این لوله‌ها که اخیراً در رنگ‌های متنوعی نیز تولید شده‌اند دوام بسیار زیادی دارند و میزان مصرف انرژی در تولیدشان به حدود یک پنجم لوله‌های فلزی متداول می‌رسد. علاوه بر این استفاده از لوله‌های فلزی در ساختمان اتلاف منابع آب را بر اثر زنگ زدگی و سوراخ شدن لوله‌ها در کوتاه‌مدت به دنبال دارد که به نوعی باعث اتلاف انرژی می‌شود. چسب‌ها و ماستیک‌های پلیمری که در سال‌های اخیر کاربرد وسیعی یافته‌اند از جمله دیگر مواد پلیمری هستند که در جلوگیری از اتلاف انرژی در ساختمان مؤثر هستند. نتیجه‌اینکه خواص ویژه مواد پلاستیکی و بطور کلی مواد پلیمری از جمله قابلیت‌تراشیده شدن, اره شدن, ورقه شدن, سوراخ شدن با مته, قابلیت پرچ شدن, سبک بودن, پایداری محیطی, انعطاف پذیری و در عین حال سخت بودن, هدایت گرمایی و الکتریکی اندک, مقرون به صرفه‌بودن از نظر میزان مصرف انرژی در طی تولید آن و بالاخره اینکه این مواد پس از مصرف نهایی, خود یک منبع انرژی بسیار خوب هستند سبب گردیده است که بعنوان یکی از مواد منحصر به فرد در صنایع ساختمان بکار گرفته شوند و از این طریق نقش مؤثری را در کاهش مصرف سوخت و انرژی در ساختمان ایفا نمایند.

نشریه پنجره ایرانیان، سال پنجم ، شماره 54 ، فروردین 1391