کارایی شیشه‌های جدید در کاهش مصرف انرژی ساختمان

فرهنگ طهماسبی

بهروز محمد کاری

پنجره‌های مورد استفاده در ساختمان‌های ایران، به سبب ضریب انتقال حرارت بالا از نقاط ضعف پوسته خارجی ساختماندر انتقال حرارت به حساب می‌آیند. از سوی دیگر، پنجره‌ها به عنوان سطوح شفاف ساختمان،که می‌توانند هم در مواقع مطلوب و هم در مواقع نامطلوب تابش مستقیم و پراکنده خورشیدرا دریافت کنند، نیازمند توجه ویژه‌ای در طراحی هستند. امروزه فن آوری‌های نوین متعددیبرای بهبود عملکرد حرارتی پنجره‌ها معرفی شده‌است. با این وجود در کشور ما در موردمیزان تأثیر و چگونگی بهره‌گیری از آنها در نماهای مختلف ساختمان‌ها ابهاماتی وجوددارد. اما تحلیل همه جانبه عملکرد حرارتی پنجره‌ها از پیچیدگی‌های زیادی برخوردار استو به این منظور بهره‌گیری از نرم افزارهای شبیه‌سازی انرژی، با توانایی تحلیل رفتارحرارتی ساعت به ساعت انواع جدارهای نورگذر در شرایط آب و هوایی متغیر، ضروری به نظرمی‌رسد. در این مقاله عملکرد حرارتی انواعی از جدارهای نورگذر در جهات مختلف ساختمان‌هایشهر تهران، با استفاده از یک نرم افزار شبیه‌ساز انرژی مطرح در سطح جهانی و داده‌هایآب و هوایی ساعتی معتبر شهر تهران، تحلیل و مقایسه شده است. این جدارهای نورگذر شاملشیشه‌های تک جداره شفاف و دارای پوشش‌های کم گسیل بر سطح داخلی یا خارجی و هم چنینشیشه‌های دوجداره شفاف و دارای پوشش‌های کم گسیل بر سطوح دوم یا سوم هستند. با تحلیلنتایج شبیه‌سازی عملکرد حرارتی جدارهای نورگذر، از یک سو تأثیرات کمی متفاوت بهره‌گیریاز فن آوری‌های فوق در کاهش مصرف انرژی ساختمان تعیین می‌گردد و از سوی دیگر مشخص میشود که، مطابق پیش بینی اولیه، در پاره‌ای موارد راه‌کارهای بهینه‌سازی عملکرد حرارتیپنجره‌ها در نماهای مختلف ساختمان متفاوت است.

پنجره‌های دارای شیشهشفاف تک جداره، که هنوز در ساختمان‌های کشور ما بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند،به سبب ضریب انتقال حرارت بالا از نقاط ضعف پوسته خارجی ساختمان در انتقال حرارت بهحساب می‌آیند. کاهش ضریب انتقال حرارت پنجره‌ها در کنار فراهم کردن امکان دریافت بیشترینتابش آفتاب در اوقات سرد و کمترین تابش آفتاب در اوقات گرم، می‌تواند این جدارهای شفافرا به اجزایی مطلوب از نظر تبادل حرارت در ساختمان مبدل سازد. یکی از راه‌های دست یابیبه این هدف بهره‌گیری از شیشه‌های نوینی است که با هدف بهبود عملکرد حرارتی این اجزایساختمانی ساخته شده‌اند. متأسفانه در کشور ما، تاکنون، نه کاربرد شیشه‌های دارای خصوصیاتحرارتی برتر به شکلی قابل توجه گسترش یافته است، و نه تأثیر کمی آنها بر کاهش تبادلحرارت و مصرف انرژی ساختمان به‌دقت برآورد شده‌است تا مشوق بهره‌گیری بیشتر از اینمحصولات باشد. مشخصات حرارتی شیشه‌های مورد مطالعه در این مقاله عملکرد حرارتی انواعیاز شیشه‌ها مورد بررسی و مقایسه قرار می‌گیرد که، فارغ از میزان کاربرد هر یک در ساختمان‌های کشور، قابلیت تولید تمامی آنها در داخل کشور وجود دارد. شیشه‌های مورد مطالعه عبارتنداز:

شیشه تک جداره شفاف؛

شیشه تک جداره با پوشش کم گسیل داخلی؛

شیشه تک جداره با پوشش کم گسیل خارجی؛

شیشه دوجداره شفاف؛

شیشه دوجداره با پوشش کم گسیل بر سطح داخلی شیشه     خارجی (سطح دوم)؛

شیشه دوجداره با پوشش کم گسیل بر سطح خارجی شیشه     داخلی (سطح سوم).

توضیح اینکه نرم افزارمورد استفاده در این مطالعه کارشناسی، نرم افزار انرژی پلاس 4 است کهبرای شبیه‌سازیعملکرد حرارتی جدارهای نورگذر در ساختمان،مورد استفاده قرار می‌گیرد.در واقع انرژیپلاس یکی از شاخص ترین نرم افزار‌های شبیه‌سازی و تحلیل انرژی در ساختمان است. ایننرم افزار بر پایه مشخصات کالبدی ساختمان، ساکنین، تجهیزات، سیستم‌های مکانیکی و الکتریکیآن، و هم چنین داده‌های آب و هوایی سالانه ساعت به ساعت محل استقرار ساختمان، می‌تواندمتغیرهای متعددی را در ارتباط با مصرف انرژی ساختمان در هر زمان از سال محاسبه و بهتعبیر دقیق تر پیش بینی نماید. نمونه‌هایی از این متغیرها دمای هوای فضاها، دمای سطوح،انتقال حرارت از سطوح کدر و شفاف و هم چنین بارهای گرمایی و سرمایی لازم جهت حفظ دمایا شرایط آسایش حرارتی موردنظر در ساختمان هستند.

تعیین اوقات گرم و سردسال در شهر تهران

بررسی عملکرد حرارتی پنجره‌ها در طول سال، نیازمندتعیین اوقات گرم و سرد سال است. زیرا نقش پنجره‌ها در دریافت تابش مستقیم و پراکندهآفتاب و هم چنین دفع و کسب حرارت از طریق هدایت، فی النفسه و بدون توجه به شرایط حرارتیفضاهای دربرگیرنده انسان‌ها، نمی‌تواند مطلوب یا نامطلوب در نظر گرفته شود.در اینمطالعه کارشناسی شهر تهران مورد نظر و بررسی بوده و به منظور تعیین محدوده‌های گرمو سرد سال در تهران، و به تعبیر دیگر محدوده‌های نیاز به سیستم سرمایی یا گرمایی، میانگیندمای هوای روزانه ثبت شده در ایستگاه هواشناسی مهرآباد و مرزهای مذکور در مورد آسایشحرارتی ساکنین شهر تهران ملاک عمل قرار گرفت. به این ترتیب که اوقات سرد شهر تهرانزمانی در نظر گرفته‌شد که متوسط دمای هوای روزانه کمتر از حد پایین آسایش حرارتی درزمستان 2/18 درجه سانتی گراد باشد. روزهایی از سال نیز به عنوان روزهای گرم سال مشخصشدند که متوسط دمای هوا از حد پایین آسایش حرارتی در تابستان 8/22 درجه سانتی گرادبیشتر باشد

علت در نظر گرفتن حدپایین آسایش حرارتی ساکنین تهران در تعیین هر دو محدوده گرم و سرد سال، اثر مثبت آفتابو منابع کسب حرارت داخلی در تأمین آسایش حرارتی در اوقات سرد و اثر منفی آن‌ها در اوقاتگرم است. با بررسی داده‌های به دست آمده از شبیه‌سازی عملکرد حرارتی جدارهای نورگذردر شهر تهران نتایج زیر حاصل می‌شود:

الف) جهت گیری پنجره‌ها

- در شهر تهران، دراوقات سرد سال، انواع پنجره‌های جنوبی عملکرد حرارتی مطلوبی دارند و از بار گرماییساختمان می‌کاهند و در نمای شرقی نیز در صورتی که از شیشه‌های دوجداره با پوشش کم گسیلاستفاده شود، برایند عملکرد حرارتی اوقات سرد جدار نورگذر مطلوب خواهد بود

- با توجه به برآیندعملکرد حرارتی سالانه جدارهای نورگذر در نماهای مختلف، در صورت بهره‌گیری از سیستم‌هایسرمایی تبخیری در ساختمان‌های شهر تهران، جهات مناسب قرارگیری پنجره‌ها به ترتیب اولویتعبارتند از: نمای جنوبی، نمای شرقی، نمای غربی، نمای شمالی.

- با توجه نتایج شبیه‌سازی‌هادر خصوص عملکرد حرارتی جدارهای نورگذر در شهر تهران در مجموع اوقات گرم و سرد، در صورتبهره‌گیری ساختمان از سیستم‌های سرمایی پمپ حرارتی، جهات مناسب قرارگیری پنجره‌ها بهترتیب اولویت عبارتند از: نمای جنوبی، نمای شمالی، نمای غربی،نمای شرقی.

ب) شیشه‌های تک جدارهکم گسیل

- پوشش‌های کم گسیل،چه بر سطح داخلی چه بر سطح خارجی شیشه تک جداره، موجب کاهش حدود 25 درصد از دریافتتابش مستقیم و پراکنده آفتاب در اوقات گرم و سرد سال شده‌اند.

- با وجود کاهش دریافتآفتاب زمستانی در شیشه‌های کم گسیل، این شیشه‌ها به علت هدایت کمتر حرارت به سمت خارج(که ترکیبی از هدایت ناشی از اختلاف دمای دو سمت شیشه و گسیل گرما با طول موج بلندبه سمت خارج است ) حتی در اوقات سرد دارای عملکرد حرارتی بهتری نسبت به شیشه‌های تکجداره شفاف هستند. البته عملکرد پوشش‌های کم گسیل خارجی در این مورد تا حدودی بهتراست.

- بهره‌گیری از پوششکم گسیل در ساختمان‌های شهر تهران، در صورت استفاده از سیستم‌های سرمایی تبخیری، برسطح خارجی شیشه‌ها، و در صورت استفاده از سیستم‌های سرمایی پمپ حرارتی، بر سطح داخلیشیشه‌ها توصیه می‌شود.

 ج) شیشه‌های دوجدارهشفاف

- بهره‌گیری از شیشه‌هایدوجداره شفاف در شهر تهران، در اوقات گرم و سرد در تمامی نماها موجب بهبود عملکرد حرارتیجدارهای نورگذر شده است.

- شیشه‌های دوجدارهدر اوقات سرد، اگر چه موجب کاهش نزدیک به 30 درصد از دریافت تابش مستقیم و پراکندهآفتاب شده‌اند، اما با کاهش قابل ملاحظه‌تر دفع حرارت از طریق هدایت در این اوقات،موجب شده‌اند برایند تبادل حرارت نامطلوب جدارهای نورگذر شمالی، شرقی و غربی در اوقاتسرد به ترتیب 49، 97 و 71 درصد کاهش می‌یابد حرارت مطلوب جدار نورگذر جنوبی نیز دراین اوقات با استفاده از شیشه‌های دوجداره شفاف 17 درصد افزایش یافته است. بنابرایناستفاده از شیشه دوجداره در نمای جنوبی ساختمان‌های شهر تهران باید در اولویت آخر پساز دیگر نماها قرار گیرد.

- شیشه‌های دوجدارهدر اوقات گرم، اگر چه به علت مقاومت حرارتی بیشتر و افزایش دمای سطح شیشه خارجی و تابشفروسرخ بیشتر به سمت داخل، موجب افزایش کسب حرارت از طریق هدایت شده‌اند، اما با کاهشدریافت تابش مستقیم و پراکنده آفتاب، موجب شده‌اند برایند تبادل حرارت نامطلوب جدارهاینورگذر شمالی، جنوبی، شرقی و غربی در اوقات گرم به ترتیب 21،22، 18 و 19 درصد کاهشیابد

د) شیشه‌های دوجداره با پوشش کم گسیل

- عملکرد حرارتی شیشه‌هایدوجداره با پوشش کم گسیل بر سطح دوم و سوم در اوقات سرد تقریباً مشابه است. اما دراوقات گرم عملکرد حرارتی شیشه دوجداره با پوشش کم گسیل بر سطح دوم مطلوب تر است.

- عملکرد حرارتی شیشه‌هایدوجداره با پوشش کم گسیل، در اوقات سرد در نماهای شمالی، شرقی و غربی نسبت به شیشهتک جداره شفاف به مراتب بهتر شده اما در نمای جنوبی بدون تغییر بوده است.

- عملکرد حرارتی شیشهدوجداره با پوشش کم گسیل بر سطح دوم در اوقات گرم در تمامی نماهای شمالی، جنوبی، شرقیو غربی نسبت به شیشه تک جداره شفاف حدود 40 درصد بهبود یافته است.

نتیجه اینکه که بهره‌گیریاز شیشه‌های دوجداره با پوشش کم گسیل در نمای جنوبی ساختمان‌های شهر تهران، در مقایسهبا دیگر نماها، از پایین ترین اولویت برخوردار است.

- در میان انواع شیشه‌هایمورد بررسی در این مقاله، شیشه دوجداره با پوشش کم گسیل بر سطح داخلی شیشه بیرونی(سطح دوم) بیشترین تأثیر را در کاهش تبادل حرارت نامطلوب شیشه‌ها در طول سال داشتهاست. با در نظر گرفتن مجموع عملکرد حرارتی این نوع شیشه در اوقات گرم و سرد سال، مشخصمی‌شود که شیشه مذکور، در مقایسه با شیشه تک جداره شفاف، در نماهای شمالی، جنوبی، شرقیو غربی به ترتیب 51، 56، 44 و 45 درصد تبادل حرارت نامطلوب جدار نورگذر را کاهش دادهاست.

توضیح ضروری ونتیجه کلی

پیش بینی تأثیر بهره‌گیری از شیشه‌های نوین معرفیشده در این مقاله در کاهش مصرف انرژی ساختمان‌های شهر تهران، به صورت کلی و نه به صورتیک موردپژوهی، از یک سو نیازمند وجود اطلاعاتی پیرامون نسبت سطح جدارهای نورگذر بهپوسته خارجی و زیربنای ساختمان‌های شهر تهران و ضرایب انتقال حرارت متوسط اجزای پوسته،و از سوی دیگر نیازمند تحلیل سهم تبادل حرارت پوسته از کل مصرف انرژی ساختمان‌های اینشهر است. متأسفانه، در سرشماری عمومی نفوس و مسکن، اطلاعاتی پیرامون سطح و نوع جدارهاینورگذر ساختمان‌های کشور وجود ندارد. از سوی دیگر، تاکنون تحلیل جامعی در مورد میزاناتلاف حرارت ساختمان‌های شهر تهران از طریق نشت و نفوذ هوا و ارزیابی آن در کنار تبادلحرارت پوسته صورت نگرفته است تا بتوان نقش بهبود مشخصات حرارتی اجزای پوسته را در کاهشمصرف انرژی ساختمان‌ها به درستی برآورد کرد. از این رو، نتیجه‌گیری عمومی در مورد تأثیربهره‌گیری از شیشه‌های نوین معرفی شده، در کاهش مصرف انرژی ساختمان‌های شهر تهران نیازمندمطالعات جامعی در خصوص موارد یاد شده در یک پژوهش دیگر است. اما در صورتی که، برخلافرویکرد این مقاله، برآورد صرفه‌جویی مصرف انرژی در یک ساختمان نمونه به عنوان یک موردپژوهی،موردنظر باشد، می‌توان از نتایج و روش ارائه شده در این مقاله بهره گرفت. جمع بندیاینکه در این مقاله تأثیر بهره‌گیری از برخی شیشه‌های نوین در کاهش تبادل حرارت ساختمان‌هایشهر تهران، با استفاده از شبیه‌سازی انرژی در نرم افزار انرژی پلاس، برآورد شد. همچنین در مورد امکان نتیج هگیری عمومی در مورد صرفه‌جویی مصرف انرژی در ساختمانهای شهرتهران، در صورت بهره‌گیری از این شیشه‌ها، و اطلاعات مورد نیاز در این جهت، بحث گردید.

کارشناسان مرکز تحقیقاتساختمان و مسکن،

نشریه پنجره ایرانیان، سال پنجم ، شماره 56 ، خرداد‌ماه 1391