انتخاب شیشه و پنجره برتر در راه مدیریت مصرف انرژی

روناک دقیق؛ مهندس شیمی

جلیل مشتاق؛ کارشناس ارشد مهندسی عمران

از دیر باز از پنجره به منظور تهویه، ‌استفاده از نور و روشنایی استفاده می‌شود. حتی سلامتی، آسایش و بهره‌وری در محیطها‌ی داخلی ساختمان که از تهویه مناسب ونور طبیعی کافی برخوردارند ، ‌بهبود می‌یابند.اما پنجره‌ها‌ منبع اصلی اتلاف ناخواسته گرما، ناراحتی و مشکلات مربوط به میعان هستند.تنها در سال 1990، انرژی مصرفی برای جبران اتلاف و دریافت ناخواسته گرما از طریق پنجره‌ها‌ در ساختمان‌ها‌ی مسکونی و تجاری، هزینه‌ای بالغ بر 20 میلیون دلار برای ایالات متحده آمریکا در بر‌داشته است که این مقدار یک چهارم کل انرژی مصرفی جهت سرمایش و گرمایش فضا است. در سال‌ها‌ی اخیر انقلابی فنی و تکنیکی در مورد صنعت پنجره‌سازی و پنجره به وقوع پیوست.سیستم‌ها‌ی شیشه و پنجره با عملکرد عالی و بازدهی بالا در حال حاضر موجود هستند که به طور چشمگیری مصرف انرژی را کاهش داده و از ورود منابع آلودگی صوتی و گرد و غبار به داخل ساختمان جلوگیری می‌کند.در این پنجره‌ها اتلاف حرارت و نشت هوا کمتر است و سطوح انها گرم‌تر هستند که این امر موجب افزایش وبهبود راحتی شده و مشکل میعان را کاهش می‌دهد. این پنجره‌ها با عملکرد بالا و عالی ، دو جداره یا سه جداره ، دارای فیلم‌ها‌ و پوشش‌ها‌ی شفاف وخصوص بوده با فضای میانی جداره‌ها‌ی انها توسط گازهای ویژه پر شده است و قابهای پیشرفته و اصلاح شده دارند، که تمام این ویژگی‌ها‌ سبب کاهش اتلاف حرارت از طریق پنجره‌ها‌ شده و در نهایت انتقال حرارت را کاهش می‌دهند.

پنجره در آیینه تعریف

سیستم‌ها‌ی پنجره متشکل از صفحات شیشه ، قاب‌ها‌ و چارچوب‌ها‌ی ساختاری ، جدا کننده‌ها‌ و درز‌بند‌ها‌ هستند. در سال‌ها‌ی اخیر انواع مختلف شیشه‌، ‌پوشش و قاب‌ها‌ جهت استفاده در سیستم‌ها‌ی پنجره به طور چشمگیری افزایش یافته‌اند، پس امکان انتخاب بهینه پنجره سازگار با شرایط متفاوت از محیطی به محیط دیگر وجود دارد.تعیین دقیق ویژگی‌ها‌ی سیستم‌ها‌ی شیشه و پنجره برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی ، بازدهی انرژی ، آسایش و راحتی کلیه ساختمان‌ها‌ لازم و ضروری است.در ساختمان‌ها‌ی مسکونی با بار سطحی ، طراحی بهینه پنجره و شیشه می‌تواند مصرف انرژی را از 50-10درصدکمتر از حد مقرر و مقدار علمی قابل قبول در اکثر شرایط آب و‌هوایی کاهش دهد.در ساختمان‌ها‌ی تجاری با بار داخلی، صنعتی و موسساتی، سیستم‌ها‌ی پنجره‌بندی از پتانسیل لازم برای کاهش هزینه‌ها‌ی روشنایی، نوردهی ، سیستم حرارت‌دهی و تهویه هوا از 40-10درصد برخوردارند.

بنابراین انتخاب شیشه و پنجره باید کاملا همه جانبه در نظر گرفته شود . بعد از توافق طراحان و سفارش دهنده در خصوص مسئله طراحی ، موضوعات و گزینه‌ها‌ی زیر باید مورد ارزیابی گردد:

-بهره، دریافت و اتلاف حرارت

-نیازمندی‌ها‌ی بصری(حریم ، نور ، منظره)

-کنترل سایه و نور خورشید

-آسایش حرارتی

-کنترل میعان

-کنترل اشعه ماوراء بنفش

-کنترل صوتی

-تاثیرات رنگ

-روشنایی و نور روز

-نیازمندیها‌ی انرژی

و در نهایت انتخاب بهینه و مطلوب سیستم‌ها‌ی پنجره و شیشه به عوامل زیادی از جمله نوع کاربری ساختمان ، آب و هوایی محلی ، میزان استفاده کارایی ، جهت و سمت قرار گرفتن ساختمان و میزان تسهیلات و امکانات رفاهی بستگی دارد.

• مشخص نمودن پنجره‌ها‌ و شیشه‌ها‌

جهت تعریف ونشان دادن سیستم پنجره لازم است که خصوصیات و مشخصات زیر تعریف شود:

1. ضریب انتقال حرارت پنجره
2. ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی پنجره یا ضریب سایه
3. عبور قابل رویت شیشه

البته در رابطه با مسائل مربوط به زیبایی و عملکردی ممکن است رنگ‌ها‌ و پوشش‌ها‌ نیز تعریف و مشخص شوند.

1.1ضریب انتقال حرارت

این ضریب نشان دهنده میزان جریان حرارت ناشی از هدایت ، جابجایی و تشعشع از طریق پنجره در نتیجه اختلاف دمای داخل و خارج است.هر چه میزان این ضریب بیشتر باشد حرارت بیشتری از طریق پنجره در فصل زمستان منتقل (تلف) می‌شود.واحد ضریب انتقال حرارت Btu/hr:fr2.0fاست.ضرایب انتقال حرارت معمولا در رنج بیشتر از 3/1 (برای پنجره تک شیشه‌ای با قالب آلومینیوم نمونه) تا مقداری پایین در حدود 2/0 (برای پنجره چند صفحه‌ای شیشه‌ای با بازدهی و عملکرد بالا با پوشش‌ها‌ و روکش‌ها‌ی با نشر کم و قاب‌ها‌ی عایق شده) است.پنجره‌ای با ضرایب انتقاال حرارت 6/0 تحت شرایط مشابه حرارتی دو برابر پنجره‌ای با ضریب انتقال حرارت 3/0 حرارت از دست خواهد داد.مجموع ضرایب انتقال حرارت پنجره می‌تواند تا حد قابل توجهی از ضرایب حرارت در مرکز شیشه بیشتر باشد.

2.1ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی

این ضریب نشان می‌دهد که چه میزان از انرژی خورشید که به پنجره برخورد می‌کند از طریق آن به عنوان حرارت انتقال می‌یابد.هر چه ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی بیشتر باشد پتانسیل بهره خورشیدی و دریافت ان از طریق پنجره بیشتر خواهد بود.ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی نسبت بین صفر و یک است. مقدار صفر یعنی که هیچ یک از دریافت‌ها‌ی نور خورشید از طریق پنجره به عنوان حرارت منتقل نمی‌شود و مقدار یک یعنی همه انرژی خورشیدی تابشی از طریق پنجره به عنوان گرما منتقل می‌شود.

پنجره‌ای با ضریب بهره گرمایی خورشیدی 6/0 داراری بهره گرمای خورشیدی دو برابر پنجره‌ای با مقدار 3/0 است.به طور معمول پنجره‌ها‌ی با مقادیر کم ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی در ساختمان‌ها‌ی با بار تهویه مطبوع بالا مناسب‌ترند، اما پنجره‌ها‌یی با مقادیر زیاد ضریب بهره گرمایی خورشیدی در ساختمان‌ها‌ی مطلوب هستند که در آنها به حرارت خورشیدی غیر فعال نیز است.اصطلاح ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی عبارتی تقریبا جدید است و قرار است جانشین اصطلاح ضریب سایه شود.

3.1 عبور قابل رویت شیشه

انتقال و عبور قابل رویت نشان دهند درصد بخش قابل رویت طیف خورشید است که از طریق یک محصول شیشه‌ای منتقل می‌شود.نور خورشید یک شکل الکترومغناطیس از تبادل انرژی بین خورشید و زمین است که متشکل از طیفی از امواج الکترومغناطیس است. که معمولا تحت عنوان اشعه ماورء بنفش ، قابل رویت و مادون قرمز طبقه‌بندی شده و در کل به نام طیف خورشیدی نامیده می‌شود.طول موج کوتاه اشعه ماوراء بنفش عمدتا با چشم عادی دیده نمی‌شوند اما عامل رنگ رفتگی الیاف پارچه‌ای و آسیب به پوستمحسوب می‌شود . نور قابل رویت از آن دسته طول موج‌ها‌ی ساخته شده است که توسط چشم انسان قابل ردیابی است این نور تقریبا شامل 47درصد انرژی نور خورشید است طول موج‌ها‌یی بلندتر اشعه مادون قرمز نیز غیر قابل رویت بوده و شامل 46درصد انرژی در نور خورشید است در یک سیستم شیشه‌ای ، اصطلاح شاخص سردی که به نام ضریب تاثیر خوانده می‌شود، نسبت انتقال قابل رویت به ضریب سایه است.

رنگ‌ها‌ و پوشش‌ها‌

خواص یک شیشه را می‌توان توسط رنگ زدن یا استفاده از روکش‌ها‌ و پوشش‌ها‌ی گوناگون یا فیلم‌ها‌ تغییر داد.

1. رنگ‌ها‌ی شیشه معمولا حاصل رنگدانه‌ها‌یی است که هنگام تولید به شیشه اضافه می‌شود. بعضی رنگ‌ها‌ نیز با چسباندن فیلم‌ها‌ی رنگی به شیشه بعد از تولید به دست می‌آیند.
2. رنگ‌ها‌ معمولا به منظور زیبایی انتخاب می‌شوند. بعضی از رنگ‌ها‌ نیز به کاهش دریافت و بهره نور خورشید کمک می‌کنند.
3. روکش‌ها‌یی به شکل اکسید‌ها‌ی فلزی را نیز می‌توان در حین تولید شیشه به کاربرد ، بعضی از این روکش‌ها‌ تحت عنوان کم انتشار به کاهش گرمای تابشی بین صفحات شیشه از طریق مسدود کردن بعضی یا کلیه طول موج‌ها‌ی اشعه مادون قرمز کمک می‌کنند. این روکش‌ها‌تا حد زیادی می‌توانند از ضریب انتقال حرارت بکاهند.
4. در تعیین رنگ‌ها‌ و روکش‌ها‌ باید دقت شود زیرا کاربرد آنها می‌تواند تاثیر بسزایی در اتلاف و دریافت حرارت پنجره داشته باشد . انتخاب نابجا و غلط می‌تواند منتج به عملکردی کاملا نامطلوب و مخالف گردد.
5. از نقطه نظر عملکردی، تعیین ضریب انتقال حرارت پنجره ، ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی و عبور قابل رویت شیشه کافی است و نیازی به تعیین رنگ‌ها‌ و روکش‌ها‌ نیست.

بعضی توصیه‌ها‌ در خصوص انتخاب رنگ‌ها‌ و شیشه‌ها‌ عبارتند از:

1. در موارد عمومی‌، ضریب انتقال حرارت(4/0>) را برای کاربرد‌ها‌ی مسکونی انتخاب کنید. حتی مقادیر کمتر در شرایط آب و هوایی بسیار گرم می‌تواند مطلوب باشد.
2. هنگام تعریف عملکرد پنجره‌ها‌، دقت کنید مقادیر کلی عملکرد محصول را برای ضریب انتقال حرارت و ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی در نظر بگیرد. از کاربرد ضرایب انتقال حرارت تنهای شیشه باید خودداری شود.
3. در شرایط آب و هوایی با بار تهویه مطبوع بسیار زیاد ، پنجره‌ها‌یی را با مقادیر کم ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی (4/0>) انتخاب کنید.
4. به طور کلی ، عبور قابل رویت بالای شیشه (7/0>)برای نور روز مطلوب است.
5. برای ساختمان‌ها‌ی تجاری در رابطه با استراژی نور روز ، مبادلات بین شیشه‌ها‌ی استاندارد و شاخص سردی بالای شیشه (که از نظر طیفی انتخابی نامیده می‌شوند) را بررسی کنید. شیشه انتخاب طیفی دارای انتقال قابل رویت نسبتا بالا و ضریب بهره‌دهی گرمای خورشیدی نسبتا پایین است.
6. معمولا باید پنجره‌ها‌یی با ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی کم برای شیشه‌ها‌ی شرقی و غربی به عنوان وسیله‌ای برای کنترل دریافت نور خورشید و افزایش را حتی ساکنین در نظر گرفته شود.برای ساختمان‌ها‌ی بزرگ تجاری و صنعتی ، از پنجره‌ها‌یی با ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی کم در نمای شرق ، جنوب و غرب استفاده کنید. ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی در پنجره‌ها‌ی شمالی برای بیشتر طول جغرافیایی قاره آمریکا چندان اهمیتی ندارد.
7. برای ساختمان‌ها‌یی که در انها انرژی گرمایی خورشیدی غیر‌فعال مطلوب است ، لازم است پنجره‌ها‌یی جنوبی با مقادیر زیاد ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی همراه با ضریب انتقال حرارت پایین در نظر‌گرفته شود.
8. پنجره‌ها‌ را به دقت انتخاب کنید. انتخاب مناسب پنجره‌ها‌می‌تواند منجر به ایجاد متوسط دمای تابشی بیشتری در زمستان و کمتری در تابستان شود و به راحتی ساکنین و بازدهی کار انها بیفزاید. متوسط دمای تابشی نشانگر متوسط درجه حرارتی است که یک فرد از تبادل حرارت تابشی با محیط خود حس می‌کند.

 انواع سیستم‌ها‌ی شیشه و پنجره

برخی از سیستم‌ها‌ی شیشه و پنجره عبارتند از:

پنجره‌ها‌ی پر شده با گاز، گازهایی مانند آرگون و کریپتون غالبا بین صفحات شیشه و فضای میانی جداره‌ها‌ تزریق می‌شوند تا از انتقال هدایتی وجابجایی گرما بکاهند و کارآیی آنها افزایش یابد. این گازهای کم‌هزینه از مقادیر ضریب انتقال حرارت بدون تاثیر بر ضریب سایه یا عبور قابل رویتمی‌کاهند.فریت‌ها‌– روکش‌ها‌ی سرامیکی پخته شده یا فریت را می‌توان برای سطح شیشه در شکل‌ها‌، رنگ‌ها‌ و دانستنی‌ها‌ی مختلف به کار برد.

شیشه ایمنی فیلم‌ها‌ی رتروفیت: شیشه‌ها‌ی قابلتغییر نسل جدیدی از شیشه‌ها‌ی دینامیکی موجود هستند که خواص نوری را از طریق تغییراتی در نور، دما یا ولتاژ، تغییر می‌دهند (فتوکرومیک ، ترموکرومیک و الکترومیک).

 توصیه‌ها‌ و هشدارها

در رابطه با کاربرد وتعیین سیستم پنجره و شیشه بعضی از هشدار‌ها‌ عبارتند از:

1. استفاده از پنجره‌ها‌یی با عملکرد بالا می‌توان تا حد زیادی از بار سرمایش و گرمایش کاشته و نیاز به گرم کردن محیطی در ساختمان‌ها‌یی با بار داخلی را به علت تاثیر افزایش متوسط دمای تابشی حذف نماید و بر روی آسایش سا کنین تاثیر مثبت داشته باشد.
2. سیستم‌ها‌ی پنجره با ضریب نشر کم و روکش‌ها‌ی انتخاب طیفمی‌توانند مانع از ضرر رساندن طول موج‌ها‌ی مضر ماوراء بنفش گشته و بر عمر لوازم منزل بیفزایند.
3. سیستم‌ها‌ی مطلوب و بهینه پنجره‌بندی برای گرمایش غیر فعال در ساختمان‌ها‌ی مسکونی یا برای تامین نور ورز در ساختمان‌ها‌ی تجاری - صنعتی موجب کاهش بارها می‌شوند.
4. همواره مقادیر مجاز عملکرد کل انرژی محصول را مشخص کنید.
5. کلیه روکش‌ها‌ی با ضریب نشر کم مشابه نیستند. اگر روکش‌ها‌ی انتخابی به عنوان یک استراتژی جهت افزایش عملکرد تعیین شده‌اند مطمئن شوید این روکش‌ها‌ به خوبی و بجا برای استفاده مورد نظر شما انتخاب شده است.
6. همواره به کنترل تابش به ویژه در کاربردهای تجاری و صنعتی توجه کنید. محدود کردن نسبت‌ها‌ی تقابل و فراهم کردن انتقال مرئی در محدود دید به ویژه در کاربرد‌ها‌ی نور روز حیاتی است.
7. تا حد امکان سعی نمایید که میعان و بخار گرفتگی پنجره‌ها‌ اتفاق نیفتد.میعان وقتی اتفاق می‌افتد که دمای سطح شیشه زیر نقطه شبنم هوای اتاق باشد که می‌تواند به پنجره‌ها‌ وعناصر دیوار آسیب زده و مانع از دید شود.
8. ساختمان‌ها‌ی تاریخی اغلب نیازمند ریزه کاری‌ها‌ی خاص بر روی پنجره‌ها‌ هستند. تمایل به دستیابی به دقت تاریخی می‌تواند گاهی با میل به تامین کارایی در تضاد افتد. خوشبختانه ، چند شرکت در دنیا هم اکنون محصولاتی با عملکرد بالا ارائه می‌کنند که می‌توانند مشابه پنجره‌ها‌ی تاریخی بوده در حالی که کارایی انرژی را نیز حفظ می‌کند.

یافته‌های مطالعات تحقیقاتی

تعاونی توسعه تسهیلات و موسسه بهداشت روانی ایالات متحده اقدام به شناسایی و بهبود مدیریت انرژی نمودند. از میان چندین استراژی ، این تیم بیشتر از 300 هزاردلار پنجره موثر بر صرفه‌جویی انرژی را نصب کردند. تا به امروز موسسه سالیانه 100 هزاردلار در هزینه انرژی صرفه‌جویی کرده است.آزمایشگاه ملی آرگون، آرگونIL، که تاییدیه شورای خانه سبز آمریکا را به دست آورده است دارای طرحی شامل بیش از 15 نوع ماده ساختمانی است که بنا بر محتوی بازیافت ، تجدید‌پذیری یا انتشار کم انتخاب شده‌اند. به علاوه چندین ویژگی حفظ انرژی از قبیل پنجره‌ها‌ی با عملکرد بالا برای نما‌ها‌ی غربی و شمالی موجب کاهش مصرف انرژی تا 20درصد وکاهش مصرف گاز طبیعی تا30درصد خواهد شد و تاثیر گازهای گلخانه ای ساختمان را تا 55 تن در سال کاهش می‌دهد.

این مقاله در سومین همایش بهینه‌سازی مصرف سوخت در ساختمان ارائه شده است.

نشریه پنجره ایرانیان، سال پنجم ، شماره 55 ، اردیبهشت ماه 1391