تشریح کارآیی عایق های مدرن (Window film) در بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی
نویسنده: مهندس ایمان خلیلی پویا (1)
Analyze of modern insulator proficiency (Window films) in energy efficiency
دومین مشخصه ی مهم این عایق ها، خاصیت جذب اشعه ی فرابنفش UV به میزان 99 درصد است. سومین خاصیت این پوشش ها، بحث ایمنی این محصول با توجه به چسبندگی بالا و استحکام عالی عایق ها و شیشه های موجود است که در صورت بروز حوادث غیرمترقبه شیشه ها شکست پیدا می کنند، ولی انسجام و یکپارچگی خود را در قالب پنجره حفظ می کنند. در کنار خواص مهم ذکر شده بحث زیبایی و تنوع رنگی به همراه شرایط رفلکس و نیمه رفلکس مطرح می باشد که از نظر کیفیت با شیشه های رفلکس موجود در بازار قابل رقابت است.
البته تحقیقات علمی و صنعتی در جهت حل معضلات متعدد شیشه، با کاربرد پوشش ها حدوداً از سال 1960 شروع شده است. [7] قبل از این تاریخ، پوشش های شیشه بیشتر برای ارائه ی جلوه ی رنگی به شیشه ها استفاده می شد. اما از آن زمان تا کنون صنعت ساخت این پوشش ها با تحولات تکنولوژیکی بسیاری رو به رو شده و اکنون به هیچ وجه پوشش های شیشه به عنوان یک کالای لوکس مطرح نیستند. با تغییرات ساختاری و پیشرفت هایی که در این زمینه صورت گرفته، صنایع تولید کننده ی این محصولات امروزه در زمره ی حساس ترین و دقیق ترین صنایع قرار گرفته است و پوشش های مدرن به عنوان منحصولی استراتژیک در زمینه ی بهینه سازی هزینه و مصرف انرژی مطرح می باشند.
طبقه تحقیقات شورای اقتصاد صرفه جویی انرژی آمریکا (ACEEE)، حتی در خانه های جدید حدود 20 درصد از اتلاف حرارت در زمستان و 75 درصد از ورود گرما در تابستان از طریق پنجره ها صورت می گیرد. [1]
وقتی سخن از پنجره به میان می آید، منظور تمام قسمت های آن اعم از چارچوب، درزبندی، شیشه و ... می باشد و بدیهی است گسترده ترین و متأسفانه نامناسب ترین قسمت پنجره از لحاظ اتلاف انرژی، همان شیشه است. برای کنترل اتلاف چارچوب می توان از عایق های رسانش استفاده نمود. اما در مورد شیشه کار پیچیده تر است و به هیچ وجه نباید شفافیت شیشه با افت شدید مواجه شود. قبل از پیشرفت های اخیر، سازوکاری که برای جلوگیری از انتقال حرارت در شیشه مورد توجه قرار می گرفته، تنها بر پایه ی رسانش و دو جداره کردن شیشه ها استوار بوده است که البته دو جداره کردن شیشه ها نمی تواند انتقال حرارت تابشی را به میزان مطلوب کاهش دهد و امروزه این نارسایی توسط عایق های شیشه برطرف شده است.
عایق های مزبور با نصب بر روی شیشه های ساختمان ها موجب کاهش ورود انرژی حرارتی در تابستان به درون ساختمان شده و به این ترتیب موجب کاهش مدت زمان استفاده یا ظرفیت به کار گرفته شده از سیستم های سرمایشی ساختمان می گردد و به تبع آن در انرژی الکتریکی صرفه جویی می نماید. همچنین انواع کم گسیل (low-e) این عایق ها در زمستان مانع خروج انرژی حرارتی ساختمان ها شده و موجب صرفه جویی در انرژی های گرمایشی می شوند و چون انرژی الکتریکی و یا انرژی های گرمایشی ساختمان ها در ایران عمدتاً از انرژی سوخت های فسیلی حاصل می گردند، این عایق ها می توانند سهم به سزایی در کاهش مصرف سوخت ایفا ن مایند.
در حقیقت پوشش ها در زمینه های مختلف کارایی و اهمیت دارند که ما در این مقاله درصدد تشریح مزیت جلوگیری از اتلاف انرژی می باشیم و به سایر مزایا در قسمت «مزایای دیگر» فقط اشاره می نماییم.
تابش خورشید یک قسمت از کل طیف الکترومغناطیس است. اشعه ی خورشید از سه بخش تشکیل شده است: مادون قرمز نزدیک (اشعه ی حرارت زا) 53 درصد، نور مرئی 44 درصد، اشعه ی فرابنفش 3 درصد. [7] وقتی حرارت خورشید به شیشه می رسد به سه بخش تقسیم می شود: یک قسمت مستقیماً از شیشه عبور می کند، یک قسمت مستقیماً منعکس می شود و یک قسمت در داخل شیشه جذب می شود. بخش جذب شده در دو قسمت به صورت بازتابش به داخل و بازتابش به خارج دوباره از شیشه ساطع می شود. همان طور که در شکل 1 نمایش داده شد، جمع حرارت منعکس شده و حرارتی که به صورت بازتابش به خارج انتقال یافته «درصد دفع حرارت» (Total Solar Energy Rejected, TSER) و جمع قسمتی که مستقیماً وارد محیط داخلی شده و قسمتی که به صورت بازتابش به داخل راه یافته «درصد ورود حرارت» (Solar Heat Gain Coefficient, SHGC) را تشکیل می دهد. SHGC معیار اصلی ارزیابی جلوگیری از ورود حرارت تابشی است. برای ارزیابی وضعیت پنجره ها، تنظیم برچسب های بهره وری انرژی در کشورهای پیشرفته رایج می باشد. به عنوان مثال در آمریکا Fenestration Rating Council [8] (National)NFRC برای ارزیابی عامل رسانش از U-Value و برای ارزیابی عامل تابش از «درصد ورود حرارت خورشید» (SHGC) استفاده می نماید. هر چه U-Value در یک پنجره کم تر باشد، اتلاف حرارت کم تر است و هر چه SHGC کم تر باشد. ورود حرارت خورشید کاهش می یابد. در پوشش های مدرن نیز همین دو فاکتور اندازه گیری می شوند که در ذیل سازوکار کنترل آن ها شرح داده می شود.
در فصل زمستان حرارتی که شیشه از طریق تشعشع هدر می دهد، از محیط داخل که گ رم تر است به وسیله ی رسانش جبران می شود و در نتیجه ی اتلاف حرارت افزایش می یابد. در مورد پوشش های کم گسیل این عامل به شدت کنترل شده و در جدول تشعشع در پایین ترین درجات قرار گرفته است (جدول 1). این تشعشع پایین نتیجه ی به کارگیری موادی چون نقره و اکسید قلع است. [1] به علت تشعشع کم، این پوشش ها تمایل کم تری به دریافت حرارت از محیط دارند و در نهایت دِبی عبور حرارت را پایین می آورند و ضریب انتقال حرارت رسانش U-Value را کم می کنند و به واسطه ی همین سازوکار باعث حدود 30 درصد کاهش اتلاف حرارت می گردند که این ویژگی قابل رقابت با شیشه های دو جداره ی عادی است. همچنین پوشش های کم گسیل، اشعه ی مادون قرمز دور، که توسط وسایل گرم کننده و اجسام گرم داخل ساختمان تولید می شود، را به داخل منعکس می نمایند و حرارت را حبس می کنند. (heat trap)
در این جا به شرح مختصر تعداد دیگری از مشخصات می پردازیم:
•درصد کاهش ورود حرارت خورشید: این مشخصه نسبتی است برای مقایسه ی حرارت عبور یافته از شیشه ی عادی و شیشه ای که فرآیند نصب پوشش ها بر آن انجام شده باشد.
• Shading Coefficient: این مشخصه معیاری نسبی برای ارزیابی عبور حرارت خورشید از شیشه ها است. برای به دست آوردن این فاکتور نسبت حرارت عبور یافته از سیستم مورد نظر را به حرارت عبور یافته از شیشه ی شفاف 4 میل بررسی می نمایند.
• عبور، انعکاس و جذب تابش خورشید: در این سه فاکتور کل تابش خورشید اعم از مرئی، فرابنفش و مادون قرمز مورد بررسی قرار می گیرد.
• انعکاس نور مرئی از سمت داخل پوشش ها.
• درصد کاهش شدت نور مرئی.
• ثابت انتقال حرارت تابستانی.
اکثر فاکتورها تحت استانداردهای (Association of Industrial Metallizers Coaters and laminators)AIMCA اندازه گیری می شود که به عنوان مثال شرایط اندازه گیری ضریب انتقال حرارت متوسط زمستان (Winter Media U-Value) بدین شرح می باشد: دمای محیط خارج 7 درجه ی سانتیگراد، دمای محیط داخل 20 درجه ی سانتیگراد، شیشه در معرض آفتاب نمی باشد و سرعت باد در خارج 24 کیلومتر بر ساعت می باشد. [4]
مشخصات مربوط به کل تابش خورشید تحت استاندارد ASTM E 903 اندازه گیری شده اند. [3] مقاومت سایشی پوشش ها تحت استاندارد ASTM D 1044/1003 و استحکام چسبندگی آن ها تحت استاندارد ASTM D 3330 اندازه گیری شده است. تمام خواص فیزیکی مکانیکی دیگر نیز تحت استانداردهای ASTM هستند. البته در موارد خاصی، از استانداردهای دیگر مانند UL, BS, DIN نیز استفاده شده است. برای مثال، مقاومت ضربه ای تحت استاندارد ANSL z.97 تعیین می گردد.
ساختمان مورد مطالعه در هر جهت دارای 557 مترمربع شیشه می باشد و پوشش ها بر روی جهات شرقی و غربی و جنوبی نصب گردیده اند. در ضمن در این مطالعه، با این هدف که یک مطالعه ی واقعی و محتاطانه انجام شده باشد و خوشبینانه ترین حالت را در نظر گرفته نشده باشد، از روش های دیگر جلوگیری از اتلاف انرژی نیز استفاده شده است (مانند پرده، سیستم سرمایش مدرن، بویلر و HVAC با بازده بالا و ...) در نتیجه در صورتی که در واقعیت از این پوشش ها استفاده گردد، میزان صرفه جویی انرژی بیش تر از این مقدار خواهد بود. شبیه سازی ساختمان هزینه های انرژی (kwhr) و قیمت نصب پوشش ها هم لحاظ می گردد. سپس با توجه به این اطلاعات، نرم افزار گزارش هایی را تولید خواهد کرد که به قسمتی از آن ها اشاره خواهد شد.
در این جا دو نوع پوشش را مورد بررسی قرار می دهیم:
نوع1: پوشش های شیشه LLumar R20, N1020B, Vista v14
نوع 2: پوشش های شیشه کم گسیل LLumar E1220, Vista v28 (Low-e)
هزینه ی نصب برای پوشش های نوع1 $/m227 و برای پوشش های نوع 2 $/m2 31 در نظر گرفته شده است.
با توجه به جدول 3، میانگین بازگشت سرمایه ی 2/1 سال خواهد بود. در ضمن این مقایسه نشان می دهد که پوشش های شیشه مخصوص به آب و هوای خاصی نیستند و در تمامی مناطق توجیه اقتصادی خود را خواهند داشت. به عنوان مثال در شهری تورنتو که در بین شهرهای مورد بررسی سردترین آب و هوا را داراست. بازگشت سرمایه ای معادل 73/1 سال را برای پوشش ها نشان می دهد و هنگامی که از پوشش های کم گسیل استفاده شود با وجود این که هزینه ی نصب 15/1 برابر می شود، بازگشت سرمایه به 43/1 سال تقلیل می یابد. کاهش زمان بازگشت سرمایه، نشان گر این موضوع است که استفاده از پوشش های کم گسیل در مناطق دارای آب و هوای سردسیر می تواند اقتصادی تر باشد، زیرا هزینه ی سنگین گرمایش در زمستان تا حد مطلوبی کاهش می یابد.
1- آستر: پلی استر، هنگام فرآیند جدا می شود و دارای پوشش سیلیکون می باشد. سیلیکون به علت خاصیت نچسب بودن به آستر کمک می کند که قبل از شروع فرآیند نصب، جداسازی به راحتی صورت گیرد.
2- لایه ی چسب: شامل چسب های حاوی جاذبه ی اشعه ی فرابنفش (UV Absorbers). این چسب ها در انواع مختلفی موجود است و با سازوکارهای متنوع (پیوند شیمیایی، مکانیکی و نفوذ) به شیشه می چسبند.
3- لایه ی رنگی: پلی استر، همیشه حاوی جاذبه ی اشعه ی فرابنفش (UV Absorbers)است. این لایه به کمک لایه ی چسب تا 99 درصد از ورود اشعه ی فرابنفش جلوگیری می کند.
4- لایه ی فلزپوش: این لایه ی پلیمری با روش های مختلف (Metallaizing/Sputtering) فلزپوش می گردد. فلزات سنگین (مانند: وانادیم، طلا یا آلیاژ نیکل و کروم) به کار رفته در لایه این قابلیت را دارند که با حفظ شفافیت، اشعه ی حرارت زای خورشید (مادون قرمز) را دفع کنند.
5- لایه ی شفاف: این لایه از جنس پلیمر پلی استر تقویت شده می باشد و خواص فیزیکی مکانیکی محصول مانند استحکام کششی را بهبود می بخشد.
6- پوشش ضد خش (S/R): لایه ی سطحی محصول و از جنس اکریلیک است. در مقابل مواد و لوازم پاک کنده ی رایج، ضدخش می باشد.
نصب بر شیشه های موجود امکان پذیر است و هیچ احتیاجی به تعویض یا خروج شیشه ها از قاب نمی باشد، این فرآیند با ایجاد کم ترین اخلال در محیط کار همراه است و در نتیجه تمام سازمان ها بدون توقف در سیر فعالیت و کارخانه ها، بدون احتیاج به توقف خط تولید می توانند از مزایای این فن آوری بهره مند شوند.
گروه های متخصص نصب تحت آموزش های تئوری و تمرینی ویژه ای قرار می گیرند و بر اساس آزمون های تعیین سطح و با توجه به واحدهای تئوری گذرانده و سابقه و زمینه ی کار با درجه های به خصوص به فعالیت می پردازند.
رعایت این مقررات که در کشورهای بهره مند از این فن آوری رایج است، باعث می شود فرآیند نصب توسط کادر متخصص به آسانی و با دقت و نظم کافی انجام شود و در پایان متناسب با حساسیت فرآیند، تولید فرآیند نصب نیز از کیفیت لازم برخوردار باشد.
پوشش ها به علت به کارگیری مواد شیمیایی ویژه (UV absorbers) با خاصیت جذب اشعه ی فرابنفش (UV) از ورود اشعه به میزان 99 درصد جلوگیری می کنند. اشعه ی فرابنفش باعث رنگ رفتگی لوازم شده و به دلیل دارا بودن بالاترین انرژی در طیف نور خورشید، لوازم را با تخریب تدریجی مواجه می نماید. اما خطر اصلی متوجه ساکنان ساختمان است. این بخش از نور خورشید عامل ایجاد حساسیت ها، امراض و سرطان پوست می باشد. پوشش ها به طور خاص از ورود این بخش تا 99 درصد جلوگیری می نماید. یعنی ورود اشعه ی فرابنفش به یک درصد کاهش یافته و مضرات نور خورشید یک صدم خواهد شد. در نتیجه عدد SPF این محصول 100 می باشد که این عدد در کرم های ضد آفتاب بدون عوارض در حدود 15 الی 45 می باشد. با پیشرفت هایی که در این زمینه صورت گرفته است، اکنون انواع پیشرفته ای از پوشش ها موافق به دریافت تأییدیه ی بنیاد بین المللی سرطان پوست گردیده اند.
مزیت دیگر مربوط به خاصیت ایمنی پوشش هاست. تمام پوشش ها دارای خاصیت ایمنی می باشند. به علت آن که چسبیدن پوشش ها با استحکام بالا و با مکانیسم های مختلف نفوذ، پیوند مکانیکی و شیمیایی انجام می شودو خود پوشش نیز از استحکام کششی بالایی برخوردارند، در نتیجه در صورت شکسته شدن، شیشه ثابت نگه داشته می شود از پراکنده شدن آن ها و خطر جراحات جلوگیری به عمل می آید. این پوشش ها برای جلوگیری از خطرات شکستگی شیشه ها و جراحات ناشی از آن در حوادثی مانند زلزله توصیه می شوند. چون در مواردی از زلزله کل ساختمان و مصالح سازه ای با صدمه ی جدی مواجه نخواهد شد، اما مصالح غیر سازه ای مانند شیشه بر اثر لرزش های شدید و فشار چارچوب می شکنند و قطعات شکسته در خارج و داخل ساختمان باعث خطرات متعددی می شوند. با به کارگیری پوشش های توصیه شده، ساکنان و افراد خارج از ساختمان از این خطر مصون خواهند بود. با استفاده از نوع امنیتی پوشش ها می توان ضریب امنیت در برابر سرقت، خشونت ها و ... را به میزان قابل توجهی افزایش داد. در مورد انواع ایمنی / خواص فیزیکی – مکانیکی نیز به طور خاص اندازه گیری می شوند.
در نهایت افزایش جلوه و زیبایی ساختمان با به کارگیری پوشش هایی با رنگ مکناسب از نظر معماری نما ارزشمند است. در ضمن، رنگ ها به علت به کارگیری مواد بازدارنده ی فرابنفش از دوامی بالاتر از شیشه های رنگی و رفلکس عادی برخوردارند.
یکی از حیطه های مهم در بهینه سازی مصرف انرژی، ساختمان هایی هستند که بدون توجه به اصول مصرف بهینه ی انرژی ساخته و مورد استفاده قرار گرفته اند. طبق آمار وزارت مسکن و شهرسازی تا پایان سال 1380 تعداد واحدهای مسکونی کشور بالغ بر 7/12 میلیون واحد برآورد شده است و سالانه 500تا600 هزار واحد به این مجموعه افزوده می گردد. در نتیجه برای تسریع در امر بهینه سازی سوخت و انرژی باید روش های اجرایی برای ساختمان های موجود پیشنهاد شود. یکی از مزایای عمده ی این فن آوری، امکان اجرای آن روی ساختمان های موجود می باشد و بدون احتیاج به تعویض شیشه و قاب و ایجاد وقفه در کار قابل ارائه می باشد. چون این پوشش ها در جهت مقاوم سازی شیشه در مقابل زلزله نیز تأثیر به سزایی دارند، می توان با گسترش استفاده از آن ها در ساختمان های موجود و جدید، از صدمات آن به نحو قابل ملاحظه ای کاست.
البته با وجود قیمت ارزان انرژی و سوخت در کشور، هر گونه فعالیت در جهت بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی باید با فرهنگ سازی و تسهیلات انجام گیردو در صورتی که یارانه های دولتی در جهت ترویج فن آوری های بهینه سازی مصرف سوق یابند، در اندک زمانی می توان به درصد قابل ملاحظه ای از صرفه جویی در مصرف سوخت و انرژی دست یافت.
1- ویلسون، الکس و موریل، «راهنمای صرفه جویی در مصرف انرژی خانگی»، سازمان بهینه سازی مصرف سوخت کشور، انتشارات فنی، 1380.
2- دفتر بهینه سازی مصرف انرژیوزارت نیرو، «مدیریت مصرف انرژی در ساختمان»، بهسامان.
3- ASTM D 903 SP;AR Absorptance, Reflectance and Transmittance
4- CPFilms Technical Decuments
5- “Energy star building MANUAL” 1998.
6- DeBusk, Steve, “Energy Study Demonstrates…”, CPFilms Techinical Decuments, 2001.
7- IWFA “FLAT GLASS EDUCATION GUIDE” 1999.
8- http://www.efficientwindows.org
دانش نما شماره پیاپی 166-165
چکیده
دومین مشخصه ی مهم این عایق ها، خاصیت جذب اشعه ی فرابنفش UV به میزان 99 درصد است. سومین خاصیت این پوشش ها، بحث ایمنی این محصول با توجه به چسبندگی بالا و استحکام عالی عایق ها و شیشه های موجود است که در صورت بروز حوادث غیرمترقبه شیشه ها شکست پیدا می کنند، ولی انسجام و یکپارچگی خود را در قالب پنجره حفظ می کنند. در کنار خواص مهم ذکر شده بحث زیبایی و تنوع رنگی به همراه شرایط رفلکس و نیمه رفلکس مطرح می باشد که از نظر کیفیت با شیشه های رفلکس موجود در بازار قابل رقابت است.
مقدمه
البته تحقیقات علمی و صنعتی در جهت حل معضلات متعدد شیشه، با کاربرد پوشش ها حدوداً از سال 1960 شروع شده است. [7] قبل از این تاریخ، پوشش های شیشه بیشتر برای ارائه ی جلوه ی رنگی به شیشه ها استفاده می شد. اما از آن زمان تا کنون صنعت ساخت این پوشش ها با تحولات تکنولوژیکی بسیاری رو به رو شده و اکنون به هیچ وجه پوشش های شیشه به عنوان یک کالای لوکس مطرح نیستند. با تغییرات ساختاری و پیشرفت هایی که در این زمینه صورت گرفته، صنایع تولید کننده ی این محصولات امروزه در زمره ی حساس ترین و دقیق ترین صنایع قرار گرفته است و پوشش های مدرن به عنوان منحصولی استراتژیک در زمینه ی بهینه سازی هزینه و مصرف انرژی مطرح می باشند.
طبقه تحقیقات شورای اقتصاد صرفه جویی انرژی آمریکا (ACEEE)، حتی در خانه های جدید حدود 20 درصد از اتلاف حرارت در زمستان و 75 درصد از ورود گرما در تابستان از طریق پنجره ها صورت می گیرد. [1]
نمودار 1: تراز تلفات انرژي درساختمان اداري
نمودار2: تراز مصرف انرژي الکتريکي در ساختمان اداري
وقتی سخن از پنجره به میان می آید، منظور تمام قسمت های آن اعم از چارچوب، درزبندی، شیشه و ... می باشد و بدیهی است گسترده ترین و متأسفانه نامناسب ترین قسمت پنجره از لحاظ اتلاف انرژی، همان شیشه است. برای کنترل اتلاف چارچوب می توان از عایق های رسانش استفاده نمود. اما در مورد شیشه کار پیچیده تر است و به هیچ وجه نباید شفافیت شیشه با افت شدید مواجه شود. قبل از پیشرفت های اخیر، سازوکاری که برای جلوگیری از انتقال حرارت در شیشه مورد توجه قرار می گرفته، تنها بر پایه ی رسانش و دو جداره کردن شیشه ها استوار بوده است که البته دو جداره کردن شیشه ها نمی تواند انتقال حرارت تابشی را به میزان مطلوب کاهش دهد و امروزه این نارسایی توسط عایق های شیشه برطرف شده است.
عایق های مزبور با نصب بر روی شیشه های ساختمان ها موجب کاهش ورود انرژی حرارتی در تابستان به درون ساختمان شده و به این ترتیب موجب کاهش مدت زمان استفاده یا ظرفیت به کار گرفته شده از سیستم های سرمایشی ساختمان می گردد و به تبع آن در انرژی الکتریکی صرفه جویی می نماید. همچنین انواع کم گسیل (low-e) این عایق ها در زمستان مانع خروج انرژی حرارتی ساختمان ها شده و موجب صرفه جویی در انرژی های گرمایشی می شوند و چون انرژی الکتریکی و یا انرژی های گرمایشی ساختمان ها در ایران عمدتاً از انرژی سوخت های فسیلی حاصل می گردند، این عایق ها می توانند سهم به سزایی در کاهش مصرف سوخت ایفا ن مایند.
در حقیقت پوشش ها در زمینه های مختلف کارایی و اهمیت دارند که ما در این مقاله درصدد تشریح مزیت جلوگیری از اتلاف انرژی می باشیم و به سایر مزایا در قسمت «مزایای دیگر» فقط اشاره می نماییم.
شکل 2: روش Sputtering درمورد دفع حرارت
بررسی کیفی انتقال حرارت از طریق شیشه ها
تابش خورشید یک قسمت از کل طیف الکترومغناطیس است. اشعه ی خورشید از سه بخش تشکیل شده است: مادون قرمز نزدیک (اشعه ی حرارت زا) 53 درصد، نور مرئی 44 درصد، اشعه ی فرابنفش 3 درصد. [7] وقتی حرارت خورشید به شیشه می رسد به سه بخش تقسیم می شود: یک قسمت مستقیماً از شیشه عبور می کند، یک قسمت مستقیماً منعکس می شود و یک قسمت در داخل شیشه جذب می شود. بخش جذب شده در دو قسمت به صورت بازتابش به داخل و بازتابش به خارج دوباره از شیشه ساطع می شود. همان طور که در شکل 1 نمایش داده شد، جمع حرارت منعکس شده و حرارتی که به صورت بازتابش به خارج انتقال یافته «درصد دفع حرارت» (Total Solar Energy Rejected, TSER) و جمع قسمتی که مستقیماً وارد محیط داخلی شده و قسمتی که به صورت بازتابش به داخل راه یافته «درصد ورود حرارت» (Solar Heat Gain Coefficient, SHGC) را تشکیل می دهد. SHGC معیار اصلی ارزیابی جلوگیری از ورود حرارت تابشی است. برای ارزیابی وضعیت پنجره ها، تنظیم برچسب های بهره وری انرژی در کشورهای پیشرفته رایج می باشد. به عنوان مثال در آمریکا Fenestration Rating Council [8] (National)NFRC برای ارزیابی عامل رسانش از U-Value و برای ارزیابی عامل تابش از «درصد ورود حرارت خورشید» (SHGC) استفاده می نماید. هر چه U-Value در یک پنجره کم تر باشد، اتلاف حرارت کم تر است و هر چه SHGC کم تر باشد. ورود حرارت خورشید کاهش می یابد. در پوشش های مدرن نیز همین دو فاکتور اندازه گیری می شوند که در ذیل سازوکار کنترل آن ها شرح داده می شود.
سازوکار پوشش ها برای جلوگیری از ورود حرارت
سازوکار پوشش ها برای جلوگیری از اتلاف حرارت
در فصل زمستان حرارتی که شیشه از طریق تشعشع هدر می دهد، از محیط داخل که گ رم تر است به وسیله ی رسانش جبران می شود و در نتیجه ی اتلاف حرارت افزایش می یابد. در مورد پوشش های کم گسیل این عامل به شدت کنترل شده و در جدول تشعشع در پایین ترین درجات قرار گرفته است (جدول 1). این تشعشع پایین نتیجه ی به کارگیری موادی چون نقره و اکسید قلع است. [1] به علت تشعشع کم، این پوشش ها تمایل کم تری به دریافت حرارت از محیط دارند و در نهایت دِبی عبور حرارت را پایین می آورند و ضریب انتقال حرارت رسانش U-Value را کم می کنند و به واسطه ی همین سازوکار باعث حدود 30 درصد کاهش اتلاف حرارت می گردند که این ویژگی قابل رقابت با شیشه های دو جداره ی عادی است. همچنین پوشش های کم گسیل، اشعه ی مادون قرمز دور، که توسط وسایل گرم کننده و اجسام گرم داخل ساختمان تولید می شود، را به داخل منعکس می نمایند و حرارت را حبس می کنند. (heat trap)
جدول 1: نسبت تشعشع (Emissivity) مواد
|
لاک سیاه |
96/0 |
|
چوب |
91/0 |
|
شیشه |
84/0 |
|
پوشش رفلکس استاندارد |
89/0-65/0 |
|
پوشش کم گسیل low-e |
45/0-29/0 |
|
آلومینیوم صیقلی |
05/0 |
ارزیابی مشخصات و استانداردها
در این جا به شرح مختصر تعداد دیگری از مشخصات می پردازیم:
•درصد کاهش ورود حرارت خورشید: این مشخصه نسبتی است برای مقایسه ی حرارت عبور یافته از شیشه ی عادی و شیشه ای که فرآیند نصب پوشش ها بر آن انجام شده باشد.
• Shading Coefficient: این مشخصه معیاری نسبی برای ارزیابی عبور حرارت خورشید از شیشه ها است. برای به دست آوردن این فاکتور نسبت حرارت عبور یافته از سیستم مورد نظر را به حرارت عبور یافته از شیشه ی شفاف 4 میل بررسی می نمایند.
جدول 2
|
|
شیشه ی 6 |
LLumar R20 روی |
LLumar N1035B |
LE 35 روی |
دوجداره استاندارد |
|
درصد انعکاس نور مرئی |
8 |
59 |
24 |
35 |
14 |
|
درصد عبور نور مرئی |
88 |
14 |
36 |
32 |
78 |
|
ثابت انتقال حرارت زمستان U(w/m2k) |
91/5 |
45/5 |
45/5 |
14/4 |
78/2 |
|
تشعشع |
84/0 |
71/0 |
71/0 |
33/0 |
84/0 |
|
درصد دفع فرابنفش |
38 |
99 |
99 |
99 |
54 |
|
درصد کاهش ورود ح رارت خورشید |
- |
73 |
54 |
63 |
13 |
|
درصد ورود حرارت خورشید (SHGC) |
81 |
21 |
47 |
31 |
70 |
|
درصد دفع حرارت خورشید |
19 |
79 |
63 |
69 |
30 |
• انعکاس نور مرئی از سمت داخل پوشش ها.
• درصد کاهش شدت نور مرئی.
• ثابت انتقال حرارت تابستانی.
اکثر فاکتورها تحت استانداردهای (Association of Industrial Metallizers Coaters and laminators)AIMCA اندازه گیری می شود که به عنوان مثال شرایط اندازه گیری ضریب انتقال حرارت متوسط زمستان (Winter Media U-Value) بدین شرح می باشد: دمای محیط خارج 7 درجه ی سانتیگراد، دمای محیط داخل 20 درجه ی سانتیگراد، شیشه در معرض آفتاب نمی باشد و سرعت باد در خارج 24 کیلومتر بر ساعت می باشد. [4]
مشخصات مربوط به کل تابش خورشید تحت استاندارد ASTM E 903 اندازه گیری شده اند. [3] مقاومت سایشی پوشش ها تحت استاندارد ASTM D 1044/1003 و استحکام چسبندگی آن ها تحت استاندارد ASTM D 3330 اندازه گیری شده است. تمام خواص فیزیکی مکانیکی دیگر نیز تحت استانداردهای ASTM هستند. البته در موارد خاصی، از استانداردهای دیگر مانند UL, BS, DIN نیز استفاده شده است. برای مثال، مقاومت ضربه ای تحت استاندارد ANSL z.97 تعیین می گردد.
ممیزی انرژی
مطالعه ی موردی (Case Study)
شبیه سازی
ساختمان مورد مطالعه در هر جهت دارای 557 مترمربع شیشه می باشد و پوشش ها بر روی جهات شرقی و غربی و جنوبی نصب گردیده اند. در ضمن در این مطالعه، با این هدف که یک مطالعه ی واقعی و محتاطانه انجام شده باشد و خوشبینانه ترین حالت را در نظر گرفته نشده باشد، از روش های دیگر جلوگیری از اتلاف انرژی نیز استفاده شده است (مانند پرده، سیستم سرمایش مدرن، بویلر و HVAC با بازده بالا و ...) در نتیجه در صورتی که در واقعیت از این پوشش ها استفاده گردد، میزان صرفه جویی انرژی بیش تر از این مقدار خواهد بود. شبیه سازی ساختمان هزینه های انرژی (kwhr) و قیمت نصب پوشش ها هم لحاظ می گردد. سپس با توجه به این اطلاعات، نرم افزار گزارش هایی را تولید خواهد کرد که به قسمتی از آن ها اشاره خواهد شد.
در این جا دو نوع پوشش را مورد بررسی قرار می دهیم:
نوع1: پوشش های شیشه LLumar R20, N1020B, Vista v14
نوع 2: پوشش های شیشه کم گسیل LLumar E1220, Vista v28 (Low-e)
هزینه ی نصب برای پوشش های نوع1 $/m227 و برای پوشش های نوع 2 $/m2 31 در نظر گرفته شده است.
جدول 3
|
کاهش در مصرف اوج تابستانی (kw) درصد |
کاهش مصرف kwhr سالیانه (درصد) |
برگشت سرمایه (سال) |
قیمت kwhr |
نام شهر |
|||
|
2 |
1 |
2 |
1 |
2 |
1 |
||
|
9/12 |
2/11 |
5/13 |
1/12 |
85/0 |
87/0 |
$ 0907/0 |
Dallax |
|
6/13 |
3/11 |
3/15 |
6/13 |
07/1 |
10/1 |
$ 0595/0 |
Phonenix |
|
13 |
4/11 |
5/10 |
2/9 |
43/1 |
73/1 |
$ 0553/0 |
Toronto |
|
3/12 |
4/10 |
7/11 |
3/10 |
16/1 |
28/1 |
$ 0706/0 |
Washington |
|
13 |
1/11 |
7/12 |
3/11 |
13/1 |
25/1 |
$ 0690/0 |
میانگین |
شرح لایه ها
1- آستر: پلی استر، هنگام فرآیند جدا می شود و دارای پوشش سیلیکون می باشد. سیلیکون به علت خاصیت نچسب بودن به آستر کمک می کند که قبل از شروع فرآیند نصب، جداسازی به راحتی صورت گیرد.
2- لایه ی چسب: شامل چسب های حاوی جاذبه ی اشعه ی فرابنفش (UV Absorbers). این چسب ها در انواع مختلفی موجود است و با سازوکارهای متنوع (پیوند شیمیایی، مکانیکی و نفوذ) به شیشه می چسبند.
3- لایه ی رنگی: پلی استر، همیشه حاوی جاذبه ی اشعه ی فرابنفش (UV Absorbers)است. این لایه به کمک لایه ی چسب تا 99 درصد از ورود اشعه ی فرابنفش جلوگیری می کند.
4- لایه ی فلزپوش: این لایه ی پلیمری با روش های مختلف (Metallaizing/Sputtering) فلزپوش می گردد. فلزات سنگین (مانند: وانادیم، طلا یا آلیاژ نیکل و کروم) به کار رفته در لایه این قابلیت را دارند که با حفظ شفافیت، اشعه ی حرارت زای خورشید (مادون قرمز) را دفع کنند.
5- لایه ی شفاف: این لایه از جنس پلیمر پلی استر تقویت شده می باشد و خواص فیزیکی مکانیکی محصول مانند استحکام کششی را بهبود می بخشد.
6- پوشش ضد خش (S/R): لایه ی سطحی محصول و از جنس اکریلیک است. در مقابل مواد و لوازم پاک کنده ی رایج، ضدخش می باشد.
فرآیند نصب
نصب بر شیشه های موجود امکان پذیر است و هیچ احتیاجی به تعویض یا خروج شیشه ها از قاب نمی باشد، این فرآیند با ایجاد کم ترین اخلال در محیط کار همراه است و در نتیجه تمام سازمان ها بدون توقف در سیر فعالیت و کارخانه ها، بدون احتیاج به توقف خط تولید می توانند از مزایای این فن آوری بهره مند شوند.
گروه های متخصص نصب تحت آموزش های تئوری و تمرینی ویژه ای قرار می گیرند و بر اساس آزمون های تعیین سطح و با توجه به واحدهای تئوری گذرانده و سابقه و زمینه ی کار با درجه های به خصوص به فعالیت می پردازند.
رعایت این مقررات که در کشورهای بهره مند از این فن آوری رایج است، باعث می شود فرآیند نصب توسط کادر متخصص به آسانی و با دقت و نظم کافی انجام شود و در پایان متناسب با حساسیت فرآیند، تولید فرآیند نصب نیز از کیفیت لازم برخوردار باشد.
مزایای دیگر
پوشش ها به علت به کارگیری مواد شیمیایی ویژه (UV absorbers) با خاصیت جذب اشعه ی فرابنفش (UV) از ورود اشعه به میزان 99 درصد جلوگیری می کنند. اشعه ی فرابنفش باعث رنگ رفتگی لوازم شده و به دلیل دارا بودن بالاترین انرژی در طیف نور خورشید، لوازم را با تخریب تدریجی مواجه می نماید. اما خطر اصلی متوجه ساکنان ساختمان است. این بخش از نور خورشید عامل ایجاد حساسیت ها، امراض و سرطان پوست می باشد. پوشش ها به طور خاص از ورود این بخش تا 99 درصد جلوگیری می نماید. یعنی ورود اشعه ی فرابنفش به یک درصد کاهش یافته و مضرات نور خورشید یک صدم خواهد شد. در نتیجه عدد SPF این محصول 100 می باشد که این عدد در کرم های ضد آفتاب بدون عوارض در حدود 15 الی 45 می باشد. با پیشرفت هایی که در این زمینه صورت گرفته است، اکنون انواع پیشرفته ای از پوشش ها موافق به دریافت تأییدیه ی بنیاد بین المللی سرطان پوست گردیده اند.
مزیت دیگر مربوط به خاصیت ایمنی پوشش هاست. تمام پوشش ها دارای خاصیت ایمنی می باشند. به علت آن که چسبیدن پوشش ها با استحکام بالا و با مکانیسم های مختلف نفوذ، پیوند مکانیکی و شیمیایی انجام می شودو خود پوشش نیز از استحکام کششی بالایی برخوردارند، در نتیجه در صورت شکسته شدن، شیشه ثابت نگه داشته می شود از پراکنده شدن آن ها و خطر جراحات جلوگیری به عمل می آید. این پوشش ها برای جلوگیری از خطرات شکستگی شیشه ها و جراحات ناشی از آن در حوادثی مانند زلزله توصیه می شوند. چون در مواردی از زلزله کل ساختمان و مصالح سازه ای با صدمه ی جدی مواجه نخواهد شد، اما مصالح غیر سازه ای مانند شیشه بر اثر لرزش های شدید و فشار چارچوب می شکنند و قطعات شکسته در خارج و داخل ساختمان باعث خطرات متعددی می شوند. با به کارگیری پوشش های توصیه شده، ساکنان و افراد خارج از ساختمان از این خطر مصون خواهند بود. با استفاده از نوع امنیتی پوشش ها می توان ضریب امنیت در برابر سرقت، خشونت ها و ... را به میزان قابل توجهی افزایش داد. در مورد انواع ایمنی / خواص فیزیکی – مکانیکی نیز به طور خاص اندازه گیری می شوند.
در نهایت افزایش جلوه و زیبایی ساختمان با به کارگیری پوشش هایی با رنگ مکناسب از نظر معماری نما ارزشمند است. در ضمن، رنگ ها به علت به کارگیری مواد بازدارنده ی فرابنفش از دوامی بالاتر از شیشه های رنگی و رفلکس عادی برخوردارند.
نتیجه گیری
یکی از حیطه های مهم در بهینه سازی مصرف انرژی، ساختمان هایی هستند که بدون توجه به اصول مصرف بهینه ی انرژی ساخته و مورد استفاده قرار گرفته اند. طبق آمار وزارت مسکن و شهرسازی تا پایان سال 1380 تعداد واحدهای مسکونی کشور بالغ بر 7/12 میلیون واحد برآورد شده است و سالانه 500تا600 هزار واحد به این مجموعه افزوده می گردد. در نتیجه برای تسریع در امر بهینه سازی سوخت و انرژی باید روش های اجرایی برای ساختمان های موجود پیشنهاد شود. یکی از مزایای عمده ی این فن آوری، امکان اجرای آن روی ساختمان های موجود می باشد و بدون احتیاج به تعویض شیشه و قاب و ایجاد وقفه در کار قابل ارائه می باشد. چون این پوشش ها در جهت مقاوم سازی شیشه در مقابل زلزله نیز تأثیر به سزایی دارند، می توان با گسترش استفاده از آن ها در ساختمان های موجود و جدید، از صدمات آن به نحو قابل ملاحظه ای کاست.
البته با وجود قیمت ارزان انرژی و سوخت در کشور، هر گونه فعالیت در جهت بهینه سازی مصرف سوخت و انرژی باید با فرهنگ سازی و تسهیلات انجام گیردو در صورتی که یارانه های دولتی در جهت ترویج فن آوری های بهینه سازی مصرف سوق یابند، در اندک زمانی می توان به درصد قابل ملاحظه ای از صرفه جویی در مصرف سوخت و انرژی دست یافت.
پي‌نوشت‌ها:
1- کارشناس تحقیق و توسعه ی شرکت شایا پرتو پارس.
1- ویلسون، الکس و موریل، «راهنمای صرفه جویی در مصرف انرژی خانگی»، سازمان بهینه سازی مصرف سوخت کشور، انتشارات فنی، 1380.
2- دفتر بهینه سازی مصرف انرژیوزارت نیرو، «مدیریت مصرف انرژی در ساختمان»، بهسامان.
3- ASTM D 903 SP;AR Absorptance, Reflectance and Transmittance
4- CPFilms Technical Decuments
5- “Energy star building MANUAL” 1998.
6- DeBusk, Steve, “Energy Study Demonstrates…”, CPFilms Techinical Decuments, 2001.
7- IWFA “FLAT GLASS EDUCATION GUIDE” 1999.
8- http://www.efficientwindows.org
دانش نما شماره پیاپی 166-165
/ج
