فیزیک بدون فرمول

فيزيك يك جريان است ، يك راه ، براي فهميدن حقايق جهان...

نقش پنجره‌ها در جلوگیری از اتلاف انرژی در ساختمان

در خانه‌هایی با پنجره‌های قدیمی و بدون استفاده از نوآوری‌ها و فناوری‌های نوین، نزدیک به 30 درصد اتلاف انرژی ساختمان، از راه پنجره‌ها رخ می‌دهد.

پنجره‌ها نور، گرما و زیبایی را به خانه می‌آورند و به درک فضای زیست کمک می‌کنند. پنجره‌ها منابعی برای آگاهی ما از تغییر زمان و آشنایی با موقعیت مکانی هستند.

اما پنجره‌ها می‌توانند راه‌های موثری برای اتلاف گرمای درون ساختمان در زمستان، و ورود گرمای ناخواسته در تابستان باشند. این نکته به جز اثر نامطلوب بر هزینه‌های گرمایش و سرمایش ساختمان است.

عملکرد گرمایی پنجره‌ها بر پایه‌ سه نوع جریان است: تهویه، انتقال و تشعشع.

هر یک از جریان‌های گرمایی نقش مهمی در اتلاف گرمایی در زمستان یا گرمای ناخواسته در تابستان دارند.

ساختار یک پنجره را می‌توان به سه قسمت شامل چارچوب، شیشه و یراق آلات تقسیم کرد که دو قسمت اول، به دلیل مساحت بزرگ‌تر، نقش مهم‌تری در عملکرد حرارتی پنجره دارند.

در سال‌های اخیر، توسعه فناوری تولید، پژوهش و آزمایش روی مواد گوناگون، تغییرات و پیشرفت‌های بسیاری در ساختمان چارچوب پنجره و شیشه مورد استفاده در آن پدید آورده است، بهره‌گیری از موادی مانند پی.وی. سی (وینیل) برای تولید پروفیل پنجره و همچنین تولید شیشه‌های کم تابش، شیشه‌های جاذب گرما و... از جمله این پیشرفت‌هاست.

در خانه‌هایی با پنجره‌های قدیمی و بدون استفاده از نوآوری‌ها و فناوری‌های نوین، نزدیک به 30 درصد اتلاف انرژی ساختمان، از راه پنجره‌ها رخ می‌دهد


ما اکنون با بهره‌گیری از پیشرفت‌های علوم و فناوری این مقدار تقریبا به نصف کاهش یافته است.

پژوهش‌هایی که اکنون در حال انجام است، نوید پیشرفت‌ها و بهبودهای بیشتری در ساختار پنجره‌ها و مواد سازنده چارچوب و شیشه آنها را می‌دهد.

به دنبال بحران‌های مربوط به انرژی که آغاز آن را می‌‌توان دهه 1970 دانست، بحث درباره انواع روش‌های جلوگیری از اتلاف انرژی و منابع آن در همه جهان، به ویژه کشورهای صنعتی که مهم‌ترین مصرف کنندگان انرژی هستند آغاز شد.

از آن زمان تاکنون انواع روش‌ها و راهکارهایی که جهت صرفه‌جویی در کاربرد انرژی و هدر رفتن آن، سودمند دانسته می‌شد بررسی شده است.

توجه به جلوگیری از اتلاف انرژی در ساختمان‌ها به ویژه ساختمان‌های مسکونی و تجاری، از آغاز درصد مواردی بود که ضرورت آن تشخیص داده شده بود.

پنجره‌ها نیز به عنوان یکی از مهم‌ترین اجزای ساختمانی که می‌تواند نقش مهمی را در اتلاف انرژی یا بهره‌گیری از آن داشته باشد شناخته شدند و پیشرفت‌های بسیاری در این زمینه به دست آمد که پژوهش و بررسی در این زمینه همچنان ادامه دارد.

انواع مواد به کار رونده در چارچوب، انواع شیشه‌ها، چند جداره نمودن شیشه‌ها و اصلاح روش‌های درزبندی از مواردی است که روی آن بسیاری انجام گرفته است.

در این جا به چنین مواردی با توجه به تازه‌ترین پیشرفت‌های علمی و فنی پرداخته می‌شود. عملکرد گرمایی پنجره‌ها، اصولا بر پایه سه گونه جریان گرمایی است:

تهویه:

یعنی سرما یا گرما از شکاف‌ها و بازشوهای پنجره، از درون به بیرون و برعکس، جریان می‌یابد. به عبارتی جریان یافتن گرما از راه نفوذ هوا و تهویه طبیعی. این جریان گرما، به دنبال جریان هوایی که از راه پنجره وارد می‌شود و تفاوت دمای دو سوی آن است.

نسیم هوای بیرون از ساختمان در اثر نیروی «فشار _ مکش» سبب جا به جایی هوا در درون ساختمان می‌شود. فشار مثبت، در سمتی که باد می‌وزد ایجاد شده، فشار منفی (مکش)، در سوی دیگر پدید می‌آید.

برای تهویه طبیعی، باید بازشوها را در دیوارهایی با فشار متفاوت قرار داد.

زمانی بیشترین حجم هوا، جا به جا می‌شود که پنجره‌ها در بخش‌هایی از نمای ساختمان قرار گیرند که اختلاف فشاری در آن جا موجود باشد.

قرار دادن پنجره ها روی دیوارهای مقابل که در مسیر مستقیم جریان هوا قرار دارند، سبب ایجاد جریان سریع هوا، با عرض کم در درون اتاق خواهد شد.

اگر پنجره‌ها بر روی بخش میانی چنین دیوارهایی نصب شوند، جریان هوا، به طور مستقیم از وسط اتاق می‌گذرد و اگر پنجره‌ها در گوشه‌های دیوار باشد، جریان هوا از روی دیوار جانبی اتاق خواهد گذشت.

در هر دو مورد، هر چند سرعت جریان هوا زیاد است، تهویه مناسب نیست.

تهویه فضای درونی در صورتی بهتر انجام می‌شود که پنجره‌های ورودی هوا در جاهایی با اختلاف فشار زیاد قرار گرفته باشد.

انتقال:

یعنی گرمایی که به سبب انتقال، از راه پنجره وارد می‌شود. این جریان گرما نیز به تفاوت دما در دو سوی پنجره، بستگی دارد.

اما در این جا چهار شیوه گوناگون، مقدار گرمای منتقل شده را تعیین می‌کند:

رسانایی:

انتقال گرما، پیرو ضریب رسانایی و اختلاف دما، در دو سوی جسم مورد بررسی است برای نمونه، هوای ساکن یک عایق شناخته شده است.

ضریب رسانایی شیشه، 30 بار و ضریب رسانایی بیشتر فلزات حتی هزار بار بیشتر از هواست.

رسانایی، ساز و کار انتقال گرما از راه تماس فیزیکی است. گرما از بخش گرم‌تر یک پنجره به بخش سردتر آن انتقال می‌یابد.

هر مولکول، مولکول کنار خود را تحریک می‌کند و انرژی را انتقال می‌دهد. رسانایی، نه تنها در جامدات (چارچوب‌ها و شیشه پنجره)، بلکه در هوای میان لایه‌های شیشه نیز انجام می‌شود.

میزان انتقال گرما از یک ماده، به دلیل اختلاف دما را مقدار «U» می‌نامند. هر چه U، کمتر باشد، گرمای کمتری انتقال می‌یابد.

همرفت:

گرما، می‌تواند از راه همرفت نیز از یک مایع یا گاز، به یک سطح، منتقل شود، به شرط آ که سیلان مجاور سطح ثابت باشد. «همرفت طبیعی» عبارت است از جا به جایی مایع یا گاز که تابعی از تفاوت‌های دمای محل است.

«همرفت اجباری» بر اثر منابع بیرونی پدید می‌آید؛ به طور مثال از باد یا تاسیسات گرمایش، سرمایش و تهویه.

همرفت، جا به جایی گرما درون یک سیال مانند هواست. هنگامی که مولکول‌های هوا، به طور فیزیکی از نقطه‌ای به نقطه‌ دیگر جا به جا می‌شوند، گرما انتقال می‌یابد.

یک سطح شیشه‌ای گرم می‌تواند هوای مجاور خود را گرم کند و سبب بالا رفتن دمای آن شود.

یک سطح شیشه‌ای سرد، با هوای نزدیک خود گرم می‌شود و این توده هوا، پس از آن که گرمای خود را از دست داد، پایین می‌آید این جریان همرفتی در سمت بیرونی و درونی پنجره و میان جداره‌های شیشه روی می‌دهد.

تشعشع:

یک جسم دریافت کننده، می‌تواند تشعشع گرمایی منتشر شده از یک منبع را منتقل، جذب یا بازتابش کند. هر سطحی، تشعشع را پخش می‌کند.

انتشار موج بلند بسته به دمای سطح است. در سطح‌هایی با دمای اندک، این طیف در محدوده پرتو فرو سرخ (پرتوفروسرخ یا پرتو با موج بلند) است.

شدت تشعشع منتشر شده، به تابندگی سطح بستگی دارد. مقدار تشعشع منتشر شده، از سطح‌های دیگر، بیشتر پیرو عامل‌های بصری است، یعنی آن چه که جسمی می‌تواند از هر جسم دیگر در محیط ببیند.

بخشی از تشعشع دریافتی، منتقل یا بازتابش و بقیه آن، جذب می‌شود. پیچیدگی دیگر مساله این است که تابش، جذب و بازتابش، پیرو طول موج و زاویه برخورد هستند.

از سوی دیگر، قابلیت‌ تابش و جذب در یک سطح کدر، هم ارزش هستند.

برای نمونه، شیشه شفاف معمولی، تشعشع خورشید را به شدت از خود می‌گذراند، اما تشعشع فرو سرخ ساطع شده از اشیای دیگر در همان اتاق را عبور نمی‌دهد.بیشتر این دمای ناشی از تشعشع، جذب می‌شود.

در ارتباط با زاویه برخورد، میزان تابش معمولی در پایین‌ترین اندازه است. 4 درصد و تنها، زمانی به مقدار بسیاری افزایش می‌یابد که میان 60 تا 70 درجه، بیشتر از اندازه معمولی باشد.

به جز نفوذ تدریجی هوا از راه شکاف‌ها و بازشوهای پنجره، امکان جریان هوا، تنها در دو سوی یکی از اجزای پنجره نیز وجود دارد.

نمونه‌های شناخته شده، جریان هوا در پشت یک پرده یا جریان هوا در پشت و میانه تیغه‌های یک پرده کرکره است. در این جا نیز جا به جایی گرما، از راه همرفت «اجباری» و «طبیعی» را می‌توان دید.

تشعشع خورشیدی سومین نوع جریان گرماست. تشعشع خورشیدی و یا تشعشع پخش شده از آسمان، به پنجره می‌تابد و بخشی از آن بازتابش و جذب می‌شود.

بقیه، از راه پنجره، منتقل شده به صورت پرتوی با طول موج کوتاه، به دیوارهای درونی می‌رسد (انتقال مستقیم یا اولیه) میزان جذب و بازتابش، پیرو طول موج و زاویه برخورد هستند.

جنبه دوم تابش خورشید که اغلب اهمیت بسیاری در کارکرد پنجره دارد، روشی است که گرمای جذب شده از تابش خورشید، از پنجره‌ بیرون می‌رود.

برای نمونه، یک جام شیشه، نزدیک به 12 درصد از تابش منتشر شده را جذب می‌کند. این گرمای جذب شده از هر دو سطح پنجره، به درون و بیرون اتاق، جریان می‌یابد.

این کار از جریان‌های همرفت و تابش پرتو موج بلند (گرمایی) و طبق ساز و کار انتقال گرما انجام می‌شود. بنابراین بخشی از این گرما، به درون اتاق خواهد آمد میزان آن بستگی به ضریب‌های همرفت و تابش در سطح‌های درونی و بیرونی دارد.

تاثیر پنجره بر مصرف انرژی در ساختمان

پنجره‌ها اهمیت بسیار زیادی برای محیط درون ساختمان دارند و همچنین عامل بسیار مهم سازگاری هستند.

نخستین کارکرد جام شیشه در دهانه پنجره نسبت به هوای بیرونی این است که امکان تنظیم‌ هوای درونی را به طور محسوس بیشتر می‌کند و مزاحمت‌های باد و هوا را بسیار محدود می‌کند.

پنجر‌ه‌ها با وجود ویژگی‌های‌شان به عنوان اجزای ساختمانی می‌توانند سبب اختلال در محیط گرمایی شوند. شاید نتوان اختلالات را به سرعت دید، اما هر کسی که زمان بسیاری، آرام کنار پنجره بنشیند، آنها را درک می‌کند.

اختلاف گرمایی که می‌تواند پدید آید، بخشی به سبب تشعشع گرمایی و بخشی به دلیل جا به جایی هوا در هنگام گذر از پنجره است. در دمای خارجی پایین، سطح درونی شیشه در یک پنجره با شیشه دو جداره، دمایی میان 12+ در لبه بالایی و 6+ در لبه پایینی خواهد داشت.

در حای که دمای اتاق، 22 درجه باشد. این رقم‌ها اندکی تقریبی هستند و بستگی به شکل هندسی اتاق و جای منابع گرمایی در آن دارند. برای پنجره با شیشه سه جداره، رقم‌ها، 16+ در لبه بالایی و 12+ در لبه پایینی هستند.

با این همه تنها تشعشع نیست که بر تعادل گرمایی فرد، تاثیر می‌گذارد. سطح خنک یک پنجره، هوای کنار شیشه را خنک کرده، هوای سرد به سوی پایین می‌رود.

این کار، انتقال گرما را افزایش می‌دهد و ضریب رسانایی گرمایی، افزایش می‌یابد و تاثیر آن بیشتر می‌شود جبران هوای سرد، غالبا به رفتن به سوی پایین، ادامه می‌دهد و روی کف، حرکت می‌کند و یک جریان چشمگیر هوا را روی کف پدید می‌آورد.

ترکیب جریان هوا با تشعشع گرمایی از بدن، در برابر سطح سرد پنجره، می‌توان ناراحت کننده باشد.

ابزار تهویه‌ای که به خوبی طراحی شده باشد، می‌تواند جریان هوایی پدید آورد که تاثیر مزاحم جریان هوای پایین را که از یک پنجره سرد ناشی شده است، افزایش دهد.

ارتباط میان عایق گرمایی پنجره، منابع گرما‌زا در‌اتاق و سیستم تهویه، و همچنین کاربری اتاق، مسایلی هستند که طراحان باید به آنها توجه کنند.

عوامل موثر در کاهش اتلاف انرژی از راه پنجره‌ها

چارچوب‌های پنجره از مواد گوناگون ساخته می‌شوند. چارچوب‌ها می‌توانند به طور ساده، تنها از یک ماده ساخته شده باشند، و یا این که ترکیبی از مواد مختلف مانند چوب پوشش شده با وینیل یا چوب پوشش شده با آلومینیوم باشند.

هر جنسی، معایب و مزایای خود را دارد. همچنین چارچوب‌های چوبی، مقدار U بالایی دارند و تحت تاثیر دماهای بالا یا بسیار پایین قرار نمی‌گیرند و عموما تعریق را افزایش نمی‌دهند.

مقاومت‌ گرمایی پنجره‌های آهنی بیشتر از آلومینیوم است. اما در مجموع، بیشتر رسانای گرما هستند تا مقاوم در برابر آن. از معایب دیگر آنها، داشتن درزهای بسیار زیاد و هوابندی بسیار بد، به دلیل دست‌ساز بودن و عدم دقت کافی در ساخت آنهاست.

از سوی دیگر چارچوب‌های آلومینیومی، اگر چه مقاومت و شکل‌پذیری خوبی دارند، رسانای خوب گرما هستند و بنابراین گرما را سریع‌تر از دست می‌هند و مستعد تعریق هستند.

با آندایز کردن یا پوشش دادن، می‌توان از زنگ زدگی یا تخریب الکتروشیمیایی آلومینیوم جلوگیری کرد.

همچنین، مقاومت گرمایی چهارچوب‌های آلومینیوم می‌تواند با قرار دادن نوارهای عایق کننده پلاستیکی پیوسته، میان بخشی درونی و بیرونی چارچوب، بهبود یابد.

چارچوب‌های پلاستیکی (وینیلی) که به طور ساده از پی.وی.سی ساخته می‌شوند، مزایای بسیاری دارند. این چارچوب‌ها، با داشتن دامنه وسیعی از شکل‌ها، مقدارهای R از متوسط تا بالا دارند.

شیشه شفاف، به طور سنتی، ماده ابتدایی موجود برای شیشه پنجره در خانه بوده است. اما در سال‌های اخیر، صنعت شیشه‌کاری _‌ یا برش و قرار دادن شیشه در چارچوب‌ها _‌ به طور چشمگیری تغییر کرده است.

اکنون چندین نوع شیشه ویژه، در دسترس است که می‌تواند به کنترل اتلاف گرمایی و تعرق کمک ‌کند.

شیشه‌های کم‌تابش پوشش سطحی ویژه‌ای برای کم کردن انتقال گرما از راه پنجره دارد. این پوشش‌ها 40 تا 60 درصد گرمایی را که معمولا از راه شیشه شفاف، منتقل می‌شود، بازتابش می‌کند؛

در حالی که به همه نور اجازه عبور می‌دهد. این نوع شیشه اغلب دارای لایه‌ای از فلز به ضخامت چند مولکول است.

شیشه جاذب گرما:

رنگ‌های ویژه‌ای دارد که به آن اجازه می‌دهد که تا 45 درصد انرژی خورشیدی ورودی را همراه با کاهش بهره خورشیدی، جذب کند اما مقداری از گرمای جذب شده، از راه رسانایی و تشعشع دوباره از پنجره می‌گذارد.

شیشه انعکاسی:

شیشه‌ای است که با فیلم انعکاسی، پوشانده شده و برای کنترل بهره گرمایی خورشیدی در تابستان سودمند است. این شیشه، همچنین عبور نور را در همه سال کاهش می‌دهد و مانند شیشه جاذب گرما، انتقال خورشیدی را کاهش می‌دهد.

پنجره‌های ضد باد:

این نوع پنجره‌ها می‌توانند بازدهی پنجره‌های دارای شیشه تک جداره را افزایش دهند. ساده‌ترین نوع پنجره‌ ضد باد، یک پرده پلاستیکی است که درون چارچوب پنجره، به صورت نواری قرار داده می‌شود. اگر چه پرده‌های پلاستیکی به سادگی نصب و درآورده می‌شوند،

در عین حال به آسانی خراب شده، امکان دید را کاهش می‌دهند. ورق‌های پلاستیکی صلب و نیمه صلب مانند پلکسی گلاس، اکریلیک، پلی کربنات یا پلی استر تقویت شده با الیاف می‌تواند مستقیما به چارچوب پنجره بسته شود یا در کانال‌هایی دور چارچوب قرار گیرد.

باید توجه داشت شیشه تک جداره استاندارد، ارزش عایق‌بندی بسیار اندکی دارند این شیشه، تنها مرز نازکی را در برابر محیط بیرون ایجاد می‌کند و می‌تواند سبب اتلاف چشمگیر گرما شود.

به طور سنتی، راه اصلاح کارآیی حرارتی پنجره، افزایش تعداد لایه‌های شیشه در واحد بوده است.

زیرا لایه‌های مضاعف شیشه، توانایی پنجره برای مقاومت در برابر جریان گرما را افزایش می‌دهند.

همان‌گونه که بررسی شد، پنجره به عنوان یکی از عناصر مهم ساختمانی، نقش بسیار مهمی در اتلاف انرژی ساختمان یا جلوگیری از آن دارد.

توجه به طراحی و تولید درست پنجره در کارخانه‌های تولید کننده و انتخاب و استفاده درست از پنجره در ساختمان توسط معماران و سازندگان ساختمان می‌تواند سبب سود یا زبان بسیار اقتصادی و زیست محیطی شود.

در آغاز، ممکن است قیمت تمام شده پنجره‌های بهینه از دیدگاه انرژی، از پنجره‌های نامناسب باشد، اما با کمی دقت و بررسی می‌توان دریافت که این سرمایه‌گذاری اولیه، در مدت نه چندان زیادی از راه صرفه‌جویی در هزینه‌های گرمایش و سرمایش ساختمان جبران می‌شود.

بنابراین لزوم توجه هر چه بیشتر به تولیدکنندگان و سازندگان پنجره و ساختمان باید بسیار بیش از پیش به پژوهش و نوآوری و بهره‌گیری از پیشرفت‌های علم و فن‌آوری توجه کرده، خود را با آن هماهنگ و همراه سازند.

  
نویسنده : مهدی علی خاصی ; ساعت ٧:٥٧ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٠/٦/۱٩