تکنولوژی های نوین پوشش شیشه بهینه سازی انرژی در ساختمان های مدرن

تهیه و تنظیم: دکتر مریم کارگر راضی

دانشگاه آزاد اسلامی واحد تهران شمال

چکیده:

بنابر آخرین آمار بیش از ۴۰ درصد انرژی تولید شده در متوسط ساختمان ها، هدر می رود. ساخت ساختمان ها و بناهای جدید به لحاظ تمام جنبه های صرفه جویی انرژی ضرورت اساسی دارد وآن را مقابل گرم شدن جهانی و سایر هدر رفت های انرژی قرار می دهد. طبق بررسی و مطالعات انجام شده می توان از تولید سالیانه ۱۰۲ تا ۱۸۲ میلیون تن دی‌اکسیدکربن در اروپا پیشگیری نمود و این رقم را تا سال ۲۰۲۰ به ۲۵ درصد مقدار فعلی رساند. در این مقاله پژوهشی، مروری بر دستورالعمل های محوری تولیدکنندگان موفق و پیشرو شیشه تخت و ساختمانی در اروپا خواهیم داشت و ضمن آشنایی با انواع کوتینگ های صنعتی- تجاری اعمال شده بر شیشه تخت، ویژ گی های فنی وکمی وکیفی آنها مقایسه می‌شود. اهمیت بازدهی و عملکرد هر نوع پوشش بر شیشه در شرایط جوی، آب و هوایی و سایر پارامترها در میزان صرفه جویی در انرژی با نمونه های ساختمان های مدرن شناخته شده، صرفه جویی بحث می‌گردد.

واژگان کلیدی:

پوشش نوری،پوشش ضد بازتاب، پوشش آب گریز و آب دوست، صرفه‌جویی در انرژی ساختمان، شیشه ساختمانی

مقدمه:

امروزه شیشه از جمله اجزاء سازنده ساختمان محسوب می شود که علاوه بر زیبایی عملکرد صحیح آن در برابر تغییرات جوی، رطوبتی، دمایی و شوک های مکانیکی و حرارتی نیز از پارامترهای قابل توجه می باشد، به طوری که در مورد هر یک از این فاکتورها به عنوان قابلیت، استانداردهای ویژه ای بر حسب شرایط اقلیمی، نوع ساختمان، ارتفاع یافته اند و حتی شرایط نصب و نوع چهار چوب نیز بر عملکرد آن مؤثر است. شیشه، شکل ساختمان های مدرن وامروزی را زیباتر نموده است. علاوه بر آن نور شبانه‌روزی را در برخی موارد تأمین می کند و در برابر تغییرات سالیانه آب و هوا مقاوم است. برای مثال، شیشه های مناطق بیابانی گرما را به کندی عبور می‌دهند وگرمای خورشید را به سرعت گذر می دهند.

بنابر آخرین آمار بیش از ۴۰ درصد انرژی تولید شده در ساختمان‌ها به مصرف می رسد. ساخت ساختمان ها و بناهای جدید با لحاظ صرفه‌جویی انرژی ضرورت اصلی می باشد، موردی که مقابل Global warmingو وابستگی های انرژی قرار دارد.مطالعات مستقل بسیاری نشان می دهد که حدود ۱۰۲ تا ۱۸۲ میلیون تن CO۲ در سال می‌تواند با استفاده صحیح ومطابق استاندارد از شیشه در ساختمان ها ذخیره شود و این تحلیل حاکی از آن است که تقریباً به ۲۵ % از کل ذخیره CO۲ اروپا تا سال ۲۰۲۰ می‌رسد. دو دستورالعمل مهم که توسط تولیدکنندگان شیشه در اروپا لحاظ می شود عبارتند از:

- تولید محصولات جدید با بازدهی بالا: ایجاد لایه ای سه تایی یا شیشه های کنترل کننده نور خورشید برای صرفه جویی در انرژی.

- ارتباط بهتر با مصرف کننده: برای اطمینان از اینکه این محصولات بیشترین مزیت را دارند، برچسب انرژی روی شیشه پنجره نصب می شود که مطابق شرایط آب و هوایی تغییر می کند.

شیشه های کم مصرف انرژی شامل لایه هایی هستند که به عنوان عایق دمایی عمل می کنند که حالت نامریی و شفاف دارند و با میکروسکوپ قابل تشخیص می باشند. این پوشش ها مانع ورود حرارت از محیط به داخل ساختمان و یا بالعکس می شوند، همچنین مانع از انتقال گرمای داخلی ساختمان به خارج و یا سرمای داخل اتاق به محیط می شوند؛ بنابراین هدررفت حرارتی از طریق این شیشه ها به حداقل می رسد.

پیشرفت تکنولوژی های جدید تولید ومواد اولیه، بهینه شده است. در گذشته کارایی شیشه های مختلف ساختمانی را در عملیات اولیه تولید که شامل افزودن برخی واکنشگرها و اکسیدهای فلزی به بچ مواد اولیه یا در مناطقی ازکوره ذوب می دانسته اند. برای مثال درتولید انواع شیشه رنگی یا فتوکرومیک، از اکسید فلزات واسطه در حد افزودنی که در آن استفاده از شیشه رنگی علاوه بر جنبه تزئیناتی جذب بازتاب‌های مشخص نوری مدنظر بوده است یا در شیشه های فتوکرومیک تغییر رنگ در برابر شدت و نوع تابش نیز از جنبه های دیگر محافظت در برابر انرژی بوده است.همچنین در فرآیندهای فیزیکی در پس عملیات آنیلینگ وتمپرینگ که مقاومت شیشه را در برابر شوکهای حرارتی تغییر می دهند یا در پروسه نشکن سازی که در آن با اعمال روش های مکانیکی لایه های متعدد و لمینیت کاری انجام می‌شود که مقاومت مکانیکی افزایش می یابد یا روش های فیزیکوشیمیایی مانند اچ کردن وتراش که شیشه های مشجر ومات تولید می شود و به نحوی در پراکنش بازتاب های نوری مؤثر است.همانطور که گفته شد اصول این فرآیندها از ابتدا تولید شیشه ساختمانی یکسان بوده و تا به امروز در مسیر پیشرفت فناوری های مختلف، به روز شده و ارتقاء یافته است.از جمله پارامترهای محوری، موضوع انرژی است. محافظت های نوری، تبادلات گرمایی و سایر منظورها به نوعی بحث استفاده بهینه از انرژی را همراه داشته است. پوشش دهی یا کوتینگ فرآیند فیزیکی- مکانیکی‌ای می باشد که طی آن مواد شیمیایی خاصی روی سطح به طور یکنواخت پوشش می دهند. لایه حاصل بدون هیچ واکنش شیمیایی و صرفاً براساس برهم کنش های فیزیکی، پیوندی را با سطح شیشه ایجاد می کند که طبق شرایط تعریف شده پایدار است. ضخامت لایه، میکرونی بوده و سایز ذرات نیز از ۵۰ تا ۸۰۰ میکرون متغیر است.

بحث و فرآیند تجربی:

لایه نشانی به روش های مختلفی انجام می شود که به ابعاد ونوع شیشه، نوع ماده کوتینگ وضخامت لایه مورد نظر بستگی دارد. بسیاری از پوشش‌ها نه تنها در بهبود انرژی شیشه مناسب هستند بلکه عیوب ناشی از طراحی را پوشش می دهند.برای مثال پوشش های ضد بازتاب (آنتی رفلکس) در رسیدن به حداقل u-value مؤثر هستند. همچنین پوشش های الکترورنگ (الکتروکرومیک)نیز به طور تلفیقی با پوشش‌های ضد بازتاب در شرایط نوری فصول متفاوت ، عملکرد شیشه‌ها را بهینه می کنند یا برای نمونه آنکه اثرات حاصل از تبرید (کندانس) رطوبت محیط بیرونی با پوشش های سطوح خارجی شیشه به حداقل می رسدیا قابل حذف است.شیشه های لمینت همچنین در ساختمان‌های مدرن ، ایمنی، مقاومت صوتی و زیبایی را به همراه دارد؛ همچنین بحث ذخیره انرژی و نشر گازهای گلخانه ای را به خوبی برآورده می کنند.

نتایج برخی آزمونها در مورد پوشش های بخش خارجی شیشه این مورد را اثبات کرده اند. نمونه ای از محاسبات موازنه انرژی برای شیشه‌های الکتروکرومیک بهترین پتانسیل عبوردهی نور را برای شیشه های سه‌پوششه، پوشش های ضد بازتاب نشان می دهد. ایجاد لایه های الکتروکرومیک تا حدبسیاری از مشکلات را جوابگو بوده است اما متأسفانه عبور نور را کاهش می دهد و این مورد با کاهش دما، مشخص تر می شود.

بازدهی انرژی اخیراً یکی از مهم ترین مباحث اقتصادی - سیاسی روز شده است. اتحادیه اروپا ، صدور و ارائه راهکارهای مستقیم مصرف انرژی را در ساختمان ها تا سال ۲۰۲۰ به ۸۰درصد مقدار کنونی و تا سال ۲۰۵۰ تا ۵۰درصد پیش بینی می کند. برای رسیدن به این هدف بهترین فن آوری در ساخت و سازها را باید رعایت نمود. بازدهی انرژی در ساختمان بیش تر در مورد شیشه مطرح است که برای داشتن بهترین u-value ، به حداقل مقدار W /m۲k در شرایط آب و هوایی سرد نیاز است.

محصولات شیشه جام ، انواع مختلفی در بازار دارند اما اینکه چه نوعی ، در چه ساختمانی و چگونه به کار برود بحث راتخصصی می کند. چنین ساختمان هایی در ردیف استانداردpassive house قرار می گیرند وکشورهایی که از سیستم نرخ گذاری و رده بندی انرژی در ساختمان ها استفاده می کنند، کارآیی شیشه ها را به خصوص در پارامتر u-value و سولار مورد توجه قرار می دهند.

چگونگی رسیدن به مقادیر کاهش یافته u-value در طراحی شیشه های سه لایه و یا دو پوششه با مقدار پایین نشر (Low - emissivity) تعریف می شود و گاهاً اثرات ناخواسته ای مثل تبرید سطح خارجی شیشه ، کاهش دستیابی به انرژی گرمایی ناشی از فرآیند سولار در زمستان و عبور نور قرمز را کاهش می دهد.

در مورد پوشش های Low - emissivity(نشرکننده پایین) و سولار (خورشیدی ) می توان گفت که از متداول ترین نوع پوشش شیشه در شرایط آب و هوایی سرد می باشند . ارائه این کوتینگ به پیشرفت برجسته ای در تأیید انرژی در شیشه ها رسید. شیشه های دارای پوشش هایی از این نوع را در دودسته سخت و نرم دسته بندی کرده اند ، شیشه های کوتینگ سخت که یا اکسید قلع (SnO۲) و شیشه های کوتینگ نرم که دارای نقره می‌باشند. ویژگی کلی این پوشش ها ، عبور بالای نور مرئی و افزایش انعکاس در محدوده ناحیه زیر قرمز(IR) است.

شاخص تغییرات در نمودار از عبور بالا با انعکاس بالا در محدوده باریکی از طول موج نور تابیده شده به سطح شیشه ، دیده می شود. بدین ترتیب این کوتینگ تقریباً تمامی تابش های خورشیدی را در مجاورت ناحیه نامرئی عبور داده و مانع از گرمایش زیاد شیشه می‌شود.

برای محدوده تابش های حرارتی، نشر نوعی در محدوده ۵۱ /۰>ε>۲۰ /۰ می باشد که با کوتینگ نازک نقره و دوپه یافته با اکسید قلع(II) به حداکثر می رسد. نشر پایین از تابش گرمایی بین قاب و چهارچوب پنجره‌ها ممانعت می کند و در پنجره مقدار u-value پایین را نشان می دهد، به عبارتی این حالت به هدایت گرمایی پایین و عایق گرمایی خوبی می رسد که معادل هم هستند.عایق حرارتی اضافی را می توان با پرکردن فضای شیشه دوجداره با یک گاز سنگین ایجاد کرد. گازهای معمول مورد استفاده ، آرگون، کریپتون و زنون هستند . البته نام تجاری شیشه ها با عملکرد آن ها چندان مطابقت ندارد و واژه شناسی آن ها کمی توجیه را مشکل می کند.

واژه Low - emissivity برای پوشش هایی است که در شرایط آب و هوایی سرد قرار دارند در حالی که مقدار پایین u-value، لازمه ادغام با g-value یعنی حد بالای گذردهی انرژی خورشیدی است.

واژه "کنترل خورشیدی " برای پنجره هایی به کار می رود که عامل اصلی آن به شرایط آب و هوایی بستگی دارد.بسیاری از پوشش های کنترل خورشیدی با کوتینگ های Low - emissivity (عبور پایین همراه می‌باشند که این باعث پیچیدگی عملکرد و نام تجاری شیشه می شود. معذالک چنین پوشش هایی در شیشه های دو یا سه لایه اعمال شده و پارامترهای زیر را دارند:

۰/۱۵ < g-value < ۰/۸۵

۰/۵ < u-value < ۶/۰

۰/۰۵ < light-trans < ۰/۹۰

البته متغیرهای فوق ، توأماً در هر ادغام پوششی ، حاصل نمی شوند. در طراحی های تلفیقی نمی توان هم light-transمناسب و هم g-value خوب را انتظار داشت. در محدودیت های فیزیکی ، گستره پایین تر u-value ضرورتاً به g-value پایینی می رسد و نور می‌تواند عبور کند.

البته این چندان مورد خوبی نبوده ، لیکن مهم می باشد. باید در نظر داشت که پوشش هایی با کم ترین مقدار عبور ، دارای کوتینگ‌های کنترل خورشیدی می شوند که این لایه ها با u پایین اهمیت می یابد. برای طراحان و معماران ، توجه به پارامترهای مزبور ، کارایی شیشه‌های ساختمانی را بهینه می سازد.

در این راستا برای هر نوع شیشه کدگذاریهایی انجام شده که استانداردهایی نیز برآنها مترتب است.

برای مثال شیشه SS نام تجاری شیشه هایی است که تابش خاصی از نور را عبور می دهند یا منظور از WWR همان window wall ratio است.

در سال ۲۰۰۳،شهرداری دبی ، کدگذاری استاندارد انرژی را روی شیشه های ساختمانی اجرایی کرده است.

برای مثال برای دستیابی به درصدمناسب WWR به مقدار ۴۰ درصد، می‌توان پوشش دو لایه SS را با لایه عبور پایین ادغام کردکه پارامتر VLT برای آن ۵۰ % باشد.در عین حال می توان به شفافیت مناسبی در طراحی نیز دست یافت.

برج سلطنتی ریاض دارای شیشه هایی با پوشش های چند لایه ای می باشد که دارای VLT و W /m۲k ۲۱% و۹۰ /۱=u-value است ، همچنین برج بانک قطر دارای TLV= ۴۷% و ۳۰ /۱ = u-value می باشد.

عوامل مؤثر در مقدار بازدهی انرژی (EE) و انرژی خورشیدی (SE)، شامل عبور نور ، بازتاب نور ،عامل خورشیدی ، میزان نشر و u-value می‌باشند. منظور از عامل خورشید(SF)، گرمای نور خورشید می باشد که از شیشه گذر می کند و مقدار آن از ۹-۱ درصد به رنگ یا پوشش اعمال شده روی شیشه بستگی دارد.

این پوشش ها ، با پوشش قلع ، نقره یا جیوه اندود روی شیشه های آیینه‌ای خیلی متفاوت است ولی در برخی عملکردها تفاوتی نمی‌کنند.

در شیشه ساختمان های اداری و تجاری، بیش ترین مسئله هدررفت انرژی گرمایی و سرمایشی است، شیشه ها اغلب بزرگ هستند و باز نمی‌شوند و سیستم های کاربری مانند کامپیوترها، پرینترها ، لامپ های روشنایی و پروژکتورها و غیره، گرمازادی را در محیط داخل ایجاد می کنند. همچنین تردد افراد نیز گرمای محیط را افزایش می‌دهد.

اگر چه در بسیاری از اماکن از کولرهای تعدیل کننده هوای خنک و رطوبت استفاده می شود لیکن وجود پوشش مناسب، اجتناب ناپذیر است. لذا طراحان برج ها و ساختمان های بلند، برنشر پایین و کاهش انرژی خورشید از طریق این شیشه ها بیشتر متمرکز شده اند. این شیشه ها، گرمای خورشید را بدون کاهش گذر نور طبیعی، بازتاب داده ضمن آنکه، زیبایی سطح را حفظ می کنند. استفاده از شیشه های سولار در ساختمان‌های اداری و تجاری اروپا حدود ۱۵ تا ۸۵ میلیون تن CO۲ را کاهش می‌دهد. همچنین برای مغازه ها، فروشگاه ها و منازل، استفاده از شیشه های عایق با نشر پایین، حدود ۹۷ میلیون تن CO۲ را تا سال ۲۰۲۰ کاهش می‌دهد.اکثر ساختمان های اروپایی از پنجره های نشر پایین با دو یا سه لایه استفاده می کنند.

همان طور که گفته شد توجه به مقادیر فاکتورهای نشر پایین، u-value و عبور ور در شیشه های چند لایه نقش مهمی در طراحی ساختمان دارد. ارائه و فروش بیش تر آن ها بر اساس شاخص های سرمایشی و گرمایشی است. اغلب با تمام ملاحظاتی که برای شیشه u-value انجام می شود، بار سطح خارجی پنجره ها، چندان جوابگو نیست، گرمای از دست رفته از شیشه‌ها برای موازنه تابش گرمای هدر رفته در شب کافی است. این موارد، دمای سطح شیشه را به دمای پایین تر از محیط و نقطه شبنم می رساند. لذا درخواست شیشه هایی با u-value پایین یا بسیار کم‌تر می شود و این مورد به ویژه در شمال اروپا به چشم می خورد.

معذالک توسعه اخیر در تکنولوژی این پوشش ها، مشکل فوق را به وجود آورده که خود به خود راه حل آن ارائه می شود. استفاده از پوشش آبدوست اثرات خارجی را تا حدی کم می کند زیرا ذرات کوچک روی سطح شیشه، دید را از پشت شیشه دشوار می کند و مجموعه این قطرات، پیوسته و تشکیل یک صفحه آب می دهند که عملاً، رویت سوی دیگر پنجره امکان پذیر نیست. کوتینگ هایی را که مانع از جذب آب شوند و اجازه ایجاد لایه‌ای یکسان از آب را ندهند خود تمیز شونده گویند. در آزمونی در سوئد، دو شیشه سه لایه با تعدادی eulav-u w /m۲k ۵۶% در دو ساختمان مجاور هم نصب شدند. یکی از آن ها با پوشش هیدروفیلیک در لایه خارجی و دیگری فاقد پوشش بود ،در فاصله زمانی ماه های سپتامبر تا دسامبر سطح خارجی این دو پنجره در روز و شب، بررسی شد. در بسیاری از تست ها پوشش آب دوست تقریباً مشکلات ناشی از عدم وضوح و دید را با تشکیل لایه ای یکنواخت حذف می کند.

پوشش های هیدروفیلی را می توان همراه با آنتی رفلکس به کار برد. در آزمونی شیشه های u-value با مقدار پایین سه لایه ای متراکم که شامل لایه نشر پایین، ضدبازتاب و آبدوست می باشند؛ مقدار گذردهی نور با پوشش آبدوست به ترتیب ۷ /۰و۶۶ /۰ است. میزان شفافیت دو شیشه مجاور مورد آزمون وابسته به عوامل محیطی مانند گرما و سرما و شدت نور تغییر می کنند ، حتی نتایج تست این دو پنجره در زمستان و تابستان متفاوت است. در زمستان با وجود برف، نور سفید داریم که بازتاب های نور را شدیدتر می کند و در تابستان علاوه بر نور سفید وجود سایه و شاخه و برگ درختان مقدار نور را جذب می کند. تکنولوژی کوتینگ راه حلی ارائه داده است. کاهش عبور نور با افزایش بازتاب در شش پوشش شیشه که در پنجره های سه لایه ای (تریپل) میسر می شود. در این نمونه پوشش خارجی را هیدروفیل می کنند و سه سطح باقی مانده اگر پوشش ضد بازتاب داده شود عبور نور در قسمت مرئی حدود ۱۰-۵ درصد افزایش خواهد یافت.

محصولات شیشه های پوشش یافته (نوری، حرارتی، آلودگی، ضدبازتابی و آبدوستی)، کوتینگ های چند لایه ای را در بازار ایجاد کرده اند. این پوشش ها تواماً در بخش مرئی طیف، بازدهی خوبی دارند. اما در نزدیکی محدوده زیر قرمز، بازتاب نور را افزایش می دهند.

ایجاد پوشش در دو سطح شیشه، میزان گذردهی نور را۱۰% افزایش می‌دهد. با موازنه انرژی در شیشه پنجره می توان به شبیه سازی انرژی در شیشه رسید. بدیهی است که این بیلان به خواص نوری و حرارتی پنجره بستگی دارد و به شدت تابع ساختمان، شرایط آب و هوایی و جهت گیری ساختمان می باشد. آژانس بین المللی انرژی در برنامه سیستم سرمایش- گرمایش این موارد را در نظر می گیرد. شیشه ها، بیشترین انرژی گرمایی خورشید را به دست می آورند و از طریق هدایت حرارتی از دست می دهند. محاسبات انجام شده به ازای هر واحد (m۲) سطح بیش تری را نشان می دهد که کنترل گرمایش و سرمایش برای ساختمان، اختلاف دما را در یک سطح نگه می دارد. لذا در پوشش های الکتروکرومیک با ذخیره سازی انرژی پتانسیل، می‌توان این کنترل را اعمال کرد. اهمیت آن ها در فصل سرما، بارزتر است. در فصول گرم ترجیحاً از شیشه های چندلایه ای با نشر پایین استفاده می کند.

خلاصه و نتیجه گیری:

در این مبحث، دستورالعمل های تجربی و عملیاتی طراحان ساختمانی اروپا در کشورهای اروپایی و عربی عنوان شد و عملکرد هر یک از انواع کوتینگ ها که به روش صنعتی- تجاری روی شیشه های تخت اعمال می‌شود، بررسی شد اینکه هر پوششی به تنهایی و در حالت ترکیبی چه اثری در موازنه انرژی دارد و این اثر در انواع شیشه تخت با چه بازدهی به دست می‌آید ،ضمن آن که تابع عوامل محیطی مانند جهت گیری ابعادی ساختمان، آب و هوا، شدت نور و اختلاف دمای محیط و داخل و نوع چهار چوب و قاب پنجره می باشد.

مراجع:

۱- AM Nilsson and A Roos , Evaluation of optical and thermal properties of coatings for energy efficient windows, Thin Solid Films, ۵۱۷, ۳۱۷۳- ۳۱۷۷ (۲۰۰۹).

۲- A Werner, External Water condensation and angular solar absorptance- theoretical analysis and practical experience of modern windows, PhD Thesis. Faculty of Science and Technology ۲۸۳, Acta Universitatis Uppsaliensis, (۲۰۰۷).

۳- S. Selkowitz and E. Lee, Field testing of dynamic façade controls in highly glazed buildings for energy efficiency and comfort, proceedings Glass Processing Days, Tampere, Finland, ۵۷۷- ۵۶۱ (۲۰۰۵) http: / /www.gpd.fi

۴- M.Kargarrazi, proceedings Glass Processing Days, Tampere, Finland, (۲۰۰۹) http: / /www.gpd.fi

بازدهی انرژی اخیراً یکی از مهم ترین مباحث اقتصادی - سیاسی روز شده است. اتحادیه اروپا ، صدور و ارائه راهکارهای مستقیم مصرف انرژی را در ساختمان ها تا سال ۲۰۲۰ تا ۸۰درصد مقدار کنونی و تا سال ۲۰۵۰ تا ۵۰درصد پیش بینی می کند. برای رسیدن به این هدف بهترین فن آوری در ساخت و سازها را باید رعایت نمود