تكنولوژي هاي نوين استفاده از شيشه در ساختمان هاي مدرن

امروزه شيشه از جمله اجزاء سازنده ساختمان محسوب مي شود كه علاوه بر زيبايي عملكرد صحيح آن در برابر تغييرات جوي، رطوبتي، دمايي و شوك هاي مكانيكي و حرارتي نيز از پارامترهاي قابل توجه مي باشد، به طوري كه در مورد هر يك از اين فاكتورها به عنوان قابليت، استانداردهاي ويژه اي بر حسب شرايط اقليمي، نوع ساختمان، ارتفاع يافته اند و حتي شرايط نصب و نوع چهار چوب نيز بر عملكرد آن مؤثر است. شيشه، شكل ساختمان هاي مدرن وامروزي را زيباتر نموده است. علاوه بر آن نور شبانه‌روزي را در برخي موارد تأمين مي كند و در برابر تغييرات ساليانه آب و هوا مقاوم است. براي مثال، شيشه هاي مناطق بياباني گرما را به كندي عبور مي‌دهند وگرماي خورشيد را به سرعت گذر مي دهند.

نابر آخرين آمار بيش از ۴۰ درصد انرژي توليد شده در ساختمان‌ها به مصرف مي رسد. ساخت ساختمان ها و بناهاي جديد با لحاظ صرفه‌جويي انرژي ضرورت اصلي مي باشد، موردي كه مقابل Global warmingو وابستگي هاي انرژي قرار دارد.مطالعات مستقل بسياري نشان مي دهد كه حدود ۱۰۲ تا ۱۸۲ ميليون تن CO۲ در سال مي‌تواند با استفاده صحيح ومطابق استاندارد از شيشه در ساختمان ها ذخيره شود و اين تحليل حاكي از آن است كه تقريباً به ۲۵ % از كل ذخيره CO۲ اروپا تا سال ۲۰۲۰ مي‌رسد. دو دستورالعمل مهم كه توسط توليدكنندگان شيشه در اروپا لحاظ مي شود عبارتند از:

- توليد محصولات جديد با بازدهي بالا: ايجاد لايه اي سه تايي يا شيشه هاي كنترل كننده نور خورشيد براي صرفه جويي در انرژي.

- ارتباط بهتر با مصرف كننده: براي اطمينان از اينكه اين محصولات بيشترين مزيت را دارند، برچسب انرژي روي شيشه پنجره نصب مي شود كه مطابق شرايط آب و هوايي تغيير مي كند.

شيشه هاي كم مصرف انرژي شامل لايه هايي هستند كه به عنوان عايق دمايي عمل مي كنند كه حالت نامريي و شفاف دارند و با ميكروسكوپ قابل تشخيص مي باشند. اين پوشش ها مانع ورود حرارت از محيط به داخل ساختمان و يا بالعكس مي شوند، همچنين مانع از انتقال گرماي داخلي ساختمان به خارج و يا سرماي داخل اتاق به محيط مي شوند؛ بنابراين هدررفت حرارتي از طريق اين شيشه ها به حداقل مي رسد.

پيشرفت تكنولوژي هاي جديد توليد ومواد اوليه، بهينه شده است. در گذشته كارايي شيشه هاي مختلف ساختماني را در عمليات اوليه توليد كه شامل افزودن برخي واكنشگرها و اكسيدهاي فلزي به بچ مواد اوليه يا در مناطقي ازكوره ذوب مي دانسته اند. براي مثال درتوليد انواع شيشه رنگي يا فتوكروميك، از اكسيد فلزات واسطه در حد افزودني كه در آن استفاده از شيشه رنگي علاوه بر جنبه تزئيناتي جذب بازتاب‌هاي مشخص نوري مدنظر بوده است يا در شيشه هاي فتوكروميك تغيير رنگ در برابر شدت و نوع تابش نيز از جنبه هاي ديگر محافظت در برابر انرژي بوده است.همچنين در فرآيندهاي فيزيكي در پس عمليات آنيلينگ وتمپرينگ كه مقاومت شيشه را در برابر شوكهاي حرارتي تغيير مي دهند يا در پروسه نشكن سازي كه در آن با اعمال روش هاي مكانيكي لايه هاي متعدد و لمينيت كاري انجام مي‌شود كه مقاومت مكانيكي افزايش مي يابد يا روش هاي فيزيكوشيميايي مانند اچ كردن وتراش كه شيشه هاي مشجر ومات توليد مي شود و به نحوي در پراكنش بازتاب هاي نوري مؤثر است.همانطور كه گفته شد اصول اين فرآيندها از ابتدا توليد شيشه ساختماني يكسان بوده و تا به امروز در مسير پيشرفت فناوري هاي مختلف، به روز شده و ارتقاء يافته است.از جمله پارامترهاي محوري، موضوع انرژي است. محافظت هاي نوري، تبادلات گرمايي و ساير منظورها به نوعي بحث استفاده بهينه از انرژي را همراه داشته است. پوشش دهي يا كوتينگ فرآيند فيزيكي- مكانيكي‌اي مي باشد كه طي آن مواد شيميايي خاصي روي سطح به طور يكنواخت پوشش مي دهند. لايه حاصل بدون هيچ واكنش شيميايي و صرفاً براساس برهم كنش هاي فيزيكي، پيوندي را با سطح شيشه ايجاد مي كند كه طبق شرايط تعريف شده پايدار است. ضخامت لايه، ميكروني بوده و سايز ذرات نيز از ۵۰ تا ۸۰۰ ميكرون متغير است.

بحث و فرآيند تجربي:

لايه نشاني به روش هاي مختلفي انجام مي شود كه به ابعاد ونوع شيشه، نوع ماده كوتينگ وضخامت لايه مورد نظر بستگي دارد. بسياري از پوشش‌ها نه تنها در بهبود انرژي شيشه مناسب هستند بلكه عيوب ناشي از طراحي را پوشش مي دهند.براي مثال پوشش هاي ضد بازتاب (آنتي رفلكس) در رسيدن به حداقل u-value مؤثر هستند. همچنين پوشش هاي الكترورنگ (الكتروكروميك)نيز به طور تلفيقي با پوشش‌هاي ضد بازتاب در شرايط نوري فصول متفاوت ، عملكرد شيشه‌ها را بهينه مي كنند يا براي نمونه آنكه اثرات حاصل از تبريد (كندانس) رطوبت محيط بيروني با پوشش هاي سطوح خارجي شيشه به حداقل مي رسديا قابل حذف است.شيشه هاي لمينت همچنين در ساختمان‌هاي مدرن ، ايمني، مقاومت صوتي و زيبايي را به همراه دارد؛ همچنين بحث ذخيره انرژي و نشر گازهاي گلخانه اي را به خوبي برآورده مي كنند. و همچنين مي توان براي اين كار از شيشه رنگي را نيز استفاده كرد.

نتايج برخي آزمونها در مورد پوشش هاي بخش خارجي شيشه اين مورد را اثبات كرده اند. نمونه اي از محاسبات موازنه انرژي براي شيشه‌هاي الكتروكروميك بهترين پتانسيل عبوردهي نور را براي شيشه هاي سه‌پوششه، پوشش هاي ضد بازتاب نشان مي دهد. ايجاد لايه هاي الكتروكروميك تا حدبسياري از مشكلات را جوابگو بوده است اما متأسفانه عبور نور را كاهش مي دهد و اين مورد با كاهش دما، مشخص تر مي شود.

بازدهي انرژي اخيراً يكي از مهم ترين مباحث اقتصادي - سياسي روز شده است. اتحاديه اروپا ، صدور و ارائه راهكارهاي مستقيم مصرف انرژي را در ساختمان ها تا سال ۲۰۲۰ به ۸۰درصد مقدار كنوني و تا سال ۲۰۵۰ تا ۵۰درصد پيش بيني مي كند. براي رسيدن به اين هدف بهترين فن آوري در ساخت و سازها را بايد رعايت نمود. بازدهي انرژي در ساختمان بيش تر در مورد شيشه مطرح است كه براي داشتن بهترين u-value ، به حداقل مقدار W /m۲k در شرايط آب و هوايي سرد نياز است.

محصولات شيشه جام ، انواع مختلفي در بازار دارند اما اينكه چه نوعي ، در چه ساختماني و چگونه به كار برود بحث راتخصصي مي كند. چنين ساختمان هايي در رديف استانداردpassive house قرار مي گيرند وكشورهايي كه از سيستم نرخ گذاري و رده بندي انرژي در ساختمان ها استفاده مي كنند، كارآيي شيشه ها را به خصوص در پارامتر u-value و سولار مورد توجه قرار مي دهند.

چگونگي رسيدن به مقادير كاهش يافته u-value در طراحي شيشه هاي سه لايه و يا دو پوششه با مقدار پايين نشر (Low - emissivity) تعريف مي شود و گاهاً اثرات ناخواسته اي مثل تبريد سطح خارجي شيشه ، كاهش دستيابي به انرژي گرمايي ناشي از فرآيند سولار در زمستان و عبور نور قرمز را كاهش مي دهد.

در مورد پوشش هاي Low - emissivity(نشركننده پايين) و سولار (خورشيدي ) مي توان گفت كه از متداول ترين نوع پوشش شيشه در شرايط آب و هوايي سرد مي باشند . ارائه اين كوتينگ به پيشرفت برجسته اي در تأييد انرژي در شيشه ها رسيد. شيشه هاي داراي پوشش هايي از اين نوع را در دودسته سخت و نرم دسته بندي كرده اند ، شيشه هاي كوتينگ سخت كه يا اكسيد قلع (SnO۲) و شيشه هاي كوتينگ نرم كه داراي نقره مي‌باشند. ويژگي كلي اين پوشش ها ، عبور بالاي نور مرئي و افزايش انعكاس در محدوده ناحيه زير قرمز(IR) است.

شاخص تغييرات در نمودار از عبور بالا با انعكاس بالا در محدوده باريكي از طول موج نور تابيده شده به سطح شيشه ، ديده مي شود. بدين ترتيب اين كوتينگ تقريباً تمامي تابش هاي خورشيدي را در مجاورت ناحيه نامرئي عبور داده و مانع از گرمايش زياد شيشه مي‌شود.

براي محدوده تابش هاي حرارتي، نشر نوعي در محدوده ۵۱ /۰>ε>۲۰ /۰ مي باشد كه با كوتينگ نازك نقره و دوپه يافته با اكسيد قلع(II) به حداكثر مي رسد. نشر پايين از تابش گرمايي بين قاب و چهارچوب پنجره‌ها ممانعت مي كند و در پنجره مقدار u-value پايين را نشان مي دهد، به عبارتي اين حالت به هدايت گرمايي پايين و عايق گرمايي خوبي مي رسد كه معادل هم هستند.عايق حرارتي اضافي را مي توان با پركردن فضاي شيشه دوجداره با يك گاز سنگين ايجاد كرد. گازهاي معمول مورد استفاده ، آرگون، كريپتون و زنون هستند . البته نام تجاري شيشه ها با عملكرد آن ها چندان مطابقت ندارد و واژه شناسي آن ها كمي توجيه را مشكل مي كند.

واژه Low - emissivity براي پوشش هايي است كه در شرايط آب و هوايي سرد قرار دارند در حالي كه مقدار پايين u-value، لازمه ادغام با g-value يعني حد بالاي گذردهي انرژي خورشيدي است.

واژه "كنترل خورشيدي " براي پنجره هايي به كار مي رود كه عامل اصلي آن به شرايط آب و هوايي بستگي دارد.بسياري از پوشش هاي كنترل خورشيدي با كوتينگ هاي Low - emissivity (عبور پايين همراه مي‌باشند كه اين باعث پيچيدگي عملكرد و نام تجاري شيشه مي شود. معذالك چنين پوشش هايي در شيشه هاي دو يا سه لايه اعمال شده و پارامترهاي زير را دارند:

۰/۱۵ < g-value < ۰/۸۵

۰/۵ < u-value < ۶/۰

۰/۰۵ < light-trans < ۰/۹۰

البته متغيرهاي فوق ، توأماً در هر ادغام پوششي ، حاصل نمي شوند. در طراحي هاي تلفيقي نمي توان هم light-transمناسب و هم g-value خوب را انتظار داشت. در محدوديت هاي فيزيكي ، گستره پايين تر u-value ضرورتاً به g-value پاييني مي رسد و نور مي‌تواند عبور كند.

البته اين چندان مورد خوبي نبوده ، ليكن مهم مي باشد. بايد در نظر داشت كه پوشش هايي با كم ترين مقدار عبور ، داراي كوتينگ‌هاي كنترل خورشيدي مي شوند كه اين لايه ها با u پايين اهميت مي يابد. براي طراحان و معماران ، توجه به پارامترهاي مزبور ، كارايي شيشه‌هاي ساختماني را بهينه مي سازد.

در اين راستا براي هر نوع شيشه كدگذاريهايي انجام شده كه استانداردهايي نيز برآنها مترتب است.

براي مثال شيشه SS نام تجاري شيشه هايي است كه تابش خاصي از نور را عبور مي دهند يا منظور از WWR همان window wall ratio است.

در سال ۲۰۰۳،شهرداري دبي ، كدگذاري استاندارد انرژي را روي شيشه هاي ساختماني اجرايي كرده است.

براي مثال براي دستيابي به درصدمناسب WWR به مقدار ۴۰ درصد، مي‌توان پوشش دو لايه SS را با لايه عبور پايين ادغام كردكه پارامتر VLT براي آن ۵۰ % باشد.در عين حال مي توان به شفافيت مناسبي در طراحي نيز دست يافت.

برج سلطنتي رياض داراي شيشه هايي با پوشش هاي چند لايه اي مي باشد كه داراي VLT و W /m۲k ۲۱% و۹۰ /۱=u-value است ، همچنين برج بانك قطر داراي TLV= ۴۷% و ۳۰ /۱ = u-value مي باشد.

عوامل مؤثر در مقدار بازدهي انرژي (EE) و انرژي خورشيدي (SE)، شامل عبور نور ، بازتاب نور ،عامل خورشيدي ، ميزان نشر و u-value مي‌باشند. منظور از عامل خورشيد(SF)، گرماي نور خورشيد مي باشد كه از شيشه گذر مي كند و مقدار آن از ۹-۱ درصد به رنگ يا پوشش اعمال شده روي شيشه بستگي دارد.

اين پوشش ها ، با پوشش قلع ، نقره يا جيوه اندود روي شيشه هاي آيينه‌اي خيلي متفاوت است ولي در برخي عملكردها تفاوتي نمي‌كنند.

در شيشه ساختمان هاي اداري و تجاري، بيش ترين مسئله هدررفت انرژي گرمايي و سرمايشي است، شيشه ها اغلب بزرگ هستند و باز نمي‌شوند و سيستم هاي كاربري مانند كامپيوترها، پرينترها ، لامپ هاي روشنايي و پروژكتورها و غيره، گرمازادي را در محيط داخل ايجاد مي كنند. همچنين تردد افراد نيز گرماي محيط را افزايش مي‌دهد.

اگر چه در بسياري از اماكن از كولرهاي تعديل كننده هواي خنك و رطوبت استفاده مي شود ليكن وجود پوشش مناسب، اجتناب ناپذير است. لذا طراحان برج ها و ساختمان هاي بلند، برنشر پايين و كاهش انرژي خورشيد از طريق اين شيشه ها بيشتر متمركز شده اند. اين شيشه ها، گرماي خورشيد را بدون كاهش گذر نور طبيعي، بازتاب داده ضمن آنكه، زيبايي سطح را حفظ مي كنند. استفاده از شيشه هاي سولار در ساختمان‌هاي اداري و تجاري اروپا حدود ۱۵ تا ۸۵ ميليون تن CO۲ را كاهش مي‌دهد. همچنين براي مغازه ها، فروشگاه ها و منازل، استفاده از شيشه هاي عايق با نشر پايين، حدود ۹۷ ميليون تن CO۲ را تا سال ۲۰۲۰ كاهش مي‌دهد.اكثر ساختمان هاي اروپايي از پنجره هاي نشر پايين با دو يا سه لايه استفاده مي كنند.

همان طور كه گفته شد توجه به مقادير فاكتورهاي نشر پايين، u-value و عبور ور در شيشه هاي چند لايه نقش مهمي در طراحي ساختمان دارد. ارائه و فروش بيش تر آن ها بر اساس شاخص هاي سرمايشي و گرمايشي است. اغلب با تمام ملاحظاتي كه براي شيشه u-value انجام مي شود، بار سطح خارجي پنجره ها، چندان جوابگو نيست، گرماي از دست رفته از شيشه‌ها براي موازنه تابش گرماي هدر رفته در شب كافي است. اين موارد، دماي سطح شيشه را به دماي پايين تر از محيط و نقطه شبنم مي رساند. لذا درخواست شيشه هايي با u-value پايين يا بسيار كم‌تر مي شود و اين مورد به ويژه در شمال اروپا به چشم مي خورد.

معذالك توسعه اخير در تكنولوژي اين پوشش ها، مشكل فوق را به وجود آورده كه خود به خود راه حل آن ارائه مي شود. استفاده از پوشش آبدوست اثرات خارجي را تا حدي كم مي كند زيرا ذرات كوچك روي سطح شيشه، ديد را از پشت شيشه دشوار مي كند و مجموعه اين قطرات، پيوسته و تشكيل يك صفحه آب مي دهند كه عملاً، رويت سوي ديگر پنجره امكان پذير نيست. كوتينگ هايي را كه مانع از جذب آب شوند و اجازه ايجاد لايه‌اي يكسان از آب را ندهند خود تميز شونده گويند. در آزموني در سوئد، دو شيشه سه لايه با تعدادي eulav-u w /m۲k ۵۶% در دو ساختمان مجاور هم نصب شدند. يكي از آن ها با پوشش هيدروفيليك در لايه خارجي و ديگري فاقد پوشش بود ،در فاصله زماني ماه هاي سپتامبر تا دسامبر سطح خارجي اين دو پنجره در روز و شب، بررسي شد. در بسياري از تست ها پوشش آب دوست تقريباً مشكلات ناشي از عدم وضوح و ديد را با تشكيل لايه اي يكنواخت حذف مي كند.

پوشش هاي هيدروفيلي را مي توان همراه با آنتي رفلكس به كار برد. در آزموني شيشه هاي u-value با مقدار پايين سه لايه اي متراكم كه شامل لايه نشر پايين، ضدبازتاب و آبدوست مي باشند؛ مقدار گذردهي نور با پوشش آبدوست به ترتيب ۷ /۰و۶۶ /۰ است. ميزان شفافيت دو شيشه مجاور مورد آزمون وابسته به عوامل محيطي مانند گرما و سرما و شدت نور تغيير مي كنند ، حتي نتايج تست اين دو پنجره در زمستان و تابستان متفاوت است. در زمستان با وجود برف، نور سفيد داريم كه بازتاب هاي نور را شديدتر مي كند و در تابستان علاوه بر نور سفيد وجود سايه و شاخه و برگ درختان مقدار نور را جذب مي كند. تكنولوژي كوتينگ راه حلي ارائه داده است. كاهش عبور نور با افزايش بازتاب در شش پوشش شيشه كه در پنجره هاي سه لايه اي (تريپل) ميسر مي شود. در اين نمونه پوشش خارجي را هيدروفيل مي كنند و سه سطح باقي مانده اگر پوشش ضد بازتاب داده شود عبور نور در قسمت مرئي حدود ۱۰-۵ درصد افزايش خواهد يافت.

محصولات شيشه هاي پوشش يافته (نوري، حرارتي، آلودگي، ضدبازتابي و آبدوستي)، كوتينگ هاي چند لايه اي را در بازار ايجاد كرده اند. اين پوشش ها تواماً در بخش مرئي طيف، بازدهي خوبي دارند. اما در نزديكي محدوده زير قرمز، بازتاب نور را افزايش مي دهند.

ايجاد پوشش در دو سطح شيشه، ميزان گذردهي نور را۱۰% افزايش مي‌دهد. با موازنه انرژي در شيشه پنجره مي توان به شبيه سازي انرژي در شيشه رسيد. بديهي است كه اين بيلان به خواص نوري و حرارتي پنجره بستگي دارد و به شدت تابع ساختمان، شرايط آب و هوايي و جهت گيري ساختمان مي باشد. آژانس بين المللي انرژي در برنامه سيستم سرمايش- گرمايش اين موارد را در نظر مي گيرد. شيشه ها، بيشترين انرژي گرمايي خورشيد را به دست مي آورند و از طريق هدايت حرارتي از دست مي دهند. محاسبات انجام شده به ازاي هر واحد (m۲) سطح بيش تري را نشان مي دهد كه كنترل گرمايش و سرمايش براي ساختمان، اختلاف دما را در يك سطح نگه مي دارد. لذا در پوشش هاي الكتروكروميك با ذخيره سازي انرژي پتانسيل، مي‌توان اين كنترل را اعمال كرد. اهميت آن ها در فصل سرما، بارزتر است. در فصول گرم ترجيحاً از شيشه هاي چندلايه اي با نشر پايين استفاده مي كند.

خلاصه و نتيجه گيري:

در اين مبحث، دستورالعمل هاي تجربي و عملياتي طراحان ساختماني اروپا در كشورهاي اروپايي و عربي عنوان شد و عملكرد هر يك از انواع كوتينگ ها كه به روش صنعتي- تجاري روي شيشه هاي تخت اعمال مي‌شود، بررسي شد اينكه هر پوششي به تنهايي و در حالت تركيبي چه اثري در موازنه انرژي دارد و اين اثر در انواع شيشه تخت با چه بازدهي به دست مي‌آيد ،ضمن آن كه تابع عوامل محيطي مانند جهت گيري ابعادي ساختمان، آب و هوا، شدت نور و اختلاف دماي محيط و داخل و نوع چهار چوب و قاب پنجره مي باشد.