نقش پنجره‌ها در جلوگيري از اتلاف انرژي در ساختمان

 

در خانه‌هايي با پنجره‌هاي قديمي و بدون استفاده از نوآوري‌ها و فناوري‌هاي نوين، نزديك به 30 درصد اتلاف انرژي ساختمان، از راه پنجره‌ها رخ مي‌دهد

پايگاه اطلاع رساني شهرسازي و معماري: پنجره‌ها نور، گرما و زيبايي را به خانه مي‌آورند و به درك فضاي زيست كمك مي‌كنند. پنجره‌ها منابعي براي آگاهي ما از تغيير زمان و آشنايي با موقعيت مكاني هستند. اما پنجره‌ها مي‌توانند راه‌هاي موثري براي اتلاف گرماي درون ساختمان در زمستان، و ورود گرماي ناخواسته در تابستان باشند. اين نكته به جز اثر نامطلوب بر هزينه‌هاي گرمايش و سرمايش ساختمان است.

عملكرد گرمايي پنجره‌ها بر پايه‌ سه نوع جريان است: تهويه، انتقال و تشعشع. هر يك از جريان‌هاي گرمايي نقش مهمي در اتلاف گرمايي در زمستان يا گرماي ناخواسته در تابستان دارند.

ساختار يك پنجره را مي‌توان به سه قسمت شامل چارچوب، شيشه و براق آلات تقسيم كرد كه دو قسمت اول،به دليل مساحت بزرگ‌تر، نقش مهم‌تري در عملكرد حرارتي پنجره دارند. در سال‌هاي اخير، توسعه فناوري توليد، پژوهش و آزمايش روي مواد گوناگون، تغييرات و پيشرفت‌هاي بسياري در ساختمان چارچوب پنجره و شيشه مورد استفاده در آن پديد آورده است، بهره‌گيري از موادي مانند پي.وي. سي (وينيل) براي توليد پروفيل پنجره و همچنين توليد شيشه‌هاي كم تابش، شيشه‌هاي جاذب گرما و… از جمله اين پيشرفت‌هاست. در خانه‌هايي با پنجره‌هاي قديمي و بدون استفاده از نوآوري‌ها و فناوري‌هاي نوين، نزديك به 30 درصد اتلاف انرژي ساختمان، از راه پنجره‌ها رخ مي‌دهد. اما اكنون با بهره‌گيري از پيشرفت‌هاي علوم و فناوري اين مقدار تقريبا به نصف كاهش يافته است.

پژوهش‌هايي كه اكنون در حال انجام است، نويد پيشرفت‌ها و بهبودهاي بيشتري در ساختار پنجره‌ها و مواد سازنده چارچوب و شيشه آنها را مي‌دهد.

به دنبال بحران‌هاي مربوط به انرژي كه آغاز آن را مي‌‌توان دهه 1970 دانست، بحث درباره انواع روش‌هاي جلوگيري از اتلاف انرژي و منابع آن در همه جهان، به ويژه كشورهاي صنعتي كه مهم‌ترين مصرف كنندگان انرژي هستند آغاز شد.

از آن زمان تاكنون انواع روش‌ها و راهكارهايي كه جهت صرفه‌جويي در كاربرد انرژي و هدر رفتن آن، سودمند دانسته مي‌شد بررسي شده است. توجه به جلوگيري از اتلاف انرژي در ساختمان‌ها به ويژه ساختمان‌هاي مسكوني و تجاري، از آغاز درصد مواردي بود كه ضرورت آن تشخيص داده شده بود. پنجره‌ها نيز به عنوان يكي از مهم‌ترين اجزاي ساختماني كه مي‌تواند نقش مهمي را در اتلاف انرژي يا بهره‌گيري از آن داشته باشد شناخته شدند و پيشرفت‌هاي بسياري در اين زمينه به دست آمد كه پژوهش و بررسي در اين زمينه همچنان ادامه دارد. انواع مواد به كار رونده در چارچوب، انواع شيشه‌ها، چند جداره نمودن شيشه‌ها و اصلاح روش‌هاي درزبندي از مواردي است كه روي آن بسياري انجام گرفته است. در اين جا به چنين مواردي با توجه به تازه‌ترين پيشرفت‌هاي علمي و فني پرداخته مي‌شود. عملكرد گرمايي پنجره‌ها، اصولا بر پايه سه گونه جريان گرمايي است:

 تهويه

يعني سرما يا گرما از شكاف‌ها و بازشوهاي پنجره، از درون به بيرون و برعكس، جريان مي‌يابد. به عبارتي جريان يافتن گرما از راه نفوذ هوا و تهويه طبيعي. اين جريان گرما، به دنبال جريان هوايي كه از راه پنجره وارد مي‌شود و تفاوت دماي دو سوي آن است. نسيم هواي بيرون از ساختمان در اثر نيروي «فشار _ مكش» سبب جا به جايي هوا در درون ساختمان مي‌شود. فشار مثبت، در سمتي كه باد مي‌وزد ايجاد شده، فشار منفي (مكش)، در سوي ديگر پديد مي‌آيد. براي تهويه طبيعي، بايد بازشوها را در ديوارهايي با فشار متفاوت قرار داد. زماني بيشترين حجم هوا، جا به جا مي‌شود كه پنجره‌ها در بخش‌هايي از نماي ساختمان قرار گيرند كه اختلاف فشاري در آن جا موجود باشد.

قرار دادن پنجره ها روي ديوارهاي مقابل كه در مسير مستقيم جريان هوا قرار دارند، سبب ايجاد جريان سريع هوا، با عرض كم در درون اتاق خواهد شد. اگر پنجره‌ها بر روي بخش مياني چنين ديوارهايي نصب شوند، جريان هوا، به طور مستقيم از وسط اتاق مي‌گذرد و اگر پنجره‌ها در گوشه‌هاي ديوار باشد، جريان هوا از روي ديوار جانبي اتاق خواهد گذشت. در هر دو مورد، هر چند سرعت جريان هوا زياد است، تهويه مناسب نيست.

تهويه فضاي دروني در صورتي بهتر انجام مي‌شود كه پنجره‌هاي ورودي هوا در جاهايي با اختلاف فشار زياد قرار گرفته باشد.

 انتقال

يعني گرمايي كه به سبب انتقال، از راه پنجره وارد مي‌شود. اين جريان گرما نيز به تفاوت دما در دو سوي پنجره، بستگي دارد. اما در اين جا چهار شيوه گوناگون، مقدار گرماي منتقل شده را تعيين مي‌كند:

 رسانايي

انتقال گرما، پيرو ضريب رسانايي و اختلاف دما، در دو سوي جسم مورد بررسي است براي نمونه، هواي ساكن يك عايق شناخته شده است. ضريب رسانايي شيشه، 30 بار و ضريب رسانايي بيشتر فلزات حتي هزار بار بيشتر از هواست.

رسانايي، ساز و كار انتقال گرما از راه تماس فيزيكي است. گرما از بخش گرم‌تر يك پنجره به بخش سردتر آن انتقال مي‌يابد. هر مولكول، مولكول كنار خود را تحريك مي‌كند و انرژي را انتقال مي‌دهد. رسانايي، نه تنها در جامدات (چارچوب‌ها و شيشه پنجره)، بلكه در هواي ميان لايه‌هاي شيشه نيز انجام مي‌شود. ميزان انتقال گرما از يك ماده، به دليل اختلاف دما را مقدار «U» مي‌نامند. هر چه U، كمتر باشد، گرماي كمتري انتقال مي‌يابد.

 همرفت

گرما، مي‌تواند از راه همرفت نيز از يك مايع يا گاز، به يك سطح، منتقل شود، به شرط آ كه سيلان مجاور سطح ثابت باشد. «همرفت طبيعي» عبارت است از جا به جايي مايع يا گاز كه تابعي از تفاوت‌هاي دماي محل است. «همرفت اجباري» بر اثر منابع بيروني پديد مي‌آيد؛ به طور مثال از باد يا تاسيسات گرمايش، سرمايش و تهويه.

همرفت، جا به جايي گرما درون يك سيال مانند هواست. هنگامي كه مولكول‌هاي هوا، به طور فيزيكي از نقطه‌اي به نقطه‌ ديگر جا به جا مي‌شوند، گرما انتقال مي‌يابد. يك سطح شيشه‌اي گرم مي‌تواند هواي مجاور خود را گرم كند و سبب بالا رفتن دماي آن شود. يك سطح شيشه‌اي سرد، با هواي نزديك خود گرم مي‌شود و اين توده هوا، پس از آن كه گرماي خود را از دست داد، پايين مي‌آيد اين جريان همرفتي در سمت بيروني و دروني پنجره و ميان جداره‌هاي شيشه روي مي‌دهد

 تشعشع

يك جسم دريافت كننده، مي‌تواند تشعشع گرمايي منتشر شده از يك منبع را منتقل، جذب يا بازتابش كند. هر سطحي، تشعشع را پخش مي‌كند. انتشار موج بلند بسته به دماي سطح است. در سطح‌هايي با دماي اندك، اين طيف در محدوده پرتو فرو سرخ (پرتوفروسرخ يا پرتو با موج بلند) است. شدت تشعشع منتشر شده، به تابندگي سطح بستگي دارد. مقدار تشعشع منتشر شده، از سطح‌هاي ديگر، بيشتر پيرو عامل‌هاي بصري است، يعني آن چه كه جسمي مي‌تواند از هر جسم ديگر در محيط ببيند. بخشي از تشعشع دريافتي، منتقل يا بازتابش و بقيه آن، جذب مي‌شود. پيچيدگي ديگر مساله اين است كه تابش، جذب و بازتابش، پيرو طول موج و زاويه برخورد هستند. از سوي ديگر، قابليت‌ تابش و جذب در يك سطح كدر، هم ارزش هستند. براي نمونه، شيشه شفاف معمولي، تشعشع خورشيد را به شدت از خود مي‌گذراند، اما تشعشع فرو سرخ ساطع شده از اشياي ديگر در همان اتاق را عبور نمي‌دهد. بيشتر اين دماي ناشي از تشعشع، جذب مي‌شود.

در ارتباط با زاويه برخورد، ميزان تابش معمولي در پايين‌ترين اندازه است. 4 درصد و تنها، زماني به مقدار بسياري افزايش مي‌يابد كه ميان 60 تا 70 درجه، بيشتر از اندازه معمولي باشد. به جز نفوذ تدريجي هوا از راه شكاف‌ها و بازشوهاي پنجره، امكان جريان هوا، تنها در دو سوي يكي از اجزاي پنجره نيز وجود دارد. نمونه‌هاي شناخته شده، جريان هوا در پشت يك پرده يا جريان هوا در پشت و ميانه تيغه‌هاي يك پرده كركره است. در اين جا نيز جا به جايي گرما، از راه همرفت «اجباري» و «طبيعي» را مي‌توان ديد.

تشعشع خورشيدي سومين نوع جريان گرماست. تشعشع خورشيدي و يا تشعشع پخش شده از آسمان، به پنجره مي‌تابد و بخشي از آن بازتابش و جذب مي‌شود. بقيه، از راه پنجره، منتقل شده به صورت پرتوي با طول موج كوتاه، به ديوارهاي دروني مي‌رسد (انتقال مستقيم يا اوليه) ميزان جذب و بازتابش، پيرو طول موج و زاويه برخورد هستند.

جنبه دوم تابش خورشيد كه اغلب اهميت بسياري در كاركرد پنجره دارد، روشي است كه گرماي جذب شده از تابش خورشيد، از پنجره‌ بيرون مي‌رود. براي نمونه، يك جام شيشه، نزديك به 12 درصد از تابش منتشر شده را جذب مي‌كند. اين گرماي جذب شده از هر دو سطح پنجره، به درون و بيرون اتاق، جريان مي‌يابد. اين كار از جريان‌هاي همرفت و تابش پرتو موج بلند (گرمايي) و طبق ساز و كار انتقال گرما انجام مي‌شود. بنابراين بخشي از اين گرما، به درون اتاق خواهد آمد ميزان آن بستگي به ضريب‌هاي همرفت و تابش در سطح‌هاي دروني و بيروني دارد.

تاثير پنجره بر مصرف انرژي در ساختمان

پنجره‌ها اهميت بسيار زيادي براي محيط درون ساختمان دارند و همچنين عامل بسيار مهم سازگاري هستند. نخستين كاركرد جام شيشه در دهانه پنجره نسبت به هواي بيروني اين است كه امكان تنظيم‌ هواي دروني را به طور محسوس بيشتر مي‌كند و مزاحمت‌هاي باد و هوا را بسيار محدود مي‌كند.

پنجر‌ه‌ها با وجود ويژگي‌هاي‌شان به عنوان اجزاي ساختماني مي‌توانند سبب اختلال در محيط گرمايي شوند. شايد نتوان اختلالات را به سرعت ديد، اما هر كسي كه زمان بسياري، آرام كنار پنجره بنشيند، آنها را درك مي‌كند.

اختلاف گرمايي كه مي‌تواند پديد آيد، بخشي به سبب تشعشع گرمايي و بخشي به دليل جا به جايي هوا در هنگام گذر از پنجره است. در دماي خارجي پايين، سطح دروني شيشه در يك پنجره با شيشه دو جداره، دمايي ميان 12+ در لبه بالايي و 6+ در لبه پاييني خواهد داشت. در حاي كه دماي اتاق، 22 درجه باشد. اين رقم‌ها اندكي تقريبي هستند و بستگي به شكل هندسي اتاق و جاي منابع گرمايي در آن دارند. براي پنجره با شيشه سه جداره، رقم‌ها، 16+ در لبه بالايي و 12+ در لبه پاييني هستند.

با اين همه تنها تشعشع نيست كه بر تعادل گرمايي فرد، تاثير مي‌گذارد. سطح خنك يك پنجره، هواي كنار شيشه را خنك كرده، هواي سرد به سوي پايين مي‌رود. اين كار، انتقال گرما را افزايش مي‌دهد و ضريب رسانايي گرمايي، افزايش مي‌يابد و تاثير آن بيشتر مي‌شود جبران هواي سرد، غالبا به رفتن به سوي پايين، ادامه مي‌دهد و روي كف، حركت مي‌كند و يك جريان چشمگير هوا را روي كف پديد مي‌آورد. تركيب جريان هوا با تشعشع گرمايي از بدن، در برابر سطح سرد پنجره، مي‌توان ناراحت كننده باشد.

ابزار تهويه‌اي كه به خوبي طراحي شده باشد، مي‌تواند جريان هوايي پديد آورد كه تاثير مزاحم جريان هواي پايين را كه از يك پنجره سرد ناشي شده است، افزايش دهد. ارتباط ميان عايق گرمايي پنجره، منابع گرما‌زا در اتاق و سيستم تهويه، و همچنين كاربري اتاق، مسايلي هستند كه طراحان بايد به آنها توجه كنند.

عوامل موثر در كاهش اتلاف انرژي از راه پنجره‌ها

چارچوب‌هاي پنجره از مواد گوناگون ساخته مي‌شوند. چارچوب‌ها مي‌توانند به طور ساده، تنها از يك ماده ساخته شده باشند، و يا اين كه تركيبي از مواد مختلف مانند چوب پوشش شده با وينيل يا چوب پوشش شده با آلومينيوم باشند. هر جنسي، معايب و مزاياي خود را دارد. همچنين چارچوب‌هاي چوبي، مقدار U بالايي دارند و تحت تاثير دماهاي بالا يا بسيار پايين قرار نمي‌گيرند و عموما تعريق را افزايش نمي‌دهند.

مقاومت‌ گرمايي پنجره‌هاي آهني بيشتر از آلومينيوم است. اما در مجموع، بيشتر رساناي گرما هستند تا مقاوم در برابر آن. از معايب ديگر آنها، داشتن درزهاي بسيار زياد و هوابندي بسيار بد، به دليل دست‌ساز بودن و عدم دقت كافي در ساخت آنهاست.

از سوي ديگر چارچوب‌هاي آلومينيومي، اگر چه مقاومت و شكل‌پذيري خوبي دارند، رساناي خوب گرما هستند و بنابراين گرما را سريع‌تر از دست مي‌هند و مستعد تعريق هستند. با آندايز كردن يا پوشش دادن، مي‌توان از زنگ زدگي يا تخريب الكتروشيميايي آلومينيوم جلوگيري كرد. همچنين، مقاومت گرمايي چهارچوب‌هاي آلومينيوم مي‌تواند با قرار دادن نوارهاي عايق كننده پلاستيكي پيوسته، ميان بخشي دروني و بيروني چارچوب، بهبود يابد.

چارچوب‌هاي پلاستيكي (وينيلي) كه به طور ساده از پي.وي.سي ساخته مي‌شوند، مزاياي بسياري دارند. اين چارچوب‌ها، با داشتن دامنه وسيعي از شكل‌ها، مقدارهاي R از متوسط تا بالا دارند. شيشه شفاف، به طور سنتي، ماده ابتدايي موجود براي شيشه پنجره در خانه بوده است. اما در سال‌هاي اخير، صنعت شيشه‌كاري _‌ يا برش و قرار دادن شيشه در چارچوب‌ها _‌ به طور چشمگيري تغيير كرده است. اكنون چندين نوع شيشه ويژه، در دسترس است كه مي‌تواند به كنترل اتلاف گرمايي و تعرق كمك ‌كند.

شيشه‌هاي كم‌تابش پوشش سطحي ويژه‌اي براي كم كردن انتقال گرما از راه پنجره دارد. اين پوشش‌ها 40 تا 60 درصد گرمايي را كه معمولا از راه شيشه شفاف، منتقل مي‌شود، بازتابش مي‌كند؛ در حالي كه به همه نور اجازه عبور مي‌دهد. اين نوع شيشه اغلب داراي لايه‌اي از فلز به ضخامت چند مولكول است.

 شيشه جاذب گرما

رنگ‌هاي ويژه‌اي دارد كه به آن اجازه مي‌دهد كه تا 45 درصد انرژي خورشيدي ورودي را همراه با كاهش بهره خورشيدي، جذب كند اما مقداري از گرماي جذب شده، از راه رسانايي و تشعشع دوباره از پنجره مي‌گذارد.

 شيشه انعكاسي

شيشه‌اي است كه با فيلم انعكاسي، پوشانده شده و براي كنترل بهره گرمايي خورشيدي در تابستان سودمند است. اين شيشه، همچنين عبور نور را در همه سال كاهش مي‌دهد و مانند شيشه جاذب گرما، انتقال خورشيدي را كاهش مي‌دهد.

پنجره‌هاي ضد باد

اين نوع پنجره‌ها مي‌توانند بازدهي پنجره‌هاي داراي شيشه تك جداره را افزايش دهند. ساده‌ترين نوع پنجره‌ ضد باد، يك پرده پلاستيكي است كه درون چارچوب پنجره، به صورت نواري قرار داده مي‌شود. اگر چه پرده‌هاي پلاستيكي به سادگي نصب و درآورده مي‌شوند، در عين حال به آساني خراب شده، امكان ديد را كاهش مي‌دهند. ورق‌هاي پلاستيكي صلب و نيمه صلب مانند پلكسي گلاس، اكريليك، پلي كربنات يا پلي استر تقويت شده با الياف مي‌تواند مستقيما به چارچوب پنجره بسته شود يا در كانال‌هايي دور چارچوب قرار گيرد.

بايد توجه داشت شيشه تك جداره استاندارد، ارزش عايق‌بندي بسيار اندكي دارند اين شيشه، تنها مرز نازكي را در برابر محيط بيرون ايجاد مي‌كند و مي‌تواند سبب اتلاف چشمگير گرما شود. به طور سنتي، راه اصلاح كارآيي حرارتي پنجره، افزايش تعداد لايه‌هاي شيشه در واحد بوده است. زيرا لايه‌هاي مضاعف شيشه، توانايي پنجره براي مقاومت در برابر جريان گرما را افزايش مي‌دهند. همان‌گونه كه بررسي شد، پنجره به عنوان يكي از عناصر مهم ساختماني، نقش بسيار مهمي در اتلاف انرژي ساختمان يا جلوگيري از آن دارد. توجه به طراحي و توليد درست پنجره در كارخانه‌هاي توليد كننده و انتخاب و استفاده درست از پنجره در ساختمان توسط معماران و سازندگان ساختمان مي‌تواند سبب سود يا زبان بسيار اقتصادي و زيست محيطي شود. در آغاز، ممكن است قيمت تمام شده پنجره‌هاي بهينه از ديدگاه انرژي، از پنجره‌هاي نامناسب باشد، اما با كمي دقت و بررسي مي‌توان دريافت كه اين سرمايه‌گذاري اوليه، در مدت نه چندان زيادي از راه صرفه‌جويي در هزينه‌هاي گرمايش و سرمايش ساختمان جبران مي‌شود. بنابراين لزوم توجه هر چه بيشتر به توليدكنندگان و سازندگان پنجره و ساختمان بايد بسيار بيش از پيش به پژوهش و نوآوري و بهره‌گيري از پيشرفت‌هاي علم و فن‌آوري توجه كرده، خود را با آن هماهنگ و همراه سازند.

منابع:

 اهري، زهرا «پنجره در طراحي و نگهداري ساختمان»، مركز تحقيقات ساختمان و مسكن،

1. واتسون دانلد و ليز، كنت «طراحي اقليمي، اصول نظري و اجرايي كاربرد انرژي در ساختمان» _ ترجمه وحيد قباديان و محمد فيضي مهدوي