پنجرهها بخش قابلتوجهی از ساختمانهای مسکونی را تشکیل میدهند و بیشترین سطح پنجره شامل شیشه آن است؛ بنابراین مقدار زیادی از انتقال انرژی علاوه بر انتقال صدا و حرارت از طریق شیشه انجام میشود. ضریب انتقال حرارتی بالای شیشه باعث مصرف زیاد انرژی میشود زیرا در اثر تبادل حرارت بین دو سمت شیشه، دمای داخل ساختمان تغییر یافته و برای حفظ دما در حد آسایش، نیاز به مصرف زیاد انرژی خواهد بود. پنجرهها در یک منزل مسکونی مسئول اتلاف 26% تا 48% انرژی حرارتی هستند. همچنین امواج فرابنفش نور که از شیشه عبور میکند باعث بیماریهای پوستی و رنگرفتگی وسایل داخل ساختمان میشود. امروزه با پیشرفت فناوری انواع زیادی از شیشهها در بازار موجود است که تمام آنها با اضافه کردن خصوصیات مختلف به شیشه تک جداره معمولی ساخته میشوند. در این راستا علاوه بر شیشههای تک جداره انواع دیگر شیشه مانند، شیشههای دوجداره، رفلکس، کم گسیل و… وجود دارند [1].
تبدیل شیشه معمولی به شیشه رفلکس برای کاهش دید ساختمانهای بلند و آپارتمانی صورت میگیرد. علاوه بر این برای زیباتر نشان دادن نمای بیرونی و بهره بردن از مزایای این شیشه در کاهش مصرف انرژی در انواع ساختمانها از شیشه رفلکس استفاده میشود. برای تبدیل شیشه معمولی به شیشه رفلکس، یک لایهنازک آلومینیومی به یک طرف شیشه چسبانده میشود. نازک بودن این لایه باعث میشود تا نور کمی از شیشه عبور کند.
شیشه دوجداره در واقع قابی است که از دو یا چندلایه شیشه موازی هم تشکیل شده است. بین دو شیشه فاصلهای چند میلیمتری قرار دارد. این فضای خالی معمولاً با هوای خشک یا گازی بیاثر مانند گاز آرگون پر میشود. این فضای پر شده از گاز، اجازه همرفت انرژی را نمیدهد و شیشه مانند یک عایق بین محیط داخلی و خارجی عمل میکند؛ بنابراین استفاده از این شیشهها تأثیر بهسزایی در کاهش مصرف انرژی دارد [2].
شکل 1- نمایی از a) شیشه رفلکس و b) شماتیک شیشه دوجداره.
جدیدترین نسل شیشههای نانوساختار به عنوان شیشههای کمگسیل (Low E[1]) معروف شدهاند. در این شیشهها از نانوذرات نقره به صورت پوشش استفاده میشود. قابلیت اصلی این شیشهها توانایی انتخاب طولموج عبوری از شیشه است. در این شیشه نور مرئی به راحتی به داخل انتقال مییابد و این موضوع باعث کاهش استفاده از نورهای مصنوعی در ساختمان میشود. اصول کار این نوع شیشهها بر مبنای بازتابش طیف خاصی از انرژی است که در روشنایی ساختمان تأثیری ندارد. به توانایی تابش یک ماده، گسیلندگی[2] میگویند. موادی که انعکاس بالایی دارند دارای گسیلندگی کم و مواد مات و تیره (با جذب بالا) گسیلندگی زیادی دارند [1].
شکل 2- هرچه سطح شیشهای ساختمان بیشتر باشد استفاده از شیشههای نانوساختار Low-E اهمیت بیشتری پیدا میکند.
سه طیف پر شدت نور خورشید شامل امواج فرابنفش، مرئی و فروسرخ است. نور فرابنفش با طولموج کمتر و انرژی بیشتر برای پوست و چشم انسان مضر است و باعث رنگ پریدگی اجسام نیز میشود. این طیف در طولموجهای بین 300 تا 380 نانومتر قرار دارد. نور مرئی که رنگها را در خود دارد با طولموج بین 380 تا 780 نانومتر توسط چشم انسان شناسایی میشود. نور مادونقرمز با طولموج بیشتر از 780 نانومتر باعث انتقال حرارت میشود.
شکل 3- طیفهای پرشدت نور خورشید
حرارت از شی با دمای بالا مانند خورشید به صورت امواج مادونقرمز ساطع میشود. پوشش کمگسیل در شیشههای Low-E از عبور بخش زیادی از اشعه و امواج گرمازای مادونقرمز از شیشه جلوگیری میکند. این کار بدون کاهش در شدت امواج نور مرئی صورت میگیرد. زمانی که تابش خورشید به سطح شیشه کمگسیل میرسد، طیف امواج مرئی از آن عبور کرده و امواج مادونقرمز و فرابنفش بازتاب میشوند (شکل 4)[1].
شکل 4- رفتار نور در برخورد با شیشه کمگسیل
انتقال حرارت از درون شیشه به سه صورت تابش، همرفت و رسانش اتفاق میافتد. عمده انتقال ضریب گسیل یک سطح بین 0 و 1 است. شیشه شفاف بدون پوشش دارای ضریب گسیل تقریباً 84/0 و یک شیشه با پوشش کمگسیل دارای ضریب گسیل پایین تقریباً 02/0 است. پوشش نانومتری روی سطح شیشههای Low-E میتواند طیف تابش خورشیدی در طولموجهای مادونقرمز و بیشتر از آن را منعکس کند. در فصل زمستان که تمایل انتقال حرارت از داخل ساختمان به سمت محیط سرد بیرون است، این شیشهها گرما را به درون منعکس میکنند و در فصل تابستان حرارت بیرون از ساختمان نمیتواند به داخل را یابد؛ بنابراین با استفاده از شیشههای کمگسیل مقدار اتلاف انرژی در زمستان و تابستان کم میشود. پوشش شیشههای کمگسیل مواد با ضریب گسیل کمنظیر نقره هستند [2].
شیشههای کم گسیل به دو نوع پوششهای انفعالی و پوششهای کنترل تابشی تقسیمبندی میشوند. شیشههای کمگسیل انفعالی برای مناطق سردسیر مناسب هستند، زیرا بخشی از تابش با طولموجهای کم را از خود عبور میدهند اما پوششهای کمگسیل کنترل تابشی ضریب گسیل بسیار پایینتری دارند و برای مناطق با آبوهوای گرم مناسب هستند. ایجاد این دو نوع پوشش در شیشههای دوجداره و سه جداره بر روی سطوح مختلفی امکانپذیر است.
در شیشههای دوجداره 4 سطح وجود دارد: اولین سطح، لایه بیرونی است که خاصیت کمگسیل ندارد. سطحهای دوم و سوم که داخل پنجره دوجداره بوده و با هوا یا گازهای خنثی جدا شدهاند و چهارمین سطح داخل قرار دارد [3-4].
شکل 5- انواع لایهها در شیشههای کم گسیل
شکل 6 محل قرارگیری پوشش کنترل تابشی را در دو نوع دوجداره و سه جداره نشان میدهد. در قسمت الف پوشش روی قسمت داخلی شیشه (سطح دوم) است. اضافه کردن گاز آرگون یا یک لایه دوم پوشش کم گسیل بر روی سطح چهار موجب بهبود عملکرد شیشه میشود. در شیشه سه جداره پوشش بر روی سطوح دوم و چهارم است.
شکل 6- محل قرارگیری پوشش کمگسیل کنترل تابشی برای شیشه (الف) دوجداره و (ب) سه جداره
شکل 7 محل قرارگیری پوشش کمگسیل انفعالی را در پنجرههای دو و سه جداره نشان میدهد. در این حالت سطح پوشش روی قسمت داخلی شیشه (سطح سوم) به سمت داخل ساختمان است. همانند پوشش کمگسیل کنترل تابشی، اضافه کردن گاز آرگون یا یک پوشش کمگسیل ثانویه روی سطح چهارم، عملکرد این شیشه را بهبود میبخشد. همچنین برای شیشههای سه جداره، پوشش کمگسیل انفعالی بر روی سطح داخلی شیشهها است. اضافه کردن گاز آرگون یا پوشش سوم کمگسیل بر روی سطح ششم تأثیر بهسزایی بر عملکرد این شیشه ندارد. البته یکی از حالات پوششدهی مرسوم، استفاده از سطوح 2 و 3 است که در این حالت بیشترین راندمان به دست نمیآید [3].
شکل 7- محل قرارگیری پوشش کمگسیل انفعالی برای شیشههای (الف) دوجداره، (ب) سه جداره [3].
شاخصهایی که برای اندازهگیری میزان تأثیر شیشههای Low-E وجود دارد شامل:
1-ضریب انتقال حرارت (U-Value): مشخصکننده میزان عبور گرما از پنجره است.
2- ضریب نور قابلرؤیت VLT[3]: نشاندهنده میزان عبور نور مرئی به داخل است.
3- ضریب SHGC[4]: کسری از تابش خورشید که از شیشه عبور میکند.
4- ضریب LSG[5] ( ): با افزایش این شاخص روشنایی داخل ساختمان بدون بالا رفتن حرارت بیشتر میشود [3].
جدول 1 نشاندهنده شاخصههای سه نوع مختلف از شیشههای Low-E موجود در بازارهای بینالمللی است. شیشههای کمگسیل Low-Eنانوساختار تولید شده به راحتی امکان اجرا روی پروفیلهای رایج پنجرههای دوجداره را دارا بوده و نیازی به طراحی پروفیلهای جدید وجود ندارد.
جدول 1- مقایسه بین شیشههای کمگسیل بر اساس شاخصهای تعریف شده [3]
| LSG | SHGC | VLT | U-Value | نام تجاری | |
| 25/1-09/1 | 66/0-45/. | 74%-54% | 37/.-33/. | Pyrolytic | |
| 98/1-76/1 | 39/.-28/. | 70%-53% | 29/0-29/. | Double-Silver MSVD
(HighVLT/Low Reflectance) |
|
| 37/2-17/2 | 30/.-27/. | 61% | 29/0-28/. | Triple-Silver MSVD
(HighVLT/Low Reflectance) |
|
برای مقایسه کاربرد شیشههای نانوساختار Low-E با شیشههای غیرنانوساختار میتوان شرایط کاری در حالت دوجداره بودن برای هر دو نوع شیشه نانوساختار و غیرنانوساختار را (برای یک ساختمان 5 طبقه با 20 مترمربع مساحت پنجره) بررسی کرد و فواید اقتصادی استفاده از شیشههای نانوساختار Low-E را تجزیهوتحلیل کرد. مبانی و مفروضات این تحلیل به صورت زیر است:
1- در محاسبات صورت گرفته فقط یک حالت ساده که شامل خروج هوای گرم ساختمان از طریق پنجرهها است در نظر گرفته شده است.
2- فرض میشود که در یک سال 2000 ساعت تفاوت دمای بیرون و داخل ساختمانی پنج طبقه با 20 مترمربع پنجره به 15 درجه سانتیگراد برسد که از این مقدار 1000 ساعت در فصل گرم سال و 1000 ساعت در فصل سرد است.
3- ضریب انتقال حرارت برحسب W/m2K برای شیشه غیرنانوساختار 2/3 و برای شیشه نانوساختار Low-E برابر 1/1 در نظر گرفته شده است.
4- مقدار شار حرارتی در سطح شیشه در واحد زمان بر حسب W/m2 برای شیشه غیرنانوساختار 48000 و برای شیشه نانوساختار Low-E برابر 16500 در نظر گرفته شده است.
5- مقدار انرژی خارج شده از شیشهها در هر ساعت بر حسب KJ/h برای شیشه غیر نانوساختار برابر 172800 و برای شیشه نانوساختار Low-E 59400 در نظر گرفته شده است.
6- قیمت هر مترمربع شیشه دوجداره ساده 250 هزار تومان و هر مترمربع شیشه دوجداره نانوساختار Low-E قراقبر 400 هزار تومان در نظر گرفته شده است.
در جدول 2 محاسبه پارامتر درصد حجمی بهینه شده با استفاده از رابطه 1 امکانپذیر است.
رابطه 1:
که در آن Pi درصد حجمی بهینه شده، CW هزینه مورد بررسی بدون فناوری نانو، CN هزینه مورد بررسی با استفاده از فناوری نانو و Ct کل هزینهها بدون استفاده از فناوری نانو است.
مثلاً در بررسی درصد حجمی مصرف انرژی خواهیم داشت:
Pi= =69.54%
جدول 2- بررسی هزینه فایده استفاده از شیشههای دوجداره ساده و شیشههای نانوساختار Low-E
| هزینه 10 سال مصرف انرژی | مقدار | قیمت هر ساعت
(تومان) |
قیمت کل
(تومان) |
جمع هزینه کرد (تومان) | درصد حجمی بهینه شده | ||
| استفاده از شیشه دوجداره ساده | هزینه شیشه دوجداره | 20 مترمربع | 250,000 | 5,000,000 | 22,513,000 | خرید شیشه | مصرف انرژی |
| مصرف سالیانه 1000 ساعت انرژی فصل سرد | 10 سال | 768,800 | 7,688,000 | ||||
| مصرف انرژی سالیانه 1000 ساعت خنک کردن در فصل گرم سال | 10 سال | 982,500 | 9,825,000 | ||||
| استفاده از شیشه دوجداره Low-E | هزینه شیشه دوجداره | 20 | 400,000 | 8,000,000 | 13,363,500 | 5%/37- | 69% |
| مصرف سالیانه 1000 ساعت انرژی فصل سرد | 10 سال | 198,600 | 1,986,000 | ||||
| مصرف انرژی سالیانه 1000 ساعت خنک کردن در فصل گرم سال | 10 سال | 337,750 | 3,377,500 | ||||
| اختلاف قیمت | 9,149,500 | 64%/40 | |||||
طبق جدول 2 میتوان دریافت که هزینه صرفهجویی شده در صورت استفاده از شیشههای نانوساختار Low-E در ده سال قابل ملاحظه بوده و میتوان نتیجه گرفت استفاده از شیشههای نانوساختار Low-E دارای توجیه اقتصادی است. البته با توجه به قیمت بالای شیشه نانویی نسبت به غیرنانویی (غیرنانویی هر متر 250 هزار تومان و نانویی هر متر 400 هزار تومان) در یک ساختمان در ابتدای امر هزینه بیشتری انجام میشود اما طبق جدول 2 میزان مصرف انرژی در یک سال به میزان 69% کاهش داشته که این میزان برای 1000 ساعت سالیانه برابر:
=(هزینههای انرژی سالانه شیشه نانوساختار)-(هزینههای انرژی شیشه غیرنانویی)
(768800+982500)-(198600+337750)=1214950
از آنجایی که اختلاف قیمت شیشههای نانویی و غیرنانویی برای هر مترمربع برابر 8-5=3 میلیون تومان است میتوان نتیجه گرفت دوره بازگشت سرمایه برابر 5/2= است که اگر نرخ تنزیل ارزش پول را 25% در نظر بگیریم میتوان گفت دوره بازگشت سرمایه 5/4 سال است؛ بنابراین میتوان انتظار داشت بعد از 5 سال استفاده از شیشههای نانوساختار به سوددهی رسیده باشد و بعد از 10 سال میزان این سود به مقدار قابلتوجهی میرسد. طبق جدول 2 درصد حجمی بهینه شده برای خرید شیشه برابر %5/37- است که در صورتی که فروشندگان شیشههای نانوساختار با قیمت کمتری نسبت به شیشههای ساده در بازار به فروش برسانند توجیه اقتصادی آن بسیار بیشتر هم خواهد شد. ضمناً در انجام محاسبات فوق موارد جانبی نظیر افزایش احتمالی قیمت سوخت مصرفی و افزایش تفاوت دمایی بین دو سطح شیشه Low-E (بیشتر از 15 درجه سانتیگراد) نیز میتواند اتفاق بیفتد که این امر باعث توجیه اقتصادی هرچه بیشتر استفاده از شیشههای نانوساختار Low-E میشود. این توجیه اقتصادی در سالهای بعد از 10 نیز روند رو به رشد دارد.
استفاده از این شیشهها در تمامی ساختمانهای مسکونی، تجاری، سولههای صنعتی، هتلها، بیمارستانها، فرودگاهها و کلیه سازههایی که دارای سطح وسیعی از شیشه هستند و همچنین کاربردهای خودرویی توصیه میشود. هرقدر مساحت شیشههای سازه بیشتر شود توجیه اقتصادی شیشههای نانوساختار Low-E بیشتر میشود.
در صورتی که اختلاف قیمت در صورت استفاده از فناوری نانو را (9,149,500) بخش بر هزینه سالانه فرضی کنیم (337,750+198,600) به این نتیجه میرسیم که در صورت استفاده از فناوری نانو هزینه مصرف انرژی 17 سال در یک ساختمان صرفهجویی میشود. ضمناً با نانویی کردن شیشههای 1000 ساختمان یک شهر میتوان بدون صرف هزینهای، مساحتی به اندازه 4.5 زمین فوتبال را با شیشههای دوجداره نانوساختار Low-E پوشاند.
شرکتهای ایرانی فعال در زمینه ساخت شیشههای نانوساختار Low-E
1- گروه صنعتی شیشه کاوه
برند: شیشه کنترلکننده انرژی اکواستار
دفتر مرکزی: ایران، تهران، انتهای اتوبان صیاد شیرازی شمال، بلوار شهید مژدی (اوشان)، پلاک ۴، ساختمان کاوه
آدرس کارخانه: استان مرکزی، ساوه، شهر صنعتی کاوه
وبسایت: www.kavehglass.com
تلفن: 982129100+ – 982129490+
.
مراجع:
[1] J.J. Finely” Heat treatment and bending of low-E glass” Thin Solid Films, Volume 351, Issues 1–2, 30 August 1999, Pages 264-273.
[2] https://paper.nano.ir/1/4885.
[3]https://nanoeducation.ir/article-detail/%D8%B4%DB%8C%D8%B4%D9%87/aEN1ZGREK0E1UWdTZkQ4MG5DY2RSdz09/
[1] Low Emissivity
[2] Emissivity
[3] Visible Light Transmittance
[4] Solar Heat Gain Coefficient
[5] Light Solar Gain
————————————————–
تهیه و تنظیم:
- سروش صحرائیان
- محمدحسن قناعتیان
بخش ترویج صنعتی ستاد توسعه فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید]
[همچنین برای دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
