بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان
پنجره دوجداره UPVC
مباحث انرژی مصرفی در ساختمانها و کیفیت هوای داخل آنها جزء جدیدترین موضوعات جهت بررسی در بخش تحقیقاتی ساختمان و محیط زیست است. امروزه محیط زیست، صرفه جویی در مصرف انرژی های فسیلی و توسعه ی پایدار به مباحث بسیار مهم و رایج در سطح بین الملی تبدیل شده است. باتوجه به تاثیرقابل توجه پنجره ها در میزان مصرف انرژی در ساختمان، الزام است راهکارهایی را که می تواند باعث کاهش مصرف انرژی از طریق پنجره های دوجداره گردد مورد بررسی قرار داد. در این مطالعه انتقال حرارت توسط تشعشع، جابجایی و هدایت برای پنجره های معمولی با شیشه های تك جداره و پنجره های دوجداره مورد بررسی قرار گرفته و تاثیر میزان صرفه جویی در منابع انرژی (گاز، نفت، نفت سفید و…..) با استفاده از جایگزینی پنجرههای دوجداره به جای تك جداره محاسبه گردیده است. پنجره یکی از عوامل مهم در تولید بار سرمایشی و گرمایشی یك ساختمان میباشد. به منظور کاهش اتالفات حرارتی ساختمانها میتوان از پنجرههای دو جداره استفاده نمود. انرژی انتقالی توسط پنجره از نوع انتقال هدایتی، تشعشعی و وزشی و نفوذ هوای خارجی میباشد. روشهای جدید ساخت پنجره از اتلالف انرژی بی مورد ساختمان جلوگیری مینماید. استفاده از پنجره دوجداره مرغوب در صرفه جویی سوخت مصرفی موثر است و باعث صرفه جویی در مصرف وسایل گرمایشی نیز میشود.
مقدمه
صرفه جویی در مصرف انرژی یکی از چالش های مهم جهان امروز است.با افزایش روز افزون بهای انرژی در سطح جهان و آلودگیهای ناشی از مصرف بی حد انواع سوختهای فسیلی که امروزه به عنوان یك خطر جدی محیط زیست محسوب میشود نیاز به بهینه سازی مصرف انرژی احساس می شود. از سوی دیگر سهم بخش ساختمان در مصرف انرژی کشورها قابل توجه است، و به همین دلیل، در چند دهه اخیر، در اکثر کشورهای صنعتی، اقدامات اساسی در زمینه اصالح الگوی مصرف، با استفاده از ابزارهای مختلف از جمله تدوین مقررات و ضوابط، صورت گرفته است. مصرف انزرژی در بخش ساختمان، بخش بزرگی از مصرف انرژی را شامل میشود. یکی از راههای صرفه جویی آن عایقکاری صحیح و استفاده از شیشه های مناسب است. تجربه کشورهای صنعتی به روشنی لازمه تدوین ضوابط و مقررات منطبق با شرایط موجود در هر کشور را آشکار میسازد. در همین راستا، در سال 1331 ، اولین ویرایش مبحث 11 مقررات ملی ساختمان، تحت عنوان صرفه جویی در مصرف انرژی تدوین گردید که بخش اعظم آن ضوابط طراحی عایق کاری حرارتی پوستة خارجی ساختمان بود. با توجه به بالا بودن سهم قابل توجه مصرف نهایی انرژی در بخش خانگی در ایران، محاسبه دقیق بارهای حرارتی و برودتی یك ساختمان از طریق پنجره ها و تجزیه و تحلیل بارها و تلاش در جهت کاهش اتلالف انرژی از طریق آن از جمله راههای موثر در کاهش مصرف انرژی سیستمهای گرمایش و سرمایش ساختمانها می باشد.
کلمات کلیدی: پنجره دوجداره UPVC، اتلالف حرارت، بهینه سازی انرژی، بار سرمایش و گرمایش
پنجره
پنجره متشکل از یك چارچوب فلزی، چوبی یا پلاستیك همراه با شیشه داخل آن در ساختمانها نصب میگردد. پنجرهها که در حقیقت جزء جدا نشدنی هر ساختمانی میباشند، در انتقال حرارت هدایتی و تشعشعی نقش بسزاری را در هر مجموعزه ساختمانی دارند.. برای تعریف پنجره لازم است که ابتدا دیوار تعریف شود. دیوار جداکننده دو محیط مختلف با درجات حرارت و وضعیتهای متفاوت میباشد. پنجره در حقیقت یك نوع بازشو در دیوار است که قاب آن میتواند فلز، چوب و یا پی وی سی باشد و داخل قاب نیز یك لایه، دولایه و یا سه لایه شیشه قرار میگیرد. نکته مهم در استفاده از پنجره انتقال نور در حد شفافیت آن همراه با صرفه جویی در انتقال حرارت محیط خارج و داخل و همچنین زیباری آن است. پنجرهها عمدتا با ضریب انتقال حرارت اکتسابی آنها و مقدار نفوذ هوا از درزها مشخص میشوند. سایر مشخصات پنجرهها از جمله جنس قاب و ساخت آن نیز در مرغوبیت پنجره مهم میباشد. نقش پنجره در بار سرمایشی به مراتب بیشتر از بار گرمایشی است چون در بار گرمایشی انتقال حرارت توسط پنجره صرفا از نوع انتقال هدایتی است در صورتیکه در بار سرمایشی انتقال حرارت علاوه بر نوع هدایتی آن شامل انتقال تشعشعی نیز میشود. به همین جهت تمهیدات لازم جهت افزایش مرغوبیت پنجرهها از دید صرفه جویی انرژی عمدتا حول مسائل مربوط به انتقال بارهای سرمایشی است. هرچند که پنجرههای بسیار جدید قادرند که با تغییر وضعیت خود انرژی اکتسابی تشعشعی را در فصول سرد به داخل محیط زندگی انتقال و در نتیجه در انرژی مصرفی ساختمانها صرفه جویی به عمل آورند. به طور کلی پنجرهها به سه صورت یك جداره، دو جداره و سه جداره تولید میشوند. در کشورهای صنعتی پنجره دوجداره بیشترین مورد مصرف را دارد و در سایر کشورها عمدتا پنجرهها از نوع یك جداره میباشند.
انرژی سرمایشی و گرمایشی که از طریق پنجرههای واحدهای ساختمانی در ایالات متحده آمریکا هزینه میگردد حدود 21 میلیارد دلار در سال میباشد، که این رقم حدود 22 درصد هزینه گرم کردن و خنك کردن ساختمانها در ایالات متحده آمریکا میباشد. به منظور آگاهی هرچه بیشتر از نحوه عملکرد پنجره تولید بار حرارتی و سرمایشی ساختمان عملکرد یك لایه شیشه مطابق با توصیه انجمن مهندسان تاسیسات آمریکا شرح داده میشود. شکل 1 تبادل انرژی در یك لایه شیشه را نشان میدهد.
همانطور که در شکل بالا ملاحظه میگردد حرارت اکتسابی از تشعشع به طور کامل به محیط داخل منتقل نشده و قسمتی از آن به محیط خارج منعکس میشود. انتقال هدایتی و تشعشعی نیز براساس اختلاف درجات حرارت محیط خارج و داخل انجام میگیرد.
انواع پنجرهها
پنجرهها بطور کلی به دو دسته تك الایه و چند الایه تقسیم میشود. در این پنجرهها شیشه ها به صورت زیر میتواند قرار گیرد. گروه پنجرههای تك لایه عبارتند از
1- پنجره با شیشه یك لایه معمولی در حال حاضر از این شیشه ها به علت انتقال حرارت زیاد آن در کشورهای صنعتی و پیشرفته به ندرت استفاده میشود
2 – شیشه با پوشش مخصوص
3 – شیشه های جذب کننده حرارت )شیشه های رنگی
4 – شیشه های با پوشش منعکس کننده
شیشه های چند لایه شامل شیشه های دو لایه و سه لایه که به اصطلاح دو جداره و سه جداره نامیده میشوند. بین لایه های شیشه ها معمولا هوا و یا گاز آرگون قرار میگیرند. ضخامت فضای بین لایه ها از نظر ضریب انتقال حرارت بسیار مهم میباشد چون ضخامتهای بیشتر از 6/1 سانتیمتر وکمتر از 3/1 مقاومت کمتری نسبت به ضخامتهای بین 3/1 تا 6/1 سانتیمتر دارند.
عوامل اصلی انتخاب یك پنجره مناس ضری انتقال حرارت )ضری U )ضری کلی حرارت اکتسابی خورشید و قابلیت هدایت نور به داخل ساختمان میباشد. عوامل دیگری از جمله آب بندی قطعات پنجره که مانع ورود نفوذ هوا به داخل محیط ساختمان میگردد نیز در انتخاب پنجره مناس دخالت دارند. مقادیر ضری انتقال شیشه برای پنجرههای مختلف مطابق جدول 1 است.
شیشه های دو جداره شامل دولایه است که بین آنها از گاز آرگون پرشده است. لایه داخلی دارای پوشش با ضریب E بسیار پایین است. پوشش مخصوص باعث میشود که امواج تشعشعی مادون قرمز که عمدتا از طرف اجسام گرم به سرد حرکت میکند در فصل تابستان به خارج و در فصل زمستان به داخل منعکس شود. نتیجتا در مصرف انرژی ساختمان در فصول
شکل 2 :جزئیات پنجره دو جداره
نقش و سهم پنجرههای تك جداره در مصرف انرژی ساختمان
پنجرهها یکی از مهمترین عوامل گرم شدن و یا سرد شدن ساختمانها هستند. جهت و اندازه پنجرههای یك ساختمان تاثیر بسزائی در انرژی مصرفی ساختمانها دارد. تبادل حرارتی ناشی از نصب صحیح پنجرهها با هوای خارج یك ساختمان بزه شرح زیر میباشد
1 – تبادل حرارتی هوای خارج و داخل
تبادل حرارتی هوای خارج و داخل مطابق با فرمول زیر میباشد. در این حالت ضریب انتقال حرارت پنجره برای ضخامتها و لایه های مختلف مطابق جدول 2 است.
تبادل حرارتی ناشی از حرارت اکتسابی از نور خورشید تابش خورشید به اجزاء ساختمان از جمله سقف، دیوار و پنجره باعث گرم شدن پوسته ساختمان میشود و درنهایت این گرما به داخل ساختمان انتقال مییابد. هرچند میزان این گرمایش در زمستان در محاسزبات تاسیسزاتی منظزور نمیشزود ولزی در تابستان قسمت اعظم بار برودتی برای ساختمانهای مسکونی را تابش خورشید تشکیل میدهد. در جزذب حزرارت تشعشزعی
تبادل حرارتی ناشی از حرارت اکتسابی از نور خورشید
تابش خورشید به اجزاء ساختمان از جمله سقف، دیوار و پنجره باعث گرم شدن پوسته ساختمان میشود و درنهایت این گرما به داخل ساختمان انتقال مییابد. هرچند میزان این گرمایش در زمستان در محاسبات تاسیساتی منظور نمیشود ولی در تابستان قسمت اعظم بار برودتی برای ساختمانهای مسکونی را تابش خورشید تشکیل میدهد. در جذب حرارت تشعشعی خورشید، پنجره اساسیترین نقش را ایفاء میکند. حرارت اکتسابی خورشید براساس عرض جغرافیاری محل، جهت پنجره و نوع پنجره و ساعت پیك محاسبات تعیین میشود.
نقطه شبنم هوا در سطح دریا 3/11 درجه سانتیگراد است. البته شرایط فوق بندرت ممکن است روی دهد به همین جهت ضرایب تصحیح شرایط در پایین این جداول درج شده است و همچنین یك ضریب تصحیح دیگر نیز برای پنجرهها برحسب نوع شیشه، رنگ، کرکره و غیره وجود دارد.
حرارت اکتسابی از خورشید به طور کامل به بار حرارتی اتاق اضافه نمیشود بلکه قسمتی از آن که توسط اجزاء ساختمان جذب و ذخیره میشود به حساب میاید. این درصد که ضریب ذخیره نامیده میشود از طریق آزمایشات گوناگون در ساختمانهای مختلف محاسبه میگردد. ضری ذخیره بستگی به ظرفیت حرارتی مواد ساختمانی دارد و مقدار آن برابر است با حاصل ضرب وزن و گرمای ویژه آنها. نظر به اینکه ظرفیت حرارتی اکثر مواد ساختمانی حدود 2/1 بی تی یو/پوند است لذا ضریب ذخیره مستقیما با وزن مواد ساختمانی متناسب خواهد بود.
تبادل حرارتی ناشی از نفوذ هوای خارج به داخل از درز پنجرهها
در این وضعیت قسمتی از هوای خارج از طریق درز پنجرهها به داخل ساختمان نفوذ و یا برعکس قسمتی از هوای مطبوع داخل ساختمان از طریق درز پنجرهها به خارج از ساختمان دفع میشود. میزان نفوذ و دفع هوای ساختمان بستگی به سرعت باد در محیط خارج، درجه حرارت محیط خارج، فشار استاتیك محیط داخل و ارتفاع ساختمان و همچنین مرغوبیت پنجره دارد. نفوذ هوا به داخل ساختمان عمدتا در زمستان که سرعت باد بیشتر است اهمیت خاصی پیدا میکند.
اندازه گیری نفوذ هوا:
اندازه گیری نفوذ هوا از طریق روش آزمایشگاهی عبور گاز از میزان درهای پنجره ها و درها انجام میشود. نتایج بدست آمده با تعویض هوای فضای مورد نظر در ساعت سنجیده میشود. رقم تعویض هوای فضای مورد نیاز بین 2-2/1 بار در ساعت، با توجه به وضعیت پنجرهها و درها در نوسان است.
بدین ترتیب با معلوم بودن میزان عبور هوا از محیط خارج به داخل معادله انتقال حرارت برای نفوذ هوا به صورت ذیل خواهد بود
Q= ACxΔT xa
که در ٱن AC مقدار تعویض هوا در ساعت برحسب فوت مکعب در ساعت و a ضریب ارتفاع محل میباشد. ارزش مالی انرژی مصرفی گرمایشی کشور در مقام مقایسه با ارزش مالی انرژی مصرفی سرمایشی آن در حد 12 به 1 میباشد به همین جهت تاکید این مطالعه بر محور شناخت عوامل موثر در صرفه جویی انرژی مصرفی گرمایشی کشور میباشد هرچند انرژی سرمایشی نیز در این مطالعه به طور کلی مورد نظر قرار خواهد گرفت.
قاب پنجره و مسائل مربوط به آن در تئوری بهترین نوع شیشه از نظر انتقال حرارتی شیشه بدون قاب است که در حال حاضر امکانات ساخت اقتصادی آن وجود ندارد. هرچند که تکنولوژی ساخت قابهای پنجره هرروز در حال پیشرفت و تکامل است.
میزان نفوذ هوای خارج به داخل ساختمان از طریق درز قطعات پنجره به ویژه در زمستان بسیار قابل توجه است. به همزین جهت اهمیت کاهش نفوذ هوا به داخل ساختمان از طریق درزهای پنجره همانند پنجره از اهمیت خاصی برخوردار است. بطور کلی هوا از سه محل به داخل ساختمان نفوذ پیدا میکند
درز بین قطعات بازشو و ثابت پنجر
درز بین اتصال شیشه به پنجره
درز بین قطعات ثابت پنجره در اثر عدم مرغوبیت ساخت پنجره
عیوب فوق با نوارهای درزگیر مخصوص از الستیك و یا وینیل و یا ابر مخصوص قابل تصحیح بوده و آب بندی درزهای مربوطه که در حقیقت سهل ترین و ارزانترین وسیله جهت کاهش بار ناشی از انتقال حرارتی پنجره است میتواند به عنوان یك راهکار اساسی بالاخص جهت تقلیل بارهای گرمایشی در زمستان مورد توجه قرار گیرد.
انرژی قابل صرفه جویی در تهران
به طور کلی ساختمانهای بزرگ در دست ساخت که دارای سیستم حرارت مرکزی میباشند و استفاده از بخاری در ساختمانهای جدید عمالا در تهران منسوخ شده است. به همین جهت صرفه جویی در خرید دستگاههای گرمایشی برای ساختمانهای در درست ساخت که عمدتا دارای سیستم حرارت مرکزی و یا حزرارت و برودت مرکزی است در نظر گرفته میشود. در جدول 3 تلفات انرژی برای منطقه معتدل آمده است.
ساخت و سازهای آینده
جهت محاسبه این صرفه جویی در شهر تهران یك ساختمان 2 طبقه به عنوان نمونه در نظر گرفته میشود در این بخش اثرات استفاده از پنجرههای دوجداره برای یك ساختمان تیپ در پنج طبقه (طبقه 2 ،طبقه 4 و………) برای سه منطقه اقلیمی معتدل، سردسیر و گرمسیر محاسبه گردیده است.
نظر به اینکه ضریب انتقال شیشه های دوجداره ساده 32 درصد کمتر از شیشه تك جداره ساده میباشد (ضریب انتقال شیشه تك جداره ساده 1 و دو جداره 62/1 بی تی یو بر ساعت. فوت مربع. درجه فارنهایت میباشد.( لذا انرژی صرفه جویی شده ناشی از جایگزینی شیشه تك جداره با پنجره دو جداره طبق جدول 4 خواهد بود.
قاب پنجره مانند شیشه در صرفه جویی تلفات انرژی گرمایشی نقش مهمی را ایفا میکند. قاب مرغوب ساخت کارخانجات پنجره سازی میتواند تا حدود 21 الی 61 درصد از میزان نفوذ هوای سرد به داخل ساختمان را کاهش دهند. به همین جهت همانند جدول کاهش مصرف پنجره دو جداره، کاهش مصرف پنجره های مرغوب جهت جایگزینی پنجرههای نامرغوب موجود در بازار در جدول5 آمده است.
نظر به اینکه با تعبیه پنجره مرغوب شامل درزگیرهای مناسب و همچنین اتصالات آب بندی شده میزان نفوذ هوا تا حد 21 درصد قابل کاهش میباشد لذا میزان بار حرارتی صرفه جویی شده با استفاده از پنجرههای مرغوب در جدول 6 نشان داده شده است.
بدین ترتیب میزان انرژی صرفه جویی شده در سال به ازاء یك مترمربع زیر بنای ساختمان نمونه در منطقه معتدل (تفاوت درجه حرارت خارج و داخل به میزان 22 درجه فارنهایت برابر با 21 درجه سانتیگراد و تعداد روزهای سرد 162 روز)برابر است با: پنجره دو جداره 26711 بی تی یو در سال قاب پنجره مرغوب 73311 بی تی یو در سال جمع 141111 بی تی یو در سال
مناطق سردسیر: در مناطق سردسیر اختلاف درجه حرارت داخل و خارج به میزان 32 درجه سانتیگراد برابر با 63 درجه فارنهایت و تعداد روزهای سرد برابر با 211 روز فرض میشود. در این حالت میزان انرژی صرفه جویی که نسبت مستقیم با انرژی صرفه جویی شده در مناطق معتدل دارد به شرح زیر خواهد بود.
مناطق گرمسیر: در مناطق گرمسیر اختلاف درجه حرارت هوای داخل و خارج برابر با 11 درجزه سانتیگراد و تعداد روزهای سرد برابر با 11 روز در نظر گرفته میشود. در این حالت انرژی صرفه جویی شده در این مناطق برابر است با:
از جداول بالا میتوان نتیجه گرفت که تجهیزات ساختمان واقع در مناطق سردسیر و معتدل به پنجزه مرغوب و پنجره دوجداره از نظر انرژی حرارتی اولویت چشمگیری نسبت به ساختمانهای واقع در مناطق گرمسیری دارد ولی این نکته را باید متذکر شد که هرچند انرژی صرفه جویی شده گرمایشی در مناطق سردسیر نسبت به مناطق سردسیر و معتدل بسیار پایین است ولی با تجهیز این ساختمانها با پنجره های دو جداره تلفات انرژی سرمایشی ساختمانهای این مناطق که بسیار چشمگیر میباشد نیز کاهش مییابد.
حال که میزان صرفه جویی انرژی به ازاء یك مترمربع زیربنای ساختمان نمونه برای اقلیمهای سه گانه کشور تعیین شده است 11 شهر بزرگ کشور که در اقلیمهای مختلف قرار میگیرند مورد بررسی قرار میگیرند.
منطقه معتدل: شهرهای تهران، اصفهان، مشهد، کرمان و ساری
منطقه سردسیر: شهرهای تبریز، اراك و همدان
منطقه گرمسیر: شهرهای اهواز و بندرعباس
انرژی قابل صرفه جویی در شهرهای معتدل
تهران: ساختمان نمونه در تهران همان ساختمان نمونه میباشد. تعداد طبقات این ساختمان 2 طبقه بالای پارکینگ و جمع متراژ مفید آن 1211 مترمربع میباشد.
مطابق با آمار محاسبه شده، مساحت ساختمانهای تکمیل شده در تهران در سال 1331 برابر با 2/11 میلیون مترمربع بوده است. چنانچه این روند در سالهای آتی بدون تغییر ادامه یابد انرژی سالیانه قابل صرفه جویی در قسمت پنجزره به شرح زیر محاسبه میشود: میزان انرژی قابل صرفه جویی شده در تهران بابت پنجره دو جداره: 1 بی تی یو در سال
نتیجه گیری
در این مقاله ابتدا به مقایسه عملکرد پنجره های معمولی تك جداره و پنجره های دو جداره در اتزلاف انزرژی ساختمان های مسکونی پرداخته شد که نتایج حاکی از کاهش 42 درصدی اتلاف انرژی در صورت استفاده از پنجزره زای دو جداره بود. سپس به بهینه سازی پارامترهای پنجره های دو جداره برای دستیابی به علکرد بهینه این پنجره ها پرداخته شد که بهترین حالت مربوط به پنجره دو جداره UPVCاست.
بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان