بخشی از مقاله
چکیده
کاربرد مواد تغییر فاز دهنده - Phase Change Materials - دامنه وسیعی را در بر می گیرد. همچون کاربرد در صنعت پارچه لباس، وسایل موتوری، صفحات بیرونی، پارتیشن ها و نیز سیستم های سرماساز و مولد گرما. در زمینه معماری نیز تولیدات مرتبطی اغلب با هدف بهره برداری غیرفعال از انرژی های طبیعی در اجزای دیوار و سقف در حال شکل گیری است. دیوارهای حجیم و صلب در ساختمان های قدیمی نقش زیادی را در ذخیره گرمایی ایجاد می کردند و برای مثال دمای اتاق را در فصل تابستان برای مدت طولانی در حالت آسایش نگه می داشتند. اما متاسفانه ساختمان های امروزی فاقد چنین ساختار ذخیره کننده گرمایی هستند.
یکی از روش های کلیدی برای بهبود عملکرد ذخیره سازی انرژی استفاده از مواد و عناصر پیشرفته در پوشش ساختمان است. دیوارهای خارجی متراکم با ویژگی عایق حرارتی بالا و عناصر جاذب و نگه دارنده گرما می تواند از طریق ترکیب هوشمندانه تولیدات با قابلیت ذخیره گرمای نهان بر پایه PCMها ساخته شود. هدف افزایش خواص دینامیکی سیستم های شیشه ای و بالا بردن توانایی آنها در بهره برداری از انرژی خورشیدی به عنوان یک ویژگی حیاتی در ساختمان های با مصرف انرژی حداقل است.
شیشه های با تکنولوژی بالا و خاصیت ذخیره گرمایی بر پایه مصالح تغییرفاز دهنده یک سیستم غیرفعال خورشیدی هستند که بوسیله ذوب لایه PCM آنها در اثر تابش خورشید در اوقات روز، توانایی ذخیره حرارتی آنها افزایش یافته و این گرما را در شب هنگام که دما افت می کند بوسیله عمل کریستالسازی و تغییر فاز از حالت مایع به جامد به منظور ایجاد تعادل دمایی، به فضای داخلی پس می دهند. این سیستم علاوه بر خاصیت ذخیره بالای انرژی خورشیدی، ویژگی های توام همچون عایق حرارتی نورگذر، محافظت از افزایش بیش از حد دما را دارا می باشد که با استفاده از لایه بیرونی منشوری آن و لایه های شیشه ای داخلی حاصل می شود. این سیستم را می توان در همه ساختمان ها و جبهه های مختلف آن مشروط بر اینکه برای آنها بازشو تعبیه شده باشد استفاده نمود.
در این مقاله ضمن بیان نیاز دنیای امروز به افزایش بهره وری از انرژی های طبیعی، به تعریف و بیان کاربردهای مواد تغییر فاز دهنده پرداخته و با استفاده خلاقانه از خصوصیات ویزه آنها سیستم شیشه ای جدیدی را معرفی کرده، سپس اساس کار آن و همچنین فواید آن را نسبت به شیشه های معمولی ذکر می کنیم و این نتیجه حاصل می گردد که استفاده از این سیستم وابستگی به سیستم های HVAC را کاهش داده و هزینه های مصرف انرژی را به طور قابل ملاحظه ای کاهش می دهد. ضمن اینکه تغییر فاز مصالح، به سرعت بر جلوه و ظاهر ساختمان - در نتیجه زیبایی و عملکرد هم که جزئی تفکیک ناپذیر از آن هستند - تاثیر مثبتی خواهد گذاشت.
مقدمه
در پی پیشرفت های صنعتی در عصر حاضر و با ظهور معماری مدرن، طراحی، بدون توجه به بستر قرارگیری ساختمان و انرژی های طبیعی و در پناه استفاده روز افزون از تاسیسات مکانیکی رواج یافت و به این ترتیب استفاده بی رویه و نامناسب از سوخت های فسیلی، آلودگی شهرها و صدمات جبران ناپذیر به محیط زیست را به همراه داشته است. لذا پس از بحران نفتی سال 1973 میلادی، کشورهای صنعتی کوشیدند تا با اقدامات مناسب، مصرف سوخت بخش های مختلف خود را کاهش دهند و استفاده منطقی از انرژی و بهینه سازی مصرف را از مسائل عمده خود به حساب آورند. در کشور ما نیز براساس ترازنامه انرژی سال 1386 معاونت امور برق و انرژی وزارت نیرو، نرخ رشد سالانه مصرف انرژی در ایران حدود سه برابر سایر کشورهای جهان است.
همچنین طبق آمار ترازنامه وزارت مذکور در سال های 1380 تا 1387، بالاترین درصد انرژی کشور - بیش از 37 درصد - در بخش خانگی و تجاری مصرف شده است. در این بخش گرمایش و سرمایش سهم عمده ای در سوخت مصرفی دارد. لذا توجه ویژه به به کنترل مصرف سوخت های فسیلی در ایران و نیز توجه به نحوه ساخت بناهایی با حداقل نیاز به انرژی حاصل از سوخت های فسیلی، امری حیاتی بوده و نیازمند چالش جدیدی در میان معماران و طراحان است - صاهباز، 1392، . - 3
از آنجا که ساختمان ها بخش قابل توجهی از کل انرژی تولید شده در کشور را به خود اختصاص می دهند، حوزه محیطی معماری پایدار - تقلیل مصرف منابع تجدیدناپذیر و بهینه سازی مصرف انرژی های تجدیدپذیر - ، اهمیت بسزایی در در توسعه پایدار کشور دارد. از طرف دیگر با توجه به اهمیت پوسته های ساختمان در کنترل تبادل حرارتی بین درون و بیرون بنا، مصالح بکار رفته در آنها دارای اهمیت بسیار زیادی در ایجاد شرایط آسایش حرارتی در ساختمان می باشد.
بر این اساس یکی از مهمترین راهکارها در جهت دستیابی به معماری پایدار محیطی، شناخت فناوری های نوین و مزایای استفاده از آنها به منظور بکارگیری مواد و مصالحی است که موجب کاهش مصرف انرژی و همچنین تامین آسایش مطلوب برای ساکنان ساختمان گردد - باغستانی و قدوسی فر، 1392، . - 1 شفافیت، نماهای شیشه ای و نوسانات دمایی در داخل ساختمان از تحولاتی که اخیرا در تفکر طراحی، ساخت و زندگی در ساختمان ها صورت گرفته، کمرنگ شدن نقش دیواره های نما و تغییر مفهوم فضای داخلی و خارجی است. طراحان برای افزایش همزیستی و قرابت با محیط اطراف، سعی می کنند که هرگونه موانع بصری را از میان بردارند و بخش گسترده تری از طبیعت پیش رو را قابل رویت سازند.
اصلی ترین مانع، دیوار است که هرگونه ارتباط حسی و بصری را مختل می کند. در معماری مدرن، پس از تفکر در باب پلان های آزاد و حذف موانع، دیوار اصلاح شده و پنچره جداکننده شفاف جای آن را گرفته است. بکارگیری شیشه راهکاری است که رویای خلق فضای شفاف را به واقعیت نزدیک می کند. خلق فضایی با دیوارهای شیشه ای، کیفیتی فضایی را ایجاد می کند که در ضمن برخورداری از فضاهای ایزوله، پیوستگی بصری فضا حفظ می شود.
شیشه با داشتن مزایایی چون شفافیت بالا برای عبور بیشترین نور آفتاب در طول روز، ایجاد منظر وسیع و همچنین به علت سازگاری با طبیعت، متریالی مناسب برای خلق معماری ظریف و با شکوه است - فصلنامه هنر معماری، 1391، . - 96 در مقایسه با سایر متریال های نما، شیشه جزو مصالح دوستدار محیط زیست محسوب می شود که کمترین آسیب بصری را به محیط وارد می کند، در عین حال چالش برانگیزترین عناصر بناهای با نماهای شیشه ای نیز هستند - ناصری و ناصری، 1392 ، . - 3 با اینکه اجزای پوششی نورگذر و شفاف ضعیف ترین بخش سیستم ساختمانی را ارائه می دهد، نماهای شیشه ای بصورت گسترده ای با پوشش های بناهای تجاری و اداری وفق داده شده و این درحالی است که هنوز مسئله افزایش دما و گرمای خارج از محدوده آسایش به دنبال آن رخ می دهد.
اصلی ترین سیاست طراحی ساختمان با هدف کاهش مصرف و اتلاف انرژی، مقابله در برابر نوسانات شدید دمایی محیط پیرامون ساختمان در فصول مختلف سال است. این ساختمان بایستی دارای این قابلیت باشد که بتواند از نفوذ گرمای تابستان به داخل و از خروج گرمای داخل به خارج در فصل زمستان که عموما و در مقدار وسیع در محل بازشو ها و پنجره ها صورت می گیرد، جلوگیری نماید. از این طریق، با کاهش نوسانات داخلی دما می توان آسایش نسبی را برای ساکنین ساختمان فراهم نمود.
ما در محیطی دینامیکی زندگی می کنیم که فصل به فصل، روز به روز و ساعت به ساعت تغییر می کند. پوشش سنتی ساختمان جوابگوی مناسبی برای تغییرات چهارفصل محیط نیست. استفاده از مصالح هوشمند و با تکنولوژی بالا، راهگشایی برای خلق معماری سازگار با محیط زندگی انسان است. با استفاده از فناوری های نوین، قانون های طراحی معماری تغییر می یابد و طراحان می توانند به هر وسعتی که می خواهند از شیشه در پوسته خارجی ساختمان بهره گیرند - ناصری و ناصری، 1392، . - 3 بنابراین یکی از روش های کلیدی برای بهبود عملکرد ذخیره سازی انرژی ساختمان ها استفاده از مواد و اجزای پیشرفته در نما و پوشش ساختمان است.
ماده تغییر فاز دهنده به عنوان یک ماده ذخیره گرمایی ویژه در ارتقای پوشش های شفاف و نیمه شفاف ساختمان بکار می رود. پنجره های شیشه ای ساختمان می توانند نور روز را به داخل هدایت کنند اما با توجه به هدایت حرارتی بالای آن ها ، اثر نامطلوب بر روی میزان مصرف انرژی در ساختمان می گذارند. از آنجا که مواد تغییر فاز دهنده شفاف هدایت گرمایی پایینی دارند، می توانند به عنوان عایق راه حلی برای این مسئله باشند . - Jain and Sharma, 2009, 322 - این مواد به دلیل خاصیت هدایت حرارتی پایین و البته قابلیت انقال نور بالا - در فاز مایع - ، می توانند به عنوان صفحات عایق شفاف مورد استفاده قرار گرفته و لذا گرما را درون خود محصور نمایند.
بسیاری از مواد تغییر فاز دهنده دارای شفافیت بسیار بالایی برای نور مرئی هستند و این در حالی است که بخش مادون قرمز آن نور را جذب می کنند - Feldman, Khan, and Banu, 1989, 336 - ، و این خاصیت به آن ها قابلیت استفاده در شیشه های ساختمان را می دهد. بدین طریق با استفاده از مشتقات مواد تغییر فاز دهنده در ساختمان های امروزی می توان شرایط دمایی داخل ساختمان را در ایام مختلف سال در حالت تعادل نگه داشت. استفاده از پنل های شیشه ای که با لایه ای از مواد تغییر فاز دهنده ترکیب شده اند به عنوان یک راه حل خلاقانه که به بهبود عملکرد انرژی در محل بازشوها کمک می کند، پیشنهاد می شود و می تواند یک راه حل به صرفه برای غلبه بر ضعف های پوشش شیشه ای و نیز کنترل دمای سطوح داخلی ارائه دهد.
مواد تغییر فاز دهنده و شیوه عملکرد آن ها
مواد در طبیعت در سه فاز جامد، مایع و گاز وجود دارند. در صورتی که ماده ای از یک فاز به فاز دیگر تغییر حالت دهد، مقداری گرما را که گرمای نهان نامیده می شود، جذب یا آزاد می کند. - Phase Change Material - PCM به مواد تغییر فاز دهنده گفته می شود. این مواد ترکیبات آلی یا معدنی هستند که قابلیت جذب و ذخیره پنهان مقادیر زیادی از انرژی گرمایی را درون خود دارند. ذخیره انرژی گرمایی در این مواد، در طی فرآیند تغییر فاز - تغییر حالت از جامد به مایع یا بالعکس - اتفاق می افتد.
این مواد به هنگام تغییر فاز از جامد به مایع یا از مایع به جامد، این گرما را از محیط جذب نموده و یا به محیط پس می دهند - آرامی و مختاری یزدی، 1392، . - 92 به عبارت دیگر مازاد انرژی حرارتی محیط اطراف خود را در زمان عدم نیاز، بر پایه گرمای نهان ذوب و انجماد در خود ذخیره می کنند و در زمان نیاز، دوباره به محیط باز می گردانند و با این کار به طور کاملا هوشمند محیط اطراف خود را مجبور می کنند که در درجه حرارت معینی موسوم به دمای پافشاری باقی بماند. به طور معمول هنگامی که ماده از فاز جامد به مایع، تغییر وضعیت دهد، گرما جذب می کند که برای این تغییر فاز، ماده نیاز به حجم زیادی از انرژی گرمایی خارجی خواهد داشت تا این تغییر فاز در آن رخ دهد.
