بخشی از مقاله
شیشه های هوشمندِ الکتروکرومیک، ترموکرومیک و فتوکرومیک و نقش آنها در سازگار ساختن ساختمان ها با محیط
چکیده
امروزه مقابله با بحران هایی نظیر آلودگی کره زمین و کمبود منابع تجدید ناپذیر مثل سوخت فسیلی تبـدیل بـه یکـی از مهـم ترین دغدغه های طراحان و مهندسان ساختمان شده است و آنها را به حرکت بـه سـمت سـاخت بناهـایی سـازگار بـا محـیط زیست، با کارآیی بالاتر و صرفه اقتصادی بهتر تشویق کرده است. توسعه ی مصالح و روش های ساخت در عصر حاضـر بـه ایـن روند کمک شایانی کرده است. از جمله ی این مصالح می توان به شیشه های هوشمند اشاره کرد که توانایی درک و پـردازش رویدادهای محیطی را داشته و نسبت به آن واکنش مناسب نشان میدهند. به بیان دیگر ایـن مصـالح، قادرنـد شـکل، فرم، رنگ و انرژی درونی خود را به طرز برگشت پذیر در پاسخ به تاثیرات فیزیکی و یا شیمیایی محیط اطراف تغییـر دهند و از این طریق به سازگاری ساختمان با محیط کمک کنند. لذا در این مقاله، با اتخاذ روش تحقیق استدلال منطقی به معرفی سه مورد از شیشه های هوشمند به نامهای : شیشه های الکتروکرومیک، ترموکرومیک و فتوکرومیک و عملکـرد آنهـا پرداخته خواهد شد. این شیشه ها جزء مصالح هوشمند نوع اول بوده و دارای قابلیت تعییر خـواص درونـی هسـتند. همچنـین نحوه به کارگیری و رفتار آنها در پروژه های ساختمانی از اهداف دیگر این تحقیق می باشد.
واژههای کلیدی: معماری ، محیط زیست ، هوشمند ، شیشه ، الکتروکرومیک ، ترموکرومیک ، فتوکرومیک
1
-1 مقدمه
در ابتدای قرن 21 مشکلات زیست محیطی بسیاری پیش روی ما قرار گرفته که منجر به آلودگی در شهرهای بزرگ، اثر گلخانه ای و تغییرات آب و هوایی عمده شده است. در این میان نقش ساختمان سازی به شکلی مستقیم و غیرمستقیم در آلودگی های زیست محیطی مشهود است که ما را به افزایش توجه به ویژگی های وجودی مصالح و تکنیک های مـوثر در کـاهش تخریـب فاجعـه بـار محیطی وامی دارد. (نوروزی، حبیبی امیر و اخلاصی (37:1391 شیشه یک متریال عالی است که ساختمان های ما بدون آن تاریک، دنج، سرد و خفقان آور خواهند بود. اما شکال عمده این نوع از
مصالح این است که به نور و گرما همیشه - حتی در زمانهایی که به آن احتیاجی نیست- اجازه ورود می دهد .در روزهای تابستانی ،هرچقدر گرما (دریافت تابشی) بیشتر وارد ساختمان شود ، نیاز به استفاده از سیسـتم سرمایشـی بیشـتر خواهـد شـد و درنتیجـه مصرف انرژی بالاتر می رود این امر هم هزینه بردار است و هم برای محیط زیست مضر است. این همان دلیلی است که باعث شده بیشتر شیشه ها در خانه ها و دفاتر بوسیله ی پرده و کرکره پوشانده شوند. اما پرده ها و کرکره ها در اصل یک جانشین موقت برای حل کردن اشکالات بزرگ اجرایی شیشه هاست : آنها حتی در مواقعی که شما نمی خواهید شفاف هستند. (Woodford 2014) انتخاب مصالح ساختمانی پایدار و مناسب، باعث کاهش مصرف انرژی می شود و سلامتی بیشتر محیط زیست را تامین می کنـد (عبدلی (34:1380 بنابراین همراه با توسعه و پیشرفت روز افزون دانش و فناوری در عرصـه هـای مختلـف زنـدگی بشـر، امـروزه فناوری های مدرن تولید شیشه، تاثیرات شگرفی بر توسعه ساختمان سازی در سراسر جهان داشته اند. فناوری این نوع شیشه ها وبه دنبال آن کاربرد پنجره های هوشمند در چند سال اخیر توسعه خیره کننده ای داشته است.
فناوری پنجره هوشمند میتواند در روزهای گرم تابستان که نور آفتاب به داخل ساختمانها وارد می شـود و نیـاز بـه اسـتفاده از دستگاههای خنک کننده و تهویه کننده هوا را افزایش میدهد به صورت هوشمند تاریک شود و از انعکاس نور جلوگیری کنـد و در عوض در فصول سرد سال دوباره به حالت اول بازگردد و شفاف شود .این فناوری، تاثیر خیره کننده ای بر مـدیریت مصـرف انرژی، درجهت کاهش مصرف سوخت های فسیلی درساختمان دارد. (قراول باشی، کرمی و سحرخیز .(1-2 : 1391
حفظ طبیعت،کاهش منابع طبیعی،کاهش مصرف انرژی ،بازیافت مصالح و دستیابی به کیفیت عملکرد بالا از اهـداف اصـلی در شکل گیری و گسترش مواد هوشمند بوده که تمامی هنرمندان،مهندسان، طراحان و دانشمندان را به جست و جو و خلـق مصـالح نوین در این زمینه سوق داده است. (نوروزی، حبیبی امیر و اخلاصی (37:1391 در این تحقیق قصد داریم به بررسی ویژگی ها و مـوارد اسـتفاده ی سـه نمونـه از مـواد هوشـمند بـا عنـوان هـای : شیشـه هـای فتوکرومیک ، الکتروکرومیک و ترموکرومیک بپردازیم.
-2 مفهوم هوشمندی و مصالح هوشمند
در نظر بسیاری از مردم مفهوم هوشمندی به معنای تکنولوژی داده ها و سیستم های کنترلی در ساختمان است که عملکـرد آن را بهبود می بخشد. ریشه لغوی واژه هوشمند intelligence به کلمه لاتین intelligentia و مشـتق از واژه intelligere در قـرن چهاردهم برمی گردد که به معنای انتخاب یا تشخیص است. (نوروزی، حبیبی امیر و اخلاصی (37:1391 هوشمند، باهوش، حساس همه برای تعریف ساختارها ومصالحی به کارمی رونـد کـه شـامل حسـگرها ومحـرکهـا بـوده وتوانـایی سازگاری باتحریکات خارجی مانند بارها وتحریکات محیط رادارند.(جهانس (116- 119: 1386
2
بکارگیری امکاناتی که خانه را در اصطلاح »هوشمند« کند ، همواره یکی از مواردی بوده است که بشر توجه زیادی به آن داشـته و در طول دورههای مختلفِ توسعه ی فناوری راه حل های متعددی برای این منظور خلق کرده است. خانه هوشمند به خانه ای گفته می شود که ساکنین آن امکان تنظیم و کنترل تجهیزات منزل خود را از راه دور و نزدیک داشته باشـند و نیـز بتواننـد برنامـه هـای مختلف و سناریو های متنوعی را بـرای آن تجهیـزات تعریـف و اجـرا نماینـد.(مرکـز تحقبقـات و فنـاوری اتوماسـیون صـنعتی ایـران) . ویژگیهای اصلی معماری هوشمند عبارتند از: (مفیدی و روشن ضمیر (128:1388
تطبیق پذیر
پویایی و فعال بودن؛
انعطاف پذیری و سازگاری با محیط؛ واکنش پذیری و پاسخ ده بودن
یک ساختمان معمولی بدون سیستم های خدماتی هوشمند، ساختمانی ثابت و ایستا به شمار آمده و تنها تحرک بنا بـه حرکتهـای بسیار اندک آن در برابر محرک های خارجی،بارهای گرانشی و جانبی و تغییرات گرمایشی محدود می شود و ویژگی های مصالح در شرایط نرمال تغییر نمی کند. اما در ساختمانهای هوشمند بالاترین درجه از اتحـاد و یکـی شـدن مفـاهیم، مصـالح، سیسـتم هـا و تکنولوژی وجود دارد که سبب برآورده شدن نیازهای عملکردی بنا می شود. در این ساختان ها برنامـه هـای دقیـق و هوشـمند در جهت نگه داری از سازه ساختمان، بهینه سازی مصرف انرژی و کنترل اتوماتیک سیستم های پیچیده وجود دارد کـه درنهایـت بـه پویایی ساختمان در برابر داه های اطلاعاتی مختلف می انجامد. مفهوم طراحی هوشمند نیز به گونه ای از معمـاری اشـاره دارد کـه هوشمندی آن فراتر از نصب و مونتاژ ترکیبات هوشمند است. یکی از برجسته ترین ابزارهای هوشمندسازی مصالح هوشمند اسـت. (نوروزی، حبیبی امیر و اخلاصی (37:1391 مصالح هوشمند یک اصطلاح جدید برای مصالح و فرآورده های است که توانایی درک و پـردازش رویـدادهای محیطـی را داشـته و
نسبت به آن واکنش مناسب نشان میدهند. به بیان دیگر این مصالح قابلیت تغییر پذیری داشته و قادرند شکل، فرم، رنگ و انـرژی درونی خود را به طرز برگشت پذیر در پاسخ به تاثیرات فیزیکی و یا شیمیایی محیط اطراف تغییر دهند. اگر مصالح را به سه گـروه مصالح غیر هوشمند، نیمه هوشمند و هوشمند طبقه بندی کنیم، گروه اول یعنی مصالح غیر هوشمند ویژگی خاص بـالا را ندارنـد، نیمه هوشمندها تنها قادرند در پاسخ به تاثیرات محیطی شکل و فرم خود برای یک بار یا مدت زمـان انـدکی تغییـر دهنـد امـا در مصالح هوشمند این تغییرات تکرارناپذیر و قابل برگشت خواهد بود. (گرجی مهلبانی، ابوطالبی (69:1388 متغیرهای تاثیر گذار شیمیایی و فیزیکی که در زیر معرفی شده اند، محرک هایی هستند که مصالح هوشمند در برابر آنهـا از خـود عکس العمل نشان می دهند: (Ritter 2007)
-1 نور، اشعه :UV بخش فرابنفش و مرئی اشعه الکترومغناطیسی.
-2 دما: تغییرات دمایی که یک سیستم فیزیکی مثل بدن انسان ایجاد می نماید. -3 فشار: اختلاف فشار ایجاد شده در یک ناحیه -4 میدان الکتریکی: میدان ایجاد شده پیرامون یک یک بار الکتریکی.
-5 میدان مغناطیسی: میدان ایجاد شده پیرامون یک آهن ربا یا یک بار الکتریکی متحرک. -6 محیط شیمیایی : حضور یک عنصر یا ترکیب شیمیایی خاص مثل آب.
3
-3 طبقه بندی مواد هوشمند
به طور کلی مصالح ساختمانی موجود اعم از نتی ، طبیعی و مصنوعی با توجه به خصوصیات آنها، از جملـه : نمـود ظـاهری، بافـت، ترکیب شیمیایی، خواص مکانیکی و فیزیکی، اثر محیطی و ... طبقه بندی می شوند. اما در طبق بندی مصالح هوشمند علاوه بر در نظر داشتن مشخصه های فوق، خواص دیگری که به طور ویژه به تمییز دادن مصالح هوشمند از مصالح سنتی مربوط می شود نیـز لحاظ شده است. در واقع طبقه بندی پیشنهادی مصالح هوشمند بر پایه سه خاصیت زیر ارائه شده اند:
-1-3 مصالح هوشمند نوع اول (دارای قابلیت تغییر خواص درونی)
موادی که یک از خصوصیات شیمیایی، مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی، حرارتی یا بصریشان در پاسـخ بـه یـک یـا چنـد محـرک خارجی، بدون نیاز به کنترل از خارج تغییر می کند. (نوروزی، حبیبی امیر و اخلاصی (37:1391 الف) مصالح هوشمند تغییر رنگ دهنده یا »کرومیک« که شامل :
فتوکرومیک : جذب انرژی تابشی سبب تغییر در ساختار شیمیایی این مـواد شـده و از سـاختاری بـا یـک میـزان جـذب مشخص به ساختاری دیگر با میزان جذبی متقاوت تبدیل می شوند.
ترموکرومیک : موادی که در مقابل تغییر دما، به صورت بازگشت پذیری تغییر رنگ می دهند.
مکانوکرومیک : با تغییرات فشار یا تغییر شکل، خواص بازتابی متفاوتی نشان میدهند.
الکتروکرومیک : موادی که در مقابل تغییر ولتاژ، تغییر رنگ می دهند. مثلا پنجره های الکتروکرومیک روشن یـا تـار مـی شوند. این مواد به صورت چند لایه از مواد هستند.
ب) مواد تغییر شکل دهنده : این مواد شامل:
فتوستریکتیو : موادی که در مقابل نور تغییر شکل می دهند.
ترموسترکتیو : موادی که در مقابل تغییرات درجه حرارت تغییر شکل می دهند.
پیزوالکتریک : در پاسخ به محرک مکانیکی ( فشار و استرس) الکتریسیته تولید می کنند.
الکترواکتیو : موادی که در مقابل تاثیرات میدان الکتریکی، تغییر شکل می دهند.
مگنوستریکتیو: موادی که در مقابل تاثیرات میدان مغناطیسی تغییر شکل می دهند.
کموستریکتیو : موادی که در مقابل تاثیرات محیط شیمیایی تغییر شکل می دهند.
ج) آلیاژهای با حافظه شکلی :
این مواد تا حدودی الاستیک هستند.یعنی توانایی ذخیره سازی انرژی مکانیکی و آزادسازی آن را دارنـد. در ایـن دسـته از فلـزات، مولکول ها قابلیت چیدمان مجدد دارند. ساختار مولکولی در هر فاز عاملی است که سبب تغییر شکل فلز و بازگشـت آن بـه حالـت اولیه می شود. یکی از معروفترین آلیاژهای حافظه دار ماده ای نیتینول است که از آن به صورت سیمی استفاده مـی شـود.در نگـاه اول این سیم ها همانند سیم های معمول درمی آیند که به راحتی تغییر شکل می دهند و رسـانای الکتریسـیته نیـز هسـتند.برای مثال می توان آنها به هر شکلی درآورد و سپس با گرم کردن آنها تا دمای بالای 90 درجه سانتیگراد، به حالت اولیه شان برگرداند.
-2-3 مصالح هوشمند نوع دوم (دارای قابلیت مبادله انرژی)
4
موادی که دارای قابلیت تبدیل انرژی از سطحی به سطح دیگـر هسـتند. همـه اجسـام و محـیط هـای پیرامـون آنهـا دارای سـطح مشخصی از انرژی هستند.هنگامی که سطح انرژی ماده و محیط اطراف آن یکسان است می گوییم ماده در تعامل بـا محـیط اسـت یعنی در این حالت تغییر انرژی وجود نخواهد داشت. اما اگر ماده در سطح انرژی متفاوتی نسبت به سطح انرژی محیط قرار گیـرد. با وارد کردن انرژی به مواد، سطح انرژی در آنها افزایش می یابدکه معمولا این انرژی افزوده شده به صورت افـزایش انـرژی درونـی جسم خود را آشکار می کند.
این مواد به سه گروه تقسیم می شوند : (نوروزی، حبیبی امیر و اخلاصی (38-39 :1391 الف) مواد ساطع کننده نور : این مواد بر اثر منبعی محرک (مانند الکتریسیته، واکنش شیمیایی یا حتی اصطکاک) تحریـک شـده و
در بازگشت اتم ها به حالت پایه خود ، تابش نور (یا لومینانس) رخ می دهد. درواقع این مواد برعکس مواد فتوولتائیک ( کـه نـور را به الکتریسیته تبدیل می کنند) عمل می کنند و شامل فتولومینسنت ها ، کمولومینسنت ها و الکترولومینسنت ها هستند.
ب) مواد فتوولتائیک : این مواد که آنها را قدرت زای نوری نیز می نامند در پاسخ به محرک نور مرئی جریان الکتریکـی ایجـاد مـی کنند.
ج) مواد ترموالکتریک (دمابرقی) : به این گروه از مواد هوشمند نوع دوم مواد دمابرقی نیز گفته می شود.این مواد در مقابل تغییرات دما توانایی تولید برق دارند.
-3-3 مصالح هوشمند نوع سوم (دارای خاصیت تغییر و مبادله مواد درونی)
این مواد دارای قابلیت تغییر و مبادله مواد درونی هستند.
در این تحقیق سه گونه شیشه که جزء دسته مواد هوشمند کرومیک ( یکی از مواد هوشمند نوع اول) هستند برای بررسی انتخـاب شده اند که عبارتند از :
شیشه الکتروکرومیک ، شیشه ترموکرومیک و شیشه فتوکرومیک. بنابراین در ادامه با بررسی ساختار و طـرز کـار هریـک از آنهـا و همچنین ارائه پروژه های موفق استفاده کننده از آنها، به معرفی این سه نوع شیشه هوشمند می پردازیم.
-4 شیشه الکتروکرومیک
از اوایل قرن بیستم ، مردم به ایده ساختمانهایی که به طور فزاینده ای در حال خودکار شدن هستند عادت کـرده انـد. مـا ماشـین های لباسشویی، ماشین های ظرفشویی، جاروبرقی و خیلی وسایل الکتریکی دیگر داریم، پس چرا خانه هایمان را بـه شیشـه هـای الکتریکی که می توانند به طور خودکار از شفاف به مات تغییر می کنند مجهز نکنیم؟ پنجره های الکتروکرومیک دقیقا همینکـار را انجام می دهند درحالیکه از یک تکنولوژی به نام الکتروکرومیسم بهره می برند، که به کمک آن وقتی یک ولتاژ الکتریکی بـه مـواد وصل شود ، تغییر رنگ می دهند (یا از شفاف به مات تغییر حالت می دهند). به عنوان نمونه پنجـره هـای هوشـمند از یـک رنـگ مایل به آبی شروع می کند و وقتی که جریان الکتریکی از آن عبور می کند، به تـدریج (در طـی چنـد دقیقـه) شـفاف مـی شـود.
(Woodford 2014)
5
شکل (1) تغییر رنگ شیشه الکتروکرومیک
شیشه الکتروکرومیک وقتی که تحت کنترل الکتریکی قرار می گیرد تغییر رنگ می دهد. سمت چپ : در اینجا شیشه شفاف و شبیه به شیشیه های معمولی است. سمت راست: ولتاژ کمی به آن متصل شده و شیشه به مات تغییر حالت داده است(آبی رنگ و تیره). عکس ها از: وارن گرتز از دانشکده انرژی/لابراتوار ملی انرژی تجدیدپذیر آمریکا
تصاویری از حالات مات و شفاف پنجره های الکتروکرومیک به عنوان نمونه آورده شده است(: (Verrengia 2010
