مقاله کاربرد شیشه های هوشمند در کاهش مصرف انرژی

بخشی از مقاله

چکیده

نماهای شیشه ای یکی از موضوعات مهم برای طراحان و معماران هستند و طراحی انها براساس نقش های انها در ساختمان صورت میگیرد,مثل کنترل روشنایی زننده,کنترل دید به بیرون و کاهش انتقال اشعه ماورای بنفش.پنجره ها انرژی را در یک زمان در 2 جهت انتقال می دهند:از یک طرف تابش و نور را به داخل انتقال می دهند و از طرفی دیگر گرما و انرژی را به داخل هدایت می کنند. 25درصد افت گرما و سرمای داخل ساختمان ها در زمستان و تابستان از طریق پنجره ها صورت می گیرد.

در صورت استفاده از مواد مناسب در ساخت پنجره این افت گرمایی و سرمایی کاهش یافته و در نتیجه صرفه جویی قابل ملاحضه ای در مصرف انرژی برای سیستم گرمایش و سرمایش داخل ساختمان انجام می شود و با توجه به رشد جمعیت و رشد صعودی مصرف انرژی و کاهش منابع تجدید ناپذیر و همچنین افزایش تولید گاز های گلخانه ایی,یکی از مهمترین موضوعاتی که در چند دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است بحث جلوگیری از اتلاف انرژی بخش خانگی و ساختمان میباشد .

در این مقاله حاضر به معرفی و سپس بررسی شیشه های هوشمند می پردازیم . تا باشد که استفاده از این نوع شیشه ها در اینده در صنعت ساختمان مورد توجه بیشتر قرار بگیرد و باعث زیبایی و صرفه جویی و کنترل مصرف انرژی گردد .

-1مقدمه

میتوان از گرم شدن بیش از حد داخل ساختمان در زمستان، جلوگیری به عمل آورد. براساس گزارشهای ارائه شده در صورت استفاده از پنجره های هوشمند، 25- 30 درصد صرفهجویی در مصرف انرژی برای سیستمهای گرمایش و سرمایش ساختمان صورت میگیرد.مواد بسیاری از قبیل فتوکرومیک1 ها، ترموکرومیک2 ها، ترمو تروپیک به طور کلی پنجره ها و نماهای شیشه ای در ساختمان های جدید در سالهای اخیر افزایش یافته است. پنجره ها اجازه انتقال مقدار زیادی از انرژی خورشیدی را به درون می دهند. طیف نور خورشید به سه ناحیه ماورای بنفش - - ، نور مرئی و مادون قرمز تقسیم بندی می شود. بخش اعظم انتقال حرارت از طریق تابش، در محدوده مادون قرمز نزدیک - 700- 300 نانومتر است. -

به عنوان تابش گرمایی شناخته شده و عامل گرم شدن داخل ساختمان در تابستان می باشد. همچنین اتلاف گرمای داخل ساختمان در زمستان به روش تابشی، در این محدوده از طول موج صورت می گیرد. استفاده از پنجره های با پوشش های انعکاسی - برنزه و آبی - برای جلوگیری از انتقال حرارت به صورت تابشی معمول است. اما در صورت استفاده از این شیشه ها، میزان نور داخل ساختمان بسیار محدود و کم شده و انرژی مازادی برای تأمین روشنایی داخل ساختمان باید مصرف گردد.

بنابراین در طراحی یک پنجره باید اندازه و جنس پنجره به صورتی باشد که ضمن تأمین روشنایی داخل ساختمان از نور خورشید، تلفات حرارتی از طریق پنجره نیز حداقل مقدار باشد. این امر یک حالت متناقضی بوده و لازم است شرایط بهینه را انتخاب نمود - تعدلی بین حداکثر شدت نور مورد نیاز و حداقل انتقال حرارتی ممکن - . در صورت استفاده از پنجره های هوشمند این تعادل برقرار می شود. درواقع پنجره هوشمند بعنوان یک فیلتر برای نور ورودی به داخل ساختمان عمل نموده و با انتخاب حالت مناسب 3ها،الکتروکرومیک 4ها، کریستال های مایع وسیستم ذرات معلق قابلیت استفاده در پنجره های هوشمند را دارند که بیشترین تفاوت این مواد در فعال شدن آنهاتوسط جریان الکتریسیته یا بوسیله عوامل محیطی است.

1-1اهمیت و ضرورت پژوهش

حدود یک سوم انرژی یک ساختمان از طریق پنجره ها هدر می رود . به همین دلیل تلاش برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها بر روی پنجره ها متمرکز شده است. مطالعات زیادی برای یافتن روش های ذخیره انرژی صورت گرفته و نیاز به ذخی ره انرژی باعث شده تا انواع جدیدی از پنجره های شیشهای در ساختمانها و همچنین در دیوارهای سالن کنفرانس در ادارهها بهکار برده شود.

این تکنولوژی کاربردهای فراوانی دارد. به عنوان مثال شیشه¬ای را تصور کنید که قابلیت تغییر از حالت شفاف به حالت کدر، توسط یک کلید را داشته باشد. می توان از این شیشه برای پنجره خانه - در حالت نیاز به ایجاد عدم دید - ، برای جلوی فروشگاه ها در شب و همچنین حمام استفاده کرد. با وجود اینکه استفاده از این شیشه خصوصی، هنوز متداول نشده است اما نمونه های زیادی در تمام دنیا وجود دارد. اما پنجره های هوشمند موجود، از پنجره های الکتروکرومیک گرفته تا پنجره های با ذرات معلق، همگی به کمک ما شتافته تا به طریق هوشمند به کنترل و بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان ها و اماکن عمومی کمک کند.

1-2 اهداف پژوهش

با توجه به رشد جمعیت و رشد صعودی مصرف انرژی و کاهش منابع تجدید ناپذیر و همچنین افزایش تولید گاز های گلخانه ایی,یکی از مهمترین موضوعاتی که در چند دهه اخیر مورد توجه قرار گرفته است بحث جلوگیری از اتلاف انرژی بخش خانگی و ساختمان میباشد . هدف این مقاله اشنایی و شناخت بیشتر نسبت به شیشه های هوشمند و عملکرد انها در ساختمان است تا بتوانیم موجب کاهش مصرف انرژی های تجدید ناپذیر شریم تا هم به محیط زیست کمتر اسیب بزنیم و هم در طولانی مدت موجب صرفه اقتصادی و سوداوری ساختمان شویم 

گرچه شیشه های هوشمند نسبت به شیشه های معمولی گران تر هستند، اما با در نظر گرفتن موارد زیر میتوانید انتخابی هوشمندانه داشته باشید؛

-1 هزینه ابتدایی برای خرید پرده های لوکس بسیار زیاد میباشد.

- 2 هزینه نگهداری سالیانه پرده های لوکس از قبیل هزینه باز کردن ، هزینه شستشوی مخصوص و هزینه نصب مجدد.

-3 آسیب پذیری پرده های معمولی در برابر نور خورشید و تغییر رنگ با گذشت زمان و عمر کوتاهتر در مقایسه با شیشه های هوشمند.

-4 هزینه های مربوط به پزشک و بیمارستان در حالت استفاده از پرده های معمولی و ریسک ابتلا به بیماریهای تنفسی.

-5 به دلیل عدم کنترل هوشمندانه دما توسط شیشه ها ، شما باید هزینه های جاری بیشتری در طول سال برای سرمایش و گرمایش پرداخت کنید.

-6 بدلیل اینکه پرده های معمولی باعث تیره شدن محل کار و یا زندگی شما میشنود از این رو شما مجبورید در ساعاتی که میزان نور در حد اکثر خود نیست از روشنایی استفاده کنید که به هزینه شما اضافه میکند.

-7 آسیب پذیری بیشتر پوست شما در برابر اشعه ماورای بنفش که میتواند از پرده های معمولی عبور کند و باعث پیری پوست شما شود. ارزش جوانی شما قابل اندازه گیری نیست !

1-3 سوالات پژوهش

ایا می توان با استفاده از شیشه های هوشمند تا حدودی در هدر رفت انرژی های تجدید ناپذیر جلوگیری کرد؟ ایا استفاده از شیشه های هوشمند در ساختمان ها توجیه اقتصادی دارد؟

1-4 روش تحقیق

ابعاد مختلف عوامل تاثیر گذار بر شکل گیری کاربرد شیشه های هرشمند در کاهش مصرف انرژی در ساختمان متاثر از متغییر های کمی وکیفی و همچنین ادراکات و عقاید و رفتارهای جامعه ی شهری است , به طوری که متغییر های فراوان اجتماعی , اقتصادی و فرهنگی در ان دخیل است. بنابر این این تحقیق کیفی می باشد و درک و فهم صحیح کاربران و قوانین اجتماعی حاکم بر زندگی ان ها مورد تاکید قرار گرفته است لذا روش تحقیق مورد استفاده کاربردی , اکتشافی , توصیفی و تحلیلی از نوع کیفی هستند.

از جنبه ی هدف این تحقیق کاربردی است . زیرا 25درصد افت گرما و سرمای داخل ساختمان ها در زمستان و تابستان از طریق پنجره ها صورت می گیرد.در صورت استفاده از مواد مناسب در ساخت پنجره این افت گرمایی و سرمایی کاهش یافته و در نتیجه صرفه جویی قابل ملاحضه ای در مصرف انرژی برای سیستم گرمایش و سرمایش داخل ساختمان انجام می شود.

از نظر جمع اوری اطلاعات به خصوص کشف ابعاد کاربرد شیشه های هوشمند در کاهش مصرف انرژی در ساختمان تحقیق از نوع اکتشافی است. به لحاظ توصیف ویژگی های جامعه ی مورد مطالعه و مدیریت فناوری ساخت از نوع توصیفی است و به دلیل ارتباط بین متغییرهای کاربرد شیشه های هرشمند در کاهش مصرف انرژی در ساختمان و اثرات ان بر زندگی انسان ها از نوع تحلیلی است.

-2 تعریف شیشه های هوشمند5

شیشه هوشمند گونهای از شیشه و پنجره است که با استفاده از فناوریهای نوین میتوان با آن میزان جذب نور را در اینگونه از شیشهها تغییر داد.شیشههای آفتابگیر از انواع آن است.

حدود یک سوم انرژی یک ساختمان از طریق پنجرهها هدر میرود . به همین دلیل تلاش برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها بر روی پنجره ها متمرکز شده است. مطالعات زیادی برا ی یافتن روش های ذخیره انرژی صورت گرفته و نیاز به ذخی ره انرژی باعث شده تا انواع جدیدی از پنجره های شیشهای در ساختمانها و همچنین در دیوارهای سالن کنفرانس در ادارهها بهکار برده شود.

این تکنولوژی کاربردهای فراوانی دارد. به عنوان مثال شیشهای را تصور کنید که قابلیت تغییر از حالت شفاف به حالت کدر، توسط یک کلید را داشته باشد. میتوان از این شیشه برای پنجره خانه - در حالت نیاز به ایجاد عدم دید - ، برای جلوی فروشگاهها در شب و همچنین حمام استفاده کرد. با وجود اینکه استفاده از این شیشه خصوصی، هنوز متداول نشده است اما نمونه های زیادی در تمام دنیا وجود دارد. اما پنجرههای هوشمند موجود، از پنجرههای الکتروکرومیک گرفته تا پنجره های با ذرات معلق، همگی به کمک ما شتافته تا به طریقی هوشمند به کنترل و بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمانها و اماکن عمومی کمک کند.

تصور کنید که در یکی از گرم ترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشید مستقماًی به اتاق شما میتابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره هایی با شیشه های دودی برای متعادل تر کردن گرما و نور اتاق ندارید. همچنین دوست دارید تا تنها زمانی که نور شدت دارد شیشه درست مانند عینکهای فتوکرومیک دودی شوند.

شیشههای الکتروکروماتیک دستهای از شیشهها هوشمند از الکتروکروماتیکها بهره میبرند. الکتروکروماتیکها موادی هستند که رنگ آنها در اثر جریان الکتریکی تغییر میکنند. جریان الکتریسته با ایجاد واکنش شیمیایی سبب تغییرات خصوصیات مواد میشود و کاری میکند تا آنها نور را جذب یا منعکس کنند. امروزه از صنعت الکترونیک در ساخت این نوع از شیشههای پنجره استفاده میشود.

نور خورشید به شیشهها میتابد، اما از طرفی جریان الکتریکی برقرار شده، سبب میشود تا یونها از لایه ذخیره یونی به سمت لایه هدایت یونی حرکت کرده و به لایه الکتروکروماتیکی رجعت کنند و شیشه را شفاف نمایند. با قطع الکتریسته فرایند برعکس عمل کرده شیشهمجدداً تیره میشود. یکی از ویژگی مواد الکتروکروماتیکی قابلیت تنظیم آنهاست به طوری که میتوان شدت کدری آنها را با تغییر مقدار جریان تنظیم کرد.

2-1تاریخچه استفاده از شیشه های هوشمند

انواع شیشه ها از لحاظ کاربرد در ساختمان

.1شیشه با کاربرد مدیریت انرژی

.2شیشه مقاوم در برابر اتش

.3شیشه کنترل صدا

.4شیشه ایمنی با کاربرد حفاظتی و امنیتی

.5شیشه با کاربرد در دکوراسیون

.6شیشه تامین کننده نور و روشنایی

.7شیشه با کاربردهای خاص

.8شیشه نما با قابلیت های مقاوم در برابر باد و ضربه

.9شیشه هوشمند - چند منظوره -

.10شیشه کلکتوری - 6نور و گرما -

بیش از 80 سال است که شیشه دوجداره به عنوان ضرورت اصلی برای فراهم اوری عایق حرارتی در ساختمان ها شناخته شده است. پیشرفت های اخیر به عایق سازی مناسب و افزایش بهینه سازی حرارت متمرکز شده است که دلایل ان می تواند به خاطر اقتصاد و ضرورت کاهش یابی میزان انتشار دی اکسید کربن باشد که عمدتا با بازدهی حرارتی و نحوه استفاده از انرژی در ساختمان ها ارتباط مستقیمی دارد.

هدر روی گرما در یک ساختمان به معنای مقاومت کم مصالح ان است. این امر تا کنون عمدتا از طریق شیشه پنجره یا به عبارت بهتر ,شیشه کاری نامناسب و ضعیفی همچون شیشه تک جداره حادث می شده است. با روش های پیشرفته که مانع فرار گرما از ساختمان است میتوان تنوع انتخاب زیبایی شناسانه و تنوع عایق سازی را به صورت توامان ,فراهم اورد.نور خورشید به سه طریق:انعکاسی,انتقالی و جذبی پخش می شود.این امر در ایده تولید شیشه های کنترل خورشیدی و عایق حرارتی منظور شده است.

شیشه های کنترل خورشیدی و عایق حرارتی تضمین اسایش و جلوگیری از هدر روی گرما هستند عواملی همچون حذف رطوبت ,نم و تقطیر در فضای میانی شیشه های دو جداره ,شیشه های رنگی با خاصیت فتوولتائیک 7 و پوشش های مختلف با ضخامت های مختلف ,شیشه را در مقابل ذخیره سازی انرژی تقویت می کند.اهمیت حفظ ذخایر انرژی غیر قابل بازیافت و کمبود ذخایر انرژی فسیلی در بسیاری از کشورها , مسولان را بر ان داشته تا به بهینه سازی انرژی دقت وسواسانه تری مبذول دارند.

صنعت ساختمان همچون سایر صنایع از عمده ترین مصرف کنندگان انرژی است و شیشه به لحاظ ماهیت خاص خود نقش عمده ای در هدر روی انرژی ایفا می کند.با تلاش در جهت تقویت قابلیت های شیشه همچون انتقال نور و حذف معایب آن,با تدابیری همچون استفاده از شیشه ها دو جداره و ترکیب انواع شیشه با اهک, استفاده از شیشه های با قابلیت انتقالی ,انعکاسی و جذبی ,ممانعت از گریز اشعه فرابنفش از داخل ساختمان به بیرون یا ممانعت انتقال گرمای خورشید به داخل ساختمان و ... و تلفیق جنبه های معمارانه با مهندسی و تکنولوژی ساخت پیشرفته در این محصول می توانیم در جهت مدیریت انرژی گام برداریم

2-2انواع شیشه های هوشمند

.1الکتروکرومیک

.2گازوکرومیک

.3ترموکرومیک

.4فتوکرومیک .5کریستال های مایع .6سیستم ذرات معلق 7 .نانوسیمی پلی آنیلین

2-3کریستال های مایع:

ساختمان درونی این شیشه تشکیل شده از دو لایه شفاف قلع به عنوان الکترود می باشد که لایه ای از کریستال مایع بین آنها ساندویچ شده است.

شکل - 1 از شیشه های الکتروکرومیک می توان برای داشتن محیط های مجزا استفاده کرد.