شیشه‌های دوجداره

شیشه، به عنوان یکی از المان‌های غیر قابل حذف معماری کاربرد وسیعی در ساختمان دارد. کارکرد اصلی شیشه، تأمین روشنایی ساختمان است و در کنار آن، کارکردهای دیگری چون تهویه و زیباسازی نیز در طراحی پنجره‌ها مد نظر قرار می‌گیرد. اما شیشه با تمام محاسن و کاربردهای خود، یکی از اصلی‌ترین عوامل اتلاف انرژی در ساختمان است. شیشه‌های دوجداره و چند جداره یکی راهکار مقابله با این مهم هستند.

تحقیقات نشان می‌دهد که یک چهارم انرژی گرمایشی ساختمان توسط شیشه‌‌ها به بیرون منتقل می‌شود. به عبارت دیگر، یک چهارم انرژی‌ای که صرف گرم کردن ساختمان در هوای سرد و سرد کردن آن در هوای گرم می‌شود، از طریق شیشه‌ها تلف می‌شود. انسان سال‌ها است که به اهمیت کنترل اتلاف انرژی از طریق شیشه‌ها پی برده است. در گذشته نه چندان دور، براي كاهش اتلاف حرارتي ساختمان‌ها به جاي استفاده از پنجره‌هایی با يك لايه شيشه، از پنجره‌هایی با دو يا چند لايه شيشه به هم چسبیده استفاده می‌شد، حتی در پاره‌ای از موارد، مابین‌ جداره‌ها از قطعات پلاستیک استفاده می‌شد. با جدی‌تر شدن مباحث بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان، ساخت شیشه‌هایی که بهترین کارآیی حرارتی داشته باشند نیز به صورت جدی‌تر دنبال شد. پیشرفتی که سرانجام به انتخاب شیشه دوجداره، به عنوان بهترین و کارآمدترین نوع شیشه در کنترل انرژی انجامید.

اولین شیشه دوجداره در سال 1865 میلادی توسط تی.دی استتسون که به کار شیشه‌سازی در نیویورک اشتغال داشت، ساخته شد. او دریافته بود که ساختار قاب با دو شیشه در طرفین قادر است اتلاف حرارتی را به میزان قابل ملاحظه‌ای کاهش دهد. پس از گذشت حدود یک قرن از پیدایش تفکر شیشه‌های دوجداره، با توسعه درزگیری دوبل در دهه 1970، این صنعت به موفقیت‌های چشمگیری دست یافت، تا آنجا که  هم اکنون در کشورهای توسعه یافته جهان، کاربرد شیشه دوجداره به عنوان یکی از ارکان مهم صرفه‌جویی انرژی مطرح می باشد.

امروزه، با استفاده از مطالعات تئوریک، طراحی پایلوت و نرم‌افزارهای تخصصی، تکنولوژی ساخت شیشه‌های دوجداره پیشرفت قابل ملاحظه‌ای کرده است. استفاده از شیشه‌های خاص، بومی‌سازی مشخصات شیشه‌‌ دوجداره بر اساس اقلیم، تصحیح فاصله شیشه‌ها و بهینه‌سازی  مواد مصرفی در ساخت شیشه دوجداره از جمله این پیشرفت‌ها هستند.

جدا از قابلیت عایق حرارتی، شیشه دوجداره نقش مهمی در کاهش آلودگی صوتی نیز دارد، تا آنجا که گاه کارآیی عایق صوتی بودن آن، بیشتر از عایق حرارتی بودن مورد توجه مصرف‌کنندگان قرار گرفته است. به همین دلیل در شهرهای بزرگ استفاده از شیشه دوجداره در مراکز آموزشی، علمی، بیمارستان‌ها و آسایشگاه‌ها بسیار متداول است. استفاده از شیشه دوجداره میزان صدا را بین 20 الی 35 دسیبل کاهش می‌دهد. متوسط شدت سر و صدا در محیط‌های معمولی زندگی شهری در حدود 60 الی 70 دسیبل می‌باشد. از لحاظ علمی، صدا با شدت 60 دسیبل به عنوان صدای مزاحم، با شدت 90 دسیبل مضر برای سیستم شنوایی و با شدت 120 دسیبل به عنوان بالاتر از آستانه تحمل و خطرناک تلقی می‌گردد. جدول ذیل کارآیی انواع شیشه را در کاهش آلودگی صوتی نشان می‌دهد:

علاوه بر موارد فوق، شیشه‌های دوجداره به دلیل ساختار خاص خود، مانع نم‌زدگی شیشه می‌شوند و ایمنی ساختمان را نیز افزایش می‌دهند. برای بررسی کارآیی شیشه‌ دوجداره، محاسبه دقیق میزان تلفات حرارتی شیشه الزامی است. برای محاسبه میزان اتلاف حرارتی، مکانیزم‌های انتقال حرارت از شیشه، شامل جابجایی و تشعشع روی شیشه‌ها، هدایت در ضخامت شیشه، جابجایی و تشعشع ناشی از سیال قرارگرفته در فاصله دو شیشه، ضریب نفوذ نور خورشید در شیشه و… توسط نرم‌افزارهای تخصصی و آزمایشگاه‌های پایلوت بررسی می‌گردند. نتایج محاسبات تئوریک بر حسب اقلیم و شرایط آب و هوایی هر منطقه، شرایط اقتصادی، فراوانی مواد اولیه و…  برون‌یابی می‌شود تا نتیجه نهایی که پیشنهاد بهترین نوع شیشه دوجداره است، ارائه گردد. نمونه این تحقیقات در کشور ما نیز انجام شده و نتایج آن به تفکیک، گزارش شده است.

به طور کلی شیشه‌ی چندجداره از دولایه یا چند لایه شیشه ساخته شده است که توسط یک اسپیسر از هم جدا شده‌اند. اسپیسر قطعه‌ای است که به عنوان نگهدارنده شیشه‌ها عمل می‌کند. جنس اسپیسرها معمولا از آلومینیوم، استیل، فوم، فایبرگلاس یا پلاستیک است. اسپیسر به گونه‌ای طراحی شده است که بر حسب ضخامت شیشه و فاصله دو جداره شیشه، بهترین کارآیی را داشته باشد. ضخامت شیشه‌‌ها عموماً بین 3 تا 6 میلیمتر و فضای خالی بین دو شیشه نیز اغلب 6 تا 12 میلیمتر است. فضای خالی بین دو شیشه از هوا، دی اکسید کربن، هگزافلوئورید سولفور یا گازهای بی‌اثر (آرگون، کریپتون، گزنون و…) و یا ترکیبات آن‌ها پر می‌شود. در قسمت مابین دو شیشه، اسپیسر از مواد نم‌گیر از جمله سیلیکاژل انباشته می‌شود. در نهایت کلیه اتصالات به وسیله چسب‌های خاص از جنس پلی‌سولفید، پلی‌اورتان، سیلیکون، بوتیل و… طی دو مرحله درزبندی می‌شوند.

کارآیی شیشه‌های دوجداره به وسیله آزمون‌های استاندارد تعیین می‌شود. مهم‌ترین آزمون، آزمون کارآیی عایق حرارتی شیشه است. آزمون‌های خاص دیگری نیز جهت بررسی مشکلات شیشه دوجداره، شامل کثیف شدن سطوح داخلی شیشه‌ها به دلیل درزبندی نامناسب، تشکیل برفک و شبنم شیمیایی روی جداره‌های داخلی و عدم کارآیی شیشه به عنوان عایق صوتی انجام می‌شود. روش این آزمون‌ها و حد پذیرش نتایج، طبق استاندارد تدوین و ارائه شده است. طی آخرین پیشرفت‌ها، انواع جدیدی از شیشه دوجداره در روسیه ساخته شده است که در آن‌ها بین دو جداره شیشه خلأ وجود دارد و فاصله دو جداره بسیار کم است، این نوع شیشه‌ها کارآیی بهتری نسبت به شیشه‌های دوجداره معمولی دارند.

مراحل تولید شیشه‌های دو جداره

با توجه به گسترش استفاده از شیشه‌های دوجداره، صنعت تولید این محصول نیز پیشرفت قابل ملاحظه‌ای کرده است. اصولاً تولید این محصول به سه روش تمام اتوماتیک (تولید انبوه و صنعتی)، نیمه اتوماتیک و دستی انجام می‌شود. مراحل تولید شیشه دو جداره به شرح ذیل است:

4. شستشوی شیشه: شستشوی شیشه در داخل دستگاه و با استفاده از مواد شوینده خاص و آب مقطر انجام می‌شود تا سطح داخلی شیشه کاملاً تمیز شود.

5. خشک کردن شیشه: شیشه در داخل ماشین خشک‌کن، خشک می‌شود تا هیچ گونه لکه‌ای بر سطح شیشه باقی نماند.

6. برداشت پوشش (coating) از روی شیشه‌های رفلکس: در شیشه‌های رفلکس، چسبندگی مواد درزگیر به سطحی از شیشه که پوشش آینه‌ای (coating) دارد، بسیار پایین است. لذا در محل درزگیری، پوشش روی شیشه با دستگاه مخصوصی برداشته می‌شود تا از طول عمر و کارآیی پنجره کاسته نشود.

7. پرس: در این مرحله شیشه وارد پرس می‌شود تا دو لایه شیشه بر روی اسپیسر پرس شود.

8. تزریق گاز: تزریق گاز به صورت دستی یا اتوماتیک انجام می‌شود.

9. درزگیری: در پایان عملیات درزگیری با استفاده از چسب‌های خاص انجام می‌شود.

بهینه سازی مصرف انرژی با استفاده از پنجره دوجداره

اتلاف انرژی از طریق شیشه تابعی از فرآیندهای انتقال انرژی است. این انتقال به سه صورت انجام می‌پذیرد:

1. انقال هدایتی و تشعشی از داخل ساختمان به بیرون و بر عکس
2. انتقال تشعشعی تابش خورشید از بیرون به داخل
3. انتقال انرژی توسط جریان هوایی که از طریق درزها جریان دارد.

بدیهی است که جلوگیری از اتلاف انرژی از طریق مسیرهای فوق، منجر به کاهش اتلاف انرژی از طریق شیشه می‌شود. کارآیی یک شیشه دوجداره به مقاومت حرارتی آن وابسته است. به عبارت دیگر، هر چه مقاومت حرارتی یک شیشه دوجداره بیشتر باشد، کارآیی شیشه به عنوان عایق حرارتی افزایش می‌یابد. برای محاسبه مقاومت حرارتی یک شیشه دوجداره، میزان انتقال حرارت در شیشه محاسبه می‌شود. پارامترهای اساسی برای محاسبه انتقال حرارت شیشه دوجداره عبارتند از:

1. نرخ نشت هوا (Air Leakage): این عامل نشان‌دهنده جابجایی هوا از درزها و روزنه‌های شیشه‌ است. کاهش این عامل باعث کاهش مقاومت حرارتی شیشه‌ می‌شود.
2. ضریب عبور نور (Visible Transmittance): این ضریب به خصوصيات اپتيكي لايه شيشه مورد استفاده در شیشه‌ بستگي دارد و بيان‌گر میزان  عبور نور مرئي از شیشه مي‌باشد.
3. ضریب گرمایی ورودی تابش خورشید (Solar Heat Gain Coefficient): این ضریب،  بيان‌گر بخشي از انرژي گرمايي تابش مستقيم خورشيد است كه از ميان شیشه‌ عبور مي‌كند و يا در شيشه جذب می‌شود و سپس به اتاق انتقال مي‌يابد.
4. ضریب انتقال حرارت کلی (U-Factor): این ضریب، بیان‌گر افت حرارتی شیشه‌ است. مقدار عايق بودن شیشه‌ در برابر عبور گرما با ضريب عايق حرارتي (R-Value) بيان مي‌شود که عكس ضريب انتقال حرارت (U-Factor) مي‌باشد. در نتیجه، هرچه ضريب عايق حرارتي بزرگتر باشد، شیشه‌ کارآیی بهتری در کاهش اتلاف انرژی خواهد داشت.

نوع گاز بین جداره‌ها:

قابلیت انتقال حرارتی سیال بین دوجداره بسیار مهم است. برای این منظور، امروزه بیشتر از گازهای بی‌اثر که دارای ضریب انتقال نزدیک به صفر هستند، برای پر کردن فاصله بین دوجداره شیشه استفاده می‌شود. قابلیت انتقال بین گاز ـ شیشه و گاز ـ اسپیسر نیز نقش مهمی در کارآیی شیشه ایفا می‌کند. علاوه بر این، یک جریان جابجایی گاز بین دو جداره شیشه نیز وجود دارد. به عبارت دیگر، سیال قرارگرفته بین دو جداره شیشه با تغییر دما جابجا می‌شود که این حرکت‌ چرخشی، بر اتلاف انرژی از طریق شیشه تأثیر دارد. در سال‌های اخیر، مطالعات زیادی در مورد کارکرد و کارآیی گازهای بین دو جداره شیشه انجام شده است. نتایج نسبی این مطالعات، استفاده از گازهای آرگون و کریپتون را توصیه می‌کند.

فاصله بین دو جداره شیشه

نقش فاصله بین دوجداره در افزایش خاصیت عایق حرارتی شیشه، تابعی از نوع گاز استفاده شده برای پر کردن فاصله بین دو جداره است. علاوه بر این، عواملی دیگر از جمله نوع و ضخامت شیشه‌ها، اقلیم، مباحث اقتصادی، شرایط ساختمان و … نیز در این زمینه مؤثر هستند. مطابق شکل زیر، افزایش فاصله بین دوجداره بعد از حد خاصی دارای اثر منفی در کارآیی پنجره به عنوان عایق می‌شود. به طور کلی، فاصله مناسب بین جداره‌ها 6 تا 12 میلیمتر است.

محاسبات اقتصادی

با توجه به حذف تدریجی یارانه سوخت در کشور، استفاده از شیشه‌های دوجداره  نسبت به گذشته عمومیت بیشتری پیدا کرده است. با توجه به اینکه مصرف عمده انرژی در ساختمان‌ها به صورت گاز طبیعی است، محاسبات اقتصادی استفاده از شیشه دوجداره در ایران نیز بر مبنای مصرف گاز طبیعی انجام گرفته است. طبق تحقیقات انجام شده در کشور، می‌توان گفت استفاده از شیشه دوجداره در ساختمان، به طور متوسط مصرف سوخت یک خانوار 4 نفره را تا 40٪ کاهش می‌دهد. با توجه به تنوع اقلیم در کشور، این عدد میانگین کاهش مصرف سوخت در کل کشور است. در مجموع استفاده از شیشه دوجداره در مناطق گرمسیر نسبت به مناطق سردسیر اقتصادی‌تر است. محاسبات دیگر نشان می‌دهد که هر متر مربع شیشه دوجداره استاندارد، به صورت میانگین باعث صرفه‌جویی 40 متر مکعب گاز در سال می‌شود. جدول ذیل، ميزان گاز طبيعي قابل صرفه‌جويي به ازاء يك مترمربع شیشه دوجداره و قاب پنجره مرغوب را  براي ساختمان‌هاي در حال ساخت نشان می‌دهد.  ارقام بر حسب مترمعكب در سال است.

به صورت میانگین، در ساختمان دارای 150 متر زیربنا، مساحت شیشه‌ها حدود 30 متر مکعب است. با توجه به داده‌های فوق، می‌توان اینگونه بیان کرد که استفاده از شیشه دوجداره در یک ساختمان نمونه که دارای 150 متر زیربنا است، باعث 1200 مترمکعب صرفه‌جویی در سال می‌شود. با توجه با اینکه متوسط مصرف گاز خانگی هر خانوار 4 نفره در ایران 3000 مترمکعب در سال است، استفاده از شیشه دوجداره، باعث صرفه‌جویی 40 درصدی در مصرف گاز می‌شود. در صورتی که قیمت هر مترمکعب گاز طبیعی را پس از حذف کامل یارانه‌ها 2000 ریال بدانیم، استفاده از شیشه دوجداره در هر سال صرفه‌جویی 2400000 ریالی را برای یک خانوار 4 نفره به ارمغان خواهد آورد. با توجه به سنتی‌سازی مسکن و ساختمان در ایران و عدم رعایت مباحث کاهش اتلاف انرژی در ساختمان که ناشی از ارزان بودن قیمت انرژی بوده است، میزان صرفه‌جویی ناشی از استفاده از شیشه دوجداره در اکثریت ساختمان‌های کشور بسیار بیشتر از عدد فوق است. محاسبه تصاعدی قیمت‌ گازبهای مصرفی نیز دلیل دیگری است که استفاده از شیشه دوجداره را الزامی می‌نماید. برای یک ساختمان نوساز با زیربنای 215 مترمربع که به صورت اتفاقی انتخاب شده است، این مبلغ به پنج میلیون ریال بالغ می‌شود. در ساختمان‌های دارای نمای شیشه‌ای و ساختمان‌های ویلایی، این مبلغ به شدت افزایش می‌یابد و گاه به ده میلیون ریال برای هر 100 مترمربع می‌رسد.

اگر چه استفاده از شیشه دوجداره به جای شیشه تک‌جداره هزینه اولیه بیشتری لازم دارد، اما در صورتی که هر خانوار محاسبات ساده فوق را بر حسب ساختمان و هزینه مصرف گاز خود انجام دهد، بدون شک تصدیق می‌کند که تعویض شیشه‌‌ها با شیشه دوجداره، یک سرمایه‌گذاری اقتصادی مناسب با نرخ بازگشت سرمایه قابل توجه خواهد بود. است. در مورد ساختمان‌های در دست احداث، هزینه استفاده از شیشه دوجداره در مقابل کل هزینه ساخت، بسیار ناچیز است، لذا با توجه به شرایط قابل پیش‌بینی آینده در مورد قیمت گاز، استفاده از شیشه دوجداره در ساختمان‌های در حال ساخت کاملاً به صرفه و اقتصادی است.در ایران نیز اقدامات قابل توجهی برای استفاده از شیشه‌های دوجداره انجام شده است. در حال حاضر، طبق مصوبه دولت، ساختمان‌های دولتی ملزم به تعویض شیشه‌ها با شیشه دوجداره شده‌اند که این دستورالعمل در 40 ساختمان دولتی تهران انجام شده است. همچنین ساختمان‌های دولتی در دست احداث نیز صرفاً باید از شیشه دوجداره استفاده کنند. همچنین لایحه‌ای در دست تدوین است که طی آن، به ازای هر مترمربع عایق‌سازی اختیاری ساختمان (که شامل استفاده از شیشه دوجداره نیز می‌باشد)، 25000 تا 100000 ریال یارانه از طرف دولت پرداخت گردد. در زمینه تحقیقات در مورد شیشه‌های دوجداره، مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن و سازمان بهینه‌سازی مصرف سوخت، تحقیقات وسیعی را در این زمینه انجام داده‌اند که نتایج آن‌ها در اختیار عموم قرار گرفته است.