اهمیت و نحوه انجام آزمایش هوابندی درب‌ها و پنجره‌های ساختمانی
خلاصه
اندازه‌گيري ميزان نفوذ هوا از درزهاي درب‌ها و پنجره‌هاي خارجي ساختمان‌ها و کنترل ميزان هوابندي آن‌ها از چند نظر حائز اهميت است. اولاً امکان اعمال استانداردهايي که براي صرفه‌جويي انرژي مهم مي‌باشند را فراهم مي‌آورد. ثانيا با عنايت به کلاس داده شده به اين اجزا براي مهندس محاسب تاسيسات دفتر جهت طراحي سيستم‌هاي گرمايشي و سرمايشي را بوجود مي‌آورد. ثالثاً به خريدار امکان انتخاب درب يا پنجره مناسب را با توجه به نوع و محل استفاده جهت صرفه‌جويي در مصرف انرژي و هزينه‌هاي مربوطه مي‌دهند. در اين مقاله و بر مبناي اطلاعات موجود و محاسبات انجام شده، اهميت درزبندي درب‌ها و پنجره‌هاي ساختماني در موضوع صرفه‌جويي مصرف انرژي نشان داده شده است. سپس در مورد تجهيزات انجام آزمايش هوابندي درب‌ها و پنجره‌هاي ساختماني و نحوه انجام آزمايش باتوجه به استانداردهاي مختلف بحث شده است. در انتها خلاصه‌اي از اقدامات انجام گرفته در مرکز تحقيقات مسکن و ساختمان براي تجهيز آزمايشگاه مربوطه در پروژه‌اي با کارفرمايي سازمان بهينه‌سازي مصرف سوخت کشور ارائه شده است.
مقدمه
هواي بيرون که به داخل ساختمان منتقل مي‌شود چه بصورت خواسته باشد (از طريق دستگاه‌هاي تهويه مطبوع جهت تعويض هوا ) و يا بصورت ناخواسته (از طريق نفوذ از ميان شکاف پنجره‌ها و درب‌ها)، از دو جهت مهم است. اولاً هواي بيرون براي کاهش آلودگي‌هاي توليد شده در داخل ساختمان لازم است و ثانياً انرژي لازم براي سرد يا گرم کردن اين مقدار هواي بيرون، بخش قابل ملاحظه‌اي از بار دستگاه‌هاي سرمايشي و يا گرمايشي را تشکيل مي‌دهد. لذا کنترل مقدار نفوذ هوا براي بهينه‌سازي مصرف انرژي لازم است. همچنين اطلاع از ميزان نشت هوا براي تعيين ظرفيت دستگاه‌ها در ماکزيمم ظرفيت گرمايي يا سرمايي لازم مي‌باشد.
معمولاً هواي لازم براي تهويه مطبوع و مناسب براي ساختمان‌هايي که از سيستم تهويه استفاده نمي‌کنند بصورت آزاد از ميان پنجره‌ها و درب‌هاي باز وارد ساختمان مي‌شود. در ساختمان‌هايي که از سيستم تهويه مطبوع استفاده مي‌کنند هواي تازه بصورت کنترل شده توسط فن يا بلاور از طريق مجراهاي پيش بيني شده وارد ساختمان مي‌شود و فرض بر اينست که حداقل هواي تازه براي مقابله با آلودگي‌ها و بوي نامناسب و رطوبت ناشي از بازدم ساکنين تامين مي‌شود.
مطالعات انجام شده بر روي ساختمان‌هاي مختلف در کانادا نشان داده‌اند که نشت ناخواسته هواي بيرون به داخل از طريق شکاف پنجره‌ها در يک ساختمان اداري با پنجره‌هايي که حداقل يک سوم سطح ديوارهاي خارجي را شامل مي‌شوند و هوابندي مناسبي ندارند در شرايطي که باد با سرعت Km/hr 40 مي‌وزد حدود 45% از جذب گرما در تابستان و 60% از افت گرما در زمستان را در شرايط طراحي موجب مي‌شود. اين واقعيت بيانگر تاثير ميزان هوابندي بر مصرف انرژي و هزينه‌هاي ناشي از آن در ساختمان‌هايي است که از سيستم تهويه استفاده مي‌کنند. کنترل ميزان نشت براي ساختمان‌هايي که از سيستم تهويه مطبوع استفاده مي‌کنند بسيار اهميت دارد.
با توجه به مطالب گفته شده يکي از پارامترهاي مهم در انتخاب درب‌ها و پنجره‌ها، ميزان نفوذ پذيري هوا در آن‌ها مي‌باشد. همچنين لازم است که درب‌ها و پنجره‌هاي ساخته شده قبل از نصب مورد آزمايش قرار گيرند و ميزان هوابندي آن‌ها اندازه‌گيري شود. باتوجه به ميزان عبور هوا از آن‌ها، هنگامي که اختلاف فشار معيني مورد نظر است، بايد کلاس مورد نظر به آن‌ها داده شود تا هم خريدار به راحتي بتواند درب و يا پنجره مورد نظر خود را با توجه به ميزان عبور هوا از آن‌ها انتخاب کند و هم مهندس محاسب تاسيسات بتواند بار حرارتي ناشي از نفوذ هوا را در نظر بگيرد.
اهميت انجام آزمايش هوابندي درب‌ها و پنجره‌هاي ساختماني
همانطور که در قسمت قبل گفته شد نفوذ هوا از درزهاي درب‌ها و پنجره‌ها بصورت کنترل نشده و در نتيجه ناخواسته است. اين نفوذ هوا بخاطر اختلاف فشار ناشي از باد يا تفاوت دماي هواي بيرون و داخل صورت مي‌گيرد.
فشار استاتيک بر روي سطوح خارجي يک ساختمان از جمله بر روي سطح خارجي پنجره‌ها و درب‌ها به فشار ديناميکي جريان هواي يکنواخت باد بستگي دارد. فشار باد يا فشار ديناميکي طبق رابطه برنولي بصورت زير بيان مي‌شود:
Pu = Cp ρ v2 / 2
Pu = فشار ديناميکي (pa)Cp = ضريب فشار سطح
P = چگالي (Kg / m3)
V = سرعت باد (m/sec)
ضريب Cp به زاويه برخورد باد به ساختمان و ارتفاع ساختمان بستگي دارد. اين ضريب براي حالتي که باد بصورت عمود به ساختمان برخورد نمايد و ارتفاع آن کمتر از 10 متر باشد در بخش قابل توجهي از سطح حدود يک است. بسته به زاويه برخورد باد اين ضريب منفي نيز مي‌تواند باشد، بعنوان مثال در سمت پشتي ساختمان اين ضريب منفي است.
اختلاف فشار هواي سطح هوا بيروني و داخل يک ساختمان عبارتست از :
ΔP = p ° + Cp ρ v 2 /2 –p i
°p = فشار استاتيک جريان آزاد و يکنواخت باد دور از ساختمانp i = فشار داخل ساختمان
نفوذ هوا به داخل ساختمان يا از داخل به بيرون را مي‌توان از طريق کاهش اختلاف فشار بين دو سطح بيروني و داخلي و يا بهبود هوابندي اجزا ساختمان از جمله درب‌ها و پنجره‌ها کاهش داد.
آزمايشات انجام شده بر روي ساختمان‌هاي مختلف در ايالت‌هاي آمريکا نشان داده‌اند که در 75% از ساختمان‌ها مقدار نفوذ ناخواسته هوا به داخل ساختمان‌ها معادل 2/1 تا 1 دفعه تعويض هواي ساختمان در يک ساعت است و در 25% بقيه ساختمان‌ها اين مقدار تا 2 دفعه تعويض هوا نيز افزايش مي‌يابد.
بار سرمايي و يا گرمايي ناشي از اين تعويض هوا توسط رابطه زير بيان مي‌شود:
q s = Q ρ C p ΔT
q s = گرماي قابل حس (Kw)Q = نرخ نفوذ هوا (m3 / sec)
ρ = چگالي هوا (Kg/m3)
C p= گرماي ويژه هوا ( 1Kj/Kg-K)
ΔT = اختلاف دماي هواي بيرون و داخل
اين رابطه فقط بار گرمايي بخش محسوس را بيان مي‌دارد و در صورتي که هواي بيرون و داخل از نظر ميزان محتويات رطوبتي متفاوت باشند، مقدار بار گرمايي يا سرمايي بيشتر نيز خواهد شد، علاوه بر اينکه ميزان نشت هوا به داخل ساختمان‌ها به شرايط آب و هوايي نيز وابسته مي‌باشد.
باتوجه به رابطه (q s = Q ρ C p ΔT) براي يک ساختمان با زير بناي 100 مترمربع ( حجم داخلي حدود 300 متر مکعب ) با پنجره و درب‌هايي که از آب‌بندي مناسبي برخوردار نباشند در شرايطي که اختلاف دماي هواي بيرون و داخل 20 درجه سانتي‌گراد باشد و در صورتيکه نشت هوا معادل يک بار تعويض هوا در ساعت فرض شود بار حرارتي اضافي حدود 2.5 کيلو وات خواهد بود که مقدار قابل توجهي است که و تاثير زيادي بر روي مصرف انرژي و هزينه‌هاي ناشي از آن دارد.
علاوه بر صرفه‌جويي در مصرف انرژي برخي از اصول و دلايل ديگر کنترل نشت هوا به داخل ساختمان‌ها عبارتند از:
1- جلوگيري از نفوذ رطوبت هواي خارج ساختمان به داخل
2- جلوگيري از نفوذ آلودگي‌ها و حشرات
3- ايمني بهتر در برابر آتش سوزي
4- افزايش راحتي ساکنين از طريق جلوگيري از سرمايش و يا گرمايش مستقيم آن‌ها و وسايل ديگر توسط هواي بيرون
آزمايش هوابندي بر روي درب‌ها و پنجره‌هاي ساختماني
با توجه به محاسبات انجام گرفته در قسمت قبل لزوم انجام آزمايش هوابندي بر روي درب‌ها و پنجره‌هاي ساختماني که بطور تجاري و بصورت پيش ساخته عرضه مي‌شوند مشخص مي‌باشد. هدف از انجام اين آزمايش بررسي ميزان عبور هوا از درزهاي قسمتهاي بازشو از اين اجزا، هنگامي که تحت اختلاف فشار معيني قرار دارند، مي‌باشد. اين آزمايش علاوه بر کنترل ميزان هوابندي درب و پنجره‌هاي ساختماني و ايجاد امکان اعمال مقررات به خريدار امکان انتخاب پنجره مناسب با توجه به نوع و محل استفاده و به مهندس محاسب تاسيسات دقيق‌تر را مي‌دهد.
تجهيزات مورد نياز جهت انجام آزمايش
آزمايش عبارت از نصب و آب‌بندي نمونه آزمايش بر روي محفظه آزمايش و ارسال هوا به اين محفظه در نرخي که اختلاف فشار دو طرف نمونه حفظ شود و اندازه‌گيري نرخ جريان هوا مي‌باشد. اندازه‌گيري جريان هواي عبوري از درزهاي قسمتهاي بازشو درب و پنجره‌ها از اهداف آزمايش مي‌باشد و نشت از محل نصب آن‌ها مورد نظر نمي‌باشد. استانداردهاي مختلف خارجي استفاده از تجهيزات زير را جهت انجام آزمايش هوابندي توصيه مي‌شود.
- سيستم ارسال هوا : يک دمنده يا فن يا دمنده‌اي با قابليت چرخش عکس با دور قابل تنظيم جهت تامين اختلاف فشار معين در دو طرف نمونه آزمايش مورد نياز است. اين سيستم بايد قابليت تامين و ارسال دبي ثابت هوا در يک اختلاف فشار معين و در يک فاصله زماني که جهت خواندن دبي هوا مورد نياز است را از طريق کانال‌هاي هوا به محفظه آزمايش داشته باشد.
- محفظه آزمايش : هواي ارسالي از سيستم ارسال هوا به محفظه آزمايش موجب ايجاد فشار بيشتر اين محفظه نسبت به فضاي آزمايشگاه مي‌شود. يک دريچه در يک طرف اين محفظه درزبندي شده براي اعمال فشار به يک سمت از نمونه قرار دارد. محفظه آزمايش بايد تحمل اختلاف فشار مورد نياز در طول انجام آزمايش را داشته باشد. آزمايش نشت هوا مطابق مقررات ساختماني در برخي از کشورها از جمله آمريکا و مطابق بسياري از استانداردها از جملهASTM E – 283 بايد براي شرايط باد با سرعت 40 کیلومتر بر ساعت يعني اختلاف فشار 75pa صورت گيرد. البته براي شرايط خاصي که درزبندي خيلي اهميت داشته باشد حداکثر اختلاف فشار مي‌تواند تا 1Kpa باشد. يک وسيله اندازه‌گيري فشار، اختلاف فشار موجود در دو طرف پنجره را بايد اندازه‌گيري کند. اين وسيله بايد در جايي از محفظه نصب شود که تحت تاثير هواي ارسالي به داخل محفظه قرار نگيرد. ضمنا ارسال هوا به داخل محفظه بايد به گونه‌اي انجام گيرد که هوا با سرعت قابل ملاحظه‌اي به نمونه آزمايش برخورد ننمايد.
- ديواره آزمايش: دريچه متصل به محفظه آزمايش بر روي اين ديواره قرار داشته و نصب نمونه آزمايش با فاصله از آن بر روي اين ديواره صورت مي‌پذيرد. طرف خارجي نمونه آزمايش در سمت فشار بالا قرار مي‌گيرد تا امکان اندازه‌گيري ميزان نشت از خارج به داخل (infiltration) از طريق نمونه ايجاد شود. دستگاه آزمايش بايد مکانيزم‌هاي لازم جهت نصب و نگهداري نمونه آزمايش را دارا باشد.
- وسيله اندازه‌گيري اختلاف فشار : وسيله‌اي جهت اندازه‌گيري اختلاف فشار در دو طرف نمونه آزمايش با دقت 2% يا 2.5pa ( هرکدام که بزرگتر است) مورد نياز است.
- سيستم اندازه‌گيري دبي هوا: وسيله‌اي که در مسير کانال هوا نصب مي‌شود تا دبي ارسالي به محفظه آزمايش را اندازه‌گيري نمايد. خطاي اندازه‌گيري در موقعي که دبي برابر يا بيشتر از 4- 10* 9.44 مترمکعب بر ثانیه است از 10% نبايد بيشتر باشد.
- وسيله اندازه گيري دما، فشار و رطوبت نسبي هواي آزمايشگاه: دما و فشار آزمايشگاه براي استاندارد نمودن نتايج مربوط به دبي‌هاي نشت اندازه‌گيري شده لازم هستند. ضمناً گزارش ميزان رطوبت نسبي هواي آزمايشگاه ضرورت دارد.
روش انجام آزمايش
قبل از انجام آزمايش نمونه بر روي ديواره و روبروي دريچه متصل به محفظه آزمايش نصب مي‌شود. در استانداردهاي مختلف روش‌هاي انجام آزمايش اندکي با هم تفاوت دارند اما کليات و اساس آن‌ها کاملاً شبيه هم است. روش‌هاي پيشنهاد شده همه زير مجموعه‌اي از دو روش کلي به شرحي که ذکر مي‌شود هستند.
در روش اول به يکباره نمونه آزمايش تحت اختلاف فشار ثابت و معيني که توسط درخواست کننده تعيين شده است قرار مي‌گيرد. در اين هنگام دبي کلي عبور هوا اندازه‌گيري مي‌شود. اين دبي برابر مجموع دبي عبوري از درزهاي قسمتهاي بازشو نمونه آزمايش و دبي عبوري از روزنه‌هاي خود محفظه آزمايش و از محل نصب قاب‌هاي خارجي نمونه بر روي ديواره آزمايش مي‌باشد. در مرحله بعد پس از پوشاندن کليه درزهاي قسمتهاي بازشو نمونه يا پوشاندن کل سطح نمونه ( بجز محل‌هاي نصب) مجدداً اختلاف فشار قبل برقرار مي‌شود و دبي عبوري از محفظه آزمايش و محل‌هاي نصب اندازه‌گيري مي‌شود. با کم کردن اين دبي از دبي کل، دبي نشت از درز قسمتهاي بازشو نمونه آزمايش بدست مي‌آيد.
در روش دوم نمونه آزمايش بصورت پله‌اي تحت اختلاف فشارهاي مختلف از حداقل 50pa تا حداکثر تعيين شده توسط متقاضي قرار مي‌گيرد. در مرحله اول دبي عبوري کل از نمونه آزمايش در هر پله از اختلاف فشار هنگام افزايش فشار و هنگام کاهش آن اندازه‌گيري مي‌شود و بزرگ‌ترين مقدار در هر پله به عنوان دبي کل نشت منظور مي‌شود. در مرحله بعد پس از پوشاندن کليه درزهاي قسمتهاي بازشو نمونه يا پوشاندن کل سطح نمونه ( بجز محل‌هاي نصب) مجدداً اختلاف فشارها بصورت پله‌اي برقرار مي‌شود و مشابه مرحله قبل دبي عبوري از محفظه آزمايش و محل‌هاي نصب در هر اختلاف فشار اندازه‌گيري مي‌شود. اين دبي به نشت اضافي معروف است. در هر اختلاف فشار مشخص با کم کردن اين دبي از دبي کل، دبي نشت از درز قسمتهاي بازشو نمونه آزمايش بدست مي‌آيد.
برابر توصيه استانداردهاي مختلف لازم است قبل از گزارش نتايج آزمايش دبي‌هاي بدست آمده در مراحل آزمايش به دبي در شرايط استاندارد دما و فشار تبديل شوند. دبي نشت مي‌تواند بر واحد سطح کلي نمونه يا سطح قسمتهاي بازشو نمونه و يا واحد طول کل درزهاي قسمتهاي بازشو نمونه آزمايش بيان شود. با مقايسه دبي نشت با دبي بيان شده در استاندارد در همان فشار خاص صحت عملکرد نمونه تاييد مي‌شود و يا ميزان نشت از نمونه در اختلاف فشارهاي مختلف گزارش مي‌شود.
گزارشي از فعاليت‌هاي انجام شده در مرکز تحقيقات ساختمان و مسکن
مرکز تحقيقات ساختمان و مسکن در راستاي انجام يکي از اهداف خود که همان بهينه‌سازي مصرف انرژي در ساختمان‌ها است پروژه " تجهيز آزمايشگاه تعيين کيفيت جداره‌هاي شفاف ساختماني از نظر ميزان هوابندي و آب بندي" را تعريف نمود. اين پروژه به سازمان محترم بهينه‌سازي مصرف سوخت کشور پيشنهاد گرديد و اجراي آن مورد تصويب قرار گرفت. از نيمه دوم سال 1380 مراحل طراحي و سپس عمليات ساخت دستگاه آزمايش مربوطه در مرکز تحقيقات ساختمان و مسکن به کارفرمايي سازمان بهينه‌سازي در جريان مي‌باشد. ايجاد امکان نظارت بر ساخت و توليد درب‌ها و پنجره‌هاي از پيش ساخته شده ساختماني در داخل کشور از جمله اهداف اين پروژه مي‌باشد. برخي از اقداماتي که تاکنون براي اين پروژه انجام شده‌اند در ادامه ذکر گرديده‌اند.
جمع آوري و بررسي استانداردهاي مربوطه
با مراجعه به کتابخانه‌هاي مراکز مختلف علمي و موسسه استاندارد ايران و با استفاده از شبکه اينترنت و با کمک شرکت‌هايي که در اين زمينه فعاليت مي‌کنند استانداردهاي خارجي و داخلي در رابطه با تعيين ميزان هوابندي درب‌ها و پنجره‌هاي ساختماني تحت شرايط مختلف جمع‌آوري شده است. سپس بررسي‌هاي لازم بر روي آن‌ها به منظور استنباط مفهومي انجام شده است.
ليست زير فقط نام تعدادي از استانداردهاي تهيه شده مي‌باشد که مستقيما به آزمايش‌هاي هوابندي آورده شده مربوط مي‌باشند. از ذکر نام استانداردهاي ديگر از جمله استانداردهايي که به آزمايش آب‌بندي مربوط مي‌شوند در اينجا خودداري شده است.
- استاندارد ملي ايران :
4347: روش آزمون نفوذپذيري دريچه‌هاي فولادي پيش ساخته ساختمان
4348: در و پنجره فولادي پيش ساخته ساختمان
- انسيتو استاندارد بريتانيا (BSI)
BS 5368:Part1: 1975(EN 42) Methods of testing windows part 1.Air permeability test
BS 6375: Part1: 1989 Performance of windows part 1.classification for weathertightness (including guidance on selection and specification)
BS 5368 : part4 : 1978 (EN 78 ) Methods of testing windows.part 4.form of test report.
- استاندارد انجمن تست مواد آمريکا ASTM:
E 283-91 Standard test Method for Determining the rate of air leakage through exterior windows,curtain walls, and doors underspecified pressure differnces across the specimen.
- استاندارد DIN :DIN EN 1026 windows and doors,Air permeability – Test method
- موسسه بين المللي استاندارد (ISO) :ISO 6613 windows and door height windows –Air permeability test
ISO 8272 doorsets – Air permeability test
- استاندارد (UL) :UL 1784 Air leakage tests of door assemblies
استخراج نحوه، شرايط و مراحل انجام آزمايش
پس از بررسي استانداردهاي جمع آوري شده، مراحل، شرايط و روش انجام آزمايش ميزان هوابندي استخراج شده است. سپس مطالعه براي طراحي تجهيزات مورد نياز جهت تجهيز دستگاه آزمايش انجام شده است.
طراحي مفهومي تجهيزات
در استانداردهاي موجود فقط شرايط انجام آزمايش توضيح داده شده‌اند و در مورد تجهيزات مورد نياز اطلاعاتي وجود ندارد. بنابراين لازم بود که در ابتدا بصورت مفهومي طراحي کلي دستگاه آزمايش انجام شده و سپس تجهيزات مورد نياز برآورد و ساخته يا انتخاب شوند.
با توجه به اهداف کلي پروژه و بدليل مشابهت بسيار زياد شرايط آزمايش‌هاي هوابندي از همان ابتدا سعي شده دستگاه آزمايش بگونه‌اي طراحي شود که امکان آزمايش‌هاي هوابندي و هم آزمايش‌هاي آب‌بندي با آن وجود داشته باشد.
پس از طي مراحل مختلف طراحي و اعمال اصلاحات منظور شده، طرح نهايي به گونه‌اي صورت گرفته است که علاوه بر امکان آزمايش‌هاي هوابندي و آب‌بندي با يک دستگاه آزمايش واحد، اين آزمايش‌ها مي‌توانند مطابق تمام استانداردهاي ذکر شده انجام شوند، در نتيجه طبق درخواست سازنده يا تصميم کاربر انجام آزمايش‌ها طبق هرکدام از استانداردهاي ذکر شده امکان پذير خواهد بود.
انجام محاسبات طراحي قسمتهاي مختلف تجهيزات و تهيه نقشه هاي اجرايي
پس از طراحي مفهومي تجهيزات تک تک اجزا تشکيل دهنده دستگاه آزمايش طراحي و محاسبات مربوط به هر قسمت انجام شده‌اند. سپس مدل سه بعدي هر جزء توسط کامپيوتر تهيه و نقشه‌هاي اجرايي آن‌ها نيز رسم شده و به گروه ساخت تحويل گرديده است.
ساخت تجهيزات
مراحل ساخت سازه اصلي دستگاه آزمايش و عمده تجهيزات ديگر و نصب آن‌ها از جمله ديواره آزمايش و تجهيزات تامين فشار شامل فن و موتور و دور متغير آن هم اکنون به انجام رسيده است. در حال حاضر مراحل نهايي ساخت دستگاه و نصب تجهيزات اندازه‌گيري و کنترل بر روي آن در حال اجرا مي‌باشد.
منابع
1- Window air leakage,J.R.sesaki & A.G.Wilson,ccanadian building digest,CBD25.
2- ASHRAE Handbook , fundamentals , vol 4,chapter 23,1990.
3- Reducing heat loss due to air leakage,Oregon residential energy code,no . 14,Oregon state government ,August 1996.
4- E 283-91 Standard test method for determining the rate of air leakage through exterior windows,curtain walls,and doors under specified pressure difference across the specimen.
5- BS 5368 :Part1:1976 (EN42)methods of testing windows part 1.air permeability test.
