مقدمه

مدت زمان مدیدی است که از پنجره به منظور تهویه، استفاده از نور و روز و روشنایی استفاده شده است. بسیاری از مطالعات نشان داده‌اند که حتی سلامتی، آسایش و بهره وری در محیط‌های داخلی ساختمان که از تهویه مناسب و نور طبیعی کافی برخوردارند، بهبود می‌یابند. با این وجود پنجره‌ها منبع اصلی اتلاف ناخواسته گرما، ناراحتی و مشکلات مربوط به میعان می‌باشند. تنها در سال 1990 انرژی مصرفی برای جبران اتلاف و دریافت ناخواسته گرما از طریق پنجره‌ها در ساختمان‌های مسکونی و تجاری هزینه‌ای بالغ بر 20 میلیون دلار برای ایالات متحده دربر داشته است (این مقدار یک چهارم کل انرژی مصرف شده جهت سرمایش و گرمایش فضا می‌باشد). در سال‌های اخیر انقلابی فنی و تکنیکی در مورد پنجره و صنعت پنجره‌سازی به وقوع پیوست. سیستم‌های شیشه و پنجره با عملکرد عالی و بازدهی بالا در حال حاضر موجودند که بطور چشمگیر و موثری مصرف انرژی را کاهش داده و از ورود منابع آلودگی صوتی و گرد و غبار به داخل ساختمان جلوگیری می‌نمایند. در این پنجره‌ها اتلاف حرارت و نشت هوا کمتر می‌باشد و سطوح این پنجره‌ها گرم‌تر می‌باشند که این امر موجب افزایش و بهبود راحتی شده و مشکل میعان را به حداقل می‌رساند. این پنجره‌ها با عملکرد بالا و عالی، دوجداره یا سه‌جداره دارای فیلم‌ها و پوشش‌های شفاف مخصوص بوده و فضای میانی جدارهای آن‌ها توسط گازهای ویژه پر شده است و قاب‌های پیشرفته و اصلاح شده دارند، که تمام این ویژگی‌ها سبب کاهش اتلاف حرارت از طریق پنجره‌ها شده و در نهایت انتقال حرارت را کاهش می‌دهند.

تعریف

سیستم‌های پنجره متشکل از صفحات شیشه، قاب‌ها و چارچوب‌های ساختاری، جداکننده‌ها و درزبندها می‌باشند. در سال‌های اخیر انواع مختلف شیشه، پوشش و قاب‌ها جهت استفاده در سیستم‌های پنجره به طور چشمگیری افزایش یافته‌اند بنابراین امکان انتخاب بهینه پنجره سازگار با شرایط متفاوت از محیطی به محیط دیگر وجود دارد.

تعیین دقیق ویژگی‌های سیستم‌های شیشه و پنجره برای صرفه‌جویی در مصرف انرژی، بازدهی انرژی، آسایش و راحتی کلیه ساختمان‌ها لازم و ضروری است. در ساختمان‌های مسکونی با بار سطحی، طراحی بهینه پنجره و شیشه می‌تواند مصرف انرژی را از 10-50% کمتر از حد مقرر و مقدار عملی قابل قبول در اکثر شرایط آب و هوایی کاهش دهد. در ساختمان‌های تجاری با بار داخلی، صنعتی و موسساتی؛ سیستم‌های پنجره بندی(سیستم‌های ویژه روزنه) از پتانسیل لازم برای کاهش هزینه‌های روشنایی، نوردهی و سیستم حرارت دهی و تهویه هوا از 10-40% برخوردارند.

انتخاب شیشه و پنجره بایستی کاملا همه جانبه در نظر گرفته شود. بعد از توافق طراحان و سفارش دهنده در خصوص مسئله طراحی، موضوعات و گزینه‌های زیر بایستی مد نظر قرار گیرد و ارزیابی گردد:

- بهره، دریافت و اتلاف حرارت

- نیازمندی‌های بصری (حریم، نور، منظره)

- کنترل سایه و نور خورشید

- آسایش حرارتی

- کنترل میعان

- کنترل اشعه ماوراء بنفش

- کنترل صوتی

- تاثیرات رنگ

- روشنایی و نور روز

- نیازمندی‌های انرژی

و در نهایت انتخاب بهینه و مطلوب سیستم‌های پنجره و شیشه به عوامل زیادی از جمله نوع کاربرد ساختمان، آب و هوای محلی، میزان استفاده و کارایی، جهت و سمت قرار گرفتن ساختمان و میزان تسهیلات و امکانات رفاهی بستگی دارد.

مشخص نمودن پنجره‌ها و شیشه‌ها

جهت تعریف و نشان دادن سیستم پنجره لازم است که خصوصیات و مشخصات زیر تعریف شود:

- ضریب انتقال حرارت پنجره

- ضریب بهره دهی انرژی گرمایی خورشیدی پنجره یا ضریب سایه

- عبور قابل رویت شیشه

در رابطه با مسائل مربوط به زیبایی و عملکردی ممکن است رنگ‌ها و پوشش‌ها نیز تعریف و مشخص شوند.

ضریب انتقال حرارت

این ضریب نشان دهنده میزان حرارت ناشی از هدایت، جابجایی و تشعشع از طریق پنجره در نتیجه اختلاف دمای داخل و خارج می‌باشد. هر چه میزان این ضریب بیشتر باشد حرارت بیشتری از طریق پنجره در فصل زمستان منتقل( تلف) می‌شود.

پنجره‌ای با ضریب انتقال حرارت 6/0 تحت شرایط مشابه حرارتی دو برابر پنجره‌ای با ضریب انتقال حرارت 3/0، حرارت از دست خواهد داد.

مجموع ضرایب انتقال حرارت پنجره می‌تواند تا حد قابل توجهی از ضرایب حرارت در مرکز شیشه بیشتر باشد.

ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی

این ضریب نشان می‌دهد که چه میزان از انرژی خورشید که به پنجره برخورد می‌کند از طریق آن به عنوان حرارت انتقال می‌یابد. هرچه ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی بیشتر باشد پتانسیل بهره خورشیدی و دریافت آن از طریق پنجره بیشتر خواهد بود.

ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی بین 0 و 1 می‌باشد. مقدار صفر به این معنی است که هیچ یک از دریافت‌های نور خورشید از طریق پنجره به عنوان حرارت منتقل نمی‌شود و مقدار یک به این معنی می‌باشدکه همه انرژی خورشیدی تابشی از طریق پنجره به عنوان گرما منتقل می‌شود. پنجره‌ای با ضریب بهره گرمایی خورشیدی 6/0 دارای بهره گرمای خورشیدی دو برابر پنجره ای با مقدار 3/ 0 می‌باشد. بطور معمول پنجره‌هایی با مقادیر کم ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی در ساختمان‌های با بار  تهویه مطبوع بالا مناسب‌ترند، درحالیکه پنجره‌هایی با مقادیر زیاد ضریب بهره گرمای خورشیدی در ساختمان‌هایی مطلوب هستند که در آن‌ها به حرارت خورشیدی غیرفعال نیاز می‌باشد اصطلاح ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی عبارتی تقریبا جدید است و قرار است جانشین اصطلاح ضریب سایه گردد.

عبور قابل رویت

انتقال و عبور قابل رویت نشان دهنده درصد بخش قابل رویت طیف خورشید است که از طریق یک محصول شیشه‌ای منتقل می‌شود.

نور خورشید یک شکل الکترومغناطیس از تبادل انرژی بین خورشید و زمین است که متشکل از طیفی از امواج الکترومغناطیس می‌باشد که معمولا تحت عنوان اشعه ماوراء بنفش، قابل رویت و مادون قرمز طبقه بندی شده و در کل به نام طیف خورشیدی نامیده می‌شود. طول موج کوتاه اشعه ماوراء بنفش عمدتا با چشم عادی دیده نمی‌شوند اما عامل رنگ رفتگی الیاف پارچه‌ای و آسیب به پوست محسوب می‌شود. نور قابل رویت از آن دسته طول موج‌های ساخته شده است که توسط چشم انسان قابل ردیابی است این نور تقریبا شامل 47% انرژی نور خورشید است طول موج‌های بلندتر مثل اشعه مادون قرمز نیز غیرقابل رویت بوده و شامل 46% انرژی در نور خورشید می‌باشد در یک سیستم شیشه‌ای، اصطلاح شاخص سردی که به نام ضریب تاثیر نیز گفته می شود نسبت انتقال قابل رویت به ضریب سایه می‌باشد.

رنگ‌ها و پوشش‌ها

خواص یک شیشه را می‌توان توسط رنگ زدن یا استفاده از روکش‌ها و پوشش‌های گوناگون یا فیلم‌ها تغییر داد.

- رنگ‌های شیشه معمولا حاصل رنگدانه‌هایی است که هنگام تولید به شیشه اضافه می‌شود. بعضی رنگ‌ها نیز با چسباندن فیلم‌های رنگی به شیشه بعد از تولید به دست می‌آیند.

- رنگ‌ها معمولا به منظور زیبایی انتخاب می‌شوند. بعضی از رنگ‌ها نیز به کاهش دریافت و بهره نور خورشید کمک می‌کنند.

- روکش‌هایی به شکل اکسیدهای فلزی را نیز می‌توان در حین تولید شیشه به کار برد. بعضی از این روکش‌ها تحت عنوان کم انتشار به کاهش گرمای تابشی بین صفحات شیشه از طریق مسدود کردن بعضی یا کلیه طول موج‌های اشعه مادون قرمز کمک می‌کنند. این روکش‌ها تا حد زیادی می‌توانند از ضریب انتقال حرارت بکاهند.

- در تعیین رنگ‌ها و روکش‌ها باید دقت شود زیرا کاربرد آن‌ها می‌تواند تاثیر به سزایی در اتلاف و دریافت حرارت پنجره داشته باشد. انتخاب نابجا و غلط می‌تواند منتج به عملکردی کاملا نامطلوب و مخالف گردد.

- از نقطه ‌نظر عملکردی، تعیین ضریب انتقال حرارت پنجره ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی و عبور قابل رویت شیشه کافی است و نیازی به تعیین رنگ‌ها و روکش‌ها نیست.

بعضی توصیه‌ها در خصوص انتخاب رنگ‌ها و شیشه‌ها عبارتند از :

- در موارد عمومی، ضرایب انتقال حرارت (4/0>) را برای کاربردهای مسکونی انتخاب کنید. حتی مقادیر کمتر در شرایط آب و هوایی بسیار گرم می‌تواند مطلوب باشد.

- هنگام تعریف عملکرد پنجره‌ها، دقت کنید مقادیر کلی عملکرد محصول را برای ضریب انتقال حرارت و ضریب‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی در نظر بگیرد. از کاربرد ضرایب انتقال حرارت تنهای شیشه باید خودداری شود.

- در شرایط آب و هوایی با بار تهویه مطبوع بسیار زیاد، پنجره‌هایی را با مقادیر کم ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی ( 4/0>) انتخاب کنید.

- به طور کلی، عبور قابل رویت بالای شیشه (7/0>) برای نور روز مطلوب است.

- برای ساختمان‌های تجاری در رابطه با استراتژی نور روز، مبادلات بین شیشه‌های استاندارد و شاخص سردی بالای شیشه ( که از نظر طیفی انتخابی نامیده می‌شوند) را بررسی کنید. شیشه انتخاب طیفی دارای انتقال قابل رویت نسبتا بالا و ضریب بهره‌دهی گرمای خورشیدی نسبتا پایین است.

- معمولا بایستی پنجره‌هایی با ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی کم برای شیشه‌های شرقی و غربی به عنوان وسیله‌ای برای کنترل دریافت نور خورشید و افزایش راحتی ساکنین در نظر گرفته شود.

برای ساختمان‌های بزرگ تجاری و صنعتی، از پنجره‌هایی با ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی کم در نمای شرق، جنوب و غرب استفاده کنید. ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی در پنجره‌های شمالی برای بیشتر طول جغرافیایی قاره آمریکا چندان اهمیتی ندارد.

- برای ساختمان‌هایی که در آن‌ها انرژی گرمایی خورشیدی غیرفعال مطلوب است، لازم است که پنجره‌هایی جنوبی با مقادیر زیاد ضریب بهره‌دهی انرژی گرمایی خورشیدی همراه با ضریب انتقال حرارت پایین در نظر گرفته شود.

- پنجره‌ها را به دقت انتخاب کنید. انتخاب مناسب پنجره‌ها می‌تواند منجر به ایجاد متوسط دمای تابشی بیشتری در زمستان و کمتری در تابستان گردد و به راحتی ساکنین و بازدهی کار آن‌ها بیفزاید. متوسط دمای تابشی نشانگر متوسط درجه حرارتی است که یک فرد از تبادل حرارت تابشی با محیط خود حس می‌کند.

 

 

نوع شیشه (محصول)	ضخامت شیشه (اینچ)	عبور قابل رویت (درصدی از نور روز)	ضریب انتقال حرارت (زمستان)	ضریب بهره دهی انرژی گرمایی خورشید
شیشه تک جداره	0.25	89	1.09	0.81
شیشه عایق دو جداره	0.25	79	0.48	0.70
شیشه عایق سه جداره	0.125	74	0.36	0.67
شیشه دو جداره انتشار کم پیرولیت	0.125	75	0.33	0.71
شیشه دو جداره انتشار کم با روکش وپر شده با آرگون	0.25	73	0.26	0.57
شیشه با انتشارکم و عملکرد بالا	0.25	70	0.29	0.37

 

انواعی از سیستم‌های شیشه و پنجره

برخی از سیستم های شیشه و پنجره عبارتند از :

پنجره‌های پر شده با گاز. گازهایی مانند آرگون و کریپتون غالبا بین صفحات شیشه و فضای میانی جداره‌ها تزریق می‌شوند تا از انتقال هدایتی و جابجایی گرما بکاهند و کارآیی آن‌ها افزایش یابد. این گازهای کم هزینه از مقادیر ضریب انتقال حرارت (بدون تاثیرات بر ضریب سایه یا عبور قابل رویت) می‌کاهند.

شیشه ایمنی

فیلم‌های رتروفیت ( اصطلاح ساختار )

شیشه‌های قابل تغییر نسل جدیدی از شیشه‌های دینامیک موجود می‌باشند که خواص نوری را از طریق تغییراتی در نور، دما یا ولتاژ تغییر می‌دهند. ( فتو کرومیک، ترموکرومیک و الکتروکرومیک ).

توصیه‌ها و هشدارها در رابطه با کارکرد و تعیین سیستم پنجره و شیشه، بعضی از هشدارها عبارتند از:

- استفاده از پنجره‌هایی با عملکرد بالا می‌تواند تا حد زیادی از بار سرمایش و گرمایش کاشته و نیاز به گرم کردن محیطی در ساختمان‌هایی با ابر داخلی را به علت تاثیر افزایش متوسط دمای تابشی حذف نماید و بر روی آسایش ساکنین تاثیر مثبت داشته باشد.

- سیستم‌های پنجره با ضریب نشر کم و روکش‌های انتخاب طیف می‌توانند مانع از ضرر رساندن طول موج‌های مضر اشعه ماوراء بنفش گشته و بر عمر لوازم منزل بیفزایند.

- سیستم‌های مطلوب و بهینه پنجره بندی برای گرمایش غیرفعال در ساختمان‌های مسکونی یا برای تامین نور روز در ساختمان‌های تجاری/صنعتی موجب کاهش بارها می‌شوند.

- همواره مقادیر مجاز عملکرد کل انرژی محصول را مشخص کنید.

- کلیه روکش‌های با ضریب نشر کم مشابه نیستند. اگر روکش‌های انتخابی به عنوان یک استراتژی جهت افزایش عملکرد تعیین شده‌اند مطمئن شوید این روکش‌ها به خوبی و بجا برای استفاده مورد نظر شما انتخاب شده است.

- همواره به کنترل تابش به ویژه در کاربردهای تجاری و صنعتی توجه کنید. محدود کردن نسبت‌های تقابل و فراهم کردن انتقال مرئی در محدوده دید به ویژه در کاربردهای نور روز حیاتی است.

- تا حد امکان سعی نمایید که میعان و بخار گرفتگی پنجره‌ها اتفاق نیفتد. میعان وقتی اتفاق می‌افتد که دمای سطح شیشه زیر نقطه شبنم هوای اتاق باشد که می‌تواند به پنجره‌ها و عناصر دیوار آسیب زده و مانع از دید شود.

- ساختمان‌های تاریخی اغلب نیازمند ریزه‌کاری‌های خاص بر روی پنجره‌ها می‌باشند. تمایل به دستیابی به دقت تاریخی می‌تواند گاهی با میل به تامین کارآرایی در تضاد افتد. خوشبختانه، چند شرکت در دنیا هم اکنون محصولاتی با عملکرد بالا ارائه می‌کنند که می‌توانند مشابه پنجره‌های تاریخی بوده در حالی که کارآیی انرژی را نیز حفظ می‌کند.