مقایسه تاثیر SHGC و Uvalue در صرفه جویی انرژی در اقلیم ایران

توسط /
shgc glass curtainwall

  • مقدمه‌ای بر فناوری نانو در صنعت شیشه:پوشش‌های نانومتری لایه‌های بسیار نازکی هستند که بر روی سطوح مختلف، از جمله شیشه، اعمال می‌شوند تا خواص فیزیکی، شیمیایی یا نوری آن سطح را تغییر داده و بهبود بخشند.16 این پوشش‌ها می‌توانند از ذراتی با ابعاد نانومتری (معمولاً ۱ تا ۱۰۰ نانومتر) تشکیل شده باشند. در صنعت شیشه، از پوشش‌های نانو برای ایجاد خواصی مانند خودتمیزشوندگی (با استفاده از ذرات نانو دی‌اکسید تیتانیوم) 17، ضد بازتاب نور، مقاومت در برابر خراش، و مهم‌تر از همه، کنترل انتقال حرارت و انرژی خورشیدی استفاده می‌شود.

  • پوشش‌های نانومایع برای کاهش SHGC و بازتاب امواج مادون قرمز (IR):دسته خاصی از پوشش‌های نانو به صورت مایع فرموله شده‌اند که می‌توان آن‌ها را بر روی سطوح شیشه‌ای موجود اسپری کرده یا اعمال نمود. این پوشش‌ها پس از خشک شدن، یک لایه نازک، شفاف و پایدار بر روی شیشه ایجاد می‌کنند. مکانیسم اصلی عملکرد این پوشش‌ها در کنترل انرژی خورشیدی، بازتاب یا جذب انتخابی بخش مادون قرمز (IR) طیف خورشید است. بخش عمده‌ای از انرژی گرمایی تابش خورشید در ناحیه مادون قرمز قرار دارد. این پوشش‌های نانو به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بخش زیادی از امواج IR را بازتاب داده یا جذب کرده و سپس به سمت خارج بازتابش کنند، در حالی که اجازه عبور بخش قابل توجهی از نور مرئی را می‌دهند. این ویژگی باعث می‌شود که فضای داخلی از گرمای ناخواسته خورشید محافظت شود بدون آنکه روشنایی طبیعی به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یابد.18 مزایای این روش شامل امکان اعمال بر روی شیشه‌های موجود (retrofit) بدون نیاز به تعویض کامل پنجره، هزینه بالقوه کمتر نسبت به تعویض، و حفظ شفافیت شیشه است.

  • معرفی “نانو شیلد زیگورات” (بر اساس اطلاعات ارائه شده توسط کاربر):طبق اطلاعات ارائه شده، “نانو شیلد زیگورات” یک پوشش نانومایع است که ادعا می‌شود قادر است تا ۹۰ درصد از امواج مادون قرمز را حذف کرده و SHGC یک شیشه تک‌جداره معمولی را به حدود ۰.۴ برساند.

    • تحلیل پتانسیل: دستیابی به SHGC حدود ۰.۴ برای یک شیشه تک‌جداره با استفاده از یک پوشش، یک پیشرفت بسیار قابل توجه محسوب می‌شود. شیشه‌های تک‌جداره معمولی، به ویژه انواع شفاف، دارای SHGC بسیار بالایی هستند (به عنوان مثال، طبق یک منبع، SHGC شیشه تک‌جداره شفاف حدود ۰.۶۶ است 15، و در برخی موارد می‌تواند تا ۰.۸ یا بیشتر نیز برسد). کاهش این مقدار به ۰.۴ به معنای کاهش چشمگیر ورود گرمای خورشیدی است. محصولات مشابهی از شرکت‌های دیگر نیز در بازار جهانی وجود دارند که ادعاهای مشابهی در زمینه مسدودسازی امواج IR و کاهش SHGC دارند. به عنوان مثال، محصول KillGlass (رنگی) SHGC معادل ۰.۴۶ را گزارش می‌کند 19 و Star Heat Shield ادعای مسدودسازی ۹۵ تا ۹۹ درصد از امواج IR را دارد.18 این موارد نشان می‌دهد که دستیابی به چنین عملکردی از نظر فنی امکان‌پذیر است.

    • اهمیت برای ساختمان‌های قدیمی ایران: بخش قابل توجهی از ساختمان‌های موجود در ایران، به ویژه ساختمان‌های قدیمی‌تر، دارای پنجره‌های تک‌جداره با عملکرد حرارتی بسیار ضعیف هستند. تعویض این پنجره‌ها با انواع دوجداره یا Low-E اغلب پرهزینه و گاهی دشوار است. فناوری پوشش‌های نانومایع مانند “نانو شیلد زیگورات” (در صورت اثبات عملکرد ادعا شده) می‌تواند یک راهکار بسیار جذاب و مقرون‌به‌صرفه برای بهسازی این ساختمان‌ها و کاهش مصرف انرژی آن‌ها، به ویژه در بخش سرمایش، باشد.

  • مقایسه با سایر راهکارهای کنترل خورشیدی:پوشش‌های نانومایع باید با سایر راهکارهای موجود برای کنترل بهره حرارتی خورشیدی مقایسه شوند، از جمله:

    • شیشه‌های Low-E: این شیشه‌ها دارای پوشش‌های میکروسکوپی فلزی یا اکسید فلزی هستند که در فرآیند تولید بر روی شیشه اعمال می‌شوند و می‌توانند هم U-value و هم SHGC را به طور مؤثری کاهش دهند.

    • شیشه‌های رنگی (Tinted Glass): با افزودن اکسیدهای فلزی به ترکیب شیشه، رنگی می‌شوند و بخشی از تابش خورشیدی را جذب می‌کنند، که منجر به کاهش SHGC می‌شود.

    • فیلم‌های کنترل خورشیدی (Solar Control Films): لایه‌های پلیمری نازکی هستند که بر روی سطح داخلی یا خارجی شیشه‌های موجود چسبانده می‌شوند و می‌توانند SHGC و عبور نور را کاهش دهند.

    • سایه‌بان‌های خارجی و داخلی: راهکارهای غیرمرتبط با خود شیشه که از رسیدن تابش خورشید به سطح شیشه جلوگیری کرده یا آن را کاهش می‌دهند.

جدول ۴: مقایسه عملکرد و هزینه نسبی راهکارهای مختلف بهبود SHGC شیشه

راهکار U-value نمونه (W/m2K) SHGC نمونه VT نمونه هزینه نسبی مزایا معایب/محدودیت‌ها
شیشه تک‌جداره معمولی (شفاف) ۵.۰ – ۵.۸ ۰.۶۵ – ۰.۸۵ ۰.۸ – ۰.۹ کم هزینه اولیه پایین، عبور نور بالا عملکرد حرارتی بسیار ضعیف، SHGC و U-value بالا
شیشه دوجداره معمولی (شفاف) ۲.۵ – ۳.۰ ۰.۵۵ – ۰.۷۵ ۰.۷ – ۰.۸ متوسط U-value بهتر از تک‌جداره، عایق صوتی بهتر SHGC همچنان بالا برای اقلیم گرم
شیشه دوجداره با پوشش Low-E (برای اقلیم گرم) ۱.۶ – ۲.۰ ۰.۲۵ – ۰.۴۰ ۰.۴ – ۰.۷ زیاد U-value و SHGC پایین، کنترل خوب بهره خورشیدی، آسایش حرارتی بهتر هزینه اولیه بالاتر، نیاز به انتخاب دقیق نوع پوشش Low-E
شیشه تک‌جداره + نانو شیلد زیگورات (ادعایی) حدود ۵ (بدون تغییر قابل توجه U-value) حدود ۰.۴ متغیر (بسته به شفافیت پوشش) متوسط بهبود قابل توجه SHGC شیشه تک‌جداره، مناسب برای بهسازی، هزینه کمتر از تعویض کامل پنجره نیاز به تأیید عملکرد توسط آزمایشگاه معتبر، دوام پوشش، تأثیر احتمالی بر U-value ناچیز
فیلم کنترل خورشیدی (روی تک‌جداره) حدود ۵ (تغییر ناچیز) ۰.۲ – ۰.۵ ۰.۱۵ – ۰.۶ متوسط کاهش خوب SHGC، تنوع در رنگ و میزان عبور نور، مناسب برای بهسازی دوام محدودتر از پوشش‌های کارخانه‌ای، احتمال تغییر رنگ یا جدا شدن در طول زمان، کاهش VT

۷. توصیه‌های کاربردی برای انتخاب و بهینه‌سازی شیشه در ساختمان‌های ایران

انتخاب صحیح شیشه و بهینه‌سازی عملکرد پوسته شفاف ساختمان، چه در مرحله طراحی و ساخت ساختمان‌های نوساز و چه در فرآیند بهسازی ساختمان‌های موجود، نیازمند یک رویکرد علمی و یکپارچه است.

  • برای ساختمان‌های نوساز:

    1. طراحی یکپارچه از مراحل اولیه: انتخاب مشخصات شیشه نباید به عنوان یک تصمیم دیرهنگام در نظر گرفته شود. از همان مراحل اولیه طراحی مفهومی، باید عواملی چون جهت‌گیری ساختمان، اقلیم محلی، درصد پنجره به دیوار (WWR)، نوع کاربری فضاها، و نیاز به سایه‌بان‌های خارجی به طور همزمان با انتخاب اولیه U-value و SHGC شیشه‌ها مد نظر قرار گیرند. یک طراحی ضعیف در مراحل اولیه (مثلاً پنجره‌های بزرگ بدون سایه‌بان در نمای غربی یک ساختمان در اقلیم گرم) را نمی‌توان صرفاً با انتخاب یک شیشه بسیار پیشرفته جبران کرد.

    2. استفاده از شبیه‌سازی انرژی: برای ارزیابی دقیق گزینه‌های مختلف شیشه و پیش‌بینی عملکرد انرژی کل ساختمان، استفاده از نرم‌افزارهای معتبر شبیه‌سازی انرژی (مانند EnergyPlus، DesignBuilder، IESVE) اکیداً توصیه می‌شود. این ابزارها به طراحان کمک می‌کنند تا تأثیر متقابل پارامترهای مختلف را بررسی کرده و بهینه‌ترین ترکیب را انتخاب کنند.

    3. توجه به قاب پنجره و جزئیات نصب: عملکرد حرارتی مجموعه پنجره تنها به شیشه وابسته نیست. قاب پنجره نیز نقش مهمی ایفا می‌کند. استفاده از قاب‌های با شکست حرارتی (Thermal Break)، به ویژه قاب‌های آلومینیومی، برای کاهش پل‌های حرارتی و بهبود U-value کلی پنجره ضروری است.27 همچنین، کیفیت نصب و درزبندی دقیق پنجره‌ها برای جلوگیری از نفوذ هوای کنترل نشده و اتلاف انرژی بسیار حیاتی است.

    4. در نظر گرفتن نور مرئی عبوری (VT) و کنترل خیرگی: انتخاب شیشه‌ها باید به گونه‌ای باشد که ضمن کنترل مؤثر بهره حرارتی خورشیدی (SHGC پایین در اقلیم گرم)، نور طبیعی کافی را برای روشنایی فضاهای داخلی فراهم کند (VT مناسب). این امر به کاهش مصرف انرژی برای روشنایی مصنوعی کمک می‌کند. نسبت VT/SHGC (یا LSG) می‌تواند شاخص خوبی برای این منظور باشد. همچنین، باید به کنترل خیرگی ناشی از نور مستقیم خورشید توجه شود.

  • برای ساختمان‌های موجود (بهسازی و مقاوم‌سازی):با توجه به تعداد زیاد ساختمان‌های موجود با عملکرد انرژی نامطلوب در ایران، بهسازی پوسته‌های شفاف آن‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
    1. ارزیابی وضعیت موجود: اولین گام، بررسی دقیق نوع شیشه‌ها، قاب‌ها، وضعیت درزبندی و میزان اتلاف انرژی از طریق پنجره‌های فعلی است. این ارزیابی می‌تواند شامل بازرسی چشمی، استفاده از دوربین‌های حرارتی و یا محاسبات ساده باشد.
    2. گزینه‌های بهسازی:
      • اعمال پوشش‌های نانومایع کنترل خورشیدی: در صورتی که عملکرد و دوام این پوشش‌ها (مانند “نانو شیلد زیگورات”) توسط مراجع معتبر تأیید شود، می‌توانند گزینه جذابی برای کاهش SHGC شیشه‌های تک‌جداره یا دوجداره معمولی باشند.
      • نصب فیلم‌های کنترل خورشیدی: این فیلم‌ها نیز می‌توانند SHGC را به طور مؤثری کاهش دهند، اما باید به دوام و کیفیت آن‌ها توجه کرد.
      • تعویض شیشه‌ها: در برخی موارد، تعویض شیشه‌های تک‌جداره با شیشه‌های دوجداره یا Low-E (در همان قاب موجود، در صورت امکان) می‌تواند راهکار مؤثری باشد.
      • تعویض کامل پنجره: اگر قاب‌ها نیز بسیار فرسوده و ناکارآمد باشند، تعویض کامل پنجره با یک مجموعه جدید با عملکرد حرارتی بالا، بهترین گزینه در بلندمدت خواهد بود، هرچند هزینه اولیه بیشتری دارد.
      • بهبود درزبندی: استفاده از نوارهای درزگیر مناسب و تعمیر یا تعویض یراق‌آلات فرسوده می‌تواند نفوذ هوا را به طور قابل توجهی کاهش دهد.
      • استفاده از سایه‌بان‌های داخلی یا خارجی: نصب سایه‌بان‌های مؤثر، به ویژه سایه‌بان‌های خارجی، می‌تواند به میزان زیادی از ورود تابش خورشیدی در فصول گرم جلوگیری کند.

    در انتخاب راهکار بهسازی برای ساختمان‌های موجود، تحلیل هزینه-فایده (مقایسه هزینه اولیه با میزان صرفه‌جویی انرژی در طول عمر مفید) نقش کلیدی دارد. راهکارهای کم‌هزینه‌تر و با دوره بازگشت سرمایه کوتاه‌تر، مانند پوشش‌ها یا فیلم‌ها، ممکن است برای بسیاری از مالکین جذاب‌تر باشند، به شرطی که بهبود قابل توجهی در SHGC ایجاد کنند.

  • نقش استانداردها و گواهینامه‌ها:همواره توصیه می‌شود از محصولات شیشه و پنجره‌ای استفاده شود که دارای گواهینامه معتبر از مراجع ملی یا بین‌المللی باشند. این گواهینامه‌ها تضمین می‌کنند که مقادیر U-value، SHGC و VT گزارش شده برای محصول، طبق روش‌های استاندارد اندازه‌گیری شده و قابل اتکا هستند.

۸. نتیجه‌گیری: به سوی آینده‌ای روشن‌تر و خنک‌تر با انتخاب هوشمندانه شیشه

تحلیل ارائه شده در این مقاله به وضوح نشان می‌دهد که انتخاب هوشمندانه و علمی مشخصات حرارتی شیشه‌ها، به ویژه در ساختمان‌هایی با پوسته‌های شفاف وسیع، نقشی حیاتی در بهینه‌سازی مصرف انرژی، کاهش هزینه‌ها و افزایش آسایش حرارتی ساکنین در اقلیم‌های متنوع ایران ایفا می‌کند.

  • اهمیت همزمان U-value و SHGC: دیگر نمی‌توان عملکرد حرارتی شیشه را تنها با یک پارامتر (مانند U-value) ارزیابی کرد. هر دو ضریب U-value و SHGC باید به طور همزمان و متناسب با شرایط اقلیمی خاص هر منطقه، جهت‌گیری ساختمان، و نوع کاربری فضاها در نظر گرفته شوند. تمرکز افراطی بر یکی و غفلت از دیگری، به ویژه در اقلیم‌های گرم ایران که بخش عمده‌ای از کشور را تشکیل می‌دهند، منجر به طراحی‌های ناکارآمد و هدررفت شدید انرژی خواهد شد.

  • نقش حیاتی SHGC در اقلیم ایران: با توجه به تابش شدید و طولانی مدت خورشید در بسیاری از مناطق ایران، کنترل بهره حرارتی خورشیدی از طریق انتخاب شیشه‌هایی با SHGC مناسب، کلید اصلی کاهش بار سرمایشی، جلوگیری از داغ‌شدگی فضاهای داخلی، و در نتیجه کاهش مصرف سرسام‌آور برق در فصول گرم سال است. این امر نه تنها به نفع اقتصاد خانوار و کشور است، بلکه به کاهش فشار بر شبکه برق و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز کمک می‌کند.

  • پتانسیل فناوری‌های نوین: فناوری‌های جدید مانند پوشش‌های نانومایع کنترل خورشیدی (از جمله “نانو شیلد زیگورات”، در صورت اثبات عملکرد ادعا شده از طریق آزمون‌های معتبر) می‌توانند راهکارهای نویدبخشی برای مقابله با چالش‌های انرژی در ساختمان‌های نوساز و به‌ویژه در بهسازی حرارتی ساختمان‌های قدیمی با پنجره‌های ناکارآمد ارائه دهند. این فناوری‌ها پتانسیل آن را دارند که با هزینه نسبتاً کمتر، بهبود قابل توجهی در عملکرد انرژی ایجاد کنند.

  • فراخوان به اقدام: در نهایت، این مقاله فراخوانی است به تمامی دست‌اندرکاران صنعت ساختمان ایران – از معماران و مهندسان طراح گرفته تا سازندگان، تولیدکنندگان مصالح، سیاست‌گذاران و قانون‌گذاران، و همچنین مالکین و بهره‌برداران ساختمان‌ها. زمان آن فرا رسیده است که با نگاهی عمیق‌تر و علمی‌تر به مقوله انتخاب شیشه و طراحی پوسته ساختمان، از رویکردهای سنتی و گاه ناقص فاصله گرفته و با بهره‌گیری از دانش روز، استانداردهای کارآمد، و فناوری‌های نوین، گامی مؤثر در جهت ساخت آینده‌ای روشن‌تر، خنک‌تر، و پایدارتر برای ایران برداریم. سرمایه‌گذاری در انتخاب صحیح شیشه، سرمایه‌گذاری در آسایش، صرفه‌جویی، و حفظ منابع برای نسل‌های آینده است.

بهینه‌سازی پوسته شیشه‌ای ساختمان در ایران:

فراتر از U-value، نگاهی عمیق به SHGC و راهکارهای نوین برای صرفه‌جویی در انرژی

مقدمه: نقش حیاتی انتخاب صحیح شیشه در بحران انرژی ساختمان‌های ایران

بخش ساختمان در ایران سهم بسیار قابل توجهی از کل مصرف انرژی کشور را به خود اختصاص داده است. این میزان مصرف، نه تنها فشار زیادی بر منابع انرژی وارد می‌کند، بلکه پیامدهای اقتصادی و زیست‌محیطی گسترده‌ای نیز به همراه دارد. برآوردها نشان می‌دهد که سالانه مقادیر هنگفتی انرژی، معادل میلیاردها دلار، تنها برای گرمایش و سرمایش ساختمان‌ها به هدر می‌رود.1 در این میان، پوسته خارجی ساختمان، و به طور خاص بخش‌های شفاف آن مانند پنجره‌ها و دیوارهای پرده‌ای (کرتین‌وال‌ها)، به عنوان مرز اصلی تبادل حرارتی با محیط خارج، نقشی تعیین‌کننده در عملکرد انرژی ساختمان ایفا می‌کنند. انتخاب نادرست مشخصات این اجزاء می‌تواند به طور چشمگیری بار گرمایشی و سرمایشی را افزایش دهد و تلاش‌ها برای بهینه‌سازی مصرف انرژی را بی‌اثر سازد.

ناترازی انرژی، به ویژه در فصول اوج مصرف، به یکی از چالش‌های جدی کشور تبدیل شده است. با این حال، این چالش فرصت‌هایی را نیز برای بهبود و حرکت به سوی راهکارهای پایدارتر فراهم می‌آورد. انتخاب هوشمندانه مصالح ساختمانی، و در رأس آن‌ها شیشه‌ها، یکی از مؤثرترین و در عین حال کم‌هزینه‌ترین راهکارها برای کاهش این ناترازی و دستیابی به صرفه‌جویی قابل توجه در مصرف انرژی است. این مقاله با هدف ارائه تحلیلی جامع از تأثیر دو پارامتر کلیدی در عملکرد حرارتی شیشه، یعنی ضریب انتقال حرارت کلی (U-value) و ضریب بهره حرارتی خورشیدی (SHGC)، بر میزان صرفه‌جویی انرژی در ساختمان‌هایی با پوسته‌های شیشه‌ای در اقلیم‌های متنوع ایران تدوین شده است. در این راستا، به الزامات ویرایش پنجم مبحث ۱۹ مقررات ملی ساختمان، استانداردهای معتبر بین‌المللی و همچنین فناوری‌های نوین مانند پوشش‌های نانومایع به عنوان راهکارهایی برای بهبود عملکرد انرژی، به ویژه در ساختمان‌های موجود، پرداخته خواهد شد.

پیشنهاد اینفوگرافیک: نموداری که سهم بخش ساختمان در مصرف کل انرژی ایران را در مقایسه با سایر بخش‌ها (صنعت، حمل و نقل و غیره) نشان دهد.

۱. رمزگشایی از عملکرد حرارتی شیشه: U-value و SHGC به زبان ساده

برای درک چگونگی تأثیر شیشه‌ها بر مصرف انرژی ساختمان، آشنایی با دو شاخص اصلی عملکرد حرارتی آن‌ها ضروری است: ضریب انتقال حرارت کلی (U-value) و ضریب بهره حرارتی خورشیدی (SHGC).

  • ضریب انتقال حرارت کلی (U-value):این ضریب، که گاهی ضریب رسانندگی حرارتی نیز نامیده می‌شود، نشان‌دهنده میزان انتقال حرارت غیرخورشیدی از طریق یک متر مربع از سطح شیشه به ازای یک درجه کلوین (یا سلسیوس) اختلاف دما بین دو طرف آن است.2 به عبارت دیگر، U-value بیانگر این است که شیشه تا چه حد در برابر انتقال حرارت ناشی از اختلاف دمای هوای داخل و خارج ساختمان مقاومت می‌کند. واحد اندازه‌گیری آن وات بر متر مربع کلوین (W/m2K) است. هرچه مقدار U-value کمتر باشد، شیشه عایق بهتری در برابر انتقال حرارت هدایتی و جابجایی محسوب می‌شود و گرمای کمتری از آن عبور می‌کند.2اهمیت اصلی U-value در فصول سرد سال نمایان می‌شود. شیشه‌ای با U-value پایین، اتلاف گرمای داخل ساختمان به محیط سرد خارج را کاهش داده و در نتیجه به صرفه‌جویی در هزینه‌های گرمایش کمک شایانی می‌کند.3 در فصول گرم نیز، U-value پایین از ورود گرمای هدایتی از محیط گرم خارج به داخل ساختمان جلوگیری می‌کند، اما باید توجه داشت که این تنها بخشی از مکانیزم انتقال حرارت در تابستان است.

  • ضریب بهره حرارتی خورشیدی (Solar Heat Gain Coefficient – SHGC):این ضریب، که گاهی با نماد g-value نیز نمایش داده می‌شود، کسری از کل تابش خورشیدی فرودی بر سطح شیشه است که به صورت گرما به فضای داخل ساختمان راه می‌یابد. این انرژی گرمایی شامل تابش خورشیدی عبوری مستقیم از شیشه و همچنین بخشی از تابش جذب شده توسط شیشه است که سپس به سمت داخل بازتابش می‌شود.2 SHGC یک عدد بدون بُعد بین ۰ و ۱ است. هرچه مقدار SHGC کمتر باشد، شیشه مقاومت بیشتری در برابر ورود گرمای خورشیدی از خود نشان می‌دهد و میزان گرمای ناخواسته ورودی به ساختمان کمتر خواهد بود.2اهمیت SHGC به ویژه در فصول گرم و در اقلیم‌های آفتابی بسیار زیاد است. شیشه‌ای با SHGC پایین می‌تواند به طور قابل توجهی از ورود گرمای خورشیدی در تابستان جلوگیری کرده و بار سیستم‌های سرمایشی را کاهش دهد.3 در مقابل، در اقلیم‌های سرد، SHGC بالاتر می‌تواند به گرمایش غیرفعال ساختمان در زمستان کمک کند، اما این موضوع باید با در نظر گرفتن احتمال داغ‌شدگی بیش از حد در سایر فصول و نیاز به سیستم‌های کنترل خورشیدی مانند سایه‌بان‌ها، با دقت بررسی شود.

  • تفاوت کلیدی و ارتباط متقابل:درک تفاوت بین U-value و SHGC بسیار حائز اهمیت است. U-value عمدتاً به انتقال حرارت ناشی از اختلاف دما بین داخل و خارج ساختمان (انرژی غیرخورشیدی) می‌پردازد، در حالی که SHGC مستقیماً با میزان انرژی ورودی از تابش خورشید مرتبط است. این دو ضریب می‌توانند تا حد زیادی مستقل از یکدیگر باشند. به عنوان مثال، شیشه‌های با پوشش کم‌گسیل (Low-E) می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که هم U-value و هم SHGC پایینی داشته باشند، که برای اقلیم‌های گرم ایده‌آل است. یا می‌توان شیشه‌های Low-E با U-value پایین و SHGC نسبتاً بالا تولید کرد که برای بهره‌گیری از گرمایش خورشیدی غیرفعال در اقلیم‌های سرد مناسب‌ترند.3 بنابراین، انتخاب شیشه صرفاً بر اساس یکی از این دو پارامتر، بدون در نظر گرفتن دیگری و شرایط اقلیمی، می‌تواند منجر به طراحی ناکارآمد و افزایش مصرف انرژی شود.

جدول ۱: تعاریف و اهمیت ضرایب کلیدی عملکرد حرارتی شیشه

ضریب تعریف کامل واحد اندازه‌گیری اهمیت اولیه در صرفه‌جویی انرژی
U-value نرخ انتقال حرارت غیرخورشیدی از طریق شیشه به دلیل اختلاف دمای داخل و خارج. نشان‌دهنده میزان عایق بودن شیشه در برابر اتلاف یا کسب حرارت هدایتی و جابجایی. W/m2K گرمایش (کاهش اتلاف) / سرمایش (کاهش ورود گرما از محیط)
SHGC کسری از تابش خورشیدی فرودی بر سطح شیشه که به صورت گرما وارد فضای داخل می‌شود (شامل عبور مستقیم و انرژی جذب و بازتابش شده به داخل). بدون بعد (۰ تا ۱) سرمایش (کاهش ورود گرمای خورشیدی) / گرمایش (بهره‌گیری از گرمای خورشیدی غیرفعال)
VT (Visible Transmittance) ضریب عبور نور مرئی. کسری از بخش مرئی طیف نور خورشید که از شیشه عبور می‌کند. بدون بعد (۰ تا ۱) روشنایی طبیعی (کاهش مصرف روشنایی مصنوعی)

پیشنهاد اینفوگرافیک: تصویری شماتیک که نحوه عبور حرارت هدایتی (مرتبط با U-value) و تابش خورشیدی (مرتبط با SHGC) از یک پنجره را در شرایط زمستان (هدف: حفظ گرما، امکان ورود گرمای خورشیدی) و تابستان (هدف: جلوگیری از ورود گرما) نشان دهد.

۲. راهبردهای انتخاب شیشه در اقلیم‌های متنوع ایران: از خزر تا خلیج فارس

ایران کشوری با تنوع اقلیمی بسیار گسترده است. از سواحل مرطوب دریای خزر تا کوهستان‌های سرد غرب، دشت‌های گرم و خشک مرکزی و سواحل گرم و مرطوب جنوب، هر یک نیازمند راهبردهای متفاوتی در طراحی ساختمان و به ویژه انتخاب مشخصات شیشه هستند.

  • مروری بر پهنه‌بندی اقلیمی ایران:به طور سنتی، اقلیم ایران به چهار دسته اصلی تقسیم می‌شود:
    1. اقلیم معتدل و مرطوب: شامل نوار ساحلی دریای خزر با رطوبت بالا و بارندگی زیاد.4
    2. اقلیم سرد: شامل مناطق کوهستانی غرب و شمال غرب کشور با زمستان‌های طولانی و سرد و بارش برف.4 شهرهایی مانند تبریز، همدان و سنندج (که طبق طبقه‌بندی کوپن-گایگر دارای اقلیم Dsa هستند) در این دسته قرار می‌گیرند.5
    3. اقلیم گرم و خشک: شامل بخش‌های وسیعی از فلات مرکزی ایران با تابستان‌های بسیار گرم و خشک و زمستان‌های سرد و خشک.4
    4. اقلیم گرم و مرطوب: شامل نوار ساحلی جنوب کشور در حاشیه خلیج فارس و دریای عمان با تابستان‌های بسیار گرم و مرطوب و زمستان‌های معتدل.4

    علاوه بر این تقسیم‌بندی کلی، استانداردهای تخصصی‌تر مانند استاندارد برچسب انرژی ساختمان (استانداردهای ملی ۱۴۲۵۳ و ۱۴۲۵۴) ایران را به ۸ پهنه اقلیمی تقسیم می‌کنند.4 مبحث ۱۹ مقررات ملی ساختمان نیز برای تعیین الزامات صرفه‌جویی در انرژی، گونه‌بندی خاص خود را بر اساس نیاز انرژی گرمایی-سرمایی سالانه ارائه می‌دهد.1 این گونه‌بندی‌های دقیق‌تر امکان انتخاب بهینه‌تر مشخصات پوسته ساختمان، از جمله شیشه، را فراهم می‌کنند. درک صحیح این تنوع اقلیمی و الزامات متناسب با هر منطقه، اولین گام در طراحی ساختمان‌های انرژی کارآمد است. یک رویکرد “یکسان برای همه” در انتخاب شیشه، قطعاً منجر به هدررفت قابل توجه انرژی در سطح ملی خواهد شد، چرا که یا هزینه‌های گرمایش در مناطق سردسیر یا هزینه‌های سرمایش در مناطق گرمسیر را به شدت افزایش می‌دهد.

  • توصیه‌های کلی برای انتخاب U-value و SHGC در هر اقلیم:
    • اقلیم معتدل و مرطوب (مانند رشت، ساری):
      • U-value: متوسط تا پایین (مثلاً 1.8−2.5W/m2K برای شیشه دوجداره). هدف، کاهش اتلاف حرارت در زمستان‌های معتدل و جلوگیری از ورود بیش از حد گرما در تابستان‌های گرم و مرطوب است.
      • SHGC: متوسط (مثلاً 0.4−0.6). هدف، بهره‌گیری از گرمای خورشیدی در فصول سردتر و جلوگیری از داغ‌شدگی بیش از حد در تابستان است. استفاده از سایه‌بان‌های مناسب توصیه می‌شود.
    • اقلیم سرد (مانند تبریز، اردبیل، همدان):
      • U-value: بسیار پایین (مثلاً کمتر از 1.8W/m2K برای شیشه دوجداره با پوشش Low-E و گاز آرگون). اولویت اصلی، به حداقل رساندن اتلاف حرارت در زمستان‌های طولانی و بسیار سرد است.
      • SHGC: متوسط تا بالا (مثلاً 0.5−0.7). هدف، بهره‌گیری حداکثری از گرمایش خورشیدی غیرفعال در طول زمستان است. شیشه‌های Low-E با ضریب بهره حرارتی بالا (High G-Value Low-E) برای این مناطق مناسب هستند.3 کنترل داغ‌شدگی در تابستان (که معمولاً کوتاه است) از طریق سایه‌بان‌های مؤثر و تهویه طبیعی اهمیت دارد.
    • اقلیم گرم و خشک (مانند یزد، کرمان، اصفهان):
      • U-value: پایین (مثلاً 1.8−2.2W/m2K برای شیشه دوجداره). هدف، کاهش ورود گرمای هدایتی از محیط بسیار گرم بیرون در طول روزهای بلند تابستان و همچنین جلوگیری از اتلاف گرما در شب‌های سرد زمستان است.
      • SHGC: بسیار پایین (مثلاً کمتر از 0.35−0.4). اولویت اصلی، مقابله با تابش شدید و طولانی مدت خورشید در تابستان و کاهش بار سرمایشی است. شیشه‌های کنترل کننده انرژی خورشیدی (Solar Control Glass) یا شیشه‌های Low-E با ضریب بهره حرارتی پایین (Low G-Value Low-E یا Low-E Sun) برای این مناطق ایده‌آل هستند.3
    • اقلیم گرم و مرطوب (مانند بندرعباس، بوشهر، اهواز):
      • U-value: پایین (مثلاً 1.8−2.2W/m2K برای شیشه دوجداره). هدف، جلوگیری از ورود گرمای هدایتی و همچنین کاهش میعان رطوبت بر روی سطح داخلی شیشه است.
      • SHGC: بسیار پایین (مثلاً کمتر از 0.35−0.4). مشابه اقلیم گرم و خشک، کنترل شدید بهره حرارتی خورشیدی برای کاهش بار عظیم سرمایشی و افزایش آسایش حرارتی در شرایط رطوبت بالا، حیاتی است. شیشه‌های Low-E Sun در این مناطق عملکرد بسیار خوبی دارند.3

    ارائه مقادیر دقیق برای U-value و SHGC نیازمند تحلیل‌های دقیق‌تر و در نظر گرفتن عواملی چون درصد پنجره به دیوار (WWR)، جهت‌گیری، نوع قاب پنجره و الزامات خاص مبحث ۱۹ است. با این حال، روندهای کلی فوق نشان‌دهنده اهمیت تفکیک راهبردها بر اساس اقلیم است.

پیشنهاد نقشه: نقشه‌ای از ایران که پهنه‌بندی اقلیمی مورد استفاده در مبحث ۱۹ یا استاندارد ملی برچسب انرژی را با ذکر شهرهای شاخص هر پهنه نشان دهد.

جدول ۲: راهنمای کلی انتخاب U-value و SHGC برای اقلیم‌های مختلف ایران (مقادیر نمونه برای شیشه دوجداره)

نوع اقلیم (بر اساس تقسیم‌بندی چهارگانه) شهرهای نمونه مشخصات اقلیمی کلیدی U-value پیشنهادی (W/m2K) SHGC پیشنهادی ملاحظات اضافی
معتدل و مرطوب رشت، ساری، گرگان رطوبت بالا، زمستان معتدل، تابستان گرم و مرطوب ۱.۸ – ۲.۵ ۰.۴ – ۰.۶ نیاز به تهویه، کنترل میعان، سایه‌بان تابستانی
سرد تبریز، همدان، ارومیه زمستان طولانی و سرد، تابش زمستانی خوب، تابستان معتدل < ۱.۸ ۰.۵ – ۰.۷ حداکثر بهره از گرمای خورشیدی، قاب‌های عایق، کنترل داغ‌شدگی تابستانی
گرم و خشک یزد، کرمان، اصفهان تابستان بسیار گرم و خشک، تابش شدید، زمستان سرد ۱.۸ – ۲.۲ < ۰.۳۵ – ۰.۴ کنترل شدید تابش، شیشه‌های رنگی یا پوشش‌دار، سایه‌بان‌های مؤثر، اختلاف دمای زیاد شب و روز
گرم و مرطوب بندرعباس، بوشهر، اهواز تابستان بسیار گرم و مرطوب، رطوبت بالا، زمستان معتدل ۱.۸ – ۲.۲ < ۰.۳۵ – ۰.۴ کنترل شدید تابش و رطوبت، شیشه‌های مقاوم به خوردگی، تهویه مناسب

توجه: مقادیر فوق صرفاً جنبه راهنمایی کلی دارند و برای طراحی دقیق باید به الزامات مبحث ۱۹ و محاسبات مهندسی مراجعه شود.

۳. مبحث ۱۹ مقررات ملی ساختمان (ویرایش پنجم): گامی به سوی عملکرد یکپارچه شیشه

مبحث نوزدهم مقررات ملی ساختمان ایران با عنوان “صرفه‌جویی در مصرف انرژی” نقش محوری در تعیین حداقل الزامات برای طراحی و اجرای ساختمان‌های انرژی کارآمد در کشور ایفا می‌کند. این مبحث در طول سالیان متمادی دستخوش تغییرات و ویرایش‌هایی شده است تا با آخرین دستاوردهای علمی و نیازهای روز کشور هماهنگ شود.

  • سیر تحول مبحث ۱۹ در خصوص الزامات شیشه:ویرایش‌های اولیه مبحث ۱۹، مانند ویرایش سال ۱۳۸۹ 8، اگرچه به اهمیت عایق‌کاری حرارتی پوسته خارجی ساختمان، از جمله پنجره‌ها، توجه داشتند، اما تمرکز اصلی آن‌ها بیشتر بر روی کنترل ضریب انتقال حرارت کلی (U-value) بود. با این حال، با افزایش آگاهی نسبت به نقش تعیین‌کننده بهره حرارتی خورشیدی در اقلیم‌های متنوع ایران، به ویژه در مناطق گرمسیر، ویرایش‌های بعدی شاهد تحول قابل توجهی در این زمینه بوده‌اند.مقدمه ویرایش چهارم مبحث ۱۹ (مصوب ۱۳۹۹) به صراحت به این تغییر نگرش اشاره می‌کند: “در ویرایش قبلی، در طراحی تنها ضریب انتقال حرارت شیشه و یا پنجره در نظر گرفته می شد. در ویرایش جدید، عالوه بر ضریب انتقال حرارت، جهت گیری پنجره، ضریب بهره گرمایی خورشیدی و هم چنین نسبت ضریب عبور نور مرئی به ضریب بهره گرمایی خورشیدی نیز در طراحی تعیین [می‌گردد]”.9 این تغییر نشان‌دهنده یک گام اساسی به سمت رویکردی جامع‌تر و علمی‌تر در ارزیابی عملکرد شیشه‌ها بود و اهمیت SHGC را به طور رسمی در مقررات ملی ساختمان ایران مطرح ساخت. این تحول صرفاً یک به‌روزرسانی جزئی نبود، بلکه نشانگر یک تغییر بنیادین در فلسفه طراحی بود که پتانسیل کاهش قابل توجه مصرف انرژی، به خصوص برای سرمایش، را فراهم می‌کرد.

  • تأکید ویرایش پنجم (پیش‌نویس ۱۴۰۳) بر SHGC مناسب:هرچند متن نهایی ویرایش پنجم مبحث ۱۹ (که پیش‌نویس آن در آذر ۱۴۰۳ منتشر و برای نظرخواهی ارائه شد 10) در زمان نگارش این مقاله به طور کامل در دسترس نیست، اما با توجه به روند تکاملی این مبحث و تأکید روزافزون بر اهمیت SHGC در سطح جهانی و همچنین نیاز مبرم ایران به کنترل بارهای سرمایشی، پیش‌بینی می‌شود که ویرایش پنجم این رویکرد را تقویت کرده و الزامات دقیق‌تر و احتمالاً سخت‌گیرانه‌تری را برای SHGC در کنار U-value، با تفکیک اقلیمی و حتی جهت‌گیری جداره‌های نورگذر، ارائه دهد. این حرکت به سمت طراحی عملکردی و مبتنی بر واقعیت‌های اقلیمی ایران، یک ضرورت انکارناپذیر است. فرآیند نظرخواهی و مشارکت متخصصان در تدوین نهایی این ویرایش 10 می‌تواند به شکل‌گیری مقرراتی کارآمدتر و عملی‌تر، که با ظرفیت‌های صنعت ساختمان کشور و چالش‌های اقلیمی آن سازگار باشد، کمک کند.

  • الزامات کلیدی دیگر در مبحث ۱۹ (مرتبط با پوسته شفاف):علاوه بر U-value و SHGC، مبحث ۱۹ (به ویژه ویرایش چهارم و پیش‌بینی برای پنجم) به جنبه‌های دیگری از عملکرد پوسته شفاف نیز توجه دارد. این موارد می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

    • نسبت عبور نور مرئی به ضریب بهره حرارتی خورشیدی (VT/SHGC): این نسبت که به عنوان شاخص گزینش طیفی (Light to Solar Gain – LSG) نیز شناخته می‌شود، نشان‌دهنده توانایی شیشه در عبور دادن نور مرئی مطلوب و همزمان جلوگیری از ورود گرمای خورشیدی ناخواسته است. مقدار بالاتر این نسبت، به معنای عملکرد بهتر در تأمین روشنایی طبیعی با حداقل افزایش بار حرارتی است.

    • درزبندی پنجره‌ها و جدارهای نورگذر: نفوذ هوای کنترل نشده از درزهای پنجره‌ها می‌تواند بخش قابل توجهی از انرژی گرمایشی و سرمایشی را هدر دهد. مبحث ۱۹ به اهمیت درزبندی مناسب جداره‌ها تأکید دارد.7

    • مشخصات حرارتی قاب پنجره: قاب پنجره نیز می‌تواند به عنوان یک پل حرارتی عمل کرده و عملکرد کلی مجموعه پنجره را تحت تأثیر قرار دهد. استفاده از قاب‌های با شکست حرارتی (Thermal Break) در مناطق سردسیر و حتی گرمسیر برای بهبود عملکرد انرژی ضروری است.

    • روشنایی طبیعی: مبحث ۱۹ به بهره‌گیری از روشنایی طبیعی به عنوان یک راهکار صرفه‌جویی در مصرف انرژی روشنایی مصنوعی نیز توجه دارد.7

  • پیامدها برای طراحان و سازندگان در ایران:الزامات جدید و رویکرد جامع‌تر مبحث ۱۹، طراحان، مهندسان و سازندگان را ملزم به افزایش دانش فنی خود در زمینه عملکرد حرارتی شیشه‌ها و پوسته‌های ساختمانی می‌کند. استفاده از نرم‌افزارهای شبیه‌سازی انرژی برای ارزیابی گزینه‌های مختلف و انتخاب بهینه شیشه، دیگر یک انتخاب لوکس نیست، بلکه یک ضرورت فنی برای تطابق با مقررات و دستیابی به اهداف صرفه‌جویی انرژی است. همچنین، توجه به گواهینامه‌های فنی معتبر و مشخصات دقیق محصولات شیشه و پنجره از اهمیت ویژه‌ای برخوردار خواهد بود.

پیشنهاد اینفوگرافیک: یک خط زمانی (تایم‌لاین) که سیر تحول مبحث ۱۹ را در خصوص الزامات شیشه نشان دهد، با برجسته کردن تغییرات کلیدی در ویرایش چهارم (ورود SHGC و VT/SHGC) و انتظارات از ویرایش پنجم.

۴. درس‌هایی از جهان: استانداردهای شیشه در آمریکا (ASHRAE/IBC) و امارات متحده عربی

بررسی استانداردهای معتبر بین‌المللی می‌تواند به درک بهتر روندهای جهانی و الگوبرداری از تجربیات موفق در زمینه بهینه‌سازی عملکرد شیشه‌ها کمک کند.

  • استاندارد ASHRAE 90.1 (آمریکا):استاندارد ASHRAE 90.1 با عنوان “استاندارد انرژی برای ساختمان‌ها به استثنای ساختمان‌های مسکونی کم‌ارتفاع” یکی از مراجع اصلی و تأثیرگذار در زمینه بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها در سطح جهان است.11 این استاندارد به طور دوره‌ای به‌روزرسانی می‌شود و آخرین نسخه آن (تا زمان نگارش این مقاله) ASHRAE 90.1-2022 است که در ژانویه ۲۰۲۳ منتشر شده و طبق تحلیل‌ها، حدود ۹.۸ درصد صرفه‌جویی انرژی بیشتری نسبت به نسخه ۲۰۱۹ ارائه می‌دهد.11یکی از نقاط قوت ASHRAE 90.1، ارائه جداول تفصیلی برای حداکثر مقادیر مجاز U-value و SHGC برای انواع مختلف پنجره‌ها (ثابت، بازشو)، کرتین‌وال‌ها، و درب‌های شیشه‌ای، با تفکیک نوع قاب (فلزی و غیرفلزی) و برای تمامی ۸ پهنه اقلیمی تعریف شده در آمریکا است.13 این پهنه‌بندی اقلیمی از منطقه ۰ (بسیار گرم) تا منطقه ۸ (بسیار سرد/قطبی) را پوشش می‌دهد.13 به عنوان مثال، در یک مقایسه بین نسخه‌های ۲۰۱۶ و ۲۰۱۹ این استاندارد برای یک پنجره ثابت با قاب فلزی، تغییرات مشخصی در الزامات U-value و SHGC برای اقلیم‌های مختلف مشاهده می‌شود که نشان‌دهنده تلاش مداوم برای بهبود عملکرد است.14 این سطح از جزئیات و تفکیک اقلیمی، یک الگو برای تدوین مقررات انرژی کارآمد محسوب می‌شود. استاندارد همچنین به عواملی چون درصد سطح شیشه به دیوار (WWR) و استفاده از سایه‌بان‌ها در مسیرهای محاسباتی مختلف توجه دارد.

  • مقررات ساختمانی امارات متحده عربی (UAE):امارات متحده عربی، با توجه به اقلیم بسیار گرم و خشک/مرطوب خود، تمرکز ویژه‌ای بر کاهش بار سرمایشی ساختمان‌ها دارد. مقررات و راهنماهای ساختمانی این کشور تأکید شدیدی بر استفاده از شیشه‌هایی با SHGC بسیار پایین دارند. یک مطالعه پژوهشی انجام شده در امارات نشان می‌دهد که استفاده از شیشه‌های دوجداره با پوشش‌های مناسب (مانند شیشه‌های رنگی یا طیفی گزینشی) می‌تواند مصرف انرژی سرمایشی را به طور قابل توجهی کاهش دهد. به عنوان مثال، استفاده از شیشه دوجداره می‌تواند مصرف انرژی ناشی از بهره حرارتی خورشیدی را تا حدود ۵۰ درصد کاهش دهد و استفاده از شیشه رنگی (tinted) به ویژه برای نماهای شرقی و غربی که در معرض تابش شدید خورشید هستند، بسیار توصیه می‌شود.15 در این مطالعه، مقادیر نمونه SHGC برای شیشه تک‌جداره شفاف ۰.۶۶ و برای شیشه دوجداره با پوشش طیفی گزینشی و فضای آرگون ۰.۳۳ گزارش شده است.15 این تجربیات برای مناطق جنوبی ایران که اقلیم مشابهی با امارات دارند، بسیار آموزنده است و اهمیت اولویت‌دهی به SHGC پایین را در این مناطق به وضوح نشان می‌دهد.

  • استاندارد بین‌المللی ساختمان (IBC – International Building Code):IBC که توسط شورای کد بین‌المللی (ICC) منتشر می‌شود، یک مجموعه جامع از مقررات ساختمانی است که در بسیاری از کشورها، از جمله بخش‌هایی از آمریکا، به عنوان مبنای قانونی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در خصوص الزامات انرژی، IBC معمولاً به استانداردهای مرجعی مانند ASHRAE 90.1 یا IECC (کد بین‌المللی صرفه‌جویی انرژی) ارجاع می‌دهد.

مقایسه این استانداردها با مبحث ۱۹ ایران می‌تواند نقاط قوت و ضعف و همچنین زمینه‌های بالقوه برای بهبود مقررات ملی را آشکار سازد. حرکت به سمت الزامات دقیق‌تر، تفکیک شده بر اساس اقلیم و نوع جداره، و همچنین تشویق به استفاده از روش‌های محاسباتی پیشرفته‌تر، می‌تواند در ارتقای سطح بهره‌وری انرژی ساختمان‌ها در ایران مؤثر باشد.

جدول ۳: مقایسه تطبیقی کلی الزامات شیشه در استانداردها (مقادیر نمونه و روندها)

ویژگی / استاندارد مبحث ۱۹ ایران (ویرایش ۴ و پیش‌بینی برای ۵) ASHRAE 90.1 (مثلاً نسخه 2019/2022) مقررات امارات متحده عربی (روند کلی)
پهنه‌بندی اقلیمی دارد (بر اساس نیاز انرژی یا تقسیم‌بندی‌های سنتی/جدید) 4 بسیار دقیق (۸ پهنه اصلی با زیرمجموعه‌ها) 13 تمرکز بر اقلیم بسیار گرم
U-value (W/m²K) الزامات متفاوت بر اساس اقلیم و گروه ساختمان 6 الزامات دقیق و متفاوت برای هر پهنه اقلیمی، نوع پنجره و نوع قاب 14 تاکید بر U-value پایین، اما SHGC اولویت بالاتری دارد 15
SHGC در ویرایش ۴ وارد شده و در ویرایش ۵ تقویت خواهد شد 9 الزامات دقیق و متفاوت برای هر پهنه اقلیمی، معمولاً برای اقلیم‌های گرم SHGC پایین‌تر الزامی است 14 تاکید بسیار شدید بر SHGC بسیار پایین (مثلاً < 0.25-0.3) 15
VT/SHGC (LSG) در ویرایش ۴ مطرح شده 9 مورد توجه، به ویژه در مسیرهای عملکردی مهم برای تعادل نور و حرارت
سایر ملاحظات درزبندی، جزئیات نصب، روشنایی طبیعی 7 درصد پنجره به دیوار (WWR)، سایه‌بان، کنترل‌های خودکار، الزامات سختگیرانه برای نفوذ هوا 14 کنترل تابش مستقیم، استفاده از شیشه‌های دوجداره و پوشش‌دار 15

۵. چالش تمرکز افراطی بر U-value: چرا در اقلیم گرمسیر کافی نیست؟

در بسیاری از اقلیم‌های گرمسیر، که بخش قابل توجهی از مساحت ایران را نیز شامل می‌شوند، بخش عمده‌ای از بار سرمایشی ناخواسته ساختمان‌ها نه از طریق انتقال حرارت هدایتی (که U-value آن را کنترل می‌کند)، بلکه از طریق تابش مستقیم و غیرمستقیم خورشید از پنجره‌ها وارد می‌شود. این یک واقعیت فیزیکی است که درک آن برای طراحی بهینه پوسته ساختمان حیاتی است. انرژی خورشیدی می‌تواند منبع گرمای بسیار قدرتمندی باشد و اگر به درستی مدیریت نشود، می‌تواند سیستم‌های تهویه مطبوع را تحت فشار شدید قرار دهد.

  • نقش غالب بهره حرارتی خورشیدی (SHGC) در اقلیم‌های گرم:مطالعات و تجربیات عملی، مانند آنچه در امارات متحده عربی مشاهده شده 15، به وضوح نشان می‌دهند که در مناطق گرم و آفتابی، SHGC پارامتر بسیار مهم‌تری نسبت به U-value در تعیین بار سرمایشی است. حتی یک شیشه با U-value بسیار پایین، اگر SHGC بالایی داشته باشد (مثلاً یک شیشه دوجداره شفاف که برای حداکثر کردن بهره خورشیدی در اقلیم‌های سرد طراحی شده)، می‌تواند مقادیر زیادی از گرمای خورشیدی را به داخل ساختمان منتقل کند. در چنین شرایطی، تلاش برای کاهش هرچه بیشتر U-value، بدون کنترل همزمان SHGC، عملاً بی‌فایده بوده و منجر به افزایش مصرف انرژی برای سرمایش خواهد شد. این مسئله به ویژه در ساختمان‌هایی با نسبت پنجره به دیوار (WWR) بالا، تشدید می‌شود.

  • مثال مفهومی:دو ساختمان فرضی را در یک اقلیم گرم و خشک مانند یزد در نظر بگیرید. ساختمان اول دارای پنجره‌هایی با U-value بسیار پایین (مثلاً 1.5W/m2K) اما SHGC بالا (مثلاً ۰.۷) است. ساختمان دوم دارای پنجره‌هایی با U-value متوسط (مثلاً 2.0W/m2K) اما SHGC بسیار پایین (مثلاً ۰.۳) است. با وجود اینکه U-value پنجره‌های ساختمان اول بهتر است، اما به دلیل SHGC بالا، در طول یک روز آفتابی تابستان، حجم بسیار بیشتری از انرژی خورشیدی وارد این ساختمان شده و بار سرمایشی آن به مراتب بیشتر از ساختمان دوم خواهد بود. این نشان می‌دهد که سرمایه‌گذاری صرف بر روی کاهش U-value بدون توجه به SHGC، یک راهبرد ناقص و حتی مضر در اقلیم‌های گرم است.

  • پیامدهای منفی تمرکز صرف بر U-value در مناطق گرم:
    1. افزایش شدید مصرف انرژی برای سرمایش: همانطور که توضیح داده شد، ورود بی‌رویه گرمای خورشیدی منجر به کارکرد بیشتر و طولانی‌تر سیستم‌های تهویه مطبوع و در نتیجه افزایش قبوض انرژی می‌شود.
    2. کاهش آسایش حرارتی ساکنین: حتی اگر سیستم سرمایشی بتواند دمای هوا را کنترل کند، دمای تابشی بالا از سطوح داخلی شیشه‌هایی با SHGC بالا می‌تواند باعث احساس ناخوشایند گرما و کاهش آسایش حرارتی ساکنین شود.
    3. بزرگ‌تر شدن اندازه سیستم‌های تهویه مطبوع: برای مقابله با بار حرارتی اضافی ناشی از SHGC بالا، نیاز به انتخاب سیستم‌های تهویه مطبوع با ظرفیت بالاتر خواهد بود که این امر هم هزینه‌های اولیه خرید و نصب و هم هزینه‌های بهره‌برداری و نگهداری را افزایش می‌دهد.
    4. افزایش پیک بار شبکه برق: تقاضای بالای همزمان برای سرمایش در ساختمان‌ها در ساعات اوج تابش خورشید، فشار زیادی بر شبکه توزیع برق وارد کرده و می‌تواند منجر به خاموشی‌ها و مشکلات تأمین انرژی شود.

    این تمرکز نامتناسب بر U-value ممکن است ریشه در تاریخچه تدوین کدهای انرژی داشته باشد که اغلب در ابتدا در اقلیم‌های سردتر توسعه یافته‌اند، جایی که U-value برای کنترل اتلاف حرارت در زمستان اهمیت اولیه را دارد. انتقال مستقیم این اولویت‌ها به اقلیم‌های گرم بدون بازنگری و وزن‌دهی مجدد به اهمیت SHGC، یک خطای رایج اما قابل اجتناب است.

پیشنهاد اینفوگرافیک: یک نمودار میله‌ای یا دایره‌ای که سهم نسبی انرژی ورودی از طریق هدایت (مرتبط با U-value) و تابش خورشیدی (مرتبط با SHGC) را در بار سرمایشی یک ساختمان نمونه در یک روز گرم تابستانی در اقلیمی مانند تهران یا یزد مقایسه کند. این نمودار باید به وضوح نشان دهد که سهم SHGC بسیار بیشتر است.

۶. راهکارهای نوین برای کنترل هوشمندانه انرژی خورشیدی: پوشش نانومایع “نانو شیلد زیگورات”

با پیشرفت فناوری، راهکارهای نوینی برای بهبود عملکرد حرارتی شیشه‌ها، به ویژه در زمینه کنترل بهره حرارتی خورشیدی، ارائه شده است. فناوری نانو یکی از این حوزه‌های امیدوارکننده است.

  • مقدمه‌ای بر فناوری نانو در صنعت شیشه:پوشش‌های نانومتری لایه‌های بسیار نازکی هستند که بر روی سطوح مختلف، از جمله شیشه، اعمال می‌شوند تا خواص فیزیکی، شیمیایی یا نوری آن سطح را تغییر داده و بهبود بخشند.16 این پوشش‌ها می‌توانند از ذراتی با ابعاد نانومتری (معمولاً ۱ تا ۱۰۰ نانومتر) تشکیل شده باشند. در صنعت شیشه، از پوشش‌های نانو برای ایجاد خواصی مانند خودتمیزشوندگی (با استفاده از ذرات نانو دی‌اکسید تیتانیوم) 17، ضد بازتاب نور، مقاومت در برابر خراش، و مهم‌تر از همه، کنترل انتقال حرارت و انرژی خورشیدی استفاده می‌شود.

  • پوشش‌های نانومایع برای کاهش SHGC و بازتاب امواج مادون قرمز (IR):دسته خاصی از پوشش‌های نانو به صورت مایع فرموله شده‌اند که می‌توان آن‌ها را بر روی سطوح شیشه‌ای موجود اسپری کرده یا اعمال نمود. این پوشش‌ها پس از خشک شدن، یک لایه نازک، شفاف و پایدار بر روی شیشه ایجاد می‌کنند. مکانیسم اصلی عملکرد این پوشش‌ها در کنترل انرژی خورشیدی، بازتاب یا جذب انتخابی بخش مادون قرمز (IR) طیف خورشید است. بخش عمده‌ای از انرژی گرمایی تابش خورشید در ناحیه مادون قرمز قرار دارد. این پوشش‌های نانو به گونه‌ای طراحی می‌شوند که بخش زیادی از امواج IR را بازتاب داده یا جذب کرده و سپس به سمت خارج بازتابش کنند، در حالی که اجازه عبور بخش قابل توجهی از نور مرئی را می‌دهند. این ویژگی باعث می‌شود که فضای داخلی از گرمای ناخواسته خورشید محافظت شود بدون آنکه روشنایی طبیعی به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش یابد.18 مزایای این روش شامل امکان اعمال بر روی شیشه‌های موجود (retrofit) بدون نیاز به تعویض کامل پنجره، هزینه بالقوه کمتر نسبت به تعویض، و حفظ شفافیت شیشه است.

  • معرفی “نانو شیلد زیگورات” (بر اساس اطلاعات ارائه شده توسط کاربر):طبق اطلاعات ارائه شده، “نانو شیلد زیگورات” یک پوشش نانومایع است که ادعا می‌شود قادر است تا ۹۰ درصد از امواج مادون قرمز را حذف کرده و SHGC یک شیشه تک‌جداره معمولی را به حدود ۰.۴ برساند.

    • تحلیل پتانسیل: دستیابی به SHGC حدود ۰.۴ برای یک شیشه تک‌جداره با استفاده از یک پوشش، یک پیشرفت بسیار قابل توجه محسوب می‌شود. شیشه‌های تک‌جداره معمولی، به ویژه انواع شفاف، دارای SHGC بسیار بالایی هستند (به عنوان مثال، طبق یک منبع، SHGC شیشه تک‌جداره شفاف حدود ۰.۶۶ است 15، و در برخی موارد می‌تواند تا ۰.۸ یا بیشتر نیز برسد). کاهش این مقدار به ۰.۴ به معنای کاهش چشمگیر ورود گرمای خورشیدی است. محصولات مشابهی از شرکت‌های دیگر نیز در بازار جهانی وجود دارند که ادعاهای مشابهی در زمینه مسدودسازی امواج IR و کاهش SHGC دارند. به عنوان مثال، محصول KillGlass (رنگی) SHGC معادل ۰.۴۶ را گزارش می‌کند 19 و Star Heat Shield ادعای مسدودسازی ۹۵ تا ۹۹ درصد از امواج IR را دارد.18 این موارد نشان می‌دهد که دستیابی به چنین عملکردی از نظر فنی امکان‌پذیر است.

    • اهمیت برای ساختمان‌های قدیمی ایران: بخش قابل توجهی از ساختمان‌های موجود در ایران، به ویژه ساختمان‌های قدیمی‌تر، دارای پنجره‌های تک‌جداره با عملکرد حرارتی بسیار ضعیف هستند. تعویض این پنجره‌ها با انواع دوجداره یا Low-E اغلب پرهزینه و گاهی دشوار است. فناوری پوشش‌های نانومایع مانند “نانو شیلد زیگورات” (در صورت اثبات عملکرد ادعا شده) می‌تواند یک راهکار بسیار جذاب و مقرون‌به‌صرفه برای بهسازی این ساختمان‌ها و کاهش مصرف انرژی آن‌ها، به ویژه در بخش سرمایش، باشد.

  • مقایسه با سایر راهکارهای کنترل خورشیدی:پوشش‌های نانومایع باید با سایر راهکارهای موجود برای کنترل بهره حرارتی خورشیدی مقایسه شوند، از جمله:

    • شیشه‌های Low-E: این شیشه‌ها دارای پوشش‌های میکروسکوپی فلزی یا اکسید فلزی هستند که در فرآیند تولید بر روی شیشه اعمال می‌شوند و می‌توانند هم U-value و هم SHGC را به طور مؤثری کاهش دهند.

    • شیشه‌های رنگی (Tinted Glass): با افزودن اکسیدهای فلزی به ترکیب شیشه، رنگی می‌شوند و بخشی از تابش خورشیدی را جذب می‌کنند، که منجر به کاهش SHGC می‌شود.

    • فیلم‌های کنترل خورشیدی (Solar Control Films): لایه‌های پلیمری نازکی هستند که بر روی سطح داخلی یا خارجی شیشه‌های موجود چسبانده می‌شوند و می‌توانند SHGC و عبور نور را کاهش دهند.

    • سایه‌بان‌های خارجی و داخلی: راهکارهای غیرمرتبط با خود شیشه که از رسیدن تابش خورشید به سطح شیشه جلوگیری کرده یا آن را کاهش می‌دهند.

جدول ۴: مقایسه عملکرد و هزینه نسبی راهکارهای مختلف بهبود SHGC شیشه

راهکار U-value نمونه (W/m2K) SHGC نمونه VT نمونه هزینه نسبی مزایا معایب/محدودیت‌ها
شیشه تک‌جداره معمولی (شفاف) ۵.۰ – ۵.۸ ۰.۶۵ – ۰.۸۵ ۰.۸ – ۰.۹ کم هزینه اولیه پایین، عبور نور بالا عملکرد حرارتی بسیار ضعیف، SHGC و U-value بالا
شیشه دوجداره معمولی (شفاف) ۲.۵ – ۳.۰ ۰.۵۵ – ۰.۷۵ ۰.۷ – ۰.۸ متوسط U-value بهتر از تک‌جداره، عایق صوتی بهتر SHGC همچنان بالا برای اقلیم گرم
شیشه دوجداره با پوشش Low-E (برای اقلیم گرم) ۱.۶ – ۲.۰ ۰.۲۵ – ۰.۴۰ ۰.۴ – ۰.۷ زیاد U-value و SHGC پایین، کنترل خوب بهره خورشیدی، آسایش حرارتی بهتر هزینه اولیه بالاتر، نیاز به انتخاب دقیق نوع پوشش Low-E
شیشه تک‌جداره + نانو شیلد زیگورات (ادعایی) حدود ۵ (بدون تغییر قابل توجه U-value) حدود ۰.۴ متغیر (بسته به شفافیت پوشش) متوسط بهبود قابل توجه SHGC شیشه تک‌جداره، مناسب برای بهسازی، هزینه کمتر از تعویض کامل پنجره نیاز به تأیید عملکرد توسط آزمایشگاه معتبر، دوام پوشش، تأثیر احتمالی بر U-value ناچیز
فیلم کنترل خورشیدی (روی تک‌جداره) حدود ۵ (تغییر ناچیز) ۰.۲ – ۰.۵ ۰.۱۵ – ۰.۶ متوسط کاهش خوب SHGC، تنوع در رنگ و میزان عبور نور، مناسب برای بهسازی دوام محدودتر از پوشش‌های کارخانه‌ای، احتمال تغییر رنگ یا جدا شدن در طول زمان، کاهش VT

۷. توصیه‌های کاربردی برای انتخاب و بهینه‌سازی شیشه در ساختمان‌های ایران

انتخاب صحیح شیشه و بهینه‌سازی عملکرد پوسته شفاف ساختمان، چه در مرحله طراحی و ساخت ساختمان‌های نوساز و چه در فرآیند بهسازی ساختمان‌های موجود، نیازمند یک رویکرد علمی و یکپارچه است.

  • برای ساختمان‌های نوساز:

    1. طراحی یکپارچه از مراحل اولیه: انتخاب مشخصات شیشه نباید به عنوان یک تصمیم دیرهنگام در نظر گرفته شود. از همان مراحل اولیه طراحی مفهومی، باید عواملی چون جهت‌گیری ساختمان، اقلیم محلی، درصد پنجره به دیوار (WWR)، نوع کاربری فضاها، و نیاز به سایه‌بان‌های خارجی به طور همزمان با انتخاب اولیه U-value و SHGC شیشه‌ها مد نظر قرار گیرند. یک طراحی ضعیف در مراحل اولیه (مثلاً پنجره‌های بزرگ بدون سایه‌بان در نمای غربی یک ساختمان در اقلیم گرم) را نمی‌توان صرفاً با انتخاب یک شیشه بسیار پیشرفته جبران کرد.

    2. استفاده از شبیه‌سازی انرژی: برای ارزیابی دقیق گزینه‌های مختلف شیشه و پیش‌بینی عملکرد انرژی کل ساختمان، استفاده از نرم‌افزارهای معتبر شبیه‌سازی انرژی (مانند EnergyPlus، DesignBuilder، IESVE) اکیداً توصیه می‌شود. این ابزارها به طراحان کمک می‌کنند تا تأثیر متقابل پارامترهای مختلف را بررسی کرده و بهینه‌ترین ترکیب را انتخاب کنند.

    3. توجه به قاب پنجره و جزئیات نصب: عملکرد حرارتی مجموعه پنجره تنها به شیشه وابسته نیست. قاب پنجره نیز نقش مهمی ایفا می‌کند. استفاده از قاب‌های با شکست حرارتی (Thermal Break)، به ویژه قاب‌های آلومینیومی، برای کاهش پل‌های حرارتی و بهبود U-value کلی پنجره ضروری است.27 همچنین، کیفیت نصب و درزبندی دقیق پنجره‌ها برای جلوگیری از نفوذ هوای کنترل نشده و اتلاف انرژی بسیار حیاتی است.

    4. در نظر گرفتن نور مرئی عبوری (VT) و کنترل خیرگی: انتخاب شیشه‌ها باید به گونه‌ای باشد که ضمن کنترل مؤثر بهره حرارتی خورشیدی (SHGC پایین در اقلیم گرم)، نور طبیعی کافی را برای روشنایی فضاهای داخلی فراهم کند (VT مناسب). این امر به کاهش مصرف انرژی برای روشنایی مصنوعی کمک می‌کند. نسبت VT/SHGC (یا LSG) می‌تواند شاخص خوبی برای این منظور باشد. همچنین، باید به کنترل خیرگی ناشی از نور مستقیم خورشید توجه شود.

  • برای ساختمان‌های موجود (بهسازی و مقاوم‌سازی):با توجه به تعداد زیاد ساختمان‌های موجود با عملکرد انرژی نامطلوب در ایران، بهسازی پوسته‌های شفاف آن‌ها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.
    1. ارزیابی وضعیت موجود: اولین گام، بررسی دقیق نوع شیشه‌ها، قاب‌ها، وضعیت درزبندی و میزان اتلاف انرژی از طریق پنجره‌های فعلی است. این ارزیابی می‌تواند شامل بازرسی چشمی، استفاده از دوربین‌های حرارتی و یا محاسبات ساده باشد.
    2. گزینه‌های بهسازی:
      • اعمال پوشش‌های نانومایع کنترل خورشیدی: در صورتی که عملکرد و دوام این پوشش‌ها (مانند “نانو شیلد زیگورات”) توسط مراجع معتبر تأیید شود، می‌توانند گزینه جذابی برای کاهش SHGC شیشه‌های تک‌جداره یا دوجداره معمولی باشند.
      • نصب فیلم‌های کنترل خورشیدی: این فیلم‌ها نیز می‌توانند SHGC را به طور مؤثری کاهش دهند، اما باید به دوام و کیفیت آن‌ها توجه کرد.
      • تعویض شیشه‌ها: در برخی موارد، تعویض شیشه‌های تک‌جداره با شیشه‌های دوجداره یا Low-E (در همان قاب موجود، در صورت امکان) می‌تواند راهکار مؤثری باشد.
      • تعویض کامل پنجره: اگر قاب‌ها نیز بسیار فرسوده و ناکارآمد باشند، تعویض کامل پنجره با یک مجموعه جدید با عملکرد حرارتی بالا، بهترین گزینه در بلندمدت خواهد بود، هرچند هزینه اولیه بیشتری دارد.
      • بهبود درزبندی: استفاده از نوارهای درزگیر مناسب و تعمیر یا تعویض یراق‌آلات فرسوده می‌تواند نفوذ هوا را به طور قابل توجهی کاهش دهد.
      • استفاده از سایه‌بان‌های داخلی یا خارجی: نصب سایه‌بان‌های مؤثر، به ویژه سایه‌بان‌های خارجی، می‌تواند به میزان زیادی از ورود تابش خورشیدی در فصول گرم جلوگیری کند.

    در انتخاب راهکار بهسازی برای ساختمان‌های موجود، تحلیل هزینه-فایده (مقایسه هزینه اولیه با میزان صرفه‌جویی انرژی در طول عمر مفید) نقش کلیدی دارد. راهکارهای کم‌هزینه‌تر و با دوره بازگشت سرمایه کوتاه‌تر، مانند پوشش‌ها یا فیلم‌ها، ممکن است برای بسیاری از مالکین جذاب‌تر باشند، به شرطی که بهبود قابل توجهی در SHGC ایجاد کنند.

  • نقش استانداردها و گواهینامه‌ها:همواره توصیه می‌شود از محصولات شیشه و پنجره‌ای استفاده شود که دارای گواهینامه معتبر از مراجع ملی یا بین‌المللی باشند. این گواهینامه‌ها تضمین می‌کنند که مقادیر U-value، SHGC و VT گزارش شده برای محصول، طبق روش‌های استاندارد اندازه‌گیری شده و قابل اتکا هستند.

۸. نتیجه‌گیری: به سوی آینده‌ای روشن‌تر و خنک‌تر با انتخاب هوشمندانه شیشه

تحلیل ارائه شده در این مقاله به وضوح نشان می‌دهد که انتخاب هوشمندانه و علمی مشخصات حرارتی شیشه‌ها، به ویژه در ساختمان‌هایی با پوسته‌های شفاف وسیع، نقشی حیاتی در بهینه‌سازی مصرف انرژی، کاهش هزینه‌ها و افزایش آسایش حرارتی ساکنین در اقلیم‌های متنوع ایران ایفا می‌کند.

  • اهمیت همزمان U-value و SHGC: دیگر نمی‌توان عملکرد حرارتی شیشه را تنها با یک پارامتر (مانند U-value) ارزیابی کرد. هر دو ضریب U-value و SHGC باید به طور همزمان و متناسب با شرایط اقلیمی خاص هر منطقه، جهت‌گیری ساختمان، و نوع کاربری فضاها در نظر گرفته شوند. تمرکز افراطی بر یکی و غفلت از دیگری، به ویژه در اقلیم‌های گرم ایران که بخش عمده‌ای از کشور را تشکیل می‌دهند، منجر به طراحی‌های ناکارآمد و هدررفت شدید انرژی خواهد شد.

  • نقش حیاتی SHGC در اقلیم ایران: با توجه به تابش شدید و طولانی مدت خورشید در بسیاری از مناطق ایران، کنترل بهره حرارتی خورشیدی از طریق انتخاب شیشه‌هایی با SHGC مناسب، کلید اصلی کاهش بار سرمایشی، جلوگیری از داغ‌شدگی فضاهای داخلی، و در نتیجه کاهش مصرف سرسام‌آور برق در فصول گرم سال است. این امر نه تنها به نفع اقتصاد خانوار و کشور است، بلکه به کاهش فشار بر شبکه برق و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای نیز کمک می‌کند.

  • پتانسیل فناوری‌های نوین: فناوری‌های جدید مانند پوشش‌های نانومایع کنترل خورشیدی (از جمله “نانو شیلد زیگورات”، در صورت اثبات عملکرد ادعا شده از طریق آزمون‌های معتبر) می‌توانند راهکارهای نویدبخشی برای مقابله با چالش‌های انرژی در ساختمان‌های نوساز و به‌ویژه در بهسازی حرارتی ساختمان‌های قدیمی با پنجره‌های ناکارآمد ارائه دهند. این فناوری‌ها پتانسیل آن را دارند که با هزینه نسبتاً کمتر، بهبود قابل توجهی در عملکرد انرژی ایجاد کنند.

  • فراخوان به اقدام: در نهایت، این مقاله فراخوانی است به تمامی دست‌اندرکاران صنعت ساختمان ایران – از معماران و مهندسان طراح گرفته تا سازندگان، تولیدکنندگان مصالح، سیاست‌گذاران و قانون‌گذاران، و همچنین مالکین و بهره‌برداران ساختمان‌ها. زمان آن فرا رسیده است که با نگاهی عمیق‌تر و علمی‌تر به مقوله انتخاب شیشه و طراحی پوسته ساختمان، از رویکردهای سنتی و گاه ناقص فاصله گرفته و با بهره‌گیری از دانش روز، استانداردهای کارآمد، و فناوری‌های نوین، گامی مؤثر در جهت ساخت آینده‌ای روشن‌تر، خنک‌تر، و پایدارتر برای ایران برداریم. سرمایه‌گذاری در انتخاب صحیح شیشه، سرمایه‌گذاری در آسایش، صرفه‌جویی، و حفظ منابع برای نسل‌های آینده است.

به بالا بروید