انرژی مصرفی در ساختمانها بخش بزرگی از کل انرژی جهان را تشکیل میدهد؛ حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد از انرژی نهایی صرف گرمایش، سرمایش، تهویه و روشنایی ساختمانها میشود. بنابراین صرفهجویی در انرژی ساختمانها برای حفظ محیطزیست و کاهش انتشار کربن بسیار مهم است. پنجرهها به دلیل تماس مستقیم با محیط بیرون، نقش زیادی در انتقال حرارت ناخواسته دارند و میتوانند تا ۴۰ درصد از گرمای ساختمان را از دست بدهند یا جذب کنند.
پنجرههای ترموکرومیک، نوعی شیشه هوشمند هستند که بهطور خودکار و با توجه به دمای محیط، شفافیت یا ویژگیهای نوری خود را تغییر میدهند. این تغییر باعث میشود نور و گرمای خورشید به شکل بهتری کنترل شود و دمای داخل ساختمان راحتتر و با مصرف انرژی کمتر مدیریت شود.
فناوری ترموکرومیک (Thermochromic) به موادی گفته میشود که ویژگیهای نوری آنها، مثل رنگ، بازتاب، جذب یا شفافیت، با تغییر دما تغییر میکند. در پنجرههای ترموکرومیک، شیشه با یک لایه از این مواد پوشانده شده است. وقتی دمای شیشه از یک حد مشخص (معمولاً بین ۲۵ تا ۳۵ درجه سلسیوس) بالاتر میرود، ماده ترموکرومیک فعال شده و معمولاً شفافیت خود را کاهش میدهد یا حالت ماتتری پیدا میکند. این کار باعث میشود بخش بیشتری از حرارت (تابش فروسرخ) و نور مرئی مسدود شود.
مواد ترموکرومیک به دو دسته اصلی تقسیم میشوند:
• مواد غیرآلی: مثل دیاکسید وانادیم (VO2) که در دمای مشخص، ساختار کریستالی خود را تغییر داده و از حالت شفاف به حالت بازتابنده تبدیل میشود. این تغییر باعث مسدود کردن مؤثر حرارت فروسرخ میشود.
• مواد آلی: شامل رنگدانههای مبتنی بر بلور مایع یا Leuco Dyes، که در دماهای خاص، آرایش مولکولی آنها تغییر کرده و باعث تغییر رنگ یا شفافیت میشوند.
تفاوت اصلی پنجرههای ترموکرومیک با دیگر شیشههای هوشمند این است که عملکرد آنها کاملاً غیر فعال است و نیازی به برق یا سیستم کنترل ندارد.
• فتوکرومیک: در پاسخ به نور فرابنفش (UV) واکنش نشان میدهد (مانند عینکهای آفتابی).
• الکتروکرومیک: در پاسخ به ولتاژ برق خارجی شفافیت خود را تغییر میدهد و نیاز به سیستمهای کنترل فعال دارد.
• ترموکرومیک: بدون برق و بهطور خودکار، با تغییر دما شفافیت خود را تنظیم میکند.
در مقالهی «Thermochromic Smart Window Technologies for Building Application: A Review» که در وبسایت ResearchGate منتشر شده است، فناوریهای پنجرههای هوشمند حرارتی (thermochromic) برای کاربرد در ساختمانها و توانایی آنها در کاهش مصرف انرژی، از جمله تنظیم خودکار عبور نور و حرارت براساس دمای محیط، بررسی شده است.
پنجرههای ترموکرومیک با تنظیم خودکار میزان گرمای خورشید که وارد ساختمان میشود، نقش مهمی در کنترل دمای داخل دارند و به صرفهجویی انرژی کمک میکنند.
• کاهش بار سرمایشی در تابستان: وقتی دمای بیرون بالا میرود، شیشه ترموکرومیک تیره شده و بیشتر تابش حرارتی را مسدود میکند. این کار از ورود گرما به داخل جلوگیری کرده و فشار روی سیستمهای تهویه مطبوع (HVAC) را کم میکند. شبیهسازیها نشان میدهند که این پنجرهها میتوانند تا ۲۵ تا ۳۵ درصد برق مصرفی برای سرمایش را کاهش دهند.
• کاهش نیاز به گرمایش در زمستان (در صورت طراحی مناسب): در دماهای پایین، پنجره شفاف میشود و اجازه میدهد بیشترین نور و حرارت خورشیدی وارد ساختمان شود. این ویژگی به ویژه برای مواد ترموکرومیک با دمای گذار پایین یا شفافیت بالا بسیار مؤثر است و به گرم شدن ساختمان کمک میکند.
• بررسی بازدهی انرژی: بازدهی انرژی با معیارهایی مثل ضریب انتقال حرارت (U-factor) و ضریب بهرهوری حرارتی خورشیدی (SHGC) اندازهگیری میشود. پنجرههای ترموکرومیک به طور مؤثر SHGC را در حالت فعال کاهش داده و مصرف برق ساختمان را بهینه میکنند. در مقالهی «Thermochromic Energy Efficient Windows: Fundamentals, Recent Advances, and Perspectives» که در نشریه علمی Chemical Reviews انتشار یافته است، فناوری پنجرههای هوشمند حرارتی (thermochromic) برای افزایش بهرهوری انرژی ساختمانها از طریق تنظیم خودکار خواص نوری و حرارتی در پاسخ به تغییرات دمای محیط بررسی شده است.
پنجرههای ترموکرومیک به دلیل عملکرد خودکار و توانایی کنترل حرارت، مزایای زیادی برای ساختمانهای مدرن دارند؛ اما مانند هر فناوری جدید، محدودیتها و چالشهایی هم دارند که باید هنگام تصمیمگیری در نظر گرفته شوند.
• مزایا:
بهبود آسایش حرارتی: با کنترل مقدار گرمای خورشیدی که وارد ساختمان میشود، دمای داخل در محدوده راحتتری باقی میماند و از گرم شدن ناگهانی فضای داخلی جلوگیری میشود.
عملکرد کاملاً خودکار (بدون نیاز به برق): این شیشهها به برق، سیمکشی یا سیستم کنترل نیاز ندارند و فقط با تغییر دمای محیط عمل میکنند، بنابراین نصب و نگهداری آنها سادهتر است.
مزایای زیستمحیطی: کاهش مصرف انرژی به کم شدن انتشار گازهای گلخانهای، بهخصوص دیاکسید کربن، کمک میکند و به اهداف پایداری ساختمانها نزدیکتر میشویم.
• محدودیتها و چالشها:
هزینه اولیه بالا: تولید و پوششدهی این شیشهها هنوز گرانتر از شیشههای معمولی یا حتی شیشههای Low-E است.
طول عمر و پایداری مواد: دوام بلندمدت لایههای ترموکرومیک در برابر رطوبت و نور فرابنفش هنوز نگرانیهایی ایجاد میکند.
ثابت بودن دمای گذار: دمای فعال شدن این شیشهها تغییر نمیکند و ممکن است برای همه شرایط آبوهوایی یا نیازهای حرارتی در طول روز مناسب نباشد.
تیره شدن بیش از حد در حالت فعال: وقتی شیشه تیره میشود، ممکن است نور طبیعی را بیش از حد کاهش دهد. این موضوع گاهی باعث نیاز بیشتر به روشنایی مصنوعی میشود و بخشی از صرفهجویی انرژی را از بین میبرد.
پنجرههای ترموکرومیک برای هر محیطی که کنترل دمای داخل و مدیریت نور خورشید اهمیت دارد، گزینهای مناسب هستند.
• ساختمانهای مسکونی و اداری: این پنجرهها بیشتر در خانهها و دفاتر استفاده میشوند تا هزینههای انرژی کاهش یابد و راحتی حرارتی ساکنان افزایش پیدا کند.
• مراکز تجاری و صنعتی: در فضاهای بزرگ با سطح شیشهای زیاد، استفاده از پنجرههای ترموکرومیک میتواند بار سرمایشی را بهطور قابلتوجهی کم کرده و هزینههای عملیاتی را کاهش دهد.
• تلفیق با سیستمهای مدیریت هوشمند ساختمان (BMS): هرچند عملکرد ترموکرومیکها بهطور کامل منفعل است، اما میتوان آنها را در سیستمهای BMS ادغام کرد. در این حالت، BMS با توجه به دمای داخل و بیرون، سیستمهای تهویه و روشنایی را بر اساس رفتار شیشه ترموکرومیک تنظیم و بهینهسازی میکند. این هماهنگی باعث مدیریت دقیقتر انرژی در ساختمان میشود. در مقالهی «تحول در صنعت ساختمان با پنجرههای خورشیدی شفاف و مولد برق» در وبسایت دکتر سولار، چشمانداز استفاده از پنجرههای خورشیدی در ساختمانهای مدرن و نقش آنها در تولید برق و بهینهسازی انرژی در سازهها مورد بررسی قرار گرفته است.
بررسی نمونههای واقعی و مدلسازیهای دقیق انرژی نشان میدهد که عملکرد پنجرههای ترموکرومیک در شرایط مختلف آبوهوایی بهطور قابل توجهی قابل اندازهگیری و ارزیابی است.
• نمونه ساختمانهای مجهز: هرچند استفاده گسترده و تجاری از این فناوری هنوز در مراحل اولیه است، پروژههای آزمایشی در مناطقی با تابش خورشیدی بالا مانند بخشهایی از آمریکا، اسپانیا و چین، نتایج امیدوارکنندهای داشتهاند. بیشتر این نمونهها از شیشههایی با پوشش دیاکسید وانادیم (VO₂) استفاده کردهاند.
• دادهها و نتایج شبیهسازی کاهش مصرف انرژی: شبیهسازیها نشان میدهند که پنجرههای ترموکرومیک بیشترین صرفهجویی انرژی را در اقلیمهای گرم و معتدل که بار سرمایشی بالاست، ارائه میکنند. به طور متوسط، یک ساختمان در این مناطق میتواند تنها با جایگزین کردن پنجرههای معمولی با پنجرههای ترموکرومیک، حدود ۱۰ تا ۳۰ درصد از مصرف انرژی سالانه خود را کاهش دهد.
ساختمانها حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد انرژی جهان را مصرف میکنند و پنجرهها میتوانند تا ۴۰ درصد حرارت ناخواسته را منتقل کنند. پنجرههای ترموکرومیک با استفاده از موادی مانند VO₂ و تغییر شفافیت در دمای حدود ۲۵ تا ۳۵ درجه، بدون نیاز به برق، میزان ورود گرمای خورشیدی را بهطور خودکار کنترل میکنند و از شیشههای الکتروکرومیک سادهتر و کممصرفتر هستند.
در روزهای گرم، این شیشهها تیره شده و بخش زیادی از حرارت فروسرخ را مسدود میکنند؛ شبیهسازیها نشان میدهند که میتوانند ۲۵ تا ۳۵ درصد مصرف برق سیستمهای سرمایشی را کاهش دهند. در زمستان هم با شفاف ماندن، اجازه ورود گرمای خورشید را میدهند و به گرمایش غیرفعال و آسایش حرارتی کمک میکنند.
کاربرد این پنجرهها در ساختمانهای مسکونی، اداری و تجاری، بهویژه در اقلیمهای گرم، رو به افزایش است و قابلیت اتصال به سیستمهای مدیریت هوشمند ساختمان را دارند. با وجود مزایایی مانند عملکرد خودکار و صرفهجویی انرژی، مشکلاتی مانند هزینه اولیه بالا، دوام مواد و ثابت بودن دمای گذار وجود دارد. با این حال مطالعات نشان میدهد که میتوانند سالانه ۱۰ تا ۳۰ درصد مصرف انرژی را کاهش دهند و تحقیقات آینده بر کاهش هزینه و بهبود عملکرد آنها تمرکز دارد.
ارسال نظر
آموزش خورشیدی