۱۰ شهر ایران با بیشترین مصرف انرژی در منازل؛ آیا پنجره ها مقصرند؟

تعریف و عملکرد فنی اتلاف انرژی از طریق پنجره ها

پنجره ها به عنوان نقاط ضعف در پوسته ساختمان پتانسیل بالایی برای تبادل حرارت بین داخل و خارج ساختمان دارند. این تبادل حرارت که به اتلاف انرژی منجر می شود از سه طریق اصلی صورت می گیرد : هدایت حرارتی (Conduction) همرفت حرارتی (Convection) و تابش حرارتی (Radiation).

• هدایت حرارتی : انتقال حرارت از طریق مواد جامد مانند شیشه و قاب پنجره رخ می دهد. میزان هدایت حرارتی به ضریب هدایت حرارتی ماده ضخامت و مساحت آن بستگی دارد. شیشه های تک جداره به دلیل ضخامت کم و ضریب هدایت حرارتی نسبتاً بالا هدایت حرارتی قابل توجهی دارند.
• همرفت حرارتی : انتقال حرارت از طریق حرکت سیالات (هوا) رخ می دهد. در پنجره ها جریان هوای گرم داخل ساختمان به سطح سرد شیشه منتقل شده و پس از سرد شدن به پایین حرکت می کند. این جریان همرفتی باعث اتلاف حرارت می شود. درزهای باز و هوابندی نامناسب پنجره ها نیز جریان همرفتی را تشدید می کنند.
• تابش حرارتی : انتقال حرارت از طریق امواج الکترومغناطیسی رخ می دهد. نور خورشید حاوی امواج فروسرخ است که هنگام عبور از شیشه بخشی از آن جذب شده و باعث گرم شدن فضای داخلی می شود. در زمستان تابش حرارتی از سطوح گرم داخل ساختمان (مانند رادیاتورها) به سمت شیشه سرد تابیده شده و به بیرون منتقل می شود.

برای سنجش میزان اتلاف حرارت از طریق پنجره ها از دو شاخص کلیدی استفاده می شود : ضریب انتقال حرارت (U-Value) و ضریب بهره خورشیدی (SHGC).

• ضریب انتقال حرارت (U-Value) : این شاخص میزان حرارتی که در واحد زمان از واحد سطح پنجره به ازای اختلاف دمای یک درجه سانتیگراد بین دو طرف پنجره عبور می کند را نشان می دهد. واحد آن وات بر متر مربع درجه کلوین (W/m²K) است. هرچه U-Value پایین تر باشد عایق حرارتی پنجره بهتر و اتلاف انرژی کمتر خواهد بود. برای مثال U-Value پنجره های تک جداره معمولاً بین ۵ تا ۶ W/m²K است در حالی که پنجره های دوجداره با شیشه Low-E و گاز آرگون می توانند U-Value را به حدود ۱.۲ W/m²K یا کمتر برسانند.
• ضریب بهره خورشیدی (SHGC) : این شاخص نسبت انرژی خورشیدی که از پنجره عبور کرده و وارد فضای داخلی می شود به کل انرژی خورشیدی تابیده شده به پنجره را نشان می دهد. مقدار SHGC بین ۰ تا ۱ متغیر است. SHGC بالا به معنای ورود بیشتر انرژی خورشیدی به داخل ساختمان است که در فصول سرد مطلوب و در فصول گرم نامطلوب است.

علاوه بر U-Value و SHGC نفوذپذیری هوا (Air Leakage) نیز از عوامل مهم در اتلاف انرژی از طریق پنجره ها است. نفوذ هوا از درزها و شکاف های پنجره ها باعث ورود هوای سرد در زمستان و هوای گرم در تابستان به داخل ساختمان می شود و بار حرارتی و برودتی ساختمان را افزایش می دهد.

پنجره های دو جداره تک حالته: راهکاری برای کاهش اتلاف انرژی و بهینه سازی مصرف

در دنیای امروز که بهینه‌سازی مصرف انرژی به دغدغه‌ای جهانی تبدیل شده پنجره‌ها به عنوان نقاط ضعف در تبادل حرارت بین داخل و خارج ساختمان شناخته می‌شوند. پنجره‌های دو جداره تک حالته با دو لایه شیشه و فضای میانی عایق انتقال حرارت را کاهش داده و از هدررفت انرژی جلوگیری می‌کنند. این پنجره‌ها نه تنها در کاهش هزینه‌های گرمایش و سرمایش مؤثرند بلکه با بهبود عایق‌بندی صوتی و جلوگیری از تشکیل شبنم به افزایش آسایش ساکنان کمک می‌کنند. کارخانه صنعتی گیل پارس با بیش از 17 سال سابقه بزرگترین تولیدکننده این پنجره‌ها در شرق گیلان است و در لاهیجان با ظرفیت بالای تولید به تأمین نیازهای بازار همجوار پرداخته است.

۱۰ شهر پرمصرف ایران و نقش پنجره ها در مصرف انرژی خانگی

شناسایی دقیق ۱۰ شهر ایران با بیشترین مصرف انرژی خانگی نیازمند دسترسی به آمار رسمی و به روز از وزارت نیرو و سازمان های مرتبط است. با این حال بر اساس گزارش های غیررسمی و الگوهای مصرف انرژی در مناطق مختلف ایران می توان شهرهایی مانند تهران کرج اصفهان تبریز مشهد شیراز اهواز قم ارومیه و کرمانشاه را به عنوان شهرهای پرمصرف در بخش خانگی معرفی کرد.

مصرف بالای انرژی در این شهرها به عوامل متعددی از جمله موارد زیر بستگی دارد :

• اقلیم : تنوع اقلیمی ایران باعث شده است که برخی از شهرها در مناطق سردسیر و برخی دیگر در مناطق گرمسیر واقع شوند. شهرهای سردسیر مانند تبریز و ارومیه به دلیل زمستان های طولانی و سرد نیاز بالایی به سیستم های گرمایشی دارند. شهرهای گرمسیر مانند اهواز و شیراز نیز به دلیل تابستان های گرم و طولانی مصرف انرژی بالایی برای سیستم های سرمایشی دارند. شهرهای معتدل مانند تهران و کرج نیز به دلیل داشتن زمستان های سرد و تابستان های گرم هم نیاز به سیستم های گرمایشی و هم سیستم های سرمایشی دارند.
• بافت فرسوده ساختمان ها : بسیاری از ساختمان های مسکونی در شهرهای بزرگ ایران به ویژه در بافت های قدیمی از عایق بندی حرارتی مناسبی برخوردار نیستند و پنجره های آن ها قدیمی و تک جداره هستند. این امر باعث اتلاف انرژی قابل توجهی از طریق دیوارها سقف و پنجره ها می شود.
• الگوی مصرف انرژی : الگوی مصرف انرژی خانوارها نیز در میزان مصرف انرژی شهرها مؤثر است. استفاده بی رویه از وسایل گرمایشی و سرمایشی عدم توجه به تنظیم دمای مناسب استفاده از لامپ های پرمصرف و روشن گذاشتن چراغ ها در فضاهای خالی از جمله عوامل مؤثر در افزایش مصرف انرژی خانگی هستند.
• قیمت انرژی : قیمت نسبتاً پایین انرژی در ایران در مقایسه با بسیاری از کشورهای توسعه یافته انگیزه کمتری برای صرفه جویی در مصرف انرژی ایجاد می کند.

در میان عوامل ذکر شده پنجره ها به دلیل سهم قابل توجه در اتلاف حرارت ساختمان نقش مهمی در مصرف انرژی خانگی در شهرهای پرمصرف ایران ایفا می کنند. تخمین زده می شود که ۲۰ تا ۳۰ درصد اتلاف حرارت ساختمان ها از طریق پنجره ها صورت می گیرد. در ساختمان های قدیمی با پنجره های تک جداره و بدون عایق بندی مناسب این سهم می تواند حتی بیشتر نیز باشد.

اجزای اصلی پنجره های کم مصرف و اصول کارکرد آن ها

برای کاهش اتلاف انرژی از طریق پنجره ها استفاده از پنجره های کم مصرف ضروری است. پنجره های کم مصرف از اجزای مختلفی تشکیل شده اند که هر کدام نقش مهمی در بهبود عملکرد حرارتی پنجره ایفا می کنند :

• شیشه دوجداره و سه جداره : استفاده از شیشه های دوجداره و سه جداره با ایجاد فضای عایق هوا یا گاز بین لایه های شیشه هدایت حرارتی را به طور چشمگیری کاهش می دهد. فضای بین شیشه ها معمولاً با گازهای بی اثر مانند آرگون یا کریپتون پر می شود که ضریب هدایت حرارتی پایین تری نسبت به هوا دارند و عملکرد عایق حرارتی را بهبود می بخشند.
• پوشش Low-E (Low Emissivity) : پوشش Low-E یک لایه نازک از مواد فلزی یا نیمه رسانا است که بر روی سطح داخلی شیشه اعمال می شود. این پوشش قابلیت بازتابش امواج فروسرخ را افزایش می دهد و از تبادل حرارت تابشی بین داخل و خارج ساختمان جلوگیری می کند. پوشش Low-E در زمستان از خروج حرارت داخل ساختمان به بیرون و در تابستان از ورود حرارت خورشیدی به داخل ساختمان جلوگیری می کند.
• اسپیسر حرارتی (Thermal Break Spacer) : اسپیسر قطعه ای است که لایه های شیشه را در پنجره های دوجداره و سه جداره از هم جدا می کند و در عین حال فاصله مشخصی بین آن ها ایجاد می کند. در پنجره های معمولی اسپیسرها از جنس آلومینیوم هستند که رسانای حرارتی خوبی است و باعث ایجاد پل حرارتی می شود. اسپیسرهای حرارتی از مواد عایق مانند پلاستیک یا فایبرگلاس ساخته می شوند و از انتقال حرارت از طریق قاب پنجره جلوگیری می کنند.
• قاب پنجره با عایق حرارتی : جنس قاب پنجره نیز در عملکرد حرارتی پنجره مؤثر است. قاب های آلومینیومی به دلیل رسانایی حرارتی بالا اتلاف حرارت بیشتری نسبت به قاب های UPVC چوبی یا کامپوزیتی دارند. قاب های UPVC با پروفیل های چند حفره ای و عایق بندی داخلی عملکرد حرارتی بهتری دارند. قاب های چوبی نیز عایق حرارتی خوبی هستند اما نیاز به نگهداری بیشتری دارند. قاب های کامپوزیتی ترکیبی از مزایای قاب های UPVC و چوبی را ارائه می دهند.
• هوابندی مناسب : هوابندی مناسب پنجره ها با استفاده از درزگیرهای الاستومری و نوارهای آب بندی از نفوذ هوا از درزها و شکاف های پنجره ها جلوگیری می کند و اتلاف انرژی ناشی از همرفت حرارتی را کاهش می دهد.

کاربردهای صنعتی پنجره های کم مصرف و مثال هایی از صنایع مختلف

پنجره های کم مصرف نه تنها در ساختمان های مسکونی بلکه در انواع ساختمان های تجاری اداری صنعتی و آموزشی نیز کاربرد گسترده ای دارند. استفاده از پنجره های کم مصرف در این ساختمان ها مزایای متعددی از جمله کاهش مصرف انرژی کاهش هزینه های بهره برداری افزایش آسایش حرارتی ساکنین و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای را به همراه دارد.

مثال هایی از کاربرد پنجره های کم مصرف در صنایع مختلف :

• ساختمان های اداری و تجاری : در ساختمان های اداری و تجاری بزرگ با مساحت پنجره های زیاد استفاده از پنجره های کم مصرف می تواند منجر به کاهش قابل توجه مصرف انرژی و هزینه های تهویه مطبوع شود. بسیاری از ساختمان های سبز و پایدار از پنجره های کم مصرف با عملکرد بالا برای دستیابی به گواهینامه های معتبر مانند LEED استفاده می کنند.
• بیمارستان ها و مراکز درمانی : در بیمارستان ها و مراکز درمانی حفظ دمای مناسب و آسایش حرارتی بیماران و پرسنل از اهمیت بالایی برخوردار است. پنجره های کم مصرف با ایجاد محیطی مطبوع و کاهش نوسانات دمایی به بهبود کیفیت مراقبت های بهداشتی کمک می کنند.
• مدارس و دانشگاه ها : در مدارس و دانشگاه ها ایجاد محیط آموزشی مناسب و پربازده ضروری است. پنجره های کم مصرف با تأمین نور طبیعی کافی و جلوگیری از اتلاف حرارت به بهبود شرایط محیطی کلاس های درس و فضاهای آموزشی کمک می کنند.
• کارخانه ها و سالن های تولید : در کارخانه ها و سالن های تولید کنترل دما و رطوبت محیط برای حفظ کیفیت محصولات و آسایش کارکنان اهمیت دارد. پنجره های کم مصرف در کنار سیستم های تهویه مطبوع به ایجاد شرایط محیطی مناسب در این فضاها کمک می کنند.
• گلخانه ها : در گلخانه ها کنترل دقیق دما و رطوبت برای رشد بهینه گیاهان ضروری است. پنجره های کم مصرف با قابلیت تنظیم میزان نور و حرارت ورودی به بهبود عملکرد گلخانه ها و کاهش مصرف انرژی کمک می کنند.
• صنعت حمل و نقل : در صنعت حمل و نقل استفاده از شیشه های کم مصرف در وسایل نقلیه مانند قطارها اتوبوس ها و هواپیماها به کاهش مصرف سوخت و افزایش آسایش مسافران کمک می کند.

بررسی استانداردهای بین المللی و فناوری های پیشرفته مرتبط

در سطح بین المللی استانداردهای متعددی برای عملکرد حرارتی پنجره ها و ساختمان ها تدوین شده است. برخی از مهم ترین این استانداردها عبارتند از :

• استاندارد ISO ۱۵۰۹۹ : این استاندارد بین المللی روش های محاسبه عملکرد حرارتی پنجره ها درها و پرده های نما را ارائه می دهد. این استاندارد شامل روش های محاسبه U-Value SHGC و نفوذپذیری هوا است.
• استاندارد EN ۶۷۳ : این استاندارد اروپایی روش های محاسبه U-Value و ضریب عبور نور (Visible Light Transmittance) شیشه ها را مشخص می کند.
• استاندارد ASHRAE ۹۰.۱ : این استاندارد انجمن مهندسان گرمایش سرمایش و تهویه مطبوع آمریکا (ASHRAE) الزامات حداقل عملکرد انرژی برای ساختمان ها را تعیین می کند. این استاندارد شامل الزامات مربوط به U-Value و SHGC پنجره ها بر اساس اقلیم های مختلف است.
• استاندارد NFRC (National Fenestration Rating Council) : این استاندارد آمریکایی سیستم رتبه بندی عملکرد پنجره ها درها و نورگیرها را ارائه می دهد. NFRC برچسبی را برای محصولات ارائه می دهد که اطلاعاتی در مورد U-Value SHGC نفوذپذیری هوا و ضریب عبور نور ارائه می دهد.

در زمینه فناوری های پیشرفته مرتبط با پنجره ها می توان به موارد زیر اشاره کرد :

• پنجره های هوشمند (Smart Windows) : این پنجره ها قابلیت تغییر خواص نوری و حرارتی خود را بر اساس شرایط محیطی دارند. پنجره های الکتروکرومیک نوعی از پنجره های هوشمند هستند که با اعمال ولتاژ الکتریکی رنگ شیشه آن ها تغییر می کند و میزان نور و حرارت ورودی را کنترل می کنند. پنجره های ترموکرومیک نیز بر اساس تغییر دما خواص خود را تغییر می دهند.
• پنجره های خلاء (Vacuum Glazing) : این پنجره ها از دو لایه شیشه تشکیل شده اند که بین آن ها خلاء ایجاد شده است. خلاء عایق حرارتی بسیار خوبی است و پنجره های خلاء می توانند U-Value بسیار پایینی (در حدود ۰.۵ W/m²K یا کمتر) داشته باشند.
• پنجره های آیروژل (Aerogel Windows) : آیروژل یک ماده جامد بسیار سبک و متخلخل است که عایق حرارتی فوق العاده ای دارد. پنجره های آیروژل با پر کردن فضای بین لایه های شیشه با آیروژل عملکرد حرارتی بسیار بالایی ارائه می دهند.
• پنجره های خورشیدی (Solar Windows) : این پنجره ها علاوه بر عملکرد عایق حرارتی قابلیت تولید برق از نور خورشید را نیز دارند. پنجره های فتوولتائیک شفاف (Transparent Photovoltaic Windows) نوعی از پنجره های خورشیدی هستند که از مواد نیمه رسانای شفاف برای جذب نور خورشید و تولید برق استفاده می کنند.

چالش ها و محدودیت های فنی استفاده از پنجره های کم مصرف در ایران

استفاده از پنجره های کم مصرف در ایران با چالش ها و محدودیت های فنی و اقتصادی متعددی روبرو است :

• هزینه اولیه بالا : پنجره های کم مصرف به ویژه پنجره های دوجداره با شیشه Low-E و گاز آرگون هزینه اولیه بالاتری نسبت به پنجره های معمولی دارند. این هزینه بالا می تواند مانعی برای استفاده گسترده از این پنجره ها در ساختمان های مسکونی و تجاری باشد.
• عدم آگاهی کافی : بسیاری از سازندگان و مصرف کنندگان در ایران هنوز آگاهی کافی در مورد مزایای پنجره های کم مصرف و اهمیت آن ها در صرفه جویی انرژی ندارند.
• کیفیت پایین برخی محصولات : متأسفانه برخی از پنجره های دوجداره موجود در بازار ایران از کیفیت مناسبی برخوردار نیستند و عملکرد حرارتی مورد انتظار را ارائه نمی دهند. استفاده از مواد اولیه نامرغوب عدم رعایت استانداردهای تولید و نصب غیرحرفه ای از جمله عوامل مؤثر در کاهش کیفیت این محصولات هستند.
• نبود استانداردهای ملی اجباری : در حال حاضر استانداردهای ملی اجباری برای عملکرد حرارتی پنجره ها در ایران وجود ندارد. این امر باعث شده است که تولیدکنندگان و سازندگان ساختمان ها انگیزه کمتری برای استفاده از پنجره های کم مصرف داشته باشند.
• محدودیت های فناوری : برخی از فناوری های پیشرفته پنجره های کم مصرف مانند پنجره های هوشمند و پنجره های خلاء هنوز در ایران به صورت گسترده در دسترس نیستند و نیاز به سرمایه گذاری در تحقیق و توسعه و انتقال فناوری دارند.

نکات کلیدی برای بهینه سازی و بهبود عملکرد پنجره ها در ساختمان ها

برای بهینه سازی و بهبود عملکرد پنجره ها در ساختمان ها و کاهش اتلاف انرژی رعایت نکات زیر ضروری است :

• انتخاب پنجره مناسب : انتخاب نوع پنجره باید بر اساس شرایط اقلیمی منطقه جهت گیری ساختمان نوع کاربری ساختمان و بودجه در دسترس صورت گیرد. در مناطق سردسیر پنجره های دوجداره یا سه جداره با U-Value پایین و در مناطق گرمسیر پنجره های دوجداره با شیشه Low-E و SHGC پایین مناسب تر هستند.
• نصب حرفه ای : نصب صحیح و حرفه ای پنجره ها از اهمیت بالایی برخوردار است. نصب غیراصولی می تواند باعث ایجاد پل های حرارتی نفوذ هوا و کاهش عملکرد حرارتی پنجره ها شود. استفاده از نصابان مجرب و رعایت دستورالعمل های نصب توصیه می شود.
• هوابندی مناسب : هوابندی مناسب پنجره ها با استفاده از درزگیرهای الاستومری و نوارهای آب بندی از نفوذ هوا و اتلاف انرژی جلوگیری می کند. بازرسی و ترمیم درزگیرها به صورت دوره ای ضروری است.
• سایه بان و جهت گیری مناسب : استفاده از سایه بان های خارجی مانند سایبان های ثابت سایبان های متحرک و درختان از تابش مستقیم نور خورشید به پنجره ها در تابستان جلوگیری می کند و بار سرمایشی ساختمان را کاهش می دهد. جهت گیری ساختمان نیز باید به گونه ای باشد که پنجره های اصلی در جهت شمال و جنوب قرار گیرند و از تابش مستقیم نور خورشید در جهت شرق و غرب در ساعات گرم روز جلوگیری شود.
• نگهداری منظم : نگهداری منظم پنجره ها شامل تمیز کردن شیشه ها بازرسی و ترمیم درزگیرها روغن کاری لولاها و یراق آلات و تنظیم مکانیزم باز و بسته شدن پنجره ها به حفظ عملکرد و طول عمر پنجره ها کمک می کند.
• بازسازی پنجره های قدیمی : در ساختمان های قدیمی بازسازی پنجره ها با تعویض شیشه های تک جداره با شیشه های دوجداره افزودن پوشش Low-E و هوابندی مناسب می تواند به طور قابل توجهی اتلاف انرژی را کاهش دهد.

نتیجه گیری علمی و تخصصی

پنجره ها به عنوان یکی از اجزای اصلی ساختمان نقش مهمی در مصرف انرژی خانگی در شهرهای پرمصرف ایران ایفا می کنند. اتلاف انرژی از طریق پنجره ها به دلیل هدایت همرفت و تابش حرارتی رخ می دهد و به عوامل مختلفی از جمله نوع شیشه قاب پنجره هوابندی و شرایط اقلیمی بستگی دارد. استفاده از پنجره های کم مصرف با شیشه های دوجداره و سه جداره پوشش Low-E اسپیسرهای حرارتی و قاب های عایق بندی شده می تواند به طور چشمگیری اتلاف انرژی را کاهش دهد و به صرفه جویی در هزینه های انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای کمک کند.

برای دستیابی به حداکثر بازدهی از پنجره های کم مصرف انتخاب نوع مناسب پنجره بر اساس شرایط اقلیمی و کاربری ساختمان نصب حرفه ای هوابندی مناسب استفاده از سایه بان و جهت گیری مناسب و نگهداری منظم ضروری است. با توجه به تنوع اقلیمی ایران و بافت فرسوده ساختمان ها در بسیاری از شهرها ارتقاء کیفیت پنجره ها و ترویج استفاده از پنجره های کم مصرف از جمله راهکارهای کلیدی برای کاهش مصرف انرژی در بخش خانگی و دستیابی به اهداف توسعه پایدار در ایران محسوب می شود. تدوین و اجرای استانداردهای ملی اجباری برای عملکرد حرارتی پنجره ها ارائه مشوق های مالی برای استفاده از پنجره های کم مصرف و افزایش آگاهی عمومی در مورد مزایای این پنجره ها از جمله اقدامات ضروری برای تحقق این هدف هستند.