صناعة المعرفة

أولا: نظرة عامة

1.1 خلفية البحث

تتأثر بيئة الإضاءة والحرارة في المباني بشكل دوري بالظروف المناخية الخارجية، لذا من الضروري تحقيق تنظيم فعال للإضاءة الداخلية واكتساب حرارة الإشعاع الشمسي. بصفته مادة ذكية ذات نفاذية ضوء متغيرة وخصائص عزل حراري متغيرة، يمكن للزجاج الحراري تنظيم الضوء المرئي والإشعاع الحراري القريب من الأشعة تحت الحمراء الداخل إلى المبنى بشكل ديناميكي، مما يوفر إمكانات كبيرة لتحسين راحة بيئة الإضاءة الداخلية وتقليل استهلاك الطاقة في المباني. ومن بين هذه المنتجات، يتميز الزجاج الحراري المصنوع من مواد الهيدروجيل بأنه عديم اللون وشفاف، ويمكن ضبط درجة حرارة انتقاله بحرية بين 20 و50 درجة مئوية. يتميز هذا الزجاج بنفاذية عالية للضوء المرئي، مما يلبي متطلبات التطبيقات المعمارية لدرجة حرارة انتقال الضوء المرئي ونفاذيته بشكل أفضل، وله آفاق تطبيقية واسعة.

مع ذلك، تفتقر الأبحاث والمعايير الحالية إلى أساليب واضحة لتصميم واختيار درجة حرارة الانتقال المثلى للزجاج الحراري المتلون في مختلف الظروف المناخية؛ وفي الوقت نفسه، لا يوجد معيار تقييم واضح لتحديد ما إذا كان الزجاج الحراري المتلون ينتمي إلى مرافق التظليل وتقييم إمكاناته التظليلية. في التطبيقات المعمارية، أصبحت كيفية تصميم واختيار درجة حرارة الانتقال المثلى للزجاج الحراري المتلون في مختلف المناخات واتجاهات البناء، وكيفية حساب مساحة التظليل المكافئة له أثناء التقييم، مسائل ملحة تتطلب حلاً لهذه المادة، بدءًا من البحث الأساسي وصولًا إلى التطبيق المعماري.

1.2 غرض البحث وأهميته

تهدف هذه الدراسة إلى وضع نموذج حسابي للتأثير الشامل للزجاج المُعتم حراريًا على إضاءة المباني وبيئتها الحرارية واستهلاكها للطاقة، وذلك من خلال الجمع بين الاختبارات التجريبية والمحاكاة الرقمية، والتحقق من صحته باستخدام البيانات المقاسة. بناءً على ذلك، تُدرس طريقة حساب درجة حرارة الانتقال المثلى وطول التظليل المكافئ للزجاج المُعتم حراريًا في ظل ظروف مناخية مختلفة، وذلك لتوفير مرجع لتصميمه وتقييمه في التطبيقات المعمارية. تُسهم نتائج هذه الدراسة في تعزيز انتشار استخدام الزجاج المُعتم حراريًا في مجال العمارة، وتحسين الأداء الضوئي والحراري للمباني، وتقليل استهلاك الطاقة في المباني، وتعزيز التنمية المستدامة لقطاع البناء.

2. اختبار أداء الزجاج العازل للحرارة

2.1 اختبار الأداء البصري

باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية/المرئية/القريبة من الأشعة تحت الحمراء، تم اختبار الخصائص البصرية لعينات زجاج التعتيم الحراري بدرجات حرارة انتقالية 20 و25 و30 و35 درجة مئوية عند درجات حرارة مختلفة. أظهرت نتائج الاختبار أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض نفاذية الضوء المرئي للزجاج تدريجيًا، وتزداد قدرته على حجب الإشعاع الشمسي تدريجيًا. على سبيل المثال، عند درجة حرارة 20 درجة مئوية، تكون نفاذية الضوء المرئي للزجاج عالية نسبيًا، مما يسمح بدخول كمية كبيرة من الضوء المرئي إلى الغرفة؛ أما عند ارتفاع درجة الحرارة إلى 35 درجة مئوية، فتنخفض نفاذية الضوء المرئي بشكل ملحوظ، وينخفض نفاذية الإشعاع الشمسي أيضًا بشكل ملحوظ، مما يمنع دخول الحرارة الشمسية إلى الغرفة بفعالية.

2.2 اختبار معامل انتقال الحرارة

تم اختبار معامل انتقال الحرارة للعينة باستخدام مقياس التوصيل الحراري للتدفق الحراري الثابت. أظهرت بيانات الاختبار أن معامل انتقال الحرارة للزجاج المُعتم حراريًا كبير نسبيًا في الحالة الشفافة؛ بينما ينخفض بشكل ملحوظ في الحالة الذرّية، مما يشير إلى تحسن كبير في أداء العزل الحراري للزجاج في الحالة الذرّية، مما يُقلل بشكل فعال من انتقال الحرارة بين الداخل والخارج.

3. اختبار المختبر

3.1 تصميم المختبر

تم تجهيز غرفة مختبر مماثلة في كلية الهندسة المعمارية والمدنية بجامعة شيامن. تتشابه غرفة المقارنة وغرفة المختبر في الحجم، بطول وعرض وارتفاع 2.9 متر × 2.6 متر × 2.8 متر، ومساحة نافذة خارجية 20.93 متر × 1.94 متر. نوافذ غرفة المقارنة مزودة بزجاج عازل مزدوج الطبقة ومظلات أفقية بطول 50 سم، بينما نوافذ غرفة التجارب مزودة بزجاج أحادي الطبقة مع خاصية التعتيم الحراري بدرجة حرارة انتقالية تبلغ 25 درجة مئوية.

3.2 محتوى الاختبار والنتائج

تم إجراء القياس الفعلي لمدة 10 أيام متتالية، وتضمنت بيانات القياس بيانات الطقس الخارجي، ودرجة حرارة الهواء الداخلي (درجة حرارة الغرفة الطبيعية)، وإضاءة الإضاءة الداخلية، وما إلى ذلك. تُظهر النتائج التجريبية أنه في الطقس الحار، يُصبح الزجاج المُعتم حراريًا المُركب في غرفة التجربة ضبابيًا تدريجيًا عند ارتفاع درجة الحرارة، مما يحجب الإشعاع الشمسي بفعالية، وتكون درجة حرارة الهواء الداخلي أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة بدون تدابير تظليل فعالة. بالإضافة إلى ذلك، تضمن إضاءة الإضاءة الداخلية احتياجات الإضاءة مع تجنب الانزعاج الناتج عن الضوء القوي المباشر. تتمتع غرفة المقارنة أيضًا بتأثير تظليل معين تحت تأثير مظلة الشمس، ولكن غرفة التجربة الزجاجية المُعتمة حراريًا تتمتع بمزايا أكثر في القدرة على التكيف التلقائي مع تنظيم درجة الحرارة.

رابعًا: إنشاء نموذج محاكاة عددي والتحقق منه

4.1 إنشاء نموذج EnergyPlus

يُستخدم برنامج EnergyPlus لإنشاء نموذج حساب أداء مبنى للغرفة التجريبية المماثلة. بناءً على بيانات الطقس الخارجية المُقاسة لعشرة أيام، تُحاكي درجة حرارة الهواء الداخلي وإضاءة نقاط القياس التجريبية وتُحسب. أثناء عملية إنشاء النموذج، تُضبط المعلمات الحرارية لهيكل الغلاف، والمعلمات المميزة للنوافذ الخارجية، ومصدر الحرارة الداخلي، وغيرها من المعلمات ذات الصلة بدقة لضمان أن يعكس النموذج الوضع الفعلي للغرفة التجريبية بدقة.

4.2 التحقق من النموذج

تمت مقارنة نتائج المحاكاة بالبيانات التجريبية. تُظهر المقارنة بين القيم المقاسة والمحاكاة لدرجة حرارة الهواء الداخلي لغرفة المقارنة وغرفة التجربة أن خطأ NMBEs لدرجة حرارة الهواء الداخلي لغرفة المقارنة هو 1.99٪، وخطأ NMBEs لدرجة حرارة الهواء الداخلي لغرفة التجربة هو 1.05٪. يتراوح خطأ NMBEs للقيم التجريبية والمحاكاة للإضاءة عند 9 نقاط قياس في غرفة التجربة الزجاجية ذات التعتيم الحراري من - 3.43٪ إلى 7.70٪، ويتراوح خطأ NMBEs للقيم التجريبية والمحاكاة للإضاءة عند 9 نقاط قياس في غرفة المقارنة ذات الزجاج العازل الشفاف للمظلة من - 6.01٪ إلى 15.38٪. تُظهر نتائج التحقق أن EnergyPlus يتمتع بدقة عالية في حساب درجة الحرارة الداخلية وإضاءة الإضاءة لغرفة المقارنة وغرفة التجربة، والتي يمكن استخدامها لمزيد من البحث.

5. البحث في تطبيق الزجاج العازل للحرارة في ظل ظروف مناخية مختلفة

5.1 إنشاء نموذج مكتب نموذجي

يتم اختيار مكتب نموذجي للنمذجة، وتُعتمد طريقة الحساب المُثبتة بالتجارب. في ظل ظروف مناخية مختلفة، تُختار معايير التشغيل، مثل المعلمات الحرارية لهيكل المبنى، وكثافة طاقة الإضاءة، وكثافة المعدات، وكثافة الموظفين، ومعدل إشغال الموظفين، ودرجة حرارة تكييف الهواء في الغرفة، وفقًا لأحكام معايير تصميم المباني الموفرة للطاقة المعمول بها في بلدي.

5.2 محاكاة وتحليل الأداء المادي للمباني

تُستخدم طريقة محاكاة الأداء الفيزيائي الديناميكي للمباني على مدار العام، والمبنية على بيانات الأرصاد الجوية النموذجية، لحساب الإضاءة النهارية الفعالة (UDI)، ومؤشر الإدراك الحراري المتوسط المتوقع للداخل (PMV)، واستهلاك الطاقة لوحدة مساحة المبنى (EUI)، وتحليل تأثير الزجاج المُعتم حراريًا على بيئة الإضاءة والحرارة واستهلاك الطاقة في تطبيقات المكاتب النموذجية. تُظهر نتائج المحاكاة اختلاف تأثير الزجاج المُعتم حراريًا على بيئة الإضاءة والحرارة واستهلاك الطاقة في المباني باختلاف المناطق المناخية. ففي المناطق الحارة، يُقلل الزجاج المُعتم حراريًا من درجة الحرارة الداخلية بشكل فعال في الصيف، ويُقلل من استهلاك طاقة تكييف الهواء، ويضمن في الوقت نفسه احتياجات معينة من الإضاءة ويُحسّن الراحة الداخلية؛ أما في المناطق الباردة، فيظل الزجاج شفافًا في درجات الحرارة المنخفضة شتاءً، مما يُساعد على زيادة اكتساب الحرارة من الإشعاع الشمسي الداخلي وتقليل استهلاك طاقة التدفئة.

سادسًا: بحث في تصميم واختيار الزجاج المُعتِم حراريًا

6.1 مقارنة أداء النظارات المختلفة

تم اختيار بيانات الأرصاد الجوية النموذجية لـ 203 مدن في بلدي لمقارنة وتحليل أداء المباني للزجاج أحادي الطبقة العازل للحرارة، والزجاج العازل منخفض الانبعاثية ثنائي الطبقة (نفاذية عالية في الشمال ومنخفضة في الجنوب)، والزجاج أحادي الطبقة العازل للحرارة في أربعة اتجاهات: الشرق والغرب والجنوب والشمال. أظهرت نتائج البحث أن كفاءة استخدام الطاقة في المباني للزجاج أحادي الطبقة العازل للحرارة في معظم المناطق (95%) ليست بجودة الزجاج العازل مزدوج الطبقة منخفض الانبعاثية، بينما كانت كفاءة استخدام الطاقة في المباني للزجاج أحادي الطبقة العازل للحرارة في معظم المناطق (82%) أسوأ من كفاءة استخدام الزجاج ثنائي الطبقة منخفض الانبعاثية.

6.2 رسم خريطة لاختيار تصميم درجة الحرارة الانتقالية المثلى

بناءً على البحث المذكور أعلاه، رُسمت خريطة لاختيار تصميم درجة الحرارة الانتقالية المثلى لزجاج التعتيم الحراري أحادي الطبقة منخفض الانبعاثية (Low-e) في أربعة اتجاهات للمباني. تُظهر الخريطة بوضوح درجة الحرارة الانتقالية المثلى لزجاج التعتيم الحراري المطبق في مناطق واتجاهات مختلفة للمباني، مما يوفر مرجعًا مهمًا لمصممي العمارة. على سبيل المثال، في المناطق الجنوبية الحارة، تتراوح درجة الحرارة الانتقالية المثلى لزجاج التعتيم الحراري أحادي الطبقة منخفض الانبعاثية للمباني ذات الاتجاه الشرقي الغربي بين 35 و38 درجة مئوية؛ بينما في المناطق الشمالية الباردة، تكون درجة الحرارة الانتقالية المثلى للمباني ذات الاتجاه الجنوبي منخفضة نسبيًا، بين 28 و32 درجة مئوية.

٧. دراسة حول تقييم أداء مظلات الزجاج المُعتِم حراريًا

7.1 مقارنة مع مرافق التظليل الخارجية الثابتة

تم اختيار مدن نموذجية في خمس مناطق مناخية حرارية للمباني في بلدي (هاربين، بكين، نانجينغ، كونمينغ، شيامن) لمقارنة آثار الزجاج أحادي الطبقة العازل حراريًا ومرافق التظليل الخارجية الثابتة (التظليل الخارجي الأفقي والتظليل الخارجي الرأسي) على بيئة الإضاءة والحرارة الداخلية واستهلاك الطاقة في المباني. تغطي حالات التحليل والحساب خمس ظروف مناخية حضرية نموذجية، وأربعة اتجاهات للمباني: الشرق والغرب والجنوب والشمال، وزجاج أحادي الطبقة العازل حراريًا بدرجة حرارة انتقالية تتراوح بين 20 و50 درجة مئوية، وتظليل خارجي أفقي ثابت بطول 0-3.6 متر، وتظليل خارجي رأسي ثابت بطول 0-3.6 متر. من بينها، تستخدم نوافذ التظليل الخارجي الثابت زجاجًا عازلًا مزدوج الطبقة، ويأخذ اختيار طول التظليل 0-3.6 متر في الاعتبار هياكل التظليل الذاتي للمباني بما في ذلك الشرفات والممرات ونتوءات المباني.

7.2 طريقة ونتائج تحديد طول التظليل المكافئ

تم اقتراح عملية تحديد طول التظليل المكافئ للزجاج العازل حراريًا: أولاً، حدد الحد الأدنى لاستهلاك طاقة المبنى للزجاج العازل حراريًا عند درجات حرارة انتقال مختلفة، ودرجة حرارة الانتقال عند أدنى استهلاك للطاقة في المبنى هي درجة حرارة الانتقال المثلى للزجاج العازل حراريًا؛ ثم، عندما يكون الحد الأدنى لاستهلاك طاقة المبنى للزجاج العازل حراريًا هو الأقرب، يكون طول التظليل الخارجي الثابت هو طول التظليل المكافئ للزجاج العازل حراريًا. بأخذ المقارنة بين الزجاج العازل حراريًا والتظليل الخارجي الأفقي في شيامن كمثال، في ظل الظروف المناخية لشيامن، فإن درجة حرارة الانتقال المثلى للزجاج العازل حراريًا أحادي الطبقة هي 36-37 درجة مئوية. في الاتجاهات الأربعة: الشرق والغرب والجنوب والشمال، تكون أطوال التظليل الخارجي الأفقية المكافئة للزجاج العازل حراريًا مع درجة حرارة الانتقال المثلى 0.5 متر و0.9 متر و0.4 متر و1.6 متر على التوالي. وتظهر نتائج البحث أن الزجاج العازل للحرارة يمكن أن يحقق توفير الطاقة في المباني وتحسين بيئة الضوء والحرارة على نحو مماثل لتلك التي تحققها مرافق التظليل الخارجية الثابتة.

ثامناً: الخاتمة والآفاق

8.1 استنتاجات البحث

من خلال الاختبارات التجريبية والمحاكاة العددية، وضعت هذه الدراسة نموذجًا حسابيًا للتأثير الشامل للزجاج المُعتم حراريًا على إضاءة المباني والبيئة الحرارية واستهلاك الطاقة فيها، وتحققت من دقة النموذج من خلال البيانات المقاسة. حصلت الدراسة على طريقة حساب درجة حرارة الانتقال المثلى وطول التظليل المكافئ للزجاج المُعتم حراريًا في ظل ظروف مناخية مختلفة، ورسمت خريطة اختيار تصميم لدرجة حرارة الانتقال المثلى. تُظهر النتائج أن الزجاج المُعتم حراريًا يتمتع بإمكانيات جيدة لتنظيم الضوء والحرارة في تطبيقات البناء، ويمكنه تحسين راحة الإضاءة والحرارة الداخلية بشكل فعال، وتقليل استهلاك الطاقة في المباني. وفي معظم المناطق، تتفوق كفاءة الطاقة في زجاج Low-e أحادي الطبقة المُعتم حراريًا على كفاءة الزجاج التقليدي في استهلاك الطاقة. في الوقت نفسه، يمكن للزجاج المُعتم حراريًا تحقيق توفير في الطاقة وتحسين بيئة الإضاءة والحرارة في المباني على غرار تأثيرات مرافق التظليل الخارجية الثابتة.

8.2 آفاق البحث

يمكن للأبحاث المستقبلية توسيع نطاق تطبيقات زجاج التعتيم الحراري في مختلف أنواع المباني، مثل المباني السكنية والمستشفيات والمدارس، وتحليل أدائها بدقة في ظل متطلبات وظائف البناء المختلفة. وفي الوقت نفسه، تحسين خصائص المواد وعملية إنتاج زجاج التعتيم الحراري، وتحسين ثباته ومتانته ودقة تعتيمه، وخفض تكاليف الإنتاج، بما يعزز تطبيقه على نطاق أوسع. بالإضافة إلى ذلك، وبالاشتراك مع الذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة وغيرها من التقنيات، يمكن تحقيق الربط الذكي بين زجاج التعتيم الحراري وأنظمة البناء الأخرى، مما يعزز مستوى الذكاء وتوفير الطاقة في المباني.