صناعة المعرفة

مقدمة

مع تطور ترشيد استهلاك الطاقة في المباني، أصبح الزجاج العازل ثلاثي الطبقات ثنائي الغرف المنتج الرائد للنوافذ الخارجية للمباني. بالمقارنة مع الزجاج العازل التقليدي أحادي الغرفة، فإن زيادة عدد الغرف تُحسّن أداء العزل الحراري للزجاج العازل. بالمقارنة مع قيمة معامل الانكسار الحراري للزجاج العازل (6+16A+6) البالغة 2.7 (WmK)، تصل قيمة معامل الانكسار الحراري للزجاج العازل (6+16A+6+16A+6) إلى 1.7 واط/متر كلفن. عند تطبيق تقنيات منخفضة الانبعاثات (Low-E)، وملء الغاز الخامل، وشرائط الحواف الدافئة، وغيرها من التقنيات، مثل الزجاج العازل (6Low-E+16Ar+6+16Ar+6Low-E)، يمكن أن تصل قيمة معامل الانكسار الحراري إلى 0.8 واط/متر كلفن.

مع تحسين أداء العزل الحراري للأبواب والنوافذ، يزيد الزجاج العازل ثلاثي الطبقات ذو الحجرتين من استهلاك المواد في الأبواب والنوافذ. أولًا، يزداد وزن الزجاج، مما يزيد بدوره من عرض وسمك المقطع ومتطلبات متانة الأجهزة. بالنسبة للزجاج العازل ثلاثي الطبقات، يتحمل الزجاجان الخارجيان وظائف الدعم والحمل. تتمثل الوظيفة الرئيسية للزجاج الأوسط في فصل الحجرة، والحد من انتقال الحرارة بالحمل الحراري لغاز التعبئة، وبالتالي زيادة سمك طبقة العزل، ولكن يجب أن يفي أيضًا بمتطلبات أداء ميكانيكية معينة. بالنسبة للزجاج الأوسط، من السهل الاعتقاد بأنه يتم استخدام مواد رقيقة أخرى لاستبدال الزجاج الأوسط الحالي بسمك 6 مم، والذي يشكل زجاجًا رقيقًا ثلاثي الطبقات.

1 زجاج عازل رقيق مثبت في المنتصف

2TD

الزجاج غير العضوي هو الشكل الرئيسي للمنتج من الزجاج العازل المكون من غرفتين وثلاثة زجاج. تُعتبر طريقة التخفيف من الطبقات الثلاث للزجاج التي تشكلها. يتعرض الزجاج الخارجي لحمل الرياح ويتم تخفيفه على أساس تلبية متطلبات الأداء الميكانيكي. لا يتعرض الزجاج الداخلي لحمل الرياح بشكل مباشر، لذلك يتم استخدامه نظرًا لأن سطح الاستخدام لا يزال يتطلب متطلبات الأداء الميكانيكي، فهناك إمكانية معينة للتخفيف. لا يتحمل الزجاج بين الداخل والخارج (الزجاج المركزي) حمل الرياح بشكل مباشر، لذلك لديه أكبر إمكانية للتخفيف. قامت شركة Lixil اليابانية بتخفيف الزجاج الأصلي (3 + 3 + 3) مم إلى (3 + 1.3 + 3) مم، بمعدل خفة الوزن يبلغ حوالي 19٪؛ عندما يكون التخفيف (3 + 1.3 + 1.3) مم، يكون معدل الخفة حوالي 38٪، كما هو موضح في الشكل 1. استبدل المختبر الوطني لغرب المحيط الهادئ في الولايات المتحدة الزجاج العازل التقليدي بزجاج عازل رقيق عالي الكفاءة وموفر للطاقة. أُجري بحث حول تأثير استبدال زجاج المباني الحالي على توفير الطاقة. يتكون الزجاج العازل الرقيق من زجاجين بسمك 1/8 بوصة (حوالي 3.2 مم) مع طبقة عازلة منخفضة الانبعاث، وزجاج بسمك 1/16 بوصة (حوالي 16 مم) في المنتصف. أظهرت نتائج الاختبار أن توفير الطاقة في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء يتراوح بين 0.2 و18.7 كيلوواط/ساعة يوميًا خلال موسم التدفئة (3% إلى 18% توفير طاقة للشخص الواحد)، وبين 2.5 و8 كيلوواط/ساعة يوميًا خلال موسم التبريد (23% إلى 41% توفير طاقة)، كما انخفض اختراق الصوت بمقدار 8 إلى 10 ديسيبل. وضع مختبر لورانس بيركلي الوطني زجاجًا رقيقًا بسمك 0.7 مم في زجاج عازل عادي (زجاج 3 مم + 3 مم منخفض الانبعاثية) لتشكيل زجاج عازل رقيق، كما هو موضح في الشكل 2. أظهرت الدراسات أنه في المناخات التي تهيمن عليها التدفئة (مثل مينيابوليس، مينيسوتا)، فإن إمكانية توفير الطاقة للزجاج العازل الرقيق بدلاً من زجاج النوافذ الخارجية النموذجي هي 16٪، وفي المناخات المختلطة (مثل واشنطن العاصمة)، فإن إمكانية توفير الطاقة هي 12٪، وفي المناخات التي يهيمن عليها التبريد (مثل هيوستن، تكساس)، فإن إمكانية توفير الطاقة هي 7٪. لقد تزايد سمك الزجاج المستخدم في النوافذ الخارجية في بلدي. في الثمانينيات، كان الزجاج 3 مم هو المواصفة السائدة للزجاج العائم في بلدي. بعد عام 1993، 5 في الماضي، كان الزجاج 5 مم هو المنتج السائد، ومؤخرًا أصبح الزجاج 6 مم هو المنتج السائد. في عام 2013، اقترح وانغ شين تشون وآخرون اقتراحًا بتخفيف منتجات الزجاج المسطح. يبلغ استهلاك الفرد السنوي من الزجاج المسطح في بلدي 20.7 كيلوغرامًا، أي ما يعادل 1.25 ضعف استهلاك دول الاتحاد الأوروبي، وضعف استهلاك الولايات المتحدة، و2.6 ضعف المتوسط العالمي. يُعدّ سُمك الزجاج المسطح أحد أسباب الاستهلاك غير الطبيعي للفرد في بلدي. وتشير التقديرات إلى أنه إذا تم تخفيف سمك الزجاج من 5 مم إلى 4 مم في عام 2012، يُمكن خفض إنتاج الزجاج بمقدار 7.1 مليون طن، واستهلاك المواد الخام بمقدار 7.71 مليون طن، بما في ذلك 6.35 مليون طن من الموارد الطبيعية مثل رمل السيليكا و1.٣٦ مليون طن من المنتجات الكيميائية، مثل رماد الصودا. يقترح المقال تغيير نموذج تطوير الصناعات والشركات وتحسين تكنولوجيا الإنتاج. وقُدّمت خمسة اقتراحات، منها تعديل المستوى التقني للسلسلة الصناعية، وتكثيف جهود البحث العلمي، وبدء الإدارات المعنية أعمال ترقيق الزجاج المسطح في أقرب وقت ممكن. وفي الوقت نفسه، تُجري شركات مثل مجموعة CSG تجارب نشطة على تطبيقات رقيقة للنوافذ الخارجية.

في الوقت الحاضر، يتميز تطوير الزجاج العازل الرقيق بقدرة جيدة على التكيف. أولاً، للتكيف مع مفاهيم تطوير "أهداف الكربون المزدوج"، والتصنيع الأخضر، والمباني الخضراء، وغيرها، سيساهم الزجاج العازل الرقيق في توفير الطاقة، وتوفير المواد، وخفض انبعاثات الكربون في سلاسل صناعة الزجاج، والمقاطع، والأبواب والنوافذ، والجدران الستارية، والنقل. ثانياً، يُعد الزجاج العازل ثنائي/متعدد الغرف المنتج الرائد في هياكل التغليف الشفافة عالية الكفاءة والموفرة للطاقة في بلدي، ولديه إمكانية التخفيف. ثالثاً، يتمتع الزجاج العازل الرقيق المركزي بأساس صناعي واسع، مما يُسهم في دفع عجلة التحول والتطوير في الصناعة. رابعاً، يوفر تصنيع الزجاج الرقيق/الزجاج فائق الرقة في بلدي مواد وأساساً صناعياً. يمكن للزجاج الكهروضوئي المصنوع من نظام الصوديوم والجير والسيليكون والزجاج الواقي توفير منتجات أساسية. إن تحويل التخفيف وإنتاج الزجاج المسطح لا مثيل لهما من حيث التكنولوجيا والإنتاج. مقارنة مع بوتقات الزجاج الصناعية وبوتاقات الزجاج المعمارية:

2 زجاج عازل مع مواد فيلم مركزية

الزجاج العازل بمواد غشاء عضوي مركزي (كما هو موضح في الشكل 3) يقسم حجرة واحدة إلى حجرتين أو أكثر من الزجاج العازل. يفصل الغشاء العضوي غير الوظيفي (الغشاء الأبيض) الحجرة فقط للحد من الحمل الحراري، وزيادة سماكة طبقة العزل، وتحقيق رقة وخفة. أما الغشاء العضوي الوظيفي (غشاء المرآة الحرارية) فيُضفي وظائف مثل انخفاض الانبعاثية، ويزيد من فعالية التحكم في الإشعاع الحراري باستخدام الغشاء الأبيض. صُنع الزجاج العازل بمواد الغشاء المركزي من قِبل شركة Southwall Technologies الأمريكية، التي طُرح عام 1970، ويُستخدم في المباني. يتميز الزجاج العازل بأغشية المرآة الحرارية بخصائص حرارية ممتازة، وقد أجرى لي وو وآخرون أبحاثًا في هذا الشأن. مادة الغشاء المركزي هي غشاء لدن بالحرارة، يُشدّ بفعل اللدونة الحرارية عند تسخينه. يتطلب وضع وتركيب مادة الغشاء تدخلاً يدويًا، مما يزيد من تكلفة الإنتاج. درس هي شيوبينغ وآخرون تصميم عملية التجميع الرئيسية لنظام الزجاج العازل بمواد الغشاء المركزي. إن خفض تكلفة مواد الغشاء، وتحقيق التركيب التلقائي للأغشية، وتقليل درجة التدخل اليدوي وتكاليف المعالجة المقابلة سوف تصبح النقاط الرئيسية لتطوير مادة الفيلم المركزية للزجاج العازل.

3 زجاج عازل مركب من الزجاج الحقيقي

الزجاج المفرغ هو منتج زجاجي مفصول بقطعتين أو أكثر من الزجاج مع أعمدة دعم، ويتم غلق المحيط لتشكيل تجويف، ويتم إخلاء التجويف لتشكيل تجويف مفرغ. مع الأخذ في الاعتبار توازن نقل الحرارة وأداء القوة لعمود الدعم، يجب تقليل عدد ومساحة عمود الدعم، لذلك يتم اختيار عمود الدعم بمساحة مقطعية صغيرة وقصر دون التأثير على التأثير البصري. من الناحية النظرية، لا علاقة لنقل الحرارة بالحمل الحراري ونقل الحرارة الموصل بسمك طبقة الفراغ. سمك طبقة الفراغ يتراوح السمك عمومًا بين 0.15 و 0.25 مم: تتكون قطعة واحدة على الأقل من الزجاج المفرغ من زجاج منخفض الانبعاثية لتحقيق عزل فعال في أوضاع نقل الحرارة الأساسية الثلاثة للتوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع الحراري. لذلك، فإن الزجاج المفرغ نفسه هو منتج زجاجي رقيق عالي الكفاءة. الزجاج العازل المركب المصنوع من الزجاج المفرغ هو الوحيد القادر على تحقيق الأداء العازل الكامل للزجاج المفرغ، ويظهر هيكله في الشكل 4. على الرغم من وجود قطعة من الزجاج في الزجاج المفرغ في منتصف الزجاج العازل، إلا أن هذه القطعة تتأثر بالضغط الجوي بعد التفريغ وتتحمل ضغط عمود الدعم، وبالتالي فإن ترقيق الزجاج المفرغ محدود. يقلل الزجاج المفرغ من السُمك الكلي للزجاج العازل المركب بفضل كفاءته العالية وأدائه الموفر للطاقة، مما يحقق الغرض من الترقيق. لقد أحرز مستوى إنتاج الزجاج المفرغ في بلدي تقدمًا كبيرًا، لكن التكلفة لا تزال العامل الرئيسي الذي يؤثر على ترويجه. يتم تصنيع قطعة واحدة على الأقل من الزجاج المفرغ من زجاج منخفض الانبعاث لتحقيق عزل فعال في أوضاع نقل الحرارة الأساسية الثلاثة للتوصيل الحراري والحمل الحراري والإشعاع الحراري. لذلك، يُعد الزجاج المفرغ نفسه منتجًا زجاجيًا رقيقًا عالي الكفاءة. الزجاج العازل المركب المصنوع من الزجاج المفرغ هو الوحيد القادر على تعزيز أداء العزل للزجاج المفرغ، كما هو موضح في الشكل 4. على الرغم من وجود قطعة زجاج في منتصف الزجاج المجوف، إلا أن هذه القطعة تتأثر بالضغط الجوي بعد التفريغ وتتحمل ضغط عمود الدعم، مما يجعل ترقيق الزجاج المفرغ محدودًا. بفضل كفاءته العالية وأدائه الموفر للطاقة، يُقلل الزجاج المفرغ من السُمك الكلي للزجاج المجوف المركب، مما يحقق هدف الترقيق. لقد حقق إنتاج الزجاج المفرغ في بلدي تقدمًا كبيرًا، إلا أن التكلفة لا تزال العامل الرئيسي الذي يؤثر على انتشاره.

4 زجاج مجوف من الهلام الهوائي

يتميز الهلام الهوائي بأداء عزل حراري خفيف الوزن ممتاز. يمكن أن يؤدي وضعه في الزجاج المجوف إلى تحقيق رقة وكفاءة عالية وتوفير الطاقة. تبلغ قيمة K للزجاج المجوف (6 + 12A + 6) 2.8 واط / متر كلفن، وقيمة K لـ (6Low-E + 12A + 6) هي 1.8 واط / متر كلفن، وتصل قيمة K لـ (6 + 12aerogel + 6) إلى 1.0 واط / متر كلفن. تتمثل إحدى الطرق الممكنة لوضع الهلام الهوائي في المنتصف في استخدام جزيئات الهلام الهوائي للحشو، وهي منخفضة التكلفة نسبيًا. الفرق بين معامل الانكسار الذي يشكله الهلام الهوائي وواجهة الجسيمات والزجاج وشفافية الهلام الهوائي نفسه سيزيد من قيمة ضباب الزجاج العازل ويؤثر على شفافيته. يعد تقليل قيمة ضباب الهلام الهوائي نفسه وتحقيق مركب من قطعة كاملة من الهلام الهوائي (بدلاً من الجسيمات) إحدى الطرق الفعالة لتحسين الشفافية. يتطلب هيكل التغليف الشفاف لواجهات المباني (الأبواب والنوافذ الخارجية والجدران الستارية) شفافية عالية، ومن المتوقع استخدامه على نطاق واسع في هيكل التغليف لأغراض الإضاءة. ومع ذلك، من الضروري دراسة تأثير تراكم حرارة الإشعاع الشمسي والصدمات الباردة والساخنة على الخواص الميكانيكية للزجاج العازل.

5 ملخص

يُعدّ ترقيق الزجاج العازل اتجاهًا تطويريًا ذا فوائد متعددة، مثل توفير المواد والطاقة وانبعاثات الكربون. كاستراتيجية تطوير وخيار، يتمتع الزجاج العازل متوسط الرقة بأساس تصنيعي جيد ومزايا تكلفة جيدة، وهو اتجاه التطوير المفضل. يتميز الزجاج العازل متوسط الرقة، المصنوع من مادة الأغشية الرقيقة، والزجاج العازل المركب المفرغ، بدرجة عالية من الرقة، ويتمتعان بمساحة تطبيق واسعة في المباني الجديدة، ولهما مزايا واضحة في استبدال الزجاج في التحول الموفر للطاقة في المباني القائمة. وكتوجه تطويري مستقبلي، ينبغي استخدام الزجاج العازل الهلامي الهوائي في هياكل هياكل الإضاءة.