المعرفة الصناعية

أولاً: نظرة عامة

1.1 خلفية البحث

تتأثر بيئة الإضاءة والحرارة في المباني بشكل دوري بظروف المناخ الخارجي، لذا من الضروري تحقيق تنظيم فعال للإضاءة الداخلية واكتساب الحرارة من الإشعاع الشمسي. وباعتباره مادة ذكية ذات نفاذية ضوئية وعزل حراري متغيرين، يُمكن للزجاج المُتغير اللون حراريًا تنظيم الضوء المرئي والإشعاع الحراري القريب من الأشعة تحت الحمراء الداخل إلى المبنى بشكل ديناميكي، ويتمتع بإمكانات كبيرة لتحسين راحة بيئة الإضاءة الداخلية وتقليل استهلاك الطاقة في المباني. ومن بين هذه الأنواع، يتميز الزجاج المُتغير اللون حراريًا المصنوع من مواد الهيدروجيل بأنه عديم اللون وشفاف، ويمكن ضبط درجة حرارة التحول بحرية من 20 إلى 50 درجة مئوية. كما يتميز بنفاذية عالية للضوء المرئي، مما يجعله يلبي متطلبات التطبيقات المعمارية فيما يتعلق بدرجة حرارة التحول ونفاذية الضوء المرئي، ويتمتع بآفاق تطبيق واسعة.

مع ذلك، تفتقر الأبحاث والمعايير الحالية إلى مناهج واضحة لتصميم واختيار درجة حرارة التحول المثلى للزجاج المتغير اللون حراريًا في ظل ظروف مناخية مختلفة؛ كما لا يوجد معيار تقييم واضح لتحديد ما إذا كان هذا الزجاج مناسبًا لمنشآت التظليل وتقييم إمكاناته في هذا المجال. في التطبيقات المعمارية، بات تصميم واختيار درجة حرارة التحول المثلى للزجاج المتغير اللون حراريًا في ظل مناخات واتجاهات مباني مختلفة، وكيفية حساب مساحة التظليل المكافئة أثناء التقييم، من القضايا الملحة التي يجب حلها لهذه المادة، بدءًا من البحوث الأساسية وصولًا إلى التطبيقات المعمارية.

1.2 الغرض من البحث وأهميته

تهدف هذه الدراسة إلى وضع نموذج حسابي للتأثير الشامل للزجاج العازل للحرارة على إضاءة المباني، والبيئة الحرارية، واستهلاك الطاقة فيها، وذلك من خلال الجمع بين الاختبارات التجريبية والمحاكاة العددية، والتحقق من صحة هذا النموذج باستخدام البيانات المقاسة. وبناءً على ذلك، تم دراسة طريقة حساب درجة حرارة الانتقال المثلى وطول التظليل المكافئ للزجاج العازل للحرارة في ظل ظروف مناخية مختلفة، لتوفير مرجع لتصميمه وتقييمه في التطبيقات المعمارية. وتساهم نتائج هذه الدراسة في تعزيز الاستخدام الواسع النطاق للزجاج العازل للحرارة في مجال الهندسة المعمارية، وتحسين أداء الإضاءة والحرارة في المباني، وخفض استهلاك الطاقة فيها، ودعم التنمية المستدامة لقطاع البناء.

2. اختبار أداء الزجاج المُعتّم حرارياً

2.1 اختبار الأداء البصري

باستخدام مطياف الأشعة فوق البنفسجية/المرئية/القريبة من الأشعة تحت الحمراء، تم اختبار الخصائص البصرية لعينات زجاج التعتيم الحراري عند درجات حرارة انتقالية تبلغ 20 و25 و30 و35 درجة مئوية. أظهرت نتائج الاختبار أنه مع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض ​​نفاذية الضوء المرئي للزجاج تدريجيًا، بينما تزداد قدرته على حجب الإشعاع الشمسي تدريجيًا. على سبيل المثال، عند 20 درجة مئوية، تكون نفاذية الضوء المرئي للزجاج عالية نسبيًا، مما يسمح بدخول كمية كبيرة من الضوء المرئي إلى الغرفة؛ وعندما ترتفع درجة الحرارة إلى 35 درجة مئوية، تنخفض نفاذية الضوء المرئي بشكل ملحوظ، وكذلك نفاذية الإشعاع الشمسي، مما يحجب حرارة الشمس بشكل فعال عن دخول الغرفة.

2.2 اختبار معامل انتقال الحرارة

تم اختبار معامل انتقال الحرارة للعينة باستخدام مقياس التوصيل الحراري ذي التدفق الحراري في حالة الاستقرار. تُظهر بيانات الاختبار أن معامل انتقال الحرارة للزجاج المُعتّم حراريًا يكون كبيرًا نسبيًا في حالته الشفافة؛ بينما ينخفض ​​معامل انتقال الحرارة بشكل ملحوظ في حالته المُذرّرة، مما يدل على تحسن أداء العزل الحراري للزجاج في هذه الحالة بشكل كبير، وهو ما يُسهم بفعالية في الحد من انتقال الحرارة بين الداخل والخارج.

3. الاختبارات المعملية

3.1 تصميم المختبر

تم تجهيز غرفة مختبر مماثلة في كلية الهندسة المعمارية والمدنية بجامعة شيامن. تتشابه غرفة المقارنة وغرفة المختبر في الحجم، حيث يبلغ طولها وعرضها وارتفاعها 2.9 متر × 2.6 متر × 2.8 متر، بينما يبلغ حجم النافذة الخارجية 0.93 متر × 1.94 متر. زُودت نوافذ غرفة المقارنة بزجاج عازل مزدوج الطبقات ومظلات شمسية أفقية تمتد 50 سم، بينما زُودت نوافذ غرفة المختبر بزجاج عازل حراري أحادي الطبقة بدرجة حرارة انتقالية تبلغ 25 درجة مئوية.

3.2 محتوى الاختبار ونتائجه

أُجريت القياسات الفعلية على مدى عشرة أيام متتالية، وشملت بيانات القياس بيانات الطقس الخارجية، ودرجة حرارة الهواء الداخلي (درجة حرارة الغرفة الطبيعية)، وشدة الإضاءة الداخلية، وغيرها. تُظهر النتائج التجريبية أنه في الطقس الحار، يتكثف البخار تدريجيًا على الزجاج المُعتم حراريًا المُثبَّت في غرفة التجربة مع ارتفاع درجة الحرارة، مما يحجب الإشعاع الشمسي بفعالية، وتكون درجة حرارة الهواء الداخلي أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة التي لا تحتوي على وسائل تظليل فعالة. إضافةً إلى ذلك، تضمن شدة الإضاءة الداخلية تلبية احتياجات الإضاءة مع تجنب الشعور بعدم الراحة الناتج عن الضوء المباشر القوي. تتمتع غرفة المقارنة أيضًا بتأثير تظليل معين بفضل المظلة الشمسية، لكن غرفة التجربة ذات الزجاج المُعتم حراريًا تتميز بقدرة أكبر على التكيف التلقائي مع تنظيم درجة الحرارة.

رابعاً: إنشاء نموذج المحاكاة العددية والتحقق منه

4.1 إنشاء نموذج EnergyPlus

يُستخدم برنامج EnergyPlus لإنشاء نموذج حسابي لأداء المبنى لغرفة تجريبية مماثلة. استنادًا إلى بيانات الطقس الخارجية المقاسة على مدار عشرة أيام، يتم محاكاة وحساب درجة حرارة الهواء الداخلي وكثافة الإضاءة عند نقاط القياس التجريبية. خلال عملية إنشاء النموذج، يتم ضبط المعاملات الحرارية لهيكل الغرفة، والمعاملات المميزة للنوافذ الخارجية، ومصدر الحرارة الداخلي، وغيرها من المعاملات ذات الصلة، بدقة لضمان قدرة النموذج على عكس الوضع الفعلي للغرفة التجريبية بدقة.

4.2 التحقق من النموذج

تُقارن نتائج المحاكاة بالبيانات التجريبية. تُظهر المقارنة بين القيم المقاسة والمحاكاة لدرجة حرارة الهواء الداخلي في كل من غرفة المقارنة والغرفة التجريبية أن نسبة الخطأ المعياري المتوسط ​​(NMBE) لدرجة حرارة الهواء الداخلي في غرفة المقارنة تبلغ 1.99%، بينما تبلغ 1.05% في الغرفة التجريبية. أما نسبة الخطأ المعياري المتوسط ​​(NMBE) للقيم التجريبية والمحاكاة لشدة الإضاءة عند 9 نقاط قياس في الغرفة التجريبية ذات الزجاج العازل للحرارة، فتتراوح بين -3.43% و7.70%. وفي غرفة المقارنة ذات الزجاج العازل الشفاف المُظلل، تتراوح نسبة الخطأ المعياري المتوسط ​​(NMBE) للقيم التجريبية والمحاكاة لشدة الإضاءة عند 9 نقاط قياس في الغرفة التجريبية بين -6.01% و15.38%. تُشير نتائج التحقق إلى أن برنامج EnergyPlus يتمتع بدقة عالية في حساب درجة الحرارة الداخلية وشدة الإضاءة في كل من غرفة المقارنة والغرفة التجريبية، مما يجعله مناسبًا لمزيد من الأبحاث.

5. بحث حول تطبيق الزجاج المُعتّم حرارياً في ظل ظروف مناخية مختلفة

5.1 إنشاء نموذج مكتب نموذجي

تم اختيار مكتب نموذجي للنمذجة، واعتُمدت طريقة الحساب التي تم التحقق منها تجريبياً. وفي ظل ظروف مناخية مختلفة، تم اختيار معايير التشغيل، مثل المعايير الحرارية لهيكل المبنى، وكثافة طاقة الإضاءة، وكثافة المعدات، وكثافة الأفراد، ومعدل إشغال الموظفين، ودرجة حرارة تكييف الهواء في الغرفة، وفقًا لأحكام معايير تصميم المباني الموفرة للطاقة المعمول بها حاليًا في بلدي.

5.2 محاكاة وتحليل الأداء المادي للمبنى

تُستخدم طريقة محاكاة الأداء الفيزيائي الديناميكي للمباني على مدار العام، بالاعتماد على بيانات الأرصاد الجوية السنوية النموذجية، لحساب الإضاءة النهارية الفعالة (UDI)، ومؤشر الإحساس الحراري المتوسط ​​المتوقع داخل المبنى (PMV)، واستهلاك الطاقة لوحدة مساحة المبنى (EUI)، وتحليل تأثير الزجاج العازل للحرارة على بيئة الإضاءة والبيئة الحرارية واستهلاك الطاقة في المباني، وذلك في تطبيقات المكاتب النموذجية. تُظهر نتائج المحاكاة أن تأثير الزجاج العازل للحرارة على بيئة الإضاءة والحرارة واستهلاك الطاقة يختلف باختلاف المناطق المناخية. ففي المناطق الحارة، يُمكن للزجاج العازل للحرارة أن يُخفض درجة الحرارة الداخلية بفعالية في الصيف، ويُقلل من استهلاك الطاقة لتكييف الهواء، مع ضمان تلبية احتياجات الإضاءة وتحسين الراحة الداخلية في الوقت نفسه. أما في المناطق الباردة، فيبقى الزجاج شفافًا في درجات الحرارة المنخفضة شتاءً، مما يُساعد على زيادة اكتساب الحرارة من الإشعاع الشمسي داخل المبنى، ويُقلل من استهلاك الطاقة للتدفئة.

سادساً: البحث في تصميم واختيار الزجاج الحراري المعتم

6.1 مقارنة أداء أنواع الزجاج المختلفة

تم اختيار بيانات الأرصاد الجوية النموذجية لـ 203 مدن في بلدي لمقارنة وتحليل أداء المباني باستخدام الزجاج أحادي الطبقة العازل للحرارة، والزجاج العازل ثنائي الطبقات منخفض الانبعاثية (عالي النفاذية في الشمال ومنخفض النفاذية في الجنوب)، والزجاج أحادي الطبقة العازل للحرارة منخفض الانبعاثية في أربعة اتجاهات: الشرق والغرب والجنوب والشمال. أظهرت نتائج البحث أن كفاءة الطاقة في المباني باستخدام الزجاج أحادي الطبقة العازل للحرارة في معظم المناطق (95%) أقل من كفاءة الزجاج العازل ثنائي الطبقات منخفض الانبعاثية، بينما كانت كفاءة الطاقة في المباني باستخدام الزجاج أحادي الطبقة العازل للحرارة منخفض الانبعاثية في معظم المناطق (82%) أسوأ من كفاءة الزجاج العازل ثنائي الطبقات منخفض الانبعاثية.

6.2 تحديد تصميم درجة حرارة الانتقال المثلى

استنادًا إلى البحث المذكور أعلاه، تم رسم خريطة لاختيار درجة حرارة الانتقال المثلى لتصميم زجاج التعتيم الحراري أحادي الطبقة منخفض الانبعاثية (Low-e) لأربعة اتجاهات بناء مختلفة. تُظهر الخريطة بوضوح درجة حرارة الانتقال المثلى لزجاج التعتيم الحراري المناسبة لمختلف المناطق واتجاهات المباني، مما يوفر مرجعًا هامًا للمصممين المعماريين. على سبيل المثال، في المناطق الجنوبية الحارة، تتراوح درجة حرارة الانتقال المثلى لزجاج التعتيم الحراري أحادي الطبقة منخفض الانبعاثية (Low-e) للمباني ذات الاتجاه الشرقي الغربي بين 35 و38 درجة مئوية؛ بينما في المناطق الشمالية الباردة، تكون درجة حرارة الانتقال المثلى للمباني ذات الاتجاه الجنوبي منخفضة نسبيًا، وتتراوح بين 28 و32 درجة مئوية.

سابعاً: دراسة حول تقييم أداء مظلات الشمس المصنوعة من الزجاج الحراري المعتم

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 تأثيرات الزجاج العازل للحرارة أحادي الطبقة وأنظمة التظليل الخارجية الثابتة (التظليل الأفقي والتظليل الرأسي) على بيئة الإضاءة والحرارة الداخلية واستهلاك الطاقة في المباني. شملت حالات التحليل والحساب خمسة ظروف مناخية حضرية نموذجية، وأربعة اتجاهات للمباني (شرق، غرب، جنوب، شمال)، وزجاج عازل للحرارة أحادي الطبقة بدرجة حرارة انتقالية تتراوح بين 20 و50 درجة مئوية، وتظليل أفقي ثابت بطول يتراوح بين 0 و3.6 متر، وتظليل رأسي ثابت بطول يتراوح بين 0 و3.6 متر. تستخدم نوافذ التظليل الخارجي الثابت زجاجًا عازلًا مزدوج الطبقات، ويُراعى في اختيار طول التظليل (من 0 إلى 3.6 متر) هياكل التظليل الذاتي للمبنى، بما في ذلك الشرفات والممرات والنتوءات.

7.2 طريقة ونتائج تحديد طول التظليل المكافئ

تُقترح عملية تحديد طول التظليل المكافئ للزجاج المُعتّم حراريًا: أولًا، يتم تحديد الحد الأدنى لاستهلاك الطاقة في المبنى للزجاج المُعتّم حراريًا عند درجات حرارة انتقال مختلفة، وتُعتبر درجة حرارة الانتقال التي تُحقق أقل استهلاك للطاقة هي درجة حرارة الانتقال المثلى للزجاج المُعتّم حراريًا؛ ثم، عندما يكون الحد الأدنى لاستهلاك الطاقة في المبنى للزجاج المُعتّم حراريًا أقرب ما يكون، يكون طول التظليل الخارجي الثابت هو طول التظليل المكافئ للزجاج المُعتّم حراريًا. وبأخذ المقارنة بين الزجاج المُعتّم حراريًا والتظليل الخارجي الأفقي في شيامن كمثال، في ظل الظروف المناخية لشيامن، فإن درجة حرارة الانتقال المثلى للزجاج المُعتّم حراريًا أحادي الطبقة هي 36-37 درجة مئوية. وفي الاتجاهات الأربعة: الشرق، والغرب، والجنوب، والشمال، تكون أطوال التظليل الخارجي الأفقي المكافئة للزجاج المُعتّم حراريًا عند درجة حرارة الانتقال المثلى هي 0.5 متر، و0.9 متر، و0.4 متر، و1.6 متر على التوالي. تُظهر نتائج البحث أن الزجاج الحراري المعتم يمكن أن يحقق تأثيرات توفير الطاقة في المباني وتحسين بيئة الإضاءة والحرارة مماثلة لتلك الخاصة بمنشآت التظليل الخارجية الثابتة.

ثامناً: الخاتمة والتوقعات

8.1 استنتاج البحث

من خلال الاختبارات التجريبية والمحاكاة العددية، وضعت هذه الدراسة نموذجًا حسابيًا للتأثير الشامل للزجاج المُعتّم حراريًا على إضاءة المباني وبيئتها الحرارية واستهلاكها للطاقة، وتحققت من دقة النموذج باستخدام بيانات مُقاسة. وقد توصلت الدراسة إلى طريقة حساب درجة حرارة الانتقال المثلى وطول التظليل المكافئ للزجاج المُعتّم حراريًا في ظل ظروف مناخية مختلفة، ورسمت خريطة اختيار التصميم لدرجة حرارة الانتقال المثلى. وتُظهر النتائج أن الزجاج المُعتّم حراريًا يتمتع بإمكانات جيدة لتنظيم الإضاءة والحرارة في تطبيقات المباني، حيث يُمكنه تحسين راحة الإضاءة والحرارة الداخلية بشكل فعال، وتقليل استهلاك الطاقة في المباني. وفي معظم المناطق، تكون كفاءة الطاقة في المباني للزجاج المُعتّم حراريًا أحادي الطبقة منخفض الانبعاثية أفضل من كفاءة الزجاج التقليدي. وفي الوقت نفسه، يُمكن للزجاج المُعتّم حراريًا تحقيق تأثيرات توفير الطاقة في المباني وتحسين بيئة الإضاءة والحرارة بشكل مماثل لتأثيرات تجهيزات التظليل الخارجية الثابتة.

8.2 آفاق البحث

يمكن للبحوث المستقبلية أن توسع نطاق تطبيقات الزجاج العازل للحرارة في مختلف أنواع المباني، كالمباني السكنية والمستشفيات والمدارس وغيرها، وأن تُحلل أداءه بعمق في ظل متطلبات وظيفية متنوعة. كما يمكن تحسين خصائص المواد وعملية إنتاج هذا الزجاج، وتعزيز استقراره ومتانته ودقة تعتيمه، وخفض تكاليف الإنتاج، ما يُسهم في توسيع نطاق استخدامه. إضافةً إلى ذلك، وبالاستعانة بالذكاء الاصطناعي والبيانات الضخمة وغيرها من التقنيات، يُمكن تحقيق الربط الذكي بين الزجاج العازل للحرارة وأنظمة المباني الأخرى، ما يُعزز ذكاء المباني وكفاءتها في استهلاك الطاقة.