المعرفة الصناعية

مقدمة

مع تطور تقنيات ترشيد استهلاك الطاقة في المباني، أصبح الزجاج العازل ثلاثي الطبقات ثنائي الحجرات الشكلَ الرائدَ لنوافذ الواجهات الخارجية. وبالمقارنة مع الزجاج العازل التقليدي أحادي الحجرة، فإن زيادة عدد الحجرات تُحسّن أداء العزل الحراري للزجاج العازل. فمقارنةً بقيمة K للزجاج العازل (6+16A+6) البالغة 2.7 واط/متر.كلفن، تصل قيمة K للزجاج العازل (6+16A+6+16A+6) إلى 1.7 واط/متر.كلفن. وعند استخدام تقنيات أخرى مثل الزجاج العازل منخفض الانبعاثية (Low-E) والمملوء بالغاز الخامل وشرائط الحواف الدافئة، مثل الزجاج العازل (6Low-E+16Ar+6+16Ar+6Low-E)، يمكن أن تصل قيمة K إلى 0.8 واط/متر.كلفن.

مع أن الزجاج العازل ثلاثي الطبقات ثنائي الحجرات يُحسّن أداء العزل الحراري للأبواب والنوافذ، إلا أنه يزيد أيضًا من استهلاك المواد. أولًا، يزداد وزن الزجاج، مما يزيد بدوره من عرض وسماكة الإطار، وبالتالي متطلبات قوة الأجزاء المعدنية. في الزجاج العازل ثلاثي الطبقات ثنائي الحجرات، يتحمل الزجاجان الخارجيان وظيفتي الدعم والحمل. أما الوظيفة الرئيسية للزجاج الأوسط فهي فصل الحجرة، والحد من انتقال الحرارة بالحمل الحراري للغاز الموجود، وبالتالي زيادة سماكة طبقة العزل، ولكن يجب أن يستوفي أيضًا متطلبات أداء ميكانيكية معينة. لهذا الغرض، قد يتبادر إلى الذهن استخدام مواد رقيقة أخرى بدلًا من الزجاج الأوسط الحالي بسماكة 6 مم، مما يُشكّل زجاجًا ثلاثي الطبقات رقيقًا.

1- زجاج عازل رقيق مثبت في المنتصف

2TD

يُعدّ الزجاج غير العضوي الشكلَ الرئيسيّ لزجاج العزل ثلاثي الطبقات ثنائي الحجرات. وتُدرس طريقة التخفيف بناءً على طبقات الزجاج الثلاث التي يتكون منها. يتعرض الزجاج الخارجي لأحمال الرياح، ويتم تخفيفه مع مراعاة متطلبات الأداء الميكانيكي. أما الزجاج الداخلي، فلا يتعرض مباشرةً لأحمال الرياح، لذا يُستخدم كسطحٍ قابلٍ للتخفيف. ونظرًا لأن سطح الاستخدام لا يزال يتطلب متطلبات الأداء الميكانيكي، فهناك إمكانيةٌ معينةٌ للتخفيف. الزجاج الموجود بين الزجاج الداخلي والخارجي (الزجاج المركزي) لا يتحمل أحمال الرياح مباشرةً، لذا فهو يتمتع بأكبر إمكانية للتخفيف. قامت شركة Lixil اليابانية بتخفيف الزجاج الأصلي (3+3+3) مم إلى (3+1.3+3) مم، بمعدل تخفيفٍ للوزن يبلغ حوالي 19%. وعندما يكون التخفيف (3+1.3+1.3) مم، يصل معدل التخفيف إلى حوالي 38%، كما هو موضح في الشكل 1. استبدل مختبر غرب المحيط الهادئ الوطني في الولايات المتحدة الأمريكية زجاج العزل التقليدي بزجاج عازل رقيق عالي الكفاءة وموفر للطاقة. أُجري بحثٌ حول تأثير استبدال زجاج المباني الحالي على توفير الطاقة. يتكون الزجاج العازل الرقيق من طبقتين من الزجاج بسمك 3.2 مم تقريبًا (1/8 بوصة) مع طبقة عازلة منخفضة الانبعاثية، وطبقة رقيقة من الزجاج بسمك 16 مم تقريبًا (1/16 بوصة) بينهما. تُظهر نتائج الاختبار توفيرًا في طاقة نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء يتراوح بين 0.2 و18.7 كيلوواط ساعة يوميًا خلال موسم التدفئة (توفير طاقة يتراوح بين 3% و18% للفرد)، وبين 2.5 و8.0 كيلوواط ساعة يوميًا خلال موسم التبريد (توفير طاقة يتراوح بين 23% و41%)، كما ينخفض ​​اختراق الصوت بمقدار 8 إلى 10 ديسيبل. قام مختبر لورانس بيركلي الوطني بوضع طبقة رقيقة من الزجاج بسمك 0.7 مم داخل زجاج عازل عادي (زجاج بسمك 3 مم + طبقة عازلة منخفضة الانبعاثية بسمك 3 مم) لتشكيل زجاج عازل رقيق، كما هو موضح في الشكل 2. وقد أظهرت الدراسات أن إمكانية توفير الطاقة باستخدام الزجاج العازل الرقيق بدلاً من زجاج النوافذ الخارجية التقليدي تصل إلى 16% في المناخات الدافئة (مثل مينيابوليس، مينيسوتا)، و12% في المناخات المعتدلة (مثل واشنطن العاصمة)، و7% في المناخات الباردة (مثل هيوستن، تكساس). وقد ازداد سمك الزجاج المستخدم في النوافذ الخارجية في بلدي. ففي ثمانينيات القرن الماضي، كان الزجاج بسمك 3 مم هو النوع السائد من الزجاج المصقول. وبعد عام 1993، أصبح الزجاج بسمك 5 مم هو المنتج الرئيسي، وفي الآونة الأخيرة أصبح الزجاج بسمك 6 مم هو المنتج الرئيسي. وفي عام 2013، اقترح وانغ شينتشون وآخرون استخدام زجاج مسطح رقيق. يبلغ متوسط ​​استهلاك الفرد السنوي من الزجاج المسطح في بلدي 20.7 كيلوغرامًا، أي ما يعادل 1.25 ضعف مثيله في دول الاتحاد الأوروبي، وضعف مثيله في الولايات المتحدة، و2.6 ضعف المتوسط ​​العالمي. ويُعدّ سُمك الزجاج المسطح أحد أسباب هذا الاستهلاك المرتفع للفرد في بلدي. وتشير التقديرات إلى أنه في حال خفض سُمك الزجاج من 5 ملم إلى 4 ملم بحلول 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 رمال السيليكا.تُنتج 36 مليون طن من المنتجات الكيميائية، مثل رماد الصودا. يقترح المقال تغيير نموذج تطوير الصناعات والمؤسسات وتحسين تكنولوجيا الإنتاج. وقدّم خمسة اقتراحات، تشمل تعديل سلسلة القيمة الصناعية من حيث المستوى التقني، وزيادة جهود البحث العلمي، وبدء الجهات المعنية العمل على ترقيق الزجاج المسطح في أسرع وقت ممكن. في الوقت نفسه، تسعى شركات مثل مجموعة CSG بنشاط إلى تجربة تطبيقات الزجاج الرقيق للنوافذ الخارجية.

يتمتع تطوير الزجاج العازل الرقيق حاليًا بقدرة عالية على التكيف. أولًا، تماشيًا مع مفاهيم التنمية المتعلقة بـ "الأهداف المزدوجة للكربون"، والتصنيع الأخضر، والمباني الخضراء، وغيرها، سيساهم الزجاج العازل الرقيق في ترشيد استهلاك الطاقة والمواد، وخفض انبعاثات الكربون في سلاسل صناعات الزجاج، والقطاعات، والأبواب، والنوافذ، والجدران الستائرية، والنقل. ثانيًا، يُعد الزجاج العازل ثنائي/متعدد الحجرات المنتج الرائد في البلاد لهياكل التغليف الشفافة عالية الكفاءة والموفرة للطاقة، ويتمتع بإمكانية التضييق. ثالثًا، يتمتع الزجاج العازل الرقيق المركزي بقاعدة صناعية واسعة، مما يُسهم في دفع عجلة التحول والتطوير في هذا القطاع. رابعًا، توفر صناعة الزجاج الرقيق/الزجاج فائق الرقة في البلاد المواد والأساس الصناعي. ويمكن للزجاج الكهروضوئي المصنوع من نظام الصوديوم-الجير-السيليكون والزجاج الواقي أن يوفرا منتجات أساسية. وتُعد عمليات تحويل الزجاج المسطح وتضييقه وإنتاجه غير مسبوقة من حيث التكنولوجيا والإنتاج. بالمقارنة مع بوتقات الزجاج الصناعية وبوتقات الزجاج المعماري:

2- زجاج عازل ذو طبقة مركزية

يقسم الزجاج العازل ذو الطبقة العضوية المركزية (كما هو موضح في الشكل 3) حجرة واحدة إلى حجرتين أو أكثر. تُستخدم الطبقة العضوية غير الوظيفية (الطبقة البيضاء) فقط لفصل الحجرات والحد من الحمل الحراري، وزيادة سمك طبقة العزل، وتحقيق الرقة والخفة. أما الطبقة العضوية الوظيفية (طبقة عاكسة للحرارة) فتُضفي خصائص مثل انخفاض الانبعاثية، وتزيد من كفاءة الطاقة في التحكم بالإشعاع الحراري مقارنةً بالطبقة البيضاء. يُصنع الزجاج العازل ذو الطبقة المركزية من قِبل شركة ساوث وول الأمريكية للتكنولوجيا، وقد طُرح في الأسواق عام 1970 ويُستخدم في المباني. يتميز هذا النوع من الزجاج بخصائص حرارية ممتازة، وقد أجرى لي وو وزملاؤه أبحاثًا في هذا المجال. تتكون الطبقة المركزية من غشاء لدن حراري، يتصلب بفعل خاصية اللدونة الحرارية عند تسخينه. يتطلب تركيب هذه الطبقة تدخلًا يدويًا، مما يزيد من تكلفة الإنتاج. درس هي شوبينغ وزملاؤه تصميم عملية التجميع الرئيسية لنظام الزجاج العازل ذي الطبقة المركزية. سيصبح خفض تكلفة مواد الأغشية، وتحقيق التركيب التلقائي للأغشية، وتقليل درجة التدخل اليدوي وتكاليف المعالجة المقابلة، النقاط الرئيسية لتطوير الزجاج العازل ذي مادة الفيلم المركزي.

3 زجاج عازل مركب من الزجاج الحقيقي

الزجاج المفرغ هو منتج زجاجي يتكون من طبقتين أو أكثر من الزجاج مفصولة بأعمدة داعمة، حيث تُغلق الحواف لتشكيل تجويف، ثم يُفرغ هذا التجويف من الهواء. ونظرًا لأهمية التوازن بين انتقال الحرارة وقوة تحمل الأعمدة الداعمة، يُفضل تقليل عددها ومساحتها، لذا يُختار عمود ذو مساحة مقطع عرضي صغيرة وطول مناسب دون التأثير على المظهر الجمالي. نظريًا، لا يرتبط انتقال الحرارة بالحمل أو التوصيل بسُمك طبقة الفراغ. يتراوح سُمك طبقة الفراغ عادةً بين 0.15 و0.25 مم. يُصنع جزء واحد على الأقل من الزجاج المفرغ من زجاج منخفض الانبعاثية لتحقيق عزل فعال في أنماط انتقال الحرارة الثلاثة الأساسية: التوصيل الحراري، والحمل الحراري، والإشعاع الحراري. لذا، يُعد الزجاج المفرغ منتجًا زجاجيًا رقيقًا عالي الكفاءة. لا يُمكن الاستفادة الكاملة من أداء العزل للزجاج المفرغ من الهواء إلا باستخدام الزجاج العازل المركب المفرغ من الهواء، كما هو موضح في الشكل 4. على الرغم من وجود قطعة زجاجية في منتصف الزجاج العازل المفرغ من الهواء، إلا أن هذه القطعة تتأثر بالضغط الجوي بعد عملية التفريغ وتتحمل ضغط عمود الدعم، مما يحد من إمكانية ترقيق الزجاج المفرغ من الهواء. يُقلل الزجاج المفرغ من الهواء من السماكة الإجمالية للزجاج العازل المركب بفضل كفاءته العالية وكفاءته في توفير الطاقة، محققًا بذلك هدف الترقيق. لقد حقق إنتاج الزجاج المفرغ من الهواء في بلدي تقدمًا كبيرًا، لكن التكلفة لا تزال العامل الرئيسي الذي يُعيق انتشاره. يُصنع جزء واحد على الأقل من الزجاج المفرغ من الهواء من زجاج منخفض الانبعاثية لتحقيق عزل فعال في أنماط انتقال الحرارة الثلاثة الأساسية: التوصيل الحراري، والحمل الحراري، والإشعاع الحراري. لذلك، يُعد الزجاج المفرغ من الهواء منتجًا زجاجيًا رقيقًا عالي الكفاءة. لا يُمكن الاستفادة الكاملة من أداء العزل للزجاج المفرغ من الهواء إلا باستخدام الزجاج العازل المركب المفرغ من الهواء، كما هو موضح في الشكل 4. على الرغم من وجود قطعة زجاجية في منتصف الزجاج المفرغ، إلا أن هذه القطعة تتأثر بالضغط الجوي بعد عملية التفريغ وتتحمل ضغط العمود الداعم، مما يحد من إمكانية ترقيق الزجاج المفرغ من الهواء. يُقلل الزجاج المفرغ من الهواء من السماكة الإجمالية للزجاج المفرغ المركب بفضل كفاءته العالية وكفاءته في توفير الطاقة، محققًا بذلك هدف الترقيق. لقد حقق إنتاج الزجاج المفرغ من الهواء في بلدي تقدمًا كبيرًا، لكن التكلفة لا تزال العامل الرئيسي الذي يُعيق انتشاره.

4 زجاج مجوف من الأيروجيل

يتميز الهلام الهوائي بأداء عزل حراري ممتاز وخفيف الوزن. يُمكن استخدامه في الزجاج المجوف لتحقيق سماكة عالية وكفاءة ممتازة وتوفير في الطاقة. تبلغ قيمة معامل التوصيل الحراري (K) للزجاج المجوف (6+12A+6) 2.8 واط/م.ك، بينما تبلغ قيمة معامل التوصيل الحراري (K) للزجاج المجوف (6Low-E+12A+6) 1.8 واط/م.ك، وتصل قيمة معامل التوصيل الحراري (K) للزجاج المجوف (6+12aerogel+6) إلى 1.0 واط/م.ك. إحدى الطرق العملية لوضع الهلام الهوائي في المنتصف هي استخدام جزيئات الهلام الهوائي لملء الفراغات، وهي طريقة منخفضة التكلفة نسبيًا. يؤدي اختلاف معامل الانكسار بين سطح التماس بين الهلام الهوائي والجزيئات، ومعامل الانكسار بين الزجاج وشفافية الهلام الهوائي نفسه، إلى زيادة قيمة العتامة في الزجاج العازل، مما يؤثر على شفافيته. يُعد تقليل قيمة العتامة للهلام الهوائي نفسه، والحصول على تركيبة من قطعة واحدة من الهلام الهوائي (بدلاً من الجزيئات)، من الطرق الفعالة لتحسين الشفافية. تتطلب الهياكل الشفافة لواجهات المباني (الأبواب والنوافذ الخارجية، والجدران الستائرية) شفافية عالية، ومن المتوقع استخدامها على نطاق واسع في هياكل الإضاءة. مع ذلك، من الضروري دراسة تأثيرات تراكم حرارة الإشعاع الشمسي والصدمات الحرارية والباردة على الخصائص الميكانيكية للزجاج العازل.

5 ملخص

يُعدّ ترقيق الزجاج العازل اتجاهًا تطويريًا ذا فوائد متعددة، منها توفير المواد والطاقة وخفض انبعاثات الكربون. ويُعتبر الزجاج العازل متوسط ​​الرقة، كاستراتيجية تطوير وخيار مُفضّل، لما يتمتع به من أساس صناعي متين ومزايا اقتصادية جيدة. أما الزجاج العازل المصنوع من مادة الفيلم المتوسطة والزجاج العازل المركب المفرغ من الهواء، فيتميزان بدرجة عالية من الرقة، ولهما تطبيقات عملية في المباني الجديدة، ومزايا واضحة في استبدال الزجاج في مشاريع ترشيد استهلاك الطاقة في المباني القائمة. وفي المستقبل، يُتوقع استخدام الزجاج العازل المصنوع من الهلام الهوائي في هياكل وحدات الإضاءة.