نقش شیشه در رفتار حرارتی ساختمان

گرچه تاريخ كشف شيشه به حدود 4000 سال قبل بـاز ميگردد اما استفاده از آن در بناها بـه ايـن انـدازه قـدمت ندارد. اين كه همزمان بتوان نور طبيعـی و هـوای گـرم را داخل بنا حفظ نمود، همواره از آرزوهاي بشر بوده است. نياز به مصالحي كه مانع ورود يا خروج گرما از بنا شـود، از ورود گرد و غبار و حشرات جلوگيري كند و همزمـان نور طبيعي مورد نياز ساختمان را تأمين كنـد، همـواره در سكونتگاه های بشر، چه شهری و چه روستايی، احساس ميشد. قبل از دستيابي به جام شيشه، اين نياز با مصـالح شفاف ديگر پاسخ داده ميشد. استفاده از ورق های نـازك سنگ مرمر، ميكا و پوست حيوانات در روم باستان، كاغذ برنج در چين و ژاپن، سنگ های شفاف رنگي در مصـر و سـوريه و... نمونـه ای از تـلاش هـا بـراي پاسـخ بـه ايـن نياز است.
اولـين استفاده از شيشه در معماري به رم نسبت داده ميشود. تا پيش از پايان قرن دوم ميلادي، شيشه در برخي خانه هـاي اشراف و ويلاهای امپراطوري مشاهده مـيشـد. پـس از سقوط رم و تا اواسط قـرن 12 شيشـه در اروپـا اسـتفاده نشد تا اين كه شيشه اين بار در پنجره های كليساهاي دوره گوتيک پديدار گشت. در طول تاريخ معماري ايران نيز پنجره به صـورت هـاي مختلفي وجود داشـته اسـت. درب - پنجـره، روزن، شـباك، جامخانه و ارسي نمونه هاي مختلف اين صورت ها است.
شايد كهن ترين نمونه هاي درب و پنجره در معماري ايران را بتوان در قلعه هاي مادي يافت كه دو لته دارند و اغلـب از چوب ساخته شدهاند. متأسفانه نمونه هاي اندكي از انـواع پنجـره، قبـل از دوره قاجـار بـاقي اسـت. ايـن موضـوع قضاوت را در مورد ويژگي هاي پنجره ها در طـول تـاريخ معماري ايران دشوار ميكند. پنجره هاي ارسي را ميتـوان نقطه اوج پنجره سازي در معماري ايـران دانسـت. ظـاهراً پيدايش اين پنجره ها به دوران صفويه بـاز مـيگـردد امـا اوج اســتفاده از آن در دوره قاجــار بــوده اســت. ارســي پنجرهاي كشويي است كه مشبك هـاي چـوبي بـا نقـوش هندسي دارد. درون اين مشبک ها، شيشه هاي رنگـي كـار گذاشته ميشود.
وقوع انقـلاب صـنعتي در غـرب زمينـه سـاز تحـولات اساسي در صنعت شيشه و ساختمان شـد. تحـولاتي كـه بعدها منجر به تغييراتي اساسي در معماري غـرب و بعـد از آن بسياري از كشورها از جملـه ايـران شـد. پيشـرفت سريع صنعت و تكنولوژي از نتايج انقلاب صـنعتي بـود. توليد كارگاه هاي كوچک در مقياس خرد، جـاي خـود را به توليد انبوه در كارخانه ها، با استفاده از قدرت ماشين و انرژي داد و همزمان صنايع مربوط بـه سـاختمان نيـز بـه سرعت پيشرفت كرد. صـنعت شيشـه سـازي در نيمـة دوم قرن هجده بسيار گسترش يافت و در سال 1806 جام هاي شيشه به ابعاد 2/5 × 1/7 متـر توليـد شـد. در سـال 1834 شيوه جديـدي بـراي توليـد شيشـه را رابرت لوكاس چانس ابداع كرد. در اين روش شيشه مذاب با دميـدن بـه شـكل استوانه در آمده و پس از بـرش، بـاز مـيشـد. ايـن روش زمينه ساز ساخت بنـاي عظـيم كريسـتال پـالاس شـد. از ابتداي قرن بيستم رفته رفتـه انديشـه هـاي جديـدي پديدار گشت. تفكر غالب در اين انديشه ها، فـرم را تـابع عملكرد ميدانست و بـر شـفافيت و خلـوص بنـا تأكيـد داشت. براي نيل به اين هدف، شيشـه از بهتـرين مصـالح بــود. ســاختمان كارخانــه كفــش فــاگوس اثــر والتــر 4 نمونه بارز اين نگرش اسـت.
اختراع شيشه فلوت و همچنين شيشة ايمني، معماران را در رسيدن به هدف بكارگيري وسيع شيشه در طراحي بناها ياري نمود. استفاده از شيشه در معماري، در ايـن برهـه از زمـان بـه اوج خـود رسـيد و در آن زمـان آسمان خراش هـا تبـديل بـه مكعـب هـاي شيشـه اي (كـه اصطلاحاً به آنها جعبه كفش ميگويند) شـدند.
در اين نوشتار راهكارهاي بهبود رفتار حرارتي شيشه و پنجره از دو منظر مورد بررسـي قـرار مـيگيـرد. نخسـت عوامل خارجي و شرايط فيزيكـي مـؤثر بـر بهبـود رفتـار حرارتي پنجره بررسي ميشود و سپس به اجزاي تشـكيل دهنده پنجره و مواد و مصالح آن پرداخته ميشود.

شرايط فيزيكي و عوامل خارجي موقعيت و جهت گيري پنجره 
مهمترين بخش حرارتي بنا بـه منظـور دريافـت انـرژي خورشـيد، پنجـره اسـت كـه ورق هـاي شيشـه در ابعـاد گوناگون در آن جاي ميگيرد. رفتار پنجره در برابر تـابش خورشــيد بــه انــدازه و مكــان قرارگيــري آن در جهــات گوناگون بنا بستگي دارد. از آنجا كه دريافت تابش خورشيد از شرق و غرب بنـا در زمان طولاني تر و با زاويه ورود كوچـكتـري انجـام ميشود حفاظت از آن مشكل است. بنابراين وجود پنجره در اين دو جبهه بايد كمتر از ضلع جنوبي بنا باشد. در ضلع شمالي نيز هنگام طلوع و غروب خورشـيد در تابستان، تابش مستقيم خورشيد به صورت مايل و به مدت كوتاهي وجـود دارد كـه چـون در ابتـدا و انتهـاي روز است تأثير منفي آن محسوس نيست.

سايبان 
سايبان يا نقاب سايه ميتوانـد نقـش مـؤثري در بهبـود رفتار حرارتي پنجره ايفا كند. به منظور كاهش ورود تابش خورشيد از طريق شيشه پنجره به درون بنا در فصول گرم سال از سايبان يا نقاب سايه استفاده ميشود. البتـه لزومـاً در همه مناطق اقليمي بهوجود سايبان نيـاز نخواهـد بـود. سايبان مناسب، سايباني است كـه در اوقـات گـرم سـال از ورود تابش خورشيد به داخل بنا ممانعت به عمل آورد و در اوقات سرد امكان استفاده از تابش خورشـيد در داخـل بنـا فراهم شود.

سايت و محيط پيرامون
 سايت مورد نظر و محـيط پيرامـونِ بنـا نيـز در رفتـار حرارتي پنجره ها مؤثر است. به عنوان مثال بنـاي منفـردي كه در زمين وسيعي قرار دارد ميتواند در معرض بادهاي مزاحم و تابش نامطلوب خورشـيد باشـد. وزش بادهـاي مزاحم و نامطلوب به سطوح پنجره هـا در اتـلاف انـرژي مؤثر است. استفاده از بادشكن و پوشش گياهي در مسـير بادهاي مزاحم ميتوانـد ايـن اتـلاف را كـاهش دهـد.

مصالح و اجزاي پنجره ويژگي هاي فيزيكي شيشه پنجره 
يكي از خصوصيات مهم شيشه، توانايي عبـور خورشيد با طول موج كوچک است. طيف تابش خورشيد در سطح كره زمين (سطح دريا) شامل تقريباً پـنج درصـد قسمت ماوراء بنفش با طول موج كمتر از 0/38 ميكـرون (يک ميكرون برابر با يك هزارم ميلي متر) اسـت. بيشـتر شيشه هـا تقريبـاً پنجـاه درصـد از انـرژي مـاوراء بـنفش خورشيد را از خود عبور مي دهند و اين امر اثر منفي بـر خود شيشه نميگذارد ولي با گذشت زمان باعث خـراب شدن رنگ پرده ، فرش و غيره كه در پشـت شيشـه قـرار دارند، ميشود. هم چنين تابش مستقيم خورشـيد، باعـث خراب شدن رنگ اتومبيل ها ، برنـزه شـدن پوسـت و در مواقعي سرطان پوست ميشود.

انواع شيشه 
شيشه معمولي : طي ساليان متمادي از شيشه ساده يک جـداره بـه عنـوان پوشش در بازشوهاي سـاختمان اسـتفاده مـيشـد. امـا بـا افزايش روزافـزون بهـاي انـرژي و اهميـت يـافتن صـرفه جويي انرژي در ساختمان، استفاده از نوع شيشه ساختماني محدود شد.

شيشه هاي بازتابي
 در اين نوع شيشه ها، سطح شيشه با يـک لايـه فلـز يـا اكسيد فلزي پوشانده ميشود. اين سطح نور خورشـيد را بازتاب مي دهد و باعث ميشود كه شيشه از يک سـمت مانند آيينه به نظر برسـد. ايـن شيشـه هـا در كيفيـت نـور ورودي تغييــر ايجــاد مــيكننــد و اســتفاده از آن هــا در پنجره هاي جنوبي توصيه نميشود. بهتر اسـت ايـن نـوع شيشه ها در پنجره هاي شرقي و غربي، جهت كنترل تابش مزاحم مورد استفاده قرار گيرند.

شيشه هاي كنترل كننده انرژي 
شيشه هاي كنترل كننده انرژي يا Emissivity-Low كه در فارسي به شيشه هـاي كـم گسـيل ترجمـه مـيشـوند، شيشه هايي هستند كه انتقال حـرارت كمتـري نسـبت بـه شيشه هاي معمولي دارند و مانند يک عايق حرارتي عمـل ميكنند. اين نوع شيشه ها اجازه عبور بخش مرئـي طيـف نور خورشيد را ميدهند اما طيف حرارتي (امواج مـادون قرمز) و امواج مضر (امواج ماوراء بنفش) را مـنعكس يـا فيلتر ميكنند.

شيشه هاي هوشمند 
نسل جديد شيشـه هـا كـه امـروزه بسـيار مـورد توجـه پژوهشگران است، شيشه هاي هوشمند است. اين شيشه ها به محرک هايي مانند نور يا نيروي الكتريكي عكس العمل نشان ميدهند و كيفيت آن ها تغيير ميكنـد. از ايـن قبيـل شيشه ها ميتوان شيشه هاي الكتروكروميک، فتوكروميـک، ترمو كروميک و كريسـتال مـايع را نـام بـرد. شيشـه هـاي الكتروكروميک با دريافت جريان برق اندك، تغيير رنگ داده و تيره ميشوند. اين شيشه ها قابليت كنترل دارند. شيشه هاي ترموكروميک به گرما حساس هستند و با گرم شدن تيرهتـر ميشوند. شيشه هاي فتو كروميک به نور پاسخگـو هسـتند و با افزايش تابش نور تيره ميشوند. در شيشه هـاي كريسـتال ، يك لايه كريستال مايع بين دو صفحه شيشه اي قـرار 19 مايع گرفته است. هنگامي كـه جريـان بـرق متصـل نيسـت ايـن شيشه ها نور را از خود عبور نميدهند و با برقراري جريـان برق امكان عبور نور فراهم ميشود. اين شيشه ها، علاوه بـر استفاده در جداره خارجي بنا، در جـدا كننـده هـاي داخلـي مانند پارتيشن ها هم كاربرد دارنـد و كيفيـت برقراري جريـان برق امكان عبور نور فراهم ميشود. 
 

شيشه هاي چند جداره 
براي كاستن از مشكلات پنجره هاي تک جداره ميتوان از دو جداره شيشه به همراه يک لايه هواي ساكن در ميان آن ها استفاده كرد. بـه طـوري كلي هر چه فاصله بين دو جداره شيشه بيشتر شود انتقال حرارت كمتر خواهد شد.

قاب پنجره 
معمــولاً در ســاخت قــاب از مــواد مختلفــي اســتفاده ميشود. در اين ميان قاب هاي چوبي، آهني، آلـومينيومي و UPVC پر كاربردترند. مهمترين ويژگي پنجـره یو پی وی سی ، پـايين بـودن اتـلاف حرارتـي آن اسـت UPVC  بـه طـورطبيعــي رســاناي گرمــا نيســت. در اين نوع از پنجره ها، هوا كه خود مـادهاي عـايق اسـت مابين حفره ها قرار گرفته و مانع از انتقال حرارت ميشـود.

قاب های آلومينيومی
 قبل از رواج پنجره هاي UPVC، پنجره هاي آلـومينيومي بسيار پركاربرد بودند. مشكل اصلي آلومينيوم، رسانا بـودن آن است. بـراي حـل ايـن مشـكل قاب هاي ترمال بريک معرفي شدند. پروفيل هاي سيستم ترمال بريک، از دو مقطعِ پروفيل آلومينيومي مجزا تشكيل شده كه بـه وسـيله تيغـه هـاي پلـي آميـد بـه هـم متصـل ميگردند. تيغه هـاي پلـي آميـد مـانع انتقـال حـرارت از سطحي به سطح ديگر ميشود و از ايجاد پـل حرارتـي و هدر رفت انرژي جلوگيري ميكند.

نتيجه گیری
 نقش شيشه در معماري امروز قابل توجه است. درصد استفاده از شيشه در ساختمان هاي مسكوني، غير مسكوني، روستايي و همچنين ساختمان هاي بلند مرتبه امروزي بسيار بالاست. كيفيتي كه شيشه در معماري ايجاد ميكند در مصالح ديگر قابل دستيابي نيست. دستيابي به منظر مناسب، ورود نور كافي به محيط زندگي و كار، ايجاد شور و نشاط در ساكنان بنا و ايجاد زيبايي بصري در نماي ساختمان، همه مواردي است كه به كمک استفاده از شيشه در بنا محقق ميشود. اما همان طور كه ذكر شد با توجه به ميزان ذخاير انرژي و بهاي بالاي امروزة آن، استفاده از شيشه بايد همراه با راهكارهاي نوين كاهش مصرف انرژي باشد.