شیشه های هوشمند
حدود یک سوم انرژی یک ساختمان از طریق پنجره ها هدر می رود. به همین دلیل در سالهای اخیر تلاش برای کاهش مصرف انرژی در ساختمان ها بر روی پنجره ها متمرکز شده است. مطالعات زیادی برای یافتن روش‌های ذخیره انرژی صورت گرفته و نیاز به ذخیره انرژی باعث شده تا انواع جدیدی از پنجره‌های شیشه‌ای در ساختمانها به کار برده شود. این تکنـــولوژی کاربردهای فراوانی دارد، به عنوان مثال شیشه ای را تصور کنید که قابلیت تغییــــر از حـالت شفـاف به حالـت مات، توسـط یک کلید را داشته باشـــد. در صنعت ساختمان سـازی می تــوان از این شیشـــه برای پنجره هــای نمای ساختمان، سرویس های بهداشتی، پنجره های فروشگاه ها و آسانسور استفاده نمود. با وجود اینکه استفاده از این شیشه هنوز در ایران متداول نشده است اما نمونه های زیادی در تمام دنیـــا وجود دارد و در کشور های پیشرفته جهت صرفه جویی در مصرف انرژی از این تکنولوژی استفاده میشود. پنجره‌های هوشمند موجود به کمک ما شتافته تا به طریق هوشمند به کنترل و بهینه سازی مصـرف انرژی در ساختمان ها و اماکن عمومی کمک کند. تصور کنید که در یکی از گرم ترین روزهای آفتابی در تابستان، نور خورشید مستقیماً به اتاق شما می تابد و هیچ راه گریزی به جز استفاده از پنجره هایـــی با شیشه های دودی برای متعادل تر کردن گرما و نور اتاق در ساعات اوج تابش نور ندارید اما این پنجره ها باعث کاهش میزان انتقال نور و کاهش میدان دید در دیگر ساعات روز میشوند که برای جبران این کمبود نور می بایــست از سیستم روشنایی استفاده نمود، همچنین شیشه های دودی با توجه به مکانیزم تیره کردن شیشه باعث جذب میزان بیشتـــری از حرارت در روز میشوند که خود دلیلــی بر افزایش نیاز به سیستــم سرمایشی می باشد.
امروزه فناوری های مدرن تولید شیشه تاثیر شگرفی بر توسعه ساختمان سازی در سراسر جهان داشته است. فناوری شیشه های هوشمند در سالهای اخیر توسعه خیر کننده ای داشته است.طبق گزارش سالانه صنایع ایالت متحد آمریکا ،تقاضا برای شیشه های هوشمند تا سال 2020 ازمرز سه میلیون مترمربع در سال خواهد گذشت. تولید شیشه های هوشمند بر پایه چهار تکنولوژی کریستال مایع،الکتروکرومیک، ذرات معلق و مواد ترموکرومیک استوار است. ارزش بازار جهانی شیشه های هوشمند در سال 2012 در حدود 80میلیون دلار است که در سال 2020 به 700 میلیوندلار خواهد رسید. ساختمانهایی را تصور کنید که پنجره های آن مجهز به شیشه هایی است که با توجه به شدت تابش نور خورشید تیره و روشن میشوند. فناوری شیشه هوشمند می تواند در روزهای گرم تابستان که نور آفتاب به داخل ساختمان وارد میشود و نیاز به استفاده از دستگاه های خنک کننده و تهویه کننده هوا را افزایش میدهد به صورت هوشمند تاریک شود و از انعکاس نور جلوگیری کند و در عوض در فصول سرد سال دوباره به حالت اول بازگردد و شفاف شود.این فناوری،تاثیر خیر کننده ای بر مدیریت مصرف انرژی،در جهت کاهش مصرف سوخت های فسیلی در ساختمان دارد. پنجره ها نقش اصلی را در کنترل نور ورودی به داخل ساختمان و میزان انرژی مورد نیاز ایفا می کنند.ضرورت کنترل انرژی هنگامی مشهودترمیشود که سطح وسیعی از ساختمان با شیشه پوشیده شود که اغلب در این شرایط، امکان حفظ گرمای محیطی مناسب و ذخیره سازی معقول انرژی به طور همزمان با مشکلاتی همراه میشود. با پیشرفت تکنولوژی در عصرحاضر،تلاش محققان بر تولید شیشه هایی با خاصیت پخش نور بسیارکم،جهت استفاده در ساختمانهایی با کاربری تجاری متمرکز شده است،بطوریکه میتوان با فراهم سازی امکان ورود انرژی خورشید به داخل ساختمان و ممانعت از فرار گرمای داخل ساختمان ،مصرف انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش داد.چنین شیشه هایی قابلیت ممتازی در ورود نور به داخل بنا داشته و محافظ خوبی در برابر شرایط جویی به شمار می روند.
تکنولوژی ساخت شیشه به مرحله ای از کمال رسیده که طراحی و تولید انواع شیشه را با لحاظ کردن توامان خواص پخشی، انعکاسی، جذبی و شفافیت جهت دستیابی به شرایط ایده ال و پاسخگویی به خواسته های مختلفی همچون کنترل نور روز و درجه حرارت مناسب، امکان پذیر کرده است. شیشه های هوشمند علاوه بر تامین روشنایی روز دارای کیفیات دیگری همچون کنترل خورشیدی، آسایش و راحتی از لحاظ دما (محافظ از گرمای تابستان و سرمای زمستانبا مشخصه هایی همچون قابلیت بازیافت، دوام پذیری، عدم نیاز به پاکیزه نمایی، محافظت از رنگ پریدگی تدریجی اشیای داخل منازل در مقابل نور خورشیدو... هستند.
ساختمانهایی را تصور کنید که پنجره های آن مجهز به شیشه هایی است که با توجه به شدت تابش نور خورشید تیره و روشن میشوند. فناوری شیشه هوشمند می تواند در روزهای گرم تابستان که نور آفتاب به داخل ساختمان وارد می شود و نیاز به استفاده از دستگاه های خنک کننده و تهویه کننده هوا را افزایش میدهد به صورت هوشمند تاریک شود و از انعکاس نور جلوگیری کند و در عوض در فصول سرد سال دوباره به حالت اول بازگردد و شفاف شود.این فناوری،تاثیر خیر کننده ای بر مدیریت مصرف انرژی،در جهت کاهش مصرف سوخت های فسیلی در ساختمان دارد. پنجره ها نقش اصلی را در کنترل نور ورودی به داخل ساختمان و میزان انرژی مورد نیاز ایفا می کنند.ضرورت کنترل انرژی هنگامی مشهودترمی شود که سطح وسیعی از ساختمان با شیشه پوشیده شود که اغلب در این شرایط،امکان حفظ گرمای محیطی مناسب و ذخیره سازی معقول انرژی به طور همزمان با مشکلاتی همراه میشود.با پیشرفت تکنولوژی در عصرحاضر،تلاش محققان بر تولید شیشه هایی با خاصیت پخش نور بسیارکم، جهت استفاده در ساختمانهایی با کاربری تجاری متمرکز شده است،بطوریکه می توان با فراهم سازی امکان ورود انرژی خورشید به داخل ساختمان و ممانعت از فرار گرمای داخل ساختمان، مصرف انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش داد.چنین شیشه هایی قابلیت ممتازی در ورود نور به داخل بنا داشته و محافظ خوبی در برابر شرایط جویی به شمار می روند. تکنولوژی ساخت شیشه به مرحله ای از کمال رسیده که طراحی و تولید انواع شیشه را با لحاظ کردن توامان خواص پخشی،انعکاسی،جذبی و شفافیت جهت دستیابی به شرایط ایده ال و پاسخگویی به خواسته های مختلفی همچون کنترل نور روز و درجه حرارت مناسب،امکان پذیر کرده است. شیشه های هوشمند علاوه بر تامین روشنایی روز دارای کیفیات دیگری همچون کنترل خورشیدی،آسایش و راحتی از لحاظ دما (محافظ از گرمای تابستان و سرمای زمستان) با مشخصه هایی همچون قابلیت بازیافت،دوام پذیری،عدم نیاز به پاکیزه نمایی،محافظت از رنگ پریدگی تدریجی اشیای داخل منازل در مقابل نور خورشیدو… هستند.
سابقه شیشه هوشمند
سابقه شيشه هاي هوشمند كريستال مايع و فيلم آن به 1990-1994 باز مي گردد و كاربرد تجاري و امروزي آن از ســال 2001 صورت پذيرفت. مشخصات فيزيكي، عايق صوتي و قابليت محيطي مناسب اين نوع شيشه ها (ضخامتهاي 25-4 دهم ميلميتر) سبب كاربرد زياد در صنايع ساختماني وسالنهاي اجتماعات گرديده است . امروزه شاهد استفاده از اين شيشه ها در خودروهاي سواري و اتوبوس هاي بين شهري نیز هستيم. امروزه شیشه های هوشمند دارای كاربرد متنوعی در صـنايع ساختماني، بيمارستانــــي، لوازم خانگي، تزئينات و خـــودرو بوده كه نبايد آنرا با شيشـــــه هاي محدود كننده اشعه هاي خورشيدي (IR Cut, UV Cut) اشتباه گرفت. اساس كار PDLC استفاده ازهم جهت سازي كريستال هاي مايع و جلوگيــري از پراكندگي نور مي باشــد كه تا 80 درصـد داراي عبــور نور مرئي مي باشنــد. بااین سیستــم می توان میـــلیون ها دلار در گرمایش و سرمایش و نور پردازی فضاها صرفه جویی کرد. در حال حاضر پنجره‌های هوشمند در بسیاری از ساختمانها به کار گرفته میشوند.این پنجره‌ها مصرف انرژی را کاهش می‌دهند؛ برای این کار، پنجره‌ها سـرمای درون خانه را حفظ کـرده و مقدار نور ورودی به داخل را کنترل می‌کنند. یکی از موارد مصرف این پنجره‌ها در موزه‌ها است، جایی که ورود بـیش از حد نور خورشید می‌تواند موجب آسیب دیدن اشیاء قیمتی شود.
امروزه فناوري هاي مدرن توليد شيشه، تاثير شگرفي بر توسعه ساختمان سازي در سراسر جهان داشته است. فناوري شيشه هاي هوشمند در سالهاي اخير توسعه خيره كننده ای داشته است و طبق گزارش سالانه صنايع ايالت متحد آمريكا، تقاضا برای شيشه هاي هوشمند تا سال 2020 از مـــرز سه ميليـــون مترمربع در سال خواهـــد گذشت. توليد شيشــه هاي هوشمند بر پايه چهار تكنولوژي كريستال مايع ،الكتروكروميك ، ذرات معلق و مواد ترموكروميك استوار است. ارزش بازار جهانــــي شيشـــه هاي هوشمنـــــد در سال 2012 در حدود 80 ميليــــون دلار است كه در سال 2020 به 700 ميليون دلار خواهد رسيد.
انواع شیشه های هوشمند
شیشه های نانو و کریستال
یکی از روش های ساخت شیشه های هوشمند تكنولوژي كريستال مايع مي باشد. در اين نوع شيشه هوشمند، شيشـه نور مستقيم خورشيد را پراكنده نموده و تا 98 درصد اشعه ماورای بنفش و مادون قرمز را حذف مي نمايد. اين تكنـولوژي بر اساس پخش كنتــــرل شده نور از طريق نيروي الكتريــكي عمل مي نمايد. تکنولوژی تولید شیشــه های هوشمنـد همچون تکنولوژی تولید تلویزیون های LED و مانیتـور های کامپیوتر های شخصــــی بوده و این شیشه های هوشمنــــد متشكل از كريستال مايع احاطه شده توسط يك زمينه پليمري، ساندويچ شده بين دو عدد لایه هادي مي باشـــــد. هنگامس كه نيروی الكتريكي وجود ندارد مولكولهای كريستال مايع دارای وضعيت تصادفی و رندوم مي باشند كه بدليل پراكندگی نور شيشه حالت مات دارد و بابرقراری جريان الكتريكی دمولكول ها هم جهت شده و شيشه شفاف می گردد.
شیشه های آفتابگیر
مفهوم شیشه‌های ضد آفتاب در ساختمان به این معناست که این شیشه‌ها می‌توانند از جذب گرمای نامطلوب ناشی از تشعشع پرتوهای نور خورشید پیشگیری کنند. بیشتر شیشه‌ای که در ساختمان استفاده میشود، در جبهه بیرونی ساختمان قرار می‌گیرد و از این رو، کنترل نور و حرارت وارد شده به بنا از این راه انجام شده و شیشه‌ها نقش بسیار مهم و پر رنگی در پایدار بودن (زیست محیطی) ساختمان ایفا خواهند کرد. تحقیقات انجام شده در راستای بهبود کیفی شیشه‌ها، با بهره‌گیری از فناوری نانو، مشتمل بر چهار تصمیم کاربری است. نخست، پوشش‌هایی به شکل فیلم‌های بسیار نازک که به طیف خاصی از امواج حساسند، چنین پوشش‌هایی، این پتانسیل را برای شیشه فراهم می‌اورند تا بسامدهای ناخواسته فروسرخ (که سبب گرم شدن فضا میشوند) را فیلتر کرده و از ورود آنها به داخل ساختمان پیشگیری کنند. اگر چه این رویکرد سبب میشود ساختمان، انرژی گرمایی کمتری از نور خورشید دریافت کند، اما این نگرش، نوعی نگرش منفعلانه قلمداد میشود. به عنوان یک راهکار فعال، روش دوم مبتنی بر فناوری گرمافامی (ترموکرومیک) است که به وسیله آن، شیشه به گرما واکنش نشان داده و نوعی سازوکار عایق‌بندی حرارتی را بر سر راه نور خورشید میسر می‌کند، در حالی که ساختمان از کسب نور کافی محروم نخواهد شد. در حالت کلی، این سازوکار، مبتنی بر کسب نور کافی بدون کسب انرژی گرمایی است. راهکار سوم، به نتیجه مشابهی اما با روش متفاوتی دست می‌یابد، در این روش که موسوم به فوتوکرومیک است، شیشه با افزایش جذب خود به تغییرات شدت نور واکنش نشان میدهد. روش آخر، استفاده از پوشش‌های برق‌فام الکتروکرومیک است که در آن، شیشه به وسیله یک لایه از تری اکسید تنگستن یا اکسید نیکل، به تغییر ولتاژ ایجاد شده واکنش نشان میدهد. در این روش به محض لمس یک دکمه بر تیرگی شیشه افزوده خواهد شد.
ظهور فناوری نانو، زمینه ساز استفاده از نوعی شیشه برق‌فام نوین در ساختمان شد. اولین و مهمترین وجه تمایز میان فراورده‌های جدید و نمونه‌های قدیمی تر، در این است که در فراورده‌های جدید، تنها فشار دادن یک دکمه برای ایجاد تغییر در میزان انتقال نور از شیشه و تغییر از وضعیتی به وضعیت دیگر کافی است و مانند نمونه‌های قدیمی، نیازی به برقراری دایم جریان الکتریکی (تا هنگامی که بخواهیم شیشه تیره بماند) نیست. به این معنا با فشار دادن یک کلید شیشه از حالت شفاف خارج شده و با فشار دکمه دیگر به وضعیت قبلی بازمیگردد. از دیگر وجوه برتری نانو شیشه‌های آفتابگیر امکان برقراری سطوح مختلفی از انتقال پرتوها به وسیله میزان متفاوتی از تیرگی است.
مفهوم شیشه‌های ضد آفتاب در ساختمان به این معناست که این شیشه‌ها می‌توانند از جذب گرمای نامطلوب ناشی از تشعشع پرتوهای نور خورشید پیشگیری کنند. بیشتر شیشه‌ای که در ساختمان استفاده میشود، در جبهه بیرونی ساختمان قرار می‌گیرد و از این رو، کنترل نور و حرارت وارد شده به بنا از این راه انجام شده و شیشه‌ها نقش بسیار مهم و پر رنگی در پایدار بودن (زیست محیطی) ساختمان ایفا خواهند کرد. تحقیقات انجام شده در راستای بهبود کیفی شیشه‌ها، با بهره گیری از فناوری نانو، مشتمل بر چهار تصمیم کاربری است.
نخست، پوشش‌هایی به شکل فیلم‌های بسیار نازک که به طیف خاصی از امواج حساسند. چنین پوشش‌هایی، این پتانسیل را برای شیشه فراهم می‌اورند تا بسامدهای ناخواسته فروسرخ (که سبب گرم شدن فضا میشوند) را فیلتر کرده و از ورود آنها به داخل ساختمان پیشگیری کنند. اگر چه این رویکرد سبب میشود ساختمان، انرژی گرمایی کمتری از نور خورشید دریافت کند، اما این نگرش، نوعی نگرش منفعلانه قلمداد میشود. به عنوان یک راهکار فعال، روش دوم مبتنی بر فناوری گرمافامی (ترموکرومیک) است که به وسیله آن، شیشه به گرما واکنش نشان داده و نوعی سازوکار عایق‌بندی حرارتی را بر سر راه نور خورشید میسر می‌کند، در حالی که ساختمان از کسب نور کافی محروم نخواهد شد. در حالت کلی، این سازوکار، مبتنی بر کسب نور کافی بدون کسب انرژی گرمایی است. راهکار سوم، به نتیجه مشابهی اما با روش متفاوتی دست می‌یابد.
در این روش که موسوم به فوتوکرومیک است، شیشه با افزایش جذب خود به تغییرات شدت نور واکنش نشان میدهد. روش آخر، استفاده از پوشش‌های برق‌فام (الکتروکرومیک) است که در آن، شیشه به وسیله یک لایه از تری اکسید تنگستن یا اکسید نیکل، به تغییر ولتاژ ایجاد شده واکنش نشان میدهد. در این روش به محض لمس یک دکمه بر تیرگی شیشه افزوده خواهد شد.
پنجره‌های آرایه‌های نانوسیمی پلی‌آنیلین
اخیرا دانشمندان، موفق به ساخت پنجره‌هایی شدند که در آن از ابرخازن‌ها استفاده شده بود. این ابرخازن‌ها درون پنجره‌های الکترونیکی قرار داده شده‌اند؛ پنجره‌هایی که قادر به تغییر رنگ هستند.زمانی که تابش نور خورشید شدید است، این پنجره‌ها نور را جذب کرده و در خود ذخیره می‌کنند، زمانی که ظرفیت این پنجره‌ها تکمیل شد، شیشه‌ها تاریک شده و عبور نور را محدود می‌کند. با این کار مقدار نور ورودی به خانه و دمای آن تحت کنترل در می‌آید و از سوی دیگر انرژی ذخیره شده در آن را میتوان برای استفاده در ادوات الکترونیکی دیگر نظیر نمایشگرهای تلویزیونی به کار گرفت. با مصرف انرژی ذخیره شده در پنجره هوشمند توسط دیگر ادوات، خازن‌ها تخلیه شده و دوباره با جذب نور خورشید شارژ میشوند. این پنجره‌های هوشمند از آرایه‌های نانوسیمی پلی‌آنیلین ساخته میشوند که روی یک فیلم شفاف رسوب داده شده‌اند؛ فیلم‌های شفاف، خود توسط لایه‌های رسانا پوشانده شده‌اند. این نانوسیم‌ها به وسیله یک ژل الکترولیتی پوشانده میشوند تا به عنوان الکترود مورد استفاده قرار گیرند. دو الکترود به صورت ساندویچی دور هم پیچیده میشوند تا یک ساختار جدید ایجاد شود. پلی‌آنیلین دارای ظرفیت بالایی است، و هزینه تولید آن اندک است، از دیگر مزایای این ماده شفاف بودن و انعطاف‌پذیر بودن آن است. پارامتر انعطاف پذیر بودن بسیار مهم است، زیرا به راحتی میتوان آن را به صورت رول درآورد و در ادواتی با اشکال مختلف استفاده کرد، برای مثال میتوان پرده‌هایی هوشمند تولید کرد. محققین در این زمینه بر این باورند که اگر این فناوری بتواند با هزینه کم به بازار عرضه شود، میتوان از آن در حوزه‌های مختلف از خودروسازی گرفته تا ساختمان استفاده کرد.
شیشه های خورشیدی
نور خورشید مدت زیادی است که به عنوان منبع تولید الکتریسیته و جایگزینی برای سوخت های فسیلی مورد توجه بوده است. اما اخیرا محصولات خورشیدی علاوه بر جذب انرژی خورشیدی، دارای کاربرد تزئینی نیز شده اند. شیشه های رنگی تشکیل شده از سلول خورشیدی، در مصارف خانگی و صنعتی کاربرد پیدا کرده است که نه تنها تولید کننده انرژی هستند، بلکه در رنگ های مختلف، کاربردهای تزیینی نیز در نمای ساختمان دارد. این محصول، پانل هایی چند لایه ی کدر تا نیمه شفاف، که به رنگ های نقره ای، برنزی، طلایی، تا رنگ های اصلی، قرمز، سبز، و سرخابی می باشد را شامل می شود که از پلی کریستال ها تشکیل شده اند. تفاوت رنگی آنان به دلیل تفاوت ضخامت در پوشش ضدانعکاس آنها می باشد. به عنوان مثال در شیشه های تولید شده با این تکنولوژی، رنگ آبی دارای ضخیم ترین پوشش ضدانعکاس است. که مصرف انرژی آن بسیار کم است. نقره ای هم دارای نازک ترین پوشش است. که از نظر مصرف انرژی بهینه نیست. این نوع می تواند در مواردی که نیاز به گرفتن کمتری از انرژی خورشید می باشد به کار رود.
شیشه‌های الکتروکروماتیک
شیشه‌های الکتروکروماتیک دسته‌ای از شیشه‌ها هوشمند از الکتروکروماتیک‌ها بهره می‌برند. الکتروکروماتیک‌ها موادی هستند که رنگ آنها در اثر جریان الکتریکی تغییر می‌کنند. جریان الکتریسته با ایجاد واکنش شیمیایی سبب تغییرات خصوصیات مواد میشود و کاری می‌کند تا آنها نور را جذب یا منعکس کنند. امروزه از صنعت الکترونیک در ساخت این نوع از شیشه‌های پنجره استفاده میشود. نور خورشید به شیشه‌ها می‌تابد، اما از طرفی جریان الکتریکی برقرار شده، سبب میشود تا یون‌ها از لایه ذخیره یونی به سمت لایه هدایت یونی حرکت کرده و به لایه الکتروکروماتیکی رجعت کنند و شیشه را شفاف نمایند. با قطع الکتریسته فرایند برعکس عمل کرده شیشه مجدداً تیره میشود. یکی از ویژگی مواد الکتروکروماتیکی قابلیت تنظیم آنهاست به طوری که میتوان شدت کدری آنها را با تغییر مقدار جریان تنظیم کرد. رزپاتوق به نقل از خبرگزاری ایرنا: محققان استرالیایی روشی برای تعبیه نانو ذرات ساطع کننده نور در شیشه ابداع کرده اند که بدون اثرگذاری بر خواص منحصر به فرد شیشه، به آن خاصیت هوشمند شدن می دهد.
