باشگاه در و پنجره و نما: اندازه‌گیری میزان نفوذ هوا از درزهای درب‌ها و پنجره‌های خارجی ساختمان‌ها و کنترل میزان هوابندی آن‌ها از چند نظر حائز اهمیت است. اولاً امکان اعمال استانداردهایی که برای صرفه‌جویی انرژی مهم می‌باشند را فراهم می‌آورد. ثانیاً با عنایت به کلاس داده شده به این اجزا برای مهندس محاسب تأسیسات دفتر جهت طراحی سیستم‌های گرمایشی و سرمایشی را بوجود می‌آورد. ثالثاً به خریدار امکان انتخاب درب یا پنجره مناسب را با توجه به نوع و محل استفاده جهت صرفه‌جویی در مصرف انرژی و هزینه‌های مربوطه می‌دهند. در این مقاله و بر مبنای اطلاعات موجود و محاسبات انجام شده، اهمیت درزبندی درب‌ها و پنجره‌های ساختمانی در موضوع صرفه‌جویی مصرف انرژی نشان داده شده است. سپس در مورد تجهیزات انجام آزمایش هوابندی درب‌ها و پنجره‌های ساختمانی و نحوه انجام آزمایش باتوجه به استانداردهای مختلف بحث شده است. در انتها خلاصه‌ای از اقدامات انجام گرفته در مرکز تحقیقات مسکن و ساختمان برای تجهیز آزمایشگاه مربوطه در پروژه‌ای با کارفرمایی سازمان بهینه‌سازی مصرف سوخت کشور ارائه شده است.

مقدمه

هوای بیرون که به داخل ساختمان منتقل می‌شود چه بصورت خواسته باشد (از طریق دستگاه‌های تهویه مطبوع جهت تعویض هوا ) و یا بصورت ناخواسته (از طریق نفوذ از میان شکاف پنجره‌ها و درب‌ها)، از دو جهت مهم است. اولاً هوای بیرون برای کاهش آلودگی‌های تولید شده در داخل ساختمان لازم است و ثانیاً انرژی لازم برای سرد یا گرم کردن این مقدار هوای بیرون، بخش قابل ملاحظه‌ای از بار دستگاه‌های سرمایشی و یا گرمایشی را تشکیل می‌دهد. لذا کنترل مقدار نفوذ هوا برای بهینه‌سازی مصرف انرژی لازم است. همچنین اطلاع از میزان نشت هوا برای تعیین ظرفیت دستگاه‌ها در ماکزیمم ظرفیت گرمایی یا سرمایی لازم می‌باشد.

معمولاً هوای لازم برای تهویه مطبوع و مناسب برای ساختمان‌هایی که از سیستم تهویه استفاده نمی‌کنند بصورت آزاد از میان پنجره‌ها و درب‌های باز وارد ساختمان می‌شود. در ساختمان‌هایی که از سیستم تهویه مطبوع استفاده می‌کنند هوای تازه بصورت کنترل شده توسط فن یا بلاور از طریق مجراهای پیش بینی شده وارد ساختمان می‌شود و فرض بر اینست که حداقل هوای تازه برای مقابله با آلودگی‌ها و بوی نامناسب و رطوبت ناشی از بازدم ساکنین تامین می‌شود.

مطالعات انجام شده بر روی ساختمان‌های مختلف در کانادا نشان داده‌اند که نشت ناخواسته هوای بیرون به داخل از طریق شکاف پنجره‌ها در یک ساختمان اداری با پنجره‌هایی که حداقل یک سوم سطح دیوارهای خارجی را شامل می‌شوند و هوابندی مناسبی ندارند در شرایطی که باد با سرعت Km/hr 40 می‌وزد حدود ۴۵% از جذب گرما در تابستان و ۶۰% از افت گرما در زمستان را در شرایط طراحی موجب می‌شود. این واقعیت بیانگر تاثیر میزان هوابندی بر مصرف انرژی و هزینه‌های ناشی از آن در ساختمان‌هایی است که از سیستم تهویه استفاده می‌کنند. کنترل میزان نشت برای ساختمان‌هایی که از سیستم تهویه مطبوع استفاده می‌کنند بسیار اهمیت دارد.

با توجه به مطالب گفته شده یکی از پارامترهای مهم در انتخاب درب‌ها و پنجره‌ها، میزان نفوذ پذیری هوا در آن‌ها می‌باشد. همچنین لازم است که درب‌ها و پنجره‌های ساخته شده قبل از نصب مورد آزمایش قرار گیرند و میزان هوابندی آن‌ها اندازه‌گیری شود. باتوجه به میزان عبور هوا از آن‌ها، هنگامی که اختلاف فشار معینی مورد نظر است، باید کلاس مورد نظر به آن‌ها داده شود تا هم خریدار به راحتی بتواند درب و یا پنجره مورد نظر خود را با توجه به میزان عبور هوا از آن‌ها انتخاب کند و هم مهندس محاسب تاسیسات بتواند بار حرارتی ناشی از نفوذ هوا را در نظر بگیرد.

اهمیت انجام آزمایش هوابندی درب‌ها و پنجره‌های ساختمانی

همانطور که در قسمت قبل گفته شد نفوذ هوا از درزهای درب‌ها و پنجره‌ها بصورت کنترل نشده و در نتیجه ناخواسته است. این نفوذ هوا بخاطر اختلاف فشار ناشی از باد یا تفاوت دمای هوای بیرون و داخل صورت می‌گیرد.

فشار استاتیک بر روی سطوح خارجی یک ساختمان از جمله بر روی سطح خارجی پنجره‌ها و درب‌ها به فشار دینامیکی جریان هوای یکنواخت باد بستگی دارد. فشار باد یا فشار دینامیکی طبق رابطه برنولی بصورت زیر بیان می‌شود:

 Pu = Cp ρ v2 / 2

Pu = فشار دینامیکی (pa)

Cp = ضریب فشار سطح

P = چگالی (Kg / m3)

V = سرعت باد (m/sec)

ضریب Cpp به زاویه برخورد باد به ساختمان و ارتفاع ساختمان بستگی دارد. این ضریب برای حالتی که باد بصورت عمود به ساختمان برخورد نماید و ارتفاع آن کمتر از ۱۰ متر باشد در بخش قابل توجهی از سطح حدود یک است. بسته به زاویه برخورد باد این ضریب منفی نیز می‌تواند باشد، بعنوان مثال در سمت پشتی ساختمان این ضریب منفی است.

اختلاف فشار هوای سطح هوا بیرونی و داخل یک ساختمان عبارتست از :

ΔP = p ° + Cp ρ v 2 /2 –p i

 p = فشار استاتیک جریان آزاد و یکنواخت باد دور از ساختمان

p i = ‌ فشار داخل ساختمان

نفوذ هوا به داخل ساختمان یا از داخل به بیرون را می‌توان از طریق کاهش اختلاف فشار بین دو سطح بیرونی و داخلی و یا بهبود هوابندی اجزا ساختمان از جمله درب‌ها و پنجره‌ها کاهش داد.

آزمایشات انجام شده بر روی ساختمان‌های مختلف در ایالت‌های آمریکا نشان داده‌اند که در ۷۵% از ساختمان‌ها مقدار نفوذ ناخواسته هوا به داخل ساختمان‌ها معادل ۲/۱ تا ۱ دفعه تعویض هوای ساختمان در یک ساعت است و در ۲۵% بقیه ساختمان‌ها این مقدار تا ۲ دفعه تعویض هوا نیز افزایش می‌یابد.

 بار سرمایی و یا گرمایی ناشی از این تعویض هوا توسط رابطه زیر بیان می‌شود:

 q s = Q ρ C p ΔT

q s = گرمای قابل حس (Kw)

Q = نرخ نفوذ هوا (m3 / sec)

ρ = چگالی هوا (Kg/m3)

 C p= گرمای ویژه هوا ( ۱Kj/Kg-K)

 ΔT = اختلاف دمای هوای بیرون و داخل

این رابطه فقط بار گرمایی بخش محسوس را بیان می‌دارد و در صورتی که هوای بیرون و داخل از نظر میزان محتویات رطوبتی متفاوت باشند، مقدار بار گرمایی یا سرمایی بیشتر نیز خواهد شد، علاوه بر اینکه میزان نشت هوا به داخل ساختمان‌ها به شرایط آب و هوایی نیز وابسته می‌باشد.

باتوجه به رابطه (q s = Q ρ C p ΔT) برای یک ساختمان با زیر بنای ۱۰۰ مترمربع ( حجم داخلی حدود ۳۰۰۰ متر مکعب ) با پنجره و درب‌هایی که از آب‌بندی مناسبی برخوردار نباشند در شرایطی که اختلاف دمای هوای بیرون و داخل ۲۰ درجه سانتی‌گراد باشد و در صورتیکه نشت هوا معادل یک بار تعویض هوا در ساعت فرض شود بار حرارتی اضافی حدود ۲.۵ کیلو وات خواهد بود که مقدار قابل توجهی است که و تاثیر زیادی بر روی مصرف انرژی و هزینه‌های ناشی از آن دارد.

علاوه بر صرفه‌جویی در مصرف انرژی برخی از اصول و دلایل دیگر کنترل نشت هوا به داخل ساختمان‌ها عبارتند از:

۱- جلوگیری از نفوذ رطوبت هوای خارج ساختمان به داخل

۲- جلوگیری از نفوذ آلودگی‌ها و حشرات

۳- ایمنی بهتر در برابر آتش سوزی

۴۴- افزایش راحتی ساکنین از طریق جلوگیری از سرمایش و یا گرمایش مستقیم آن‌ها و وسایل دیگر توسط هوای بیرون

آزمایش هوابندی بر روی درب‌ها و پنجره‌های ساختمانی

با توجه به محاسبات انجام گرفته در قسمت قبل لزوم انجام آزمایش هوابندی بر روی درب‌ها و پنجره‌های ساختمانی که بطور تجاری و بصورت پیش ساخته عرضه می‌شوند مشخص می‌باشد. هدف از انجام این آزمایش بررسی میزان عبور هوا از درزهای قسمت‌های بازشو از این اجزا، هنگامی که تحت اختلاف فشار معینی قرار دارند، می‌باشد. این آزمایش علاوه بر کنترل میزان هوابندی درب و پنجره‌های ساختمانی و ایجاد امکان اعمال مقررات به خریدار امکان انتخاب پنجره مناسب با توجه به نوع و محل استفاده و به مهندس محاسب تاسیسات دقیق‌تر را می‌دهد.

تجهیزات مورد نیاز جهت انجام آزمایش

آزمایش عبارت از نصب و آب‌بندی نمونه آزمایش بر روی محفظه آزمایش و ارسال هوا به این محفظه در نرخی که اختلاف فشار دو طرف نمونه حفظ شود و اندازه‌گیری نرخ جریان هوا می‌باشد. اندازه‌گیری جریان هوای عبوری از درزهای قسمت‌های بازشو درب و پنجره‌ها از اهداف آزمایش می‌باشد و نشت از محل نصب آن‌ها مورد نظر نمی‌باشد. استانداردهای مختلف خارجی استفاده از تجهیزات زیر را جهت انجام آزمایش هوابندی توصیه می‌شود.

 – سیستم ارسال هوا : یک دمنده یا فن یا دمنده‌ای با قابلیت چرخش عکس با دور قابل تنظیم جهت تامین اختلاف فشار معین در دو طرف نمونه آزمایش مورد نیاز است. این سیستم باید قابلیت تامین و ارسال دبی ثابت هوا در یک اختلاف فشار معین و در یک فاصله زمانی که جهت خواندن دبی هوا مورد نیاز است را از طریق کانال‌های هوا به محفظه آزمایش داشته باشد.

 – محفظه آزمایش : هوای ارسالی از سیستم ارسال هوا به محفظه آزمایش موجب ایجاد فشار بیشتر این محفظه نسبت به فضای آزمایشگاه می‌شود. یک دریچه در یک طرف این محفظه درزبندی شده برای اعمال فشار به یک سمت از نمونه قرار دارد. محفظه آزمایش باید تحمل اختلاف فشار مورد نیاز در طول انجام آزمایش را داشته باشد. آزمایش نشت هوا مطابق مقررات ساختمانی در برخی از کشورها از جمله آمریکا و مطابق بسیاری از استانداردها از جملهASTM E – ۲۸۳ باید برای شرایط باد با سرعت ۴۰ کیلومتر بر ساعت یعنی اختلاف فشار pa ۷۵ صورت گیرد. البته برای شرایط خاصی که درزبندی خیلی اهمیت داشته باشد حداکثر اختلاف فشار می‌تواند تا ۱Kpa  باشد. یک وسیله اندازه‌گیری فشار، اختلاف فشار موجود در دو طرف پنجره را باید اندازه‌گیری کند. این وسیله باید در جایی از محفظه نصب شود که تحت تاثیر هوای ارسالی به داخل محفظه قرار نگیرد. ضمنا ارسال هوا به داخل محفظه باید به گونه‌ای انجام گیرد که هوا با سرعت قابل ملاحظه‌ای به نمونه آزمایش برخورد ننماید.

–  دیواره آزمایش: دریچه متصل به محفظه آزمایش بر روی این دیواره قرار داشته و نصب نمونه آزمایش با فاصله از آن بر روی این دیواره صورت می‌پذیرد. طرف خارجی نمونه آزمایش در سمت فشار بالا قرار می‌گیرد تا امکان اندازه‌گیری میزان نشت از خارج به داخل (infiltration) از طریق نمونه ایجاد شود. دستگاه آزمایش باید مکانیزم‌های لازم جهت نصب و نگهداری نمونه آزمایش را دارا باشد.

–  وسیله اندازه‌گیری اختلاف فشار : وسیله‌ای جهت اندازه‌گیری اختلاف فشار در دو طرف نمونه آزمایش با دقت ۲% یا ۲.۵paa ( هرکدام که بزرگتر است) مورد نیاز است.

 – سیستم اندازه‌گیری دبی هوا: وسیله‌ای که در مسیر کانال هوا نصب می‌شود تا دبی ارسالی به محفظه آزمایش را اندازه‌گیری نماید. خطای اندازه‌گیری در موقعی که دبی برابر یا بیشتر از ۴- ۱۰* ۹.۴۴ مترمکعب بر ثانیه است از ۱۰% نباید بیشتر باشد.

 – وسیله اندازه گیری دما، فشار و رطوبت نسبی هوای آزمایشگاه: دما و فشار آزمایشگاه برای استاندارد نمودن نتایج مربوط به دبی‌های نشت اندازه‌گیری شده لازم هستند. ضمناً گزارش میزان رطوبت نسبی هوای آزمایشگاه ضرورت دارد.

روش انجام آزمایش

قبل از انجام آزمایش نمونه بر روی دیواره و روبروی دریچه متصل به محفظه آزمایش نصب می‌شود. در استانداردهای مختلف روش‌های انجام آزمایش اندکی با هم تفاوت دارند اما کلیات و اساس آن‌ها کاملاً شبیه هم است. روش‌های پیشنهاد شده همه زیر مجموعه‌ای از دو روش کلی به شرحی که ذکر می‌شود هستند.

در روش اول به یکباره نمونه آزمایش تحت اختلاف فشار ثابت و معینی که توسط درخواست کننده تعیین شده است قرار می‌گیرد. در این هنگام دبی کلی عبور هوا اندازه‌گیری می‌شود. این دبی برابر مجموع دبی عبوری از درزهای قسمت‌های بازشو نمونه آزمایش و دبی عبوری از روزنه‌های خود محفظه آزمایش و از محل نصب قاب‌های خارجی نمونه بر روی دیواره آزمایش می‌باشد. در مرحله بعد پس از پوشاندن کلیه درزهای قسمت‌های بازشو نمونه یا پوشاندن کل سطح نمونه ( بجز محل‌های نصب) مجدداً اختلاف فشار قبل برقرار می‌شود و دبی عبوری از محفظه آزمایش و محل‌های نصب اندازه‌گیری می‌شود. با کم کردن این دبی از دبی کل، دبی نشت از درز قسمت‌های بازشو نمونه آزمایش بدست می‌آید.

 در روش دوم نمونه آزمایش بصورت پله‌ای تحت اختلاف فشارهای مختلف از حداقل ۵۰pa  تا حداکثر تعیین شده توسط متقاضی قرار می‌گیرد. در مرحله اول دبی عبوری کل از نمونه آزمایش در هر پله از اختلاف فشار هنگام افزایش فشار و هنگام کاهش آن اندازه‌گیری می‌شود و بزرگ‌ترین مقدار در هر پله به عنوان دبی کل نشت منظور می‌شود. در مرحله بعد پس از پوشاندن کلیه درزهای قسمت‌های بازشو نمونه یا پوشاندن کل سطح نمونه ( بجز محل‌های نصب) مجدداً اختلاف فشارها بصورت پله‌ای برقرار می‌شود و مشابه مرحله قبل دبی عبوری از محفظه آزمایش و محل‌های نصب در هر اختلاف فشار اندازه‌گیری می‌شود. این دبی به نشت اضافی معروف است. در هر اختلاف فشار مشخص با کم کردن این دبی از دبی کل، دبی نشت از درز قسمتهای بازشو نمونه آزمایش بدست می‌آید.

 برابر توصیه استانداردهای مختلف لازم است قبل از گزارش نتایج آزمایش دبی‌های بدست آمده در مراحل آزمایش به دبی در شرایط استاندارد دما و فشار تبدیل شوند. دبی نشت می‌تواند بر واحد سطح کلی نمونه یا سطح قسمت‌های بازشو نمونه و یا واحد طول کل درزهای قسمت‌های بازشو نمونه آزمایش بیان شود. با مقایسه دبی نشت با دبی بیان شده در استاندارد در همان فشار خاص صحت عملکرد نمونه تایید می‌شود و یا میزان نشت از نمونه در اختلاف فشارهای مختلف گزارش می‌شود.

منابع
۱- Window air leakage,J.R.sesaki & A.G.Wilson,ccanadian building digest,CBD25.
۲- ASHRAE Handbook , fundamentals , vol 4,chapter 23,1990.
۳-  Reducing heat loss due to air leakage,Oregon residential energy code,no . 14,Oregon state government ,August 1996.
۴-  E 283-91 Standard test method for determining the rate of air leakage through exterior windows,curtain walls,and doors under specified pressure difference across the specimen.
۵- BS 5368 :Part1:1976 (EN42)methods of testing windows part 1.air permeability test.