در این بخش قصد داریم تا به بررسی عملکرد حرارتی انواع اسپیسر و تاثیر آنها بر روی عملکرد حرارتی کل دستگاه پنجره بپردازیم . قبل از این کار ابتدا چند مفهوم کاربردی در این زمینه را بررسی می کنیم و سپس به بررسی نتایج چند تحقیق که در این مورد انجام شده است می پردازیم. در ادامه با تیم آپ گرین گرید همراه باشید.

مقدمه

علاوه بر موارد و استراتژی‌هایی که در بخش‌"عملکرد حرارتی پروفیل های پنجره" ذکر گردید، یکی دیگر از راه‌های افزایش عملکرد حرارتی پروفیل پنجره استفاده از اسپیسرهایی با ضریب هدایت حرارتی موثر پایین می‌باشد (معادل سازی هندسه‌ی اسپیسر با یک جسم صلب با همان مقدار انتقال حرارت) [3] [4]. به رغم اینکه اسپیسر جزء لاینفک دستگاه شیشه بوده، در اکثر استانداردهای مربوط به نحوه‌ی محاسبه ضریب انتقال حرارت کل دستگاه پنجره، پارامترهایی که مستقیماً وابسته به آن هستند مشاهده می‌شود [5]. میزان این ضریب هدایت حرارتی موثر بسته به اندازه و نوع هوابندهای بکار رفته در اسپیسر می‌تواند متفاوت باشد. به طور مثال اسپیسرهایی که دارای مصالح آلومینیومی هستند ضریب هدایت حرارتی بین 2 تا 10 وات بر متر کلوین را دارند؛ در حالی که برای اسپیسر هایی که در آنها از فولاد ضد زنگ استفاده شده است  این مقدار تقریباً برابر است با 0.3 تا 1 وات بر متر کلوین می‌باشد. همچنین این مقدار برای اسپیسرهایی که دارای عملکرد حرارتی بسیار خوبی هستند و تحت عنوان اسپیسرهای عایق شناخته می‌شوند معادل 0.2 تا 0.3 وات بر متر کلوین می‌باشد. [3]

 اهمیت عملکرد حرارتی اسپیر را می‌توان هم در بهبود عملکرد حرارتی فریم، کل دستگاه پنجره و ناحیه‌ای که تحت عنوان "ناحیه‌ی لبه‌ی شیشه[1]" (ناحیه‌ای که تحقیقات اولیه حدود آن را ۶۳.5 میلی متر، یعنی معادل ۲.۵ اینچ تخمین زده است [6]؛ ولی در تحقیقات جدیدتر نشان داده شده است که این ناحیه برابر با 102 میلی متر، یعنی معادل 4 اینچ، می‌باشد [7].لازم به ذکر است که دمای شیشه بعد از این بعد همدما با دمای مرکز شیشه می‌باشد.) نامیده می‌شود، دانست و هم در جلوگیری از وقوع میعان و پدیده‌ای که تحت عنوان "مه گرفتگی شیمیایی[2]" (این پدیده زمانی رخ می‌دهد که رطوبت از آب بندی اطراف اسپیسر به فاصله‌ی بین دو شیشه نفوذ کند و موجب ایجاد هاله‌ای بر روی شیشه شود و از میزان شفافیت شیشه بکاهد.) نامیده می‌شود، عنوان کرد [8]. لازم به ذکر است که فناوری‌ای که موجب بهبود عملکرد حرارتی اسپیسر و در نتیجه ناحیه لبه‌ی شیشه با دمای بالاتر شود، "فناوری لبه‌ی گرم[3]" گفته می شود[4]. 

انواع اسپیسر

دسته بندی کلی انواع اسپیسر از منظر جنس آنها در جدول زیر به همراه شکل کلی آنها آورده شده است. در این دسته بندی اسپیسرهای به دو دسته‌ی کلی فلزی و غیر فلزی تقسیم می‌شوند. اسپیسرهای فلزی به سه زیر دسته‌ی آلومینیومی، فولاد گالوانیزه و فولاد ضد زنگ تقسیم می‌شوند. علاوه بر این سه دسته، گروه دیگری نیز در دسته‌ی اسپیسرهای فلزی وجود دارند که تحت عنوان اسپیسرهای فلزی بهبود یافته از نظر حرارتی شناخته می‌شوند و شامل اسپیسرهای U شکل، اسپیسرهای هیبریدی و اسپیسرهای آلومینیومی گرما شکن می‌شوند. اسپیسرهای هیبریدی شامل پروفیلی از اسپیسری از جنس فولاد ضد زنگ می‌شوند که قسمت بالایی آن متشکل از پلاستیک‌هایی با خاصیت عایق بالا می‌باشد که پل حرارتی را در لبه‌ی بالایی اسپیسر از بین می‌برند. اسپیسرهای آلومینیومی گرما شکن از نوعی مانع حرارتی در وسط اسپیسر بهره می‌برند که موجب ایجاد پدیده‌ی لبه‌ی گرم می‌شود [4]. 

جایگزین کردن اسپیسرهای فلزی با اسپیسرهای غیر فلزی که ضریب هدایت حرارت کمی دارند، به شدت هدر رفت حرارت از ناحیه‌ی لبه‌ی شیشه را کاهش می‌دهد. اسپیسرهای غیر فلزی با اینکه عمدتاً متشکل از اجزای غیرفلزی هستند، اما برای حصول اطمینان از عدم نفوذ بخار آب و نشت گاز، دارای یک فویل فلزی هستند. در نهایت در مورد اسپیسرهای غیرفلزی می‌توان گفت که خود به سه زیر دسته تقسیم می‌شوند که شامل: اسپیسرهای کامپوزیتی، اسپیسرهای فومی (فوم سازه‌ای) و اسپیسرهای ترموپلاستیکی می‌شوند. اسپیسرهای کامپوزیتی شامل اجزای مختلفی مانند پلاستیک‌های کامپوزیتی با خاصیت عایق بالا، پوشش مانع رطوبت، پوشش رطوبت گیر و لایه‌ی سخت کننده می‌باشند. از فوم های سازه‌ای مانند فوم سیلیکون و یا ای پی دی ام[4] نیز می‌توان برای شاخه‌های اسپیسر استفاده کرد. فوم ها به نحوی خشکانده[5] شده‌اند تا خطر وقوع میعان را کاهش دهند و به همین منظور نیز از یک پوشش چند لایه‌ی رطوبت بند نیز بهره گرفته می‌شود. اسپیسرهای ترموپلاستیک از مواد پلی ایزو بوتیلن[6] ساخته شدند که با مواد رطوبت گیر ترکیب شده اند [4] . 

نتایج

همچنین مهم‌ترین نکاتی که [9] با انجام شبیه سازی های مربوط به عملکرد حرارتی آنها در نرم افزار THERM به آن دست یافته است به شرح زیر می‌باشد:

• اسپیسرهایی که جنس آلومینیوم و فولاد گالوانیزه هستند، عملکرد حرارتی بدتری نسبت به اسپیسرهایی که از جنس فولاد ضدزنگ و غیر فلزی هستند، دارند.
• عملکرد حرارتی اسپیسرهایی که تنها دارای یک لایه‌ی آب بندی هستند نسبت به آنهایی که دارای دو لایه‌ی آب بندی هستند، ضعیف تر است.
• در صورتی که ضریب هدایت حرارتی موثر بیشتر از ۲ وات بر متر کلوین باشد، ضریب انتقال حرارت کل دستگاه پنجره را چندان تحت تاثیر قرار نمی‌دهد (اسپیسرهایی از جنس آلومینیوم و فولاد گالوانیزه). در حالی که اسپیسر های غیرفلزی و اسپیسرهایی که از جنس فولاد ضد زنگ هستند به دلیل اینکه ضریب هدایت حرارتی موثر کمتر از 2 وات بر متر کلوین دارند، در صورتی که یکی از پارامترهای مربوط به آنها تغییر کند، ضریب انتقال حرارت کل دستگاه پنجره را تحت تاثیر قرار می دهند. ضمنا ارتباط بین ضریب هدایت حرارتی موثر و مقدار ضریب انتقال حرارت کل دستگاه پنجره به صورت لگاریتمی می باشد.
• انتخاب نوع مصالح آب بند و همچنین ارتفاع اسپیسر، ضریب هدایت حرارتی موثر اسپیسرهایی که این مقدار برای آنها کمتر از 2 وات بر کلوین متر کلوین هستند، تاثیر بسزایی دارد و مقدار عملکرد حرارتی کل دستگاه پنجره را می توانند دستخوش تغییر قرار دهند.
•  در مورد اسپیسرهای آلومینیومی و گالوانیزه، ضخامت دیواره ی آنها تاثیری در عملکرد حرارتی کل ندارد؛ ولی در مورد اسپیسرهایی از جنس فولاد ضد زنگ این پارامتر در عملکرد حرارتی کل دستگاه پنجره تاثیرگذار است.

همچنین در تحقیقاتی که [4] بر روی اسپیسرهای موجود در بازار انجام داد به نتایج مهمی رسید که به شرح زیر می‌باشند:

• عملکرد حرارتی زمانی که اسپیسرهای سنتی فلزی با اسپیسرهای فلزی بهبود یافته و غیرفلزی جایگزین شوند، بهبود می یابد.
• در دسته بندی اسپیسرهای فلزی، اسپیسرهای هیبرید نسبتاً بهتر عمل می‌کنند. اسپیسرهای گرما شکن آلومینیومی، گزینه‌ی جایگزین مناسبی برای اسپیسرهای آلومینیومی سنتی به نظر می‌رسند.
• عملکرد حرارتی اسپیسرهای غیر فلزی نسبت به اسپیسرهای فلزی برتری دارد.
• اسپیسرهایی که از جنس فوم هستند، عملکرد حرارتی بهتری نسبت به اسپیسرهای ترموپلاستیک دارند.

1.            Lechowska, A.A., J.A. Schnotale, and G. Baldinelli, Window frame thermal transmittance improvements without frame geometry variations: An experimentally validated CFD analysis. Energy and Buildings, 2017. 145: p. 188-199.

2.            Van Den Bossche, N., L. Buffel, and A. Janssens, Thermal Optimization of Window Frames. Energy Procedia, 2015. 78: p. 2500-2505.

3.            Gustavsen, A., et al., Key elements of and material performance targets for highly insulating window frames. Energy and Buildings, 2011. 43(10): p. 2583-2594.

4.            Van Den Bergh, S., et al., Window spacers and edge seals in insulating glass units: A state-of-the-art review and future perspectives. Energy and Buildings, 2013. 58: p. 263-280.

5.            Standardization, I.O.f., Thermal performance of windows, doors and shutters — Calculation of thermal transmittance 2006, ISO: Geneva. p. 40.

6.            Peterson, C., How is low-E performance criteria determined. Glass Digest, 1987. 1: p. 70-76.

7.            Curcija, D. and W.P. Goss, Two-dimensional finite-element model of heat transfer in complete fenestration systems. 1994, American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers.

8.            Spetz, J. Design, Fabrication, and Performance Considerations for Insulating Glass Edge Seals. 1992.

9.            Baker, J., Spacer Thermal Performance Study. WESTLab Canada, National Fenestration Rating Council (NFRC) Accredited Simulation Laboratory, 2005.