بررسی عملکرد حرارتی آجر سفالی
بررسی عملکرد حرارتی آجر سفالی
در صورت استفاده از آجر سفالی برای ساخت دیوار ، دو رویکرد می‌تواند مطرح باشد.رویکرد اول بهره جستن از تیغه‌های سفالی متداول و تکمیل آن با یک‌لایه عایق حرارتی برای دستیابی به انتظارات تعیین‌شده در مبحث 19 مقررات ملی ساختمان است.رویکرد دوم استفاده از بلوک‌های نوینی است که بدون نیاز به عایق حرارتی ، انتظارات کاربردی درزمینهٔ صرفه‌جویی در مصرف انرژی را تأمین می‌کنند.این بلوک‌ها در اروپا ، در ساختمان‌های کوتاه مرتبه مورداستفاده فراوانی دارند.البته در برخی از بلوک‌های نوین نیز، عایق حرارتی به‌عنوان لایه انقطاع حرارتی در بین آجر سفالی کار گذاشته می‌شود.
همان‌گونه که در بخش‌های قبلی نیز مطرح شد ، در کشورهای صنعتی ، بخش اعظم بلوک‌های نوین با مشخصات برتر دارای حفره‌های عمودی هستند.درحالی‌که در ایران ، به‌طور عمده از بلوک‌هایی با حفره‌های افقی استفاده می‌شود.
برای این‌که عملکرد بلوک‌های مختلف ازنظر انتقال حرارت مشخص شود ، لازم است راه‌های مختلف انتقال حرارت و روش‌های کاهش هر یک موردبررسی قرار گیرد.به‌طورکلی ، کاهش انتقال حرارت از میان بلوک‌های سفالی از راه‌های زیر انجام می‌شود:
- بهبود مشخصات حرارتی مصالح مورداستفاده با کاهش ضریب هدایت حرارت تیغه سفالی
- بهبود هندسه بلوک و کاهش انتقال حرارت از راه‌های مختلف
در ادامه ، راه‌های مختلف انتقال حرارت تشریح و روش‌های کاهش هر یک ارائه می‌شود.
کاهش ضریب هدایت حرارت بدنه آجر سفالی
ضریب هدایت حرارتی آجر سفالی به میزان زیادی به ضریب هدایت حرارتی موادی که بدنه آجر را تشکیل می‌دهد بستگی دارد.با کاهش ضریب هدایت حرارتی بدنه بلوک می‌توان خواص عایق‌کاری دیوار آجر سفالی را بهبود بخشید.باید خاطرنشان ساخت ایجاد تخلخل بیشتر مؤثرترین روش برای کاهش ضریب هدایت حرارتی بدنه سرامیکی است.
بهبود هندسه بلوک آجر سفالی
طراحی هندسه الگوی سوراخ‌ها از عوامل مؤثر بر مشخصات حرارتی بلوک است.با توجه به این نکته که سه‌راه انتقال حرارت عبارت است از هدایت ، همرفت و تابش ، بهینه‌سازی بلوک‌های سفالی ازنظر انتقال حرارت می‌تواند با کاهش یکی از این سه عامل صورت گیرد.بدیهی است کاهش یک عامل نباید افزایش غیرقابل‌قبول عامل یا عوامل دیگر را به همراه داشته باشد.از طرف دیگر ، اقداماتی را می‌توان در نظر گرفت که به‌طور هم‌زمان روی چند عامل اثر مثبتی داشته باشد.
هدایت حرارت از بدنه آجر سفالی
در چند دهه اخیر ، به ای کاهش انتقال حرارت براثر هدایت ، الگوهای سوراخ بلوک‌های سفالی اصلاح‌شده است.مواردی که برای افزایش مقاومت حرارتی مدنظر قرارگرفته عبارت است از :
- افزایش مقاومت انتقال حرارت آجر با طولانی کردن راه پیموده شده توسط حرارت از سطح گرم به سطح سرد آجر از طریق بدنه آجر سفالی
- افزایش سطح کل سوراخ‌ها
- کاهش تعداد و ضخامت جدارهای عرضی بین سوراخ خا
- افزایش تعداد ردیف سوراخ‌ها (جهت افزایش دیوارهای حفاظ تابشی)
- استفاده از حفره‌های غیر مستطیلی (در بلوک با حفره قائم)
علاوه بر اقدامات فوق باهدف بهبود عملکرد حرارتی بلوک ، ضروری است در خصوص ملات مورداستفاده نیز اقدامات لازم جهت کاهش انتقال حرارت صورت گیرد:
- مشخصات حرارتی ملات در درز بستر حائز اهمیت است.درزهای بستر ملات خور متداول 5 درصد دیوار را تشکیل می دهند.با توجه به این نکته که ملات درز بستر،صفحه‌ای تشکیل می‌دهد که طرف گرم و سرد دیوار را مستقیماً باهم مرتبط می‌کند ، جریان حرارتی بیشتری در منطقه درز بستر (نسبت به منطقه بدون ملات) ایجاد می‌شود.با در نظر گرفتن یک درز بستر نازک ، که تنها حدود 5% درصد مساحت دیوار را دارا است ، می‌توان بخش اعظم انتقال حرارت این قسمت را حذف نمود، کاربرد ملات بستر نازک نسبت به درزهای بستر ملات خور ضخیم معمولی از جنبه مهندسی حرارت ترجیح داده می‌شود ، زیرا در این حالت از پیوستگی لایه ملات جلوگیری می‌شود.
از طرف دیگر ، پیشرفت‌هایی درزمینهٔ کاهش ضریب هدایت حرارتی ملات بنایی جایگزین به‌عمل‌آمده است.مطالعات موردی نشان می‌دهد کاهش انتقال حرارت دیوار با ملات بستر نازک به‌جای ملات بنایی سبک حدود 4 درصد است و بستگی به مشخصات حرارتی آجر یا بلوک مورداستفاده دارد.
افزایش طول مسیر انتقال حرارت در بدنه سفالی، روشن است طولانی‌تر شدن مسیر انتقال حرارت در بدنه سفالی باعث افزایش مقاومت حرارتی بلوک و درنتیجه دیوار می‌شود.مطالعات موردی انجام‌شده نشان می‌دهد تغییر هندسه حفره‌ها و جایگزین کردن مسیر مستقیم با مسیر زیگزاگ باعث کاهش انتقال حرارت ، به میزان 3 درصد ، می‌شود.
از طرف دیگر ، کاهش تعداد ردیف سوراخ در جهت عمود بر جریان حرارت نیز می‌تواند برای کاهش ضریب انتقال حرارت بلوک مؤثر باشد.مطالعات موردی نشان می‌دهد مقدار این کاهش حدود 4 درصد است.
- تغییر شکل حفره‌ها : مطالعات موردی انجام‌شده نشان داده است با تغییر شکل حفره‌ها ، از مستطیل به لوزی ، کاهش ضریب هدایتی حدود 1 تا 2 درصد را می‌توان انتظار داشت.حفره‌های با مقطع مثلثی کاهش انتقال حرارت بیشتری را به همراه دارند.درعین‌حال ، سوراخ‌های لوزی و مثلثی شکل عملکرد مکانیکی بلوک را بهبود می‌دهند و امکان کاهش ضخامت بدنه‌های سفالی بلوک را فراهم می‌سازند .بدیهی است تغییر شکل حفره‌ها بر انتقال حرارت براثر همرفت و تابش نیز تأثیر می‌گذارد.
- کاهش ضخامت جدار خارجی بلوک : با توجه به نقش تعیین‌کننده جدار خارجی در تأمین استحکام موردنیاز برای بلوک‌ها، بهینه‌سازی این بخش از سفال با پیچیدگی‌هایی همراه است ، و در عمل ، معمولانمی توان ضخامت آن را از حدودی که در استانداردها قیدشده است کمتر در نظر گرفت.مطالعات موردی انجام‌شده نشان داده است با کاهش ضخامت بدنه بلوک‌های با حفره‌های قائم ، از 10 به 8 میلی‌متر ، انتقال حرارت حدود 4 درصد کاهش می‌یابد.
همرفت
جریان هوا در حفره‌ها باعث افزایش انتقال حرارت می‌شود.هر چه سرعت جریان هوا بیشتر باشد ، انتقال حرارت از سطوح سرد افزایش می‌یابد.با در نظر گرفتن سوراخ‌های کوچک در جهت جریان حرارت ، همرفت در سوراخ‌ها کاهش می‌یابد.تحقیقات انجام‌شده نشان می‌دهد ضخامت بهینه لایه هوا به اختلاف دمای سطوح و دمای متوسط لایه هوا بستگی دارد ، و در حالت‌های مختلف بین 10 تا 18 میلی‌متر است.
با توجه به این نکته که در بلوک‌های با حفره‌های قائم ، حفره‌های لایه‌های قرارگرفته بر روی‌هم به سبب سیستم چسباننده کاملاً نسبت به هم درزبندی نمی‌شوند، در صورت زیاد بودن ضخامت حفره‌ها ، تشدید پدیده همرفت طبیعی در حفره‌ها معمولاً افزایش انتقال حرارت در دیوار را به دنبال دارد.
علاوه بر موارد فوق ، لازم است علاوه بر کاهش انتقال حرارت در داخل بلوک ، جریان هوا در فضاهای خالی بین بلوک‌ها نیز تا حد ممکن محدود شود.به همین منظور ، دندانه‌هایی در دو طرف بلوک که در مجاورت بلوک‌های مجاور هستند در نظر گرفته می‌شود ، یا این‌که از قطعاتی شانه‌ای شکل برای پر کردن فاصله‌های غیر مدو لار در دیوارها استفاده می‌شود .
از دیگر راه‌های کاهش انتقال حرارت از درزهای قائم بین بلوک‌های با حفره‌های عمودی ، افزایش طول بلوک‌ها است.نکته دیگری که حائز اهمیت است ، وجود پل‌های حرارتی قابل‌توجه در محل درزهای عمودی بین بلوک‌های با حفره افقی است.این امر ، در اکثر موارد ، به دلیل برش‌های نامناسب بلوک‌ها است که باعث می‌شود در زمان اجرا ، به‌هیچ‌وجه نتوان بلوک‌های با حفره افقی را به یکدیگر کیپ کرد.
تابش
با توجه به این نکته که میزان تابش به ضرایب گسیل و جذب سطوح تابنده و دریافت‌کننده ، و تفاضل توان چهارم دمای هر یک بستگی دارد ، اقداماتی که می‌توان برای کاهش میزان تابش در حفره‌های موجود در نظر گرفت به شرح زیر است :
- کاهش ضریب گسیل و جذب سطوح: در حال حاضر ، در این خصوص اقدامی صورت نمی‌گیرد ، ولی تحقیقات در این زمینه در حال انجام است ، و احتمال دارد در آینده تغییراتی در وضعیت سطوح اعمال شود.
- کاهش اختلاف دمای بین سطوح : در این راستا ، موثرترنی اقدام افزایش تعداد حفره‌ها در جهت جریان حرارت است .مطالعات موردی در این زمینه نشان داده است با افزایش تعداد ردیف حفره‌ها از 16 به 25 عدد ، کاهشی حدود 15 درصد ضریب انتقال حرارت بلوک است.
بلوک‌های نوین با مقاومت حرارتی زیاد
محققان آلمانی ، انگلیسی و فرانسوی در این صنعت پیشرو هستند، و به فن‌آوری‌های جدید متعددی برای تولید بلوک‌هایی با مقاومت حرارتی زیاد دست‌یافته‌اند.برای مثال ، گیرودی فرر، از سال 1965 روی پیشرفت سفال‌های رسی توخالی ارتفاع طبقه تحقیق کرده است.این شرکت در سال 1977 گواهی‌نامه فنی برای کاربرد چنین سفال‌هایی از مسئولین ساختمان فرانسه دریافت کرد.
در سال‌های بعد ، در کنار این نوع محصولات، تولید بلوک‌های سفالی برتر ازنظر انتقال حرارت گسترش چشمگیری پیدا کرد.در حال حاضر ، در اکثر کشورهای اروپایی ، بلوک‌های سفالی مخصوصی تولید می‌شود که جواب گوی تمامی انتظارات از بعد از انتقال حرارت و صرفه‌جویی در مصرف انرژی هستند.
لازم به توضیح است در ایران نیز اقداماتی در مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن برای طراحی الگوی مناسب هندسه بلوک و جانمایی سوراخ‌های آن صورت گرفته ، و با تعامل تولیدکنندگان ، بلوک‌های سفالی جدیدی ، با عملکرد حرارتی برتر ، طراحی و ساخته‌شده است که در بخش قابل‌توجهی از موارد (ساختمان‌های گروه 3 و بخشی از ساختمان‌های گروه 2 ازنظر مصرف انرژی) می‌تواند به‌تنهایی و بدون نیاز به لایه عایق حرارتی تکمیلی جوابگوی انتظارات تعیین‌شده در مبحث 19 مقررات ملی ساختمان باشد.
