کاربردهای عملی ایروژل سیلیکاتی نانو متخلخل در ساختمان‌ها
در سال‌های اخیر برخی از محصولات ایروژل برای حذف آلودگی‌های هوای محیط داخلی و پاکیزگی هوای محیط خارجی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. ایروژل کاربردهای وسیعی در ساختمان دارد. مثال‌های رایج این کاربردها استفاده در سقف، نمای خارجی و پنجره‌ها است. علاوه بر کاربردهایی که گفته شد، این مواد برای عایق صوتی، به تاخیر انداختن آتش و تصفیه هوا نیز به کار برده می‌شوند. ویژگی حفظ و ذخیره‌ی فضا، این ماده را به ماده‌ی مناسبی برای مرمت و بازسازی بناهای تاریخی تبدیل کرده است.
ایروژل‌های سیلیسی علیرغم قیمتشان نسبت به مواد مرسوم، بهترین مواد برای کاربردهای ساختمانی هستند. اخیراً تلاش‌هایی برای کاهش قیمت و توسعه‌ی انواع جدید ایروژل‌ها صورت گرفته است. شکل ۴-۱ دو نمونه از کاربردهای ایروژل در ساختمان را نشان می‌دهد. همانطور که در شکل ۴-۲ نشان داده شده است، کاربرد دیگر این ماده در ساختمان مجسمه‌سازی و گالری دانشگاه ییل بوده است. مقاوم‌سازی آجرهای فرسوده با ایروژل‌های آسپن در شکل ۴-۳ نشان داده شده است. تفاوت بین نمای خارجی عایق شده و عایق نشده در یک ساختمان در شکل ۴-۳ نشان داده شده است. نمای خارجی با یک دوربین حرارتی مانیتور شده است و همانطور که واضح است مقدار زیادی از تلفات گرمایی از طریق کف است. اما، طبقه‌ی بالا که بوسیله‌ی ایروژل عایق شده است مانع موثری برای تلفات گرمایی است.
تحلیل حرارتی ایروژل نانو متخلخل در ساختمان‌ها
۴-۳-۱ تأخیر زمانی و ضریب کاهش
دو پارامتر مهم برای بیان ظرفیت ذخیره حرارت در اجزای جداره (مصالح و نانو عایق) مطرح شده است. پارامترهای ضریب کاهش و تأخیر زمانی بیانگر پاسخ حرارتی اجزای دیوار می‌باشند. در طول روز گرمای محیط در دیوار ذخیره شده و در طول شب صرف گرم کردن فضای درونی ساختمان می‌شود. دمای محیط در طول یک شبانه روز به صورت یک موج سینوسی عمل می‌کند. پارامتر تأخیر زمانی بیانگر مدت زمانی است که موج سینوسی دما از سطح خارجی دیوار به سطح داخلی می‌رسد و پارامتر ضریب کاهش بیانگر نسبت کاهش دامنه نوسانات دمای سطح درونی نسبت به دمای سطح بیرونی دیوار است. این دو پارامتر در شکل ۴-۴ به صورت شماتیک نشان داده شده است.
شکل ۴-۴ بیان شماتیک پارامترهای ضریب کاهش و تأخیر زمانی ۲۱
در بررسی پاسخ حرارتی هر جداره ساختمان پارامترهای ضریب کاهش و تأخیر زمانی محاسبه می‌شوند و بهترین ترکیب برای اجزای یک دیواره حالتی است که کمترین مقدار ضریب کاهش و بیشترین مقدار تأخیر زمانی را داشته باشد. در تحقیقات چند دهه اخیر در مبحث نانو عایق‌های حرارتی دیدگاه کمترین ضریب کاهش و بیشترین تأخیر زمانی، کاربرد زیادی پیدا کرده است.
تحلیل نتایج
جنس جداره تاثیر بسیاری بر توزیع دما در عرض جداره و میزان عبور حرارت از آن می‌گذارد. در انتقال حرارت پایدار، جنس و ضخامت عوامل تأثیرگذار بر پاسخ حرارتی جداره می‌باشند و محل قرارگیری ایروژل نانو متخلخل در عرض جداره تفاوتی ایجاد نمی‌نماید. از آنجایی که دمای محیط در طول شبانه روز تغییر می‌کند. فرآیند انتقال حرارت از جداره‌های خارجی ساختمان ناپایدار می‌باشد. بنابراین تغییر در محل قرارگیری ایروژل نانو متخلخل در عرض جداره بر عملکرد حرارتی جداره تأثیرگذار است. با تغییر در جنس یا محل قرارگیری ایروژل نانو متخلخل، مقادیر تأخیر زمانی و ضریب کاهش موج حرارتی عبوری از عرض جداره تغییر می‌کند.
همان طور که در شکل‌های ۵-۱ و ۵-۲، نشان داده شده است، جداره در حالت بدون عایق ایروژل نانو متخلخل به مقدار کمتری دامنه‌ی موج حرارتی را کاهش می‌دهد و تأخیر زمانی قابل توجه‌ی در انتشار موج حرارتی ایجاد نمی‌کند، در صورتی که جداره‌ی عایق شده با ایروژل نانو متخلخل شده پاسخ حرارتی مناسب‌تری از خود نشان می‌دهد. حالتی که جداره در تماماً از عایق حرارتی تشکیل شده باشد، تأخیر زمانی در حدود ۱۲ ساعت ایجاد می‌کند و این در مقایسه با جداره‌ی بدون عایق که دارای تأخیر زمانی ۶۷/۶ قابل توجه است. عایق استفاده شده در این محاسبات از جنس ایروژل نانو متخلخل می‌باشد و با تغییر در جنس عایق حرارتی می‌توان به تاخیر زمانی بیشتری نیز دست یافت.
در شرایط گرمایش همرفت اجباری، همرفت آزاد و تابشی پارامترهای ضریب کاهش و تأخیر زمانی دریچه از حالت قرارگیری کمترین ضریب کاهش و عایق حرارتی محاسبه شده‌اند و از دیدگاه محل بهینه‌ی عایق حرارتی و بیشترین تأخیر زمانی نتایج انتخاب شده است. در شکل‌های ۵-۳ و ۵-۴ نتایج نشان داده شده است. قرار دادن عایق از جنس ایروژل نانو متخلخل به صورت دو تکهدر جداره (۲ سانتیمتر بیرون و ۲ سانتیمتر داخل) بهترین پاسخ حرارتی را در هر سه حالت گرمایش همرفت اجباری، همرفت آزاد و تابشی نشان می‌دهد.
شکل ۵-۱ مقادیر ضریب کاهش در حالت‌های مختلف جداره
شکل ۵-۲ مقادیر ضریب کاهش در حالت‌های مختلف جداره
شکل ۵-۳ مقادیر ضریب کاهش در حالت‌های مختلف جداره
شکل ۵-۴ مقادیر ضریب کاهش در حالت‌های مختلف جداره
نویسنده : امیرحسین لبافی (مهندس تاسیسات مکانیکی)
