مقالات

بهینه سازی مصرف انرژی در ساختمان با استفاده از ژئوتکستایل

چکیده

بهینه سازی مصرف انرژی به لحاظ نتایج ارزنده و مفید آن از جمله کنترل مصرف انرژی و کاهش هزینه های مربوط، کاهش هزینه های سرمایه گذاری و بهسازی محیط زیست در دهه اخیر مورد توجه اکثر کشورهای جهان قرار گرفته است. با توجه به تنوع آب و هوایی در کشور، سیستم های گرمایش و سرمایش فضاهای ساختمانی در افزایش و یا کاهش مصرف انرژی سهم قابل توجهی دارند. امروزه به منظور به حداقل رساندن مصرف انرژی در ساختمانها باید تا حد امکان از اتلاف قابل اجتناب انرژی جلوگیری به عمل آورد. پشم شیشه و پشم کوهی(آزبست) به عنوان مواد ایزولاسیون در ساختمانها کاربرد دارند. اما این مواد غیر قابل تجزیه بوده و برای سلامتی انسان مضر می باشند. آگاهی از مضرات زیست محیطی این مواد تمایل به استفاده از مواد جایگزین عایق بندی در ساختمانها نظیر ژئوتکستایلها را افزایش داده است. این دسته از مواد عمدتا" از الیاف پلی استر، پلی اتیلن، پلی پروپیلن، پنبه، پشم، ویسکوز، کتان و کنف تهیه می شوند.

در این مقاله ضمن معرفی ژئوتکستایلها تلاش شده است تا آخرین پیشرفتها در نوع الیاف مصرفی، کاربرد، تکنیکهای تولید و کاربردهای متنوع این مواد در عایق بندی ساختمانها ارائه گردد. امید است با معرفی این مواد، در زمینه تولید و افزایش کاربرد آنها در عایق بندی ساختمانها گامهایی برداشته شود.

مقدمه

امروزه از منسوجات صنعتی جهت بهبود کیفیت مصالح ساختمانی و سطوح زیر بنا استفاده شده و این امر سبب انجام کارهای اصولی جدید و نوآوری در صنعت ساختمان گردیده است. خواص ویژه منسوجات از جمله نسبت سطح به وزن زیاد، نازکی، یکنواختی، استقامت، قابلیت شکل پذیری، سبکی وزن، بالا بودن مقاومت و ازدیاد طول سبب انتخاب آنها در صنعت ساختمان شده است.¹

اولین بار واژه ژئوتکستایل توسط Giroud و Perfetti در سال 1977 در کنفرانس بین المللی منسوجات صنعتی بکار رفت. مطابق با استاندارد ASTM4439 ژئوتکستایل به منسوج بافته، نبافته و یا ترکیبی اطلاق می شود که از الیاف مصنوعی تهیه شده باشد. اما امروزه ژئوتکستایلهای تولید شده با الیاف طبیعی که در کشاورزی کاربرد دارد تهیه شده است. لذا در تولید ژئوتکستایلها الیاف طبیعی و مصنوعی می تواند بکار رود.²

میانگین رشد سالانه تولید ژئوتکستالها بین سالهای 1995 تا 2005 در حدود 6/8% تخمین زده می شود. انتظار میرود که کاربرد این منسوجات در آسیا بیش از 12% باشد که بالاتر از میانگین مصرف جهانی می باشد. لذا تخمین زده شده است که تا سال 2005 معادل 84/1 میلیون تن از این منسوجات در جهان مصرف شود. جدول 1 میزان مصرف این منسوجات را در جهان در سالهای گذشته بر اساس متر مربع نشان میدهد که نشان دهنده رشد صعودی مصرف آنها است.^3و4

جدول1- مقدار مصرف ژئوتکستایلها در جهان  در سالهای گذشته بر اساس متر مربع

   امروزه مهمترین کاربرد ژئوتکستایلها عایق بندی، جداسازی، فیلتر کردن، زهکشی، تقویت و حفاظت در ساختمانها و راه سازی می باشد. این ترکیبات بدلیل جذب رطوبت بالا، ایزولاسیون مناسب و سازگاری با محیط زیست امروزه در کشورهای مختلف مورد توجه قرار گرفته اند.⁵

ویژگی ژئوتکستایلها

فاکتور اساسی برای ارزیابی ژئوتکستایلها جنبه ایمنی آنها می باشد. در تمامی موارد مصرف، دوام و طول عمر ژئوتکستایل یکی از ویژگیهای اساسی است. دوام ژئوتکستایل شامل موارد زیر است:

1. پایداری در برابر عوامل شیمیایی و بیولوژیک در مدت تعیین شده مصرف آن در ساختمان.
2. مقاومت در برابر تاثیر تابش آفتاب و حفظ خواص فیزیکی مناسب در مدت استفاده در بنا.
3. مقاومت در برابر عوامل جوی و تنشهای مکانیکی در ساختمان در حین مصرف.

الیاف مصنوعی بدین منظور مناسب بوده و در طی مراحل ساختمان سازی در فضای بدون حفاظ به مدت یک هفته تا دو ماه سالم می مانند و کاهش محسوسی در خواص فیزیکی آنها ایجاد نمی شود.^5و6

مواد خام مصرفی در ژئوتکستایلها

در حال حاضر انواع ژئوتکستایلها در صنعت راه سازی و ساختمان کاربرد دارند. انتخاب ژئوتکستایل بستگی به خصوصیات مورد نظر دارد. به طور مثال ژئوتکستایلهای تولید شده از الیاف طبیعی به منظور افزایش موقتی استحکام زمینهای کشت گیاهان بکار میروند. در صورتیکه ژئوتکستایلهای تولید شده از الیاف مصنوعی در مواردی که نیاز به پایداری دراز مدت (صدها سال یا بیشتر) می باشد، کاربرد دارند. لذا مواد خام ژئوتکستایل می تواند الیاف طبیعی یا مصنوعی باشد. رایج ترین مواد اولیه در ژئوتکستایلهایی که در ساختمان سازی بکار می روند پلی استر، پلی اتیلن و پلی پروپیلن می باشد. جدول 2 نشاندهنده خواص فیزیکی و مکانیکی الیاف مصرفی در این ژئوتکستایلها است.^4و5و6

جدول 2 - خواص فیزیکی و مکانیکی الیاف مصرفی در ژئوتکستایلها

ژئوتکستایلها و عایق کاری حرارتی

این منسوجات بدلیل ساختار و خواص ویژه به منظور عایق کاری بهتر از سایر مواد هستند. قرار دادن لایه های زیری سقف ها و لایه های داخلی دیوارها با این منسوجات می تواند از ورود جریان سرما به داخل ساختمانها جلوگیری به عمل آورد و ساختمانها را در برابر تغییرات دمایی 20- تا 80 درجه سانتیگراد حفظ کند. این منسوجات بدلیل هدایت حرارتی پایین الیاف بین یکدیگر و ساختمان سوزن زنی شده تار عنکبوت (Web)دارای خواص مطلوبی از نظر عایق حرارتی می باشند. منسوج دارای ساختمان یکنواختی از نقطه نظر فیزیکی نبوده ولی مقاومت حرارتی (درجه عایق بودن) مواد خالص مانند پلی استرها، پلی آمیدها، پشم و کتان مشخص می باشد. اظهار نظر در مورد مقادیر هدایت حرارتی الیاف در منسوجات بسیار مشکل است و این به آن علت است که مقدار زیادی هوای محبوس شده در داخل منسوج با توجه به میزان خلل و فرج موجود می باشد. برای بالا بردن درجه عایق بودن منسوج باید تا حد امکان تراکم الیاف را بالا برد. افزایش تراکم الیاف نباید به حدی باشد که باعث ایجاد حرارت گردد. برای اینکه منسوج بی بافت بتواند به عنوان عایق حرارتی بخوبی عمل کند باید ضخامتی حدود 100 میلیمتر داشته باشد.^7و8

یکی از جدیدترین روشها برای افزایش خاصیت عایق حرارتی در منسوجات بی بافت ایجاد حفره های شیاری و غیر شیاری در الیاف می باشد که منجر به کاهش هدایت گرمایی در برخی از الیاف بخصوص پلی استر می شود. (شکل1) همانطور که در شکل ملاحظه می شود نمونه B سطح مقطع الیاف دارای حفره شیاری در مقایسه با نمونه A بوده و لذا هدایت گرمایی آن کمتر است.⁹

B                                              A                                                                       

شکل 1- سطح مقطع الیاف بکار رفته در ژئوتکستایل و تاثیر آن در خواص عایق حرارتی

انواع ژئوتکستایلها

به طور کلی ژئوتکستایلها به سه دسته بی‏بافت، بافته شده و ترکیبی تقسیم می‏شوند.⁵

ژئوتکستایلهای بی بافت : این منسوجات از اتصال چندین لایه تار عنکبوتی که بر روی هم قرار گرفته‏اند ایجاد می‏شود. در این نوع منسوجات از الیاف بریده با طول 3 تا 15 سانتیمتر و یا فیلامنت استفاده می‏شود. نوع آرایش یافتگی الیاف بسته به مصرف نهایی متفاوت می‏باشد و در برخی موارد نیازی به آرایش یافتگی الیاف وجود ندارد. مقاومت منسوج بی‏بافت بسته به طول و جنس الیاف متغیر است. ایجاد استحکام در منسوج نبافته توسط عملیات مکانیکی، شیمیایی و حرارت صورت می‏گیرد. براساس روش اتصال الیاف تقسیم‏بندی منسوجات بی‏بافت به صورت زیراست:

الف – اتصال مکانیکی الیاف بریده و یا فیلامنت در منسوجات بی‏بافت که با سوزنهای خاصی امکان پذیر می‏باشد. سوزنهای قلابدار و یا خاردار باعث درهم رفتگی الیاف و ایجاد استحکام در لایه می‏شود. دراین روش نقاط قوی و محکم در محل تلاقی الیاف ایجاد نمی‏شود. پارامترهای مؤثر در تولید ژئوتکستایل با این روش آرایش یافتگی سوزنها در صفحه سوزنی، طول مؤثر سوزنها، عمق نفوذ سوزنها، فاصله بین دو صفحه ورود الیاف، نوع سوزن، تعداد زائده‏های سوزن، دانسیته تارعنکبوت و آرایش یافتگی الیاف می باشد. امروزه منسوجات بی‏بافت تولید شده به روش سوزنی بیشترین کاربرد را در مهندسی معماری و ساختمان دارند. شکل های 2 و 3 نشاندهنده فرایند سوزن‏زنی در تولید ژئوتکستایل و شکل سوزن‏های مصرفی می‏باشند.^4و5

شکل 2- فرایند سوزن‏زنی در تولید ژئوتکستایل

شکل3-  شکل سوزن‏های مصرفی در تولید ژئوتکستایل به روش سوزن زنی

ب – اتصال شیمیایی در منسوجات بی‏بافت به کمک خیساندن و یا چاپ بر روی تار عنکبوت امکان پذیر است. با روش چاپ اتصال پراکنده الیاف در سطح منسوج بی‏بافت بوجود می‏آید و محل تلاقی الیاف نقاط محکم و قوی را ایجاد می‏کند.⁵

ج – اتصال حرارتی که خود به سه دسته تقیسم می‏ٌشود. در روش اول از مخلوط الیاف کوتاه یا فیلامنت استفاده می‏شود بطوریکه یکی از الیاف موجود در مخلوط دارای نقطه ذوب پائین تری می‏باشد، به کمک عملیات حرارتی الیاف دارای نقطه ذوب پائین، ذوب شده و همانند چسب عمل کرده و الیاف موجود در تار عنکبوتی را بهم متصل می‏سازند. در روش دوم برای تار عنکبوتهای ضخیم الیاف موجود در سطح دارای نقطه ذوب پائین بوده که در اثر عملیات حرارتی ذوب شده و الیاف مغزی را نگه می‏دارند. در روش سوم که برای تار عنکبوتی‏های نازک کاربرد دارد اتصال حرارتی مغزی با الیاف سطح به کمک فشار و حرارت امکان پذیر است. دامنه ظرافت الیاف مصرفی در این روش بسیار وسیع است و از 3 تا 9 دسی تکس متغیر است.⁵

شکل 4 نشاندهنده سطح و مقطع عرضی ژئوتکستایلها با استفاده از میکروسکوپ اکترونی (SEM) می‏باشد.¹⁰

شکل 4-  سطح و مقطع عرضی ژئوتکستایلها با استفاده از میکروسکوپ اکترونی (SEM)

ژئوتکستایلهای بافته شده: برای تولید ژئوتکستایلهای بافته شده ‏از نخهای فیلامنتی یا رسیده شده چندلا، نواری و یا تک فیلامنت استفاده می‏شود. روشهای بافت و طرح بافت نیز متنوع می‏باشند. در پارچه‏های بافته شده مورد مصرف از طرح تافته و کجراه استفاده می‏شود ساختمان بافت بستگی به میزان تراکم ناروپود و یا تعداد نقاط تلاقی نخهای تاروپود دارد. دامنه ظرافت نخهای مورد مصرف در چنین منسوجاتی بسیار وسیع بوده و از 200 تا 1400 دسی تکس متغیر است.⁵

ژئوتکستایلهای ترکیبی:  این منسوجات شامل پارچه‏های چند لا و یا پارچه های بافته و نبافته متصل به هم می‏باشد که دارای ساختمان سه بعدی است.⁵

نتیجه گیری کلی و نگاهی به آینده

 بیش از 30 سال از مصرف ژئوتکستایلها در سازه ها و ساختمان می گذرد. با توجه به قدمت استفاده از ژئوتکستایلها در صنعت راه و ساختمان تجارب ارزنده‏ای در کشورهای مختلف در این زمینه کسب شده و علاوه بر این در هزینه‏های ساختمان و بهینه سازی انرژی صرفه‏جویی‏هایی صورت گرفته‏است.

امروزه علی‏رغم رکود در فعالیتهای ساختمانی کشور شاهد افزایش مصرف ژئوتکستایل در این صنعت می‏باشیم. علت امر را می‏توان به موارد زیر نسبت داد:

1. آمادگی صنعت ساختمان برای استفاده از فناوری‏های نو در این زمینه.
2. افزایش آگاهی و اطلاعات علمی و فنی در زمینه تولید ژئوتکستایل‏ها.
3. نتایج مثبت و تجربیات ارزنده از مصرف ژئوتکستایلها در مدت سه دهه گذشته در کشورهای مختلف.
4. وجود دستور‏العمل‏ها و استانداردهای موجود و در حال تهیه و تدوین.