اهمیت و نحوه انجام آزمایش هوابندی 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.

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 Cp 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 10 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 75% از ساختمان‌ها مقدار نفوذ ناخواسته هوا به داخل ساختمان‌ها معادل 2/1 تا 1 دفعه تعویض هوای ساختمان در یک ساعت است و در 25% بقیه ساختمان‌ها این مقدار تا 2 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 ( 1Kj/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 100 مترمربع ( حجم داخلی حدود 300 متر مکعب ) با پنجره و درب‌هایی که از آب‌بندی مناسبی برخوردار نباشند در شرایطی که اختلاف دمای هوای بیرون و داخل 20 درجه سانتی‌گراد باشد و در صورتیکه نشت هوا معادل یک بار تعویض هوا در ساعت فرض شود بار حرارتی اضافی حدود 2.5 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:
1-    جلوگیری از نفوذ رطوبت هوای خارج ساختمان به داخل
2-    جلوگیری از نفوذ آلودگی‌ها و حشرات
3-    ایمنی بهتر در برابر آتش سوزی
4-    افزایش راحتی ساکنین از طریق جلوگیری از سرمایش و یا گرمایش مستقیم آن‌ها و وسایل دیگر توسط هوای بیرون

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 – 283 باید برای شرایط باد با سرعت 40 کیلومتر بر ساعت یعنی اختلاف فشار  75pa صورت گیرد. البته برای شرایط خاصی که درزبندی خیلی اهمیت داشته باشد حداکثر اختلاف فشار می‌تواند تا  1Kpa 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 2% یا  2.5pa ( 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 4- 10* 9.44  مترمکعب بر ثانیه است از 10% 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.

مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن در راستای انجام یکی از اهداف خود که همان بهینه‌سازی مصرف انرژی در ساختمان‌ها است پروژه " تجهیز آزمایشگاه تعیین کیفیت جداره‌های شفاف ساختمانی از نظر میزان هوابندی و آب بندی" را تعریف نمود. این پروژه به سازمان محترم بهینه‌سازی مصرف سوخت کشور پیشنهاد گردید و اجرای آن مورد تصویب قرار گرفت. از نیمه دوم سال 1380 مراحل طراحی و سپس عملیات ساخت دستگاه آزمایش مربوطه در مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن به کارفرمایی سازمان بهینه‌سازی در جریان می‌باشد. ایجاد امکان نظارت بر ساخت و تولید درب‌ها و پنجره‌های از پیش ساخته شده ساختمانی در داخل کشور از جمله اهداف این پروژه می‌باشد. برخی از اقداماتی که تاکنون برای این پروژه انجام شده‌اند در ادامه ذکر گردیده‌اند.

پس از بررسی استانداردهای جمع آوری شده، مراحل، شرایط و روش انجام آزمایش میزان هوابندی استخراج شده است. سپس مطالعه برای طراحی تجهیزات مورد نیاز جهت تجهیز دستگاه آزمایش انجام شده است.

پس از طراحی مفهومی تجهیزات تک تک اجزا تشکیل دهنده دستگاه آزمایش طراحی و محاسبات مربوط به هر قسمت انجام شده‌اند. سپس مدل سه بعدی هر جزء توسط کامپیوتر تهیه و نقشه‌های اجرایی آن‌ها نیز رسم شده و به گروه ساخت تحویل گردیده است.

با مراجعه به کتابخانه‌های مراکز مختلف علمی و موسسه استاندارد ایران و با استفاده از شبکه اینترنت و با کمک شرکت‌هایی که در این زمینه فعالیت می‌کنند استانداردهای خارجی و داخلی در رابطه با تعیین میزان هوابندی درب‌ها و پنجره‌های ساختمانی تحت شرایط مختلف جمع‌آوری شده‌ است. سپس بررسی‌های لازم بر روی آن‌ها به منظور استنباط مفهومی انجام شده است.
لیست زیر فقط نام تعدادی از استانداردهای تهیه شده می‌باشد که مستقیما به آزمایش‌های هوابندی آورده شده مربوط می‌باشند. از ذکر نام استانداردهای دیگر از جمله استانداردهایی که به آزمایش آب‌بندی مربوط می‌شوند در اینجا خودداری شده است.
- استاندارد ملی ایران :
4347: روش آزمون نفوذپذیری دریچه‌های فولادی پیش ساخته ساختمان
4348: در و پنجره فولادی پیش ساخته ساختمان
- انسیتو استاندارد بریتانیا (BSI)
BS 5368:Part1: 1975(EN 42) Methods of testing windows part 1.Air permeability test
BS 6375: Part1: 1989 Performance of windows part 1.classification for weathertightness (including guidance on selection and specification)
BS 5368 : part4 : 1978 (EN 78 ) Methods of testing windows.part 4.form of test report.

- استاندارد انجمن تست مواد آمریکا ASTM:
E 283-91 Standard test Method for Determining the rate of air leakage through exterior windows,curtain walls, and doors underspecified pressure differnces across the specimen.
- استاندارد DIN :
DIN EN 1026 windows and doors,Air permeability – Test method
- موسسه بین المللی استاندارد (ISO) :
ISO 6613 windows and door height windows –Air permeability test
ISO 8272 doorsets – Air permeability test
- استاندارد (UL) :
UL 1784 Air leakage tests of door assemblies

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 50pa 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.

مراحل ساخت سازه اصلی دستگاه آزمایش و عمده تجهیزات دیگر و نصب آن‌ها از جمله دیواره آزمایش و تجهیزات تامین فشار شامل فن و موتور و دور متغیر آن هم اکنون به انجام رسیده است. در حال حاضر مراحل نهایی ساخت دستگاه و نصب تجهیزات اندازه‌گیری و کنترل بر روی آن در حال اجرا می‌باشد.

در استانداردهای موجود فقط شرایط انجام آزمایش توضیح داده شده‌اند و در مورد تجهیزات مورد نیاز اطلاعاتی وجود ندارد. بنابراین لازم بود که در ابتدا بصورت مفهومی طراحی کلی دستگاه آزمایش انجام شده و سپس تجهیزات مورد نیاز برآورد و ساخته یا انتخاب شوند.
با توجه به اهداف کلی پروژه و بدلیل مشابهت بسیار زیاد شرایط آزمایش‌های هوابندی از همان ابتدا سعی شده دستگاه آزمایش بگونه‌ای طراحی شود که امکان آزمایش‌های هوابندی و هم آزمایش‌های آب‌بندی با آن وجود داشته باشد.
پس از طی مراحل مختلف طراحی و اعمال اصلاحات منظور شده، طرح نهایی به گونه‌ای صورت گرفته است که علاوه بر امکان آزمایش‌های هوابندی و آب‌بندی با یک دستگاه آزمایش واحد، این آزمایش‌ها می‌توانند مطابق تمام استانداردهای ذکر شده انجام شوند، در نتیجه طبق درخواست سازنده یا تصمیم کاربر انجام آزمایش‌ها طبق هرکدام از استانداردهای ذکر شده امکان پذیر خواهد بود.

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 45% از جذب گرما در تابستان و 60% 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.

1- Window air leakage,J.R.sesaki & A.G.Wilson,ccanadian building digest,CBD25.
2- ASHRAE Handbook , fundamentals , vol 4,chapter 23,1990.
3- Reducing heat loss due to air leakage,Oregon residential energy code,no . 14,Oregon state government ,August 1996.
4- 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.
5- BS 5368 :Part1:1976 (EN42)methods of testing windows part 1.air permeability test.