อ.ดร.วิทยา พวงสมบัติ
สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษมบัณฑิต

ความร้อนจากรังสีของดวงอาทิตย์เป็นสาเหตุสำคัญให้อาคารบ้านเรือนมีความร้อนเข้าสู่ภายในและเกิดความไม่สบายในการพักอาศัย การใช้กระจกสองชั้นเพื่อลดความร้อนและให้เกิดความถ่ายเทของอากาศก็เป็นอีกวิธีหนึ่งที่ช่วยให้ความร้อนที่เข้ามาได้มีการระบายออกและมีอากาศหมุนเวียนที่ดีขึ้นจริงหรือ พิสูจน์ได้จากการคำนวณ

ปัญหาความสบายภายในบ้านพักอาศัยเขตร้อนชื้นส่วนใหญ่ คือปริมาณความร้อนจากการแผ่รังสีจากดวงอาทิตย์ในแต่ละวันที่เข้าสู่ภายในบ้านพักอาศัยเกือบตลอดทั้งปี ทั้งทางด้านหลังคา ผนัง หน้าต่าง และส่วนอื่นที่ได้รับรังสีจากดวงอาทิตย์ ดังนั้นเพื่อสนองต่อความสบายของมนุษย์จึงได้นำการใช้พลังงานเชิงพาณิชย์ผ่านเครื่องจักรกลทางไฟฟ้า

เช่น พัดลม เครื่องปรับอากาศ มาใช้ปรับสภาวะภายในบ้านพักอาศัยให้เหมาะสม ซึ่งทำให้เกิดการสิ้นเปลืองพลังงานเชิงพาณิชย์เป็นจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งประเทศที่ต้องนำเข้าพลังงานเชิงพาณิชย์จะส่งผลให้เกิดการขาดดุลการค้า อีกทั้งยังก่อให้เกิดปัญหาทางด้านมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมเนื่องจากผลของการใช้หรือเปลี่ยนรูปแบบของพลังงาน

แต่แนวทางหนึ่งที่ใช้ในการลดปริมาณความร้อนจากรังสีอาทิตย์ที่เข้าสู่บ้านพักอาศัยเพื่อให้เกิดความสบายแบบประหยัดพลังงาน คือ การประยุกต์ใช้หลักการของตัวเก็บรังสีอาทิตย์กับหลังคาและผนัง ซึ่งจะทำให้ค่าการถ่ายเทความร้อนต่ำลง อีกทั้งยังทำให้เกิดการระบายอากาศแบบธรรมชาติภายในบ้านพักอาศัย โดยที่ผลลัพธ์นี้เกิดจากการออกแบบรูปร่างหลังคา และผนังให้เหมาะสม คือ มีส่วนด้านนอก ช่องอากาศ ส่วนด้านในของทั้งผนังและหลังคา

รวมทั้งจัดช่องทางเข้าของอากาศที่ส่วนด้านใน และช่องทางออกของอากาศที่ส่วนด้านนอกของทั้งหลังคา และผนัง เพื่ออาศัยอิทธิพลของแรงลอยตัวของอากาศที่อยู่ภายในช่องอากาศนี้เหนี่ยวนำให้เกิดการไหลเวียนของอากาศภายหลังจากรังสีอาทิตย์ตกกระทบหลังคาและผนัง หรือกล่าวได้ว่าเมื่อรังสีอาทิตย์ตกกระทบผิวหลังคา และผนังที่ประยุกต์ใช้หลักการของตัวเก็บรังสีอาทิตย์ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิผิวสูงขึ้น และอากาศภายในช่องที่สัมผัสกับผิวร้อนนี้ จะมีอุณหภูมิสูงขึ้นจึงให้ความหนาแน่นของอากาศซึ่งแปรผกผันกับอุณหภูมิมีค่าต่ำลง

ดังนั้นอากาศภายในช่องว่างอากาศจึงลอยตัวสูงขึ้น และไหลออกสู่ช่องทางออกที่ส่วนด้านนอกหลังคาและผนัง จึงทำให้เกิดการเหนี่ยวนำให้อากาศภายในห้องที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไหลเข้าสู่ช่องว่างอากาศทางส่วนด้านในทั้งของหลังคาและผนัง ดังนั้นตราบใดที่ผลของแรงลอยตัวของอากาศภายในช่องว่างยังดำเนินอย่างต่อเนื่อง ก็จะทำให้เกิดการระบายอากาศตามธรรมชาติ และจากผลลัพธ์นี้จึงทำให้ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทผ่านผนังและหลังคา

เนื่องจากอิทธิพลของรังสีอาทิตย์เข้าสู่ภายในบ้านลดลง เพราะอากาศที่ระบายออกไปผ่านช่องว่างจะพาความร้อนส่วนหนึ่งจากผิวที่มีอุณหภูมิสูงถ่ายเทออกไป จึงส่งผลให้ช่องอากาศนี้ทำหน้าที่เป็นฉนวนกันความร้อนที่จะเข้าสู่อาคารอีกชั้นหนึ่ง และจากผลของการระบายอากาศแบบธรรมชาติภายในบ้านพักอาศัยจึงทำให้ผู้ที่อยู่ภายในบ้านพักอาศัยรู้สึกสบาย เพราะเกิดการแทนที่อากาศภายในซึ่งเป็นการระบายอากาศเพื่อสุขภาพของผู้พักอาศัย

รวมทั้งผลจากความเร็วของอากาศที่เคลื่อนที่ภายในบ้าน หน้าต่างกระจก เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของบ้านหรืออาคารที่เป็นทางผ่านของลม ความร้อน และแสงสว่าง ที่เข้าสู่บ้านหรืออาคารได้ จึงได้รับความนิยมมากในการติดตั้งสำหรับบ้านพัก และอาคาร เนื่องจากทำให้ผู้อาศัยสามารถเห็นทัศนียภาพภายนอกบ้านพักอาศัย นอกจากนี้ ยังสามารถติดตั้งง่าย รวดเร็ว และสะดวกกว่าการก่อผนังทึบด้วยคอนกรีต

ปัจจุบันจึงมีการพัฒนาหน้าต่างกระจกให้มีความสวยงาม ทันสมัยและประหยัดพลังงาน สามารถป้องกันความร้อนได้ดี และยอมให้แสงผ่านเข้ามา ได้มากเพื่อการนำไปใช้ประโยชน์ได้ โดยรูปแบบของหน้าต่างกระจกสองชั้น จะทำการดัดแปลงจากกระจกชั้นเดียวให้เป็นหน้าต่างกระจกสองชั้นซึ่งจะเกิดช่องว่างระหว่างกระจก แล้วจะทำการเจาะช่องเปิดระบายอากาศด้านบนที่กระจกชั้นนอก และเจาะช่องเปิดระบายอากาศด้านล่างที่กระจกชั้นใน

ซึ่งหลักการระบายอากาศของกระจกสองชั้นก็คือ เมื่อแสงอาทิตย์ตกกระทบที่พื้นผิวของกระจกด้านนอก ซึ่งเกิดการแผ่รังสีความร้อน และจะส่งผ่านความร้อนผ่านกระจกชั้นนอก ถ่ายเทความร้อนให้กับอากาศในช่องว่าง และเมื่ออากาศได้รับความร้อน ทำให้ความหนาแน่นของอากาศจะลดลง อากาศสามารถลอยตัวสูงขึ้น ซึ่งจะเกิดการพาความร้อนแบบธรรมชาติระหว่างกระจกสองชั้น โดยจะนำพาอากาศร้อนไหลออกสู่ช่องเปิดด้านบน

เนื่องจากอากาศจะไม่สามารถเกิดช่องว่างอากาศได้ จึงมีการไหลของอากาศในห้องเข้าสู่ช่องเปิดด้านล่างเข้าแทนที่อากาศในช่องว่างระหว่างกระจกเกิดเป็นระบบระบายอากาศแบบธรรมชาติ ทำให้อากาศเกิดการไหลเวียนหรือเกิดการถ่ายเทของอากาศเกิดขึ้น ทำให้สามารถลดความร้อนที่จะผ่านหน้าต่างกระจกสองชั้นเข้าสู่ภายในห้องได้ และยังสามารถลดอุณหภูมิภายในห้องซึ่งเกิดจากการไหลเวียนของอากาศ ดังแสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 รูปการระบายอากาศของห้องที่ติดตั้งหน้าต่างกระจกสองชั้น

รูปที่ 2 รูปการถ่ายเทความร้อนต่างๆ ของหน้าต่างกระจกสองชั้นระบายอากาศ

รูปที่ 3 รูปวงจรความต้านทานทางความร้อนของหน้าต่างกระจกสองชั้นระบายอากาศ

สำหรับการวางกระจกในแนวตั้งฉาก ซึ่งสามารถสมดุลสมการพลังงานอย่างง่าย ถือว่าระหว่างการนำความร้อนในกระจก และการถ่ายความร้อนด้วยการพาความร้อนแบบธรรมชาติไปกับการเคลื่อนที่ของอากาศ สำหรับทางด้านกระจกที่สัมผัสกับอากาศแวดล้อม จะทำให้มีการเคลื่อนที่ของอากาศระหว่างแผ่นกระจกสองชั้นและของอากาศในห้องจะสามารถสมดุลสมการพลังงานที่เหมาะสม ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระจกสองชั้นกับสภาวะแวดล้อม ซึ่งบ่งบอกถึงการดูดกลืนพลังงานแสงอาทิตย์บนผิวของกระจก การถ่ายเทความร้อนโดยการพาความร้อน การแผ่รังสี การถ่ายเทความร้อนด้วยการนำความร้อนจะผ่านทะลุกระจก และการเก็บสะสมพลังงาน

ช่องอากาศแบ่งออกเป็นส่วนของทางเข้า โดยส่วนแรกคืออุณหภูมิทางเข้าของอากาศ จะเท่ากับอุณหภูมิในห้อง และส่วนที่สองคืออุณหภูมิทางออกของอากาศทางด้านนอกห้องซึ่งจะเชื่อมต่อกันด้วยช่องทางการไหลของอากาศ ซึ่งสามารถคำนวณในรูปอัตราไหลเชิงปริมาตรของอากาศที่เหนี่ยวนำระหว่างกระจกสองชั้นระบายอากาศ สามารถคำนวณโดยใช้สมการ ดังนี้ [1]

ตัวอย่างการคำนวณ หน้าต่างกระจกสองชั้นบานหนึ่งดังแสดงในรูปที่ 2 มีข้อมูลต่างๆ ดังแสดงในโจทย์ด้านล่าง จงหาประสิทธิภาพของการระบายอากาศผ่านหน้าต่างกระจกสองชั้น

กระจกชนิด FL 12 CLEAR GLASS
ขนาดกระจก (SxL)                       = 0.9  1.07 m
ขนาดช่องว่างระหว่างกระจก (W )     = 0.065 m
ความหนากระจก ()                  = 6 mm = 0.006 m
ค่าการดูดกลืน ()                   = 0.13
ค่าการส่งผ่านรังสี ()                = 0.8

จากวิธีการคำนวณจะเห็นได้ว่า เมื่อใช้หน้าต่างกระจกสองชั้นจะทำให้การถ่ายเทความร้อนผ่านกรอบอาคารเข้าสู่ภายในบ้านมีค่าน้อยลง เนื่องจากมีการระบายอากาศผ่านหน้าต่างกระจกสองชั้น และยังสามารถนำวิธีการดังกล่าวไปใช้ร่วมกับส่วนอื่นๆ ของกรอบอาคารเพื่อลดความร้อนรับเข้าสู่ตัวบ้านได้

• John A. Duffie and William A. Beckman, "Solar Engineering of Thermal Processes," John Wiley & Sons. Inc., 1980.
• Awbi., H.B., 1994, "Design Considerations For Naturally Ventilated Building," Renewable Energy, Vol.5, Part II, pp. 1081-1090
• ไพฑูรย์ มีศิลป์ และ คณะ, 2550, "การลดความร้อนเข้าสู่ตัวอาคารโดยการระบายอากาศแบบธรรมชาติผ่านหน้าต่างกระจกสองชั้น," ปริญญานิพนธ์, สาขาวิชาวิศวกรรมเครื่องกล คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษมบัณฑิต