يمكن للجدران ذات الأطر الخشبية التي تحتوي على كتل حرارية عالية أن تساعد في خفض استهلاك الطاقة؛ ومع ذلك، فإن العديد من الأفراد ليسوا على دراية بما يشكل "كتلة حرارية عالية".
المواد ذات الكتلة الحرارية العالية تمتص الحرارة الشمسية أثناء النهار ثم تطلقها من خلال الإشعاع الليلي، وبالتالي تلطّف درجات الحرارة الداخلية وتقلل من تكاليف تكييف الهواء. تقلل هذه التقنية من متطلبات تكييف الهواء بشكل كبير.
الديناميكا الحرارية
إن استدامة الأخشاب وقوتها وخصائصها الحيوية معروفة جيداً للبنائين؛ ومع ذلك، غالباً ما يتم تجاهل فوائدها الحرارية. من خلال تضمين الأخشاب الثقيلة في تصميم المبنى، تساعد كتلتها الحرارية على تنظيم درجات الحرارة الداخلية مع تقليل استهلاك الطاقة في نفس الوقت مع تحسين مستويات الراحة على مدار العام. تشير الكتلة الحرارية إلى قدرة أي مادة على امتصاص الطاقة الحرارية وتخزينها وإطلاقها تدريجيًا بمرور الوقت.
تمتص المواد ذات الكتلة الحرارية العالية مثل الجدران القرميدية والأرضيات القرميدية الطاقة من أشعة الشمس وكذلك من المصادر الداخلية مثل الأشخاص والمعدات، قبل أن تطلقها ببطء مرة أخرى خلال المساء والليل لتنظيم درجات حرارة المنزل والمساعدة على موازنة التغيرات الموسمية في درجات حرارة الهواء الخارجي. تُعرف هذه العملية بالتأخر الحراري.
يتميز الخشب بسعة حرارية حجمية استثنائية، مما يمكّنه من امتصاص كميات كبيرة من الطاقة الحرارية قبل أن يبددها ببطء عند تغير درجات الحرارة. وعلاوة على ذلك، تساعد طبيعته الاسترطابية على تنظيم مستويات الرطوبة الداخلية وتقليل مخاطر العفن.
يمكن للأخشاب أن تكون بمثابة بطارية حرارية فعالة في أي منزل، حيث تعمل الأنواع الكثيفة مثل البلوط وتنوب دوغلاس مثل الإسفنج لامتصاص الحرارة وتخزينها حتى تنخفض درجات الحرارة المحيطة؛ ثم إطلاقها لاحقًا، مما يوفر استهلاك الطاقة والانبعاثات.
لتعظيم فوائده، يجب استخدام الكتلة الحرارية إلى جانب الكتلة الحرارية المناسبة العزل لتجنب فقدان الحرارة غير المرغوب فيه من خلال المسودات والهواء التسريبات. مناسب يضمن العزل أيضًا أن الحرارة التي تمتصها الكتلة الحرارية لا يهرب من خلال التيارات الهوائية وتسريبات الهواء.
عند تحديد سُمك الخشب لمشروعك القادم، من الضروري أن تتذكر أن الأحجام الاسمية والفعلية قد تختلف بسبب كيفية معالجتها. عادةً ما تشير الأحجام الاسمية إلى الأبعاد عند خروجها من المطحنة؛ بينما الأحجام الفعلية تأخذ في الاعتبار الانكماش الذي يحدث أثناء جفاف الخشب وكذلك تقنيات النشر (النشر السادة أو النشر المتصدع أو النشر الرباعي). وعلاوة على ذلك، يمكن أن تؤثر المعايير الإقليمية على الأحجام الاسمية والفعلية؛ فاختيار الحجم الأمثل للأخشاب يمكن أن يكون له تأثير هائل على الكفاءة والجمالية. اختيار الحجم الأمثل يمكن أن يؤدي حجم الأخشاب إلى نجاح أو فشل المشروع بأكمله الكفاءة أو القيمة الجمالية! إن اختيار حجم الأخشاب المناسب يمكن أن يكون له انعكاسات كبيرة على الكفاءة وكذلك على المزايا الجمالية في أي مشروع! يمكن أن يكون لاختيار حجم الأخشاب المناسب تأثيرات كبيرة على كل من الكفاءة والصفات الجمالية في أي مسعى - يمكن أن يؤدي استخدام أحجام الأخشاب المناسبة إلى تغيير كفاءة وجمالية المشاريع بشكل كبير في نفس الوقت.
التوصيل الحراري
إن قدرة الأخشاب على امتصاص الطاقة الحرارية وتخزينها هي أحد الأصول الرئيسية التي تجلبها للمباني، مما يساعد على تخفيف التغيرات في درجات الحرارة أثناء العمل كبطارية حرارية. وعلاوةً على ذلك، يتميز الخشب بطبيعة استرطابية تساعد على التحكم في مستويات الرطوبة داخل المباني مع التخفيف من مخاطر العفن.
تختلف الخواص الحرارية للأخشاب الصلبة بناءً على كثافتها ومحتواها من الرطوبة، مما يجعل تقييمها في الاختبار الموقعي أمرًا صعبًا ويستغرق وقتًا طويلاً. ولذلك، فإن الطرق المعملية النموذجية المستخدمة لقياسها تستلزم استخدام عينات صغيرة يجب أن تبقى على اتصال دائم بدرجة حرارة ثابتة مع ألواح معدنية، مما يجعل الاختبار في الموقع غير عملي؛ وعلاوة على ذلك، فإن هذه العمليات تحد من عدد العينات التي يمكن فحصها في دراسة واحدة.
وعلى هذا النحو، من الضروري تطوير طرق أكثر كفاءة لقياس التوصيل الحراري للمواد القائمة على الأخشاب. ويتمثل أحد النهج المحتملة في دراسة الارتباطات بين ثابت العزل الكهربائي النسبي والتوصيل الحراري: يرتبط ثابت العزل الكهربائي مباشرةً بمستويات محتوى الرطوبة في المواد، لذا يمكن أن يتيح هذا الارتباط للمستخدمين التنبؤ بتوصيل المواد دون الحاجة أولاً إلى تحديد نوعها.
كما هو موضح في الشكل 6 أ، تشير درجة R2 التي تبلغ 0.87 إلى وجود علاقة قوية بين ثابت العزل الكهربائي النسبي المقيس لـ paulownia وخصائص التوصيل الحراري والتوصيل الحراري لكل منهما. علاوةً على ذلك، تقع معظم حالات عدم اليقين في القياس في حدود 10% من خط انحدار خط الانحدار - مما يشير إلى أن معظم القراءات في حدود 10% من عدم اليقين - حيث تشير القيم الأكبر إلى مستويات أعلى من محتوى الرطوبة بينما تمثل القيم الأصغر عينات أكثر جفافًا.
على الرغم من أن هذا الارتباط مشجع، إلا أنه يجب أن نتذكر أيضًا أن تأثيره قد يتأثر أيضًا بعوامل أخرى مثل اتجاه الحبيبات وتشريح الخشب. ولذلك، يجب إجراء المزيد من الأبحاث من أجل تطوير أداة قادرة على تحديد ثابت العزل الكهربائي للمادة تلقائيًا من التوصيل الحراري.
كجزء من دراسة أوسع نطاقًا لتحليل انتقال الحرارة والكتلة بين ألواح الأخشاب الهجينة المصفحة المتقاطعة (CLT) التي تتكون من ألواح خشب الليسانس المسطح وصفائح التنوب الأحمر، قمنا مؤخرًا بدراسة العلاقة بين التوصيل الحراري عبر السمك لهذه المواد ومحتوى الرطوبة، باستخدام هذا البحث لإنشاء نموذج تنبؤي للتوصيل الحراري عبر السمك بين ألواح خشب الليسانس المسطح وصفائح التنوب الأحمر بمحتويات رطوبة مختلفة.
الكثافة
تعتبر كثافة الخشب أو الوزن النوعي من الاعتبارات الأساسية عند اختيار أخشاب البناء. تقيس هذه النسبة الكثافة الحجمية للخشب بالنسبة للماء (باستثناء الهواء). على سبيل المثال، تبلغ كثافة المتر المكعب الواحد من خشب الأوكالبتوس 1 كجم/م3.
وبالمقارنة، تبلغ كثافة الخرسانة 3 كجم/م3.
تُعد سماكة الأخشاب وعلاقتها بالكثافة أمراً ضرورياً لفهم خواصها الميكانيكية. عند تعريضها لاختبارات الانحناء أو القص أو الضغط أو الشد، فإن الكثافة المنخفضة تعني أخشاباً أضعف بينما تؤدي الكثافات الأعلى إلى صلابة أكبر - هذه الخاصية تجعل الأرضيات والعوارض الخشبية مقاومة للانحراف المفرط من أحمال العمل دون الشعور بعدم الثبات وتخلق مظهر الأخشاب المترهلة.
على الرغم من أن الاختلافات بين أنواع الأخشاب التجارية واضحة، إلا أن متوسط كثافة القطع الفردية تعتمد على عوامل مثل سرعة نمو الشجرة عند قطعها ومحتواها من الرطوبة. كما تلعب تقنيات النشر واللوائح الإقليمية دوراً في تشكيل هذه الخصائص.
يوجد ارتباط مثير للاهتمام بين الكثافة وارتفاع قاعدة الشجرة DBH، مما يشير إلى أن إنتاج المنشرة يرتبط سلبًا بكثافة الحامل بينما يرتبط إيجابيًا بالمساحة القاعدية وإجمالي حجم الأخشاب. ويمكن تفسير ذلك بأن الأشجار ذات الكثافة العالية تنتج كميات متساوية من أخشاب المنشرة وأخشاب الطاقة من ارتفاع ومساحة قاعدية معينة.
يعتبر الخشب عازلاً فعالاً بسبب تركيبته الخلوية التي تسمح له بتخزين الحرارة عن طريق امتصاص الهواء في مسامه، حيث يعمل كمخزن للطاقة بينما يطلقها ببطء مع انخفاض درجات الحرارة. ويتعاظم هذا التأثير مع الأخشاب الكثيفة مثل خشب البلوط وتنوب دوغلاس حيث تخلق ألياف السليلوز الكثيفة حاجزاً فعالاً لنقل الحرارة، مما يحافظ على الحرارة داخل هياكلها ويحافظ على راحة الناس طوال فصل الشتاء. توفر المباني الخشبية الراحة المثالية للمعيشة في فصل الشتاء بفضل هذه الخصائص التي يتميز بها العزل الخشبي.
محتوى الرطوبة
الرطوبة هي مادة موجودة بشكل طبيعي في جميع المواد تقريبًا، وتنتشر في جميع المواد تقريبًا، وتتخلل بنيتها الجزيئية ولها تأثير هائل على خصائصها الفيزيائية؛ فالوزن والتمدد الحراري والاندماج والتوصيل الكهربائي يمكن أن تتغير جميعها حتى مع وجود كميات قليلة من الرطوبة.
يتطلب إنتاج الأغذية تحكماً دقيقاً في الرطوبة، ويمكن أن يكون للمستويات غير المناسبة آثار مدمرة. يمكن أن يكون لمستويات الرطوبة المفرطة أو الناقصة تأثيرات ضارة على جميع جوانب الخصائص الفيزيائية للأغذية - من المظهر والنكهة، مرورًا بالطعم والقوام - وكذلك الآلات المستخدمة في الإنتاج من خلال خلق تراكم التكثيف الذي يتطلب إصلاحات باهظة الثمن في أوقات التوقف عن العمل.
يعتمد المنتجون اعتمادًا كبيرًا على الطرق الدقيقة لقياس محتوى الرطوبة لمراقبة جودة الإنتاج، سواء من خلال الطرق أو الأدوات الطيفية والكيميائية والتوصيلية الكهربائية وقياس الثقل الحراري أو أدوات قياس الرطوبة. للحصول على أفضل النتائج، من الأهمية بمكان أن تمثل العينات المختارة للاختبار بدقة الدفعة التي يتم اختبارها بالكامل - ولتحقيق ذلك، يجب استخدام عينات يتم سحبها وجمعها عشوائيًا من جميع أنحاء الدفعة بدلاً من اختيار مناطق واحدة لجمع العينات منها.
من الضروري أيضًا وجود أداة اختبار قادرة على قياس كل من محتوى الرطوبة والنشاط المائي في نفس الوقت. يجب أن يتمتع مقياس الرطوبة الجيد بالقدرة على القيام بالأمرين معًا عن طريق تحميل نماذج متساوية الحرارة الخاصة بالمادة التي يتم اختبارها، مما يغني المستخدم عن إجراء حسابات معقدة.
من الضروري الحصول على نتيجة اختبار سريعة من أجل تطبيقها في نقطة الإنتاج وإجراء التعديلات قبل أن تتدهور جودة المنتج، مما يضمن أقصى قدر من الإنتاجية مع منع توقف الإنتاج المكلف أو فقدان المنتج الذي من شأنه أن يقلل من تكاليف التوقف عن العمل ويعزز الإنتاجية.
وقد تصدت شركة ديكاغون لهذا التحدي من خلال جهاز تحليل الرطوبة AquaLab Series 4TE Duo لتحليل الرطوبة الذي يستخدم مرآة مبردة لقياس النشاط المائي للمنتجات قبل تحويل تلك البيانات إلى محتواها من الرطوبة عبر نماذج متساوية الحرارة. حيث إنها أداة تحليل الرطوبة الوحيدة في السوق التي توفر كلا القياسين، مما يوفر الوقت والجهد من خلال التخلص من العمليات الحسابية المرهقة.
