REDUCEREA EFECTULUI DE SUPRAÎNCĂLZIRE

Metode bioclimatice pentru confortul termic interior în

perioada sezonului cald.

ABSTRACT

Aproximativ 60% din energia totală produsă în planeta noastră este consumată de amprenta reflectată prin orașe și construcții, și astfel energia devine o sursă principală pentru sistemele de răcire și ventilare, încălzire, iluminare, mentenanță cât și efectiv pentru pentru construcția clădirilor.

Înainte de apariția și folosirea sistemelor active de optimizare a eficienței energetice a clădirilor, metoda primară a controlului climatului interior al clădirilor s-a datorat “arhitecturii pasive” având la bază principii și strategii pasive și bioclimatice.

Strategiile actuale sunt preocupate de găsirea unui echilibru prin a crea sisteme hibride pasive și active cu scopul de a asigura eficiența energetică completă a clădirii. Perspectiva NZEB ca preocupare actuală în domeniul construcțiilor eficiente energetice, contribuie prin a evidenția trei 3 aspecte importante necesare a fi luate în proiectarea actuală:

1. Smart buildings - prin integrarea conceptului în faza de design bioclimatic.

2. Smart buildings and smart technologies - prin integrarea în faza de design a tehnologiei care ajută în eficientizarea construcțiilor prin sisteme de control și monitorizare.

3. Smart buildings and smart grid - prin implementare energiei acumulate, în construcție și grid.

Primele două puncte ale perspectivei NZEBs evidențiază pe lângă sistemele și tehnologiile implementate în construcție, importanța anvelopantei clădirii ca componentă fundamentală în rezultatul performanței energetice și care trebuie luată în considerare din faza de proiectare.

Această nouă abordare a clădirilor rezultă dintr-un progres al principiilor bioclimatice tradiționale, fiind primele forme primare smart de proiectare și utilizare a construcțiilor cu o atenție asupra confortului termic. [4]

Ținând cont de cadrul legislativ adoptat de Uniunea Europeană impune ca până în anul 2030, statele noi deziderate să înceapă programe pentru:

1. Reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră cu până 40%

2. Folosirea a 27% din nevoia de energie totală prin surse de energie regenerabilă.

3. Reducerea cu 27% a consumului de energie produsă de hidrocarburi.

Așadar, este esențial ca programele și companiile statelor membre ale UE să ajute în inițiativele de dezvoltare al clădirilor eficiente energetice.

INTRODUCERE

Relație casa pasivă și casa bioclimatică

Reducerea efectului de supraîncălzire a spațiului interior poate fi optimizat prin principii pasive, active sau bioclimtice.

Schemă grafică realizată de autor.

Casa pasiva - Denumire devenită foarte cunoscută în ultimii ani, presupune asigurarea unui climat interior echilibrat atât pentru sezonul rece/cald fără a implica surse convenționale de încălzire. Principala sursă de căldură a casei pasive este căldură aflată in interiorul casei provenită din căldura antropogenică, căldură din însorirea fațadei, și căldura radiată de aparatele electronice. Aportul de energie convențională derivă din soare, vânt și geotermale și se situează la 15kWh/m2. [2]

Conceptul de casa pasivă a fost definit de către Kuwait, Touman și Al-Ajmi ca fiind

principala cauză a performanței clădirilor în procesul de design.

Emisiile globale de CO2 care rezultă din energia folosită în clădiri a crescut cu aproximativ 2.7%/an în ultimii 5 ani, afectând grav mediul dar și zona de confort a

utilizatorilor și locuitorilor, adică a oamenilor.

Privind standardelor primare, prima casă de tip Pasiv a fost proiectată în Darmstadt, Germania și presupunea scăderea energiei electrice cu 30%, a consumului cu gaze până la 15% cât și scăderea necesarului de încălzire cu 90%.

Conform acestor factori Institutul din Darmstadt enumeră următoarele cerințe pentru a îndeplini standardul de casă pasivă:

1. Încălzirea spațiilor nu trebuie să depășească 15kWH/mp spațiu locuibil sau 10W/an.

2. Climatul care necesită o răcire activă, cerința de solicitare a energiei pentru răcirea spațiilor corespunde necesarului menționat anterior, însă se suplimentează pentru dezumificare.

3. Energia totală care alimentează toate aplicațiile interne ale clădirei (încălzire, apă caldă și electricitate internă) trebuie să fie sub 60xWv/mp.

4. Etanșeitatea la aer la aer necesită 0,6 schimbări de aer la o presiune de 50

Pascal.

5. Confortul termic interior trebuie să fie constant pe tot parcursul anului cu o

temperatură de max 25gradeC. [3]

Casa bio-climatică - Casa bioclimatică reduce semnificativ consumul de energie electrică datorită compactității u-ternice, orientării cardinale inteligente valorificând energia solară și direcția vânturilor, sisteme de circulare a aerului natural interior, integrarea unui format volumetric inteligent care să răspundă celorlalte condiții.

Așadar, un factor elementar care contribuie la proiectarea bioclimatică a clădirilor în Europa, respectiv România răspunde factorilor climatici (sezon cald-sezon rece) și astfel clasificarea principiilor pentru un design bioclimatic va urmării integrarea sistemelor de proiectare în dependență de amplasarea și condițiile de mediu ale zonei, prin[2]:

1. Poziținarea cardinală.

2. Sisteme de răcire și ventilare pasive și naturale.

3. Iluminare naturală

4. Asigurarea izolației materialelor.

5. Protecția împotriva vânturilor iarna.

6. Protecția împotriva soarelui vara.

7. Exploatarea vânturilor reci iarna și înlăturarea excesului de căldură vara.

1. EFECTUL DE SUPRAÎNCĂLZIRE

Cauze și metode pasive de reducere a efectului

Efectul de supraîncălzire a spațiului interior se datorează transferului de căldură prin anvelopa clădirii, căldurii antropogenice și căldurii radiate din aparatele electrocasnice. Pentru a asigura un climat interior echilibrat în perioada sezonului cald (primăvară-vară) în climatul României, folosind doar metode pasive, se propune o analiză a efectului de căldură produs și a înlocuirii sistemelor mecanizate de răcire/ventilare cu metode bioclimatice care pot aduce un aport climatului interior.

Metode bioclimatice pentru eliminarea efectului de supraîncălzire:

● Orientarea Cardinală

Exploatarea vânturilor reci iarna și înlăturarea excesului de căldură vara.

● Anvelopa clădirii

Considerente privind etanșeitatea anvelopei.

● Volumetria clădirii

Considerente privind forma clădirii în funcție de climatul local.

● Sisteme pentru circularea aerului natural interior

Integrarea sistemelor de ventilare gândite și aplicate pentru ventilare naturală.

● Umbriri pasive folosind natura

Folosirea vegetației ca umbrire pe timp de vară și iluminare pe timp de iarnă. Așadar, se va lua în considerare într-o primă fază a studiului motivul efectului de spațiu supraîncălzit datorat Transferului de căldură prin anvelopă, Căldurii antropogenice, și căldurii radiate de aparatele electrocasnice. Urmând în continuarea studiului, specificarea importanței principiilor bioclimatice pentru optimizarea climatului intern, prin analiza a doi factori fundamentali, Anvelopa clădirii și sisteme de umbrire pasivă.

1.1 Transferul de căldură prin anvelopă

Controlul transferului de căldură prin anvelopă se măsoară prin sist de izolare termică cu rolul de a etanșeiza pierderile de căldură spre exterioe, sau pătrunderea căldurii de la exterior spre interior. Aerul în repaus nu este bun conductor termic, astfel ca el reprezinta în principiu un izolant relativ bun. Însa, în spatii mai mari, precum cavitatile din pereti, caldura se poate pierde totusi prin convectie si radiatie. Rolul izolatiei este de a diviza volumul de aer în compartimente suficient de mici pentru a împiedica formarea curentilor convectivi, aerul ramânând în repaus. În acelasi timp, materialul izolator reduce radiatia de la o suprafata la alta a compartimentului cu aer.

1.2 Căldura antropogenică

Degajările și cantitățile de căldură cedate de oameni depind de condițiile ambientale exterioare și de eforturile / activitățile depuse de oameni.

Radiația - Presupune pierderile de căldură față de mediul ambiant extern datorată

gradientului de căldură. Radiația reprezintă emisia de unde electromagnetice din spectrul infraroșu, radiație termică, specifică pentru corpurile a căror temperatura este mai mare fașă de cea a mediului extern.

Conducție – Se realizează prin transfer molecular al energiei termic. Căldura pierdută de corp reprezintă 2% din cantitatea totală pierdută.

Convecție – este partial un proces de conductie unde unul dintre obiecte este in mișcare.

Moleculele fluidului (aerul) din vecinatatea suprafetei corpului cald se incarcă cu energie (se încalzesc), se deplasează și sunt înlocuite cu alte molecule care la randul lor se încarcă cu energie. Viteza cu care se pierde caldură prin aceasta cale depinde de densitatea și viteza moleculelor fluidului (convectia in apa se realizeaza mult mai repede decat in aer). “Curentul” – este un exemplu al efectelor convectiei.

Evapoare – Se realizează procesul de schimbare a starii de agregare a apei din lichid în gaz. Acest proces se realizează cu absorbție de caldură (endoterm). [4]

Cantitățile de căldură latentă sunt redate prin linia punctată q1 cedată de oamenii aflați în aceeași condiție. Căldura cedată în incintă va fi qp= qt-q1. Pentru a afla căldura cedată variată în funcție de un număr de oameni, căldura totală cedată va fi Qp= Nx(qt-q1).

1.3 Căldura radiată de aparatele electronice.

Degajările de căldură de la aparatele electronice din casă, radiază căldura spre spațiul înconjurător și pot fi cauzate de către sisteme de iluminat electric, de motoare electrice ale utilajelor tehnologice, de la cuptoare, de la conducte calde, și alte aparate care prin procesul de funcționare se încălzesc.

2. EFECTUL DE SUPRAÎNCĂLZIRE

Metode bioclimatice pentru confortul termic interior în perioada sezonului cald.

2.1 Anvelopa Clădirii

Componentă vitală a performanței clădirii.

Unul dintre obiectivele prioritare UE 2020 ale sectorului de clădiri din Europa, este

integrarea surselor de energie regenerabilă împreună cu înbunatățirile performanței anvelopei clădirilor.

Anvelopa clădirii definește un rol cheie în performanța energetică a clădirilor prin a echilibra nevoile ocupantului cu calitatea confortului interior.

Radiația solară care pătrunde în anvelopanta clădirii este unul dintre factorii care sprijină fenomenul de “Urban heat island” fiind afectată de climat, poziționare geografică, densitatea și configurația urbană, orientarea clădirilor și materialele folosite.

Transferul de căldură prin anvelopa clădirii către interiorul clădirii, căldura antropogenică și radiația de căldură derivată din electronice menționate și anterior, reprezintă principalele motive pentru supraîncălzirea spațiilor interioare și care conduc la nevoia de creștere a energiei electrice pentru sisteme de răcire și ventilare.

Un element cheie pentru a reduce rezultatul de “anvelopa supraîncalzita” îl reprezintă atența critică acordată materialelor, sistemelor de umbrire și suprafețelor vitrate care este fundamentală pentru reducerea consumului de energie. [5][5.1]

2.2 Sisteme de umbrire pasivă și orientarea cardinală.

Excesul aportului solar către anvelopanta clădirilor afectează critic performanța

energetică a acestora.

Astfel, studiul evaluează potențialul alternativelor de sisteme de umbrire pasivă folosite în Europa, luând în considerare estimări prevăzute prin standarde EU cât și calcule asupra parametrilor necesari de performanță a suprafețelor vitrate care necesită umbrire, și care, ca rezultat conduc la scăderea necesarului izolației exterioare, întârzierea transferului de căldură naturală către interiorul clădirii, reducerea consumului de energie electrică pentru sisteme de răcire și ventilație, și nu în ultimul rând reducerea emisiilor de CO2.

“Buildings with well functioning solar protection can cut the investment cost for cooling and ventilation installations, reduce energy use and create the conditions for good thermal and visual comfort.”

- Helena Bülow-Hübe et al., University Lunda

În atenția sistemelor de umbrire pasivă, ca factor important al principiilor bioclimatice, orientarea cardinală joacă un rol primar în argumentarea orientării zonelor funcționale către Nord sau Sud. Astfel, o primă precizie de umbrire este insăși clădire prin orientarea sa, cu o atenția oferită asupra spațiilor, în cazul unei locuințe unifamiliare, zonele tehnice și dormitoarele vor fi orientate spre Nord iar zonele de zi care necesită lumina naturală vor fi orientate spre Sud.

Un alt element pasiv în umbrirea construcțiilor este definit de contextul geografic și anume vegetația aferentă terenului, prin umbrirea fațadei datorate cororanei bogate a copacilor în timpul sezonul cald și lipsa acestei coroane în timpul sezonului rece care lasă pătrunderea radiției solare către clădire.

În completarea acestor prime două faze de umbrire pasivă care țin de contextul

geografic și climatic, industria sistemelor de umbrire oferă o varietate complexă de opțiuni pentru protecții solare precum jaluzele, copertine, lamele venețiene, obloane care pot fi retractabile sau permanete integrate in anvelopă, manuale sau automatizate. În balanță cu sistemele de umbrire pasive tradiționale, clădirile secolului 21 depind de alte nevoi, iar inbunătățirea acestora raportate la consumul și tehnlogiile actuale este prioritar.[5.2]

2.3 Studiu I

Vegetația ca factor important în conservarea energiei

Prima formă de umbrire pasivă a clădirilor se datorează amenajării teritoriale, care

demonstrează a fi unul dintre cei mai importanți factori în conservarea energiei.

Așadar vegetația poate fi folosită pentru a umbri terasele, acoperișul, pereții dar și

ferestrele. Prin procesul de evapotranspirație din vegetație aerul din jurul clădirii se poate răci cu până la 5gradeC. În funcție de climatul specific zonei, se ia în considerație plantarea tipurilor de arbuști potriviți pentru înalțime, densitate și permeabilitatea către lumină și astfel trebuie luat în considerare următoarele principii de implementare:

1. Pe timp de vară sunt potriviți arbori și arbuști, oferind umbră, răcire și ventilație naturală vară, și permițând accesul luminii și căldurii iarna.

2. În umbrirea specială a acoperișurilor și a ferestrelor este necesară o umbră deasă, și se vor planta arbori cu frunze grele.

3. Copacii dezvoltați pe vertical sunt cei mai potriviți pentru o protecție solară intensă la unghiuri mici.

4. Umbrirea și izolarea pereților de către radiațiile solare pot fi rezolvate prin vegetație verticală precum iedera.

5. Pentru feresterele orientate către Sud, umbrirea orizontală redată de frunze de foioasă ajută în a răspunde sezoanelor calde și reci. [6]

2.4 Studiu II

Sisteme de umbrire.

În timp ce sistemele de umbrire ajută în performanța clădirilor, crește și necesitatea de energie pentru sistemele de iluminare interioară artificială. În această situație dispozitivele de umbrire pot provoca o cerere mai mare de energie pentru iluminat și, în unele cazuri, chiar mai ridicate cererea de energie pentru sistemele de răcire. Prin urmare, pentru a examina acest fenomen, șase diferite strategiile de umbrire au studiate conform Analysis of different shading strategies on energy demand and operating cost of office building, și explicate după cum urmează:

Două cu dispozitive mobile mobile, două cu dispozitive mobile externe și două cu dispozitive staționare externe. [6.1]

Sistemul mobil de umbrire devine activ dacă în momentul în care fasciculul și radiația solară difuză depășesc valoarea setată la punctul de setare solar-220W/m2. Scopul studiului este de examina aceleași strategii de umbrire în funcție de zone diferite din Europa și nu de a le optimiza pentru fiecare climat specific. S-au folosit 5 date climatice pentru calculul de energie, răcire și lumină artificială după cum vedem în rezultate:

Rezulatul arată cum pentru fiecare climat specific Europei, dispozitivele pentru umbrire, răcire-încălzire, și iluminat variază. Insă, consumul de energie folosit pentru diferitele zone, este egal.

2.5 Studiu III.

Suprafețe vitrate + tâmplării, importante în integrarea sistemelor de umbrire. Un mare procent al performanței energetice se datorează înaintea sistemelor de umbrire alese, suprafețelor vitrate. Relevant pentru standardele Europene sunt următorii parametrii:

1. Transmisia totală a energiei solare, denumită valoarea g, care permite determinarea câștigul de energie solară;

2. Transmitanța termică, denumită valoarea U (măsurată în W / (m2.K)), care permite calcularea transferului de căldură prin fereastră.

3. Transmitanța vizibilă, v, care oferă informații despre distribuția luminii. [6.2][7]

Pentru atingerea obiectivelor Europene 2020 referitoare la performanța nergetică a clădirilor, se ia in consiredera în prim plan ridicare performanței stocurilor de geamuri ineficiente din punct de vedere termic.(articol10)

Performanța termică a sticlei variază prin modificarea parametrilor și straturilor de acoperire. Invenția se datorează lui Pilkington (1950) care a dezvoltat producția de

sticle extrem de plate și care a contribuit la creșterea industriei de sticlă până la sfărșitul anilor 1980. Primul pas în evoluția sticlei în inițiative de conservare a energiei apare în 1973 prin criza energetică. Cele mai comune tipuri de sticlă sunt listate precum:

1. Sticlă fluida clară (neacoperită)

2. Geamuri joase cu acoperire moale

3. Geamuri joase cu acoperire dură

4. Absorbție de sticlă de control solar

5. Reflectarea geamului solar

6. Geamurile anti-reflectorizante

7. Combinații laminate ale celor de mai sus.

Caraceristicile termale complexe ale sistemelor diversificate de sticla pot fi combinate prin folosirea urmatorelor: Sticla simplă clara, sticla dubla, heat control, solar control, triple clear glass, double crear glass si low E coating. În investigarea impactului sistemelor solare asupra performanței clădirii pentru sistemele de răcire și încălzire, se iau în considerare valorile cele mai scăzute și cele mai ridicate ale transmitanței totale de energie g și termică de transmisie U, și astfel se crează seturi de calitate a suprafețelor vitrate. Această abordare definește “Economisirea energiei din atașamentele ferestrelor” realizată de către Lawrence B. [7]

Estimarea reducerilor de consum energetic pentru răcire și încălzire a fost studiat pentru 4 climate diferite ale Europei, pentru Roma, Bruxelles, Stockholm și Budapesta.

Grafic comparativ cu datele climatice ale orașului Budapesta si România - București.

Cele mai importante valori pentru suprafețele vitrate, ridicate sau scăzute ca performanțe de referință pentru standardelor Europene, sunt reprezentate de valorile U și g. Astfel pentru zonele depistate s-au făcut calcule pentru a depista performanța în trei condiții permise:

1. Fără sistem de umbrire- G<200W/m2

2. Sistem de umbrire complet- G>400W/m2

3. Partial umbrit - 200<G<400W/m2

În toate cele 3 cazuri, sistemele de umbrire exterioară prezintă un impact pozitiv asupra rezultatului. Sistemul solar cu valorile cele mari de g și U prezintă o mică economisire de energie. Salvarea de energie pentru răcire poate varia între 30%-45% fiind în dependeță de sticla folosită care poate să crească catre 50%-65%, și nu în ultimul rănd depinde de orientarea cardinală. Suprafețele vitrate ale clădirilor joacă un rol extrem de important și de decisiv în a asigura performanță totală a clădirii. Astfel, sticla joacă nu în ultimul rând, rol dublu pasiv atât de iluminat și transparență cât și de umbrire prin atingerea performței valorilor g, U și V.

Concluzii

În această lucrare au fost studiate cauzele efectului de supraîncălzire a spațiului interior pe timpul sezonului cald precum magazinarea căldurii transferate de căldura antropogenică, radiația căldurii din aparate electrice și transferul natural de căldură prin anvelopă. În același timp lucrarea caută să evidențieze importanța principiilor bioclimatice în reducerea efectului de supraîncălzire, și specifică principiile bioclimatice care pot optimiza climatul intern precum, Orientarea Cardinală, Exploatarea vânturilor reci iarna și înlăturarea excesului de căldură vara, Anvelopa clădirii , Considerente privind etanșeitatea anvelopei, Volumetria clădirii, Considerente privind forma clădirii în funcție de climatul local, Sisteme pentru circularea aerului natural interior, Integrarea sistemelor de ventilare gândite și aplicate pentru ventilare naturală, Umbiri pasive folosind natura și nu în ultimul rând, Folosirea vegentației ca umbrire pe timp de vară și iluminare pe timp de iarnă.

Astfel, identificăm diferite sisteme pasive pentru umbrirea clădirilor cu scopul conservării energiei in clădiri, minimizarea necesarului izolației exterioare, întârzierea transferului de căldură naturală către interiorul clădirii, reducerea consumului de energie electrică pentru sisteme de răcire și ventilație, și nu în ultimul rând reducerea emisiilor de CO2.

Sistemele de umbrire pasivă ajută în minimizarea incidentului de radiație solare și în răcirea clădirii în mod eficient, inbunătățind performanța energetică a clădirii.

În cele studiate anterior se constată ca element principal primordial în componeța unei clădiri responsabilă pentru performanța sa, anvelopanta clădirii. Ca urmare a studiului se identifică soluții variate pentru sisteme pasive de umbrire începând cu sisteme primare precum vegetația, sisteme de umbrire exterioare și interioare, ajungându-se la complexitatea sticlei ca material introduse în sistemul de protecție și umbrire. În toate cazurile enumerate anterior, studiate pentru zone diferite din Europa, ajută mult în minimizarea necesarului de consum energetic pentru calitatea ambientală interioară.

Așadar, un prim pas în atingerea obiectivelor enunțate anterior, va fi integrarea

sistemelor pasive ca sisteme de umbrire a clădirilor pentru o performanță enegetică crescută.[6.2] [7]

Referințe

[1] GREEN BUILDING TRENDS- EUROPE , Jerry Yudelson, Island prees, DC 2009

[2 ]Protectia la foc a caselor cu consum redus de energie si sansele lor de penetrare a pietei din Romania- Conferința internațională despre construcții sustenabile și eficiența energetică, arh. Horia Mihai NICOLESCU, Mai, 2018.

[3] PASSIVE HOUSE INSTITUTE, sursă web https://passiv.de/en/04_phpp/04_phpp.htm

[4]DEGAJĂRILE DE CĂLDURĂ DE LA OAMENI, Dimensionarea instalațiilor de

climatizare.

[5]HIGH PERFORMANCE DYNAMIC SHADING SOLUTIONS FOR ENERGY EFFICIENCY AND COMFORT IN BUILDINGS EXECUTIVE SUMMARY, Michael

Hutchins, Sonnergy Limited-European Solar Shading Organisation, Mai, 2015

[5.1] SHADING- A SIMPLE TECHNIQUE FOR PASSIVE COOLING AND ENERGY

CONSERVATION IN BUILDINGS, Mohammad Arif Kamal,art. Architecture ime space and people, Ianuarie 2011

[5.2]BIOCLIMATIC ARCHITECTURE. A sustainable Design approach in attempt to

connect with Nature while Maintaining Building Comfort based on local Climate,

Joanne Bernnice Chua Yunn Tze, Asian Architecture Taylor Universiy, Iunie 2015.

[6] FROM HIGH PERFORMING BUILDINGS TO NEARLY ZERO ENERGY BUILDINGS:

POTENTIAL OF AN EXISTING OFFICE BUILDING, Cristina Becchio1 , Stefano Paolo

Corgnati1 Valentina Monetti1 and Enrico Fabrizio, Octombrie 2013.

[6.1] ANALYSIS OF DIFFERENT SHADING STRATEGIES ON ENERGY DEMAND AND

OPERATING COST OF OFFICE BUILDING, Warsaw University of Technology Faculty of Environmental Engineering 20 Nowowiejska Street, 00-653 Warsaw Poland, Octombrie 2014.

[6.2] HIGH PERFORMANCE DYNAMIC SHADING SOLUTIONS FOR ENERGY

EFFICIENCY AND COMFORT IN BUILDINGS EXECUTIVE SUMMARY, Michael

Hutchins, SonnergyLimited-European Solar Shading Organisation, Mai, 2015

[7 ] STRATEGII BIOCLIMATICE - SISTEME DE UMBRIRE PASIVĂ ACTIVE ÎN

SECTORUL CLĂDIRILOR DIN EUROPA, Bodale Anca, articol doctorat, decembrie

2018.