Abstract
Excesul aportului solar către anvelopanta clădirilor afectează critic performanța energetică a acestora.
Acest review evidențiază importanța principiilor bioclimatice prin implicarea strategiilor pasive în proiectarea și construcția clădirilor, și se concentrează pe impactul sistemelor de umbrire asupra performanței clădirilor.
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.
1. INTRODUCERE
Prin aria principiilor bioclimatice, putem considera climatul local ca unul dintre factori fundamentali în studiul strategiilor pasive de umbrire, și astfel studiul evaluează sectorul Clădirilor din Europa. 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, încălzire, luminare, mentenanță cât și pentru construcția de clădiri. Înainte de folosirea sistemelor de optimizare a eficienței energetice a clădirilor, metoda primară a controlului climatului interior al clădirilor s-a datorat “arhitecturii solare pasive” derivată a arhitecturii bioclimatice. Elementele de bază folosite în arhitectura solară pasivă sunt reprezentate de fluxul energiei termice-radiația, conducția și convecția naturală. Prin luminarea unei clădiri folosind aportul solar, componența anvelopantei poate reflecta, transmite sau absorbi radiația solară. Toate aceste preocupări care se concentrează pe radiația solară au condus la direcții de proiectare, de design, și de alegerea materialelor și sistemelor componente ale anvelopantei clădirilor, care pot optimiza eficiența energetică a clădirilor[1]
Pentru Europa, standardele datelor pentru impactul sistemelor de umbrire cu referire la salvarea de energie electrică, și a reducerii emisiilor de CO2, sunt estimative și integrate în EU28MS.
Așadar, pentru energia folosită în raport egal de 50-50% către spațiile încălzite și spațiile răcite, impactul sistemelor de umbrire se estimează prin 30% salvarea de energie pentru sistemele de răcire din 39.8Mtoe/a, și 14% pentru sistemele de încălzire din 25.4 Mtoe/an. Potențialul energiei totale salvate, atât pentru sistemele de încălzire cât și pentru sistemele de răcire, ajunge la salvare de energie totală de aproximativ 19% din 49.3Mtoe/an și o reducere a emisiilor de carbon de 19% .
Unul dintre obiectivele prioritare ale sectorului de clădiri din Europa, este integrarea surselor de energie regenerabilă împreună cu îmbunătățirile performanței anvelopei clădirilor. [2]
2. STRATEGII BIOCLIMATICE
Rol fundamental în performanța clădirilor, salvarea de energie și reducerea emisiilor de CO2.
Conceptul de bioclimatic se definește 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 ani, afectând grav mediul dar și zona de confort a utilizatorilor și locuitorilor, adică a oamenilor. Strategiile bioclimatice tradiționale au fost cele mai intuitive metode Pasive aplicate asupra clădirilor încât să poată răspundă mediului prin a asigura confortul interior dorit. Privind standardele 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 dezacidificare.
3. Energia totală care alimentează toate aplicațiile interne ale clădirii (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]
Așadar, un factor elementar care a condiționat proiectarea pasivă 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:
1. Poziționarea cardinală.
2. Sisteme de răcire 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.
Articolul evidențiază unul dintre principiile strategiilor bioclimatice, și anume Sisteme pasive de umbrire - protecția împotriva soarelui vara.
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 NZEBs 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]
3. ANVELOPA CLĂDIRII
Componentă vitală a performanței clădirii.
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 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 supraîncălzită” îl reprezintă atenția critică acordată materialelor, sistemelor de umbrire și suprafețelor vitrate care este fundamentală pentru reducerea consumului de energie. [5]
Prezentul review argumentează importanța soluțiilor de umbrire care joacă un rol cheie în optimizarea performanței energetice a clădirilor prin a reduce cererile de de sisteme de îcălzire și răcire.
4. STRATEGII PENTRU SISTEME DE UMBRIRE PASIVĂ
“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 unifamiliale, 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 radiației 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 permanente integrate in anvelopă, manuale sau automatizate. În balanță cu sistemele de umbrire pasive tradiționale, clădirile secolului 21 depind de alte nevoi, iar îmbunătățirea acestora raportate la consumul și tehnlogiile actuale este prioritar.
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 evapo-transpirație din vegetație aerul din jurul clădirii se poate răci cu până la 5 grade C . În funcție de climatul specific zonei, se ia în considerație plantarea tipurilor de arbuști potriviți pentru înălțime, 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 ferestrele orientate către Sud, umbrirea orizontală redată de frunze de
foioasă ajută în a răspunde sezoanelor calde și reci. [6]
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.
Reprezentare grafică a strategiilor de umbrire.
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:
Rezultatul arată cum pentru fiecare climat specific Europei, dispozitivele pentru umbrire, răcire-încălzire, și iluminat variază. Însă, consumul de energie folosit pentru diferitele zone, este egal
Studiu III.
Sticlă performantă + sisteme 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.
Pentru atingerea obiectivelor Europene 2020 referitoare la performanța energetică a clădirilor, se ia in consiredera în prim plan ridicare performanței stocurilor de geamuri ineficiente din punct de vedere termic. (articol 10)
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 sfârșitul 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 ataș amentele ferestrelor ” realizată de către Lawrence Berkeley.
6. Concluzii
În această lucrare au fost discutate diferite sisteme 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 solții 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.
autor articol arhitect Anca Bodale
Kommentare