Consideram util sa amintim ca principalul rol al unei cladiri este de a asigura ocupantilor un mediu sanatos, placut si confortabil, cat mai putin dependent de conditiile exterioare, in special meteorologice si acustice.
Exigentele actuale referitoare la acest aspect, sunt mult mai restrictive decat cele acceptate in perioade istorice anterioare datorita modificarilor survenite in natura si complexitatea actiunilor (exterioare si interioare) ce se exercita asupra cladirilor, pe de o parte si datorita evolutiei cerintelor utilizatorilor, pe de alta parte satisfacerea acestor exigente, legata direct de consumul de energie, este la fel de importanta ca si a celor de siguranta si stabilitate la actiuni mecanice, aspectul arhitectural-estetic sau incadrarea in mediu. Energia utilizata in exploatarea cladirilor este destinata realizarii unui mediu interior sanatos si confortabil, respectiv incalzirii in perioada rece a anului, racirii in perioada calda, iluminatului si ventilarii. In perioada premergatoare declansarii crizei energetice, perioada in care asigurarea calitatii mediului constituia exclusiv problema instalatiilor, era unanim acceptata ideea privind relatia directa intre consumul energetic si calitatea mediului interior, ceea ce insemna ca o crestere a consumului energetic conduce automat la cresterea calitatii mediului interior in general si a confortului in special si invers, reducerea consumului energetic are drept consecinta conditii inferioare de viata si de confort. Era recunoscut chiar un conflict intre consumul energetic redus si un mediu interior sanatos si confortabil. Cercetarile orientate in directia identificarii unor strategii si mijloace de rezolvare a problemelor energetice si mai recent a celor de mediu, in cadrul generos oferit de conceptul dezvoltarii durabile, au demonstrat ca printr-o abordare interdisciplinara, multicriteriala a conceptiei cladirilor, este pe deplin posibila o buna calitate arhitecturala, un mediu interior agreabil, confortabil si sanatos si un consum de energie redus. Aceste atribute definesc o cladire eficienta energetic.
O analiza complexa a relatiei consum de energie – calitatea mediului interior, la cladiri de locuit si administrative a fost realizata in cadrul Proiectului european HOPE (Health Optimization Protocol for Energy efficient Buildings), realizat cu 14 participanti din 12 tari europene, in perioada 2002 – 2005 /1/. Au fost investigate mai mult de 160 de cladiri din sectorul de locuinte si administrativ, jumatate dintre acestea prezentand un consum de energie relativ redus. Investigatia a constat dintr-o inspectie generala, o discutie cu administratorul cladirii, si chestionare distribuite ocupantilor. Rezultatele obtinute au infirmat in buna masura teza referitoare la relatia de proportionalitate directa intre consumul energetic si calitatea mediului interior, permitand incadrarea cladirilor care au format obiectul investigatiei in 4 categorii:
– cladiri cu consum energetic ridicat si o calitate corespunzatoare a mediului interior;
– cladiri cu consum energetic ridicat si calitate scazuta a mediului interior;
– cladiri cu consum energetic redus si calitate necorespunzatoare a mediului interior;
– cladiri cu consum energetic redus si o buna calitate a mediului.
Astfel, s-a constatat ca energia consumata nu depinde numai de valoarea temperaturii interioare, de rigorile climatului si de rata ventilarii ci intr-o masura chiar mai mare de solutiile arhitecturale si constructive si de modul de exploatare. S-a inregistrat un procentaj ridicat de insatisfactie sau chiar simptoame ale SBS in cladiri in care se consuma o mare cantitate de energie pentru ventilare mecanica dar nu se acorda atentie umiditatii, gradului de ocupare sau protectiei la zgomot. Si invers, cladiri cu consum de energie redus, ventilate natural, prezinta un mediu interior sanatos si confortabil.
Calitatea mediului interior, factor determinant in ceea ce priveste sanatatea si starea de bine a ocupantilor unei cladiri, este determinata de compozitia aerului (cu referire la poluantii chimici, fizici, biologici sau de alta natura) si de confort (cu principalele componente, acustic, termic, vizual).
Compozitia aerului. Surse interioare de poluare
Cladirea poate prezenta riscuri pentru sanatatea ocupantilor in masura in care adaposteste surse de poluare chimica sau fizica si/sau asigura conditii favorabile de dezvoltare a microorganismelor. Principalele surse de poluare in cladiri pot genera:
Poluanti chimici Produsii chimici de sinteza fac parte integranta din mediul nostru ambiant. Acestia pot fi intalniti in alimente, apa, aer, fiind emisi de materiale de constructii, mobilier, produse de intretinere, etc. Efectele poluarii chimice asupra starii de sanatate sunt multiple si merg de la simpla perceptie senzoriala la efecte foarte grave, care pot afecta sistemul respirator, sistemul nervos sau gastro-intestinal. Anumiti poluanti chimici sunt incadrati chiar in categoria substantelor cancerigene. Daca toxicitatea individuala a celei mai mari parti din acesti poluanti este cunoscuta, nu se stie practic nimic de toxicitatea acestora cand se gasesc in amestec si au concentratii reduse, asa cum se prezinta cel mai adesea in aerul interior al cladirilor in care locuim sau ne desfasuram activitatea.
Poluanti fizici Principalii poluanti fizici prezenti in interiorul cladirilor sunt umiditatea excesiva, radonul, praful, fibrele (in special de azbest), campurile electrice si magnetice, campurile electromagnetice de joasa si inalta frecventa. Prezenta acestor poluanti poate cauza cele mai diverse simptoame, de la uscaciunea cailor respiratorii, la pierderi de memorie si dificultati de concentrare pana la boala canceroasa.
Poluanti biologici In categoria poluantilor biologici pot fi inclusi microbii, virusii, bacteriile, polenul si mirosurile care se dezvolta in aerul interior si care provin de la fiinte umane, animale de casa, acarieni, gandaci, plante de interior, mucegai etc. Acestea provoaca alergii, afectiuni ale cailor respiratorii, cei mai vulnerabili fiind copiii si persoanele in varsta. Riscurile legate de acesti poluanti sunt cu atat mai mari cu cat concentratia este mai mare.O buna calitate a aerului presupune cunoasterea surselor de poluanti, reducerea emisiilor la minimum posibil si evacuarea continua a poluantilor aerieni prin ventilare.
Confortul.
In concordanta cu tipul principalelor informatii primite din mediul ambiant, confortul in general presupune confort, termic, vizual si acustic. Perceptia nivelului de confort implica un anumit grad de subiectivism, dar in acelasi timp este rezultatul actiunii simultane a unor factori obiectivi, cuantificabili, de ordin arhitectural, constructiv sau de exploatare. Daca asigurarea confortului acustic nu este direct legata de factorul energetic, asigurarea confortului termic si vizual pe intreaga durata a anului necesita un anumit consum energetic pentru incalzire, climatizare, iluminat.
Confortul termicse realizeaza prin:
– asigurarea unei temperaturi operative medii, ca rezultanta a temperaturii aerului, a suprafetelor delimitatoare, a umiditatii si vitezei de miscare a aerului, in concordanta cu natura activitatii si imbracamintea ocupantilor;
– limitarea asimetriei temperaturilor radiante si a gradientilor de temperatura la valori acceptabile;
– evitarea situatiilor in care ocupantii vin in contact cu suprafete prea reci sau prea calde;
– evitarea curentilor de aer (limitarea vitezei de miscare a aerului);Aceste exigente se cer a fi indeplinite atat in conditii de iarna, cat si in conditii de vara.
Confortul vizual este obtinut prin asigurarea unui iluminat adaptat activitatii in campul vizual, evitand contrastele foarte pronuntate, mai ales orbirea. Spectrul luminos utilizat trebuie sa fie continuu iar temperatura culorii adaptata iluminatului. Iluminatul natural este confortabil in masura in care intensitatea sa poate fi controlata.
Confortul acustic poate fi asigurat prin evitarea zgomotelor jenante, prin reducerea intensitatii acestora la sursa sau prin izolare acustica la zgomote aeriene sau de impact. Nivelul de zgomot normat admisibil are valori corelate cu natura activitatii care se desfasoara intr-un anumit spatiu ( activitate intelectuala, odihna, ingrijirea sanatatii etc.)
Strategii si mijloace de realizare a mediului interior sanatos si confortabil cu consumuri reduse de energie
Reducerea consumurilor energetice necesare unui mediu interior sanatos si confortabil poate fi obtinuta prin aplicarea unor masuri pasive, asociate unor consumuri energetice minime, integrate in conceptia arhitecturala si constructiva a cladirii. De exemplu, instalatiile de ventilare mecanica sau de climatizare, care corect concepute si exploatate ar putea contribui la asigurarea unui mediu sanatos si confortabil, se incadreaza in categoria masurilor active, pe cand protectia termica sau ventilarea controlata sunt masuri active. In general, masurile de asigurare a confortului termic cu consumuri reduse, cu anumite exceptii, contribuie (sau nu afecteaza) calitatea aerului. Una din masurile care intervine in satisfacerea ambelor categorii de exigente, in anumite situatii in mod contradictoriu, este ventilarea, care redusa sub un anumit nivel in scopul economisirii energiei, devine insuficienta din punct de vedere a calitatii aerului sau a riscului de condens.
Izolarea termica a anvelopeiPresupune utilizarea rationala in alcatuirea anvelopei unei cladiri, a unor materiale ce impiedica transmiterea caldurii interior-exterior, iarna, exterior-interior, vara. Materialele folosite in mod curent pentru izolare termica au conductivitate termica si densitate reduse, sunt de natura organica sau anorganica si se prezinta sub forma de placi, blocuri, saltele etc. Proprietatile lor si domeniile de aplicabilitate sunt in general bine cunoscute, ca si solutiile constructive in a caror alcatuire sunt incluse: structuri omogene usoare, structuri stratificate compacte, structuri ventilate, acoperisuri verzi, pereti cu izolatie transparenta etc.
Exista insa materiale cu proprietati termice superioare, mai putin cunoscute, in curs de introducere in practica curenta:
– materiale izolante sub forma de straturi subtiri asociate cu folii reflectante, care au rolul de a reflecta radiatia infrarosie si deci de a suprima transferul de caldura prin radiatie;
– materiale izolante sub vid obtinute prin evacuarea aerului dintr-un suport fibros sau celular ambalat intr-o foaie etansa; printre acestea nanogelul de siliciu prezinta proprietati speciale, fiind mai putin conductiv decat aerul la presiune normala;
Eficienta izolatiei termice presupune continuitatea sa pe intreaga suprafata a anvelopei. Orice discontinuitate fizica sau geometrica genereaza o punte termica caracterizata prin pierderi de caldura suplimentare si risc de condens si inconfort. Aceste punti termice trebuie evitate pe cat posibil sau tratate de o maniera corespunzatoare atunci cand nu pot fi evitate.
Forma si orientarea cladirii
Suprafata de contact intre cladire si mediul exterior influenteaza atat pierderile cat si aporturile de caldura. O suprafata exterioara cat mai mica sporeste eficienta termoizolarii, indicele de compactitate fiind unul din parametrii importanti in stabilirea indicatorilor energetici. Suprafetele vitrate corect dimensionate si orientate contribuie la reducerea pierderilor de caldura si valorificarea aporturilor solare.
Orientarea judicioasa in raport cu vanturile dominante si punctele cardinale este importanta pentru controlul infiltratiilor de aer si pentru asigurarea unui traseu convenabil de circulatie a aerului pe timpul verii in scopul climatizarii spatiilor.
Inertia si masa termica
Inertia termica reprezinta capacitatea cladirii de a mentine o temperatura interioara cat mai apropiata de valoarea medie exterioara in absenta unei surse de incalzire sau racire. Aceasta reflecta capacitatea anvelopei si a elementelor de compartimentare de a amortiza si defaza in timp oscilatiile temperaturii exterioare si ale fluxurilor generate de radiatia solara si aporturile din utilizare.
Inertia termica are doua componente:
– inertia de transmisie care se refera la elementele opace, este data capacitatea de amortizare si defazaj a acestora si intervine in raport cu variatia temperaturii si ale fluxurilor exterioare;
– inertia de absorbtie se refera la elementele care vin in contact cu aerul interior si intervine in raport cu fluxurile energetice ce traverseaza suprafetele vitrate sau rezulta din procesul de utilizare.Inertia mare, obtinuta prin dispunerea straturilor cu masa mare spre interior este adecvata regimului de incalzire continuu. Regimul de incalzire discontinuu reclama o inertie redusa care sa faciliteze incalzirea sau racirea rapida. Aceasta se obtine prin plasarea spre interior a stratului izolant sau prin placarea suprafetelor interioare cu un strat subtire de material termoizolant asociat cu un strat subtire de material usor cum ar fi lambriuri din lemn, material plastic sau gips carton.
Ventilarea
Rolul ventilarii este complex, constand atat in reimprospatarea aerului, prin evacuarea aerului interior viciat si inlocuirea cu aer proaspat, cat si in asigurarea confortului, in special in conditii de vara. Cerintele de economisire a energiei, precum si neajunsurile de alt ordin legate de ventilarea mecanica si mai ales de conditionarea aerului, au determinat o reorientare spre ventilarea naturala controlata, nu numai in cazul locuintelor ci si a cladirilor publice, multietajate. Literatura de specialitate prezinta numeroase exemple de cladiri publice, multietajate, noi sau reabilitate, la care ventilarea se realizeaza pe cale naturala. S-au dezvoltat sisteme care accentueaza efectul de cos prin valorificarea unor elemente arhitecturale de tip curte interioara sau atrium sau utilizeaza rational energia solara si presiunea vantului (fatade active, fatade double – peau).
Avantajele climatice ale solului
Masa termica importanta a solului determina o atenuare progresiva a variatiilor diurne si anuale ale temperaturii aerului exterior cu adancimea, insotita de o defazare in timp. Acestea pot fi valorificate la realizarea constructiilor subterane sau partial ingropate, la conceptia si realizarea sistemelor de stocare sezoniera a energiei solare precum si a unor sisteme de preincalzire/preracire a aerului proaspat introdus in cladiri prin procesul de ventilare.
Valorificarea energiei solare
Sistemele pasive de valorificare a energiei solare constand in spatii de tip sera, pereti cu efect de sera, fatade solare de diverse tipuri etc., au patruns in vocabularul de baza al arhitecturii contemporane. Functionarea lor se bazeaza pe efectul de sera, inertia termica, circulatia aerului prin convectie termica naturala. Un nivel de dezvoltare superior il constituie introducerea panourilor fotovoltaice integrate in fatade de mare performanta.Valorificarea acestor principii a avut ca rezultat elaborarea unor solutii si sisteme complexe bazate pe cumularea mai multor efecte si integrarea in conceptia arhitecturala generala. Sistemele pasive de valorificare a energiei solare asociate cu sisteme de preluare a caldurii din aerul viciat, de conditionate a aerului prin folosirea unor schimbatoare de caldura sol – aer, sau sisteme evaporative de racire pentru conditii de vara conduc la importante economii de energie in cadrul unor cladiri ecologice, cu reale calitati de adaptare la fluctuatiile parametrilor mediului exterior.Progresele tehnologice in domeniul materialelor si produselor de constructii ofera proiectantilor solutii tehnice complexe, cu eficienta ridicata cum sunt: termoizolatiile transparente, geamuri termoizolante cu proprietati optic selective, fatade active implicate in ventilarea spatiilor, suprafete fotovoltaice etc.
Reducerea energiei pentru iluminat
Reducerea cantitatii de energie pentru iluminat implica prelungirea duratei de utilizare a luminii de zi, ceea ce se obtine in special prin masuri de ordin arhitectural: adoptarea formei si dimensiunilor optime pentru ferestre, evitarea obstructionarii ferestrelor de catre copaci, instalatii sau cladiri, colorarea suprafetelor opuse ferestrelor in nuante deschise, reflectorizante, evazarea golului de fereastra spre exterior pentru a mari suprafata de cer vizibil. Amplasarea in dreptul ferestrelor a unor sisteme anidolice, constituite din oglinzi cu o anumita forma si constructie, cu rolul de concentrare si dirijare a fascicolului luminos spre zone mai putin luminate ale incaperii, intr-o anumita perioada a zilei. In felul acesta se obtine o uniformizarea iluminatului si o scurtare a duratei de utilizare a luminii artificiale.
Metodologie de optimizare/evaluare a cladirilor in faza de proiectare prin prisma criteriilor de calitate a mediului interior in raport cu consumul de energie in exploatare
Definirea criteriilor globale de apreciere
Uneori, exista un potential conflict intre strategiile de reducere a consumurilor energetice pentru exploatarea cladirilor si realizarea unor cladiri sanatoase. De exemplu, un material sau un produs pentru constructii poate determina emisii nesanatoase, sau rata ventilarii redusa in scopul economisirii energiei, are consecinte negative asupra continutului de poluanti din mediul interior. Apare ca absolut necesara nu numai formularea unor criterii care sa reflecte ambele aspecte, dar si elaborarea unei metodologii capabile sa realizeze un compromis intre obiectivele referitoare la consumurile energetice si cele privind calitatea mediului.
Evaluare /optimizare a cladirilor in faza de proiectare
Reducerea consumurilor de energie pentru exploatarea cladirilor nu poate fi separata de calitatea mediului interior si influenta asupra celui exterior, iar toate acestea sunt rezultatul actiunii simultane a unui complex de factori care in esenta sunt definiti de caracteristicile constructive si arhitecturale, amplasament, conditii climatice, functionarea instalatiilor, comportamentul utilizatorilor. Interactiunea dintre aceste componente poate influenta eficienta cu care intervine fiecare masura sau complex de masuri de eficientizare energetica, asupra comportarii cladirii in ansamblu. Metodologia de analiza si selectie a celor mai potrivite strategii de eficientizare energetica si imbunatatire a calitatii mediului interior la cladiri noi sau existente se bazeaza pe elemente de ingineria sistemelor, aplicarea conceptului de performanta in aprecierea calitatii cladirilor si teoria deciziilor si poate fi aplicata in urmatoarele situatii:
– in fazele initiale ale proiectarii pentru alegerea scenariului optim, capabil sa satisfaca criterii contradictorii a caror nivel de satisfacere poate fi stabilit cu participarea tuturor actorilor implicati (proiectant, beneficiar, constructor);
– in reabilitarea termo-higro-energetica pentru alegerea scenariilor optime
– in faza finala a proiectarii, dupa ce au fost adoptate o serie de masuri in vederea atingerii obiectivelor, pentru aprecierea calitatii prin prisma satisfacerii exigentelor privind consumurile energetice si a calitatea mediului;
– in faza de exploatare cunoscand performantele cladirii in conditii reale de utilizare.
Selectia strategiei optime in fazele initiale ale elaborarii proiectelor pentru cladiri noi si de reabilitare termica
Aplicand abordarile teoretice specifice ingineriei sistemelor si teoriei deciziilor poate fi elaborata o procedura generala de selectie a solutiei optime de eficientizare termo-energetica a cladirilor proiectate sau existente, care implica parcurgerea urmatoarelor etape:
Analiza obiectivelor si restrictiilor – Obiectivul principal al eficientizarii termo-energetice a cladirilor il constituie reducerea consumurilor energetice din combustibili fosili pentru exploatare. In acelasi timp, trebuie avute in vedere si satisfacerea celorlalte exigente legate direct de consumul energetic, care se refera la asigurarea unui mediu interior sanatos si confortabil precum si cele legate de costurile de investitie si durata de amortizare a investitiei. In spiritul teoriei deciziei, daca reducerea consumului energetic pentru exploatare este un obiectiv, celelalte exigente devin restrictii. Atat pentru obiectiv, cat si pentru restrictii, trebuie sa existe un set de indicatori de performanta relevanti pentru evaluarea efectului pe care fiecare strategie (combinatie de masuri) il are asupra comportarii sistemului cladire.
Delimitarea spatiului optional – Preocuparea pentru reducerea consumurilor energetice in cladiri noi si existente, a condus la identificarea unui numar important de masuri vizand anvelopa, ventilarea, functionarea instalatiilor, modalitati de utilizare. Aplicarea acestora in cadrul unor combinatii tehnic posibile este dictata de masura in care raspund obiectivului, dar si de efectele percepute de utilizator Se evita astfel situatii in care predominand considerente economice, se adopta unele masuri de eficientizare energetica care influenteaza negativ calitatea aerului sau confortul. Spatiul optional este format din totalitatea combinatiilor posibile intre masurile de eficientizare, respectiv totalitatea scenariilor sau optiunilor.
Determinarea performantelor pentru fiecare scenariu (optiune) posibil. – Determinarea performantelor cladirii din punct de vedere al consumului de energie in exploatare si a satisfacerii exigentelor privind calitatea mediului interior poate fi realizata cu metode de evaluare a fiecarui indicator de performanta separat utilizand diferite instrumente de calcul, cum ar fi CASAnova sau seturi de programe MATLAB, SIMULINC etc., pentru evaluarea consumului energetic, COMIS, pentru rata ventilarii si concentratiile de poluanti.Simularea comportarii cladirii in ansamblu, cu ajutorul unor programe complexe, cum sunt TRNSYS, ESP-r, Energy Plus, etc. permite insa o evaluare realista a performantelor luand in considerare interconditionarile reciproce si sunt recomandate pentru o decizie corecta referitoare la strategia optima de eficientizare .
Valorile indicatorilor de performanta sunt trecute in matricea de performanta extinsa care constituie baza pentru selectia ulterioara.
Selectia scenariului optim. – Un pas important in procedura de selectie il constituie evaluarea tuturor datelor din matricea de performanta si selectarea celei care raspunde in masura cea mai mare obiectivului propus cu respectarea restrictiilor. Sunt luate in considerare numai optiunile care satisfac valorile minimale ale indicatorilor de performanta. Cele care nu indeplinesc aceasta conditie sunt excluse din matricea de performanta. Preferinta pentru o anumita optiune din cele ramase este determinata de masura in care aceasta raspunde obiectivului. In acest scop se adopta o scala de evaluare care permite sa se compare optiuni cu performante diferite, fiecare indicator de performanta calculat comparandu-se cu valoarea normata, folosind urmatoarea scala:
0, 00 – nivel de performanta inferior celui normat – nesatisfacator;
0, 50- nivel de performanta egal cu nivelul normat – satisfacator;
0, 75 – nivel de performanta superior valorii normate cu 50 – 100% – bine.
1, 00 – nivel de performanta superior valorii normate cu mai mult de 100% – foarte bine.
Ultima etapa a procesului de selectie consta in definirea functiei de utilitate prin acordarea unor valori pentru coeficientii de pondere. Aici pot interveni anumite aspecte aparent subiective, care apar in mod explicit si pot fi negociate. De exemplu, in anumite situatii, criteriul privind costul lucrarilor de investitii poate capata o pondere mai mare decat cel referitor la calitatea mediului interior si astfel sa fie selectata o strategie in care indicatorul respectiv sa raspunda la nivel satisfacator, in defavoarea alteia, care raspunde la nivelul „bine” dar este mai costisitoare.Selectia se face pe baza matricii de evaluare ai carei termeni reprezinta valoarea functiei de utilitate pentru fiecare optiune in parte.
Evaluarea cladirilor in faza de proiectare din punct de vedere a calitatii mediului si a consumurilor energetice – Metodologia este aplicabila in situatia in care la elaborarea proiectului au fost adoptate anumite masuri de eficientizare energetica si de asigurare a calitatii mediului interior fara a utiliza strategia prezentata anterior. Succesiunea etapelor este:
– Evaluarea nivelurilor de performanta in situatia data referitoare la calitatea mediului interior si la consumurile energetice pentru exploatare prin simulare numerica;
– Incadrarea valorilor normate in scala 0….1 (nesatisfacator……foarte bine);
– Definirea functiei de utilitate, respectiv adoptarea coeficientilor de pondere; se adopta aceeasi valoare pentru coeficientii relativ la calitatea mediului interior si la consumul energetic in exploatare.
– Calculul valorii efective a functiei de utilitate pe baza indicatorilor de performanta obtinuti prin simulare. Masura in care sunt satisfacute simultan cele doua categorii de criterii se reflecta in valoarea efectiva a functiei de utilitate raportata la 100%
