Arhitectura Solara

Diverse

Arhitectura Solara

Byadmin ianuarie 1, 2024

CUprins

I. INTRODUCERE

II. DE LA PASIV LA ARHITECTURA SOLARĂ INTELIGENTĂ

II.1. LOCAȚIA ȘI MICROCLIMATUL

II.2. TOPOGRAFIA

II.3. PROTECȚIA LA VÂNT

II.4. ORIENTAREA ȘI EXPUNEREA SOLARĂ

II.5. RAPORTUL SUPRAFAȚĂ – VOLUM

II.6. FORMA

II.7. ZONIFICAREA

II.8. ANVELOPANȚA

II.9. DESCHIDERI

II.10. MASA TERMICĂ

II.11. CLIMATIZAREA

II.12. NATURA CA MODEL

II.13. INOVAȚII

III. CONCEPTE ȘI TEHNOLOGII SOLARE

III.1. SISTEME SOLARE PENTRU UTILIZAREA TERMICĂ

III.2. SISTEMUL FOTOVOLTAIC

III.3. RECUPERAREA DE CALDURĂ

III.4. ACTIVAREA TERMICĂ A CLĂDIRII

III.5. SISTEME DE RĂCIRE PRIN EVAPORARE

III.6. SISTEME GEOTERMALE DE CLIMATIZARE

IV. DIRECȚIA ȘI TIPOLOGIILE ARHITECTURII DE MÂINE

IV.1. ORAȘUL SUSTENABIL

IV.2. „FORMA URMEAZĂ ENERGIA”

V. CONCLUZII

VI. BIBLIOGRAFIE

INTRODUCERE

Potențialul de energie pe care soarele îl pune la dispoziția noastră zi de zi pare inepuizabil. Radiația incidentă pe pământ este de 3000 de ori mai mare decât cerința globală de energie. Cu toate acestea se continuă furnizarea de energie, folosind aproape în totalitate resurse de energie neregenerabilă, din combustibili fosili. Consecințele sunt reprezentate de: probleme de mediu- precum poluarea, ploile acide, efectul de seră și schimbarea climei. În plus, consumul de combustibil crește considerabil în fiecare an, susținând creșterea populației ce se adaptează treptat și sigur unui stil de viață din ce în ce mai extravagant (risipă). Consecințele ecologice și politice sunt inevitabile în viitorul apropiat, atât timp cât resursele de energie convenționale sunt în curs de epuizare.

Fig. 1 Consumul de energie global. Sursa: www.earthtrends.wri.org | www.bp.com/statisticalreview | www.wikipedia.org/wiki/world_energy

Arhitectura și construcția clădirilor joacă un rol important în acest context. Aproape jumătate din energia consumată în Europa Centrala este direcționată către operarea clădiriilor, pentru încalzire/răcire și iluminare. Când arhitectura solară a devenit importantă la începutul anilor 1970, ca rezultat al crizelor de petrol, atenția a fost îndreptată numai asupra pierderii de caldură, prin utilizarea acesteia în scopul încalzirii clădirilor pe timpul iarnii. Totuși, în clădirile de birouri, procesul de răcire este în general mult mai dificil, devenind un factor major în consumul de energie, datorită acumulării de caldură, atât de ocupanții clădirii, cât și de echipamente și de iluminarea artificială.

Conservarea energiei prin arhitectură este, însă, una dintre laturile unui design sustenabil și solar. Acestea încep cu proiectarea urbană și includ materialele folosite, ciclul lor de viata, tehnicile de producție, transport, reciclarea unor componente ale clădirii s.a.m.d.. De asemenea, dezvoltarea locuințelor cu densitate mărită este mai aproape de conceptul de “ZERO ENERGY BUILDING” ( Clădire cu consum zero de energie), în care locuințele unifamiliale înclină spre negativ, din cauza cosumului de spațiu, a problemelor legate de trafic, a materialelor și a pierderilor de energie. La fel se întâmplă și în cazul clădirilor cu foarte multe etaje, din cauza înalțimii foarte mari, structura de rezistență este, implicit, mult mai mare. În acceiași termeni discutăm și despre fațadă, fiind nevoie de o rezistență ridicată împotriva presiunilor exercitate de natură (vânturilor puternice), având în componență materiale ce consumă foarte multă energie în producerea lor, precum: sticla, oțelul și aluminiul.

Astfel, atingerea unui echilibru în producerea și consumul de energie este scopul arhitecturii sustenabile, prin adoptarea obiectivelor energiei pentru 2020. Acestea sunt reprezentate de reducerea amprentei de carbon cu 20 până la 30%, dacă și celelalte țării se vor angaja în această cursă de a reduce emisia de carbon, cât și dezvoltarea avansată pe plan economic și tehnologic, cu scopul de a crește producerea de energie regenerabilă cu 20% și a eficienței energetice cu 20% ,care se poate transforma în 20% profit din 2020.

DE LA PASIV LA ARHITECTURA SOLARĂ INTELIGENTĂ

Cursa către un confort sporit este ilustrata de cautarea greșită a stabilitatii in sistemele dinamice inerente. Am evoluat în medii ce au variat în funcție de temperatură, umiditate, lumină și vânt. Aceste etape s-au dezvoltat în jurul anilor 1950, când sistemele mecanice pentru încalzirea și răcirea clădirilor erau dependente de combustibili fosili, reprezentând standarde ce reflectau scopul producătorului de a vinde cât mai multe echipamente, în loc să țintească atingerea unor standarde care să aibă în vedere nevoile utilizatorului, în funcție de activitatea pe care o desfășurau. Aceste echipamente se bazau pe ideea de creare a unui balans cât mai constant între cald și rece, la bariera de confort termic. Primele încercări de a implementa sisteme pasive într-o clădire s-au lovit de bariera de a menține o constantă a temperaturii aerului. Realitatea este cu totul alta, fiind acceptate noi reguli ce fac ca temperatura să poată sa varieze într-o interval definit ca zona de confort.

Utilizarea pasivă reprezintă folosirea radiațiilor solare fără nici un sistem tehnic, clădirea însăși având nevoie de folosirea acestei energii solare prin orientare, geometrie, ehipamente și materiale. Aceasta este cea mai simplă formă de arhitectură solară. Clădirea și componentele ei sunt interpretate ca un sistem solar. Proiectarea sa se adapteză la potențialul de energie naturală ce trebuie utilizată eficient. Alegerea sitului, plasarea, forma, orientarea, vitrajul proiectat pentru necesitățile clădirii și materialul pereților – toate acestea sunt factori ce fac posibilă acumularea și stocarea de radiație solară, cu scopul de a menține temperaturi confortabile și de a utiliza lumina la eficiența sa maximă. Arhitectura solară este de cele mai multe ori asociată cu panourile fotovoltaice, ceea ce reprezintă doar o mica parte din ansamblul ce determină arhitectura solară să fie cea mai eficientă formă de producere și conservare a energiei, iluminarea zenitala având efecte pozitive la nivel psihologic și fizic asupra utilizatorilor. Arhitectura inteligentă răspunde acestor nevoi ale utilizatorilor folosindu-se de senzori, echipamente, prin intermediul unor sisteme automate ce fac din cladirea respectivă un „organism viu”, reducând pierderile și optimizand din ce în ce mai bine energia consumată.

Astfel, obiectivul unei clădiri sustenabile ar trebui întodeauna să fie imbunătățirea confortului, a sănătății și a sentimentului de securitate a utilizatorilor. Pentru a atinge acest obiectiv este necesară regandirea modului de proiectare, prin maximizarea utilizării resurselor regenerabile, prin minimzarea costurilor și a ciclurilor de viață a materialelor. Utilizarea apei și a energiei într-un mod rațional, reducând deșeurile și încurajand reciclarea, are ca rezultat protejarea și sustenabilitatea ecosistemului. Integrarea sistemelor este o măsură critică, la fel ca și optimizarea clădirii încă din primele stadii ale proiectării, având un impact dramatic asupra performanței, costurile adiționale fiind foarte mici sau chiar inexistente. Însă primi pași în dezvoltarea aceastei direcții sustenabile sunt reprezentați de orientarea corespunzătoare, ce are în vedere încălzirea solară și răcirea naturală, termoizolarea și plasarea masei termice conform microclimatului în care se află.

II.1. LOCAȚIA ȘI MICROCLIMATUL

Comparând arhitectura indigenă a biomurilor similare din părți diferite ale lumii, descoperim o particularitate comună, datorită climei și a locului în care se află, în ciuda diferențelor culturale. Înțelegând biomul specific zonei, vom descoperi mai ușor resursele naturale ce sunt disponibile unui design sustenabil. În cadrul biomului sunt mici bioregiuni diferențiate topografic, hidrologic, în funcție de variațiile microclimatice, dar și de alți factori. Microclimatul poate defini modul de abordare a proiectării. Un exemplu în acest sens poate fi urmatorul: în zona în care resursele sunt reprezentate de cereale, o cladire cu baloți de paie ar fi mult mai adecvată decât o structură din lemn, iar dacă solul este bogat în argilă și clima este caldă iarna și rece vara, atunci o metoda potrivită (sustenabilă) de construcție ar fi din chirpici. Dacă este o zonă frecvent afectată de rafale de vânt cu viteze mari, atunci o turbină de vânt ar fi mult mai adecvată decât un sistem de fotovoltaice.

Fig. 2 Bioregiuni ale globului. Sursa: DAVID A. BAINBRIDGE si KEN HAGGARD, PASSIVE SOLAR ARCHITECTURE

Cu alte cuvinte, necesarul de energie al unei clădiri nu este dependent numai de caracterisiticile structurale, cât și de localizarea și condițiile de climă locală. În mod evident, zonele climatice globale au cel mai mare impact: temperaturile zilnice specifice pe sezon, umiditate, izolare, viteza vântului și direcția. Fiecare microclimat are caracteristici tipice, determinate de topografie, plante, sol, arbori, sau de localizarea lângă apă sau nu. Chiar simpla poziționare a clădirii are o influență majoră în balanța energetică, astfel încât alegerea sitului pentru construire să aibă cea mai bună configurație microclimatică, datorită radiației solare, ceea ce reprezintă cel mai important aspect într-un microclimat. Radiația solară variază în funcție de direcția soarelui (funcție a latitudinii), de topografie (elevație și pantă), de peisaj, de culoarea și tipul de teren, de suprafață și de posibilele umbriri și modificări ale vântului, din cauza barierei create de vegetația zonei, sau a diferitelor forme de relief ce pot lua astfel de proprietăți.

Plantele utilizează cea mai mare parte a energiei solare înainte de a atinge pământul, păstrând solul relativ rece toată vara. Chiar și copacii fără frunze pot bloca între 40% și 70% din energia solară, în perioada de iarna.

Apa poate absorbi radiația solară stocând energia soarelui, ajutând la stabilizarea microclimatului respectiv. Acestă influență este minoră în cazul unui bazin de apa mai mic, la fel ca și în cazul unui lac, reducerea temperaturi simțindu-se până la 1.5 km, în comparație cu briza rece a mării sau a oceanelor.

II.2. TOPOGRAFIA

Topografia are o influență decisivă asupra temperaturii și a condițiilor pe teren- siturile cu o elevație ridicată determinând temperaturi medii mai scăzute. În schimb, siturile joase pot fi supuse unor fronturi reci sau ceții, ceea ce rezultă din temperaturile mai scăzute decât cele din zonele adiacente.

Zonele favorabile construirii sunt cu ecrane vegetale, prevenind fronturile de aer rece și evitând pierderile de căldură. Siturile în pantă sunt caracterizate de diferența de izolare, în funcție de orientare, și de diferența de temperatură, iar ca regulă generală, situl se poate împărți în latitudini create de unghiul pantei spre sud sau nord. De exemplu, o pantă spre sud de 10 grade și 40 de grade nord, va avea același potențial solar cu zona fără pantă, cu latitudine 30 de grade nord. În schimb, un teren în pantă, de 10 grade spre nord și 40 de grade latitudine nord va avea microclimatul similar cu al unui teren plat, la 50 de grade latitudine nordică.

Fig. 3 Temperatura in functie de inaltime

La înălțimi ridicate, atmosfera este mai rarefiată, si efectul radiaței solare se pierde având ca efect o răcire cu aproximativ 2 grade celsius la fiecare 300 de metri, factorul cheie ce blochează acest proces fiind reprezentat de vaporii de apă. Norii pot crește reținerea căldurii, în timp ce o noapte fără nori poate conduce la o răcire rapidă. Norii și ceața reduc absorbția de caldură dacă ceața este predominantă dimineața și reduc absorbția de caldură de la ferestrele dinspre est primăvara sau toamna, în diminețile răcoroase. Acest aspect poate influența poziționarea ferestrelor și masa termică. În timpul verii, ceața poate oferi un beneficiu considerabil, asigurând răcorirea în cea mai caldă perioadă a anului. Dar dacă perioada cea mai mare de predominare a norilor sau a ceții este iarna, atunci absorbțiridicate, atmosfera este mai rarefiată, si efectul radiaței solare se pierde având ca efect o răcire cu aproximativ 2 grade celsius la fiecare 300 de metri, factorul cheie ce blochează acest proces fiind reprezentat de vaporii de apă. Norii pot crește reținerea căldurii, în timp ce o noapte fără nori poate conduce la o răcire rapidă. Norii și ceața reduc absorbția de caldură dacă ceața este predominantă dimineața și reduc absorbția de caldură de la ferestrele dinspre est primăvara sau toamna, în diminețile răcoroase. Acest aspect poate influența poziționarea ferestrelor și masa termică. În timpul verii, ceața poate oferi un beneficiu considerabil, asigurând răcorirea în cea mai caldă perioadă a anului. Dar dacă perioada cea mai mare de predominare a norilor sau a ceții este iarna, atunci absorbția solară este limitată când este nevoie cel mai mult de ea.

Topografia este un factor major în determinarea modelului vânturilor pe terenul respectiv. Cladirile din vârful dealului sunt supuse celui mai puternic vânt și, deci, sunt predispuse riscului de incendiu. Zonele de creastă sunt expuse mai mult brizelor răcoroase vara și la vânturi puternice iarna. Alegerea locației unei clădiri, a poziției ferestrelor și a tipului lor, forma acoperișului și materialele de construcție sunt influențate de topografia sitului și de viteza vântului. Dacă într-o anumită zonă bate un vânt puternic dinspre nord-vest iarna, atunci poziționarea clădirii în valea dinspre nord-est sau sud-vest ar fi cea mai adecvată. Sau dacă o briză răcoroasă se apropie dinspre sud-vest într-un climat foarte cald, atunci cel mai bun loc de amplasare a clădirii este acolo unde se canalizează acest curent de aer, ținând seama și de drenarea aerului rece și de inundarea ce poate avea loc dacă nu este luat în calcul acest aspect.

II.3. PROTECȚIA LA VÂNT

Orientarea terenurilor înclinate poate influența, de asemenea, vânturile locale care, la rândul lor, ajută la determinarea temperaturii. Vânturile conduse de curenții de convecție de- a lungul zilei ajută la răcirea văii respective. Noaptea, aerul rece, mai dens, coboară în vale. Drenarea aerului rece poate crea zone foarte reci și clădirile localizate în aceste zone au un necesar de căldură mult mai mare în comparație cu vecinii aflați la 6 metri distanță în altitudine. Atât clădirile, cât și gardurile, în drenarea aerului rece, trebuie proiectate cu atenție, pentru a evita crearea unui un baraj ce poate da nastere unei acumulări de aer rece care să ducă la distrugerea plantelor, a culturilor și a unei facturi de caldura ridicata.

În cele mai multe cazuri, vântul puternic este principala cauză a pierderilor de caldură, de aceea zonele protejate de vânt sunt preferate și sunt luate măsuri pentru a-i diminua efectul, prin plantări de vegetație deasă, contribuind chiar la ventilația clădirilor prin canalele formate, la păstrarea unei temperaturi mai scazute vara și la modificarea cantității de oxigen din aer. Studiile arată că două case identice, construite într-un microclimat diferit, au un impact distinct asupra consumului de energie a clădirii.

Fig. 4 Schema modelul vanturilor in functie de topografie.

II.4. ORIENTAREA ȘI EXPUNEREA SOLARĂ

Multi arhitecti consideră orientarea către Ecuador un afront la adresa creativității lor, însă putem contrazice acest această atitudine datorită avatajelor pe care le oferă acest mod de proiectare. Această atitudine de respingere a avantajelor unei orientări corecte și de proiectare a clădirilor ca act al libertătii creative este mai mult un esec al creativității și al inovației, prin nesesizarea impactului major asupra mediului și asupra generațiilor viitoare. Un design creativ rezolvă problemele unui teren cu o formă neregulată, cu vederi importante sau cu alte limitări, fără a renunța la avantajele unei orientări bune.

Fig. 5 Diagrama solara

Dacă se dorește utilizarea radiatiilor solare pentru încalzire sau iluminare, orientarea către Ecuador pune la dispoziție cea mai mare cantitate de lumină. Lumina orizontală, de la est dimineata și de la vest la apus, nu este foarte bună datorită strălucirii, creând o senzație de disconfort și de supra-încălzirea vara.

Dacă controlul asupra luminii este necesar, aceeași orientare este optimă, datorită razelor solare ce au un unghi de incidență mai mare vara, și mai mic iarna, fiind controlat cu ajutorul brisoleil-urilor orizontale, sau cu ajutorul streașinilor la clădirile cu acoperis, permițând luminarea în sezonul rece.

Razele soarelui dinspre est și vest sunt foarte greu de controlat datorită unghiului de incidență redus, iar efectul de stralucire nu poate fi minimizat cu ajutorul streașinilor, ci prin intermediul unor brisoleil-uri verticale, obloane, panouri și ecrane protectoare, cât și al vegetației.

Numai o treime din radiația solară pătrunde prin atmosfera Pământului, astfel cantitatea de radiația solară directă variază în funcție de conditiile atmosferice și de unghiul solar. O pătrime din radiația inițială se transformă, în urma reflexiilor și a refracțiilor, prin atmosferă, în radiație difuză. Reflexia se întâmplă în momentul în care radiația atinge o suprafață, manifestând efectul de strălucire sau difuza. De exemplu, apa prezintă efectul de oglindă, spre deosebire de zapadă, care are are o reflexie difuză. Întreaga radiație solară difuză și directă ce ajunge la nivelul solului este cunoscută sub denumirea de radiatie solară totală. Reflectivitatea determină și cantitatea de radiație absorbită, în funcție de tipul suprafeței și de conținutul de umezeală ce determină efectul de caldură radiată. De exemplu, clădiriile din beton, ce au fațada orientată către vest, stochează energie de-a lungul zilei, iar seara o redă pentru cateva ore, în timp ce un perete din lemn ce rămane rece. În cazul clădirilor acoperite cu iedera, pereții clădirii rămân chiar și mai reci, datorită răcirii prin evaporare a plantelor, arborii umbrind pămantul. În acelasi timp, absorb energia pentru fotosinteză și eliberează o cantitate foarte mare de apă prin vapori, iar diferența de temperatură este de 5 grade Celsius, atât în zonele cu arbori, cât și în cele în care aceștia lipsesc.

Concentrarea asupra eficienței energetice este extrem de necesară, având în vedere că aceste principii de orientare sunt la fel de importante și în producția de energie pentru clădirile pasive, pentru încălzire, iluminare, sau pentru producția de electricitate.

Radiația solară reprezintă factorul dominant în toate sistemele clădirii sustenabile, fiind critic pentru încalzirea, răcirea și iluminarea naturală. Pentru a folosi energia solară în mod eficient, este necesară utilizarea cunoștințelor referitoare la direcția și poziția soarelui pe cer în fiecare oră și zi, în funcție de sezon și de natura radiatiei solare. Aceste aspecte sunt luate în calcul în vederea stocării energiei și a căldurii pentru utilizarea lor în momentele critice.

Încă din primele etape ale arhitecturi solare, orientarea către soare a fost văzută ca o lege, aceasta însemnând o orientare completă sau parțială către sud. Însă mai este și extrema cealaltă, în care construcția se întoarce de la soare ca să reducă acumularea de caldură. Un exemplu în acest sens ar fi reprezentat de clădirile de birouri și de laboratoarele, decizia în privința acestora fiind luată în funcție de necesități.

Există o tendință a multor arhitecti de a pune aceeași casă sau clădire comercială în orice climat, schimbând doar dimenisunea sistemelor active, mecanice de reglare a temperaturii interioare. Proiectarea sustenabilă ține însă cont de microclimatul bioregiunii respective.

Orientarea, pătrunderea razelor solare și umbrirea reprezintă aspecte ce trebuie evaluate și valorificate în proiectarea urbanistică. Diagramele solare reprezintă ustensila clasică în astfel de evaluări. De asemenea, programele CAD specializate au început a fi baza în vizualizarea, evaluarea și proiectarea arhitecturii solare, împreună cu umbrirea de clădirile vecine, vegetația, topografia. Toate acestea sunt luate în calcul și ajută la crearea unei realități virtuale, având ca rezultat un model optimizat.

De-a lungul anilor, în urma învățăturilor transmise și după observarea modelelor tradiționale de construire, a tehnicilor practicate, descoperim că cea mai importantă latură a arhitecturii solare este geometria și volumetria ce reprezintă „…jocul savat, corect și magnific al formelor reunite sub lumină”,

Sistemele de umbrire și de filtrare a luminii naturale lucrează în armonie cu spațiile vitrate ale clădirii, oferind lumina necesară, fără reflexii, ce pot dăuna și produce disconfort, din cauza unghiului incident al razelor solare. Acestea sunt blocate vara, iar iarna, din cauza unghiului mic de incidență al razelor de soare, lumina pătrunde în profunzime.

II.5. RAPORTUL SUPRAFAȚĂ – VOLUM

În cazul unei cladiri, proiectarea corectă a suprafetelor poate fi folosită pentru a acumula energie și a păstra căldura, această particularitate fiind importantă în regiunile unde temperatura interioară este mai mare ca cea exterioară în cea mai mare parte a anului, de exemplu în Europa Centrală. Soluția logică este micșorarea suprafețelor pentru evitarea pierderilor de caldură pe cât posibil. Însă micșorarea pierderilor nu este singura soluție în rezolvarea problemei. Izolarea, utilizarea eficientă a luminii naturale și a radiațiilor solare sunt sofisticate și foarte scumpe. Cu alte cuvinte, economia și ecologia sunt în strânsă legătură. O altă latură importantă este determinată de optimizarea construcției la raportul dintre arie și volum, ceea ce reprezintă relația dintre suprafața radiantă de caldură a clădirii și volum. O valoare mică a raportului reprezintă economisirea de costuri și energie.

Ca exemplu, sfera are raportul Suprafață/Volum cel mai bun, dar aceasta nu este cea mai practică formă de construcție deoarece pune foarte multe probleme structurale. O jumătate de sferă este cea mai apropiată de ideal- de exemplu, igloo-ul reprezintă raportul optim între Suprafață și Volum și este forma adecvată pentru condițile climatice ale regiunilor reci. Pe măsură ce crește volumul unei forme compacte, suprafața scade și transferul de energie este diminuat. Mărind suprafața, se amplifică și pierderile de energie. Însă toate dezavantajele unei clădiri pot fi compensate printr-o geometrie adaptată, prin mărirea izolației și folosirea radiației solare. Cuburile optimizate raportului nu crează locuința adevărată a unei arhitecturi solare.

II.6. FORMA

Clădirile proiectate sustenabil, cu probleme legate de climă, sunt luate în cosiderare în funcție de particularitățile microclimatului, de cele mai multe ori de proiectarea urbanisică depinde și de alți factori ce intervin și fac imposibilă proiectarea acestor clădiri optimizate. Cu toate acestea, scopul este de a se apropia pe cât posibil de idealul unei clădiri optime microclimatului.

Proiectarea pasivă solară este arhitectură, și arhitectura se ocupă cu estetica. Întrebarea:” Ce este estetica?” a fost dezbătută de foarte mult timp, de la Plato, Tolstoy la Wright. Plato a simțit că estetica reprezintă perfecțiunea, ceea ce reprezintă numai în imaginația omului. O interpretare mai modernă a lui Tolstoy o definește ca fiind emoția exprimată frustă în opera respectivă, spre deosebire de Frank Lloyd Wright, care a susținut arhitectura organică ca reinterpretare a naturii, pentru a satisface nevoile omului și de a asigura o armonie cu materialele alese si locul pe care il ocupă. Astfel, arhitectura abordează trei calitati: armonie, proporție și scară. Acestea trei au fost folosite în crearea arhitecturii, în compoziție cu:

Secvență: Mișcarea elementului într-un întreg.

Ritm: Repetarea elementelor în întreg.

Ordine: Modul natural de construcție a elementelor.

Forma: Aspectul elementelor în întreg.

Tema: Povestea ce o exprimă compoziția.

Senzatia: Emoția care este transmisă de povestea compoziției.

Claritate: Calitatea mesajul transmis.

Scopul esteticii în orice compozitie este de a atinge sinergie, toate elementele fiind atât de bine compuse, încat întregul depășește suma elementelor, oferind compoziției transcend calitatea. Prin această calitate se caracterizează toate marile exemple ale arhitecturii universale. Tema pentru arhitectura solară ar putea fi confortul, urmatorul nivel al confortului fiind sănătatea personală, sănătatea comunității și în final, cea globală. În completarea realizării unei estetici de succes, trebuie să exprime clar aceste calități prin corectitudine și emoție. Arhitectura modernă a utilizant tema progresului industrial, devenind arhitectura secolului XX. Arhitectura solară, avand ca temă confortul, sănătatea, economia și sustenabilitatea, a devenit arhitectura secolului XXI.

Tipurile tradiționale de construire ce au evoluat și s-au îmbunătățit de-a lungul multor secole sunt indicatoare excelente și adecvate formelor de construcție. Din punct de vedere structural, ele sunt adaptate la economia locală și la necesitățile utilizatorului, având în vedere disponibilitatea materialelor din regiune și condițiile de climă. În zonele cu vânturi accentuate au fost construite clădiri joase, chiar îngropate sau cu acoperișul ce ajunge până la sol. Clădirile dintr-un climat moderat care sunt orientate către soare au utilizat efectul de seră al zonelor vitrate, cu deschideri mari și vegetație ce protejează clădirea de vânt și asigură umbrire vara.

II.7. ZONIFICAREA

Se bazează pe premisa camerelor ce au un necesar diferit de calitate în raport cu utilizarea climei interioare. Aceasta este cea mai relevantă în locuințe, unde temperaturile necesare pentru o cameră de zi și o zonă de lucru este diferită, față de cea din dormitoare și din camerele anexe. Pentru alt tip de clădire, diferența termică, în acord cu funcțiunea, este de mare ajutor: de exemplu, între zona de lucru și spațiile de odihnă, birouri și fabrici, spații expoziționale și depozite. În cazul în care diverse valori sunt date, este mai usor să împarți clădirea în zone, în funcție de utilizarea și necesitățile ei. Soluția clasică de zonificare împarte spațiul în straturi concentrice, camere ce sunt constant ocupate, însemnând că sunt încalzite în centru, unde camerele mai reci și mai rar folosite sunt la periferie. Totuși, acest concept nu ia în calcul efectele radiației solare. Zonificare solară, în contrast, începe prin orientarea clădirii către sud, camerele cu cea mai mare cerere de căldura sunt pe direcția soarelui, pentru a folosi radiația solară, și pe celelalte trei laturi camerele cu necesar mai mic. Acest aranjament spațial este ideal, însă nu foarte fezabil. Soluția constă într-o zonificare liniară, unde camerele sunt aranjate în rânduri, cele mai importante spre sud, iar spre nord cele mai putin importante. Circulația între aceste rânduri crează un fel de buffer termic. O zonificare structurată introduce ordine în funcțiuni diverse, clarificând structura clădirii și facilitând folosirea și operarea clădirii.

II.8. ANVELOPANȚA

Asigură protecția la intemperii, creând confort în interior, lăsând ca lumina să pătrundă în clădire și să facă o legatură cu exteriorul. La utilizarea energiei solare mai adăugăm o funcție a aceastui element al clădirii deja complex. Interfața între interior și exterior trebuie percepută ca un sistem dinamic, ce răspunde în permanență la variația radiațiilor externe, condițiilor climatice și a necesităților interioare. Reguli simple, precum asigurarea calității de a izola, nu sunt anulate sub nici o formă, ci doar este plasată într-un context mai larg. Calitatea unei izolații în anvelopa clădirii este esențială pentru ultilizarea pasivă a energiei solare. Astfel au fost cristalizate în trei categorii generale, dintre care două au o abordare diferită:

CUTIA DE TABLĂ

Pentru un climat cu zile foarte calde și nopți foarte friguroase, caracteristice zonelor temperate în sezonul de toamna și primavara, fiind cea mai cea mai proasta alegere in construirea unui imobil fara termoizolare. De-a lungul zilei, pereții umbriți se încalzesc rapid la temperatura aerului exterior, iar pereții și acoperișul ce sunt expuși razelor solare devin chiar mai calde. Temperatura interioara va deveni mai ridicată decât temperatura exterioară. După lăsarea serii, pereții vor emana căldură, eliberând energia stocată și răcindu-se atunci când temperatura scade sub zero grade. Și temperatura acoperișului va scădea progresiv din cauza expunerii la vânt. Această cladire va accentua variația de temperatură, de-a lungul unei zile făcând-o inconfortabilă.

SUPRAIZOLAREA

O construcție usoară, însă clădirea este extrem de bine termoizolată. Aceasta reduce acumularea de caldură, cât și pierderea de energie, dar nu acumularea și pierderile de căldură, prin zonele vitrate. În anumite momente poate fi foarte confortabil, dar alte ori deloc, dacă nu se folosește de o sursă de energie exterioară. Supraizolarea poate crește eficiența utilizării energiei și optimizează confortul. Precum efectul termosului, el devine din ce în ce mai rece dacă nu este amplificată caldura din interior. Eficiența energetică împreună cu un sistem pasiv, aături de producerea de energie, asigură confortul interior.

MASA TERMICĂ

Luând în considerare ceea ce se întamplă unei cladiri din materiale foarte grele, în comparație cu celelalte exemple, variația de temperatură în interiorul unei clădiri cu o masă termică uriașă este mai putin dramatică. Temperatura interioara va oscila odată cu temperatura exterioară, însă diferența este foarte mult redusă. Datorită materialelor ce stochează energia în perioadele de radiație solară maximă și este eliberată noaptea. Un exemplu în arhitectură a acestui tip de cladire este reprezentat de piramidele Egiptene, temperatura interioara fiind aproape constantă pe întreaga durată a zilei.

VENTILAREA – EVAPORAREA

Clădirile cu masa termica foarte mare nu sunt adecvate tuturor situaților. În climatele aride și umede, variația de temperatură din timpul noapții este atenuată de vaporii de apă din atmosferă, astfel efectul radiației solare și temperatura ridicată a aerului rămân relativ constante. În acest caz, singurul mecanism pasiv disponibil este evaporarea unei suprafețe umede. Cel mai comun și eficient mod de a realiza acest proces este la nivelul suprafeței pielii utilizatorului, prin asigurarea aerisirii constante a clădirii, prin proiectarea ei în acest scop. Cu alte cuvinte, forma adecvată a unei clădiri în aceast microclimat este realizarea unui acoperiș în asa fel încat să ofere umbrirea totală, evitând acumularea de energie reducand efectul masei termice, renunțând chiar la pereți, asigurând aerisirea optimă, în favoarea efectului de racorire prin evaporare.

În sistemele pasive directe, transferul termic se realizează în interiorul clădirii spre deosebire de sistemele pasive indirecte, în care transferul termic se realizează la nivelul anvelopanței, și în cazul sistemelor izolate realizându-se la exteriorul anvelopanței clădirii sau printr-un element arhitectural diferit.

Este inutil să captezi radiația solară dacă nu o poți stoca eficient în interior. Punțile termice reprezintă cea mai mare amenințare a confortului interior și se recomandă evitarea pe cât posibil a lor din proiectare, cu ajutorul simulatorelor CAD, pentru indetificarea și ratificarea punților termice. O altă soluție ar fi grosimile foarte mari ale izolației pentru casele pasiv, fiind însă un inconvenient pentru arhitecți. Izolarea cu vid, devoltată inițial pentru frigidere și apoi folosită la navele spațiale, sunt o inovație printre materialele de construcție actuale, cu o grosime de câțiva centimetri a stratului de izolare, însă este o problemă la instalarea și punerea lor în funcțiune, mai ales în cazul îmbinării, unde sunt lăsate nerezolvate, în special la instalarea pe verticală. Studiile recente arată că proiectarea unei fațade cu calitatea de a fi eficient energetic, nu mai trebuie interpretată ca un sistem static, ci ca unul dinamic, ce citește și calculează condițiile mediului. Această așa-zisă interpretare cibernetică duce la noi soluții ce determină folosirea eficientă a expunerii solare, sau prin stocarea energiei în materiale cu schimbare de fază, ce conduc la înlocuirea izolației clasice. Masa termică ajută la stabilizarea temperaturii în cladire în ciuda fluctuaților temperaturii exterioare, izolației și a echipamentelor active de încălzire. Ele mențin un climat interior constant, utilizând eficient energia.

II.9. DESCHIDERI

Zonele vitrate prezintă atât oportunități cât și riscuri pentru o clădire pasivă solară, dar prin dimensionarea, aranjarea, orientarea cât și prin executarea lor pot aduce contribuții la balanța energetică a clădirii, și confortul interior. În schimb ele reprezintă principala sursă de pierdere a energiei, sau a supraîncălzirii, toate fiind în defavoarea confortului interior. Structura ferestrei este punctul slab al deschiderilor unde posibilitatea de a se forma o punte termică este foarte ridicată. Ferestrele având o rezistența a transferului de caldură de numai 0.90 pentru fereastra cu o singura foaie de geam, ajungand pana la 0.70 în cazul ferestrelor duble. Și datorită ferestrelor dominante, o foarte mare parte a energiei este pierdută prin transferul de energie la nivelul sticlei,iar eficientizarea ferestrei a fost urmatorul pas- realizarea ferestrei cu trei foi de sticla umplute cu gaze rare, precum argon sau krypton, reducand aproape 80% din radiația solară, o diferență majoră, de aproximativ 50%. Odată cu apariția tehnologiei low-E (Permisibilitate scăzută), eficiența ferestrelor a crescut în procentul de izolare, complicand însă realizarea ei. Acestă tehnologie folosește o peliculă subțire, metalică, ce reduce transferul de căldură prin sticla prin reflectarea radiațiilor înapoi. Acest strat este utilizat în crearea ferestrelor triple.

Sera sau orice spațiu buffer vitrat, funcționează precum un windfang, și reprezintă o soluție din perspectiva eficienței energetice, dar dacă nu sunt încălzite, nu vor fi proiectate pentru folosirea de zi cu zi. Dar dacă sunt încălzite printr-un sistem activ sau pasiv, este distribuită în clădire prin tiraj natural. Un sistem asemănător, însă la o scară mai mică este sistemul de fațadă Double-Glazing (Fațada Dublă), între două straturi de sticlă fiind un spațiu prin care circula aerul, iarna acesta fiind încălzit de soare și folosit pentru a reduce din consumul de energie, iar vara eliminat, reducând supraîncălzirea.

II.10. MASA TERMICĂ

Cele mai importante caracteristici termale sunt izolația și masa termică, acestea două fiind deseori confundate, diferența dintre ele fiind necesară în proiectarea corectă a transferului de energie în clădire.

Masa termică are abilitatea de a stoca caldura în așa fel încât diferența în varianta de temperatură în interiorul clădirii să fie cât se poate de mică. Timpul de păstrare a unei temperaturi constante a unei case din lemn și pereți din gips-carton este de aproximativ jumatate de oră, o clădire pasivă de 12 ore. O clădire eficientă poate păstra temperatura constantă aprope 24 de ore, ajungând până la 80 de ore pentru o clădire pasivă în totalitate optimizată.

Masa termică ajută la stabilizarea temperaturii în cladire, în ciuda fluctuaților de temperatură a climatului exterior, expunerea solară și sursele de încalzire interioară mențin o temperatură constantă la interior, contribuind astfel la o utilizare eficientă a energiei.

Pentru clădirile cu anvelopanță dominantă într-un climat temperat, atât izolarea cât și masa termică este necesară, una fără cealaltă făcând imposibila atingerea eficienței energetice. Altfel spus, închiderea exterioară a clădirii ar trebui izolată foarte bine, iar suprafețele și elementele interioare ar trebui să aibă masă termică. Trendul în eficiența energetică a clădirii a condus la dezvoltarea unui sistem de închidere exterioară de pereți, ce au o suprafață exterioară foarte bine izolată, iar la interior suprafețele au capacitatea de a stoca și de a elibera energia.

Utilizarea componentelor cu o capacitate mare de stocare a energiei, la suprafețe extinse, expuse precum pardoseala, pereții și tavanul, au caracteristica de a facilita utilizarea eficientă a energiei, însă cu un tavan suspendat sau cu o pardoseală flotantă. Acestea reduc din caracteristica materialelor cu masa termica și o limiteză până în punctul în care nu mai are nici un efect în stabilizarea climatului interior.

Stocarea energiei termice latente, utilizează schimbarea de fază a materialelor, în mare parte din stare lichidă, în stare solidă. În momentul în care este supus încălzirii, acest material stochează energia și începe să se topească, dar temperatura nu crește până în momentul în care este topită în totalitate. Datorită faptului că nu este sesizată nicio schimbare de temperatură în procesul transferului de caldură, energia stocată prin schimbarea de fază a materialului este denumintă ascunsă sau latentă. Parafina este o substanță cu astfel de proprietăți, iar capacitatea ei termică este de zece ori mai mare decât în cazul betonului beton. Un strat de 3cm de adăugat unui perete este echivalentul masei termice a unui perete de benton de 40 de cm. Integrarea parafinei în suprafața vitrată poate fi spectaculoasă, de-a lungul unei zile, prin observarea unei tranziții între opac și transparent, datorita razelor solare ce încălzesc suprafața tratată cu parafina,care schimbă starea materialului.

II.11. CLIMATIZAREA

Pierderile de energie se mai produc datorită elementelelor destinate deschiderilor, din cauza lipsei sau a problemelor în etanșarea lor, prin crearea unor curenți interiori. Un curent de aer cu o rata foarte scazuta poate fi foarte dăunător sănătății utilizatorilor, soluția acestei probleme găsindu-și rezolvarea prin etanșarea corectă care va reduce infiltrațiile.

Ultimele tehnici dezvoltate în anvelopanță au facut ca infiltrațiile de aer, împreună cu transferul de căldură, să crească balanța eficienței energetice, însă în cazul arhitecturii solare, controlul asupra ventilației este scopul proiectarii ei, asigurând un aer proaspăt în toate camerele cu temperatură. Păstrarea constantă a umidității, confrom standardelor confortului uman, în funcție de activitatea ce se desfașoară în fiecare cameră și eficientizarea consumul de energie se realizează prin implementarea unui sistem activ de circulare a aerului.

Prin folosirea sistemului „Put Canadian” se utilizează inerția termică a solului, obținându-se o temperatură exterioară de 30*C și 12*C a solului în timpul verii, rezultând o temperatură de 16*C a aerului după parcurgerea sistemului de conducte subterane, respectiv 2*C iarna, la o temperatura exterioara de -15*C și 7*C.

Acest sistem simplu poate reduce temperatura interioară cu 5 până la 8*C în zilele caniculare, diminuând consumul de energie și având o lungime de aproximativ de 40 metri la o adâncime de 2 m sau 2.5 m, cu un diametru al tubului de 200 mm. Etanșeitatea cunductei este esențială pentru evitarea infiltrării apelor subterane, și a radonului, un gaz radioactiv de origine naturală, condensul format este colectat într-un cămin special aflat în punctul cel mai jos al instalației, aerul exterior se face printr-un turn de aspiratie prevăzut cu un filtru de praf și polen.

II.12. NATURA CA MODEL

Animalele și plantele, în toate formele de viață, se adaptează la mediul natural, în special la condițiile de climă. Ceea ce reprezintă supravietuire pentru animale și plante reprezintă o importantă sursă de inspirație în arhitectură. De foarte mult timp nu am avut cunoștința, tehnologia sau expertiza pentru a aplica astfel de soluții clădirilor și de a adapta, adopta și experimenta aceste principii.

Fenomenul mai poartă și denumirea de biomimetică, provenind din limba greacă „bios”, adică viață, și „mimesis”, adică a imita. O construcție reprezentativă a acestui concept este Eastgate Centre din Harare, în Zimbabwe (1996), realizată de arhitectul Mick Pearce, ce preia un model existent în natura, mai exact un mușuroi de termite, implementând metoda de ventilație inovativă, ce se folosește de convecție, prin realizarea unor găuri de aspirație a aerului proaspăt și răcit de la nivelul solului. Acesta este condus prin podeaua ce face ca aerul viciat și încălzit să se ridice, iar aspirarea de aer curat prin diferența de presiune creată asigură o ventilare corectă a clădirii, cu o temperatură confortabilă, fără costuri suplimentare sau folosirea vreunui sistem de răcire, realizându-se economii substanțiale, cu un impact negativ asupra mediului.

Încă din Antichitate, preluarea acestor modele naturale a facilitat crearea și construirea monumentelor spectaculoase, în strânsă legătură cu microclimatul în care se găsesc. De exemplu, arhitecții egipteni, în crearea coloanelor, s-au inspirat din natură, studiind frunza de lotus în crearea decorațiilor și a trunchiurilor palmierilor, pentru a realiza structuri impresionante, de o dimensiune colosală, Un alt exemplu din istoria arhitecturii este reprezentat de celebra operă a lui Antonio Gaudi, Sagrada Familia, ce împrumută foarte multe din modele naturale.

Fig. 15 East gate Centre, Zimbabwe. Sursa: kivistudio.ro

II.13. INOVAȚII

Împreună cu redescoperirea materialelor tradiționale cu noile tehnologii au dus la dezvotarea unor noi timpuri de materile sustenabile pentru constructie. Nanotehnologia a permis crearea unor containare microscopice de parafină, de dimensiunea unui fir de praf, permițând, prin topirea sau solidifacarea ei, ca o mare cantitate de energie să fie stocată sau eliberată. Aceste nanoparticule pot fi adaugate în ciment sau gips pentru crearea unei componente ușoare, însă cu o masă termică uriașă. Nu se poate stabili încă efectul folosirii de lungă durată a acestor particule asupra sănătății și ecologiei, dar din studiile realizate până în prezent , rezultă că sănătatea este în siguranță.

Crearea unui noi tip de sisteme de izolare transparentă, ce permite trecerea luminii, însă nu și a radiației solare, este în continuă dezvoltare, prin crearea sticlei ce reflectă căldura sau o stochează. Aerogelul are aceste caracteristici, având o valoare ridicată de izolare și permițând energiei solare să treacă. O altă invenție a fost schimbarea opacității sticlei, în raport cu temperatura, creând un răspuns automat

condițiilor termice.

Tehnologia avansează foarte rapid, realizând din ce în ce mai multe inovații, având ca efect folosirea acestor noi tehnologii prin integrarea lor în arhitectură. Sticla activă este una dintre aceste tehnologii, folosită în zonele afectate de razele incidente ale soarelui, ca în cazul clădirilor de birouri, a sălilor de conferință. Aceste sisteme de vitraj, prin trecerea unui curent mic datorat gazelor ce au fost introduse, își schimbă starea, din transparent în translucid, opac sau reflectant

Un nou tip de material sintetic oferă soluții de construcție ușoare. Membranele ETFE din teflon sunt folosite în crearea de fațade cu ajutorul unor componente ușoare, sub forma unor perne de aer, ce răspund la temperatura, lumina incidentă și nevoilor utilizatorului.

Din ce în ce mai mult materialele fotovoltaice sunt integrate în componentele construcțiilor de clădiri, realizându-se chiar o peliculă subțire, transparentă ce produce energie electrică.

Panourile de izolare Vidate au fost folosite inițial pentru răcirea electrocasnicelor, funcționând pe principiul termosului, fiind alcătuit din materiale izolatoare, precum acidul silicic ce sunt vidate într-o membrană plastică. Doi centimetri de panou izolator este la fel de eficient precum 20 cm de vată minerală, deschizând multe alte posibilităti, atât pentru renovare, cât și pentru reducerea grosimii zidului la construcțiile noi și pentru reducerea drastică a structurii acoperișului.

Sunt foarte multe tehnologii ce combină elemente așa-zis pasive, cu componente active, ce sunt independente și denumite inteligente. Ele sunt, astfel, capabile să răspundă la schimbările condițiilor climatice și a fluctuaților în radiația solară. Aceastea cresc eficiența energiei, deschizând calea către sustenabilitate,către eficiența energetică a arhitecturii solare.

A început prin folosirea pasivă a energiei solare, ușor de implementat, sigure și eficiente, mulțumită materialelor ce răspund în concordanță cu radiația solară. Tehnologiile autonome, fiind controlate inteligent, vor combina tehnologiile pasive și active a sistemelor solare.

CONCEPTE ȘI TEHNOLOGII SOLARE

Tranziția de la funcția de suprafață protectoare, la un rol polivalent ce îmbină sinergetic funcțiuni multiple, devenind anvelopanță inteligentă, aceasta incluzând iluminarea naturală, ventilația, sistemul de umbrire, izolarea, reflexia solară și panouri fotovoltaice. Integrarea sistemelor de captare a energiei solare facilitează combinarea sistemului fotovoltaic cu sistemul de încălzire solar și cu alte elemente în anvelopă, ceea ce reprezintă punctul cheie în aceste sisteme solare, prin crearea unei sinergii cu utilizatorul. Principalele aspecte în acest domeniu sunt sistemele solare hibride, clădirile microclimatice, fațadele inteligente automate. Dezvoltarea arhitecturii solare va da naștere noilor tehnologii și mult așteptatei si anticipatei arhitecturi a viitorului.

III.1. SISTEME SOLARE PENTRU UTILIZAREA TERMICĂ

Sistemele solare sunt instalații care captează energia solară, transformând-o în energie termică, cu scopul de a reduce costul și folosirea energiei neregenerabile.

Colectoarele de caldură sub forma unor plăci sunt compuse dintr-un element metalic, ca absorbant acoperit cu sticlă, pe lateral tuburi de transmisie a căldurii și ca izolație pe partea din spate. Pentru a proteja de transferul de căldură, acestea se integrează în structura metalică de fațadă și sunt folosite pentru a preîncălzi aerul ce pătrunde în interiorul clădirii, cât și pentru a încălzi apa menajeră.

Pe acest principiu se bazează și fabricarea panourilor solare de încălzire a apei, însâ cu mici diferențe, fiind alcătuite dintr-un panou de absorbție al radiației solare, realizată din tuburi vidate din sticla, pentru a facilita transferul de energie, cât și pentru a realiza circularea agentului termic, un boiler pentru acumularea energiei termice, pompe ce sunt activate de un senzor termic și transfera energia de la panouri catre boiler si vase de expansiune ce au rol de protectie, pentru eliberarea presiunii din sistem.

Multe experimente au fost realizate de-a lungul anilor pentru a eficientiza valorificarea energiei solare, cu scopul de a realiza o ventilare corecta, cu indicii de confort standard, acest subiect fiind foarte important în cazul clădirilor de birouri, oferind numeroase avantaje în procesul de sincronizare dintre energia solară incidentă și necesarul de răcire. Aceste sisteme sunt încă în dezvoltare, folosindu-se efectul de evaporare pentru scăderea în temperatură a aerului.

III.2. SISTEMUL FOTOVOLTAIC

Transformarea radiației solare în energie electrică cu ajutorul celulelor solare se realizează prin conversia fotoelectrica.

Potențialul energiei solare, în generarea de energie electrică, variază între 1100 și 1300kWh/m2 pe an, cea mai favorabila zonă fiind pe coasta Mării Negre cu o perioada de însoleiere de aproximativ 2300 ore pe an.

Celula fotovoltaică este realizată din materiale semiconductoare, având costurile de funcționare și întreținerea foarte scăzute, funcționarea ei fiind silențioasă și nepoluantă. În funcție de natura cristalină a materialului semiconductor folosit în fabricarea acestora, se disting trei tipuiri de celule fotovoltaice:

Monocristaline – realizarea lor sub forma unei baghete sau vergea, ce sunt tăiate ulterior în plăci foarte subțiri, ce vor fi folosite în fabricația de celule fotovoltaice. Au cea mai mare eficienta de conversie a energie de 24% și pot fi instalate în mod optim în locurile unde orientarea și înclinarea pot fi setate fără probleme.

Policristaline – realizate în urma unui proces de producție mai ieftin, prin refolosirea plăcilor subțiri de siliciu în urma tăierii, având o eficiență de 18%.

Amorfe – obținerea lor se realizează prin depunearea unei pelicule extrem de subțiri de siliciu pe o suprafață de sticlă sau alt material, având o eficiență de 13%. Sunt ideale în condiții de lumină difuză sau slabă și au o caracteristică estetică datorită transparenței și flexibilității lor în poziționarea și realizarea unui joc pe fațadă.

Fig. 20 Tipurile de celule fotovoltaice. Sursa: www.energia-verde.ro

O celulă fotovoltaică nu produce energie electrică mai mare de 1,5 sau 2 W la tensiuni de 0,5 sau 0.6 V, putând fi interconectate în serii și/sau în paralel, astfel că în proiectarea panourilor fotovoltaice este luat în considerare necesarul energiei electrice. De exemplu, un panou fotovoltaic realizat din 36 de celule produce tensiunea necesară pentru a încărca o baterie de 12V.

Fig. 21 Circuitul unui sistem fotovoltaic legat la retea. Sursa: www.roccas.ro

Panoul fotovoltaic reprezintă un generator de curent continuu, însă majoritatea echipamentelor și a aparatelor electrocasnice folosește un curent alternativ. Energia produsă pe cale fotovoltaică este variabilă, în funcție de zi sau noapte, cer senin sau acoperit, creând o fluctuație mare a fluxului de energie și a tensiunii generate. Astfel apare necesitatea de regularizare a fluxului de energie, cu ajutorul unui convertor.

Componentele principale ale unui sistem fotovoltaic sunt:

Modulul sau panoul fotovoltaic;

Bateria de acumulare a energiei;

Subsistemul pentru condiționarea fluxului de energiei electrică, care include elemente de măsurare, monitorizare, protecție, etc.;

Sursa auxiliară de energie, un generator de energie și de siguranță.

Sistemele fotovoltaice sunt împărțite în două categorii: conectate la rețea(on-Grid) sau care funcționează în paralel cu rețeaua de furnizare a energiei electrice publice și cu sisteme fotovoltaice autonome (off-Grid).

Sistemele fotovoltaice conectate la rețea, folosesc rețeaua electrică publică ca sursă auxiliară de energie, iar excesul de energie generată de panourile solare poate fi redirecționat către rețeaua publică de energie. Se va realiza astfel o reducerea costurilor utilizarii de energie electrică, cât și o producere a unui profit în urma acestui sistem.

Integrarea panourilor fotovoltaice în arhitectură reprezintă una din marile provocări ale arhitecturii solare. În anvelopanța clădirii este mult mai uzuală, adică fiecare element al unui sistem fotovoltaic introdus în perete sau în acoperiș îndeplinește atât rolul funcțional, cât și structural al acestora. Este importantă atingerea unui raport între necesarul și caracteristicile structurii fizice a sistemului și criteriile funcționale și estetice ale panourilor fotovoltaice.

III.3. RECUPERAREA DE CALDURĂ

În prezent, majoritatea clădirilor nou construite sunt ermetice, încât să nu fie produse pierderi de căldură nedorite. Astfel este împiedicat schimbul natural de aer în încăperi. În acest mod se acumulează mirosuri neplăcute și pot apărea fungi. De aceea trebuie asigurat schimbul de aer necesar, astfel încât să fie minimalizate pierderile de temperatură prin aerisire. Aceasta este posibil numai prin folosirea unităților de aerisire cu recuperare a căldurii, așa numitelor unități de recuperare. Unitatea are încastrat schimbător cu recuperarea căldurii, în care aerul cald uzat transmite majoritatea căldurii sale aerului curat admis.

III.4. ACTIVAREA TERMICĂ A CLĂDIRII

Activarea termică a clădirii propune un sistem inovativ, ce activează termic planșeele din beton armat pentru încălzire sau răcire, cu ajutorul apei, prin serpetine. Acest sistem are ca rezultat o creștere a enerției termice și se opune schimbărilor rapide de temperatură. Ca avantaj al acestui sistem este investiția mică inițială, consumul de energie este mult mai scăzut decât a unui sistem convențional, vârfurile de încălzire sau răcire sunt reduse de masa termică a betonului. Limitațile acestui sistem este timpul de răspuns foarte scăzut, necesitatea de ventilare.

III.5. SISTEME DE RĂCIRE PRIN EVAPORARE

Sistemele de răcire prin evaporarea apei reprezintă cea mai eficientă metodă naturală de răcire. Răcirea prin evaporare funcționează pe principiul absorbției căldurii prin evaporarea umidității. Unitatea de răcire prin evaporare trage aerul exterior în panouri special umezite, în care aerul este răcit prin evaporare și apoi este circulat.

Gama de sisteme de răcire prin evaporare comerciale și industriale disponibile astăzi este vastă, variind de la unități de răcire mobile pentru uz comercial, la cele mari și complet dirijate pentru uz industrial.

III.6. SISTEME GEOTERMALE DE CLIMATIZARE

Aceste sisteme necesită o cantitate redusă de energie electrică pentru că folosește energia termală naturală a pământului, fiind ușor adaptabile oricărui tip de clădire, mare sau mică.

Căldura este colectată printr-un sistem de țevi de polietilenă de înaltă densitate, îngropate în pământ, în care circula un agent termic care, de regulă, este un amestec de apă și antigel. Solul, la o adâncime de 1.8 m, are o temperatură cuprinsă între 8 și 12 grade Celsius, pe tot parcursul anului. În sezonul rece, agentul termic captează energia nativă a pământului și o transportă către pompa de căldură din interiorul cladirii, concentrând căldura și distribuind astfel în întreaga clădire la o temperatură mai mare. Vara, procesul este inversat, adică excesul de căldură este extras de pompa de căldură și dispersat în pământ, sau este folosit în producerea apei calde menajere.

Fig. 26 Schema functionala a sistemului geotermal. Sursa: www.eagle-mt.com

Cand vine vorba de climatizare rezidențială sau comercială, cel mai eficient și cu cele mai mici costuri de operare sunt sistemele geotermale, fiind cu 70% mai ieftine decât un sistem de climatizare electric, și cu 50% față de pompele de căldură cu sursa din aer.

La fiecare unitate de energie electrică, în pompa de căldură se obține 3,5 unități de căldură, unde 2,5 unități provin din energia geotermală colectată, cu alte cuvinte energia consumată este mai mică decât energia utilizată, reprezentând un mare pas către eficiența energetică.

DIRECȚIA ȘI TIPOLOGIILE ARHITECTURII DE MÂINE

IV.1. ORAȘUL SUSTENABIL

Viitorul orașelor noastre este dependent de acțiuniile de astăzi. În special, realizarea orașelor sustenabile este necesară în această urbanizare rapidă a lumii. În 1950, 30% din populația lumii traia în mediul urban, în timp ce în 2003, raportul a crescut la 48%. S-a estimat că până în anul 2030 populația urbană va crește la un procent de 61% (Națiunile Unite 2004). Astfel, viitoarele forme ale oraselor și viitoarele strategii vor trebui adaptate la economia globală și la epoca informațională, bazate pe principiul de a permite generațiilor prezente satisfacerea tuturor nevoilor, fără a compromite generațiile viitoare.

Fundația unui concept urban sustenabil este obiectivul imperativ de a asigura calitatea ridicată a întregii comunități într-un cadru socio-economic ce reduce impactul orașului la mediul local și global. Pentru a se reuși, orașul trebuie să abordeze această particularitate a sustenabilității: socială, ecologică și economică. Orașele sustenabile asigură bunăstarea și calitatea vieții tuturor locuitorilor, fiind integrate social și în raport cu mediul.

Idei pentru realizarea sinergiei mediului cu un oraș sustenabil:

Utilizarea energiei regenerabile si creștearea majoră a eficienței energetice

Reciclarea și reutilizarea materialelor

Producerea alimentelelor în cadrul orașelor

Oprirea dezvoltării centrelor de afaceri și comerciale fără o strategie urbană sustenabilă.

Densitatea urbană este unul dintre suținătorii orașelor sustenabile, oferind oportunități la un preț redus, datorită eficienței energetice, crescând accesibilitatea și mobilitatea, eliminând nevoia de a se deplasa cu autoturismul. În acest context a fost întodeauna subapreciată latura socială, economică, politică și culturală a metodelor procesului în care transformarea într-un oraș sustenabil poate fi realizată.

Realizarea unui oraș sustenabil se poate face prin dezvoltarea economiei, ce se concentrează asupra bunăstării și asupra calității vieții a locuitorului. Astfel, economia ar trebui considerată parte conexă a mediului de trai a rezidenților acelui oraș, mai mult decât producția, consumul și posesia de bunuri materiale. Relația între economie, societate și mediu este una de interdependență.

Din punct de vedere ecologic, este important ca economia să fie locală, dacă economia orasului nu corespunde regiunii locale, inevitabil amprenta ecologica este mult mai mare decat a suprafeței pe care o ocupă. Însă folosirea resurselor naturale locale poate avea rezultate mult mai mari pe piața locală, reducând astfel pierderile și poluarea prin export/import. Conexiunea între oraș și mediul înconjurător va fi întărită și va permite dezvotarea economică a orașului în concomitent cu bunăstarea locuitorilor lui. De cele mai multe ori, cea mai bună metodă de a ajuta economia este prin susținerea locuitorilor, afacerilor locale, activităților și a culturii, intensificând calitatea mediului creând un efect de gentrificare, încurajând mersul pe jos, activitățiile în aer liber, îngrijirea spațiilor publice și a clădirilor, și nu în ultimul rând proiectarea pentru utilizator. Acestea reprezintă un pas important în transformarea unei comunităti sau a unui oraș sustenabil, protejand locurile cu specific local, bogat în diversitate și activitate.

Însă dorința de a crea un oraș sustenabil trebuie să existe în fiecare locuitor, într-o manieră responsabilă, tinzând către o viață mai educată și mai bună. În același timp, această dorință se poate materializa prin reciclarea deșurilor și prin consumul responsabil, prin mijloacele media sau prin activități de educare a populație, cu scopul de a schimba mentalități. Crearea de evenimente de sensibilizare a opiniei publice reprezintă o altă modalitate de a atinge cea de-a treia latură a unei vieți sustenabile, într-un oraș sustenabil, activitatile social-culturale oferind în același timp sentimentul de apartenență la comunitate a locuitorilor orașului.

IV.2. „FORMA URMEAZĂ ENERGIA”

Pornind de la citatul foarte răspândit în concepția arhitecturii moderne și a design-ului industrial al arhitecturii secolului XX „Forma urmează funcțiunea”, forma clădirii trebuie să oglindească acțiunea ce se desfășoară în interior sau scopul cu care a fost proiectată și construită.

Însă aceasta este o concepție deja depașită în secolul XXI, unde tehnologia avansează odată cu nevoile și concepțiile oamenilor asupra vieții. Resursele sunt pe sfârșite cu o populație în continuă creștere, iar construirea unor noi clădiri devine din ce în ce mai dificilă, din cauza resurselor și a energiei pe care o consumă. O soluție a acestei probleme este refolosirea clădirilor vechi și refuncționalizarea lor, un procedeu complex ce de multe ori eșuează din cauza concepției greșite din proiectare, prin lipsa flexibilității-caracteristică ce ar trebui să stea la baza unei arhitecturi corecte, cladirea să poată astfel răspunde cu succes la toate transformăriile pe care le suportă de-a lungul timpului, sau în cel mai rau caz, dezmembrarea și reasamblarea ei în noua formă dorită.

De aici și toate protestele față de clădiriile care au o importanță istorică și arhitecturală. Acestea sunt dărâmate sau lăsate să se descompună cărămidă cu cărămidă. Sunt oameni ce susțin păstrarea și conservarea lor, însă din punct de vedere economic, reprezintă doar o pagubă în ochii unora. Astfel se întâmplă și în natură, când un corp nou sau vechi care nu își mai îndeplinește toate funcțiile într-un organism, este vizat pentru extirpare sau pentru reîncadrarea lui într-un organism viu. La fiecare ciclu de viață respectiv al unei generații, mentalitatea evoluează odată cu mediul în care se află. Un exemplu este reprezentat de percepția unui om mai în vârstă asupra anumitor locuri de delectare și divertisment de altădată, însă devenit acum un loc părăsit și ruinat. El a stabilit o legătură emoțională puternică și înțelege valoarea acelui element al orasului și susține protejarea lui. Prin pierderea acelui loc, el va pierde o parte din el, însă un tânăr nu va înțelege niciodata însemnătatea acelui loc, din cauza sistemului de valori pe care l-a dobândit. Nu trebuie, însă, judecat, pentru că, la rândul lui, va avea aceleași legături emoționale cu unele locuri, acest impact putând fi atenuat prin educație, și se poate extrapola în toate domeniile și vârstele, precum un algoritm genetic.

Astfel ajungem să ne întrebăm cum să acționăm astfel încât un oraș, o clădire sau un loc să aparțină atât generației de ieri, cât și celei de mâine, începând în primul rând cu schimbarea modului de gândire, în vederea unui oraș sustenabil, cu clădiri durabile și cu o arhitectură flexibilă, în perfectă armonie cu mediul ei. Doar omul și natura pot facilita dezvoltarea unei arhitecturi unde funcțiunea este într-o continuă transformare.

CONCLUZII

Arhitectura solară se bazează pe utilizarea energiei provenite de la Soare ca energie liberă, neconvențională, și reprezintă un concept esențial în arhitectura din prezent. Lucrarea tratează importanța folosirii eficiente a energiei într-o societate consumeristă, axată pe ideea obținerii confortului cu orice preț, o atitudine egocentrică, cu replici în viitor.

Conservarea energiei prin Arhitectura Sustenabilă, de la proiectare și până la materialele folosite, reprezintă un semn al progresului în mentalitate și este necesară investiția în ideile ce o susțin. Scopul Arhitecturii Sustenabile este acela de a crea un echilibru în producerea și consumul de energie.

Aplicarea principiilor propuse este reprezentată de trecerea de la utilizarea pasivă- adică de la o folosire a radiațiilor solare fără sisteme termice, la o Arhitectură Inteligentă, care are în vedere conservarea resurselor mediului înconjurător.

De remarcat și reținut este faptul că o construcție care poartă amprenta sustenabilității nu pierde din vedere conforul și îmbunătățirea calității vieții utilizatorilor, la care se adaugă și componenta securității, un subiect estrem de sensibil în contemporaneitate.

Lucrarea în discuție a propus și analizat condițiile ce țin de localizare și de clima locală în procesul de obținere a necesarului de energie existentă, prin crearea unei mase termice care permite menținerea căldurii în funcție de temperatură, minimizând astfel risipa de energie. Climatizarea reprezintă o altă metodă de a reduce pierderile de energie, prin etanșarea corectă, care are scopul de a reduce infiltrațiile.

Luând natura ca model și analizând adaptabilitatea la condițiile exterioare vitrege, arhitectura solară poate îmbină armonios elementele tradiționale, cu noile tendințe venite din sfera nanotehnologiei.

Realizarea dezvoltării urbane sustenabile nu este un proces ușor. Complexitatea dimensiunii și a varietății formelor urbane și interconectarea acestora cu problemele de mediu, sociale si economice, toate indică unicitatea fiecarui oraș. Cu siguranță nu există o soluție universală care să acopere toate aceste probleme, însă există strategii și acțiuni ce au fost făcute cunoscute în paralel cu contextul urban la care se raportează.

Dar în final comportamentul și stilul de viata, precum și aspirațiile oamenilor stau la baza obținerii unui mediu sustenabil. Nu forma zonelor urbane și nici clădirile cuprinse în ele nu determină acest comportament sustenabil, dar ele pot pune la dispoziție cadrul perfect unei astfel de mentalități. Pot afirma cu încredere că viitorul formelor urbane ale orșelor va include: strategii de dezvoltare policentrică a orașelor, accesibilitate și mobilitate ridicată datorită unui sistem de transport public, o creștere culturala în dezvoltarea densității, în raport cu contextul urban, forme urbane și clădiri ce profită de energia solară și interacționează cu noua tehnologie. Nu în ultimul rand, noile forme urbane vor fi caracterizate de o dezvoltare a accesibilității unui comportament sustenabil al populatiei.

Suntem încă la început de drum în ceea ce privește colectarea energiei solare și folosirea ei la eficiența întâlnitâ în natură. Toate tehnologiile și arhitectura actuală încă daunează ecosistemului, fapt ce poate duce la colaps sau să fie un semnal de alarma în ceea ce privește proiectarea responsabilă, cât și consumul de energie.

Studiind natura și tot ce cuprinde ea, întelegem cum să reacționăm la anumite aspecte ale vieții, dezvoltând tehnologii în eficientizarea folosirii de resurse și energie regenerabilă, creând și construind în acord cu natura, concomitent cu un stil de viață sănătos, cu o economie regenerabila, către un viitor sustenabil, tot experimentând noi idei, bazate pe faptul că, la fiecare mutație a ciclului evolutiv, sunt tot mai aproape de acest scop: un viitor sigur al generațiilor următoare.

În concluzie, nu arhitectura solar pasivă sau oricare alt stil, trend sau tehnologie sta la baza sustenabilității, ci modul cum gândim și reacționam la mediul natural înconjurîtor, cât și la cel construit. Modul în care ne organizăm viața, cum folosim apa, energia și resursele naturale sau faptul că reciclam sau nu, reprezeintă soluția. Nu este nicio rețetă și nicio lege de urmat în ceea ce privește un comportament sustenabil, ci o mentalitate nouă poate proiecta principiul sustenabilității, având un set de reguli, măsuri și standarde ce au fost atinse și discutate pe parcursul acestei lucrări.

BIBLIOGRAFIE

RANDAL THOMAS, ENVIRONMENTAL DESIGN, TAYLOR & FRANCIS, 2006.

SCHITTCH CHRISTIAN, SOLAR ARCHITECTURE, Kosel GmbH & Co. KG, KEMPTEN, 2003

VIVIENNE BROPHY si OWEN J. LEWIS, A GREEN VITRUVIUS. PRINCIPLES AND PRACTICE OF SUSTAINABLE ARCHITECTURAL DESIGN. SECOND EDITION, EARTHSCAN, 2011.

GALLOWAY TERRY, SOLAR HOUSE. A GUIDE FOR THE SOLAR DESIGNER., ELSEVIER, 2004

PHILLIPS DEREK, DAYLIGHTING. NATURAL LIGHT IN ARCHITECTURE, ELSVIER, 2004

SZOKOLAY V. STEVEN, INTRODUCTION TO ARCHITECTURAL SCIENCE. THE BASIS OF SUSTAINABLE DESIGN, ELSEVIER, 2004

JENKS MIKE si DEMPSEY NICOLA, FUTURE FORMS AND DESIGN FOR SUSTAINABLE CITIES, ELSEVIER, 2005

JOSE MARTIN GOMEZ TAGLE MORALES, SUSTAINABLE BUILDING DESIGN BOOK, SB05TOKYO Student Session, 2005

DAVID A. BAINBRIDGE si KEN HAGGARD, PASSIVE SOLAR ARCHITECTURE: HEATING, COOLING, VENTILATION, DAYLIGHT, AND MORE USING NATURAL FLOWS, CHELSEA GREEN, 2011

ARTICOLE

Atul Sharma, V.V. Tyagi , C.R. Chen, D. Buddhi, Review on thermal energy storage with phase change materials and applications, ELSEVIER, 2007

SURSE WEB

http:// www.earthtrends.wri.org

http:// www.bp.com/statisticalreview

http:// www.wikipedia.org

http:// www.energie-verde.ro

http:// www.efficient windows.org

http:// www.deepgreenarchitecture.com

http:// www.asknature.org

http:// www.soltech.ro

http:// www.et.upt.ro

http:// www.roccas.ro

http:// www.interempresars.net

http:// www.archello.com

http:// www.detail-online.com

http:// www.navigantreserch.com

http:// www.eagle-mt.com