Consumul de Energie In Cladiri

Introducere

Standarde referitoare la consumul de energie in cladiri

Standardele de cladiri cu consum redus de energie impun cerinte minime de eficienta energetica pentru toate cladirile noi. In multe cazuri, este posibil si fezabil constructia cladirilor cu o eficienta mult mai mare imbunatatind altfel economia pe termen lung. Nu s-au gasit standarde de cladiri sau standarde energetice in acest studiu pentru a limita constructorii sau viitorii proprietari pentru a creste eficienta energetica a cladirilor. Dar, totusi, marea majoritate de cladiri noi sunt construite exact cu cerinte minime de eficienta energetica.

Cu toate acestea, unele cladiri vizeaza standarde de eficienta mult mai mari si printre acestea sunt :

Cladiri cu consum de energie redus (LEB)

Case pasive

Cladiri cu consum zero de energie din surse conventionale si cladiri cu emisii zero de dioxid de carbon;

Cladiri cu plus de energie

Cladiri cu consum redus de energie (LEB- Low Energy Building)

Termenul este in general folosit pentru a indica ca o cladire are o performanta enegetica mai buna decat cladirile uzuale, sau cerintele eficientei energetice sunt conform standardelelor, si , prin urmare, cladirea va avea un consum redus de energie coparativ cu cladirile standard.

Nu exista o definitie la nivel global pentru case cu consum redus de energie, deoarece standardele nationale difera considerabil de la tara la tara.

In unele tari, cladirile cu consum scazut de energie sunt definite de standarde de constructie sau in raport cu standardul energetic. LEB pot fi definite ca avand un consum de energie aproape pe jumatate comparativ cu cladirile standard sau un anumit procent conform standardelor.[9]

Daca nu exista nici o definitie pentru termenul de LEB, acest lucru ar presupune ca toate cladirile pot fi numite cladiri cu consum redus de energie, iar consumatorii vor fi prezentati cu o cladire cu consum redus de energie, chiar daca acestea isi implineste cu greu cerintele reale de eficienta energetica.

In unele tari, termenul de cladiri cu consum redus de energie poate fi confuz, avand in vedere ca nu este o exista o definitie clara. In alte tari este bine definit si este de ajutor pentru cei care doresc sa detina o cladire eficienta conform standardelor de mai sus.

Certificat de performanta energetica

Certificatul de performanta energetica este un documente care atesta performanta energetica a unei cladiri. Statele membre Uniunii Europene se vor asigura ca, la construirea, vanzarea sau inchirierea cladirilor, un certificat de performanta energetica este pus la dispozitia proprietarului. Certificatul de performanta energetica a cladirii este valabil 10 ani de la data emiterii.

In Romania, certificatele de performanta energetica au devenit obligatorii prin legea 372/2005. In figura este prezentat un model de certificat energetic.[11]

Figura Certificat de performanta energetica [3.]

Litera A este atribuita cladirilor cu un consum total de energie de 125 kWh/m2/ an.

Clasele specifice cum ar fi A sau B pe o scara de la A la G sau A+ si A++ sunt folosite pentru a indica ca aceste cladiri sunt constructii mai bune decat standardele. Unele tari utilizeaza intreaga scara pentru a arata diferenta dintre cladirile noi construite utilizand toate literele de la A la G pentru a clasifica cladirile noi.

In Australia, sunt utilizate stele pentru a arata eficienta cladirilor. Sunt acordate 5 stele cladirilor pentru o eficienta energetica maxima. O data cu cresterea cerintelor de eficienta energetica, cerintele minime in statul Victoria sunt echivalente cu 5 stele.

In SUA, este utilizata eticheta Energy Star pentru cladirile ce consuma cu 15 % mai putina energie decat cerintele din standardele de eficienta energetica pentru cladiri noi, dupa cum sunt definite in standardele ASHRAE si IECC. [1]

Case pasive

Casele pasive sunt constructii unde climatul interior confortabil poate fi obtinut fara sisteme convetionale de caldura sau racire. Sunt denumite „case pasive” pentru ca o parte predominanta din caldura necesara provine din surse „pasive” cum ar fi: expunere solara, caldura emisa de ocupanti si elemente tehnice. Comparate cu cladirile traditionale ele utilizeaza mult mai putina energie. Pentru cele mai multe tari, aceste cerinte sunt cu 70-90% mai reduse fata de cerintele actuale de eficienta energetica pentru incalzire si racire, dar acest lucru depinde de actualele standarde energetice.

O data cu cresterea eficientei energetice, costurilor aditionale pentru eficienta energetica vor creste. In general, masurile cu un cost cat mai redus vor fi utilizate mai intai. Cu cat cladirea este mai aproape de un consum zero de energie, sunt necesare masuri mai costisitoare pentru a creste eficienta energetica si de a reduce consumul de energie. In acelasi timp, vor fi diferite posibilitati prin care se vor produce economii, deoarece unele instalatii sau echipamente nu mai sunt necesare. Una dintre cele mai interesante reduceri ale costurilor este atunci cand consumul de energie este atat de scazut incat un sistem de incalzire convetional nu mai este necesar si constructia poate fi incalzita pasiv prin castigurile solare si de sistemele de ventilatie.

Un aport de caldura poate fi distribuit in camere printr-un sistem controlat de ventilatie cu recuperare de caldura. Necesarul anual pentru incalzirea unei case pasive este foarte scazut- pentru Europa Centrala de aproximativ 15 kWh/m2/an. Necesarul minim poate fi asigurat prin incalzirea aerului furnizat de sistemul de ventilatie. Obiectivul caselor pasive este de a mentine un consum total de caldura, apa calda si energie electrica sub 120 kWh/m2/an.

Pentru a fi casa pasiva, o cladire trebuie sa indeplineasca mai multe conditii:

Cladirea nu trebuie sa utilizeze mai mult de 15 kWh/m2/an pentru incalzirea spatiilor;

Sarcina termica specifica pentru incalzire, la temperatura de proiectare trebuie sa fie mai mica de 10 W/m2;

Cladirea nu trebuie sa prezinte infiltratii ale aerului mai mult de 0,6% din volumul casei pe ora;

Consumul total de energie primara (energie primara pentru incalzire, apa calda menajera si electricitate) nu trebuie sa fie mai mare de 120 kWh/m2/an.

Standardul de casa pasiva a fost definit in 1988 de catre doctorul Wolfgang Feist si profesorul Bo Adamson, iar prima casa pasiva a fost construita in Darmstadt in Germania in anul 1990.

Anumite cerinte de constructie sunt necesare pentru casele pasive. Acestea sunt:

Foarte izolate. Toate partile de constructie pentru pereti, acoperisuri si pardoseli sunt izolate cu rezistenta termica intre 0,10- 0,15 W/m2/K;

Proiectate fara punti termice. Toate puntile termice in constructii trebuie sa fie evitate;

Cu ferestre de confort. Toate ferestrele dintr-o casa pasiva sunt foarte eficiente si au trei straturi de sticla. De asemenea, acestea au ramele eficiente energetic si sunt umplute cu gaz. In general, valoarea rezistentei termice pentru aceste ferestre este intre 0,70- 0,80 W/m2/K;

Cladirea nu trebuie sa aiba pierderi de aer necontrolate;

Ventilare cu recuperarea caldurii. In casele pasive, cel putin 75% din caldura aerului evacuat este utilizata pentru incalzirea aerului proaspat, ceea ce inseamna salvarea energiei necesare pentru incalzire.

Inlcazirea si racirea acestor cladiri se face prin sisteme avansate, care includ schimbatoare de caldura, de obicei acestea fiind combinate cu pompe de caldura.

Cladiri cu consum zero de energie din surse conventionale (ZEB- Zero Energy Building)

ZEB sunt cladiri care nu utilizeaza combustibili fosili, dar necesarul de energie este acoperit din energie solara sau alte surse de energii regenerabile. Cu toate acestea, este inca nevoie de o definitie si un acord pe standarde internationale clare.

ZEB pot fi definite prin diverse moduri, cum ar fi:

Cladirile cu consum zero energie neta, sunt cladiri care de-a lungul unui an sunt neutre, ceea ce inseamna ca ele furnizeaza atata energie in retea cat consuma. Conform acestor termeni, nu au nevoie de combustibili fosili pentru incalzire, racire, iluminat sau pentru alte utilizari energetice, dar, cu toate acestea, uneori, folosesc energie din retea;

Cladirile independente energetic, sunt cladiri care nu necesita o conexiune la retea sau doar ca rezerva. Cladirile independente pot produce in mod autonom energie, ele au capacitatea de a stoca energie pentru consumul pe timp de noapte sau pe timpul iernii;

Cladiri cu plus de energie, sunt cladirile care furnizeaza mai multa energie pentru sistemele de alimentare decat este necesar. Pe parcursul unui an, aceste cladiri produc mai multa energie decat consuma.

Cladirile cu zero emisii de dioxid de carbon sunt cladiri care pe parcursul unui an nu utilizeaza energie responsabila de emisii de dioxid de carbon.

Definirea ZEB comparata cu standardele de case pasive, nu exista o definitie clara pentru a construii sau de a obtine cladiri cu consum zero de energie din surse conventionale. In principiu, poate fi o cladire traditionala ce dispune de un colector solar si de sisteme fotovoltaice. Daca acese sisteme produc pe parcursul unui an mai multa energie decat este necesarul cladirii, acestea pot fi numite cladiri cu zero energie neta. [1]

Eficienta energetica in cladiri

Eficienta energetică a clădirilor reprezintă energia efectiv consumată sau necesara pentru încălzire, prepararea apei calde, răcirea, ventilarea și iluminatul.

Consumul energetic în sectorul clădirilor reprezintă peste 40% din consumul total de energie în Uniunea Europeană. În România, problema eficienței energetice a clădirilor devine cu atât mai importantă cu cât fondul de clădiri existent este construit în proporție de peste 60% înainte de anul 1970, ineficiente energetic, iar noile clădiri, în special cele rezidențiale, au o eficiență energetică relativ scăzută.

Numeroase legi au fost implementate in Romania, ce au ajutat la clarificarea si stabilirea de standarde necesare pentru eficientizarea energetica a cladirilor. Standarde precum:

metodologia de calcul a performanței energetice a clădirilor;

stabilirea cerințelor minime, cu diferențiere între tipurile de clădiri și categoriile acestora etc.;

stabilirea ca obiectiv principal realizarea de clădiri noi, cu un consum de energie aproape egal cu zero, de atins în etape intermediare 2014-2020;

certificatele de performanță energetică drept necesitate, obligativitate.

În consecință, aplicarea unui standard de referință a eficienței energetice a clădirilor trebuie să constituie o prioritate, prin elaborarea unui plan național realistic și realizabil în timp. [2]

Imbunatatirea eficientei energetice a fondului existent de cladiri este esentiala, atat pentru atingerea obiectivelor nationale referitoare la eficienta energetică pe termen mediu, ci și pentru a îndeplini obiectivele pe termen lung ale strategiei privind schimbările climatice și trecerea la o economie competitivă cu emisii scăzute de dioxid de carbon până în anul 2050.

Instrumentele legislative și politicile UE în domeniul eficienței energetice

Necesitatea de a reduce impactul asupra mediului si de a atenua dependenta de combustibili fosili, ofera provocari noi privind consumul de energie in cladiri si emisiile asiciate cu cladirile.

Sectorul cladirilor reprezinta o contributie semnificativa la consumul de energie al UE, din surse conventionale. Acest sector face obiectul mai multor politici, strategii si obiective ce au in vedere reducerea impactului negativ asupra mediului. Unul din aceste obiective, au fost formulate prin tinta "20-20-20", care reprezinta un set de tri obiective-cheie pentru anul 2020:

Reducerea cu 20% a emisiilor de gaze cu efect de seră din UE în raport cu nivelurile din 1999;

Creșterea cu 20% a ponderii energiei produse din surse regenerabile în UE;

Imbunătățirea cu 20% a eficienței energetice în UE.

Pe termen lung, UE a stabilit mai multe obiective de atins pana in anul 2050:

Obiectivul UE pentru trecerea la o economie competitiva cu emisii scazute de dioxid de carbon pana in anul 2050, care a identificat necesitatea de a reduce cu 88%-91% emisiile de dioxid de carbon până în 2050, comparativ cu nivelurile din 1990;

Perspectiva energetică 2050, prin care „creșterea potențialului de eficiență energetică a clădirilor noi și existente este esențială” pentru un viitor sustenabil din punct de vedere energetic contribuie în mod semnificativ la scăderea cererii de energie, la sporirea securității aprovizionării cu energie și la o mai mare competitivitate;

Planul pentru o Europă eficientă din punct de vedere energetic, prin care s-a identificat sectorul imobiliar ca fiind printre primele trei sectoare responsabile pentru 70%-80% din totalul impactului negativ asupra mediului. Realizarea de construcții mai bune și optimizarea utilizării acestora în cadrul UE ar scădea cu peste 50% cantitatea de materii prime extrase din subteran și ar putea reduce cu 30% consumul de apă.

Principalele directive si legi in ceea ce priveste eficienta energetica a cladirilor sunt:

Directiva 2010/31/UE privind performanța energetică a clădirilor (EPBD), definirea cladirilor cu consum aproape zero, certificarea energetica a cladirilor, inspectiile sistemelor HVAC;

Directiva 2012/27/UE privind eficiența energetică (EED), are ca scop impementarea de strategii nationale, audituri energetice, economii de energie;

Directiva 2009/28/CE privind energia din surse regenerabile (RED), care impune utilizarea unor niveluri minime de energie din surse regenerabile pentru clădirile noi și clădirile existente care fac obiectul unei renovări majore;

Directiva 2010/30/EU privind etichetarea produselor energetice;

Directiva 2009/125/EC/reformata, directiva de eco-design; [3]

Legea 372/2005 privind performanta energetica;

Legea nr. 121/2014 privind eficiența energetică, transpune în legislația națională reglementările Uniunii Europene prevăzute: de Directiva 27/2012/UE privind eficiența energetică, de modificările Directivelor 125/2009/CE și 30/ 2010/UE. Scopul principal al legii este de a stabili un cadru legislativ coerent pentru dezvoltarea și punerea în aplicare a politicii naționale de eficiență energetică, în vederea atingerii obiectivului național pentru creșterea eficienței energetice. [4]

Rapoarte privind consumul de energie in Romania

In Romania, suprafata construita este de 493 000 000 m2 , din acestea 86% din acestea fiind reprezentata de cladiriile rezidentiale, 14% reprezentand cladiriile nerezidentiale. Suprafata totala a cladirilor este de 67 200 000 m2. In tabelul 1este reprezentata distributia fondului imobiliar nerezidential, cladirile de birouri reprezinta 10 990 000 m2 [4]:

Tabelul 1 Fondul imobiliar nerezidential in funtie de tipul de cladiri [3]

In ceea ce priveste eficienta energetica, cladirile educationale sunt cele mai mari consumatoare de energie (354 kWh/m2/an). In figura este prezentata performanta energetica si in figura emisiile de CO2 in functie de sectorul imobiliar.

Figura Performanta medie de energie [3]

Figura Indicele mediu de emisii de CO2 [3]

Consumul de energie la nivel global, datorat sistemelor de ventilatie al cladirilor de birouri, este prezentat in tabelul:

Tabel Consumul de energie, in 2012, trilioane Btu

Sursa: U.S. Energy information Administration

Ventilare si calitatea aerului interior

Calitatea mediului construit este importanta pentru starea de bine si sustenabilitatea societatii. Conditiile de confort interior al cladirilor reprezinta o importanta ridicata pentru performanta ocupantului. O mare parte din eforturile de proiectare a cladirilor si consumurile de energie sunt dedicate pentru a crea si pentru a mentine conditii de confort.

Calitatea aerului interior se asigura prin ventilare, in functie de destinatia incaperii, de tipul surselor de poluare si de activitatea care se desfasoara in incapere.

Pentru zona ocupata din incaperile civile, se stabilesc patru categorii de calitate a aerului interior (IDA1 – IDA4), mentionate in tabelul:[5]

Tabelul Categorii de calitate a aerului interior (din SR EN 13779:2007)

Pentru caracterizarea ambiantei interioare se stabilesc patru categorii, mentionate in tabelul:

Tabelul Categorii de ambianta interioara (din SR EN 15251: 2007)

Ventilarea spatiilor este unul din cei mai importanti factori pentru calitatea mediului interior. Rata mica de ventilare a spatiilor, este asociata cu concentratia mare de dioxid de carbon (CO2) din aerului interior. [13]

Sanatatea ocupantului, confortul si productivitatea

Calitatea aerului, atat in interiorul cat si in afara cladirilor, este o problematica discutata in Europa. Avand in vedere ca petrecem 60- 90% din viata noastra in interiorul cladirilor, calitatea aerului in cladiri are un rol foarte important in sanatatea populatiei. [13]

Confortul termic este definit in conformitate cu SR EN ISO 7730:2006 si reprezinta conditia starii mentale care exprima multumire in raport cu mediul inconjurator. Confortul termic poate influenta moralul ocupantilor si productivitatea muncii. Lipsa de confort termic are efecte negative asupra starii de sanatate si randament scazut al activitatilor profesionale, care poate ajunge pana la refuzul muncii.[11]

Schimbul termic al omului cu mediul ambiental

Organismul uman posedă calitatea menținerii temperaturii sale constante, indiferent de temperatura mediului ambiant și de activitatea fizică depusă. În repaus total și în condiții de confort, metabolismul de bază al omului, altfel spus, cantitatea minimă de căldură furnizată de corpul uman pentru întreținerea vieții este de aproximativ 80 W sau 45 W/m2, în poziția în picioare. Există un echilibru între căldura produsă de organismul uman și căldura înmagazinată și disipată în mediul ambiant. Energia produsă de organism este evacuată în mediul ambiant (circa 80%) sub formă de căldură, prin: convecție de la suprafața corpului la aer; conducție de la suprafața corpului la suprafețele cu care vine în contact (pardoseala); radiație de la suprafața corpului către toate suprafețele care îl înconjoară (pereți, plafon, pardoseală); evaporare de la suprafața pielii; căldura conținută în vaporii de apă expirați; convecție respiratorie; transpirație.

Cantitatea de aer inspirată de o persoană adultă, fără activitate fizică, este de aproximativ 0,50 m3/h (maximum 8-9 m3/h la efort deosebit). Aerul expirat din plămâni la temperatura de 35°C și 95% umiditate relativă conține, în medie, 17% O2, 4% CO2 și 79% N.

Temperatura corpului este menținută constantă (oricare ar fi condițiile medii exterioare și interioare) de un sistem de reglare extrem de sofisticat, pilotat de un centru termoregulator situat în hipotalamus. Terminațiile senzitive, care joacă rolul de detectoare ale acestui sistem de reglare,corpusculii lui Krausse, detectează senzația de rece și sunt situați în țesuturile celulare subcutanate, și corpusculii lui Ruffini, responsabili cu senzația de cald și care sunt situați în profunzimea dermei. Acestea sunt termoreceptoarele care controlează, în parte, producerea internă de căldură ca și emisia calorică a organismului. Foamea și setea joacă un rol important în asigurarea unui anumit metabolism: creșterea combustiei alimentelor în lupta contra frigului și creșterea consumului de apă, în lupta contra căldurii.

Conditii de confort termic

Confortul termic este determinat de șase factori principali: temperatura aerului; umiditatea relativă a aerului, temperatura medie de radiație; viteza aerului; intensitatea muncii; îmbrăcămintea.

Votul mediu previzibil (PMV) reprezinta un indice care exprima senzatia previzibila de confort termic a unui grup de persoane dintr-o incapere cu parametri dati, in anumite conditii de activitate si cu un rad de izolare termica cunoscut. Pentru fiecare categorie de ambianta, PMV trebuie sa fie cuprins in plaja de valori din tabelul . Corespunzator valorilor PMV, rezulta procentulde persoane nemultumite, PPD.

Tabel. Valori PMV si PPD corespunzatoare categoriei de ambianta interioara (din SR EN 15251:2007) [5]

Temperatura aerului interior, ti

În zona de lucru, aceasta constituie o bază relativ bună pentru a caracteriza o microclimă. Variații relativ reduse ale temperaturii aerului interior sunt sesizate imediat de organismul uman care trebuie să facă față, rapid, noilor modificări, pentru a menține constant schimbul de căldură al omului cu mediul ambiant. Din punct de vedere fiziologic, temperatura aerului interior recomandata mediului unei persoane, așezată, normal îmbrăcată și fără activitate fizică, se situează în jurul valorii de 22°C, iarna și 22…26°C, vara. Pentru corpul dezbrăcat se consideră că temperatura optimă este 28°C. Iarna, în încăperile ventilate sau climatizate trebuie avut în vedere că mișcarea aerului în jurul corpului produce, inevitabil, răciri care trebuie compensate prin menținerea unei temperaturi de 22°C. [5][6]

Temperatura medie de radiație, tmr

Schimburile termice ale organismului uman sunt dependente și de temperatura medie ponderată (cu suprafața) a pereților, plafonului și pardoselii încăperii, înglobând și corpurile de încălzire, denumită temperatură medie de radiație, tmr. Temperatura medie a pereților, plafonului și pardoselii trebuie să fie apropiată de temperatura aerului. Dacă se află mult sub valoarea temperaturii aerului interior (de exemplu, iarna), o temperatura interioara ti = 20 °C va fi resimțită ca foarte rece și va trebui ca temperatura aerului să fie ridicată cu mult peste 20 °C pentru a se obține o senzație de confort. [6]

Umiditatea relativă a aerului, φi

Deoarece pierderile de căldură ale organismului uman se fac parțial prin evaporarea apei de la suprafața pielii, rezultă că umiditatea relativă a aerului joacă un rol important în confortul termic. Intensitatea fenomenului de evaporare depinde, pe lângă alți factori, și de diferența tensiunilor de vaporizare ale vaporilor de apă de la nivelul pielii și vaporii de apă conținuți în aerul încăperii. La temperatura ambiantă normală de 20 °C, schimbul termic prin evaporare are un rol secundar și, ca urmare, umiditatea relativă nu este așa de importantă pentru confortul termic. În încăperile climatizate se consideră că umiditatea relativă admisibilă poate fi cuprinsă între 35 și 70%. O dată cu creșterea temperaturii aerului, umiditatea relativă începe să joace un rol din ce în ce mai mare în evaporarea de la suprafața pielii.[6]

Viteza de mișcare a aerului interior vi

Constituie un alt parametru al confortului termic. Senzația de inconfort este resimțită cu atât mai mult cu cât temperatura aerului înmișcare este mai scăzută decât temperatura mediului ambiant și aceasta, cu atât mai mult când scade dintr-o anumită parte a corpului (ceafă, ureche). La temperaturi uzuale de 20…22oC,viteza optimă, determinată experimental, este cuprinsă între 0,15 și 0,25 m/s. Valorile vitezei aerului în funcție de alți parametri ai confortului termic sunt arătate în figura [6]

Figura Viteza medie a aerului in functie de activitate, rezistenta imbracamintei si temperatura aerului interior (dupa ISO 7730 si DIN 1946) [6]

Îmbrăcămintea

Joacă un rol important asupra senzației de confort. Se poate resimți senzația de bine, foarte rapid, într-o încăpere mai rece, dar cu o îmbrăcăminte mai groasă și, invers, într-o încăpere mai caldă, cu o îmbrăcăminte mai lejeră. Izolația termică dată de o ținută vestimentară poate varia în limite foarte largi. Unitatea fizică pentru rezistența termică a îmbrăcămintei este ,,clo” și are valoarea 0,155 m2K/W (conform ISO 7730).

Dorința de a avea temperaturi mai mari în încăperi este justificată în parte, prin faptul

că la textilele folosite astăzi, coeficientul de conductivitate termică λ este mai mare la materialele sintetice (λ = 0,20 W/mK) decât la lână și bumbac

(λ = = 0,05 W/mK).[6]

Intensitatea activității

Este caracterizată prin degajarea de căldură a organismului uman. Unitatea de măsură se numește „met”, M (metabolic rate), 1 M (met) = 58 W/m2.[6]

Figura Temperatura optima relativa

Ventilatie naturala

Este cel mai raspandit sistem de ventilat. Ventilatia naturala este cea mai usoara, cea mai comuna si cea mai ieftina forma de racire pasiva si ventilare a unei cladiri.

Design-ul sistemelelor de ventilatie naturala variaza in functie de tipul de constructie si de climatul local .Cantitatea de aer pentru ventilat depinde de proiectarea atenta a zonelor interne, precum si de dimensiunea si pozitia deschiderilor.

Improspatarea aerului este asigurata prin deschiderea ferestrelor sau prin infiltratiile din elementele de constructie. Circulatia aerului trebuie sa se faca prin introducerea aerului in incaperile principale (camera de zi, dormitoare, birou) si evacuarea prin incaperile de serviciu (bucatarii, toalete).

Ventilatia naturala este folosita pentru a utiliza in mod liber resursele disponibile, cum ar fi vantul si aerul exterior pentru a satisface necesitatea de racire si de a sigura confortul oocupantilor.

Sistemele de ventilatie naturala sunt folosite cu succes in mai multe sectoare : [4.]

Cladiri rezidentiale;

Scoli;

Spitale;

Supermarket;

Cladiri de birouri;

Depozite.

Exista mai multe avantaje ale sistemelor de ventilatie naturala. Principalele avantaje ale sistemelor de ventilatie naturala sunt:

Eficiență energetică, un pas catre LEB;

Calitatea mediului interior îmbunătățită;

Costuri de capital mai mici;

Intreținere și înlocuire redusă;

Creșterea confortului termic;

Creșterea performanței intelectuale.[7]

Cladiriile de birouri sunt caracterizate prin faptul ca activitatea este majoritar sedentara, acestea necesita o abordare directa in ceea ce priveste sistemul de ventilatie.

Principiile ventilatiei naturale

Forma unei cladiri, impreuna cu pozitia deschiderilor pentru ventilatie impune modul de functionare a ventilatiei naturale. Principalele moduri de ventilatie naturala in cladiri sunt:

Ventilatia pe o singura parte;

Ventilatia transversala;

Ventilatia in trepte.

Principiul de ventilatie ne ofera informatii privind modul in care aerul patrunde in cladiri si cum este evacuat.[8]

Daca schimbul de aer al unei incaperi este datorat problemelor de etanseitate din anvelopa cladirii. Patrunderea aerului este cauzata de diferentele de presiune interior-exterior. Valoarea schimbului de aer din acest caz este mica. Valoarea schimbului de aer va creste o data cu cresterea vitezei exterioare a vantului. [6] Infiltratiile prin anvelopa cladirii detin un rol important, in functie de etanseitatea cladirii. Aceasta forma de ventilare este de obicei neitentionata si nedorita.

In cazul in care ventilarea se realizeaza prin deschideri avand suprafete date, iar acestea sunt amplasate la anumite inaltimi in peretii exteriori, strategia de ventilat se numeste "ventilare naturala organizata". Atunci cand cladirile sunt ocupate, un sistem de ventilare naturala inteligent se bazeaza pe aerul exterior pentru a reimprospata aerul interior in functie de conditiile climatice exterioare.[6]

Ventilatia pe o singura parte

a b

Figura Metode de ventilatie pe o singura parte:

a. Cu o singura deschidere

b. Cu doua deschideri amplasate la inaltimi diferite

Ventilatia pe o singura parte presupune deschideri doar pe o singura parte a incintei ventilate. Aerul proaspat intra pe aceeasi parte folosita pentru evacuarea aerului viciat. Cu deschideri pe o singura parte, principala forta implicata pentru ventilarea camerei este turbulenta vantului. Ventilatia pe o singura parte poate fi imbunatatita daca sunt folosite doua sau mai multe deschideri pe aceeasi parte, la diferite inaltimi. In acest caz este folosit principiul de flotabilitate ce foloseste diferentele de temperatura. Aerul cald se ridica, avand o presiune mai mica, si astfel este evacuat prin deschiderea pozitionata la o inaltime mai mare. Cu cat este mai mare distanta pe verticala dintre deschideri, si cu cat este mai mare diferenta de temperatura dintre interior si exterior cu atat mai puternic este efectul de flotabilitate. Comparata cu alte strategii de ventilatie, rata de ventilare nu este asa mare, iar aerul ventilat nu patrunde foarte mult in cladire. [8]

Atunci cand avem o directie variabila si o viteza redusa a vantului , peretii aripa directioneaza vantul catre o fereastra, astfel incat chiar si o adiere a vantului creaza o zona de suprapresiune, pe de o parte, si subpresiune pe alta parte. Diferenta de presiune atrage aerul exterior printr-o fereastra deschisa si il evacueaza printr-o fereastra adiacenta. [2.]

Figura Solutii de utilizare a peretilor aripa pentru optimizarea strategiei de ventilat natural

Ventilatia transversala

Figura Schema de ventilatie transversala

Ca urmare a radiatiei solare, apare diferenta de temperatura intre peretii opusi, ceea ce conduce la o diferenta de presiune. Aceasta da nastere la o circulatie a aerului, prin incinta, dinspre fata rece spre cea calda.

Prezenta vantului tinde sa conduca la cresterea considerabila a ratei de schimb de aer. Fluxul de aer in cladire tinde sa aiba o presiune pozitiva pe fatada expusa vantului si o presiune negativa din partea opusa. Astfel, se creaza o diferenta de presiune de-a lungul sectiunii cladirii care duce la un flux de aer tranversal.

Atunci cand pozitionam deschiderile pentru ventilatie, pozitionam intrarile si iesirile astfel incat sa optimizam cantitatea de aer proaspat ce intra in cladire. Ferestrele si dispozitivele de ventilare amplasate opus ofera ventilatie transversala.

In general este bine sa pozitionam deschiderile chiar opus una fata de alta. In timp ce ofera o ventilare foarte buna, poate face ca anumite zone din camera sa fie bine ventilate si altele nu.[8]

Ventilatia in trepte

Figura Schema de ventilatie in trepte

Ventilatia in trepte este o forma de ventilatie pasiva ce utilizeaza diferentele de presiune a aerului din cauza inaltimii pentru a trage aerul din cladire. Presiunile mai mici sunt la inaltimi mai mari in cladire si trag aerul in sus. [2.]

Ventilatia in trepte foloseste diferentele de temperatura pentru a circula aerul. Aerul cald se ridica pentru ca are o presiune mai mica si astfel este inlocuit cu aer proaspat.

Principul lui Bernoulli foloseste diferenta de viteza a vantului pentru a circula aerul. Este principiul general al mecanicii fluidelor, care ne spune: presiunea intr-un curent de fluid scade cu cresterea vitezei acestuia. Aerul exterior, cu cat este mai departat de sol cu atat este mai putin blocat, deci se misca cu o viteza mai mare decat cel de la nivelul solului si are o presiune mai mica. Aceasta presiune scazuta poate ajuta sa traga aerul proaspat prin cladire. Imprejurimile cladirii pot afecta aceasta strategie de ventilat. [2.]

Comparativ cu ventilatia in trepte, avantajul principiului lui Bernoulli este ca are eficienta sporita folosind viteza vantului. Avantajul ventilarii in trepte este ca nu are nevoie de vant, schimbul de aer se poate face si in zile linistite, fara vant. De obicei, noaptea, viteza vantului este mai mica, deci strategia de ventilatie utilizand principiul lui Bernoulli este mai putin eficienta.

Succesul acestor sisteme de ventilatie pasive este datorat faptului ca ofera confort termic si aer proaspat pentru spatiile ventilate, folosind putina sau deloc energie pentru sisteme active de ventilat sau racit.

Rata de ventilare este proportionala cu aria deschiderilor. Pentru a mari eficienta acestor strategii de ventilat, este important sa fie o diferenta de inaltime intre deschiderea de alimentare si cea de evacuare. [2.] In acest caz se pot utiliza cosurile de ventilatie.

Prin combinarea acestor trei principii, se poate obtine o eficienta ridicata a strategiei de ventilat natural. In figura este prezentata schema obtinuta prin combinarea acestor principii:

Figura Strategie de ventilatie naturala mixta [8]

Ventilarea pe timp de noapte

In timpul perioadelor de non-ocupare a cladirilor, sistemele ventilatie naturala permit circularea aerului in interiorul cladirii cu scopul evacuarii caldurii acumulate pe parcursul zilei pana la limita inferioara a temperaturii interioare.

Figura Principiul de ventilatie pe timp de noapte [2.]

Ventilarea pe timp de noapte este fezabila acolo unde temperatura pe timpul zilei este mare, iar utilizarea ventilatiei naturale nu ar ajuta la crearea confortului interior. Succesul ventilatiei pe timp de noapte este determinat de volumul de caldura evacuat prin inlocuirea cu aer rece din timpul noptii. [8]

Strategia de ventilat pe timp de noapte presupune deschiderea elementelor folosite pentru ventilatia indusa de vant si pentru ventilatia in trepte, pe timpul noptii, pentru a raci anvelopa cladirii prin fenomenul de convectie. La inceputul zilei, aceste elemente se vor inchide pentru a prevenii patrunderea aerului cald. Pe timpul zilei, anvelopa racita absoarbe caldura emisa de ocupati si de alte surse interne de caldura.

Dezavantajele strategiei de ventilat pe timp sunt in functie de climatul din zona respectiva, probleme de securitate si factori de utilizare, cum ar fi:

Climatul local, ventilatia pe timp de noapte este eficienta atunci cand este o diferenta mare intre temperatura din timpul zilei si noapte. Daca cladirea este ocupata pe timpul noptii, aerul ventilat nu ar trebui sa fie atat de rece, pentru a nu fi inconfortabil pentru ocupanti;

Utilizarea poate fi o problema, deschiderea si inchiderea ferestrelor poate fi obositor pentru ocupanti. Acesta situatie ar putea fi rezolvata prin mecanizarea ferestrelor sau a clapetelor de ventilatie, sau controlate de un calculator sau termostat. Alta problema ar putea fi aparitia ploii pe timpul noptii, care ar putea afecta bunurile interioare;

Securitatea cladirilor, mai ales in cazul cladirilor neocupate noaptea. Necesita gasirea de solutii in acest sens cum ar fi bari in dreptul geamurilor sau sisteme de monitorizare. [2.]

Factori care asigura schimbul natural de aer

Ventilatia naturala este, asa cum a fost mentionat si mai sus, asigurata de o serie de forte naturale. Exista doua tiputi fundamentale de forte ce asigura schimbul de aer: presiunea termica si presiunea vantului. [9]

Presiunea termică

Temperaturile aerului sunt diferite în interiorul și exteriorul unei încăperi și, ca urmare, și densitățile acestuia. Coloanele de aer creează, pe suprafețele interioară și exterioară ale unei ferestre, presiuni proporționale cu densitatea și accelerația gravitației, respectiv o diferență de presiune (pe care o denumim „presiune termică”). Dacă în locul ferestrei avem un gol (respectiv, fereastra este deschisă), aerul, sub influența diferenței de presiune create, se va deplasa prin acest gol fie spre interior, fie spre exterior. [6],[9]

Diferența de presiune este dată de relația:

(1)

unde: g este accelerația gravitației, în m/s2;

h – distanța dintre axele deschiderilor, în m;

ρ –densitatea aerului, în kg/m3.

Presiunea vântului

Clădirile constituie un obstacol în calea vântului; acesta își schimbă direcția, atât în plan orizontal cât și în plan vertical, ocazie cu care o parte din energia cinetică a vântului se transformă în energie potențială, rezultând un câmp de presiune pe întregul contur al clădirii, câmp care este în funcție de geometria (forma) clădirii și de dimensiunile relative ale acesteia. Pe fața clădirii bătută de vânt apar suprapresiuni, iar pe fața nebătută, subpresiuni. [6],[9] Presiunea vântului, pv, se calculează cu relația:

(2)

unde: Ko este coeficientul aerodinamic;

v – viteza vântului, în m/s;

ρe- desnsitatea aerului exterior

Presiunea totală

O încăpere sau o clădire se găsește sub acțiunea simultană a celor doi factori (presiunea termică și presiunea vântului) naturali. Presiunea totală pe suprafața exterioară a unei deschideri (orificiu) de ventilare naturală va rezulta din însumarea celor două presiuni determinate. [6]

Dispozitive de ventilare naturala

Sunt concepute pentru evacuarea si introducerea aerului, pentru controlul asupra debitului de aer introdus, pentru dirijarea acestuia spre anumite zone ale incaperii, pentru incalzirea lui in timpul iernii, pentru marirea debitului de aer evacuat sau pentru realizarea unui schimb minim de aer. Unele dispozitive sunt concepute pentru a fi combinate si cu ventilatoare care sa intre in functiune in perioada in care diferenta de temperatura dintre interior si exterior devine mica sau degajarile nocive din anumite zone, depasesc valorile recomandate. Dispozitivele de ventilare naturala se grupeaza in urmatoarele tipuri constructive: ferestre, grile, difuzoare, valve, cosuri de ventilare, aspiratoare de vant, sisteme higroreglabile, putul canadian.

Ferestre

Ventilarea prin ferestre se obtine prin deschiderea acestora. Daca aerul interior este mai cald decat cel exterior ( la viteze mici ale vantului) patrunde in incapere pe la partea inferioara iar cel interior iese pe la partea superioara. Vara, intensitatea ventilarii depinde de viteza vantului si de diferentele de temperatura ce apar. In cazul existentei ferestrelor, pe pereti opusi, ventilarea este mai puternica, ventilatie tranversala. [6] Dezavantajul utilizarii ferestrelor pentru strategia de ventilat natural este ca depitul de aer nu poate fi controlat. O eficienta mai mare se poate obtine prin sisteme inteligente de actionare a ferestrelor. Diverse tipuri de deschideri ale ferestrelor sunt prezentate in figura:

Figura Variante de deschidere a ferestrelor: a) Deschidere culisanta pe verticala; b) Deschidere pe lateral; c) Deschidere in partea superioara; d) Deschidere in partea inferioara; e) Deschidere mediana pe orizontala; f) Deschidere mediana pe vericala [10]

Fereastra cu deschidere culisanta pe verticala (figura a) prezinta marele avantaj ca se creaza doua deschideri. Prin partea inferioara intra aerul proaspat, iar prin partea superioara se va face evacuarea aerului viciat. Fereastra cu deschidere in partea superioara ( figura c) are o eficienta ridicata in evacuarea aerului viciat, datorita faptului ca aerul cu o temperatura ridicata, avand o presiune mai mica, se va ridica. Fereastra cu deschidere in partea inferioara (figura d) este fezabila atunci cand se doreste un depit ridicat de aer proaspat.[10]

Grile, difuzoare, valve

Grilele ( figura ) pot fi utilizate pentru introducerea sau extragerea aerului. Pentru introducere, grilele se vor monta de preferinta pe perete, in aproprierea tavanului, favorizand aparitita efectului Coanda. Pot fi montate si la partea inferioara a incaperii, pe perete, pardoseala, contratrepte, etc. Pentru extragerea aerului, grilele se monteaza de asemenea pe plafon, pe perete sau pe pardoseala. [5]

Figura Grila ventilare [5.]

Difuzoarele de tavan ( figura)pot fi utilizate atat pentru introducerea cat si pentru extragerea aerului.

Figura Difuzor ventilare [5.]

Dispozitivele de tip valva (figura) sunt recomandate pentru introducerea naturala a aerului exterior (de ventilare) in caldiri rezidentiale. Pot fi folosite si pentru transferul de aer intre incaperi. Au avantajul de a controla debitul de aer introdus sau evacuat din incapere.

Figura Valva ventilare [6.]

Cosuri de ventilatie

Cosurile de ventilare (STAS 6724- Canale de ventilare naturala a incaperilor din cladiri) se prevad in cladirile rezidentiale si nerezidentiale pentru a realiza o innoire a aerului mai rapida, in special in lunile de iarna. S-a demonstrat ca debitul de aer este proportional cu radacina patrata a diferentei de presiune dintre interior si exterior, diferenta ce creste cu diferenta de inaltime de amplasare intre gura de aspiratie si cea de evacuare a aerului.

Pentru cosurile de ventilatie se aplica principiul ventilatiei in trepte. Daca exista echilibru intre temperatura interioara si cea exterioara, aerul ramane in stare de repaos si nu exista circulatie de aer. Daca aerul exterior este mai cald ca cel interior, aerul interior va intra in conducta si astfel va fi evacuat.

Principalele tipuri de cosuri de ventilatie sunt prezentate in figura

Figura Tipuri de cosuri de ventilatie

a) Individuale; b) cu evacuare pe o parte; c) cu evacuare pe doua laturi opuse

Figura Aspiratoare de vant

Casele din Saint-Nazaire

Arhitectul Philippe Madec si echipa sa au instalat pentru prima data in Franta, Saint-Nazaire, un sistem de ventilare naturala asistata intr-un ansamblu de locuinte “colective“.

S-a implementat intr-un ansamblu de 5 cladiri (95 locuinte). (figura )

Figura Ansamblul de case din Saint-Nazaire [7.]

Introducerea aerului se face printr-un sistem de autoreglare (figura)– in incaperile principale, folosind dispozitive cu pierdere de sarcina mica;

Evacuarea – in bucatarii, bai, WC, independenta pentru fiecare locuinta si foloseste efect de tiraj termic si depresiune creata de vant (turela pe acoperis/deflector).

Figura Schema de functionare [7.]

Pentru a îmbunatați extractia, cosul de ventilare cuprinde o portiune mobila orientabila (numita “giroutte") (figura), prevazuta cu un orificiu pentru introducerea de aer suplimentar în turelă. Scopul este de a ghida paleta în vânt pentru a crea suprapresiune.

Figura Turela de introducere a aerului [8.]

Turela functioneaza si ca un “turn solar”; are o zona vitrata (care se deschide pentru intretinere) care ridica treptat temperatura, imbunatatind tirajul pentru conductele de evacuare. Dispozitivul este asociat cu un sistem de reglare care permite reducerea debitelor de aer iarna. [7.],[8.]

Biblioteca Frederick Lanchester din Coventry (figura )

Figura Vedere a Bibliotecii Lanchester din partea de vest [14]

Universitatea Coventry a construit o noua biblioteca universitara cu consum redus de energie . Iluminatul si ventilarea acestei biblioteci se face in mod natural. Biblioteca are o suprafata totala de 9103 m2.

Consumul de energi este cu 50% mai mic fata de cladirile traditionale. Iarna, aerul introdus este preincalzit in convertoare, iar vara, se utilizeaza ventilatia pe timp de noapte.

Aerul proaspat exterior ajunge la nivelul solului, printr-o deschidere cu inaltime de 1,5 m, din care este distribuit la 4 cosuri de ventilatie/ ventilare cu dimensiunile 6×6 m.

Evacuarea aerului viciat se face printr-un cos central, patru cosuri pe fiecare fatada si patru cosuri in colturile cladirii. Gurile de evacuare au fost prevazute cu solzi metalii pentru a mari tirajul.

Figura Sectiune prin cladire, reprezentand a) evacuarea centrala si b) evacuarile laterale

Modelare matematica a ventilarii naturale

Debitul de aer

Debitele de calcul vor fi utilizate pentru dimensionarea sistemului de introducere/ extragere a aerului din incaperi si pentru evaluarea consumurilor energetice si pentru certificarea energetica a acesteia.

In cladirile rezidentiale, debitul de aer pentru ventilare trebuie sa asigure calitatea aerului interior, pentru igiena, sanatatea si confortul ocupantilor. Debitul se va stabili in functie de ocuparea umana si de emisiile de substante poluante.

Pentru incaperile civile nerezidentiale cu prezenta umana, debitul de aer proaspat se determina in functie de categoria de ambianta, de numarul si de activitatea ocupantilor precum si de emisiile poluante ale cladirii si sistemelor.

Astfel, pentru o incapere rezulta debitul q [l/s sau m3/h] :

q= N* q(p) + A*q(b)

unde: N-numarul de persoane,

q(p) – debitul de aer proaspat pentru o persoana[ l/s/pers] din tabel

A – aria suprafetei pardoselii [m2]

q(B)- debitul de aer proaspat, pentru 1 m2 de suprafata [l/s/m2] din tabel

Tabel Debitul de aer proaspat pentru o persoana, intr-un mediu care nu se fumeaza

(din SR EN 15251: 2007)

Tabel Debitul de aer proaspat pentru 1 m2 de suprafata (din SR EN 15251:2007)

In zonele de fumatori, debitele de aer proaspat se dubleaza fata de valorile din tabel. Aceste debite asigura conditii de confort pentru ocupanti, nu si conditii de sanatate.