Tratat de Inginerie Termica | Termotehnica in Constructii 2 Volumul 2

TRATAT DE INGINERIE TERMICĂ.
TERMOTEHNICA ÎN CONSTRUCŢII 

– Volumul 2 –

Conformarea energetică a Clădirilor Performante din punct de vedere
       Energetic și al Mediului natural

Carte distinsă cu Premiul Mihail D. Hangan al
Academiei de Științe Tehnice din România - 2021

     Lucrarea abordează subiecte actuale cu impact semnificativ asupra calității vieții locuitorilor din marile aglomerări urbane, pe termen mediu și lung. Mă refer la punerea în aplicare a conceptului de Clădire cu consum de energie (provenită din surse de origine fosilă) aproape de zero (Nearly Zero Energy Building – nZEB) și la minimizarea impactului fenomenului de Insulă Termică Urbană – ITU, cunoscut și sub numele de Insula de Căldură Urbană (Urban Heat Island – UHI). Configurarea geometrică și conformarea energetică a clădirilor (existente și noi) performante energetic implică analiza proceselor de transfer de proprietate (căldură și masă) la nivelul spațiilor locuite, al spatiilor anexă și al sistemelor tehnice care asigură microclimatul  interior al clădirilor.

Elementul fundamental care diferențiază conceperea și proiectarea, atât a Pachetelor de Soluții Tehnice (PST) proprii Clădirilor Existente cât și a celor din configurarea Clădirilor Noi, ambele incluse în clasa nZEB, de metodologia adoptată în mod curent în activitatea de proiectare a clădirilor, constă în condiționalitatea de îndeplinire a criteriilor minim admise de Performanță Energetică și de Performanță de Mediu. Practic sunt criterii care se constituie în condiție necesară a încadrării în clasa nZEB, singura admisă ulterior anului 2020 în activitatea de realizare a lucrărilor de modernizare energetică și de mediu a localităților din mediul urban. Activitarea de conceptie și apoi de proiectare include etapa nouă de dimensionare energetică a clădirilor atât renovate cât și noi. Fac precizarea că dimensionarea energetică vizează ambele categorii de clădiri care nu reprezintă, prin caracteristici geometrice și funcționale, excepții prevazute în legislație. Prin urmare etapa esențiala din cadrul metodologiei de proiectare a clădirilor nZEB este etapa de cuantificare a Performențelor Energetică și de Mediu. Aceasta etapă presupune utilizarea unor modele de simulare dinamică atât a Regimului Termic Natural cât și a Raspunsului Energetic al clădirii la solicitări climatice aleatoare, proprii anului climatic tip asociat Zonei climatice a localității în care sunt amplasate clădirile. Simularea energetică a comportamentului clădirilor care aparțin clasei nZEB implică un grad de precizie net superior modelelor de simulare energetică asociate clădirilor actuale, fără pretenții explicite în ceea ce privește performanța energetică.  Valoarea redusă a energiei primare, specifică clădirii nZEB [kWh/m²an], reprezintă o restricție nouă cu valoare de criteriu în alegerea instrumentelor de calcul dinamic. Pe de altă parte adoptarea modelului global al întregii clădiri generează din start erori semnificative în ceea ce privește condiția necesară care vizează fiecare  Unitate de Locuire a clădirii. Lucrarea de față introduce conceptul de silogism energetic caracterizat prin două atribute esențiale:

- adoptarea Unității de Locuire de Referință care devine suport al simulării dinamice a PE și a PM prin valori specifice, PE [kWh/m²an] și PM [kg/m²an];
- asigurarea condiției de suficiență asociată celei necesare (anterioară) la nivelul întregii clădiri;

Raportul de Audit Energetic, care este document preliminar adoptării PST, se elaborează în consonanță cu paradigma deciziei care vizează prioritatea clasei energetice în raport cu eficiența economică. Raportul de Audit Energetic se structurează pe conceptul care are la bază paradigma a good ZEB definition should first encourage energy efficiency and then use renewable energy source available on site, rezultată din analizele efectuate de P. Torcellini, S. Pless, & M. Deru – Zero Energy Buildings: A Critical Look at the Definition, NREL/CP 550 – 39833, June 2006, cu privire la Conceptul de Proiectare Energe­tică a Clădirilor de tip Nearly Zero Energy Building – nZEB.

In special în cazul zonelor urbane devine prioritară decizia care priveste sistemele tehnice cu referire la alimentarea centralizată cu căldură și frig a Unităților de Locuire prin valorificarea impactului pe care coeficientul de cogenerare contribuie la minimizarea coeficientului de conversie a energiei, pe vectorul termic, in energie primară. Se impune evitarea soluțiilor tehnice care vizează protecția termică interioară a fațadelor clădirilor cu calitatea de monument de arhitectură. Adoptarea soluției menționate, conduce în timp la deteriorarea fațadelor și nici nu aduce beneficiile termice scontate.

Obiectivele care servesc la atingerea scopului susmenționat sunt următoarele:

– modelarea proceselor de transfer de proprietate (căldură și masă) caracteristice clădirilor solicitate atât de factorii climatici, cât și de factorii antropici. Modelarea constă în elaborarea modelelor matematice care pot să reprezinte cât mai corect realitatea fenomenologică. Corectitudinea modele­lor este probată atât prin intervalidare numerică cu rezultatele unor simulări recunoscute pe plan internațional (ex. ISO DIS 52017-1:2017), cât și prin validare empirică, realizată pe suportul unor clădiri reale dotate cu sisteme specializate de monitorizare și prelucrare a parametrilor climatici și a para­metrilor termodinamici intensivi și extensivi, proprii spațiilor locuite;

– simularea dinamică (în raport cu variabila timp) constă în rezolvarea modelelor matematice pe suportul unor aplicații care au ca obiect configu­rarea geometrică și energetică a unor clădiri foarte eficiente din punct de vedere energetic și, implicit, al protecției mediului exterior natural. Totodată simularea dinamică cu pas de timp orar sau suborar este utilizată în scopul analizei impactului Factorilor Antropici Urbani asupra microclimatului zonal afectat de fenomenul ITU, în special în sezonul estival;

– utilizarea modelarii și simulării dinamice a regimului higrotermic al clădirilor cu valoare de patrimoniu și al clădirilor de locuit care se încălzesc rar (inclusiv prezentarea metodei de determinare a necesarului de căldură de calcul);

– utilizarea modelelor de calcul dinamic pentru realizarea unor Studiouri Virtuale care includ metode de determinare a soluțiilor de proiect destinate clădirilor nZEB / ZEB (etapele decizionale, de dimensionare energetică, de validare empirică);

– analiza performanței energetice a soluției de fațadă adaptabilă (PEPE – soluție originală acoperită de brevetul de invenție nr.125612 / 30.04.2013);

– elaborarea modulului de emitere a Alertei de Risc de Regim Termic Excesiv (ARRTE) cu scopul de minimizare a efectului ITU asupra unităților de locuire din clădiri existente nemodernizate energetic. Aplicația se poate adresa clădirilor din Municipiul București pentru care s-au elaborat funcțiile de transfer necesare actualizării datelor climatice prognozate în zilele sezonului estival prin particularizare la nivelul Zonelor Urbane Climatice (model original).

Capitolele principale sunt următoarele:

1. Modelarea și simularea dinamica a Răspunsului Termic și a Răspunsu­lui Energetic al încăperilor ocupate.
2. Analiza regimului higrotermic și determinarea necesarului de căldură de calcul al clădirilor de patrimoniu și rezidențiale rar încălzite.
3. Soluții tehnice care asigură atingerea performanței energetice proprie clădirilor încadrate în domeniul de cost global optim și a performanței ener­ge­tice proprie clădirilor caracterizate de consum de energie aproape de zero (Nearly Zero Energy Buildings – nZEB)
4. Modelarea și simularea dinamică a răspunsului energetic al clădirilor de referință și al clădirii care satisface criteriile de încadrare în clasa nZEB. Se utilizeaza exclusiv simularea dinamica cu pas de timp orar. Modelele simplificate care adopta pasul de calcul lunar sau sezonier conduc la erori semnificative al caror efect consta in certificarea incorecta a calitatii de nZEB asociata unei cladiri;
5. Principii funcționale, modelare și simulare a răspunsului energetic al anvelopei caracterizată de rezistență termică variabilă de tip Perete cu Efect Parietodinamic pe Evacuare (PEPE). Modelul de analiză termică și energetică se concretizează prin rezolvarea problemei Graetz-Nusselt, cu referire la curgerea neizotermă a aerului prin spațiul destinat de tip canal plan vertical. Modelul de simulare final include sinteza tipurilor de curgere laminară, tranzitorie și turbulentă pe suportul unic al relației de determinare a regimului de temperaturi și a fluxurilor termice caracteristice anvelopei cu rezistență termică variabilă.
6. Insula Termică Urbană (Insula de Căldură Urbană) – reducerea impac­tu­lui asupra regimului termic al clădirilor și asupra microclimatului zonal în sezon estival. Fenomenul ITU este analizat din punct de vedere al Vulnerabilității termice a spațiilor ocupate, cu referire la Riscul de Regim Termic Excesiv (RRTE) care poate afecta în unele zile ale sezonului estival persoanele aflate în spațiile ocupate. Se prezintă Clasele de RRTE asociate cu sensibilitatea persoanelor care ocupă spațiile, precum și algoritmii de evaluare a RRTE în clădiri existente și în clădiri modernizate din clasa nZEB. Analiza se bazează pe un model original de prelucrare a parametrilor climatici, validat empiric, care definește funcțiile de transfer între parametrii climatici incluși în prognoza meteorologică emisă de stațiile Administrației Naționale de Meteorologie (ANM) și parametrii ajustați la nivelul Zonelor Climatice Urbane.

    Este o lucrare care îndeplinește atât funcția formativă de Curs de termotehnică în construcții, în completarea Tratatului de Inginerie Termică, Termotehnica în Construcții vol. 1, apărut în anul 2008 la Editura AGIR, cât și funcția creativă de stimul pentru adoptarea unei noi paradigme de conformare a clădirilor și a mediului construit, în care performanța de mediu să prevaleze în raport cu virtuțile financiare. Elementele teoretice prezentate în lucrare permit elaborarea unor produse software (Studio Virtual 3D: SV-3D) și a sistemelor de validare empirică a calității clădirilor nZEB. Ambele tipuri de produse vor completa gama metodologică a produselor Building Energy Modeling (BEM) care devin indispensabile proiectării și monitorizării în exploatare a clădirilor moderne. Caracteristicile de configurare geometrică și arhitecturală beneficiază de rezultatele proprii produselor de tip Building Information Modeling (BIM). Conținutul lucrării este completat de un număr de 159 de referințe bibliogra­fice, proprii capitolelor lucrării.

ISBN  Vol.2 – 2020  978-973-720-789-0

Copyright@Editura AGIR 2008
Editura AGIR, Calea Victoriei nr. 118, Sector 1
010093 București România

Toate drepturile rezervate.
Nicio parte din această publicație nu poate fi reprodusă, stocată sau transmisă prin orice mijloace de natură electronică, mecanice, de copiere, înregistrare sau alte forme fără permisiunea scrisă a editurii.