Prima cladire de invatamant din Romania conceputa cu inalta eficienta energetica

Lucrarea prezinta principalele aspecte privind proiectarea si executia primei cladiri de invatamant din Romania eficienta energetic. Cladirea s-a construit in municipiul Salonta, jud. Bihor, si a fost pusa in functiune in octombrie 2017. Scopul principal al investitiei l-a reprezentat obtinerea unei cladiri cu un consum redus de energie cu conditia asigurarii unui mediu climatic interior potrivit pentru educatie. Avand in vedere caracterul multifunctional al cladirii (proces de invatamant, cazare elevi, asigurarea mesei elevilor) precum si regimul de utilizare discontinuu (intreruperi pe perioada vacantei elevilor), s-a prevazut un sistem complex de monitorizare a tuturor parametrilor semnificativi ai bilantului energetic, la nivelul elementelor de anvelopa si al instalatiilor.

Pentru a asigura respectarea exigentelor de proiectare, executia cladirii s-a facut sub atenta supraveghere a echipei de proiectare. De asemenea, din momentul punerii in functiune, administratorii cladirii au fost instruiti, consiliati si monitorizati pentru a garanta folosirea corecta a sa, cu scopul de a se obtine performantele energetice proiectate.

Descrierea cladirii

Dat fiind faptul ca Liceul Teoretic ”Arany János” din municipiul Salonta, jud. Bihor, se confrunta cu dificultati din cauza desfasurarii programului educational intr-o multitudine de cladiri existente vechi, amplasate in diferite zone ale localitatii, in anul 2014 s-a decis construirea unei cladiri care sa rezolve problemele organizatorice ale unitatii scolare.

Noua cladire cuprinde: 11 sali de clasa, 4 laboratoare de specialitate, administratie, sala de lectura si biblioteca (fig. 2). S-a prevazut, de asemenea, construirea unei cantine scolare formate dintr-o bucatarie cu capacitate de 400 mese pe zi, o sala de mese cu 200 de locuri si un camin pentru cazarea elevilor cu capacitatea de 60 de locuri.

Constructia are un regim cu inaltime P+3E, o arie desfasurata de 4.000 m2 iar conditiile de amplasament si cladirile invecinate au impus o forma simpla si compacta in stil arhitectural clasic, pentru a putea fi integrata in mediul construit existent (fig. 3, 4). Cladirea principala este deservita de o centrala termica (constructie independenta) care adaposteste echipamentele principale ale instalatiilor. Forma in plan a cladirii este adaptata limitei de proprietate, pentru a maximiza eficienta ocuparii terenului, dar acest aspect a impus si prevederea unor pereti antifoc, la doua dintre cele sase laturi ale cladirii, din cauza distantelor reduse fata de vecinatati (fig. 1).

Detalii privind proiectarea

Cerinta principala a temei de proiectare a fost realizarea unei cladiri cu consum redus de energie si limitarea costurilor de utilizare.

Inaintea demararii procesului de proiectare, s-a analizat costul initial si global al investitiei in doua variante, astfel incat factorii decizionali au avut la indemana date concrete in ceea ce priveste avantajele pe termen lung ale solutiilor eficiente energetic, in comparatie cu solutiile traditionale [3].

Scopul principal al investitorului a fost o exploatare cat mai economica, dar factorul decisiv in luarea deciziei l-a constituit incadrarea in bugetul avut la dispozitie. Diferenta dintre costurile initiale ale celor doua variante de realizare ale cladirii era de cca. 10%, iar economia generata de consumul redus de energie in varianta eficienta energetic asigura recuperarea in cca. 6 ani (fig. 5). In aceste conditii, sarcina echipei de proiectare si de management a fost, in primul rand, optimizarea intregii investitii, pentru a folosi resursele existente intr-un mod cat mai eficient in cadrul devizului general.

Structura de rezistenta a cladirii este schelet din beton armat, plansee din beton armat si fundatii din beton armat monolit, iar acoperisul este cu panta mare, cu sarpanta din lemn.

In faza de proiectare s-a folosit programul Passive House Planning Package (PHPP) [4], respectiv date climatice precise [5] pentru amplasamentul studiat la determinarea bilantului energetic a cladirii. Consumul energetic tinta a fost stabilit la maximum 15 kWh/m2/an pentru cerinta de incalzire a spatiilor, respectiv maximum 120 kWh/m2/an consum de energie primara totala pentru toate cerintele cladirii, precum: incalzire, racire, apa calda menajera, ventilatie, iluminat si consum de energie electrica auxiliara.

In ceea ce priveste principiile caselor pasive, s-au adoptat urmatoarele masuri specifice: forma compacta, transmitante ridicate ale elementelor de anvelopa, luarea in considere la calculul necesarului de incalzire si racire a aporturilor solare si interne, folosirea energiei regenerabile si etanseitatea anvelopei.

S-a avut in vedere functiunea cladirii, numarul mare de utilizatori in perioada functionarii in conditii normale, precum si gradul mare de vitrare ce implica aporturi semnificative de caldura pentru perioada de incalzire, dar care reprezinta si un pericol de supraincalzire pe perioada verii.

Elementele de anvelopa verticale sunt alcatuite din pereti exteriori din zidarie de BCA tip Macon GBN25 de 25 cm grosime si vata minerala Isoroc Isofas de 15 cm grosime (fig. 6), tamplarie exterioara cu profile PVC Salamander BluEvolution 92 prevazut cu banda de etansare la exterior, respectiv interior, profile de completare la partea inferioara si superioara, trei randuri de garnituri de etansare si vitraj cu trei foi de sticla LE4 / 20 / 4Fl / 20 / LE4 (fig. 7).

Elementele de anvelopa orizontale sunt alcatuite din planseu pe sol, planseele inferioare si planseul spre pod, care sunt constituite din placi de beton armat de 10, 13 respectiv 15 cm grosime si termoizolatii din polistiren extrudat Austrotherm XPS TOP30 de 20 cm grosime (fig. 8) si vata minerala Rockwool Multirock de 25 cm grosime (fig. 9).

Alcatuirea constructiva a elementelor de anvelopa a fost astfel conceputa incat sa se evite majoritatea puntilor termice. Grinzile de soclu au fost dimensionate considerand o schema statica de grinda continua, fapt ce a permis dispunerea continua a termoizolatiei de la nivelul infrastructurii, precum si conectarea termoizolatiei planseului pe sol cu cea a peretilor exteriori (fig. 10). S-a dispus un strat de termoizolatie din polistiren extrudat de 12 cm grosime pe inaltimea fundatiei continue, pe intreg perimetrul exterior al cladirii, in scopul limitarii influentei variatiei temperaturii terenului natural (fig. 11).

Stalpii din beton armat au fost pozitionati spre interiorul cladirii, in raport cu peretii exteriori, pentru a facilita dispunerea unei termoizolatii suplimentare de 5 cm grosime (fig. 12). Terasele exterioare au o structura independenta, ceea ce permite pastrarea continuitatii termoizolatiilor in dreptul lor. Stalpii din beton armat, care la nivelul parterului se afla in contact cu mediul exterior si cu spatiul neincalzit, dar care la nivelul etajului se afla in mediu interior incalzit, sunt termoizolati cu vata minerala de 5 cm grosime in zona expusa temperaturilor exterioare (fig. 13).

Pentru a limita efectele puntii termice [6] in dreptul peretilor de calcan de la nivelul planseului peste ultimul nivel, s-a dispus o termoizolatie suplimentara la partea interioara a peretelui, din vata minerala de 15 cm grosime, pe o inaltime de 2,00 m (figura 14).

Agentul termic pentru incalzire, racire si apa calda menajera este asigurat printr-o pompa de caldura sol-apa de 75 kW, cu 10 foraje de 120 m adancime si printr-o pompa de caldura apa-apa de 75 kW, cu 2 foraje de extractie si 2 foraje injectie de cate 120 m adancime (fig. 15).

Sistemul de distributie a instalatiilor termice este compus din ventiloconvectoare de pardoseala si tavan, care sunt actionate de termostate de ambient in fiecare incapere. Instalatia de apa calda menajera este dotata cu un boiler de 3.000 litri, prevazut cu un strat de termoizolatie de 10 cm grosime (fig. 16).

Asigurarea aportului de aer proaspat se face prin sisteme de ventilare mecanizata cu recuperare de caldura cu randament de 75%, independent pentru fiecare nivel si functiune principala si dotat cu senzori de CO₂ care regleaza functionarea acestora (fig. 17).

Instalatia de ventilare a impus adoptarea unei inaltimi de nivel mai mari si necesitatea tavanelor false pentru mascarea tubulaturilor aferente sistemului de ventilare.

Datorita functiunii de cazare pentru incaperile de la ultimul nivel, distributia tubulaturii de ventilare se face prin podul cladirii, astfel putand fi adoptata o inaltime de nivel mai redusa.

Avand in vedere caracterul  multifunctional al cladirii, respectiv gradul de ocupare discontinua a  acestuia, instalatiile sunt concepute intr-un sistem descentralizat, astfel incat sa se asigure folosirea eficienta a acestora in toate scenariile de utilizare ale cladirii.

Detalii privind implementarea investitiei

Elementele de tamplarie secundare au fost, de asemenea, alese pentru asigurarea cerintelor principale de eficienta energetica. Astfel, usa principala de intrare a fost prevazuta cu profile din lemn de 78 mm, cu banda de etansare la exterior, respectiv interior, profile de completare la partea inferioara si superioara, doua randuri de garnituri de etansare si vitraj cu trei foi de sticla LE4 / 12 / 4Fl / 12 / LE4 (fig. 18).

Usa de garaj este prevazuta cu panouri de spuma poliuretanica de 60 mm si garnituri de etansare, iar chepengul de acces la pod este din lemn cu vata minerala de 50 mm, trei randuri de garnituri de etansare, capac termoizolant si banda de etansare (fig. 19).

Verificarea etanseitatii intregii anvelope s-a facut cu metoda Blower-Door (fig. 20) [7], rezultatele inscriindu-se in limitele recomandate pentru case pasive si anume valoarea de 0,4760 / h pentru proba de presiune (fig. 21), respectiv 0,4935/h pentru proba de suctiune (fig. 22) la presiunea de 50 Pa. Lucrarile pregatitoare pentru realizarea testului au implicat inchiderea tuturor elementelor de anvelopa, respectiv etansarea tuturor coloanelor de canalizare, obiecte sanitare si a instalatiilor de ventilare.

In timpul primului foraj al pompelor de caldura s-a efectuat o masuratoare prin care s-a verificat capacitatea termica a acestuia si corelarea sa cu parametrii luati in calcul la puterea instalata proiectata. Corelarea cu cerinta fundamentala de securitate la incendiu a reprezentat, de asemenea, un impediment in respectarea cerintelor de eficienta energetica.

A fost necesara montarea unei usi rezistente la foc neetanse si mai putin termoizolante catre garajul neincalzit, utilizarea clapetelor antifoc pe tubulaturile de ventilare care traverseaza peretii antifoc, respectarea cerintei de rezistenta la foc a chepengului de acces la pod, dispozitivele de deschidere automata a ferestrelor din treimea superioara a ultimului nivel a caselor scarii si prevederea in peretii antifoc a unor caramizi din sticla rezistente la foc (fig. 24) pentru iluminarea coridoarelor.

Sistemul de monitorizare

Un sistem complex de monitorizare [8, 9] a fost conceput si instalat in cladire pentru a demonstra utilitatea solutiilor adoptate si a oferi un instrument de control al parametrilor care  definesc confortul utilizatorilor (fig. 25).

Parametrii masurati se impart in doua categorii. Prima categorie de parametri masurati urmareste evaluarea eficientei si consumurilor energetice, cuprinzand: temperaturi (elementele de anvelopa, agentul termic, foraje, mediu interior si exterior, teren natural si apa calda menajera), consumul de apa calda menajera, consumul de energie electrica si consumul de gaz.

A doua categorie este atribuita monitorizarii confortului interior si cuprinde: temperatura aerului interior, temperatura si viteza aerului introdus de instalatia de ventilare, umiditatea interioara, nivelul de CO₂ al aerului interior si fractiunea de supraincalzire pe durata sezonului cald.

Sistemul de monitorizare este compus din aproximativ 660 de senzori de temperatura, umiditate, CO₂, contoare de debit si contoare de energie electrica legate centralizat in mai multe statii de achizitie pentru contorizarea in timp real a datelor [10].

Dispunerea senzorilor de temperatura s-a facut in toate elementele de anvelopa relevante (fig. 26, 27), pentru a putea compara masuratorile cu modelarea numerica a acestora, respectiv pentru a evidentia eventualele diferente constatate.

Senzorii de temperatura (fig. 28, 29), contoarele de debit (fig. 30) si contoarele de energie electrica (fig. 31) s-au prevazut pe instalatiile termice, de ventilare (fig. 32) si apa calda menajera, intr-o multitudine de zone, atat in centrala termica, cat si in cladire, astfel incat datele furnizate sa ofere informatii complete privind eficienta acestora, pierderile pe traseu dar si comportarea in detaliu pe intreg traseul de la sursa pana la destinatie.

Pentru a colecta datele privind calitatea climatului interior, s-au dispus grupuri de senzori (fig. 33) de temperatura, umiditate si CO₂ in diferite zone ale cladirii, amplasate la 1,50 m inaltime de la nivelul pardoselii.

Detalii privind exploatarea cladirii

Punerea in functiune a cladirii s-a efectuat in luna octombrie 2017. In primele trei luni de exploatare s-au instruit administratorul si utilizatorii. Pana in prezent, cladirea este folosita in proportie de 75% din capacitate, dat fiind faptul ca dotarile de la bucatarie nu au fost inca achizitionate, iar functionarea acesteia nu a fost finalizata, dar si din cauza ca unitatile de cazare au fost ocupate doar sporadic. Functionarea acestora la capacitate maxima a inceput cu anul scolar 2018/2019.

Aspectele privind functionarea corecta a cladirii necesita cunoasterea actionarii pompelor de caldura, stabilirea regimului de incalzire / racire, a temperaturii agentului termic, corelarea acestuia cu necesitatile cladirii in functie de diferitele scenarii de ocupare, regulile de utilizare ale instalatiei de ventilare si ale termostatelor.

In primele luni au fost necesare verificari suplimentare ale instalatiei de ventilare prin manevrarea clapetelor de reglaj, folosirea acestora la un nivel scazut si in perioada de neocupare, respectiv corelarea necesitatii actionarii bateriilor de incalzire/racire a CTA-urilor cu instalatiile termice din cladire, respectiv temperaturile exterioare.

In cazul in care instalatia de ventilare este oprita in totalitate, mediul interior creat este nepotrivit, din cauza ca etanseitatea cladirii este foarte ridicata, iar ventilarea naturala nu este in functiune. De asemenea, tubulatura de ventilare amplasata la nivelul podului neincalzit, folosita in regim alternat de pornit / oprit in perioada de iarna, produce condens in interiorul tubulaturii si care ajunge pana la gurile de refulare.

Senzorii de CO₂ cu care sunt dotate CTA-urile initiaza regimul automat de functionare a instalatiei, in cazul in care nivelul masurat de catre acestea depaseste valoarea maxima admisa.

Sistemul descentralizat al instalatiei de incalzire/racire implica manevrarea manuala individuala a fiecarui termostat de ambient de catre administrator. Dat fiind faptul ca aparatele sunt pozitionate in zone accesibile copiilor, este nevoie de a le bloca dupa fiecare actionare.

Temperatura agentului termic la nivelul sursei trebuie stabilita de catre administrator in fiecare zi, in functie de utilizarea cladirii si temperatura exterioara. Sistemele de ventiloconvectoare necesita o temperatura a agentului termic mai redusa, dar apa calda menajera, radiatoarele din baile caminului si bateriile de incalzire / racire a CTA-urilor necesita o temperatura mai mare.

Dat fiind ca rezistenta la transfer termic a elementelor de anvelopa este foarte mare, diferentele de temperatura din intreaga cladire au fost destul de reduse, chiar daca parterul si etajul 3 nu au fost folosite sau incalzite. In schimb, la nivelul etajului 1 si 2, unde se desfasoara programul educational, in contextul neutilizarii instalatiilor termice, s-au constatat diferente semnificative de temperatura intre incaperile cu ferestre spre Nord, respectiv spre Sud. Acest aspect releva importanta si intensitatea aporturilor solare aferente.

Pentru instruirea utilizatorilor, atat a cadrelor didactice cat si a elevilor, s-au afisat instructiuni cu principiile de functionare ale cladirii pasive. In primele luni, utilizatorii s-au acomodat cu dificultate la restrictia de deschidere partiala a ferestrelor, partial din cauza supraincalzirii cauzate de functionarea necorespunzatoare a instalatiilor, dar si din cauza obisnuintei din experientele anterioare din cladirile traditionale.

Majoritatea masurilor de folosire sunt asigurate de catre administrator, limitand astfel initiativa elevilor si cadrelor didactice la deschiderea / inchiderea ferestrelor.

Pentru primele trei luni ale anului 2018, s-au realizat contorizari ale consumurilor de energie electrica. Consumul mediu total inregistrat a fost de aprox. 6.200 kWh/luna, ceea ce reprezinta 1,8 kWh/m2/luna, respectiv 4,7 kWh/m2/luna energie primara. Din acest total, aprox. 60% reprezinta consumul pompelor de caldura pentru incalzire, si anume aprox. 3.700 kWh/luna, ceea ce reprezinta 1,1 kWh/m2/luna.

Concluzii

Cladirile eficiente energetic reprezinta o solutie pentru indeplinirea criteriilor de performanta stabilite de Comisia Europeana, dar si pentru sporirea confortului interior resimtit de utilizatori. Consumurile reduse de energie si confortul interior mai ridicat sunt avantaje evidente ale acestor tipuri de cladiri, care pot reprezenta motivatia necesara pentru investitori de a implementa asemenea sisteme. Sistemele de monitorizare, respectiv urmarirea comportarii in timp a cladirilor eficiente energetic, pot oferi date reale ce pot fi folosite la proiectarea cladirilor similare si la imbunatatirea modului in care se concep si se utilizeaza constructiile.

Cercetarea in domeniul eficientei energetice a cladirilor este esentiala pentru evolutia constructiilor din acest punct de vedere si pot fi un instrument pentru evidentierea problemelor de mediu, in vederea constientizarii lor si a promovarii solutiilor de remediere.

Bibliografie

[1] European Union – Directive 2002/91/CE of The European Parliament and of The council of 16 December 2002 on the Energy Performance of Buildings, 2002;

[2] D. Stoian, V. Stoian, D. Dan – Sisteme de monitorizare – performanta si aplicabilitate, Instalatii pentru constructii si confortul ambiental – editia a 22-a, p. 355-360, Timisoara, 2013;

[3] A.J. Marszal, P. Heiselberg, Life cycle cost analysis of a multi-storey residential Net Zero Energy Building in Denmark, Energy 36-9 (2011) 5600-5609;

[4] Passive House Planning Package 2007 – Specifications for Quality Approved Passive Houses, Passive House Institute, 2007;

[5] www.meteonorm.com

[6] I. Boros, C. Tanasa, V. Stoian, D. Dan, Thermal studies of specific envelope solutions for an energy efficient building, International Conference on Innovative Research, Iasi, 2015;

[7] Gavin Ó Sé, GreenBuild, Inch, Gorey, Co. Wexford, Guidelines for Blower Door Testing of Passive Houses, Ireland, 2015;

[8] I. Boros, T. Nagy-György, C. Florut, D. Dan – Monitoring strategy for an Energy Efficient School Building, 2nd Int. Conf. On Advances in Civil, Structural and Mechanical Engineering – ACSM 2015, Bangkok, Thailand 2015, ISBN: 978-1-63248-074-3, pp. 52-56;

[9] I. Boros, D. Stoian, V. Stoian, T. Nagy-György, Energy Efficient School Building HVAC Systems Monitoring Plan, Journal of Applied Engineering Sciences, Vol. 6(19), Issue 2/2016, ISSN: 2247-3769 / E-ISSN: 2284-7197, Art. no. 204, pp. 15-20;

[10] I. Boros, K. Schmiedt, C. Tanasa, T. Nagy-György, D. Dan, Stoian V., Real time thermal analysis of an exterior wall solution used as envelope for an energy efficient building, International Journal of Energy and Environment, Vol. 10, 2016, ISSN: 2308-1007, pp 243 – 247.

(Din AICPS Review – 1-2, 2018) 

Autori:
drd. Iosif BOROS,
prof. univ. Tamás NAGY-GYÖRGY,
drd. Dan STOIAN,
prof. univ. Valeriu STOIAN – Universitatea Politehnica Timisoara, Facultatea de Constructii, Departamentul de Constructii civile si Instalatii

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 160 – iulie 2019, pag. 52