Sisteme moderne de fatade metalice. Analize termice si de impact asupra mediului

In contextul accentului care se pune in prezent pe impactul constructiilor asupra mediului, am supus analizei comparative patru sisteme modulare de inchidere de tip sandwich adaptabile unei structuri metalice. Acestea ofera o solutie constructiva flexibila, modulara, cu fabricare rapida, perioada scurta de executie si dezasamblare usoara.

Studiul prevede o analiza a transferului termic ce include schimbarea de faza, gradul de atenuare a amplitudinii, raportul dintre aceasta si temperatura (TAV) si bilantul energetic. Considerand o abordare sustenabila, studiul este completat de o analiza de impact asupra mediului ce ia in considerare materialele din faza de productie pana in faza finala a ciclului de viata.

Desi sistemele analizate au caracteristici similare, rezultatele demonstreaza o anumita variatie a parametrilor. Bilantul energetic arata ca energia furnizata este data primordial de necesarul de incalzire, prepararea apei calde menajere si aportul solar. Energia totala emisa este in egala masura formata din energia generata prin transmisie, ventilare si energia apelor reziduale. Scenariul pentru ciclul de viata (LCA) arata ca fazele finale ale ciclului pentru fiecare sistem, au un rol important in impactul asupra mediului inconjurator, inversand clasamentul initial al sistemelor.

Diversi autori au demonstrat ca in prezent sectorul constructiilor este responsabil pentru o buna parte din cantitatea totala de energie consumata, a emisiilor de dioxid de carbon si a deseurilor [1-3]. In ultima decada de timp procentul a crescut pana la valori importante de aproximativ 50% din valoarea totala. Energia necesara functionarii la parametrii optimi a unei cladiri reprezinta aproximativ 90% din total, restul fiind energia inmagazinata a diverselor materiale. Prin urmare, tendintele actuale sunt de a reduce energia operationala, chiar daca creste cantitatea energiei inmagazinate.

Pornind de la conceptul dezvoltarii durabile [4] structurile metalice din profile cu pereti subtiri formate la rece reprezinta o varianta structurala atractiva deoarece imbina prefabricarea, greutatea redusa, executia rapida cu posibilitatea de reutilizare sau reciclare [5]. Sistemele metalice de fatada se incadreaza in tendintele actuale, in sectorul constructiilor oferind solutii robuste si sustenabile, ce corespund nevoilor din prezent oferind un confort termic interior adecvat.

Panourile moderne de tip sandwich puse la dispozitie de catre producatori indeplinesc conditiile actuale de performanta atat din punct de vedere energetic cat si termic prin variatii ale grosimii si tipului de material termoizolant ce se pot adapta diverselor sisteme structurale. Aspectele arhitecturale sunt indeplinite de o gama destul de larga de finisaje exterioare si interioare. Alte avantaje ale unui astfel de sistem sunt date de posibilitatea industrializarii, panourile fiind elemente prefabricate, modulare, permitand o executie rapida. De asemenea, ele sunt adaptabile diferitelor forme si pot fi demontate si reutilizate usor.

Lucrarea prezinta analiza a patru solutii moderne de elemente de fatada, ce pot fi adaptate pe o structura metalica din profile cu pereti subtiri formate la rece. Sistemele alese ofera rezistente termice similare.

Analiza termica considera transferul termic si bilantul energetic. Studiul este completat de o analiza de impact asupra mediului considerand elementul din faza de productie, utilizare, pana faza de sfarsit a ciclului de viata.

Descrierea sistemelor de fatada

In cadrul analizei au fost considerate patru sisteme de fatada de tip panou sandwich oferite de diversi producatori de pe piata actuala. Alegerea sistemelor s-a bazat pe doua criterii importante: (i) modularitate si (ii) timpul scurt de instalare. Sistemele au fost subimpartite pe doua categorii in functie de tipul materialului termoizolant. Ele sunt prezentate in Tabelul 1, in functie de stratificatie, grosime totala, rezistenta termica (R) si transmitanta termica (U=1/R).

Toate sistemele de inchidere propuse sunt de tip panou sandwich, ele putand fi adaptate usor unei structuri metalice usoare cu elemente din profile cu pereti subtiri. Alegerea sistemelor integrate contribuie la proiectarea sustenabila a cladirilor actuale atat in faza de fabricare cat si in faza finala a ciclului de viata (End of Life – EOL) considerand multiple avantaje:

• modularitate;
• adaptabilitate;
• prefabricarea atat pentru elementele structurale cat si pentru cele de inchidere;
• timp redus de executie;
• dezasamblare rapida si posibilitatea de a colecta separat deseurile la finalul ciclului de viata, conducand la reutilizarea si reciclarea materialelor.

Astfel, sistemul permite dezasamblarea in totalitate a componentelor originale, pe diferite scenarii EOL: deoarece elementele metalice structurale pot fi cu usurinta reciclate sau chiar reutilizate, scenariul final pentru componentele de inchidere este mai complex datorita foilor de tabla si a materialului termoizolant sau a tuturor elementelor necesare montajului. In consecinta, studiul prezentat este concentrat pe analiza performantei la transfer termic si a impactului asupra mediului pentru sistemele de fatada alese.

Analiza transferului termic

Sistemul modular de baza ales are dimensiunile in plan de 5 m x 5 m (fig. 1 si 2). Cladirea reprezinta un spatiu pe doua nivele cu un acoperis in doua ape capabil sa acomodeze o retea de panouri fotovoltaice. Fatada sudica (fig. 1) se constituie aproape in totalitate dintr-un element vitrat pentru a asigura iluminatul natural al spatiului interior. Pentru a controla radiatia solara, vitrajul este completat de elemente de umbrire formate din lamele cu celule fotovoltaice inglobate.

Calculul eficientei termice a unei incinte este determinat de o serie de factori, in principal de radiatia solara directa receptata prin golurile fatadei si de capacitatea de inmagazinare a caldurii la nivelul elementelor de invelitoare. Alti factori importanti in echilibrul energetic sunt:

• schimbul de faza;
• amplitudine;
• raportul temperatura / amplitudine (TAV).

Analiza termica a fost efectuata cu ajutorul platformei online de calcul Ubakus [6] si componenta de evaluare energetica inglobata a Graphisoft Archicad 21 [7]. Urmatoarele date au fost introduse si aplicate asupra modelului de baza prezentat mai sus, amplasat in Timisoara:

• Temperatura interioara: 20°C cu umiditate 40%;
• Temperatura exterioara: -5°C cu umiditate 60%;
• Arie construita: 30,37 m²;
• Arie utila: 24,60 m²;
• Suprafata anvelopei: 124,44 m²;
• Procentaj suprafata vitrata: 6%.

Vata minerala 1 (MW1)

Simularea cu programul de analiza (fig. 3a) a aratat ca transmitanta elementului are valoarea U = 0,168 W/m²K. Astfel, cantitatea maxima de caldura inmagazinata este de 47 kJ/m²K cu o capacitate termica a straturilor interioare de 19,7 kJ/m²K si o rezistenta termica totala de 5,943 m²K/W. Aceasta valoare este aproximativ de trei ori mai mare decat cea prevazuta in normativele actuale din Romania. Schimbarea de faza (fig. 3b) se petrece dupa 6,7 ore cu o atenuare a amplitudinii de 7,9 si TAV 0,126.

Vata minerala 2 (MW2)

Cel de-al doilea sistem, MW2 (fig. 4a), arata o valoare a trasmitantei de U = 0,161 W/m²K. Caldura inmagazinata atinge 47 kJ/m²K cu o capacitate de stocare termica a straturilor interioare de 19,8 kJ/ m²K si avand per total o rezistenta termica de 6,193 m²K/W. Schimbarea de faza are loc dupa 6,7 ore (fig. 4b) cu o atenuare a amplitudinii de 8,3 si raportul TAV de 0,12.

Poliizocianurat 1 (PIR1)

In cazul sistemului PIR1 (fig. 5a), rezulta o transmitanta U = 0,171 W/m²K. Caldura inmagazinata atinge 46 kJ/m²K cu o capacitate de stocare termica a straturilor interioare de 21 kJ/m²K si demonstrand o rezistenta termica totala de 5,850 m²K/W. Schimbarea de faza are loc dupa 8,2 ore (fig. 5b) cu o atenuare a amplitudinii de of 8,3 si TAV de 0,122. Avantajul principal pentru folosirea unui miez de poliizocianurat este o reducere considerabila a grosimii totale a straturilor exterioare.

Poliizocianurat 2 (PIR2)

Pentru sistemul PIR 2 (fig. 6a), transmitanta atinge 0,167 W/m²K. Caldura inmagazinata a elementului atinge 46 kJ/ m²K cu o capacitate de stocare termica a straturilor interioare de 21 kJ/ m²K. Rezistenta termica totala este de 6,001 m²K/W. Schimbarea de faza are loc dupa 6,7 ore (fig. 6b) cu o atenuare a amplitudinii de 7,2 si TAV de 0,117.

Bilantul energetic

Pentru evaluarea energetica a celor patru sisteme, urmatoarele date operationale au fost considerate in programul de calcul:

• aportul de caldura uman: 70 W/utilizator;
• apa calda de consum: 60 l/zi/utilizator
• umiditate: 2 g/zi/utilizator;
• utilizare spatiu: 6.264 ore/an;
• iluminat: sistem LED;
• incalzire: 1.500 W capacitate nominala corp de incalzire electric inclusiv pentru incalzirea apei calde menajere. Tip control: control temperatura cu senzor interior – temperatura interioara: 20°C cu umiditate 40%.

Rezultatele analizei sunt prezentate in Tabelele 2 si 3. Graficele prezinta cantitatea de energie emisa de cladire (partea inferioara) cat si energia necesara/primita de fiecare sursa in parte; energia absorbita din mediul inconjurator precum si din surse interne (parte superioara), pe parcursul unei luni (in cazul prezentat) sau saptamani, conform alegerii.

Conform ecuatiei de echilibru, graficele pentru cantitatea de energie emisa (output) si pentru energia primita (input) trebuie sa fie egale. Axa verticala a graficului arata cantitatea de energie iar cea orizontala arata saptamanile anului.

In general cantitatea de energie necesara provine in mare parte din necesarul de incalzire (peste 50% din total), aport solar si apa calda menajera. Alte surse reprezinta sub 7% din totalul necesar. Energia emisa se bazeaza in principal pe transmisie – 30%, ventilatie – 45% si pierderile conexe – 10%. Aceste procentaje arata felul in care aceste valori ar putea fi optimizate. In acest caz, sursele cu recuperare de caldura pot reduce cantitatea de energie necesara.

Se poate observa ca MW2 are necesarul net de energie pentru incalzire a spatiului cel mai scazut, 3.597 kWh/a (anual) spre deosebire de PIR2 unde valoarea neta este cea mai mare 3.658,2 kWh/a. Mai mult decat atat, sistemele cu miez de vata minerala (MW1 si MW2) au un grad de etanseitate sporit fata de solutiile PIR, avand mai putine infiltratii sau pierderi de caldura.

Tabelul 3 sintetizeaza performantele sistemelor alese. Ca o concluzie generala, toti parametrii evaluati prezinta valori similare, cu variatii de 5-6%. Solutia MW2 prezinta rezistenta termica cea mai buna (transmitanta cea mai mica) si implicit consumul de energie si valoarea TAV cele mai reduse. In contrast, solutia PIR2 are amplitudinea si capacitatea termica a straturilor interioare cele mai ridicate.

Analiza impactului asupra mediului

Analiza de impact asupra mediului a fost realizata prin Abordarea pe Ciclu de Viata a sistemelor de fatada (LCA), luand in considerare toate etapele parcurse de catre un produs pana ajunge in faza de sfarsit a ciclului de viata (incepand cu extractia de materii prime, productia, punerea in opera si ajungand la dezasamblare, procesarea deseurilor si debarasarea acestora dupa demontarea/demolarea cladirii).

Analiza LCA pentru sistemele de fatade a fost realizata folosind programul software SimaPro (8) plecand de la anumite conditii de margine cum ar fi materiale termoizolante identice sau cu proprietati identice:

• temperatura interioara: 20°C cu umiditate 40%;
• sistemele de inchidere sunt alcatuite din panouri sandwich cu aceeasi valoare a transmitantei de 0,17 W/m2K;
• excluderea din calcul a energiei utilizate in timpul procesului de construire (de exemplu, energia provenita din consumul de combustibil al masinilor si utilajelor tehnologice);
• excluderea din calcul a consumului de energie datorat transportului panourilor sandwich (de la producator in santier) si montarii acestora pe structura;
• includerea in calcul a emisiilor pe termen lung.

Scenariul pentru Ciclul de Viata include, ca date de intrare, aceleasi materiale componente si aceleasi cantitati utilizate precum in cazul analizei transferului termic. Datele referitoare la faza de Sfarsit a Ciclului de Viata, reprezentand scenariul pentru reciclarea, reutilizarea si eliminarea deseurilor la sfarsitul ciclului de viata al cladirii, au fost apreciate in functie de conditiile actuale din Romania pentru eliminarea materialelor de inchidere pentru structuri. Tabelul 4 prezinta componentele fiecarei solutii de fatada analizata, precum si cantitatile aferente si scenariul de eliminare a fiecarui strat component din panourile sandwich.

Figura 7 prezinta impactul asupra mediului in stadiul de productie al solutiilor analizate, in timp ce figura 8 face referire la impactul asupra mediului al celor patru solutii analizate rezultat din analiza LCA la sfarsitul ciclului de viata. Impactul asupra mediului este exprimat prin eco-puncte, definite de metoda pentru LCA, Eco-indicator 99 [8].

Rezultatele sunt grupate in trei categorii principale de impact: impactul asupra resurselor naturale (de asemenea divizat in utilizarea terenurilor, a mineralelor si utilizarea combustibililor fosili), calitatea ecosistemului (impartita in schimbari climatice, radiatii, afectarea stratului de ozon, eco-toxicitate si acidificare / eutrofizarea apelor) si sanatatea umana (impartita in continut de substante cancerigene, continut de substante organice respiratorii si continut de substante anorganice respiratorii).

Scorul total pentru fiecare sistem de inchidere analizat este prezentat in Tabelele 5 si 6. Sistemele de inchidere cu scorul cel mai mare sunt solutiile cu cel mai mare impact asupra mediului. Toate cele patru sisteme de fatade au obtinut valori similare ale scorului total.

Comparand rezultatele obtinute dupa incheierea fazei de productie cu cele obtinute in urma LCA, se poate observa ca luand in considerare EOL, scorul total al fiecarui sistem de fatade este redus, fapt datorat reutilizarii si reciclarii diferitelor materiale componente in proportie de pana la 30%. Mai mult, analiza pe Ciclu de Viata a sistemelor poate schimba clasificarea solutiilor ca impact asupra mediului: solutia PIR1 prezinta un scor total mai mare in stadiul de productie, in timp ce analiza LCA releva scoruri PIR1 si PIR2 egale.

Rezultatele mai demonstreaza faptul ca, in ansamblu, toate cele patru sisteme de fatade se dovedesc scoruri asemanatoare, atat in stadiul de productie, cat si la sfarsitul ciclului de viata. Cu toate acestea, dintre solutiile analizate, sistemul de fatada cu cel mai mic impact asupra mediului pentru faza de productie este diferit de cel cu impactul cel mai scazut pentru sfarsitul ciclului de viata, datorita reutilizarii si recuperarii energiei din materialele componente ale sistemelor. Se poate observa ca pentru faza de productie solutia cu minimul de eco-puncte este solutia MW2, urmata de solutia PIR2.

Rezultatele inregistrate in urma analizei sistemelor de fatada pe intreaga lor durata de viata, luand in considerare si Sfarsitul Ciclului de Viata, arata ca solutia PIR2 este clasata pe ultimul loc in ceea ce priveste impactul asupra mediului, avand cel mai insemnat impact asupra mediului dintre toate cele patru sisteme de fatade analizate. Totusi, solutia MW2 (bazata pe o termoizolatie din vata minerala) a ramas solutia care a insumat minimul de eco-puncte si in urma analizei LCA, astfel demonstrand ca este sistemul de fatada care are cel mai mic impact asupra mediului, in raport cu celelalte solutii analizate, din faza de productie pana la Sfarsitul Ciclului de Viata.

In ceea ce priveste categoria de impact, toate cele patru solutii, atat in stadiul de productie, cat si in stadiul final al ciclului de viata, au un impact mai mare asupra resurselor naturale, ceea ce se traduce prin nivelul ridicat de fabricatie a produselor componente prin utilizarea energiei.

Concluzii

Lucrarea a prezentat o analiza comparativa a patru sisteme de fatada existente pe piata europeana, adaptabile pentru structurile metalice realizate din elemente cu pereti subtiri formate la rece. Cele patru sisteme au fost alese pe baza valorilor rezistentei termice similare.

In urma bilantului energetic, termic si a analizei impactului asupra mediului, se pot trage urmatoarele concluzii:

• pornind de la valori similare ale rezistentelor termice, cele patru sisteme de fatada prezinta valori similare ale schimbarii de faza, atenuarii amplitudinii si raportului amplitudinii de temperatura;
• energia emisa de locuinta este datorata primordial ventilatiei, apei menajere si transmisiei. Astfel, o izolare mai buna, impreuna cu utilizarea unor schimbatoare de caldura mai performante pot reduce energia pierduta a cladirii;
• defalcarea balantei energetice demonstreaza ca responsabilitatea consumului energiei furnizate este impartita intre incalzire, prepararea apei calde si absorbtia radiatiei solare incidente. Pentru a reduce consumul de energie conventionala furnizata pot fi utilizate suplimentar sisteme generatoare de energie verde;
• rezultatele arata o anumita variatie a parametrilor termici analizati, cum ar fi atenuarea amplitudinii si a TAV. Solutia MW2 prezinta cea mai buna valoare a componentei nete a balantei energiei termice si cea mai mica valoare TAV;
• analiza LCA de impact asupra mediului demonstreaza ca pentru sistemele analizate sfarsitul ciclului de viata joaca un rol important in impactul asupra mediului, inversand clasamentul initial al acestora. Totusi, acest lucru depinde de scenariile previzionate pentru faza de sfarsit a ciclului de viata;
• alegerea sistemului de fatada pentru realizarea cladirii poate fi facuta pe baza rezultatelor analizelor, luand in considerare atat capacitatea termica a sistemelor, cat si impactul global asupra mediului in urma evaluarii pe ciclu de viata.

Recunoastere

Aceasta lucrare a fost sustinuta de un grant al Ministerului Roman al Cercetarii si Inovarii, CCCDI – UEFISCDI, proiect numarul PN-III-P1-1.2-PCCDI-2017-0391/CIA_CLIM – Cladiri inteligente adaptabile efectelor schimbarilor climatice, din cadrul PNCDI III.

Bibliografie

[1] CIOB, Sustainability and Construction, www.ciob.org.uk;
[2] UIA 2009. Copenhagen Declaration, Declaration on Sustainability and Cultural Diversity, Approval by the UIA World Congress in June 2008, www.uia-architectes.org;
[3] European Construction Technology Platform, Vision 2030 & Strategic Research Agenda, Focus Area Cities and Buildings (2005);
[4] M. R. C. Doughty, G. P. Hammond, Sustainability and the build environment at and beyond the city scale. Building and Environment, 2004, Vol. 39, 1223-1233, (2004) – D. DubinA, V. Ungureanu, A. CiutinA, M. Mutiu, D. Grecea, Innovative sustainable steel framing based affordable house solution for continental seismic areas, proceedings of: Structures and Architecture, Guimaraes, Portugal, (21-23 July 2010), ISBN 978-0-415-49249-2;
[5] Ubakus – online U-wert calculator, www.ubakus.de/u-wert-rechner/;
[6] Graphisoft ARCHICAD 21.0.0 build 3005, www.graphisoft.com/archicad/;
[7] SimaPro 7. Software and database manual, Amersfoort, The Netherlands (2008), online at: www.presustainability.com;
[8] Eco-indicator’99 2000. Eco-indicator’99 – Manual for Designers. A damage oriented method for Life Cycle Impact Assessment, online at: www.pre.nl/download.

(Lucrare prezentata in cadrul celei de-a 16-a „Conferinte Nationale de Constructii Metalice – CM16-2019”, Timisoara, 13-14 iunie 2019.) 

Autori:
prof. univ. dr. ing. Adrian CIUTINA, drd. ing. Raluca BUZATU, drd. arh. Daniel M. MUNTEAN – Universitatea Politehnica Timisoara
prof. univ. dr. ing. Viorel UNGUREANU – Universitatea Politehnica Timisoara, Academia Romana, Filiala Timisoara 

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 166 – ianuarie-februarie 2020, pag. 36