fizica constructiilor!!!

43
Fizica constructiilor – Breviar de probleme Ionici Liliana Merla Horia Olteanu C. Marian Tudor Daniel 1. Radiatiile electromagnetice si radiatia solara - lumina – caracteristici - analiza spectrala - proprietati fizice, fenomene - energia solara- compozitie, factori, efecte si influente date - iluminarea – metode de abordare sistemica 2. Efectul de sera - originea si cauza fenomenologica - cauza si efect - caracteristici generale - abordarea problematicii generate - elemente componente si efecte - degradarea fizico-biologica si climatica; efecte negative - implicarea umana - abordari posibile 3. Lumina naturala in arhitectura - metode de abordare - caracteristici generale - aspecte teoretice - influente si tendinte generale - tehnici si tendinte moderne ( de actualitate) in utilizare - adaptarea obiectelor de arhitectura la conditiile de mediu - exemple

Upload: so-odette

Post on 20-Jan-2016

140 views

Category:

Documents


12 download

DESCRIPTION

fiz con

TRANSCRIPT

Page 1: Fizica constructiilor!!!

Fizica constructiilor – Breviar de problemeIonici LilianaMerla HoriaOlteanu C. MarianTudor Daniel

1. Radiatiile electromagnetice si radiatia solara- lumina – caracteristici- analiza spectrala- proprietati fizice, fenomene- energia solara- compozitie, factori, efecte si influente date- iluminarea – metode de abordare sistemica2. Efectul de sera- originea si cauza fenomenologica- cauza si efect- caracteristici generale- abordarea problematicii generate- elemente componente si efecte- degradarea fizico-biologica si climatica; efecte negative- implicarea umana- abordari posibile3. Lumina naturala in arhitectura- metode de abordare- caracteristici generale- aspecte teoretice- influente si tendinte generale- tehnici si tendinte moderne ( de actualitate) in utilizare- adaptarea obiectelor de arhitectura la conditiile de mediu- exemple

CUVINTE-CHEIE : ENERGIE, INFORMATIE, RESURSE, MEDIU, CLIMA, POLUARE, AMBIENT, CONFORT, GLOBALISM

NOTIUNI-CHEIE : MEDIU NATURAL; MEDIU ANTROPIZAT; CATASTROFA ECOLOGICA; CATASTROFA CLIMATICA; ENERGII (SURSE DE ENERGIE) (NE)CONVENTIONALE; EMISII POLUANTE ; EMISII DE CO2;ARHITECTURA : //ENERGO-EFICIENTA// (CONSTIENTA DE: MEDIU// DE ENERGIE) AMBIENTALA// BIO-CLIMATICA//SOLARA//PASIVA-ACTIVA; ECOLOGICA; ECO-TECH; LOW-TECH; LOW-IMPACT; INTELIGENTA; „VERDE”

Page 2: Fizica constructiilor!!!

TEHNOLOGIE AMBIENTALA;

PROBLEME-CHEIE : AGRAVAREA SI GLOBALIZAREA CRIZEI ECOLOGICE; CATASTROFA CLIMATICA (IMINENTA ?)RASPUNS: RECUPERAREA SI CONSERVAREA ECHILIBRULUI (DINAMIC) DINTRE OM SI MEDIU

CRITERII DE ANALIZA A PRODUSULUI DE ARHITECTURA D.P.D.V. AL IMPACTULUI ECOLOGIC

1. Propietati fizice si fiziologice ale radiatiilor electromagnetice si a radiatiei solare in special

1.1 Ce este lumina

Toate corpurile cosmice emit radiatie - fotoni. Fotonii gamma vin de la un univers violent. Un univers fierbinte este observat in raze X. Radiatia infrarosie este emisa de un univers cald (in infrarosul apropiat) si universul rece (infrarosul indepartat). O parte din fotoni ajung la ochii nostri in mai putin de o miime de secunda (fulgere, meteori), altii in milioane de ani. In microunde astronomii observa cea mai „batrana" lumina care vine de pe vremea cand Universul avea 300 000 de ani. La acel moment Universul a devenit transparent. Din moment ce Universul (si lungimile de unda ale radiatiei) s-a marit de 10 000 de ori si pe parcursul celor 13 miliarde de ani, lumina s-a transformat in radiatie in microunde. Este asa-numita radiatie cosmica de fond. In cosmos exista 2 miliarde (2 x 109) de fotoni „relicve" pentru fiecare proton. Ei sunt de departe cei mai abundenti fotoni din univers.

Lumina (in general) este facuta din unde electromagnetice (radiatie). Radiatia electromagnetica pe care o vedem este ceea ce mai spunem si lumina „vizibila". Lumina este un flux de fotoni—pachete oscilatoare de energie.

Pentru a cunoaste mai multe, iata ce mai putem spune:Lumina (in general) este facuta din unde electromagnetice (radiatie). Radiatia electromagnetica pe care o vedem este ceea ce mai spunem si lumina „vizibila". Lumina este un flux de fotoni—pachete oscilatoare de energie.

Page 3: Fizica constructiilor!!!

Analiza spectrala

Mergand de la raze gamma, raze X, UV, lumina vizibila, IR la unde radio, radiatia electromagnetica este impartita in regiuni spectrale. Spectrul Fraunhofer al luminii solare. Lungimile sunt in angstromi (Å). Linia C este linia H-alpha a hidrogenului. Lungimile de unda sunt mai mari de 0,38 micrometri, (3800 Å lumina albastra) si mai mici de 0,76 micrometri (7600 Å lumina rosie) . Pentru un muzician, raportul (1:2) al acestor lungimi de unda limita (sau frecvente) este o octava. Ochiul nostru percepe astfel o octava de oscilatii electromagnetice. Radiatia electromagnetica de 0,5 micrometri are culoarea verde. O serie de 2000 de unde de lumina verde are 1 mm lungime. Unde sub 3800 Å pana la 900 Å reprezinta radiatia UV, iar unde de peste 7600 Å (pana la 0,1 mm) reprezinta radiatie IR. Fotonii sunt mici pachete de energie, care oscileaza cu frecventa ?''. Viteza lor in vid este c=300 000 km/secunda. Intr-un mediu transparent viteza este mai mica. Energia fotonilor este h?, h este constanta lui Planck, 6,6 x 10-34 J s.

Radiatia unei singure lungimi de unda se numeste monocromatica. Exemplul este linia H-alpha a hidrogenului. Lumina alba consta dintr-un numar enorm de diferite radiatii monocromatice. Picaturile de ploaie imprastie lumina solara intr-un curcubeu – un spectru neclar. Culoarea unei stele indica doar faptul ca este fierbinte (albastra) sau rece (rosie). Spectrul detaliat al unei stele da informatii exacte nu numai asupra temperaturii sale, dar si asupra altor proprietati (de exemplu, compozitia chimica).

Page 4: Fizica constructiilor!!!

 

Curcubeul—dispersia luminii solare in picaturile de ploaie.

Pana la jumatatea secolului XX, lumina vizibila era singura sursa de informatii asupra Universului. Astazi, telescoape cu detectori ingeniosi, plasati pe sateliti si misiuni spatiale, ne arata Universul in toate regiunile spectrale, de la raze gama la unde radio. Ferestre catre Univers au fost deschise de la o octava la 92 octave.

Noi primim toata energia de care avem nevoie ca lumina vizibila de la steaua noastra – Soarele.

Este esentiala pentru toata viata de pe Pamant. Energia totala oferita de Soare Pamantului in fiecare secunda este 180 000 terawati. Prin comparatie: conform statisticilor UN, toata umanitatea consuma 13 terawati in industrie, trafic, acasa, in agricultura. Noi folosim surse murdare (carbune, petrol, gaze naturale) pentru a acoperi nevoile noastre. Aceste surse contin de asemenea si energie solara – lumina solara acumulata prin protosinteza acum milioane de ani. Ele sunt scumpe, epuizabile, polueaza planeta noastra si oameni lacomi poarta razboaie sa le procure.

Page 5: Fizica constructiilor!!!

Oare am uitat reactorul termonuclear perfect si sigur de pe cer? Neglijam darul solar generos, care este de inalta calitate (= transformabil eficient in orice forma de energie, precum caldura, electricitatea, energia chimica). Este absolut curat (fara poluare), etern (pentru urmatoarele 7 miliarde de ani), de multe ori depasind nevoile umanitatii, si este gratis pentru toata lumea.

1.2 Proprietati Natura ondulatorie a luminii1." lumina": unda electromagnetica ce impresioneaza ochiul umannormal dand senzatia de vaz, avand frecventa cuprinsa intre 4*1014 Hz si 8*1014 Hz2.senzatia de lumina produsa asupra ochiului uman normal se datoreaza componentei electrice a undei electromagnetice, care, in functie de frecventa se receptioneaza in mod diferit de ochiul uman dand senzatia de culoare.3.Marimile ce caracterizeaza lumina ca unda electromagnetica sunt:4.Frecventa, frecventa oscilatiilor componenteloer electrica E simagnetica B ale undei electromagnetice.5.Perioada T- timpul in care E si B corespunzatoare undeielectromagnetice efectueaza o oscilatie completa.6.Pulsatia Viteza de propagare, v: distanta pe care se propaga unda in unitatea de timp prin mediul optic considerat.

Reflexia luminii- reprezinta fenomenul de intaorcere in mediul din care a venit a undei luminoase atunci cand intalneste suprafata de separare dintre doua mediiRefractia luminii- reprezinta fenomenul de trecere a undei luminoase dintr-un mediuoptic cu indicele de refractie n1 intr-un lat mediu optic cu indicelederefractie n2, cu schimbarea directiei de propagare.Dispersia luminiireprezinta fenomenul de variatie a indicelui de refractie al unui mediu optic cu lungimea de undaAbsorbtia luminiireprezinta fenomenul de micsorarea a intensitatii unei unde plane ce strabate un mediu optic

1.3 Energia solara Energia solara reprezinta cea mai impresionanta si sigura sursa de energie. Intr-un interval de 20 de minute, soarele furnizeaza echivalentul

Page 6: Fizica constructiilor!!!

consumului energetic anual al omenirii. Pe teritoriul Romaniei, pe o suprafata orizontala de 1 m², putem capta anual o cantitate de energie cuprinsa intre 900 si 1450 kWh, dependenta bineinteles si de anotimp. Radiatia medie zilnica poate sa fie de 5 ori mai intensa vara decat iarna. Dar si pe timp de iarna, in decursul unei zile senine, putem capta 4-5 kWh/m²/zi, radiatia solara captata fiind independenta de temperatura mediului ambiant. Soarele este un furnizor natural si practic inepuizabil de energie. El este sursa de care depinde orice viata. Dar el are o importanta din ce in ce mai mare si ca furnizor al necesarului nostru zilnic de energie. Soarele, aflat la o distanta de 150 milioane kilometri de pamant, reprezinta o adevarata sursa de energie. El ofera zilnic energie gratuita in cantitati nelimitate. Utilizarea energiei solare este, spre deosebire de arderea carburantilor, complet lipsita de substante toxice si de alte riscuri.

Atmosfera reflecta aproximativ 30% si absoarbe 20% din radiatia solara; astfel, pe suprafata solului ajung doar 50% din ea. Chiar si asa insa aceasta cantitate este de 170 de milioane de ori mai mare decat productivitatea marilor centrale.

In zonele tropicale aceasta cauzeaza arderea tufisurilor, focul izbucnind datorita focalizarii razelor solare prin picaturile de roua, care se comporta ca niste lentile optice. Grecii au utilizat energia solara inac din 400 i.e.n pentru aprinderea focului, folosind globuri de stila pline cu apa. In 200 i.e.n ei foloseau oglinzi concave in acest scop.

In cuptorul solar modern, lumina solara este folosita pentru a gati, o oglinda (reflectorul) focalizeaza razele soarelui pe mancare sau pe vas. In unele cuptoare solare in loc de oglinda concava se foloseste un sistem de oglinzi plate pentru a directiona razele soarelui pe alimente.

Pe aceeasi idee se bazeaza si functionarea furnalului solar. In Mont Luis, Franta, s-a construit o cladire cu mai multe nivele, cu o latura acoperita de oglinzi, astfel incat totalitatea lor sa formeze o uriasa oglinda concava. Camera de incalzire din focar se poate incalzi pana la 3000 grd C- la aceasta temperatura topindu-se majoritatea metalelor.

1.4 Radiatia solara

Compozitia radiatiei solare

Din punct de vedere al cantitatii si tipului  de energie transmise, radiatia solara care ajunge pe pamant este compusa din:

  3%  ultraviolete   +   55%  infrarosii   +   42%  lumina vizibilaFiecareia din aceste trei parti ale radiatiei ii corespunde cate un spectru definit prin urmatoarele intervale de lungimi de unda:  - radiatia ultravioleta de la 0,28 la 0,38 microni, - radiatia vizibila de la 0,38 la 0,78 microni, - radiatia infrarosie de la 0,78 la 2,5 microni. Repartitia energetica a radiatiei solare globale, functie de lungimea de

Page 7: Fizica constructiilor!!!

unda intre 0,3 si 2,5 microni, pentru o suprafata perpendiculara pe acea radiatie, este reprezentata de curba urmatoare:    

Senzatia luminoasa

Senzatia luminoasa pe care o percepem este datorata actiunii radiatiilor electromagnetice cu lungimile de unda cuprinse intre 0,38 si 0,78 microni. Cu o eficacitate variabila asupra ochiului, in functie de lungimea lor de unda, aceste radiatii permit fenomenul fiziologic al vederii.

Caracteristici spectrofotometrice

Cand o radiatie loveste o sticla, o parte este reflectata, o parte este absorbita si o a treia transmisa. Rapoartele dintre fiecare din aceste trei parti si fluxul de energie incident, definesc factorul de reflexie, factorul de absorbtie si respectiv factorul de transmisie al acelei sticle.  Graficele acestor raporturi pe tot intervalul de lungimi de unda, constituie curbele spectrale ale sticlei. Pentru un flux de energie dat, aceste rapoarte depind de culoarea sticlei, de grosimea ei, si in cazul unei sticle cu depunere, de tipul acestei depuneri.

Factori de transmisie, de reflexie si de absorbtie energetica

Factorii de transmisie, de reflexie si de absorbtie energetica sunt rapoarte intre fluxul de energie transmis, reflectat sau absorbit si fluxul de energie incident. Pentru diferite tipuri de sticla, veti gasi acesti trei factori calculati pentru lungimi de unda cuprinse intre 0,3 si 2,5 microni.

Factori de transmisie si de reflexie luminoasa

Factorii de transmisie si reflexie luminoasa ai sticlei, sunt rapoartele dintre fluxul luminos transmis si reflectat, si fluxul luminos total incident. 

Page 8: Fizica constructiilor!!!

Pentru diferite tipuri de sticla, veti gasi acesti factori calculati pentru un flux luminos incident perpendicular pe suprafata.  Anumite vitraje, foarte groase sau multiple, chiar si incolore, pot produce prin transmisie un efect de colorare (tenta de verde sau de bleu), functie de grosimea totala a vitrajului si de partile componente.

Factor solar "g"

Factorul solar "g" al unei sticle, este raportul dintre energia totala intrata in incapere - transversal pe sticla - si energia solara incidenta. Aceasta energie totala, este suma dintre energia solara intrata prin transmisie directa si energia cedata de sticla mediului interior, ca urmare a incalzirii prin absorbtie energetica.     

Factorul solar = (Flux transmis + Flux remis) / Flux incident

Factorul solar al unui perete vitrat este fractiunea din energia solara intrata in incapere, raportata la energia solara incidenta. El va fi egal cu fluxul transmis in interior la care se aduna fluxul remis catre interior.  Factorii solari sunt calculati in functie de tipul sticlei si de factorii de transmisie si absorbtie energetica; pentru aceasta se fac urmatoarele conventii:  - spectrul solar este cel definit de norme,  - temperaturile ambiante interioara si exterioara sunt egale intre ele, - coeficientul de schimb al sticlei catre exterior este de 23 W/(mp.K) si catre interior de 8 W(mp.K) Energia solara care intra intr-o incapere printr-un geam, este absorbita de obiecte si peretii interiori, care se incalzesc si emit la randul lor o radiatie termica (situata in principal in infrarosu indepartat - mai mult de cinci microni). Sticla, chiar si cea clara si incolora, este practic opaca la radiatii cu lungimi de unda mai mari de cinci microni. Energia solara intrata prin aceste ferestre, este practic retinuta in incapere, aceasta avand tendinta sa se incalzeasca. Acesta este efectul de sera, pe care il constatam spre exemplu, intr-o masina stationata in plin soare cu geamurile inchise.

Control solar

Page 9: Fizica constructiilor!!!

Pentru a evita supraincalzirea, exista mai multe solutii ce pot fi adoptate, cum ar fi: - asigurarea circulatiei aerului, - utilizarea storurilor, avand grija ca acestea sa nu provoace spargerea termica a sticlei, - utilizarea sticlei cu transmisie energetica limitata numita sticla de control solar, care nu lasa sa treaca decat o fractiune bine determinata a radiatiei energetice solare, permitand iluminarea si evitand supraincalzirea. Protectia solara trebuie conceputa luand in considerare urmatoarele trei obiective: - diminuarea aportului solar – factor solar "g" minim, - diminuarea transferului de caldura de la interior la exterior – coeficient "U" minim, - garantarea unei bune transmisii luminoase – transmisie luminoasa ridicata.

Iluminarea

Cunoasterea factorului de transmisie al unei sticle, permite fixarea unui ordin de marime apropiat de nivelul de iluminare disponibil in interiorul unei incaperi, daca este cunoscut nivelul de iluminare din exterior.  Raportul  de iluminare interioara intr-un punct dat al unei incaperi, iluminata din exterior, masurat pe un plan  orizontal, este constant indiferent de ora la care se face masuratoarea. Acest raport se numeste factor de “lumina a zilei”.  Pentru o incapere cu un factor de lumina a zilei de 0,1 in apropierea ferestrei  si de 0,01 in capatul cel mai intunecat al incaperii, o iluminare exterioara de 5.000 lux (timp noros), va genera o lumina interioara de 500 de lux in apropierea ferestrei, si de 50 de lux in coltul cel mai indepartat, pe cand o iluminare exterioara de 20.000 lux va genera o iluminare interioara de 2.000 de lux si respectiv de 200 de lux, in aceeasi incapere.

Confortul luminos

Iluminarea trebuie sa contribuie la bunastare, asigurand conditii optime pentru ochi, atat in termeni de cantitate cat si de repartitie a luminii, evitand atat suprailuminarea, cat si colturile intunecate. Calitatea confortului luminos este legata de o alegere corecta a transmisiei si distributiei luminoase, cat si de orientarea si dimensionarea optima a ferestrelor.

Page 10: Fizica constructiilor!!!

2. Efectul de sera

Principalul vinovat de producerea efectului de sera (peste 50%) este bioxidul de carbon (CO2). Al doilea element nociv ca importanta este bioxidul de sulf (SO2); cantitatea mare de CO2 si SO2 emisa in atmosfera se datoreaza despaduririlor masive. Transportul urban si emisia de SO2 Principala sursa a emisiei de SO2 in atmosfera o reprezinta mijloacele de transport. Aceasta situatie este dramatica in aglomeratiile urbane, unde poluarea atmosferica se datoreaza concentratiei ridicate de noxe

2.1 Originea problemei Clima e timpul mediu, inclusiv extremele si variatiile sezoniere, fie locale, fie regionale, fie pe tot globul. In orice localitate stricta, timpul se poate schimba foarte rapid de la zi la zi si de la an la an, chiar si atunci, cand clima nu se schimba. Aceste schimbari presupun deplasari ale temperaturii, precipitatiilor, vantului si nourilor. Spre deosebire de timp, clima e afectata de schimbari lente, precum schimbari ale oceanelor, Pamantului, orbitei Pamantului in jurul Soarelui si productiei energiei de catre Soare. Clima este controlata energia Pamantului si atmosferei lui. Radiatia, care vine de la Soare, se absoarbe de catre suprafata Pamantului si de catre atmosfera deasupra lui. In mediu, radiatia absorbita e egala cu volumul de energie transmis in cosmos in forma de radiatie de "caldura" infrarosie. Gazele de sera capteaza careva caldura in partea de jos a atmosferei Pamantului. Acest fenomen se numeste efect de sera. Daca n-ar exista efectul de sera, temperatura medie la suprafata Pamantului ar fi cu aproximativ 34 grade C mai joasa decat acum. 2.2 Probleme generateActivitatile umane pot schimba clima. Volumul multor gaze de sera in atmosfera creste, indeosebi al CO2, care a crescut cu 30% pe parcursul ultimelor 200 de ani, in primul rand, ca rezultat al schimbarilor utilizarii Pamantului (deforestarea) si arderii carbunelui, petrolului si gazului natural (in automobile, industrie si generarea electricitatii). Daca tendintele actuale ale emisiilor vor continua, pe parcursul sec.XXI volumul de CO2 se va dubla si va creste in continuare. Volumul altor gaze de sera, de asemenea, va creste.

Care activitati umane contribuie la schimbarea climei?

Page 11: Fizica constructiilor!!!

Arderea carbunelui, petrolului si gazului natural, deforestarea si diverse practice agricole si industriale modifica compozitia atmosferei si contribuie la schimbarea climei. Aceste activitati umane au condus la concentratii sporite ale unui sir de gaze de sera in atmosfera CO2, CH4, oxid nitros, cloroflorocarburi, O3) in partea mai joasa a atmosferei.

Utilizarea combustibilului fosil în prezent e pricina adaosului a 80-85% de CO2 în atmosfera. Schimbarea utilizarii Pamantului (taierea copacilor, pasunatul, agricultura) conduc la emisii de CO2, atunci cand vegetatia se descompune sau arde. Vegetatia contine carbon, care se elibereaza in forma de CO2, atunci cand vegetatia se descompune sau arde. Vegetatia, care se pierde, se inlocuieste cu una noua prin cresterea ei din nou cu emisii minimale sau lipsa de CO2. Schimbarile utilizarii Pamantului sunt responsabile pentru 15-20% din emisiilor de CO2.

Metanul se produce prin cultivarea orezului, pasunatul animalelor mari cornute si oilor si prin descompunerea materialelor inhumate. Metanul se emite in timpul extragerii carbunelui din mine, a forarii petrolului si din conducte defectate de gaz. Activitatile umane au sporit concentratia metanului in atmosfera cu aproximativ 145% in exces la volumul, care ar fi existat in mod normal.

Oxidul nitros se produce prin diferite practici agricole si industriale. Activitatile umane au sporit concentratia oxidului nitros in atmosfera cu aproximativ 15% în exces la volumul, care ar fi existat în mod normal.

Cloroflorocarbuile (CFC) s-au utilizat in frigorifere, instalatii de conditionare a aerului si in solventi. Ele epuizeaza stratul de ozon stratosferic.

Ozonul din troposfera provine din activitati industriale. El se creeaza in mod natural si, de asemenea, prin reactii in atmosfera cu implicarea gazelor, care provin din activitatile umane, inclusiv oxizii de azot de la automobile si centrale electrice.

EFECTUL GAZELOR DE SERA

Intr-un interval mai lung de timp, pamantul trebuie sa emita energia in spatiu cu aceeasi viteza cu care o absoarbe de la soare. Energia solara ne parvine in forma de radiatie cu lungime de unda scurta. O parte din aceasta radiatie este reflectata inapoi de catre suprafata pamantului precum chiar si de catre atmosfera. Insa, majoritatea acestei radiatii trece direct prin atmosfera si incalzeste suprafata terestra. Pamantul se elibereaza de aceasta energie, transmitand-o inapoi in spatiu, sub forma unei radiatii infrarosii cu lungime de unda lunga.

Page 12: Fizica constructiilor!!!

Majoritatea radiatiei infrarosii, emisa in atmosfera de suprafata pamantului, este absorbita de catre vaporii de apa, de bioxidul de carbon si de alte "gaze de sera " care se gasesc in natura. Acestea impiedica trecerea directa in spatiul cosmic a energiei de la suprafata pamantului. Prin mai multe procese de interactiune - inclusiv prin radiatie, curenti de aer, evaporare sau prin formarea norilor si caderea ploii - energia este transportata in partile superioare ale atmosferei. De acolo, ea poate radia in spatiul cosmic. Acest proces, mai incet si indirect, e benefic pentru noi deoarece, daca suprafata pamantului ar putea iradia energia in spatiul cosmic fara nici o piedica, atunci pamantul ar fi un loc rece, lipsit de viata, o planeta sumbra si pustie asa cum este, de exemplu, planeta Venus. Emisiile gazelor de sera pe care le producem in prezent, sporesc capacitatea atmosferei de a absorbi energia infrarosie si incalca astfel modul climei de a mentine balanta optima intre energia care vine si cea care se duce. Daca nimic nu se va schimba, dublarea concentratiei gazelor de sera cu durata lunga de stabilitate va reduce cu aproximativ 2% rata cu care planeta isi poate distribui energia in spatiul cosmic. Acest fenomen este pronosticat sa aiba loc chiar la inceputul secolului viitor. Pur si simplu, energia nu poate sa se acumuleze si atunci clima va trebui cumva sa se adapteze pentru a se elibera de surplusul de energie. Desi 2% nu par fi prea mult, in realitate, pentru tot globul, ele reprezinta captarea unui continut de energie echivalent cu aproximativ 3 milioane de tone petrol pe minut. Conform datelor stiintifice de ultima ora, noi modificam " motorul " energetic care asigura functionarea sistemului climei. Pentru absorbirea socului ceva va trebui sa se schimbe.

Page 13: Fizica constructiilor!!!

Pamantul e mentinut la o temperatura ridicata de atmosfera care actioneaza ca o haina. Fara ea temperatura medie la suprafata ar fi de -18 grade. Caldura de la soare patrunde prin atmosfera si o incalzeste si odata cu ea si suprafata planetei. Pe masura ce Pamantul se incalzeste el emite caldura chiar si dupa ce nu mai este expus la lumina solara. O parte din caldura e capturata in atmosfera dar restul este eliberat in spatiu. Asa numitele "gaze de sera" fact atmosfera sa capteze mai multa radiatie asa ca se incalzeste mai mult decat ar trebui devenind o sera.

Page 14: Fizica constructiilor!!!

Cateva din gazele de sera sunt: vapori de apa, oxid azotos, dioxid de carbon, metan si ozon. Dar in ultimii 50 de ani producerea de aceste gaze a crescut considerabil si a aparaut un nou tip de gaz CFC. Acesta are un efect de captare foarte mare (o molecula este de 12-16 mii de ori mai eficienta la absorbtia radiatiei infrarosii decat una de CO2).

O serie de gaze existente în atmosfera terestra au proprietatea de a lasa sa treaca spre pamânt radiatia solara, dar sa nu permita trecerea radiatiei calorice în sens invers, spre spatiul cosmic. Se realizeaza astfel un „efect de sera” care consta în încalzirea suprafetei pamântului pe seama radiatiei solare.

Metanul.(CH4). Emisiile de CH4 contribuie cu aproape 15% la cresterea

potentialului efectului de sera. Metanul este principalul component al gazului natural ars de catre utilajele de incalzit. El provine de la descompunerea vegetala: cimpurile inundate de orez, mlastinile, gazele de balta, aparatul digestiv al numeroaselor animale, in special bovinele si termitele, arderile anaerobe (descompunerea vegetatiei in lipsa de O2). CH4 provine in egala masura de la scurgerile conductelor de gaze, de la centrele de tratament, de la instalatiile de stocaj si de la minele de carbune, de la materiale organice in descompunere (cum ar fi produsele alimentare aflate in depozite.) Cercetatorii sunt alarmati, ca o noua incalzire a climei va antrena eliberare unei parti din CH4 natural acumulat in cantitati mari sub ghetari si in calotele polare, provocint astfel efectul de retroactiune. Altfel spus reincalzirea climei va avea un efect de crestere. Oxidul de azot. (N2O).

N2O este un oxid de azot, provenit de la arderea combustibilului fosil, utilizarea ingrasamintelor azotate, incinerarea arborilor si reziduurilor de plante. Gazul contribuie la sporirea efectului de sera cu circa 6%. Acest gaz este la fel cunoscut sub numele de “gaz inveselitor”. N2O este utilizat deja si in calitate de anestetic. Ozonul stratosferic. (O3)

In atmosfera la o inatime foarte inalta ozonul creat natural apara ca un ecran de protectie impotriva razelor ultraviolete. In troposfera ozonul e un subproduct al reactiilor poluantelor atmosferice, ale industriilor si ale automobilelor eliminat in prezenta luminii solare. Ozonul troposferic reactioneaza cu tesuturile vegetale si animale provocind efectul de sera. Contributia ozonului stratosferic la sporirea efectului de sera se valoreaza la 8%. Clorofluorocarbonele (CFC).

Este un produs chimic care rareste stratul de ozon constituind in egala masura un gaz cu efect de sera in crestere. Savantii nu sunt siguri de efectele reale produse de CFC asupra schimbarii climatului pentru ca

Page 15: Fizica constructiilor!!!

actiunea lor de rarifiere a stratului de ozon poate sa aduca la o noua racire a planetei. Este posibil ca reducind emisia de CFC, ceea ce e imperativ, sa protejam starul de ozon, accelerind o noua incalzire a planetei. Aceasta problema demonstreaza in ce masura factorii de mediu sunt legati nemijlocit. O sa gasiti in unele acte comparatii intre potentialul dezvoltarii efectului de sera a diferitor gaze si a celui prodis de CO2. Raportind molecula la molecula, potentialul de cresterea a efectului de sera a metanului e de 21 ori mai mare decit a bioxidului de carbon CO2; a N2O e de 200 ori mai mare decit a CO2; si a CFC e de 18 mii de ori mai mare decit a CO2.

Dintre gazele mentionate, dioxidul de carbon se afla în cantitatea cea mai mare, fiind emis din procese de ardere în industrie, motoare, consumul casnic, vulcani etc. Instalatiile de ardere si gospodariile particulare genereaza cam 30 % din total CO2 emis. Se apreciaza ca CO2 este implicat în proportie de aproximativ 50 % în efectul de sera.Emisiile cele mai mari provin din arderea carbunelui brun: 4111 kg CCV kWh în centralele termoelectrice CTE, fata de numai 0,73 la pacura si 0,47 la gaz metan .Pe cale naturala, CO2 este consumat de plante în procesele de fotosinteza, se dizolva în apele de suprafata (40 %), reactioneaza cu rocile alcaline, transformându-se în carbonati. Dar emisiile depasesc astazi posibilitatile naturale de epurare a atmosferei, deci an de an creste continutul lui în atmosfera, în anul 1880 continutul de CO2 era de 280 p.p.m., ca în 1960 sa se înregistreze 320 p.p.m., iar pentru anul 2000 prognozele indica o concentratie posibila de 370 - 400 p.p.m.Efectul de sera a produs cresterea temperaturii medii anuale pe glob de la 14° C în anul 1880, la 15 ° C în 1980, previziunile pentru anul 2050 fiind de minimum 17°, maximum 20°.Consecintele efectului de sera s-ar concretiza în: topirea ghetarilor si cresterea nivelului apelor marilor si oceanelor cu l - 2 m, inundatii, schimbari climatice (în regimul precipitatiilor, al vânturilor), deplasarea zonelor climatice si de vegetatie.

Page 16: Fizica constructiilor!!!

2.3 Degradarea mediului si probleme ecologice. Efecte

Schimbari climatice. Incalzirea globala.

De foarte multa vreme in atmosfera exista concentratii naturale de gaze cu efect de sera, cum ar fi vaporii de apa, gazele carbonice, metanul si oxizii de azot. Razele cu lungime scurta de unda, numite lumina vizibila a soarelui pot traversa aceste gaze, incalzind atmosfera, oceanele, suprafata palnetei si organismele vii. Energia calorica este raspândita in spatiu in forma de raze infrarosii, adica de unde lungi. Acestea din urma sunt absorbite in parte de gaze cu efect de sera, pentru a se refelecta inca odata de suprafata Pamintului. Din cauza acestui fenomen natural, numit “efect de sera” temperatura medie anuala la suprafata pamintului se mentine la 15° C. Acesta e ceea ce noi numim un climat normal.

Activitatea umana constituie cauza aruncarii in atmosfera au unei cantitati mari de gaze cu efect de sera, mai ales a gazului carbonic, a oxizilor de azot, a metanului si a clorofluorocarbonilor (CFC).

Conform concluziilor numeroaselor comitete internationale de cercetare stiintifica, sporirea efectului de sera a declansat o noua incalzire planetara de o amploare nemaintilnita pe parcursul istoriei. Ele descriu si argumenteaza fenomenul noii incalziri globale, a schimbarii climei, a reincalzirii climatului si a efectului de sera accelerat.

Ploaia acida, ozon si efectul de sera

Ploaia acida inseamna in mod popular, poluarea acida a atmosferei dar include si alte tipuri de climat: ceata acida sau zapada acida. Fenomenul de transportare a acizilor pe sol prin umezeala sau prin depunere uscata, polueaza aerul, pamantul, plantele, copacii.

Aciditatea se masoara pe scara pH (hidrogen potential). Apa de ploaie poluata poate avea un pH de 2,4 (acelasi cu sucul natural de lamaie). Ploile acide distrug plantele, recoltele, arborii, atat prin sol si radacini, cat si prin frunze. Ploaia acida poate distruge animalele acvatice atat prin caderea direct in apa, fie prin spalarea solurilor din vecinatate. Chiar si cladirile de piatra sau masivele de gresie si calcar sunt atacate prin depunerile de sulf. Un profesor din Grecia a calculat ca eroziunea

Page 17: Fizica constructiilor!!!

monumentelor din Atena a fost mai grava in ultimii 25 de ani, comparativ cu ultimii 2500 la un loc.

Poluantii formati din amestecuri de gaze ataca atat sanatatea omului, producand boli respiratorii, cat si copacii si culturile de plante. Poluarea atmosferica aduce cantitati crescute de plumb, cupru si aluminiu in apa de la robinet, producand diferite simptome: greata, decolorarea parului si chiar afectarea creierului. Exista o relatie stransa intre ploaia acida, ozon si „efectul de sera“ (cresterea temperaturii pamantului). Ozonul este implicat atat in ploaia acida, cat si in efectul de sera, dar nu este intotdeauna daunator - depinde unde se afla.

Majoritatea cantitatii de ozon se afla in apropierea suprafetei pamantului sau in stratosfera (15-40 km deasupra pamantului). Ozonul poate imbolnavi oameni si distruge culturi de plante. In mod curios, unele specii de tutun (Nicotina tabacum) sunt foarte sensibile la ozon, putand deveni cel mai bun barometru. Cea mai mare parte a ozonului se gaseste in stratosfera. Acest strat absoarbe radiatiile ultraviolete de la soare impiedicand imbolnavirea oamenilor, animalelor si distrugerea plantelor. Daca ozonul din inaltimi este benefic, ozonul de nivel inferior poate reactiona cu alti poluanti formand acizi. MASURAREA INCALZIRII GLOBALE

Ca sa putem analiza incalzirea globala trebuie sa avem determinari de temperatura la scara intregii planete pe intervale mari de timp si date privind concetratia gazelor care produc efectul de sera. Astfel de studii s-au facut sistematic din 1957 pentru dioxidul de carbon. Datele de la sol sunt culese de la un mare numar de statii dar in prezent temperatura la suprafata pamintului este determinata si utilizand satelitii. Cele mai moderne studii privind incalzirea globala se fac utilizind probe de gheata din Antarctica. Fiecare strat de zapada care cade anual in Antarctica se transforma intr-un strat de gheata. Gheata include in ea si mici bule de aer. Examinarea bulelor de aer aduce informatii complexe privind: -compozitia atmosferei in momentul formarii bulei -data la care s-a format startul de gheata -temperatura in acel moment

Studiile se fac utilizind izotopii radioactivi ai oxigenului 16O, 18O. Toate investigatiile clasice sau moderne au aratat o crestere a temperaturii globale. AGENTII INCALZIRII GLOBALE

Principala cauza a incalzirii globale este cresterea continutului de dioxid de carbon din atmosfera. Alte gaze care contribuie la acest fenomen sunt: metanul, dioxidul de azot, ozonul, CFC11 si CFC12. Concentratia de dioxid de carbon asa cum rezulta din masuratori directe si din studii pe gheata antarctica, a crescut de la 270ppm in jurul anului 1000, la 346ppm in 1986 si 354ppm in 1989. Activitatile umane care contribuie la incalzirea globala sint: producerea si utilizarea energiei

Page 18: Fizica constructiilor!!!

(56%), CFC (17%), practicile din agricultura (15%), alte utilizari industriale. EFECTELE INCALZIRII GLOBALE

Pentru studiul incalzirii globale s-au alcatuit modele numerice care sunt procesate pe calculator sau se pot face analogii geografice sau geologice. Exista multe controverse in lumea stiintifica legate de efectele incalzirii globale dar multe idei sint acceptate de toata lumea (schimbarile de clima, modificarea nivelului marii, schimbari geomorfologice, schimbari in agricultura, schimbari politice). Schimbarile climatice: se estimeaza o crestere a temperaturii planetei cu 0.5-2 grade Celsius pina in anul 2050, o crestere a nivelului precipitatiilor si o modificare a distribuirii precipitatiilor la diferite latitudini, o crestere a frecventei furtunilor tropicale. Modificarile nivelului marii: probabil cu 5-40cm pina in anul 2050. Este greu de estimat care vor fi modificarile care vor apare legate de ghetarii din Artica si Antarctica. O mare parte din ghetari se pot topi (Groenlanda, de exemplu, cu 2.7 milioane de km cubi de gheata) si acest lucru poate atrage dupa sine o majora agravare a cresterii nivelului marii. Schimbarile geomorfologice: Marile riuri vor fi puternic afectate de incalzirea globala, multe zone vor fi inundate iar eroziunea in zonele de coasta se va accentua. Vor fi de asemenea posibile modificari in agricultuara si chiar anumite orientari politice, concretizate prin hotariri, legi, etc.

Temperatura medie globala a aerului la suprafata Pamantului a crescut cu 0,3-0,6 grade C (sau cu aproximativ 0,5-1 grade F) de la sfarsitul sec.XIX. Patru din cei mai fierbinti ani au fost inregistrati dupa 1860. Cea mai inalta incalzire s-a inregistrat noaptea, in latitudinile de la cele de mijloc pana la cele inalte ale emisferei de nord. Incalzirea in timpul iernilor si primaverilor nordice a fost mai puternica decat in alte anotimpuri. In unele zone, in primul rind, deasupra continentelor, incalzirea a fost de citeva ori mai mare decat media globala. Alte dovezi ale cresterii temperaturilor globale din sec.XIX, include cresterea nivelului marii cu 10-25 cm, micsorarea ghetarilor din munti, reducerea invelisului de zapada din emisfera de nord (din 1973 pina in prezent) si cresterea temperaturilor Pamantului in stratul de sub suprafata. Datele obtinute prin inelele anuale ale copacilor, miezului ghetii superficiale si prin alte metode de determinare indirecta a tendintelor climei, sugereaza ca temperaturile globale la suprafata solului sint in prezent mai mari decit la orice etapa din ultimii 600 de ani.

2.4 Implicarea umana La conferita de la Rio asupra mediului si dezvoltarii din 1992, a fost adoptata conventia cadru asupra schimbarilor de clima. Conventia urmareste scaderea emisiilor de bioxid de carbon sia altor gaze de sera. Conventia a fost ratificata de unele state (SUA) si o parte din masurile ei au fost puse in practica. La Rio s-a stabilit si principiul ca tarile in curs de

Page 19: Fizica constructiilor!!!

dezvoltare sa fie sprijinite financiar de comunitatea internationala prin anumite proiecte, pentru punerea in practica a acestei conventii cadru.

3. Lumina naturala in arhitectura; criterii de proiectare si metoda de evaluare.

3.1 Caracteristici generale

Aspecte teoretice ale iluminatului naturalUtilizarea luminii naturale in interiorul cladirilor poate reduce necesarul de iluminat electric (artificial) in timpul zilei, mentinand la o valoare corespunzatoare nivelul de iluminare. Din moment ce accesul componentei termicei IR a luminii solare poate fi evitat prin folosirea suprafetelor vitrate cu emisie scazuta sau cu selectie spectrala, cladirea astfel echipata va avea evident o sarcina de racire diminuata. In regiunile reci, unde predominanta este sarcina termica de incalzire, iluminatul natural contribuie, prin energia solara pasiva, la obtinerea de beneficii majore.Integrarea iluminat natural – iluminat electric trebuie bazata pe o intelegere corecta a rolului de ansamblu pe care il joaca iluminatul in cadrul mediului interior al cladirii. Astfel, proiectantul trebuie sa decida ce rol individual joaca lumina naturala si respectiv iluminatul electric pentru a indeplini obiectivele sistemului de iluminat. Trebuie determinata contributia luminii naturale in spatiul analizat la diferite momente din zi si din cursul anului. Acest lucru presupune evaluarea nivelelor de iluminare prin valoare si contur izolux, evaluarea valorilor absolute si relative ale luminantelor suprafetelor iluminate natural, stabilirea zonelor iluminate natural, determinarea variatiilor temporale ale disponibilului de lumina naturala (directie si intensitate) si a modului in care distributia luminii naturale se modifica in functie de gradul de utilizare a elementelor de control (al accesului luminii naturale – storuri, jaluzele reglabile etc.).Modul de comportare a ansamblului sistem de iluminat natural + electric este foarte important. Astfel, pentru cladiri ce inglobeaza o structura de tip atrium, unde predomina suprafetele vitrate cu deschidere spre exterior, exista un contrast intre imaginea pe care o ofera pe timp de zi si cea pe timp de noapte, prin trecerea de la o ambianta dominata de lumina naturala (in timpul zilei) la un mediu iluminat electric (in timpul noptii). Variatia diurna a parametrilor mediului luminos (nivel de iluminare – luminanta, culoare a luminii – temperatura de culoare) pentru cladirile moderne de tip atrium, ca de altfel si pentru alte tipuri de cladiri ce utilizeaza lumina naturala, ofera un exemplu pentru studiul comportamentului fiziologic al organismului uman (si nu numai) in raport cu ciclicitatea zi – noapte.

Page 20: Fizica constructiilor!!!

Pentru cladirile iluminate natural, cele doua componente (naturala si electrica) trebuie insa astfel concepute incat sa ofere prin integrarea lor iluminatul corect al zonelor de lucru si crearea unei ambiante confortabile. Astfel, lumina naturala contribuie la iluminatul de ambianta (cu completare atunci cand e cazul – si de preferinta automata – prin iluminat electric), iar lumina electrica asigura iluminatul zonei sarcinii vizuale sau/si iluminatul de accent. In acest caz, sistemul de iluminat electric de ambianta este menit sa reduca atunci cand e cazul gradientul de lumina naturala si sa uniformizeze distributia luminantelor in mediul luminos. Ca atare, el trebuie sa fie proiectat si realizat cu circuite distribuite pe zone (sistem de iluminat zonat) care sa urmeze zonele de lumina naturala (acele zone caracterizate printr-o valoare relativ constanta a nivelului de iluminare produsa de lumina naturala), deci prin alinierea paralela a circuitelor sistemului de iluminat electric cu liniile izolux determinate de contributia luminii naturale in interior. Se impune o trecere fina de la zonele iluminate natural la cele iluminate electric, lucru realizabil prin prevederea de iluminat electric si pentru suprafetele iluminate natural si varierea intensitatii acestuia pentru a prelua variatiile luminii naturale. In mod evident, este obligatorie si integrarea din punct de vedere al culorii luminii a celor doua sisteme de iluminat. Astfel, sunt recomandate sursele de culoare aparenta neutra-calda sau neutra (3300–4000 K) pentru spatiile cu aport normal sau mare de lumina naturala si cele de culoare aparenta neutra sau neutra-rece (4000– 5300 K) pentru spatiile cu aport mare sau foarte mare de lumina naturala. Sursele de culoare aparenta rece (peste 5300 K) se pot folosi numai pentru spatiile cu vitrare totala care functioneaza doar in timpul zilei.Exista multe situatii (in functie de amplasament, ora, conditii meteorologice si atmosferice etc.) cand lumina naturala prezinta o intensitate suficienta sa asigure nivelul de iluminare pentru sarcina vizuala si sa creeze ambianta spatiului interior. In acelasi timp, exista la fel de multe cazuri cand toate aceste sarcini trebuie indeplinite exclusiv de iluminatul electric. De unde rezulta o integrare perfecta a celor doua componente, astfel incat orice variatie a luminii naturale sa fie corectata imediat (automat) in sens pozitiv sau negativ de catre iluminatul electric si sistemele de control al accesului luminii naturale, cu maxim de eficienta energetica. Se impune astfel o analiza extrem de riguroasa si detaliata inca din stadiul de conceptie a cladirii.Strategia de iluminat natural si conceptia arhitecturala ale unei cladiri sunt inseparabile. Lumina naturala nu numai ca inlocuieste iluminatul artificial, reducand consumul de energie electrica corespunzator, dar influenteaza de asemenea instalatiile de incalzire si de climatizare prin varierea sarcinii termice. Ca atare, inca din faza de conceptie se impune o colaborare stransa intre inginerul de iluminat / instalatii electrice, inginerul care se ocupa cu partea de incalzire / climatizare si arhitect. Conceptia iluminatului natural pentru o cladire incepe prin alegerea locului de amplasare si continua atat timp cat cladirea este ocupata /

Page 21: Fizica constructiilor!!!

utilizata. Acest proces se poate structura in mai multe etape:

• faza de studiu: se creeaza structura cladirii – forma, dimensiuni, deschideri, integrare intre diversele sisteme functionale, fenomen care presupune influente reciproce si multiple intre aceste sisteme si ansamblul

cladire;• faza de conceptie: pe masura ce aspectul cladirii capata contur, se dezvolta strategii de iluminat natural pentru diferite zone ale sale, cum ar fi conceptia fatadelor si a finisarilor interioare, alegerea si integrarea sistemelor si instalatiilor;• faza de proiect: realizarea planurilor de constructie, in urma alegerii materialelor si produselor in functie de strategia de iluminat natural a cladirii, precum si stabilirea ultimelor detalii referitoare la sistemele de iluminat natural;• faza de predare si mentinere: dupa finalizarea constructiei, trebuie efectuata calibrarea sistemelor de control al iluminatului si incep operatiile de mentinere a sistemelor de iluminat.Procesul de analiza si conceptie a sistemelor de iluminat natural urmeaza traseul ansamblu detaliu. Astfel, primul pas este studiul strategiei de iluminat pentru cladirea privita in ansamblu: disponibilitatea luminii naturale (determinata de situarea pe glob a locului de amplasare a cladirii – latitudine si longitudine, data si ora – ceea ce echivaleaza cu pozitia soarelui pe cer, conditiile meteorologice – diverse tipuri de cer; se impune un studiu asupra probabilitatii de insorire si chiar temperaturii exterioare pentru o perioada de un an referential pentru locul respectiv, cu influente imediate asupra comportamentului fatadei cladirii), spatiul inconjurator si obstructiile (constructii aflate in vecinatate, vegetatie; se impune studiul influentelor reciproce asupra potentialului de lumina naturala), tipul cladirii (atrium liniar, nucleu central, curte interioara, celular, grupat, „open plan“, combinatii ale acestora; acest criteriu este uneori decisiv in alegerea unui anumit sistem de iluminat natural).Urmatorul pas este alegerea unei strategii de iluminat natural pentru incaperi, ale carei obiective sunt iluminarea corespunzatoare a sarcinilor vizuale, crearea ambiantei luminoase placute si economia de energie electrica. Performanta acestei strategii depinde de disponibilul de lumina naturala pentru suprafata cladirii care determina potentialul de iluminat natural al unui spatiu, de caracteristicile fizice si geometrice ale suprafetelor vitrate si de modul in care acestea sunt utilizate pentru a raspunde accesului luminii naturale, precum si de caracteristicile fizice si geometrice ale spatiului ce trebuie iluminat. De asemenea, trebuie studiate si relatiile reciproce dintre incaperi / spatiile interioare ale

Page 22: Fizica constructiilor!!!

cladirii. Pe baza acestui aspect, se poate vorbi de incaperi independente, incaperi care imprumuta lumina, incaperi care cedeaza lumina si incaperi care schimba lumina cu altele din vecinatate. Alte criterii importante sunt proportia incaperilor (raportul dintre inaltime si adancime cu influenta directa asupra factorului de lumina de zi si sistemului de iluminat artificial permanent suplimentar), finisarea suprafetelor interioare, precum si mobilarea si utilizarea spatiului interior. In final, se ajunge la adoptarea unei solutii de vitrare: unilaterala, multilaterala, superioara. Se impune o remarca importanta, si anume ca este o diferenta mare intre ambianta difuza creata de lumina naturala cu acces prin partea superioara a spatiului iluminat si cea creata de lumina cu acces lateral. Aceasta ar fi diferenta dintre termenii clasici „fereastra“ si „luminator“, grupati sub termenul general de „suprafete vitrate“.Acest al doilea pas trebuie sa fie intr-o legatura foarte stransa cu cel in care se studiaza strategia pentru suprafetele vitrate si fatade. Se poate alege astfel o vitrare simpla sau multipla, cu diviziuni in cadrul sau intre suprafetele vitrate, facandu-se totodata o analiza corecta a impactului luminii directe solare si luminii difuze a cerului asupra spatiului interior pentru aceste tipuri. Functiile de baza ale suprafetelor vitrate sunt vederea catre spatiul exterior, iluminatul natural, controlul schimbului termic intre interior si exterior, asigurarea intimitatii ocupantilor fata de mediul exterior, precum si protectia contra patrunderilor frauduloase in interior.In schimb, sistemele de iluminat natural au trei functii principale: limitarea accesului luminii solare directe, evitarea orbirii fiziologice si psihologice si redirectionarea luminii naturale. Prin corelarea acestor functii cu cele ale suprafetelor vitrate, trebuie sa se ajunga la o solutie optima. Acest lucru nu este usor, deoarece apar numeroase contradictii intre sistemele de iluminat natural si suprafetele vitrate. Un exemplu clar este acela al jaluzelelor exterioare, care atunci cand sunt coborate obtureaza vederea catre exterior. De aici rezulta necesitatea ca aceste sisteme sa prezinte o transparenta suficienta asigurarii vederii catre exterior. Ca urmare, se impune o analiza minutioasa a tuturor aspectelor, iar solutia cea mai buna se obtine nu prin utilizarea exclusiva a unui singur tip de sistem, ci printr-o combinare fericita a acestora (un tip de sistem limiteaza accesul luminii solare directe, un altul asigura controlul orbirii etc.). Astfel, se ajunge ca un sistem de iluminat natural sa aiba functii multiple rezultate din combinarea celor de mai sus cu altele secundare, cum ar fi transportul luminii, cresterea nivelului luminii naturale (in interior), functii estetice si chiar functii termice.Amplasarea sistemelor de iluminat are o influenta importanta asupra accesului si controlului luminii naturale. Astfel ele pot fi situate la exterior, in panoul vitrat, in interior sau combinatii ale acestora.Datorita necesitatii de adaptare permanenta a cladirii la conditiile meteorologice extrem de variabile (adica diverse tipuri de cer), rezulta o caracteristica esentiala a sistemelor de iluminat natural: flexibilitatea.

Page 23: Fizica constructiilor!!!

Astfel, se deosebesc sisteme fixe, reglabile sau care urmaresc traiectoria soarelui pe cer. Toate aceste aspecte precum si diverse tipuri de sisteme de iluminat vor fi detaliate mai departe. In urma analizelor, studiilor si comparatiilor efectuate, se ajunge in final la alegerea sistemului de iluminat corespunzator. Ca o concluzie, aceasta alegere trebuie facuta numai in urma corelarii aspectelor cantitative si calitative ale mediului luminos interior cu parametrii caracteristici spatiului ce trebuie iluminat: conditiile de iluminat natural ce le ofera amplasarea cladirii, strategiile si obiectivele iluminatului natural (redirectionarea luminii catre zonele slab iluminate, imbunatatirea confortului vizual si a controlului orbirii, limitarea accesului luminii solare directe si controlul termic), tipul si functiile suprafetelor vitrate, obiectivele de reducere a consumului energetic, aspecte operationale (sisteme fixe, reglabile) si de mentinere (spre exemplu, este evident ca pentru sistemele reglabile operatia de mentinere este mai dificila si deci mai costisitoare), aspecte legate de integrarea arhitecturala a constructiei si, evident, considerente de ordin economic.

3.2 Tehnici moderne de utilizare a luminii naturale in iluminatul interior

Deschiderile destinate accesului luminii naturale pot avea un impact atat pozitiv, cat si negativ asupra performantei energetice globale a unei cladiri. Aporturile solare directe in interiorul cladirii pot determina o sarcina de racire suplimentara, dar in acelasi timp sistemele de iluminat artificial reduse (datorita integrarii cu iluminatul natural) contribuie la o diminuare a costurilor pentru electricitate, precum si la o reducere indirecta a sarcinii de racire. O cladire corect conceputa din punct de vedere al iluminatului natural poate oferi imbunatatiri semnificative ale performantei energetice globale, atunci cand toate aceste impacte sunt analizate in functie de tipul, destinatia si amplasamentul cladirii.Scopul acestui articol este de a prezenta cateva sisteme de iluminat natural de inalta tehnologie si este numai rezultatul studiilor de documentare; in viitor, intentia autorului este de a aprofunda aceste tehnici de utilizare a luminii naturale si implementarea lor in medii de simulare performante (bazate pe programul Radiance, creat de Berkeley Laboratories, California, dupa principiul „raytracing“ – urmarirea razei de lumina).In contextul preocuparii tot mai accentuate asupra controlului emisiilor de carbon, incalzirii globale si prelungirii duratei de viata a cladirilor, conceptia utilizarii luminii naturale in cladiri non-rezidentiale reprezinta o strategie importanta de imbunatatire a eficientei energetice prin reducerea necesarului de iluminat electric, incalzire si racire. Prin implementarea tehnicilor si sistemelor de iluminat natural avansate, se poate reduce considerabil consumul de energie electrica a acestor cladiri, concomitent

Page 24: Fizica constructiilor!!!

cu o crestere semnificativa a calitatii mediului luminos interior.Utilizarea eficienta a luminii naturale ca o componenta necesara prin calitatile sale in iluminatul interior a devenit un aspect extrem de important in tratarea moderna a conceptiei sistemelor de iluminat, pentru care trebuie realizata o integrare dinamica a componentei artificiale cu cea naturala, tinand seama de criteriile caracteristice destinatiei interiorului, in conexiune cu aspectele cantitative si calitative ale mediului luminos interior confortabil, functional si estetic.Lumina naturala se distinge ca o sursa de lumina cu modificari unice si continue de distributie si spectru. Ea poate mari satisfactia vizuala a persoanelor si conserva energia, daca se iau in considerare aspecte cum ar fi vederea, controlul orbirii, factorii umani si integrarea sistemelor functionale ale cladirilor. Este necesar ca efectele luminii naturale sa fie analizate in toate spatiile in care este admisa, chiar daca este folosita ca o sursa de lumina, cu scopul de a evita probleme de orbire sau de pagube produse asupra materialelor cu care intra in contact.Pentru utilizarea corecta a luminii naturale in sistemele de iluminat interior, trebuie sa se tina seama de mai multi factori:• factorii umani, incluzand aspecte legate de fiziologie, perceptie, preferinte, comportament;• efectele luminii naturale asupra materialelor (mobila, piese de arta, plante etc.);• admisia controlata a luminii solare directe;• admisia controlata a luminii de zi difuze;• efectele terenului si ale cladirilor din jur asupra luminii disponibile;• integrarea sistemelor cladirilor, incluzand iluminatul artificial, suprafetele vitrate, geometria interioara, finisajele, sistemele de control (manual si automat) si climatizarea.Solutii moderne de sisteme de iluminat naturalDupa functia principala a sistemelor de iluminat natural, acestea se pot clasifica in doua mari categorii: sisteme cu ecranare a luminii solare si sisteme fara ecranare a luminii solare. Termenul „ecranare a luminii solare“ se refera la procesul de evitare a accesului direct al luminii solare. Acest lucru nu presupune insa inexistenta in interior a luminii solare, dar aceasta este redirectionata catre suprafete – cheie, deci contributia sa nu mai este una directa, ci ea devine indirecta, contribuind la o ambianta echilibrata, fara contraste de luminanta si fara umbre (decat slab conturate).Astfel, sistemele din prima categorie pot reflecta / respinge lumina directa solara, permitand doar accesul luminii difuze a cerului, sau dimpotriva, pot lucra predominant cu lumina solara, pe care o redirectioneaza catre plafon sau suprafete situate deasupra nivelului ochilor ocupantilor. Sistemele cu ecranare a luminii solare sunt destinate in primul rand evitarii accesului direct al luminii solare, dar prezinta interes si pentru iluminatul natural, evitarea orbirii si redirectionarea luminii directe

Page 25: Fizica constructiilor!!!

(solare) si difuze (a cerului). Spre deosebire de sistemele clasice de protectie contra luminii solare (cum este cazul storurilor, obloanelor, care pe masura ce impiedica accesul razelor solare in interior, diminueaza si accesul luminii difuze de zi, deci iluminarea naturala din interior), sistemele moderne dezvoltate recent permit un nivel de iluminare (produs de lumina naturala) ridicat, concomitent cu limitarea accesului direct al luminii solare, deci cu evitarea problemelor de orbire si inconfort vizual (la care se adauga si un mai bun control al sarcinii termice). Acest lucru este posibil deoarece este permis doar accesul luminii difuze a cerului.Pe de alta parte, sistemele fara ecranare a luminii solare sunt concepute in principal pentru a redirectiona lumina naturala in zone situate la distanta de suprafetele vitrate. Ele pot bloca sau nu accesul direct al luminii solare. La randul lor, aceste sisteme se pot imparti in mai multe subcategorii: sisteme de directionare a luminii difuze (care redirectioneaza in interior lumina provenind de la anumite zone ale boltii ceresti, cu o utilitate deosebita pentru medii urbane cu cladiri inalte, unde singura sursa de lumina naturala poate fi zenitul ceresc), sisteme de directionare a luminii directe (care trimit lumina solara directa in interior, evitand in acelasi timp problemele de orbire si supraincalzire), sisteme de difuzie a luminii naturale (utilizate pentru o distributie uniforma a luminii naturale in interior) si sisteme de transport al luminii naturale in interior (care colecteaza si trimit lumina solara la distante lungi printr-o retea de tuburi de lumina sau fibre optice). Trebuie spus faptul ca anumite sisteme pot indeplini mai multe functii si astfel ele pot fi incadrate in mai multe categorii din cele prezentate mai sus, asa cum este, de exemplu, cazul elementelor orizontale de directionare a luminii naturale („light-shelves“).Panouri cu microperforatii realizate cu raze laser („laser-cut panels“)Reprezinta un sistem de directionare a luminii naturale format din siruri de elemente rectangulare obtinute prin taierea cu raze laser a unor panouri din material acrilic transparent. Suprafata fiecarei perforatii astfel obtinuta devine o micro-oglinda interna care modifica traiectoria razelor de lumina incidente. Schimbarea directiei razelor de lumina in fiecare element al panourilor se produce prin refractie, reflexie totala interna si apoi din nou prin refractie.Aceste panouri pot fi utilizate in aranjamente fixe sau mobile in cadrul unui sistem de ferestre, deoarece prezinta avantajul ca mentin vederea catre exterior. Totusi, utilizarea lor este recomandata in principal pentru deschiderile destinate accesului luminii naturale si nu pentru ferestrele ce trebuie sa asigure o vedere catre exterior. Aceasta deoarece panourile redirectioneaza lumina incidenta de sus in jos intr-o directie de jos in sus, si deci este posibila producerea orbirii. De aceea, se recomanda instalarea acestor panouri deasupra nivelului ochilor ocupantilor. Instalarea se poate face atat in varianta fixa, cat si mobila sub forma unor sisteme de jaluzele reglabile. Evident, cea din urma prezinta avantajul flexibilitatii, astfel ca spre exemplu vara elementele pot fi aduse in pozitia orizontala („deschis“) pentru respingerea prin redirectionare a luminii

Page 26: Fizica constructiilor!!!

solare directe, iar iarna pozitia verticala („inchis“) permite redirectionarea catre interior a luminii naturale (figura 2).Dezavantajul principal al acestui tip de sistem il reprezinta costul relativ ridicat: 100-130 Euro/m2. Economia de energica electrica pentru iluminat depinde de modul de instalare. Astfel ca panourile fixe amplasate in jumatatea superioara a ferestrelor pentru a directiona lumina naturala in adancimea incaperii poate creste contributia luminii naturale cu 10-30%, in functie de conditiile meteorologice. Daca este posibila o inclinare a panourilor (cu partea inferioara in exterior), atat captarea cat si distribuirea luminii naturale in interior cresc considerabil.

3.2 Adaptarea constructiilor la conditiile naturale

In privinta adaptarii constructiilor la conditiile locale de insorire un studiu complex aplicat unei cladiri cu o suprafata de 12300 mp cu 6 niveluri de forma dreptunghiulara cu raportul ½ intre laturi, orientata cu latura lunga pe directia nord-sud, cu fatade vitrate in proportie de 50% ( ferestre simple) si cu un coeficient de trandmisie a caldurii spre exterior de 0,3 – 0,2, demonstreaza posibilitatea reducerii procentuale a consumului de energie prin:

- schimbarea orientarii axei longitudinale de la nord- sud spre est-vest ( economie 9%) ( conditii meteorologice din Manchester, Anglia)

- reducerea proportiei intre laturi nord-sud de la ½ la 1/1 (economie 3,5 %)

- reducerea suprafetei vitrate de la 50% la 30% ( economie 8%)- dublarea ferestrelor in ipoteza 50% vitrat ( economie 15%)- reducerea coeficientului de transmisie la 0,1 prin cresterea

rezistentei termice a peretilor, planseului, pardoselii ( economie 21,5%)

Asa cum se poate observa, 25% din economiile totale de energie provin din alegerea corecta a orientarii si formei cladirii

Page 27: Fizica constructiilor!!!

Bibliografie:

Revista “Instalatorul”, nr.6/2002, www.artecno.roOptica ondulatorie, Manual de fizica clasa a 12awww.stgobain.rowww.nrel.govParois Vitree, S. Farkh, 2001Fizica sistemelor atomice izolate si neizolate, Valentin Manoliuwww.mardiros.net/athmospherewww.cam.ac.ukwww.eco-civica.comwww.cceg.roTehinici moderne de utilizare a luminii naturale in iluminatul interior, ing. Cosmin TicleanuElemente de Mediu, note de curs sem II an I Urbanism, Prof. Doina Cristea

Ionici LilianaMerla HoriaOlteanu C. MarianTudor Daniel

Gr. 41 U.