Porast stanovništva i razvoj industrije, kao i sve njihove posledice, dovele su do ogromne potrošnje energije, u kojoj do 40% otpada na grejanje, klimatizaciju, hlađenje i pripremu tople vode za sanitarne svrhe.
U proizvodnji i potrošnji energije emituje se CO2, koji utiče na fizičke osobine atmosfere koje su od značaja za njenu propustljivost sunčevog zračenja. Usled toga se javlja efekat staklene bašte koji se manifestuje u globalnom zagrevanju Zemlje, odnosno poremećaj njene temperature i drugim klimatskim promenama.
Emisija CO2 u atmosferi je uvek postojala, ali se uspostavljala ravnoteža između emisije i apsorpcije CO2 od mora i biljaka. Godišnja emisija CO2 je preko 90% posledica sagorevanja fosilnih goriva. Uz CO2, u atmosferi se akumulišu i drugi gasovi važni za propuštanje zračenja, pa zbog njihovih uticaja na promenu klime, moraju se sprovoditi mere zaštite. Ovi gasovi, koji povećavaju efekat staklene bašte su: metan (CH4), azot dioksid (N2O), hlorofluorokarbonati (CFC), od kojih su najvažniji trihlorofluorometan (CFCl3) i dihlorofluorometan (CF2Cl2). Ovi gasovi u prirodi, nisu toksični, nesagorivi su i upotrebljavaju se za razne sprejeve, kao rashladni fluidi za frižidere i klimatizere, za gašenje požara u proizvodnji izolacionih materijala.
Efekat staklene bašte je posledica nepropustljivosti molekula CO2 za dugotalasna zračenja od 7.000 do 13.000 nm, za koje je preostali deo atmosfere transparentan. Toplotno zračenje koje emituje Zemljina površina ostaje u donjim slojevima atmosfere i dovodi do njenog zagrevanja. Uz određeno predviđanje dalje emisije CO2 smatra se da će porast temperature na Zemlji iznositi 1,5 do 3,5 °C do sredine XXI veka. Efektu staklene bašte doprinose i ostali pomenuti gasovi. Metan učestvuje u stvaranju, pored ugljen dioksida i vodene pare koja takođe ne propušta dugotalasno zračenje.
Ozonski sloj u atmosferi predstavlja zaštitu za čoveka / Photo by Kendrick Fernandez on Unsplash
Ozonski sloj u atmosferi predstavlja zaštitu za čoveka od nepovoljnog ultravioletnog zračenja Sunca. Nalazi se na visini od 10 do 40 km, formira se uzajamnim delovanjem ultravioletnog zračenja i kiseonika. UV zračenje se apsorbuje u toku ovog procesa direktno od ozona i odmah po formiranju ozona, koji je nastabilan, pa se kroz seriju hemijskih reakcija raspada pri čemu hlor utiče katalizatorski. Veće prisustvo gasova CFC remeti uspostavljenu prirodnu ravnotežu u atmosferi. Dolazi do raspadanja ozona, na račun smanjenja ozonskog sloja, što ugrožava život na Zemlji.
Gasovima CFC treba period od više godina da se od trenutne emisije na Zemljinoj površini nađe u atmosferi. Procene ukazuju da će potpuno oslobođenje iskorišćenih gasova CFC trajati preko 100 godina, to znači da su posledice dalekosežne, teško predvidljive i predstavljaju nasleđe budućim generacijama.
CFC gasovi se u najvećoj meri koriste u rashladnim uređajima i klimatizaciji, a koriste se u proizvodnji plastičnih pena, u sprejevima i izolaciji. Rashladni uređaji su aparati prisutni u gotovo svim domaćinstvima.
Kao realne mere za sprečavanje svih pomenutih posledica emisije CO2, CFC i drugih sličnih gasova prihvaćene su sledeće opcije:
- smanjenje korišćenja CFC-a
- racionalna potrošnja energije za hlađenje
- korišćenje obnovljivih izvora energije
Zagađenje donjih slojeva atmosfere, u smislu sve zaprljanijeg vazduha za disanje, posledica je raznih isparavanja, emisije tehnoloških procesa i procesa sagorevanja, ventilacije ili korišćenja vozila. Postaje aktuelan problem čistog vazduha u velikim naseljima.
Komfor unutrašnjeg prostora
Osnovni zadatak instalacija za grejanje i klimatizaciju je određivanje komfora u unutrašnjem prostoru zgrade, u kome borave i rade ljudi. Taj zadatak se u odnosu na temperaturu i relativnu vlažnost zadovoljavajuće ispunjava u granicama preciznosti koje određuje ugradni nivo automatske kontrole. Kada je u pitanju kvalitet unutrašnjeg vazduha, postoje nezadovoljstva i žalbe koje iskazuju korisnici, i koje se upućuju na račun čistoće vazduha i primesa koje čine da on nije bez mirisa. Žalbe se upućuju kada je ventilacioni sistem projektovan i izveden po standardima i propisima, što je ukazivalo da se u samom projektovanju u nečemu greši. Poseban problem je mikrobiološki kvalitet vazduha. U kanalima za distribuciju vazduha se zapate virusi i mikroorganizmi. Klimatizacija i ventilacija je prateći sadržaj života čoveka. Ljudi su izloženi delovanju virusa i mikroorganizama jer nije izvršeno adekvatno čišćenje, bolje rečeno dezinfekcija kanala. I danas veliki broj ljudi ne razlikuje virus od mikroorganizma. Za rešenje ovog problema prevashodno treba da daju doprinos inženjeri KGHV.
Potrebna količina svežeg vazduha za ventilaciju / Photo by Mihn Pham on Unsplash
Profesor Fanger sa Danskog tehničkog univerziteta je ukazao da je određivanje količine svežeg vazduha za ventilaciju isključivo prema ljudima, polazeći od ustaljene teorije da su ljudi jedini zagađivači vazduha u neindustrijskim objektima pogrešna postavka.
Fanger uvodi novu filozofiju, prema kojoj zagađenje vazduha, osim od ljudi, potiče i od ugrađenog materijala, nameštaja, samog ventilacionog sistema itd. Zato se uvodi mera u vidu zagađenja koja je ekvivalentna onom koje proizvodi čovek u stanju mirovanja i koje je definisano osnovnom jedinicom 1 olf. Slično iznalaženju vrednosti ukupnog toplotnog opterećenja ili nivoa buke, kada se sabiraju uticaji svih pojedinačnih izvora toplote, odnosno šumova, tako se sumiraju i svi izvori zagađenja i izražavaju ukupnom vrednošću u olfima. Prema ovoj veličini, koristeći preporučeni „obrok” vazduha po ekvivalentnom čoveku, odnosno po jediničnom olfu, izračunava se merodavna količina vazduha.
Pojava nezadovoljstva i žalbi na kvalitet unutrašnjeg vazduha, koja je poznata pod imenom „sick building sindrom” (sindrom bolesne zgrade), zapažena je u vreme kada je konstatovano da se klasičnim izvorima energije sagledava kraj.
Naišao je period energetske krize, sa zahtevima za smanjenjem potrošnje energije, što se reflektovalo u pojačanoj izolaciji zgrade, povratkom korišćenja otpadne toplote, smanjenjem infiltracije spoljnog vazduha kroz pojačanu zaptivenost zgrade. Primenjuju se novi izolacioni i građevinski materijali sa svojim emisijama hemijskih supstanci, mirisa kao i vlage, posebno u prvom periodu korišćenja zgrade.
Sve više se koriste veštački materijali umesto klasičnih tepiha, nove supstance za bojenje zidova i razni uređaji na električni pogon.
Sve to utiče da se unutrašnji prostor zagađuje od izvora koji ranije nisu postojali, pa se nisu ni uzimali u obzir u određivanju potrebne količine svežeg vazduha za ventilaciju, te je dolazilo do primedbi na loš kvalitet vazduha. Filozofija koju lansira Fanger zahteva veće količine svežeg vazduha.
Zgrada i omotač zgrade
Dugo se smatralo da su instalacije za grejanje i klimatizaciju uslužni tehnički sistemi koji se prilagođavaju objektu u koji se ugrađuju. Današnje moderno shvatanje tretira instalacije i sam građevinski objekat kao složeni sistem objedinjen tim istim objektom. Instalacije za grejanje i klimatizaciju se prilagođavaju građevinskom objektu svojim kapacitetima i mogućnošću reagovanja na promenu efekata spoljnih uticaja. Danas se i građevinski objekat prilagođava mogućnostima instalacija grejanja i ventilacije i klimatizacije i to ne samo u umanjenju efekata koji potiču od spoljnih uticaja, već i njihovom vremenskom izjednačavanju bez obzira na spoljne uticaje, koji i zimi, a posebno leti ekstremno variraju u različitim periodima.
Poboljšanom izolacijom zidova smanjili su se gubici toplote zimi i dobici leti, smanjile potrebe za energijom. Pri tome su na zgradi ostale kao slabe energetske tačke staklene površine koje su u sve većem procentu ispunjavali fasade. U cilju prevazilaženja njihovih negativnih efekata projektuju se specijalni prozori koji postaju poseban tehnički detalj, čak i specijalni tehnički uređaj. Zgrade se oblažu i dvostrukom fasadom, koja zimi umanjuje uticaj spoljnih niskih temperatura. Za letnje uslove, izvođenje ovakvih fasada nije se u svim klimatskim zonama pokazalo energetski efikasnim i traži dopunsko usavršavanje.
Sunčevo zračenje sa svojom dnevnom oscilacijom intenziteta na površini Zemlje ne poklapa se sa potrebama za grejanje. Zato se ona mora „uhvatiti” tako da se efekti koriste onda kada je to neophodno. Akumulacione mase se tako biraju i podešavaju da se efekti vremenski pomeraju u trenutku kada je njihovo ostvarivanje potrebno. To zahteva odgovarajuće proračune instalacija i veoma osmišljeno projektovanje zgrade, kako bi se ona prilagodila tehničkim mogućnostima instalacija. Prethodno izloženo upućuje na tzv. pasivno korišćenje sunčeve energije koja postaje dominantan faktor moderne arhitekture. To podrazumeva punu kontrolu krajnjih toplotnih efekata, kako u odnosu na intenzitete, tako i na momenat njihovih delovanja.
Sunčeva energija može da se koristi za zagrevanje plivačkih bazena kao i za sisteme grejanja tople vode za domaćinstva. Što se tiče zgrada kao najznačajnije korišćenje sunčeve energije je pasivna solarna i bioklimatska arhitektura. Bez učešća arhitekata neće biti uspeha. Neophodno je da se nastavi sa razvojem komponenata i instrumenata za projektovanje i da arhitekte u potpunosti prihvataju solarnu arhitekturu.
Pasivno korišćenje sunčeve energije se unapređuje i teži se potpunoj kontroli krajnjih efekata, kako po intenzitetu, tako i prema vremenu. To ostaje sistem u kome su glavni delovi građevinski elementi zgrade, ali i sistem koji ima pomoćnu energiju pre svega električnu.
Kvalitet unutrašnjeg vazduha / Photo by Mihn Pham on Unsplash
Zimska spoljna projektna temperatura se donedavno vezivala isključivo za klimu podneblja, a ne i za građevinski objekat. Sve je aktuelnije da se ona određuje prema građevinskoj masi. To je neminovna posledica današnje gradnje koja se ostvaruje od gotovo potpuno staklenih do veoma masivnih zgrada.
Solarna pasivna arhitektura, zahtevi za toplotnom ugodnošću i problem energije, doveli su do tretiranja zgrade i energetskih instalacija kao kompleksnog ali jedinstvenog sistema sa punom međusobnom zavisnošću. Ovakva filozofija uvela je pojam inteligentnih zgrada, „pametnog” sistema koji obrazuju zgrada i energetska instalacija.
Optimalno upravljanje promenama tehničkih i fizičko-optičkih osobina omotača objekta se može definisati kao nerazdvojiva karakteristika budućih inteligentnih celina objekat/KGH sistem. Skladištenje energije i kontrola njenog prijema i odavanja određuje prenosnu funkciju ponašanja sistema.
Tečno-čvrsto (T/Č) i čvrsto-čvrsto (Č/Č) fazno promenljivi materijali (FPM) sa svojstvenim toplotama fuzije izazivaju značajan interes kao mogući materijali za skladištenje toplotne energije u raznim termotehničkim sistemima. Fazno promenljivi materijali predviđeni i delom ispitivani za skladištenje toplotne energije u zgradama su lako topljivi hidrati neorganskih soli, izvesne organske materije i njihove mešavine, materijali organskog porekla sa faznim prelazom čvrsto/čvrsto i soli.
Tekuće istraživanje u oblasti grejanja, hlađenja i klimatizacije karakteriše traganje za harmonijom odnosa svih međudelujućih sistema: okolina-životna sredina (unutrašnja i spoljašnja), zgrade, sistem KGH, energetski izvori, tehnologija i produkti konverzije energije, terestrijalna atmosfera i ekstraterestrijalni izvori energije i materije.
Tržište istraživanja u budućem radu će biti u sledećim oblastima:
1. Fizika fenomena koji se odnosi na dinamiku fluida, prenos toplote i mase u mašinama za grejanje, hlađenje i klimatizaciju, kao i fenomeni prenosa toplote i mase u zgradama i spoljnoj okolini.
2. Istraživanje materijala sa ciljem kompozicije i razvoja novih materijala promenljivih termo-fizičkih osobina potrebnih za realizaciju „inteligentnih” zgrada i sistema KGH sposobnih da reaguju neposredno na delovanje primarnih sila (sunčevo zračenje, brzina vetra, temperatura, vlažnost i sastav spoljašnjeg vazduha).
3. Vrednovanje i razvoj metoda delovanja koja se zasnivaju na fizičkom opisu i eksperimentalnoj potvrdi istog, takođe razvoj procedura projektovanja za arhitekte s ciljem ne daljeg pojednostavljenja fizičkih modela, već povećanje pouzdanosti i tačnosti metoda.
Autori teksta: Prof. dr D. Škobalj i Ž. Đokić, dipl.maš.inž.