BETOANELE convective si aportul lor la strategia de eficientizare energetica

Unul dintre cele mai inovatoare concepte dezvoltate in ultima perioada in domeniul masei termice este reprezentat de betonul convectiv. Scopul declarat al studiilor pe aceasta tema a fost acela al imbunatatirii eficientei energetice a cladirilor si al sporirii gradului de confort din incinte, printr-o abordare revolutionara ce elimina unele dintre neajunsurile elementelor conventionale din beton, ce prezinta o capacitate mare de stocare termica. In general, constructiile masive tind sa aiba un timp de raspuns lent si sa nu utilizeze eficient masa termica disponibila. Betonul convectiv exploreaza noile modalitati de a asigura o utilizare mai inteligenta a acestui potential important al cladirilor. Teoretic, pentru a realiza o incarcare voluntara cu energie, se foloseste o retea de conducte, fluxul de energie fiind asigurat cu ajutorul unor ventilatoare incorporate in peretii din beton. Acest lucru a devenit posibil prin dezvoltarea cofrajelor personalizate si a unor amestecuri avansate de beton. 

 

Principiul de functionare este similar celui valabil in cazul unui plaman, fapt ce asigura un debit de aer eficient. Convectia are loc in mod separat in tevile amplasate pe ambele parti ale miezului de beton, obtinandu-se, astfel, o majorare a fazelor de incarcare/descarcare termica, ce au loc in cadrul procesului. Utilizarea masei termice este considerata, in cele mai multe situatii, o strategie eficienta pentru obtinerea eficientei energetice a cladiri la care este necesara atingerea unui nivel ridicat de confort termic. De regula, obiectivul respectiv este atins prin realizarea zidariei de interior din elemente cu o capacitate mare de stocare termica (cum ar fi, de exemplu, betonul), in partea exterioara a constructiei fiind prevazut un strat de termoizolare. Asemenea structuri grele se caracterizeaza printr-un timp indelungat de raspuns. Inertia termica in cauza este utila pentru aplatizarea varfurilor de temperatura, dar proprietatea respectiva nu constituie intotdeauna un avantaj. Astfel, din cauza lipsei posibilitatilor de control in ceea ce priveste cantitatea de energie ce trebuie schimbata si momentul in care se realizeaza acest transfer, dinamica specifica proceselor poate genera o functionare intermitenta a sistemului sau chiar crea un anumit disconfort, fie dat de temperaturile scazute ale suprafetelor in diminetile de iarna atunci cand cladirea este deja ocupata, fie generat de faptul ca energia termica acumulata nu poate fi degajata suficient de rapid, ducand la o supraincalzire potentiala a zonelor de interior in sezonul estival. Un alt neajuns al placilor groase de beton este acela ca doar o mica parte din materialul greu (de obicei, primii cativa centimetri) au un rol eficient in stocarea energiei termice. O solutie optima la problemele descrise anterior poate fi cea a betonului convectiv. 

Ideea din spatele acestui concept este inspirata de tipologia placilor ventilate cu miez gol, al caror potential a fost atent investigat de-a lungul timpului, precum si de lucrari mai recente de propun constructia de fatade ce includ tuburi capilare. In ceea ce priveste placile ventilate cu miez gol, acestea sunt elemente de podea ce joaca un rol activ in asigurarea confortului termic al cladirilor, prin contributia lor in cadrul sistemului de ventilatie la procesul de preconditionare a aerului din interior. Aplicate in general la cladirile de birouri, sistemele respective au demonstrat in timp ca un flux de aer care circula cu viteza prin structura podelelor poate reduce sarcina de racire interioara cu 28,4 - 44,2 W/mp fata de un sistem standard de climatizare. O fatada activa din punct de vedere energetice este, din punct de vedere teoretic, o structura realizata din placi ultra-performante de beton izolate cu spuma pentru izolare si prevazute cu conducte capilare pe ambele parti, pentru a permite schimbul de energie dintre interior si exterior, in ambele sensuri. O alternativa viabila este, de asemenea, cea a peretilor interni dubli ventilati, din categoria VIDW. Studiile realizate pana in prezent demonstreaza ca ambele produse se constituie in solutii foarte eficiente pentru imbunatatirea confortului termic mai ales in perioadele toride. 

 

O prima aplicatie a betonului convectiv vizeaza segmentul cladirilor rezidentiale. Scopul declarat este cel de atenuare a fenomenului de supraincalzire in sezonul estival, prin reducerea temperaturii constructiilor asigurand un schimb activ de energie intre structura  calda a cladirii si aerul racit in timpul noptii. Chiar daca aerul are o capacitate volumetrica relativ mica pentru stocarea caldurii comparativ cu apa, de pilda, acesta poate fi utilizata ca un mediu optim de transport datorita disponibilitatii sale pe scara larga, posibilitatii transmiterii prin structuri tubulare din argila, instalarii facile, simplitatii sistemului, functionarii pasive (fara convectie fortata prin mijloace mecanice), lipsei riscurilor de scurgere sau inghet, greutatii reduse etc. Pentru a obtine incarcarea necesara a masei termice, se foloseste o retea de conducte cu ventilatoare atasate, ce au rolul de a garanta debitul de aer din structura betonului convectiv, care trebuie incorporata in perete. Acest lucru a devenit fezabil prin dezvoltarea unor elemente de cofraj personalizate si a unor retete speciale de beton. Pentru productia cofrajelor, se apeleaza la metoda fabricatiei aditive (AM), considerata ideala datorita capacitatii sale de a produce rapid prototipurile necesare. Solutia respectiva este considerata mai buna decat cea a printarii directe a piesei din beton, intrucat permite o prelucrare traditionala a amestecului. Desigur, pentru a optimiza utilizarea tehnologiei AM, cofrajele individualizate si cele cu forme libere se printeaza initial in ceara, folosind metoda modelarii depunerii fuzionate (FDM), ce reprezinta un proces special de productie aditiva, bazat pe extrudarea materialului, care poate fi topit dupa intarirea betonului. Rezolutia elementelor imprimante de tip FDM poate fi adaptata cu usurinta la dimensiunea dorita si grosimea stratului. Pentru a obtine un flux convectiv eficient, cofrajul incorporat si betonul in sine ar trebui

functioneze integrat. Convectia are loc prin tevi separate, amplasate pe ambele parti ale betonului, functia miezului fiind aceea de a cataliza procesul de stocare termica cu ajutorul ventilatoarelor sau, in eventualitatea absentei efectului de flotabilitate, prin intermediul supapelor, pentru a controla momentul de realizare a procesului de ventilare a placilor. Pentru dezvoltarea retetei potrivite a betonului se iau in calcul o serie de caracteristici, cum ar fi densitatea, porozitatea si valoarea conductivitatii termice, produsul fiind fabricat, in mod strict, pe baza datelor rezultate din calcule.

 

Integrarea acestor sisteme inteligente de conducte ce au rolul de a facilita procesul de convectie a energiei in structura elementelor personalizate din beton poate duce la compensarea emisiilor de gaze cu efect de sera prin economiile energetice obtinute in exploatare. Pentru a intelege mai bine fenomenul, trebuie reamintit faptul ca, in conformitate cu definitia, carbonatarea este acel proces care „leaga” dioxidul de carbon in structura, prin reactia sa cu oxidul de calciu si formarea CaCO3. In cazul betonului convectiv, rata de carbonatare poate fi marita deoarece suprafata de reactie se dubleaza, iar de acest factor depinde in mod direct intensitatea fenomenului respectiv. Viteza de carbonatare depinde de modul de expunere a betonului si de clasa sa de rezistenta. In functie de cele doua variabile, se defineste o valoare k, diferita de la un tip de amestec la altul. Explicatia accelerarii reactiei de carbonatare in cazul betonului convectiv rezida in capacitatea sporita a straturilor subtiri de beton de a lega dioxidul de carbon, iar dependenta directa a vitezei de reactie de suprafata determina ca structura cu conducte interne sa se transforme intr-un element catalizator al intregului proces. 

 

Initial, au fost realizate teste si simulari pe modele simple de beton convectiv, ulterior geometria elementelor fiind dezvoltata treptat si concomitent fiind obtinuta o crestere a capacitatii de captura a gazelor din categoria dioxidului de carbon. Cercetarile realizate pana in prezent au avut un caracter iterativ, experimentand diferite tipuri de geometrii si metode de interconectare a retelei de tuburi. In cazul in care aceasta a fost proiectata complet separat pe cele doua suprafete ale structurii, datorita absentei fenomenului de ventilatie incrucisata, elementul din beton a functionat in mod similar unui schimbator de caldura: aerul rece exterior ventileaza tuburile din structura, ceea ce ii permite acesteia sa absoarba caldura interna acumulata in timpul zilei. AM permite imprimarea favorabila a golurilor interne, pentru a maximiza acest transfer de caldura, pe masura ce geometriile devin mai complexe putandu-se construi matrite pentru turnarea elementelor de ceara. Prin combinarea metodelor recomandate de productie, se poate obtine personalizarea dorita si optimizarea performantelor in ceea ce priveste stocarea si schimbul de caldura. Flexibilitatea deosebita a formelor, fara a se induce costuri suplimentare, constituie un avantaj major al betonului conductiv, in raport cu modelele traditionale de placi ventilate.

 

Desigur, in timpul procesului de proiectare a unui element din beton convectiv, pot fi luati in considerare mai multi parametri, insa este dificila testarea lor pe scara larga, prin realizarea unor machete. In acest sens, deosebit de utile sunt simularile de calcul ce pot sustine luarea deciziilor cu privire la unele variabile, pentru a selectati cele mai favorabile alternative de lucru. Au fost deja dezvoltate aplicatii software capabile sa proiecteze forma si dispunerea canalelor de aer din betonul convectiv,

precum si proprietatile amestecului de beton in sine. Programul rezolva rapid ecuatiile dinamice de transfer al caldurii si se constituie, astfel, intr-un  instrument de incredere pentru simularea performantelor cladirilor echipate cu astfel de solutii constructive. De asemenea, aplicatiile respective au capacitatea de a caracteriza constanta termica de timp a diferitelor amestecuri de betoane, pentru a selecta varianta ideala pentru macheta initiala a betonului convectiv. La momentul actual, exista o sumedenie de aplicatii potentiale ale acestui produs. De exemplu, cladirile la care este necesara asigurarea unei temperaturi interioare constante pot avea beneficii nete din implementarea unei asemenea solutii tehnice. De asemenea, in zonele climatice unde temperatura din timpul noptii scade sub un anumit prag de confort se pot exploata la maximum avantajele betonului convectiv. In asemenea situatii, materialul poate fi folosit inclusiv la realizarea peretilor interiori pentru a stoca energia si a elimina impactul negativ al cavitatilor din fata elementului activ. Astfel, ventilatia incrucisata in timpul noptii poate fi utilizata pentru a raci peretii interiori, exploatand nu doar efectul fatadelelor masive din  beton activat, ci si masa interna a cladirii. Practic, retaua de tubulatura din pereti functioneaza ca un schimbator de caldura in bucla inchisa, avand prevazut intre ele un tampon termic. Pentru a reduce si mai mult consumul energetic aferent conditionarii aerului, se poate opta inclusiv pentru conectarea canalelor exterioare print-un tub la schimbatoare de caldura. In timpul verii, temperatura scazuta este folosita pentru a raci canalele exterioare, in vreme ce in sezonul rece sistemul este activat doar temperatura tubului respectiv este mai mare decat cea a miezului betonului. Practic, procesul de racire are loc doar atat timp cat tubul livreaza aer cu o temperatura inferioara cele a incintei.

 

In concluzie, se poate afirma ca sistemele recomandate pentru instalarea in conditii reale de functionare trebuie inainte de toate testate, pentru a asigura o deteminare precisa a performantelor acestora. Deja betonul convectiv si-a demonstrat potentialul in simulari realizate pana in prezent si a probat faptul ca poate stoca energia in cicluri diurne/nocturne pentru a oferi o temperatura interioara mai constanta si, implicit, un confort termic net imbunatatit al mediului construit. In perioada urmatoare vor avea loc teste ale unor modelele fizice intr-un proces iterativ, fiind verificate diferitele geometrii disponibile pentru a obtine informatii pretioase despre parametrii care influenteaza cel mai mult schimbul termic: viteza de curgere a fluidului, geometria suprafetei interne, forma canalelor din interiorul betonului etc. Tehnologia de printare tridimensionala a rezultatului parametric furnizat de modelele dezvoltate este deja disponibila, astfel incat imediat ce rezultatele simularilor se vor plia perfect pe structura modelelor fizice, se va trece in etapa proiectarii prototipurilor parametrice, pe baza carora, cu ajutorul unui cofraj intern optimizat va putea fi realizat, prin metode aditive, elementul de beton convectiv atat pentru zona de fatade, cat si pentru cea de interior. Produsul finit poate lua forma unor prefabricare sau pe cea a cofrajelor de insertie ce se plaseaza in strucutura direct pe santier, inaintea demararii proceselor de turnare a betoanelor.