Industria construcțiilor a fost identificată la nivel mondial drept unul dintre domeniile prioritare de acțiune în realizarea obiectivului unei dezvoltări inteligente, durabile și incluzive, bazate pe utilizarea eficientă a resurselor. Datorită eficienței energetice reduse, clădirile sunt în prezent responsabile pentru mai mult de 30% din consumul mondial de energie la nivel mondial și reprezintă o treime din emisiile directe și indirecte de CO2 și particule. Cu toate acestea, numeroase studii arată că sectorul construcțiilor are potențialul de a îmbunătăți eficiența energetică cu intervenții rentabile. În acest sens, materialele izolatoare capătă o importanță crucială. Noile descoperiri vin și ele în sprijinul îmbunătățirii performanței energetice a clădirilor, iar nanomaterialele ar putea fi o soluție viabilă. Iată cum este tratat subiectul în lucrarea ”Nanotechnology to Improve Energy-Efficience of buildings”, elaborată de Marco Casini, profesor de Arhitectură și Tehnologia construcțiilor, la Universitatea din Roma, și publicată la editura Woodhead Publishing. Principalul obiectiv: consumul redus de energie O îmbunătățire a performanței energetice a clădirilor, împreună cu reducerea emisiilor de carbon, ar aduce beneficii importante proprietarilor și ocupanților clădirilor, cum ar fi durabilitate îmbunătățită, întreținere redusă, confort mai mare, costuri mai mici, valori mai mari ale proprietății, spațiu locuibil crescut, productivitate sporită și sănătate și siguranță îmbunătățite. În această imagine, angajamentul tuturor țărilor de a îmbunătăți eficiența energetică a clădirilor a crescut, prin urmare, mult, în ultimul deceniu, cu triplul obiectiv de a reduce semnificativ consumul de energie al clădirilor existente, asigurându-se că toate clădirile noi sunt caracterizate de o eficiență energetică ridicată. (clădiri cu consum redus de energie) și folosind cât mai multă energie regenerabilă posibil, în loc de combustibili fosili, pentru a satisface nevoile energetice ale clădirilor noi și existente. Mai mult decât atât, există și un Program al Uniunii Europene în acest sens. Provocarea arhitecturii noului mileniu se concentrează pe mai multe domenii principale de cercetare, în toate fazele procesului de construcție, de la planificare până la finalizare până la eliminarea finală a clădirii. Aplicațiile sunt atât în ​​clădirile noi, cât și în renovarea sau reamenajarea clădirilor existente. Obiectivul final este de a oferi o clădire inteligentă, și anume o clădire proiectată sau renovată cu inteligență (design inteligent), care utilizează cele mai bune soluții tipologice (forma inteligentă), și tehnologice, atât din punctele de construcție (înveliș inteligent), cât și de echipamente (sisteme inteligente) de vedere, capabil să interacționeze inteligent cu mediul și cu utilizatorii (oameni inteligenți) pentru a oferi, cu o utilizare foarte redusă a resurselor naturale, un mediu accesibil, sigur, confortabil și sănătos, capabil să îmbunătățească viața tuturor părților interesate implicate (inteligent mediu, trai inteligent, economie inteligentă, oraș inteligent). Anvelopa clădirii, un rol cheie Având în vedere acest obiectiv strategic, anvelopa clădirii joacă un rol cheie și în ultimii ani a fost supusă unei revizuiri amănunțite a caracteristicilor și cerințelor sale pentru a găsi soluții tehnologice care pot garanta ajustarea continuă a fluxurilor de mediu în raport cu condițiile climatice și alți factori. Învelișul clădirii constituie un sistem complex de bariere și filtre care reglează fluxul de căldură, radiații solare, aer și abur și poate transforma radiația în energie (termică și electrică), care este un element esențial pentru metabolismul clădirii. Scopul final este de a oferi o ”anvelopă inteligentă”, capabilă să ofere nu numai performanțe mai bune, în comparație cu o carcasă tradițională de clădire, ci și să îndeplinească noi funcții (generare de energie, emisie de lumină, proiecție de imagine, purificare a aerului, suprafețe de autocurățare, capacitate la autoreparare etc.), și adaptarea caracteristicilor sale ca răspuns la modificările condițiilor externe (de la transparent la opac, de la solid la lichid, de la impermeabil la permeabil etc.). Datorită progreselor imense în domeniul științei materialelor și nanoștiințelor, soluțiile tehnologice disponibile astăzi fac posibilă acceptarea acestei provocări a arhitecturii noului mileniu și luarea de măsuri eficiente, cu rezultate mai mult decât satisfăcătoare, chiar și în renovarea clădirilor istorice supuse restricțiilor arhitecturale . Produsele de izolație inovatoare (materiale izolatoare avansate) care oferă performanțe ridicate de izolare termică cu grosime foarte mică, împreună cu geamuri dinamice și construirea sistemelor integrate de energie regenerabilă, deschid noi posibilități importante în domeniile proiectării și renovării învelișului clădirii pentru a asigura mediul înconjurător. Fațade adaptabile Fațadele adaptabile ale clădirilor subt din ce în ce mai mult adoptate de constructori. Exemplele sunt panourile izolante sub vid (VIP), materialele izolante nanopore (NIM), precum aerogelul, materialele izolante transparente (TIM), care combină transmisia luminii și rezistența termică în câțiva centimetri grosime, acoperiri speciale pentru a reflecta radiația solară în infraroșu (acoperișuri reci), și componente și dispozitive active, așa-numitele ”materiale inteligente”, capabile să-și modifice caracteristicile în raport cu diferitele condiții impuse de agenții climatici sau utilizatori, cum ar fi materialele cu schimbare de fază (PCM), materialele cromogene și materialele fotocatalitice și organice fotovoltaice . Pentru succesul utilizării unor astfel de materiale, trebuie ținut seama, atât de aspectele de proiectare, cât și de materiale, cu accent deosebit pe următoarea generație de materiale de construcție și pe cele mai avansate produse care intră în prezent pe piață ca prioritate înaltă, componente ale anvelopei clădirii eficiente din punct de vedere energetic. O nouă definiție a clădirilor ”inteligente” Problemele legate de procesul de proiectare din mileniul al treilea și diferențele dintre clădirile cu energie zero, clădirile verzi și clădirile inteligente, trebuie abordate din perspectiva clădirilor inteligente, concentrându-se pe anvelopă și cum să fie realizată în mod ”adaptabil”, datorită posibilităților imense noi oferite de materiale inteligente și nanotehnologie. Ca urmare, strategiile de proiectare pentru a atinge eficiența maximă a clădirii, durabilitatea și calitatea arhitecturală trebuie abordate minuțios. După o schiță a stării stocului de clădiri existente și a rolului său în consumul de energie și încălzirea globală, conceptele și cerințele de construcție zero, verde și inteligentă, trebuie să evidențieze principalele strategii și soluții de proiectare tehnică și tehnologică. În acest sens, este introdusă o definiție nouă și inedită a clădirilor inteligente, care răspunde pe deplin nevoilor arhitecturii secolului 21 și în conformitate cu noul concept de oraș inteligent. O atenție deosebită trebuie acordată izolației și modului de a o face ”inteligentă”, în virtutea introducerii noilor și extinselor posibilități oferite de nanotehnologii și materiale inteligente. Nanotehnologia și materialele ”inteligente” Cele mai avansate materiale disponibile astăzi trebuie să concilieze caracteristicile arhitecturale ale clădirilor cu noile provocări ale eficienței energetice și a mediului. O analiză aprofundată a nanotehnologiei și a aplicării acesteia în sectoarele energiei, mediului și construcțiilor, trebuie să se concentreze pe nanoproduse inovatoare pentru arhitectură. Noua clasă de materiale extrem de inovatoare, așa-numitele materiale inteligente, care abordează atât materialele care schimbă proprietatea, cât și materialele care schimbă energia, ilustrează proprietățile și aplicația acestora în sectorul construcțiilor. Dar, nu numai atât. Nanomaterialele pentru izolații oferă o imagine de ansamblu asupra potențialului enorm al tehnologiei de imprimare tridimensională (3D), pentru arhitectură, cu accent deosebit pe realizarea componentelor clădirilor, elementelor structurale și clădirilor întregi (tehnologia de imprimare 3D pentru case). Ca urmare, cele mai noi soluții de izolare termică, așa-numita izolație inteligentă, prezintă rezultatele unei cercetări ample și aprofundate asupra celor mai inovatoare materiale de izolare, de la nanotehnologie, la materiale bioecologice și PCM, descriind pentru fiecare caracteristicile tehnice, performanța nivel și metode de utilizare. De asemenea, realizările în domeniul pereților verzi sunt soluție pentru îmbunătățirea eficienței energetice și a performanței de mediu a clădirilor existente. Importanța caracteristicilor și soluțiile inovatoare Din această perspectivă, caracteristicile termohigrometrice ale închiderilor opace, în eficiența energetică a clădirilor, capătă o foarte mare importanță. Caracteristicile generale ale materialelor de izolare termică trebuie să răspundă principalelor proprietăți termice și fizice, ale transferului de căldură. Modelele funcționale și metodele de aplicare pe clădiri trebuie să evidențieze principalele diferențe, în ceea ce privește performanța energetică, confortul termic și timpul și costurile de realizare. Soluțiile inovatoare pentru izolarea termică a închiderilor opace din clădirile noi și existente, cu o privire aprofundată asupra perspectivelor și dezvoltărilor viitoare, trebuie să facă apel la cele mai avansate materiale termoizolante, inclusiv NIM-uri precum aerogel și VIP-uri, precum și alte diferite produse disponibile pe piață, trebuie adoptate ținând cont de avantajele și dezavantajele acestora, posibila lor aplicare în anvelopa clădirii și dezvoltările lor viitoare. Nu lipsesc dintre propuneri diferite materiale izolante, bio-bazate pe generația următoare (alge, ciuperci, spumă de lemn etc.), cu o atenție deosebită asupra impactului redus asupra mediului și posibilității de reutilizare/reciclare. Nu în ultimul rând, trebuie avute în vedere principalele soluții TIM și aplicațiile acestora, comparând performanța lor cu unitățile tradiționale de sticlă izolatoare. Realizarea capacității termice a anvelopei clădirii, pentru creșterea eficienței energetice și confortul termic interior, poate fi determinată de utilizarea celor mai inovatoare materiale inteligente, pentru stocarea latentă a căldurii în clădirile noi și existente. O revizuire amănunțită a PCM-urilor, explică clasificarea acestora, specificațiile tehnice, metodele de încapsulare, modelele funcționale și aplicația în interiorul sau în exteriorul clădirii, chiar combinate cu materiale izolante avansate. Acoperirile reflectorizante O analiză aprofundată a acoperirilor reflectorizante (acoperișuri reci), disponibile pe piață, indică posibila lor aplicare pentru clădirile noi și existente și introducerea potențială a nanomaterialelor, pentru a crește eficiența energetică a clădirilor și pentru a reduce efectul insulelor de căldură urbane. Diferite soluții tehnologice pentru a integra speciile de legume ca sistem de acoperire sunt discutate asiduu de specialiști, pentru pereții interni și externi (pereți verzi), iar cele mai inovatoare tehnici sunt ilustrate tot mai pregnant de nanomateriale. La rândul său, starea cercetării și evoluțiile viitoare în fațadele pielii adaptabile la mediu determină progresul. Însă, din această perspectivă, a materialelor izolante, nu trebuie omise cercetările privind ferestrele inteligente, cu presupunerea că suprafețele transparente reprezintă cel mai critic element în echilibrul energetic al unei clădiri și, simultan, una dintre cele mai semnificative componente ale calității arhitecturale contemporane. O revizuire extinsă a caracteristicilor tehnice ale închiderilor transparente de pe piață sau încă în curs de dezvoltare, de la așa-numitele geamuri dinamice până la geamuri bioadaptive și fotovoltaice, descriu potențialul estetic și limitele de performanță. Cele mai inovatoare soluții pentru îmbunătățirea transmitanței termice a geamurilor, cum ar fi geamuri duble și triple, umplerea cu gaz nobil, acoperirile cu emisivitate redusă, geamuri cu film suspendat, sticlă izolată sub vid, aerogel monolitic, geam pentru încălzire și geam termopan, pot face obiectul dezvoltărilor nanotehnologice, cu performanțe remarcabile. Acesta prezintă diferite soluții avansate de geamuri izolante disponibile pe piață și principalele caracteristici și performanțe ale acestora. În cele din urmă, este oferită o schiță a utilizării ETFE (etilen tetrafluoretilenă) pentru închideri transparente. Rolul geamurilor și controlul luminii Rolul geamului în controlul luminii și al radiației solare pentru a atinge nivelurile maxime de lumină naturală și eficiență energetică, evitând supraîncălzirea verii și exploatând câștigul solar de iarnă, este luat în calcul. Soluțiile inovatoare pentru îmbunătățirea și controlul luminii vizibile, inclusiv sticla autocurățată, geamuri antireflectante și sisteme optice de redirecționare a luminii, reprezintă și ele aplicații ale nanotehnologiilor. Principalele soluții pentru controlul solar, inclusiv sisteme avansate de umbrire și geamuri statice de protecție solară, se referă la geamurile selective principale, disponibile pe piață și performanța și specificațiile lor. Cele mai inovatoare sisteme de geam dinamic de înaltă performanță, care vizează nu numai reducerea pierderilor de căldură, ci și controlul radiației solare primite, pentru a maximiza câștigul solar în timpul iernii și a-l minimiza vara, precum și pentru a asigura cele mai bune condiții naturale de iluminare fără strălucire, se pot baza pe utilizarea nanomaterialelor. O analiză a diferitelor tipuri de geamuri dinamice, cu control atât pasiv cât și activ, este furnizată de nanomateriale, ilustrând utilizările potențiale ale acestora și beneficiile obținute în ceea ce privește eficiența energetică, confortul mediului și calitatea arhitecturală, atât în ​​construcțiile noi, cât și în renovările clădirilor existente. Fațadele bioadaptive O atenție deosebită este acordată diferitelor tipuri de tehnologii active de geam dinamic (ferestre inteligente), disponibile pe piață sau aflate încă în curs de dezvoltare, precum geamurile electrocromice, dispozitivele cu particule suspendate, cristale lichide dispersate cu polimeri și alte tehnologii emergente. Pentru fiecare operație tehnologică, performanța și fezabilitatea sunt analizate și comparate. La rândul lor, suprafețele vitrate se prezintă ca componentă generatoare de energie. Cele mai avansate soluții de integrare a fotovoltaicului în suprafețe transparente pot avea la bază nanomateriale. O atenție deosebită este acordată filmelor subțiri fotovoltaice anorganice și organice semitransparente, care măresc capacitatea de funcționare, performanța și fezabilitatea pentru aplicații de construcții, a vitraliilor. Totodată, tehnologii emergente, cum ar fi geamurile fotovoltaice cu celule sferice, geamurile fotovoltaice cu celule optice prismatice și colectoarele solare luminoase transparente, devin tot mai accesibile. În cele din urmă, pot fi introduse în tehnologiile de construcții fațadele bioadaptive inovatoare, implementate cu bioreactoare de alge, analizând funcționarea, performanța și randamentul lor energetic.