Studiul Sistemului de Incalzire a Unei Locuinte cu Consum Energetic Redus Si Utilizarea Surselor Regenerabile de Energie
Cuprins
REZUMAT… ..4
ABSTRACT … …5
CAPITOLUL I … ..6
Clasificarea imobilelor care pot fi încălzite cu surse regenerabile de energie … ..6
1.1. Introducere … .6
1.2. Descrierea imobilului (amplasamentului și dimensiunilor) … ..8
CAPITOLUL II … ..12
Prezentarea surselor regenerabile de energie pentru încălzire și prepararea apei menajere … …12
1.1.Generalități … …12
CAPITOLUL III… .17
Elaborarea programului de calcul pentru determinarea necesarului de căldură pentru încălzirea
locuinței … ..17
3.1.Programul pentru utilizator … ..18
3.1.1.Prezentare generală program utilizator … ..18
3.1.2.Prezentarea modelului matematic … .19
3.1.3. Rezultatele studiului influențelor parametrilor … .21
3.1.4. Concluziile studiului efectuat … .24
3.2.1.Prezentare generală program de studiu … ..25
3.2.2.Rezultate obținute cu programul de studiu… …27
3.2.3.Discuții asupra rezultatelor obținute … …32
3.2.4.Concluziile studiului efectuat … ..34
3.3. Calculul necesarului de căldură al locuinței cu ajutorul programului… …35
3.3.1. Caracteristici ale unor… .35
tipuri de locuințe… .35
3.3.2. Descrierea imobilului … .36
3.3.3. Prepararea de apă caldă cu surse regenerabile de energie … …38
CAPITOLUL IV … …39
Soluții tehnice de încălzire utilizând surse regenerabile de energie… .39
4.1.Utilizarea energiei solare… …39
1
4.1.1.Nivelul de insolație… …40
4.1.2.Zonele de însorire … ..40
4.1.4.Necesarul energetic … ..42
4.1.5.Radiație globală … ..43
4.1.6.Utilizarea energiei solare prin intermediul colectorilor solari … …44
4.1.7.Structura și funcționarea colectorilor.Tipuri de captatore solare … ..45
4.1.8.Pompe de căldură… …45
4.1.9. Funcționarea unei pompe de căldură… ..47
4.1.10. Tipuri de pompe de căldură… ..49
4.1.11. Variante de pompe de căldură … .51
4.2. Utilizarea combustibilului solid regenerabil … …59
4.2.1. Tipuri de cazan … ..59
CAPITOLUL V … ..63
Calcule de alegere a componenetelor instalației … …63
5.1. Determinarea suprafeței de captare și a capacității de acumulare de apă caldă menajeră … ..64
5.1.1. Capacitatea de acumulare de a.c.m. (acumulator pentru circuitul solar) … .64
5.1.2. Suprafața de captare … …65
5.2. Calculul de alegere al pompelor de căldură și al colectorilor … …65
5.2.1. Alegerea pompei de căldură … …65
5.2.2. Dimensionarea colectorilor … .68
5.2.2.1. Dimensionarea colectorilor orizontali … …68
5.2.2.2. Dimensionarea sondelor pentru sol … .69
5.3. Ventilarea și recuperarea căldurii… .69
CAPITOLUL VI … …70
Calculul termic al pompei de căldură… ..70
6.1.Generalități despre agenții de lucru ai pompelor de căldură … …70
6.2. Determinarea condițiilor de lucru … …74
6.2.1. Regimul termic al vaporizatorului în cazul utilizării sondelor pentru sol … …74
6.2.2. Regimul termic al vaporizatorului în cazul utilizării colectorilor amplasați în sol … .75
6.2.3.Regimul termic al condensatorului pentru încălzirea prin pardosea … …75
6.1.4. Regimul termic al condensatorului pentru încălzirea apei calde menajere … .75
6.2. Calculul termic al întregului ciclu … …75
CAPITOLUL VII … ..77
Analiza comparativă a eficienței economice… …77
2
Concluzii … …79
Perspective de viitor … .80
Prezentarea instalației… ..81
Bibliografie… …93
3
REZUMAT
Strategia economică a dezvoltării durabile impune în mod cert promovarea eficienței și
utilizarea rațională a energiei termice la nivelul clădirilor de locuit, consumator major de energie
la nivel global.Având în vedere că necesarul de căldură al unei locuințe este în continuă creștere,
odată cu creșterea nivelului de trai și numărului de locuitori, lucrarea prezintă un studiu al
necesarului termic al unei locuințe.
Pentru a atinge obiectivele dezvoltării durabile s-a parametrizat necesarul termic în
vederea reducerii consumului energetic și implicit a costurilor de încălzire, urmărindu-se
minimizarea pierderilor de căldură prin transfer termic cu mediul, asigurând în același timp
confortul termic necesar. În acest scop am elaborat un model de calcul pentru a evidenția
importanța efectelor pe care le au parametrii implicați în calculul necesarului de energie termică
pentru încălzirea unui imobil. Modelul a fost transpus într-o aplicație client-server disponibilă
on-line. Implementarea s-a efectuat cu ajutorul limbajului de programare PHP, producând
rezultatele pe o interfață HTML.
Se prezintă modul de calcul și rezultatele obținute și se discută influența parametrilor
constructivi asupra necesarului de căldură în vederea utilizării sistemelor de încălzire care
utilizează surse regenerabile de energie.
Sistemele de încălzire care folosesc surse regenerabile de energie cele mai des utilizate
sunt pompele de căldură, sistemele de captare a energiei solare și sistemele bazate pe arderea
combustibililor regenerabili.
În prima parte a lucrării se prezintă generalități despre tipurile de locuințe, amplasare și
sursele regenerabile disponibile pentru încălzirea locuinței proiectate și a apei calde menajere.
Cea de-a doua parte a lucrării prezintă programul de calcul al necesarului termic și
condițiile pe care trebuie să le îndeplinească elementele costitutive ale clădirii proiectate pentru
ca parametrii asociați să atingă valorile necesare unei case pasive din punct de vedere energetic.
În partea a treia se prezintă tipurile de instalații existente pe piață și se fac calcule de
alegere a celor mai potrivite în funcție de necesarul termic și de dimensiunile casei.
În final se prezintă grafic instalațiile alese pentru imobilul proiectat.
4
Toate datele împreună cu desenele realizate în programul de proiectare SolidWorks sunt
stocate pe un CD care este atașat lucrării.
ABSTRACT
The economical strategy of sustainable development imposes the promotion of
efficiency and the rational use of thermal energy in buildings, the major energy consumer,
globally speaking.
To reach the objectives of sustainable development’s principles, the heat flux demand
was parameterized to reduce the energetic consumption and implicitly to heating costs, having in
view the minimization of heat loses through thermal transfer with the environment, ensuring in
the same time the necessary heat comfort. With this end in view I compiled a calculus model to
point out the importance of effects that parameters involved in thermal energy demand calculus
for heating a building. The model was transposed into a client-server application available on-
line. The implementation was made with the scripting program PHP (pre-processed hypertext
language), displaying the results into a HTML interface.
The calculus model and the obtained results are presented in order to discuss about the
influences that constructive parameters have on heat flux requirements with the object of
renewable energy heating system use.
The most common heating system that utilize renewable energy sources are heat pumps,
solar energy collectors and solid fuel combustion system.
The first part of the project represents some generalities about building types, placement
and renewable energy sources available at the moment for heating the existing house model and
the water.
The software for heat flux demand calculus is presented in the second part of the paper,
along with the conditions that inertial elements have to accomplish for the associated parameters
to aim the necessary values of an energetic passive house.
The third part presents the existing system types on the market and the calculus for
choosing the best fit system function to heat flux requirements and house dimensions.
5
The last part of the paper it consist of graphic presentation of the chosen system.
All of the dates along with the house model designed in Solid Works software are
available on a CD attached to this paper.
CAPITOLUL I
Clasificarea imobilelor care pot fi încălzite cu surse regenerabile de
energie
1.1. Introducere
Se estimează că fondul locativ contribuie cu peste 20% în totalul anual al emisiilor
poluante. Aceste emisii intervin în schimbarea globală a climei, iar virulenta crescândă a
fenomenelor meteorologice are ca efecte creșterea consumurilor energetice, escaladarea
costurilor locative si, ceea ce este mai important, o nouă majorare a emisiilor. Acest fenomen
evolutiv asociat cu impacturile obișnuite ale unei construcții, ca de exemplu destrămarea
ecosistemelor, reducerea habitatului natural, creșterea poluării apelor si eroziunea solului, va
afecta grav biodiversitatea dacă nu este întrerupt și corectat prin măsuri .69
CAPITOLUL VI … …70
Calculul termic al pompei de căldură… ..70
6.1.Generalități despre agenții de lucru ai pompelor de căldură … …70
6.2. Determinarea condițiilor de lucru … …74
6.2.1. Regimul termic al vaporizatorului în cazul utilizării sondelor pentru sol … …74
6.2.2. Regimul termic al vaporizatorului în cazul utilizării colectorilor amplasați în sol … .75
6.2.3.Regimul termic al condensatorului pentru încălzirea prin pardosea … …75
6.1.4. Regimul termic al condensatorului pentru încălzirea apei calde menajere … .75
6.2. Calculul termic al întregului ciclu … …75
CAPITOLUL VII … ..77
Analiza comparativă a eficienței economice… …77
2
Concluzii … …79
Perspective de viitor … .80
Prezentarea instalației… ..81
Bibliografie… …93
3
REZUMAT
Strategia economică a dezvoltării durabile impune în mod cert promovarea eficienței și
utilizarea rațională a energiei termice la nivelul clădirilor de locuit, consumator major de energie
la nivel global.Având în vedere că necesarul de căldură al unei locuințe este în continuă creștere,
odată cu creșterea nivelului de trai și numărului de locuitori, lucrarea prezintă un studiu al
necesarului termic al unei locuințe.
Pentru a atinge obiectivele dezvoltării durabile s-a parametrizat necesarul termic în
vederea reducerii consumului energetic și implicit a costurilor de încălzire, urmărindu-se
minimizarea pierderilor de căldură prin transfer termic cu mediul, asigurând în același timp
confortul termic necesar. În acest scop am elaborat un model de calcul pentru a evidenția
importanța efectelor pe care le au parametrii implicați în calculul necesarului de energie termică
pentru încălzirea unui imobil. Modelul a fost transpus într-o aplicație client-server disponibilă
on-line. Implementarea s-a efectuat cu ajutorul limbajului de programare PHP, producând
rezultatele pe o interfață HTML.
Se prezintă modul de calcul și rezultatele obținute și se discută influența parametrilor
constructivi asupra necesarului de căldură în vederea utilizării sistemelor de încălzire care
utilizează surse regenerabile de energie.
Sistemele de încălzire care folosesc surse regenerabile de energie cele mai des utilizate
sunt pompele de căldură, sistemele de captare a energiei solare și sistemele bazate pe arderea
combustibililor regenerabili.
În prima parte a lucrării se prezintă generalități despre tipurile de locuințe, amplasare și
sursele regenerabile disponibile pentru încălzirea locuinței proiectate și a apei calde menajere.
Cea de-a doua parte a lucrării prezintă programul de calcul al necesarului termic și
condițiile pe care trebuie să le îndeplinească elementele costitutive ale clădirii proiectate pentru
ca parametrii asociați să atingă valorile necesare unei case pasive din punct de vedere energetic.
În partea a treia se prezintă tipurile de instalații existente pe piață și se fac calcule de
alegere a celor mai potrivite în funcție de necesarul termic și de dimensiunile casei.
În final se prezintă grafic instalațiile alese pentru imobilul proiectat.
4
Toate datele împreună cu desenele realizate în programul de proiectare SolidWorks sunt
stocate pe un CD care este atașat lucrării.
ABSTRACT
The economical strategy of sustainable development imposes the promotion of
efficiency and the rational use of thermal energy in buildings, the major energy consumer,
globally speaking.
To reach the objectives of sustainable development’s principles, the heat flux demand
was parameterized to reduce the energetic consumption and implicitly to heating costs, having in
view the minimization of heat loses through thermal transfer with the environment, ensuring in
the same time the necessary heat comfort. With this end in view I compiled a calculus model to
point out the importance of effects that parameters involved in thermal energy demand calculus
for heating a building. The model was transposed into a client-server application available on-
line. The implementation was made with the scripting program PHP (pre-processed hypertext
language), displaying the results into a HTML interface.
The calculus model and the obtained results are presented in order to discuss about the
influences that constructive parameters have on heat flux requirements with the object of
renewable energy heating system use.
The most common heating system that utilize renewable energy sources are heat pumps,
solar energy collectors and solid fuel combustion system.
The first part of the project represents some generalities about building types, placement
and renewable energy sources available at the moment for heating the existing house model and
the water.
The software for heat flux demand calculus is presented in the second part of the paper,
along with the conditions that inertial elements have to accomplish for the associated parameters
to aim the necessary values of an energetic passive house.
The third part presents the existing system types on the market and the calculus for
choosing the best fit system function to heat flux requirements and house dimensions.
5
The last part of the paper it consist of graphic presentation of the chosen system.
All of the dates along with the house model designed in Solid Works software are
available on a CD attached to this paper.
CAPITOLUL I
Clasificarea imobilelor care pot fi încălzite cu surse regenerabile de
energie
1.1. Introducere
Se estimează că fondul locativ contribuie cu peste 20% în totalul anual al emisiilor
poluante. Aceste emisii intervin în schimbarea globală a climei, iar virulenta crescândă a
fenomenelor meteorologice are ca efecte creșterea consumurilor energetice, escaladarea
costurilor locative si, ceea ce este mai important, o nouă majorare a emisiilor. Acest fenomen
evolutiv asociat cu impacturile obișnuite ale unei construcții, ca de exemplu destrămarea
ecosistemelor, reducerea habitatului natural, creșterea poluării apelor si eroziunea solului, va
afecta grav biodiversitatea dacă nu este întrerupt și corectat prin măsuri energice. Alegerea unei
6
proiectări competitive favorizează creșterea aportului civic la construirea unei comunități mai
sănătoase, mai sigure și mai prietenoase cu mediul înconjurător.
Pentru asigurarea calității confortului termic, al calității mediului înconjurător cât și al
costurilor energetice minime, în construcția de locuințe trebuie avut în vedere în primul rând
calitatea materialelor folosite pentru structura de rezistență, izolația termică cât și tipul de geam
utilizat.
Izolațiile termice cel mai des utilizate în construcția locuințelor sunt de tipul: polistiren
extrudat, polistiren expandat, poliuretan, vată minerală bazaltică expuse în figurile de mai jos.
1.a Poliuretan 1.b Polistiren extrudat
1.c Polistiren expandat 1.d Vată minerală
Figura 1. Tipuri de materiale izolatoare
Noțiunea de casă pasivă energetic reprezintă un concept care permite asigurarea unui
confort termic ridicat cu costuri reduse. Acest concept nu trebuie confundat cu standard de
performanță energetică ridicată. Casele pasive energetic au fost definite ca și clădiri în care
condițiile de confort termic ridicat pot fi atinse prin simpla post-încălzire sau post-răcire a
aerului proaspăt introdus în aceste clădiri. În casele pasive energetic aerul nu este recirculat.
7
1.2. Descrierea imobilului (amplasamentului și dimensiunilor)
Acest proiect a fost ghidat prin viziunea dezvoltării durabile și tinde să atingă:
a) reducerea emisiilor de CO2 cu până la 80%, comparativ cu clădirile standard;
b) costuri cât mai mici comparativ cu clădirile noi convenționale.
Amplasament
Casa este situată în partea de nord-vest a uneia dintre cele mai noi zone construite din
municipiul Alba Iulia, și anume Schit. Terenul are o suprafață de 2300 m2 și se află în imediata
apropiere a mănăstirii Schit și a zonei de agrement Mamut.
Infrastructură
Un drum local (30 km/h) traversează zona pentru a asigura accesul la clădirile din zonă.
O stradă mai largă (cu un trafic aproximativ de 10.000 de mașini pe zi) se află la 100 m distanță
spre est de teren. Principalul scop al stabilirii amplasamentului este reducerea la minim a
traficului rutier, pentru a atinge maximul calității vieții pentru locatari. Pentru acesta este asigurat
un flux maxim al transportului în comun cu scopul de a suplimenta traficul rutier. În prezent
circulă 3 linii de autobuze, la intervale de timp potrivite perioadei din zi.
Legenda hărții:
Clădire
Stradă
Trotuar
Zonă beton
Dig
Curte
Spațiu verde
Pădure
Apă
Teren arabil
Pod
Rezervoare
Cale ferată Figura 2. Amplasamentul casei
8
Microclimat
În proiectarea casei trebuie avut în considerare distribuția locală a văntului. Există o
circulație periodică de aer rece dinspre muntele Mamut, aflat în apropiere. Vântul suflă cu viteze
care depășesc uneori 40 km/h. . Umiditatea relativă a aerului oscilează între 60% și 90%.
Clima localității este specifică zonei de dealuri precum și zonei montane. Din datele
obținute de la stația meteorologică Alba Iulia se constată o variație destul de mare a temperaturii
medii anuale și lunare. Cea mai ridicată temperatură a fost de 32,4 °C, iar cea mai scăzută de –
22,9°C.
Temperaturile medii zilnice de peste 22°C se realizează în lunile de vară și într-un
număr mai redus de zile din lunile mai și septembrie. Repartizarea precipitațiilor este foarte
neuniformă în cursul anilor și lunilor rezultând o medie a precipitațiilor în ultimii ani de 714 mm.
Vegetația
Zona în care se află orașul (în apropierea munților Apuiseni) aduce cu sine o varietate
extrem de mare a vegetației. Terenul pe care este amplasată casa aflându-se în apropierea unei
păduri asigură, pe lângă aspectul estetic plăcut al zonei, împrospătarea în permanență a aerului
În figura 3 de mai jos este prezentat imobilul care urmează să fie încălzit. Este desenat
în programul Solid Works și prezintă o vedere de ansamblu frontală.
a)vedere de ansamblu
din față
9
c)vedere de ansamblu
din partea de sud
d)repartizare încăperi
Figura 3. Amplasament casă
10
Tabel 2. Dimensiunile casei și a încăperilor sunt afișate în tabelul de mai jos:
Încăpere Suprafața (m2)
Bucătărie 27.5
Living 36
Baie 9
Dormitor matrimonial 21.25
Baie de serviciu 7
Dormitor 10.5
Dormitor 10.5
Vestibul de acces 10
Hol 8.25
Total suprafață 140
Total perimetru casă 58 m
11
CAPITOLUL II
Prezentarea surselor regenerabile de energie pentru încălzire și
prepararea apei menajere
1.1. Generalități
Conceptul general “dezvoltare durabilă” extrem de mediatizat în întreaga lume, impune
de la sine utilizarea unor tehnologii, în toate domeniile, care să asigure actualelor generații un
trai cât mai bun fără a periclita modul de viață al generațiilor viitoare.
Unul din efectele dezvoltării tehnologice a întregii societăți umane, din ultimul secol,
este creșterea tot mai pronunțată a consumurilor de energie, dar și dependența tot mai accentuată
a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere, gaze naturale și
cărbuni. Aceste surse de energie clasice reprezintă un foarte mare factor de risc datorită
emisiilor poluante din timpul arderii, cât și datorită epuizării lor.
12
În tabelul 3 sunt prezentate valorile medii de emisii poluante în cazul utilizării pentru
încălzirea unei locuințe ca și combustibil a gazelor naturale.
Tabel 3.Valori medii ale emisiilor poluante cu efectele asupra mediului
Emisii O2 CO[ppm] NO[ppm] SO2[ppm] CO2[ppm]
12.61 1928.8 3.93 13.5 4.79
Efecte -efect de -mărirea -Ploi -Ploi acide
generate seră concentrației de O3 acide -efect de seră
Asupra troposferic -mărirea
mediului -efect de seră concentrației
de O3 troposferic
Estimările actuale ale ASPO(The Association For The Study Of Peak Oil And Gas),
privind perioadele rămase până la epuizarea rezervelor de combustibili fosili, sunt prezentate în
tabelul 4.
Tabel 4.Estimarea epuizării rezerrvelor de combustibili fosili
Perioada estimată până la epuizare (ani).
ASPO 2005
Petrol 45
Gaze naturale 66
Cărbune 206
Uraniu 35 – 100
Ce este o energie reînnoibilă?
O energie regenerabilă este energia a cărei sursă este nelimitată în timp, nepoluantă și a
cărei exploatare cauzează cele mai mici neajunsuri ecologice posibile.
Tipuri de energii regenerabile: eoliană, solară, geotermică, hidraulică, biomasa. În cazul
încălzirii locuințelor și a apei calde menajere se utilizează energia solară, geotermală și
combustibilul solid regerabil (biomasa) și a sistemelor cu pompe de căldură.
13
Energia solară
Energia solară ajunge la suprafața pământului sub formă de radiații electromagnetice
similare cu undele radio, dar aflate într-o bandă de frecvență diferită. Energia solară disponibilă
este exprimată deseori în unități de energie pe timp pe unitatea de suprafață (W/m2). O parte din
energia solară este absorbită de atmosfera terrestră, iar restul, după cum rezultă într-o zi senină
este direcționată către suprafața Pământului în cantitate de 1000 W/m2. Însă cantitate de energie
solară disponibilă depinde de locația luată în considerare dar, de condițiile climaterice dar și de
tehnologiile utilizate pentru captare ei. Captarea directă a energiei solare presupune mijloace
artificiale, numite colectori solari, care sunt proiectati să capteze energia, uneori prin focalizarea
directă a razelor solare.
Avantajele utilizării energiei solare în comparație cu energia convențională:
• Energia solară va fii întotdeauna gratis după ce costurile inițiale au fost
recuperate;
• În funcție de utilizarea energiei, recuperarea costurilor se poate face într-un
timp relativ scurt;
• Sistemele de captare a energiei solare pot fi folosite fără a necesita conectarea
la alte surse de energie convenționale;
• Soarele este practic o sursă de energie inepuizabilă;
• Înlocuirea energiei convenționale cu energia solară are ca și rezultat
proporțional scăderea emisiilor de gaze cu efect de seră și nunumai.
Energia geotermală
Energia geotermală foloseste energia aflata în sol pentru a încălzi sau răci o clădire și
pentru a furniza apa caldă. Pe tot parcursul anului, la câțiva metri în adâncime, temperatura
pământului rămâne aproximativ constantă și anume între 7 și 12 grade Celsius. Această
temperatură constantă poate fi valorificată pentru a asigura în mod eficient încălzirea și răcirea în
interiorul unei clădiri.
Sistemele moderne folosesc o pompă de caldură pentru a concentra energia termală a
pământului și apoi pentru a o transfera aerului care încălzește spațiul din interiorul clădirii. Iarna,
o soluție pe bază de apă circulă prin țevile îngropate în pământ, absoarbe căldura acestuia și o
transportă în clădire. Vara, procesul este invers: căldura din interiorul locuinței este extrasă din
aer și transferată pământului de soluția pe bază de apă prin pompa de căldură și prin bucla
14
îngropată în pământ. Singura energie suplimentară folosită este o cantitate de energie electrică
necesară pentru acționarea pompei de caldură.
Combustibil solid regenerabil
Conform [7] UE iși acoperă 4 % din necesitățile de energie din biomasă. În tabelul 5
este dată producția anuală de biomasă care este utilizată ca și sursă de energie, cât și potențialul
acestuia pe viitor. Prima coloană arată producția totală de biomasă utilizată azi pentru asigurarea
necesităților energetice. Celelalte coloane arată potențialul contribuției anuale pentru 2010, 2020
și 2030; se poate observa că pe 2010 contribuția este de 21/2 ori față de cea de azi, în 2020 este de
31/2 ori față de cea de azi iar în 2030 este de 41/2 ori față de cea de azi. Pădurile, deșeurile și
agricultura aduc o contribuție importantă la creșterea acestui potențial.
Tabel 5. Potențialul de producere al biomasei în UE
Mtoe Consumul de Potențial, Potențial,2020 Potențial,2030
biomasă 2003 2010
Lemn direct din păduri 43 39- 39-
(deșeuri) 45 72
Deșeuri organice, reziduuri 67 100 100 102
din industria lemnului,
deșeuri din industria
alimentară și agricultură,
îngrășăminte
Resturile recoltelor din 2 43- 76- 102-
agricultură 46 94 142
Total 69 186- 215- 243-
189 239 316
Aceste estimări sunt conservative datorită avantajelor pe care le oferă utilizarea
biomasei ca și sursă de energie:
• Nu au efecte asupra producerii alimentelor;
• Nu crește presiunea asupra terenurilor agricole sau asupra biodiversității
pădurilor;
• Nu crește presiunea ecologică asupra solului și asupra resurselor de apă;
• Nu necesită aratul pășunilor nearate permanent;
• Asigură practicarea agriculturii ecologice;
• Rata extracțieie de biomasă din păduri este adaptată balanței locale de nutrienți
din sol și a riscului de eroziune;
• Importurile de petrol sunt estimate a scădea de la 80% la 75%;
• Reducerea emisiilor gazelor cu efect de seră;
15
• Creearea de noi locuri de muncă.
Tot în conformitate cu [7] odată cu intrarea României și Bulgariei în Uniunea
Europeană se va îmbunătății această disponibilitate, importurile oferind încă un mare potențial.
16
CAPITOLUL III
Elaborarea programului de calcul pentru determinarea necesarului
de căldură pentru încălzirea locuinței
În vederea obținerii necesarului termic al locuinței proiectate, pentru încălzire și
preparare de apă caldă menajeră am elaborat un program de calcul pe baza unui model
matematic, în limbajul de programare PHP (preprocessed hypertext language) cu afișare într-o
interfață HTML. Programul este disponibil la adresa:
http://emilia.academicdirect.ro/Proiect%20de%20diploma/form.php
Metoda permite identificarea influențelor pe care le au anumiți parametri asupra
necesarului de căldură, și afișarea rezultatelor prin grafice generate de server. Pentru aceasta s-a
folosit un nucleu grafic disponibil la adresa:
http://vl.academicdirect.org/applied_statistics/graphic_kernel/
Acest program are două variante, una pentru utilizator, iar cealaltă este destinată
studiului științific al influențelor parametrilor asupra necesarului termic al locuinței.
În cele ce urmează sunt prezentate ambele variante ale softului.
17
3.1. Programul pentru utilizator
3.1.1. Prezentare generală program utilizator
Programul PHP este pus într-un fișier pe un web server, executate de acestea utilizând
modulele PHP. Datele de intrare sunt expuse în HTML și pot fi vizualizate de către orice
utilizator web[1] (vezi figura 6).
Conform modelului matematic am elaborat un program pentru calculul bilanțului
termic, datele putând fi introduse de către utilizator printr-un formular generat de programul
„form.php” (Figura 6), acesta fiind compus din 6 secțiuni: mediu, casă, izolație și rezistență la
pereți, podea, tavan și tipul geamului. Datele de intrare caracteristice parametrilor constructivi
prezentate în Tabelul 1, 2, 3, conform [3] sunt introduse în unități uzuale, transformate ulterior
în măsuri fundamentale pentru a fi utilizate în calcule.
Variabilele care intră în calculul bilanțului termic sunt următoarele: temperaturile,
numărul de locatari, perimetrul, înălțimea și suprafața casei, timpul necesar încălzirii apei calde
cât și grosimile/tipurile straturilor componente, acestea putând fi alese în funcție de necesitățile
fiecărui utilizator. Cât despre tipul geamurilor, al straturilor structurii de rezistență și
termoizolatoare, valorile atribuite lor, și anume conductivitățile termice, coeficienții de transfer
termic global, afișate în tabelele 1, 2, 3 se află în spatele opțiunilor afișate în interfață.
Această lucrare prezintă o nouă modalitate în vederea determinării necesarului de
căldură pentru încălzirea unei locuințe cu consum energetic redus, pe baza unui soft și a unui
model matematic.
Modelul permite identificarea influențelor pe care le au anumiți parametri asupra
necesarului de căldură în vederea implementării unor surse regenerabile de energie.
18
Figura 6.Interfața formularului
Mărimile care caracterizează acești parametri sunt expuse în tabelele:
3.1.2.Prezentarea modelului matematic
Pentru studiul necesarului de flux termic este nevoie să cunoaștem posibilele pierderi de
căldură cât și modul de utilizare al acesteia. Ecuația generală a bilanțului termic se folosește în
calcularea fluxului de căldură [13]:
& & & &
Q = Q + Q + Q [W] (1)
1 2 3
Unde: Q& – flux de căldură pierdut prin transmisie; Q& – flux de căldură necesar
1 2
încălzirii aerului ventilat; Q& – flux de căldură necesar încălzirii apei calde menajere.
3
Fluxul termic pierdut prin transmisie [4] este distribuit între elementele constructive ale
& &
casei și anume: pereți Q& , podea Q , tavanQ 13 și geamuri Q& , astfel:
1 1 1 2 1 4
19
& & & & &
Q = Q + Q + Q + Q [W] (2)
1 1 1 1 2 1 3 1 4
Formula care se utilizează pentru calculul fiecărui flux de căldură în parte este comună
celor patru elemente:
&
Q = S ⋅ k ⋅ ( t − t ) [W] (3)
1 i i i int ext
Unde: S -suprafața totală calculată a fiecărui element în parte, se iau în considerare
i
doar elementele de legătură cu exteriorul [m 2]; – coeficientul de transfer termic global specific k
i
fiecărui tip de element în parte [W/m 2K]; t -temperatura din interiorul imobilului [K]; t –
int ext
temperatura exterioară imobilului. În cazul podelei se utilizează temperatura solului și/sau a
pivniței [K].
Coeficientul de transfer termic global se calculează după formula:
1 [W/m2K] (4)
k =
n i
1 δ 1
i
+ ∑ +
α i j = 1 λ i α e
α – coeficient de transfer termic convectiv din interior, α =8 [W/m2K]; α -coeficient
i i e
de transfer termic convectiv din exterior, α =25 [W/m2K]; λ – conductivitatea termică a
e i
stratului i care se alege conform tabelelor 2 și 3, [W/m.K]; δ – grosimea stratului i, [m].
i
Fluxul de căldură necesar încălzirii aerului ventilat se calculează în funcție de categoria
casei din punct de vedere al izolației termice, conform cu Tabelul 4 astfel:
& &
Q = n ⋅ Q (5)
2 1
Unde n=0.7 pentru case fără izolație termică; n=0.8 pentru case cu termoizolație
normală; n=1 pentru case cu consum energetic redus și pasive din punct de vedere energetic.
Fluxul de căldură necesar încălzirii apei calde menajere depinde de următorii
parametrii:
ρ ⋅ V
&
Q = c ( t − t ) n [W] (6)
3 p calda rece
τ
Unde: τ – timpul necesarului de apă caldă menajeră, [s]; ρ – densitatea apei, ρ =1000
[kg/m3]; V – volumul de apă caldă menajeră dorit pe persoană, [m3]; cp – căldura specifică a
apei,cp=4.186 [kJ/kg.K]; t – temperatura dorită a apei calde, [K]; t – temperatura apei
calda rece
provenită din exterior, [K]; n – numărul de locatari.
20
3.1.3. Rezultatele studiului influențelor parametrilor
Cu ajutorul programului de calcul prezentat și a modelului matematic, au fost
determinate influențele pe care le prezintă parametrii asupra componentelor necesarului de
căldură al locuinței proiectate.Câteva dintre aceste componente sunt prezentate în continuare.
Datele de intrare au fost considerate cele din captura de ecran din Figura 6.
Se poate observa în Figura 7 și 8 că procentul fluxului termic necesar pentru încălzirea
apei calde menajere în cazul utilizării unui strat izolator de polistiren de 2 cm și a geamului
dublu este de 3%, mai mic decât în cazul utilizării parametrilor din Figura 6, unde stratul de
polistiren expandat este de 37 cm iar tipul de geam folosit este termopan triplu (reprezentat în
graficele din figurile 14 și 20). Deoarece necesarul de fux termic pentru încălzirea apei este
constant, aceste procente pot fi luate ca și referință pentru a arăta că pierderile de căldură se
micșorează considerabil în cazul utilizării unui strat termoizolator mai gros (conform figurii11)
și a unui tip de geam mai eficient (după cum se poate vedea în reprezentarea procentuală din
figura14).
ACM
Pereți
3%
18%
Ventilație
43%
Ventilație
Transmisie
44% Podea
54%
23%
Geamuri Tavan ACM
4% 8% 3%
Figura 7 Influențele pierderilor prin
Figura 8 Influențele pierderilor prin
geam, pereți, podea, tavan, acm și ventilație, ventilație transmisie și acm relative la
relative la pierderile totale.
pierderile totale.
21
ACM Pereți
14% 13%
Podea
Transmisie Ventilație
15%
43% 43%
Tavan
Ventilație 6%
42% Geamuri
10% ACM
14%
Fig9. Influențele pierderilor prin Figura 10. Influențele pierderilor
geam, pereți, podea, tavan, ventilație și acm,
prin ventilație, transmisie și acm relative la
relative la pierderile totale. pierderile totale.
Din Figura 11 se poate observa importanța utilizării primilor 5 cm de polistiren pentru
că fluxul termic pierdut prin perete scade considerabil de la 55 W/m2 la 10 W/m2 de perete.
Astfel din punct de vedere al eficienței termice și financiare, este foarte avantajasă folosirea unei
termoizolații mai groase de 5 cm. Pentru construcția caselor pasive din punct de vedere energetic
trebuie utilizate straturile izolatoare groase, amortizarea costurilor neputându-se realiza în timp
scurt. În cazul structurii de rezistență se poate observa conform Figura 12, că tipul structurii de
rezistență contează mai mult decât grosimea lui, astfel pentru un strat de beton de 20 cm se pierd
2159 W, iar pantru un strat de lemn placat de 10 cm se pierd 526 W, însă lemnul placat trebuie
utilizat în combinație cu alte materiale, aceasta implicând costuri suplimentare.
60 4000
3500
50
3000
40
2500
30 2000
1500
20
1000
10
500
0 0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 10 15 20 25 30 35 40
Lemn placat Lemn pin/brad Lemn fag/stejar
Poliuretan Polistiren extrudat Polistiren expandat BCA Caramida Beton
Vata minerala Pluta BCA Piatra
Figura 11. Influențele izolației suprafeței Figura 12. Influențele structurii de rezistență
unitare de perete aspra fluxului de căldură a peretelui neizolat asupra fluxului de
unitar pierdut prin perete [W/m2perete] căldură pierdut prin peretii imobilului [W]
22
Diferențele în cazul utilizării uneia din cele 3 tipuri de acoperiș prezentate în Figura 13
se poate sesiza cel mai bine în cazul temperaturilor mici și foarte mici. Astfel, pentru acoperiș tip
terasă la temperatura de -20 pierderile calculate prin tavan sunt de 1294.66 W iar pentru
acoperișul izolat pierderile sunt de 647.33 W în cazul acelorași condiții exterioare.
În Figura 14 se observă că față de geamurile simple sau duble care prezintă pierderi
mari de căldură, geamul termopan reduce pierderile de la 65% (geam dublu) la aproximativ 50%.
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15
Acoperis terasa Acoperis simplu Acoperis izolat
Figura 13. Influențele tipului de acoperiș și a
Figura 14 Influențele relative ale tipului de
temperaturii exterioare asupra pierderii
geam asupra pierderii fluxului de căldură prin
fluxului de căldură prin tavan
transmisie
Dimensiunile imobilului (exemplu perimetrul în fig 15) sunt un factor important care
influențează liniar pierderile de căldură, insă acestea sunt considerați parametri ficși, fiind
modificate în funcție de utilitățile imobilului. Același lucru se poate spune și despre temperatura
interioară (Figura 16), numărul de locatari și temperatura apei calde (Figura 17)care sunt fixate
în funcție de necesitățile utilizatorului.
5000 6500
4500 6000
4000 5500
3500 5000
4500
3000
4000
2500
3500
2000
3000
1500 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
50 100 150 200 250 300
Figura 15. Influențele perimetrului impobilului Figura 16. Influențele temperaturii interioare
asupra pierderilor de căldură prin transmisie asupra pierderii de căldură totale
23
Datorită regimului termic al echipamentelor de încălzire cu sursel regenerabile de
energie s-a ales ca încălzirea apei la 60°C să se facă cu gaz sau cu biomasă, iar la 50°C să se facă
cu instalații de captare a energiei solare, geotermale și pompe de căldură. Astfel, din Figura 18
reiese că rentabilitatea utilizării surselor regenerabile de energie pentru a asigura sarcina termică
necesară se află undeva la 21-22 de ore de funcționare pe zi, justificându-se astfel cheltuielile de
instalare, construcție și întreținere a instalației, acestea putând fi amortizate într-un interval de
timp rezonabil. Spre exemplu, în 2 ore de funcționare pe zi o pompă de căldură consumă 6540.62
W, necesitând instalarea unui echipament pentru păstrarea temperaturii constante a apei în restul
zilei, ceea ce implică investiții suplimentare, iar în cazul funcționării timp de 22 de ore pe zi
pompa de căldură consumă 594.6 W, pauza de 2 ore se poate programa în timpul nopții.
1400 8000
1200 7000
1000 6000
5000
800
4000
600
3000
400
2000
200
1000
0
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Temperatura apei calde de 50 Celsius
Temperatura apei calde de 60 Celsius Biomasa+Gaz Solar+Geotermal+Pompe de caldura
Figura 17 Influențele numărului de locatari și Figura 18 Influențele duratei de funcționare a
a temperaturii apei calde asupra fluxului de echipamentelor de încălzire a acm asupra
căldură necesar încălzirii apei sarcinii termice a acestora.
3.1.4. Concluziile studiului efectuat
Studiul realizat cu ajutorul programului de calcul arată influența parametrilor asupra
necesarului termic al unei locuințe, evidențiind eficiența optimizării valorilor unora dintre ei în
vederea implementării unei instalații de încălzire bazată pe surse regenerabile de energie. Având
în vedere că investițiile în aceste echipamnte sunt foarte ridicate s-a urmărit justificarea
costurilor instalațiilor, pentru a putea fi amortizate într-un interval de timp rezonabil.
În concluzie, s-a constatat că primii 5 cm de material izolator au o influență decisivă
asupra necesarului termic împreună cu tipul structurii de rezistență și al geamului utilizat, acest
lucru fiind evidențiat în graficele din figurile 7, 8, 9 și 10, unde necesarul de căldură pentru apă
caldă are o valoare numerică constantă, însă valoarea procentuală crește relativ la pierderile
24
totale de flux termic odată cu micșorarea pierderilor prin transmisie și prin ventilație, aceasta
datorându-se conform graficelor modificării valorilor și tipurilor de materiale utilizate [6].
3.2. Programul de studiu
Cea de-a doua variantă aprogramului oferă posibilitatea unui studiu mai aprofundat a
influențelor parametrilor asupra ncesarului de flux termic al locuinței.
3.2.1. Prezentare generală program de studiu
Conform modelului matematic am elaborat un program pentru calculul bilanțului
termic, datele putând fi introduse de către utilizator printr-un formular generat de programul
„form.php” (Figura 19). Datele de intrare caracteristice parametrilor constructivi prezentate în
tabelele 6, 7 și 8, sunt introduse în unități uzuale, fiind transformate ulterior în unități
fundamentale de măsură pentru a putea fi utilizate în calcule.
Variabilele care intră în calcularea bilanțului termic sunt următoarele: temperaturile,
numărul de locatari, volumul de apă caldă necesar unei persoane, perimetrul, înălțimea și
suprafața casei, timpul necesarului de apă caldă cât și grosimile/tipurile straturilor componente.
Acestea putând fi alese în funcție de necesitățile fiecărui utilizator din interfața programului.
Însă, valorile date implicit au fost considerate a fi cele mai potrivite pentru a construi un imobil
cu consum energetic redus. Cât despre tipul geamurilor, al straturilor utilizate pentru structura
de rezistență și pentru termoizolație, valorile atribuite lor, și anume conductivitățile termice,
coeficienții de transfer termic global, afișate în tabelele 6, 7și 8, se află în spatele opțiunilor
afișate în interfață.
25
Figura 19.Interfața formularului
26
3.2.2.Rezultate obținute cu programul de studiu
Programul rulat din fișierul form.php realizează legătura între modelul matematic
prezentat și graficele reprezentate și este compus din două părți:
Prima referă introducerea datelor, calculul matematic și afișarea rezultatelor; se face
astfel:
• se introduc datele de intrare, variabilele și constantele în fișierul defin.php;
• se afișează variabilele în formularul form.php, pentru a oferi utilizatorului
posibilitatea de a alege pe cele care consideră a-i fi corespunzătoare conform Figurii 1;
• afișarea variabilelor, calcularea fluxului de căldură conform modelului
matematic și afișarea calculelor se realizează în contextul alegerii făcute de către utilizator, din
fișierul func.php. Afișarea valorilor variabilelor se face cu secvența de program:
foreach($_GET as $k => $v
echo($k . " = " . $v . "\r\n");
Afișarea valorile calculate ale fluxurilor de căldură conform modelului matematic se
face cu secvența:
$func=get_defined_functions();
foreach($func["user"] as $v)
echo($v . " = " . $v() . "\r\n");
A doua componentă a aplicației e menită să producă acele statistici care să poată scoate
în evidență unele caracteristici constructive în vederea creșterii performanțelor încălzirii
locuințelor și apei calde menajere. Astfel, aceste statistici sunt bazate pe alegerile utilizatorului,
variind unul sau mai mulți parametri aleși în raport cu posibilitățile oferite în formular. Din
categoria dependențelor multiple intră grosimile și tipurile de termoizolație și al structurilor de
rezistență, numărul de locatari, temperatura și volumul de apă caldăpe persoană. Trebuie precizat
că variabilele,(temperaturile, numărul de locatari, volumul de apă caldă necesar unei persoane,
perimetrul, înălțimea și suprafața casei, timpul în care este produsă apa caldă cât și
grosimile/tipurile straturilor componente) intră în calculul bilanțului termic, ajutând utilizatorul
să-și optimizeze singur performanțele încălzirii imobilului. Problema nu e rezolvată complet,
deoarece acest program ar fi putut să conțină și un calcul economic care ar fi adus încă un set de
parametri, necesari optimzărilor și în funcție de posibilitățile financiare ale utilizatorului.
Această statistică se concretizează prin grafice, în componența afișării rezultatelor
programului existând 2 tipuri de grafice, și anume:
27
a)grafice în care este reprezentată influența unei variabile asupra unei componente a
necesarului termic ca în figura 20, unde, pe axa X sunt valorile coeficientului de transfer termic
global asociate unui tip de geam scris lângă fiecare coloană în parte iar axa Y reprezentând
valorile fluxului de căldură pierdut prin geam relative la pierderile totale prin transmisie.
Figura 20. Pierderile prin geam
(W) funcție de tipul
geamului(W/m2K)
b)grafice pentru evidențierea dependențelor multiple.În acest caz problema se complică,
soluția aleasă fiind exemplificată în figura 3: date cumulate pe coloane; utilizatorul având
posibilitatea să aleagă 2 variabile din opțiunile disponibile pentru a fi reprezentate grafic, după
cum se poate vedea în graficele din figurile 23-28. Restul de variabile disponibile care nu sunt
alese spre a fi reprezentate grafic, primesc o valoare medie.
În figura 21 este redat un exemplu de tabel cu dependențe multiple împreună cu
opțiunile de alegere dintre acestea în vederea generării graficului, și anume tabelul rezultat
pentru variația dependenței fluxului de căldură pierdut în funcție de grosime și tipul structurii de
rezistență și termoizolator.
Utilizatorul alege așa cum arată în figura 22 din opțiunile date pentru axele X și Y, după
care apasă butonul „Diagram” pentru a i se genera graficul aferent alegerii făcute.
28
Figura 21.Tabel cu dependențe multiple
Maps
Button Plot
Figura 22.Schema generării graficelor
În casete sunt reprezentate valorile pierderilor de flux termic cu cifre de culoare roșie,
aceste casete având fond verde mai închis pentru valorile maxime și mai deschis pentru valorile
minime.
Figura 23.Fluxul de căldură pierdut
prin perete funcție de grosimea și tipul
straturilor izolatoare și de rezistență
29
Pentru reprezentarea influenței grosimii straturilor izolatoare și a conductivității termice
a tsraturilor de rezistență, în figura 23 sunt alese pe axa X valorile conductivității termice ale
structurii de rezistență iar pe axa Y grosimea stratului izolator, pentru a fi studiate în vederea
obținerii fluxului de căldură pierdut prin pereți.
În graficul din figura 24 este reprezentată variația fluxului de căldură pierdut prin tavan
(notate cu cifre roșii) în funcție de grosimea structurii de rezistență (axa X) și de grosimea
stratului termoizolator (axa Y).
Figura 24. Fluxul de căldură pierdut prin tavan
funcție de grosimea straturilor izolatoare
Figura 25. Fluxul de căldură pierdut prin podea
funcție de tipul straturilor izolatoare și de
rezistență
Prezentarea dependenței necesarului de căldură pentru încălzirea apei calde (cu roșu) în
funcție de volumul de apă caldă menajeră per persoană pe zi (axa Y) și de numărul de locatari
(axa X) se face în graficul din figura 28.
30
Figura 26 Fluxul de căldură pierdut pierdut
funcție de grosimea stratului izolator al
peretelui și al tavanului
Figura 27. Pierderi totale prin transmisie funcție de
tipul materialului de rezitență
Figura 28. Flux de căldură necesar încălzirii apei
menajere
31
3.2.3.Discuții asupra rezultatelor obținute
Se pune problema importanței studiului făcut. În construcția unei locuințe, spre
exemplu, oamenii tind să facă alegeri în ceea ce privește calitatea materialului pentru a beneficia
de un consum energetic redus cu un confort maxim și bineînțeles costuri cât mai mici. De aceea
este foarte important să cunoaștem modul în care influențează unii parametri, considerați mai
importanți, ceea ce se poate numi confortul maxim cu costuri cât mai mici.
Fluxul de căldură necesar încălzirii unui imobil și a apei calde menajere, după cum
reiese și din modelul matematic, are o valoare totală distribuită pe pierderile mai multor
componente, și anume: pereți, tavan, podea, geam, ventilare și apa caldă menajeră.
În continuare sunt prezentate rezultatele studiului efectuat cu ajutorul programului.
Serverul poate genera o multitudine de grafice (Ckn)în funcție de opțiunile făcute de utilizator ; în
cele ce urmează sunt discutate câteva dintre cele mai reprezentative pentru a analiza necesarul
termic.
Pierderile globale de flux termic
Pentru a discuta despre influențele procentuale ale fiecărui element în parte, s-au luat în
calcul variabilele conform figurii 19. Acestea sunt niște valori medii și uzuale. S-a constat că
pentru un flux termic total pierdut de 7300,39 W contribuția fiecărui component este: 18,95 %
flux termic pierdut prin tavan, 13,46 % prin podea, 7,14 % prin perete, 8,15 % prin geam, 42,94
% prin ventilare, 9,36 % pentru apa menajeră.
Graficele din figura 26 reprezintă o modalitate de a arăta cât influențează diferite
grosimi ale straturilor izolatoare din pereți și tavan(de la 0 la 40 cm) pierderile totale prin
transmisie. Aici variantele oferite fiind doar 3: grosime strat izolator perete, grosime strat
izolator tavan și grosime strat izolator podea. Figura 27 prezintă dependențele pierderilor totale
prin transmisie în funcție de tipurile de structuri de rezistență. Se poate observa conform celor 2
grafice că nu contează atât de mult tipul structurii de rezistență – diferențele între valoarea
maximă și cea minimă fiind mică- pe cât contează grosimea straturilor izolatoare – diferențele
fiind uluitoare.
32
1.Pierderile prin perete
În figura 24 am ales să reprezint fluxul termic pierdut prin perete în funcție de grosimea
stratului termoizolator și de conductivitatea termică a structurii de rezistență corespunzătoare
fiecărui tip de material în parte, din cele 4 variante oferite (Conductivitate termică rezistență,
Grosime strat rezistență, Conductivitate termică izolator și Grosime strat izolator). Astfel se
poate observa că diferențele în ceea ce privește pierderile de căldură de la o casă neizolată termic
(grosimea stratului izolator fiind 0) la o casă cu un strat mic de izolație (spre exemplu 1-6 cm)
sunt foarte mari, iar tipul de structură de rezistență optim ar trebui ales cel cu o valoare minimă a
conductivității termice, ceea ce corspunde, conform tabelului 3, lemnului placat(0.1 W/mK).
2.Pierderile prin tavan
În graficul din figura 25 combinațiile de parametri aleși diferă pentru a putea studia cum
influențează și care au efect mai mare asupra necesarului termic al unui imobil. Astfel că valorile
cele mai mici ale fluxului termic pierdut prin tavan sunt date grosimi maxime ale ambelor
straturi.
3.Pierderile prin podea.
În graficul din figura 26 combinațiile de parametri aleși diferă pentru a putea studia
cum influențează și care au efect mai mare asupra necesarului termic al unui imobil. Astfel că
valorile cele mai mici ale fluxului termic pierdut prin podea sunt date de tipul de strat izolator și
de rezistență care corespunde unei valori minime ale conductivității termice. Conform tabelului 2
această valoare corespunde termoizoalției numită poliuretan (0.018 W/mK).
4.Pierderi prin geam
Pentru a reprezenta dependența pierderilor de căldură prin geam în funcție de tipul de
geam ales, dintre cele 2 grafice (14 și 20)generate(Pierderi prin geam vs. tipul de geam și
Pierderi relative la transmisie (%) vs. material geam) am ales reprezentarea procentuală deoarece
este relevant pentru studiul influențelor pierderilor totale prin transmisie.
Astfel, cea mai favorabilă alegere, conform figurii ar fi Termopan triplu Kripton,
acestuia corespunzându-i un flux termic de 375 W calculat, și anume 36% din totalul de flux
termic pierdut prin transmisie. Valoarea transferului termic cu exteriorul relativ la fluxul pierdut
prin transmisie fiind mult mai mare pentru Geam simplu, 1875 W. În exemplul din figura 1 este
luat un tip de geam cu o configurație intermediară, și anume termopan simplu cu coeficientul de
transfer termic global de 1,4 W/mK, căruia îi corespunde un flux termic de 595 W, aceasta
reprezentând 8,15 % din totalul pierderilor de flux termic.
33
5.Pierderile prin ventilare
Aceasta reprezintă o componentă foarte importantă pentru că depinde în mod direct de
pierderile totale prin transmisie, și anume, dacă un imobil are o termoizolație maximă atunci se
impune instalarea unui sistem de aerisire, pentru ca geamurile sa nu mai fie deschise, pierderile
de căldură prin transmisie fiind minime atunci și necesarul de căldură pentru încălzirea aerului
ventilat este minim. Astfel se constată că pentru aerisirea unui imobil cu valorile parametrilor
date în figura 19 procentul de pierderi prin ventilare este majoritar.
6. Pierderile de căldură pentru încălzirea apei calde menajere
În figura 28 am ales să reprezint fluxul de căldură necesar încălzirii apei calde menajere
în funcție de numărul de locatari și de volumul de apă caldă per persoană, din lista de parametrii:
număr de locatari, temperatura apei menajere și volumul de apă caldă pe persoană. Se poate
observa că dependența este liniară.
3.2.4.Concluziile studiului efectuat
Conform algoritmului de calcul și de rezultatele afișate grafic, se poate observa că ceea
ce influențează cel mai mult pierderile de căldură din interiorul unui imobil sunt grosimile
straturilor componente și tipul de geam utilizat, însă nu se pot neglija și tipurile acestor straturi.
Pentru a întări această afirmație am luat ca și exemplu valorile parametrilor cele mai
mari disponibile, în ceea ce privește straturile izolatoare și ale structurii de rezistență. Acestea
corespund: pentru grosimea stratului izolator de 40 cm, pentru termizolație, cea mai bună alegere
fiind poliuretanul, iar pentru structura de rezistență, lemnul placat.În procente, din valorile
pierderilor totale, acestor parametri le corespunde:3,47 % prin tavan, 4,91 % prin podea, 4,78 %
prin perete, 14,57 % prin geam, 27,74% prin ventilare și 44,5 % pentru apa menajeră. Toate
acestea corespunzând unei valori calculate de 1224,79 W flux de căldură total pierdut.
Se poate observa o micșorare considerabilă a pierderilor prin elementele componente
ale casei, dar o creștere a procentelor de flux termic necesar încălzirii apei menajere. Având în
vedere că variabilele care intră în calculul matematic al pierderilor prin geam nu se pot modifica
( pentru a asigura același confort), precum nici valorile variabilelor legate de casă și de mediu,
putem să discutăm despre posibilitatea adaptării celorlalți parametrii, pentru a obține optimul
necesarului de flux termic. Astfel se urmărește limitarea la maxim a pierderilor prin transmisie și
prin ventilare.
34
Straturile mai groase de izolație se justifică în cazul utilizării surselor regenerabile de
energie sau dacă se urmărește minimizarea pierderilor de căldură. Aceste concluzii obținute prin
analiza rezultatelor furnizate de program, sunt în concordanță cu măsurile recomandate de
autoritățile din toate țările UE, dar și din România.
Daca se minimizează pierderile se poate reduce puterea termica a echipamentelor de
încălzire și se diminuează considerabil costurile, atât cele ale investiției în echipamentele de
încălzire, cât și cele de exploatare
În concluzie ordinea de interes pentru soluționarea optimă a alegerilor care urmează a fi
făcute, conform rezultatelor afișate, ar trebui să fie: structură termoizolatoare cu o grosime cât
mai mare, tipul termoizolației apoi grosimea și tipul materialului structurii de rezistență. Nu se
poate neglija de asemenea tipul geamului însă trebuie menționat că geamurile termopan cu geam
triplu prezintă costuri ridicate [5].
3.3. Calculul necesarului de căldură al locuinței cu ajutorul programului
3.3.1. Caracteristici ale unor
tipuri de locuințe
Am ales costrucția unei case pasive din punct de vedere energetic. Pentru aceasta, am
optimizat parametrii considerați în captura interfeței formularului din programul de calcul, din
figura 16.
În figura 29 se poate observa că pentru ca o casă să fie pasivă din punct de vedere
energetic sau cu consum energetic redus, valoarea coeficientului global de transfer termic trebuie
să fie 0,1-0,2 W/m2.K, iar grosimea stratului izolator de 36-39 cm. Astfel se alege pentru
construcția locuinței un strat termoizolator de 37 cm polistiren expandat cu coeficientul de
transfer termic gloabal (k) de 0,105 pentru toate elementele constitutive.
35
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5 `
0.4
0.3
0.2
0.1
0
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 24 28 32 36 38 40
Grosime termoizolatie [cm]
CPR CER Pereti Podea Tavan
Figura 29. Conductivitatea termică a CPE și CER
3.3.2. Descrierea imobilului
Conform studiilor efectuate cu ajutorul programului de calcul prezentat în paragrafele
precedente, am ales pentru locuința care urmează să fie proiectată acele componente cu
parametrii care să permită pierderi de căldură cât mai mici, în vederea implementării optime a
unui asistem de încălzire bazat pe surse regenerabile de energie.
Pentru parametii prezentați în cele ce urmează, s-a calculat un necesar termic de 2,64 kW.
Casele cu consum energetic redus necesită diferite nivele de sisteme de încălzire față de
clădirile convenționale. În acest caz se iau în cosiderare diferite criterii de evaluare cum ar fi
necesrul de energie primară, emisiile relevante de gaze cu efect de seră, costurile furnizării
energiei termice cât și criterii calitative.
Casele pasive din punct de vedere energetic sunt acele case echipate cu instalații și
termoizolații capabile să furnizeze confortul termic dorit atât vara cât și iarna, fără a utiliza
sisteme convenționale de încălzire. Standardul caselor pasive din punct de vedere energetic este
36
eficientizarea costurilor prin minimizarea consumului energetic, în același timp asigurând un
nivel ridicat de confort termic.
Conform graficului din figura 29 am ales pentru construcția locuinței luată in
considerare parametri corespunzători pentru atingerea standardelor cerute pentru o casa pasivă
din punct de vedere energetic cu scopul de a eficientiza și justifica utilizarea surselor
regenerabile de energie, și anume a instalațiilor solare, pe bază de combustibil solid regenerabil
și a pompelor de căldură pentru captarea energiei geotermale și solare.
Imobilul care urmează a fi studiat în vederea alegerii optime a sistemului de încălzire
optim, reprezintă o locuință unifamilială în care vor locui 4 persoane. Locuința este compusă din
3 dormitoare, bucătarie, living vestibul de acces și două băi.
Pereții exteriori sunt construiți din cărămidă cu grosimea de 20 cm, având înălțimea de
3.2 m, sunt tencuiți și vopsiți cu vopsea lavabilă culoare albastru. Aceștia sunt termoizolați cu
polistiren expandat de 37 cm.
Tavanul este construit dintr-un strat de beton de 20 cm, un strat de izolație termică
având grosimea de 37 cm polistiren expandat, peste care se mai aplică încă un strat de beton de
2cm. Se tencuiesc și se vopsesc cu vopsea lavabilă.
Podeaua este construită pe un suport de beton de 20 cm, cu un strat termoizolator de 37
cm din polistiren expandat, peste care se aplică un nou strat de beton de 2 cm. Finisajul în
bucătărie, vestibul de acces și în băi este compus din gresie glazurată, iar în dormitoare, living și
hol din parchet din lemn de brad.
Pereții interiori dintre dormitoare, hol, baie și bucătărie sunt construiți din cărămidă cu
grosimea de 12 cm, iar peretele dintre bucătărie și living, din plăci de rigips de 15 cm. Aceștia
sunt tencuiți și vopsiți în diferite culori.
Închiderile cuprind uși interioare, fiind alese cele din PVC, cu geam simplu, ușile
exterioare sunt din aluminiu cu geam termopan triplu iar ferestrele sunt realizate tot din aluminiu
cu geam termopan triplu.
37
3.3.3. Prepararea de apă caldă cu surse regenerabile de energie
Programul de calcul al necesarului de căldură al unei locuințe oferă posibilitatea alegerii
sistemului de încălzire dorit din variantele de funcționare pe gaz, biomasă, sisteme solare, pompe
de căldură și geotermal. Fiecare sistem poate asigura o anume temperatutră de încălzire a apei
calde menajere, datorită eficienței oferite în funcție de în funcție de prețul de cost al instalației și
al posibilității amortizării în timp al acestora [8]. Asfel, pentru sistemele de încălzire pe gaz și pe
biomasă temperatura apei de consum poate ajunge până la 60°C iar pentru sistemele solare,
geotermale și pompe de căldură, temperatura asigurată putând fii doar de 45°C. Această
temperatură este considerată a fi suficientă pentru uz caznic, astfel eficientizâdu-se sistemele cu
surse reînnoibile de energie. Conform standardelor germane DIN 4701 temperaturii de 60°C i-
am asociat un volum de apă asigurat de sistem de 35 litri/zi/persoană iar temperaturii de 45°C, un
volum de 50litri/zi/persoană. În cadrul softului de calcul aceste temperaturi cu volumele asociate
lor se află în spatele opțiunii surselor de încălzire, utilizatorul neavând posibilitatea de a le alege.
Astfel, pentru casa luată ca și exemplu cu un număr de 4 locatari, necesarul de apă caldă
menajeră pe zi pentru un sistem cu regim de 45°C este de 200 litri apă caldă pe zi.
Soluția oferită de firma germană Viessmann pentru acoperirea necesarului acestei
locuințe este reprezentată în figura 30.
Figura 30. Sistemul de preparare a apei calde menajere cu energie solară
38
CAPITOLUL IV
Soluții tehnice de încălzire utilizând surse regenerabile de energie
4.1.Utilizarea energiei solare
Dintotdeauna utilizăm căldura soarelui. Vara clădirile sunt încălzite direct de soare, iar
iarna utilizăm energia solară înmagazinată sub formă de lemne, cărbune, combustibil lichid si
gazos pentru încălzirea clădirilor si prepararea de apă caldă menajeră. Pentru un consum rațional
si economic al surselor de energie s-au căutat și dezvoltat căi în tehnica sistemelor de încălzire
care fac posibilă o utilizare responsabilă si conștientă a acestor resurse. O componentă
importantă a acestui deziderat o reprezintă utilizarea directă a energiei solare prin intermediul
colectorilor solari. Prin colectori foarte eficienți din punct de vedere tehnic si prin întregul sistem
adaptat la aceștia, utilizarea economică a energiei solare nu mai este o viziune de viitor, ci a
devenit o realitate evidentă în viata de zi cu zi. Având în vedere creșterea previzibilă a prețului
pentru combustibil în viitor, investiția într-o instalație solară se conturează ca o investiție „reală"
pentru viitor.
Radiația solară este un flux energetic care pornește de la soare uniform în toate di-
recțiile. La învelișul exterior al atmosferei terestre ajunge o putere de 1,36 kW/m2, așa numita
constantă solară[13].
39
4.1.1.Nivelul de insolație
Nivelul de insolație este cantitatea de energie solară care pătrunde în atmosferă și cade
pe suprafața pământului. Această cantitate de energie variază în funcție de latitudine, altitudine și
perioada anului [14]. Nivelul de insolație este de obicei exprimat ca medie anuală sau lunară, în
killowați/oră pe metru pătrat. Pentru a corela mai ușor această mărime cu consumul zilnic de
energie termică, nivelul de insolație se exprimă ca medie lunară în kWh/m2/zi.
4.1.2.Zonele de însorire
Nivelul de insolație se poate determina în funcție de locație cu ajutorul unor hărți de
insolație. O astfel de hartă, prezentată alături împarte țara noastră în trei zone principale de
însorire: zona 0 (>1250 kWh/m2/an), care coincide practic cu litoralul Mării Negre, zona I (1150-
1250 kWh/m2/an) care include în mare parte regiunile carpatice și subcarpatice și zona II (1000-
1150 kWh/m2/an), compusă în principal din regiunile de șes[14].
Figura 31.Nivelul de însorire al României
Această hartă (figura 31) reprezintă zonarea
României în funcție de nivelul mediu anual de insolație.
Valorile zilnice obținute împărțind valoarea medie anuală
la numărul de zile dintr-un an, reprezintă valori medii.
Dimensionarea unei instalații solare se poate face și la
valoarea medie anuală raportată la numărul de zile dintr-
un an, însă în acest caz instalația va produce căldură în exces pe perioada de vară.
40
4.1.3.Media lunară de însorire
Pentru o dimensionare economică a instalațiilor solare pentru apă caldă, este indicat să
se folosească nivelul mediu de insolație a lunilor martie – octombrie. Valorile medii lunare a
nivelului de insolație se pot extrage din tabele sau din grafice. Un astfel de grafic este prezentat
alături. Tabelele cu valori medii lunare nu diferă de grafice decât prin modul de prezentare a
informației. Folosind valorile tabelate se pot ridica grafice.
Figura 32.Valori medii lunare ale
insolației
Graficul din figura 32 reprezintă valorile medii lunare ale insolației pentru municipiul
București. În acest caz, valoarea medie a însolației lunilor martie – octombrie este de 4,56
kWh/m2/zi, media anuală fiind de 3,56 kWh/m2/zi. După cum se observă din grafic, valoarea
maximă este de 6 kWh/m2/zi. Dacă am dimensiona instalația ținând cont de media anuală, în
luna iulie aceasta ar produce un surplus de căldură de 70%. Comparativ, dacă dimensionăm
ținând cont de media lunilor martie – octombrie, surplusul de energie generat se reduce la 30%.
În cazul instalațiilor solare care furnizează și o parte din energia termică necesară
încălzirii spațiilor de locuit, dimensionarea se face la o valoare egală sau inferioară mediei
anuale. Surplusul de energie de pe perioada verii poate fi folosit la încălzirea apei dintr-o piscină.
41
4.1.4.Necesarul energetic
Necesarul energetic este cantitatea de energie necesară pentru a ridica temperatura unui
consumator cu o anumită valoare. Consumatorul de energie termică poate fi de exemplu un
boiler folosit la prepararea apei calde manajere, o clădire, o piscină, etc. Diferența de
temperatură se stabilește în funcție de cerințele fiecărei aplicații.
Figura 33.Necesarul energetic în timpul anului
Figura 34. Utilizarea energiei solare în timpul anului
42
4.1.5.Radiație globală
La penetrarea în atmosfera terestră, radiația solară înregistrează o pierdere în intensitate
datorită reflexiei, dispersiei si absorbției cauzate de particulele de praf si de moleculele de gaz.
Radiația care pătrunde nestingherită în atmosferă ajunge direct pe suprafața pământului este așa
numita radiație directă.
Partea din radiația solară care este reflectată sau absorbită de particulele de praf sau
moleculele de gaz ajunge la rândul său nedirectionată pe suprafața pământului; este așa numita
radiație difuză.
Radiația totală care ajunge pe suprafața pământului este radiația globală Eg, deci
radiația globală = radiația directă + radiația difuză. Pentru latitudinea geografică din zona Eu-
ropei de vest radiația globală în condiții normale (cer senin fără nori, la amiază) este max. 1 000
W/m2. Cu ajutorul colectorilor solari, în funcție de tipul acestora, poate fi captată până la cea 75
% din radiația globală.
Figura 35.Parametri care influențează captarea
energiei solare
A – radiație solară difuză;
B – radiație solară directă;
C – vânt, ploaie, zăpadă, convecție;
D – pirderi prin convecție;
E – pierderi prin transmisie;
F – radiație termică a captatorului;
G – radiație termică a acoperișului de sticlă;
H – putere utilă a colectorului;
K – reflexie.
43
Figura 36. Radiația solară (Wh/m2 .d)în decursul anului
4.1.6.Utilizarea energiei solare prin intermediul colectorilor solari
Energia solară utilă care se poate obține cu un colector depinde de mai mulți factori. Un
factor esențial îl reprezintă energia solară care este disponibilă în total.
Un rol important îl joacă de asemenea tipul colectorilor cât și înclinarea și orientarea
acestora. Pentru o utilizare eficientă a instalației solare este necesară și dimensionarea
corespunzătoare a componentelor sale.
44
4.1.7.Structura și funcționarea colectorilor.Tipuri de captatore solare
A. Colector plat
B.Colectori cu tuburi vidate cu circulație directă
C. Colector cu tuburi vidate pe principiul Heatpipe (tub termic)
4.1.8.Pompe de căldură
Pentru o utilizare indicată a căldurii mediului ambiant sunt disponibile sursele de
căldură sol, apă și aer. Toate reprezintă un acumulator de energie solară, astfel încât cu aceste
surse de energie se utilizează indirect energie solară[13].
Pentru utilizarea practică a acestor surse de energie trebuie respectate următoarele
criterii: -disponibilitate suficientă,
– capacitate cât mai mare de acumulare,
– nivel cât mai ridicat de temperatură,
– regenerare suficientă,
– captare economică,
– timp redus de așteptare.
Pompele electrice moderne de căldură, oferă posibilități tehnice efective pentru
economisirea de energie și reducerea emisiilor de C02. În cazul reducerii necesarului de căldură
prin izolație termică îmbunătățită, pompa electrică de căldură reprezintă o bună alternativă.
Adaptarea corectă a sursei de căldură și a sistemului de distribuție de căldură la regimul
de funcționare al pompelor de căldură, conduce la funcționarea sigură și economică a instalațiilor
de încălzire cu pompe de căldură.
45
Pompa de căldură oferă premisele tehnice necesare pentru a folosi eficient energia
solară sub formă de căldură ecologică pentru încălzire și preparare de apă caldă menajeră.
Pompa de căldură obține aproximativ trei sferturi din energia necesară pentru încălzire
din mediul înconjurător, iar pentru restul, pompa de căldură utilizează ca energie de acționare
curent electric. [16]Căldura ecologică – energie solară acumulată în sol, apă și aer – stă la
dispoziție în cantități nelimitate. Aceasta oferă posibilitatea pentru încălzire economică și
ecologică prin utilizarea căldurii ecologice (figura 43).
Figura 43.Încălzire economică și
ecologică
A – Energie de acționare (curent electric);
B – Căldură ecologică (sol, apă, aer);
C – Căldură pentru încălzire
Avantajele utilizării unei pompe de căldură:
-eficiența
De exemplu, pentru a încălzi o casă:
– În primul caz, se alege un sistem convențional de încălzire. Astfel, va consuma 100%
energie pentru a acoperi necesarul de căldură.
– În al doilea caz, se alege pompa de căldură. Astfel, va consuma numai 30%, tot atâta
energie cât să obțină același rezultat deoarece restul de energie pentru încălzire va fi luată din
mediul înconjurător natural în mod gratuit.
Cu alte cuvinte, când un sistem convențional de căldură folosește o unitate de energie,
pompa de caldură folosește doar 0.3 ceea ce permite o încălzire accesibilă din punct de vedere
financiar.
– prietenoasă față de mediul înconjurător: o sursă de energie curata si regenerabila.
Având în vedere că pompa de căldură consumă mai puțină energie, se reduce astfel poluarea care
rezultă din folosirea combustibililor convenționali. Combustibilii convenționali sunt cauza
emisiilor poluante cum ar fi dioxidul de carbon, oxizii de nitrogen si dioxidul de sulf. Oxizii de
nitrogen si dioxidul de sulf sunt în mod special neplăcuți- aceștia sunt o parte din cauza apariției
ploii acide si a anumitor probleme de respirație. Aceste gaze sunt monitorizate cu mare atenție de
autoritățile europene.
46
Pentru obținirea aceluiași rezultat, încălzirea unei case pe baza unei pompe de căldură
poate reduce poluarea cu oxizi de nitrogen cu 70% în comparație cu un cazan pe bază de
combustibili convenționali. În cazul dioxidului de sulf, reducerea poluării cu această substanță se
poate face cu până la 30%. Dioxidul de carbon este un gaz și mai "important" și constituie
subiectul celui de-al treilea "+".
– responsabilă față de mediul înconjurător: o metoda eficientă de a combate efectul de
seră
Dioxidul de carbon este unul dintre gazele responsabile pentru "efectul de seră". Este un
lucru deja bine știut în ziua de azi și anume că efectul de seră în creștere schimbă clima planetei
noastre. Este nevoie să se ia măsuri în acest sens și încă foarte urgent. Conferința Internațională
de la Kyoto a declanșat alarma și a fixat obiective privind reducerea gazelor implicate pentru
diferite țări. Pompa de căldură face pe deplin parte din politica de combatere a efectului de seră-
ba mai mult, este un aliat de nădejde în această luptă. De exemplu: în Franța, unde 1 kWh de
căldură produs cu gaz rezultă în echivalentul a 370g de dioxid de carbon, același 1 kWh de
căldură produs cu ajutorul unei pompe de căldură produce doar 60g de dioxid de carbon, adică
de 6 ori mai puțin. [16]
4.1.9. Funcționarea unei pompe de căldură
Modul de funcționare al pompei de căldură corespunde modului de funcționare al unui
frigider.
În cazul frigiderului, agentul de răcire scoate căldura cu ajutorul vaporizatorului, iar prin
intermediul condensatorului aparatului, aceasta se transferă în încăpere. în cazul pompei de
căldură, căldura se atrage din mediul înconjurător (sol, apă, aer) și se conduce la sistemul de
încălzire. Circuitul agregatului de răcire se realizează conform legilor fizice. Agentul de lucru,
un lichid care atinge punctul de fierbere la o temperatură redusă, se conduce într-un circuit și
consecutiv, se evaporă, se comprimă, condensează și se destinde (vezi figura 44).
Preluarea căldurii din mediul înconjurător
În vaporizator se află agent de lucru lichid la presiune redusă. Nivelul de temperatură al
căldurii ecologice din vaporizator este mai ridicat decât domeniul de temperaturi de fierbere
corespunzător presiunii agentului de lucru. Această diferență de temperatură conduce la o
47
transmitere a căldurii ecologice asupra agentului de lucru, iar agentul de lucru fierbe și
vaporizează. Căldura necesară se preia de la sursa de căldură.
Creșterea temperaturii în compresor
Vaporii rezultați din agentul de lucru se aspiră continuu din vaporizator de către
compresor și se comprimă. în timpul comprimării cresc presiunea și temperatura vaporilor.
Transferul de căldură la instalația de încălzire
Vaporii agentului de lucru ajung din compresor în condensatorul care este înconjurat de
agent termic. Temperatura agentului termic este mai redusă decât temperatura de condensare a
agentului de lucru, astfel încât vaporii se răcesc și se lichefiază (condensează) din nou.
Energia (căldura) preluată în vaporizator și suplimentar, energia electrică transferată
prin comprimare, se eliberează în condensator prin condensare si se transferă agentului termic.
Circuitul se închide
În continuare se recirculă agentul de lucru prin intermediul unui ventil de destindere în
vaporizator. Agentul de lucru trece de la presiunea ridicată a condensatorului la presiunea redusă
a vaporizatorului. La intrarea în vaporizator se ating din nou presiunea și temperatura inițială.
Circuitul este închis.
Figura 44. Circuitul pompei
de căldură
A-căldură ecologică
B-compresor
C-turul circuitului de
încălzire
D-returul circuituli de
încălzire
E-condensator
F-ventil de laminare
48
G-vaporizator
4.1.10. Tipuri de pompe de căldură
Aproape toate pompele de căldură sunt bazate fie pe compresia vaporilor, fie pe ciclu de
absorbție. Aceste două principii vor fi discutate pe scurt în cele ce urmează.
Teoretic, pompele de căldură pot fi obținute prin mai multe cicluri și procese
termodinamice. Acestea includ ciclurile Stirling și Vuilleumier, cicluri monofazate, sisteme de
sorbție solid – vapori, sisteme hibride (combinarea sistemului de compresie a vaporilor și a
ciclului de absorbție) și procesele electromagnetice și acustice. Unele dintre acestea sunt pe
punctul de a intra pe piață sau au ajuns deja la maturitatea tehnică și ar putea deveni importante
pe viitor.
Compresia vaporilor
Cea mai mare parte a pompelor de căldură funcționează pe principiul ciclului
compresiei vaporilor. Principalele componente ale acestor pompe sunt compresorul, valvele de
expansiune și cele două schimbătoare de căldură (vaporizatorul și condensatorul). Aceste
componente formează un ciclu închis, după cum se poate vedea în figura 45. Prin aceste
componente circulă un lichid volatil, cunoscut ca și fluid de lucru sau refrigerant.
În evaporator temperatutra fluidului de lucru lichid este menținută mai scăzută decât
temperatura sursei de căldură, făcâd căldura să curgă de la sursa de căldură la lichid, evaporâd
fluidul de lucru. Vaporii din evaporator sunt compresați la o temperatură și opresiune mai
ridicate. Vaporii fierbinți intră în condensator, unde se condensează și cedează căldură. În final,
fluidul de lucru aflat la presiune înaltă este condus la valvele de expansiune unde se destinde,
revenindu-și la forma inițială. Compresorul funcționează de obicei cu un motor electric (Figura
45), câteodată și cu motor de combustie internă (Figura 46).
49
Figura 45. Ciclu închis, copresia vaporilor cu
Figura 46.Ciclu închis, compresie cu motor cu
motor electric
combustie internă
Absorbția
Pompele de căldură care funcționează prin
absorbție sunt acționate termic, aceasta
însemnând că mai degrabă căldura este cea
care alimenteză ciclul și nu energia mecanică.
Pompele de căldură care funcționează prin
absorbție utilizate pentru ventilarea spațiului
funcționează pe bază de gaz, în timp ce
instalațiile industriale funcționează pe bază de
Figura 47.Pompă de căldură care
abur presurizat sau de pierderile de căldură
funcționează prin absorbție
Sistemele de absorbție utilizează capacitatea lichidelor sau a sărurilor de a absorbi
vaporii fluidului de lucru. Cele mai des utilizate combinații pentru sistemele de absorbție sunt:
• apă (fluid de lucru) și lithium bromide (absorbent);
• amoniu (fluid de lucru) și apă (absorbent).
În sistemele de absorbție, compresia fluidului de lucru se realizează termic într-un
circuit de soluție care este compus dintr-un absorbent, o pompă de soluție, un generator și o
valvă de expansiune după cum se poate vedea în figura 47. Vaporii de joasă presiune din
evaporator sunt absorbiți în absorbent. Acest proces generează căldură. Soluția este pompată la
presiune înaltă apoi intră în generator, unde fluidul de lucru este vaporizat cu ajutorul unei surse
externe de căldură la o temperatură înaltă. Fluidul de lucru (vapor) este condensat în condensator
în timp ce absorbentul este returnat în absorber prin valvele de expansiune.
Căldura este preluată de la sursa de căldură în evaporator. Căldura utilă este cedată la o
temperatură medie în condensator și în absorber. În generator, căldura la temperatură înaltă este
50
suplimentată pentru a funcționa în proces. O cantitate mică de energie ar putea fi utilizată pentru
funcționarea pompei soluției.
4.1.11. Variante de pompe de căldură
1.Varianta sol/apă
Sursa de căldură – Solul
Solul are proprietatea că poate acumula și menține energia solară pe o perioadă mai
lungă de timp, ceea ce conduce la un nivel de temperatură al sursei de căldură aproximativ
constant de-a lungul întregului an și astfel la o funcționare a pompelor de căldură cu indice de
putere momentan (randament) ridicat.
Căldura mediului ambiant este transmisă cu un amestec de apă și agent de protecție la
îngheț (apă sărată), al cărui punct de îngheț ar trebui să fie aproximativ -15 °C (se vor respecta
indicațiile producătorului). Astfel se garantează faptul că apa sărată nu va îngheța în timpul
funcționării. Preluarea de căldură din sol se realizează prin intermediul tuburilor din material
plastic cu suprafață mare montate în sol (vezi Figura 48). Tuburile din material plastic (PE) se
amplasează paralel, în sol, la o adâncime de 1,2 până la 1,5 m și în funcție de diametrul ales al
tubului, la o distanță de cea 0,5 până la 0,7 m, astfel încât pe fiecare m2 de suprafață de absorbție
să fie montat cea 1,43 până la 2,00 m de tub. Lungimea tuburilor nu trebuie să depășească o lun-
gime de 100 m, deoarece, în caz contrar, pierderile de presiune și astfel, puterea pompei ar fi
prea ridicate. Capetele tuburilor sunt introduse în colectoare pe tur si pe retur, care trebuie am-
plasate la un nivel mai ridicat decât tuburile, pentru a se putea aerisi întregul sistem de tuburi.
Fiecare tub se poate bloca separat.
Apa sărată se pompează prin tuburile din material plastic cu ajutorul unei pompe de
circulație; astfel, aceasta preia căldura acumulată în sol. Prin intermediul pompei de căldură se
utilizează căldura pentru încălzirea încăperilor. înghețarea temporară a solului în zona din jurul
tuburilor- de obicei în a doua jumătate a perioadei de încălzire – nu are efecte secundare asupra
funcționării instalației și asupra creșterii plantelor. Dar totuși, nu trebuie plantate plante cu rădă-
cini foarte adânci în jurul tuburilor pentru apă sărată.
Regenerarea solului încălzit se realizează deja, începând cu a doua jumătate a perioadei
de încălzire prin radiație solară și precipitații mai puternice, astfel încât se poate asigura faptul că
51
pentru perioada următoare de încălzire „acumulatorul" sol este pregătit din nou pentru încălzire.
Lucrările de săpături necesare, se realizează în cazul construcțiilor noi fără costuri suplimentare
foarte mari, dar în cazul construcțiilor deja existente, costurile sunt de regulă atât de ridicate
încât de cele mai multe ori se renunță la această variantă.
Cantitatea de căldură ce poate fi preluată din sol, depinde de diferiți factori. Ca sursă de
căldură este indicat pământul argilos umectat cu apă în mod corespunzător. Se poate considera o
putere de preluare a căldurii de qE = 10 până la 35 Watt pentru fiecare m2 suprafață a solului ca
valoare medie anuală pentru funcționare pe timp de un an (monovalentă). În cazul solului foarte
nisipos, puterea de preluare a căldurii este mai redusă. în caz de dubiu se solicită efectuarea unei
expertize a solului.
Din cauza faptului că pompele de căldură consumă mai puțină energie primară decât
sistemele convenționale de încălzire, acestea sunt o tehnologie importantă pentru reducerea
emisiilor poluante, cum ar fi dioxid de carbon (CO2), dioxid de sulf (SO2) și oxizii de azot
(NOx). Cu toate acestea, impactul total asupra mediului a pompelor de căldură depinde foarte
mult de cum este produsă electricitatea. Pompele de căldură care funcționează cu electricitate
provenită dintr-o hidrocentrală sau energie reînnoibilă reduce mult emisiile față de situația în
care energia necesară funcționării ei este generată de centralele electrice care funcționează pe
bază de cărbune petrol sau gaz.
Solul captează energia solară radiată. Energia este captată de sol, fie direct sub formă de
radiații sau indirect sub formă de căldură provenită de la ploi și din aer.
Căldura acumulată în sol se preia prin schimbătoare de căldură montate orizontal –
numite și colectori pentru sol – sau prin schimbătoare de căldură montate vertical – așa numite
sonde pentru sol.
Sondele și schimbătoarele de căldură se vor monta numai aproape de suprafața apei
freatice. Montarea sondelor și a schimbătoarelor de căldură la un nivel inferior al apei freatice nu
se aprobă de obicei, deoarece nu se poate preveni avarierea orizontului apei freatice. Astfel se va
proteja apa potabilă care se găsește la un nivel inferior [8].
52
A-pompă de căldură;
B-distribuitor de apă sărată;
C-colector orizontal amplasat în
sol;
D-Colector apă sărată;
E-Încălzire prin pardoseală
Figura 48. Sistem de încălzire cu pompă de căldură cu
colectori orizontali amplasați în sol
Datorită suprafeței mari necesare pentru montarea colectorilor orizontali pentru sol, este
dificilă realizarea chiar și în cazul locuințelor noi din motive de spațiu. în special în sălile
aglomerate, cu suprafețe foarte mici, spațiul este limitat. Din acest motiv în prezent, se montează
cu preponderentă sonde verticale de căldură pentru sol, care se pot introduce la adâncimi de 50
până la 150 m. Se utilizează diferite modele tehnice și modalități de instalare. Sondele sunt
fabricate de obicei din tuburi de polietilenă. De regulă se montează patru tuburi paralele (sondă
cu tub dublu cu profil U). Apa sărată curge în jos din distribuitor în două tuburi și este recirculată
în sus, prin celelalte două tuburi spre colector. O altă variantă este formată din tuburi coaxiale cu
un tub interior din material plastic pentru alimentare și un tub exterior din material plastic pentru
recircularea apei sărate.
Sondele de căldură pentru sol se montează, în funcție de model, cu utilaje de foraj sau cu
utilaje de înfigere prin batere. Pentru aceste tipuri de instalații este necesară o aprobare de la
organele competente.
Numeroase instalații cu pompe pentru sonde de căldură pentru sol funcționează de mulți
ani fără a prezenta vreo defecțiune și sunt preferate de utilizatori. Conform măsurătorilor
efectuate, în condiții hidrogeologice bune, mai ales în cazul în care există apă freatică curgătoare,
este posibilă funcționarea monovalentă a pompelor de căldură fără răcirea pe timp îndelungat a
solului. Premisa pentru proiectarea și montarea sondelor de căldură pentru sol o reprezintă
cunoașterea exactă a caracteristicilor solului, a stratificării, a rezistentei pământului cât și
existența apei freatice și a apei stratificate cu determinarea nivelului de apă și a direcției de
curgere. La o instalație cu sonde de căldură pentru sol, în condiții hidrogeologice normale, se
poate porni de la o putere medie a sondelor de 50 W/m pe lungime de sondă (conform VDI 640).
53
Figura 49. Instalație de pompă de căldură cu
sonde pentru sol
În cazul în care sonda se află într-o rocă permeabilă pentru apele freatice, se pot realiza
puteri de extracție mult mai mari.
2.Varianta apă/apă
Sursă de căldură – apă freatică
Apa freatică este un bun acumulator pentru căldura solară. Chiar și în zilele reci de iarnă
se menține o temperatură constantă de +7 până la+12 °C. Acest fapt reprezintă un avantaj.
Datorită nivelului de temperatură constant al sursei de căldură, indicele de putere al
pompei de căldură se menține de-a lungul întregului an ridicat. Din păcate, apa freatică nu se
găsește în cantități suficiente în toate zonele și nu are o calitate corespunzătoare. Dar acolo unde
condițiile permit, merită să se utilizeze acest sistem.
în cazul apelor freatice fără conținut de oxigen, dar cu conținut ridicat de fier și mangan
se îngălbenesc puțurile. în aceste cazuri, apa freatică nu trebuie să vină în contact cu aerul sau
trebuie tratată corespunzător. În general, calitatea apei trebuie să corespundă valorilor limită
menționate în tabelul următor, diferențiată în funcție de materialele folosite în schimbătoarele de
căldură oțel inoxidabil (1.4401) și cupru. Dacă se respectă aceste valori limită, atunci
funcționarea puțurilor va fi fără probleme.
Utilizarea apei freatice trebuie aprobată de către organele competente (de obicei Regia
de apă). Pentru utilizarea căldurii trebuie realizat un put aspirant si un put absorbant (puț
drenant).
54
Chiar și lacurile și râurile sunt indicate pentru obținerea de căldură, pentru că ele
acționează de asemenea ca acumulatoare de căldură. în acest caz trebuie proiectat un circuit
intermediar. Referitor la posibilitățile de utilizare a apei vă va informa Regia de apă.
Pompele de căldură sistem apă/apă utilizează capacitatea de căldură din apa freatică, din
anumite ape de suprafață sau din apa de răcire.
Pompele de căldură pentru apă freatică/apă ating indici de putere ridicați. Temperatura
apei freatice se menține de-a lungul întregului an la o valoare aproximativ constantă de 7 până la
12 °C. De aceea, pentru încălzire, nivelul de temperatură trebuie ridicat relativ puțin în com-
parație cu alte surse de căldură. Este însă recomandabil – acest fapt este valabil numai pentru
case cu unul sau două apartamente – ca apa freatică să nu fie pompată de la adâncimi mai mari de
cea 15 m. Costurile pentru instalația de foraj ar fi în acest caz mult prea ridicate. Pentru instalații
industriale sau instalații mari, se poate fora si la adâncimi mai mari.
Extracția și recircularea trebuie să se realizeze în direcția de curgere a apei freatice,
pentru a se evita un „scurtcircuit".
Figura 50. Instalație de pompă de
căldură pentru apă freatică
A-Puț absorbant;
B-Puț cu pompă;
C-Pompă de căldură;
D-Încălzire prin pardoseală;
E-Direcția de curgere a apei freatice
Între extracție (put cu pompă) si recirculare (puț absorbant) trebuie să se mențină o
distanță de cea 5 m. La amplasarea puțurilor cu pompă și absorbante trebuie să se țină cont de
direcția de curgere a apei freatice. Puțul absorbant trebuie astfel realizat, încât scurgerea apei să
se realizeze sub nivelul apei freatice.
Cu ajutorul unei pompe de transport se transportă apa freatică spre vaporizatorul pompei
de căldură. Acolo se transmite căldura, agentului de lucru respectiv agentului de răcire, care se
evaporă. Apa freatică se răcește, în funcție de dimensionare, cu până la 5 K, dar proprietățile sale
nu se modifică. în continuare, se transportă din nou spre apa freatică prin intermediul unui puț
55
absorbant. în funcție de calitatea apei poate avea sens realizarea unei separări a conductelor între
puț și pompa de căldură. Conducta de alimentare si de evacuare a apei freatice spre pompa de
căldura trebuie protejată la îngheț și amplasată cu pantă spre puț.
3. Varianta aer/apă
Surse de căldură – aerul
Pompele de căldură sistem aer/apă se pot utiliza în prezent, la fel ca si pompele de
căldură pentru sol și apă freatică pe durata întregului an. În clădiri construite conform
standardelor în vigoare, pompa de căldură sistem aer/ apă poate funcționa monovalent sau mo-
noenergetic în combinație cu o rezistentă electrică.
Sursa de căldură aer, este foarte ușor de obținut si este disponibilă peste tot în
cantități'nelimitate.
Prin aer se înțelege în acest context utilizarea aerului din exterior. Nu se acceptă
utilizarea ca sursă de căldură în clădiri de locuit a aerului din interior pentru încălzirea
locuințelor. Aceasta se poate realiza numai în cazuri speciale, ca de exemplu în cazul utilizării de
Figura 51. Instalație cu
pompe de căldură pentru aer/apă
căldură recuperată în firme de producție si în industrie. în cazul pompelor de căldură pentru aer,
dimensionarea sursei de căldură se stabilește în funcție de tipul constructiv si de dimensiunea
aparatului. Cantitatea necesară de aer este dirijată de către un ventilator încorporat în aparat, prin
canale de aer, către vaporizator, care extrage căldura din aer.
56
Pe lângă regimul de funcționare monova-lent sau monoenergetic, pompele de căldură
sistem aer/apă pot funcționa și bivalent. La temperatură exterioară scăzută scade puterea termică
a pompei de căldură, concomitent însă, crește necesarul de căldură.
În cazul în care instalațiile ar funcționa monovalent, atunci ar fi necesare instalații foarte
mari. Atunci, pentru marea parte a timpului de funcționare, pompa de căldură ar fi
supradimensionată.
Din considerente economice și tehnice, pompa de căldură sistem aer/apă poate fi
dimensionată pentru cea 70 până la 80 % din necesarul maxim de căldură. Până la punctul de
bivalență al instalației pompa de căldură preia întregul necesar de căldură utilizat. Sub punctul de
bivalentă, pompa de căldură ridică temperatura pe retur a sistemului de încălzire, iar al doilea
generator de căldură încălzește în continuare. Dimensionările se realizează conform diagramelor
de putere din fișa tehnică.
4.Varianta aer,sol/apă
Surse de căldură- captatori masivi
Captatorii masivi sunt din beton și de obicei sunt legați la aer și la pământ, adică aceștia
preiau energie din radiațiile solare, căldură din aer și din sol (vezi figura 52). Legarea la pământ
se realizează prin intermediul unui mic colector îngropat. Aceștia sunt concepuți pentru legarea
unei' pompe de căldură sistem sol/apă. De regulă, este posibilă funcționarea monovalentă. Pentru
dimensionare, determinantă este puterea din timpul nopții, adică pentru o funtionare sigură,
captatorii masivi nu trebuie să fie încălziți de soare. Radiația solară absorbită mărește încă o dată
efectivitatea. La alegerea locului pentru montarea captatorului masiv, trebuie să se țină cont și de
acest fapt. Deasupra captatorilor masivi se pot planta plante. Figura 52 indică sistemul de încăl-
zire cu captatori solari. Energia de la soare, din aer și din sol se preia prin intermediul
captatorului masiv, se acumulează și când este necesar, se transmite în locuință prin intermediul
unui circuit de apă sărată si a unei pompe de căldură. Încălzirea apei menajere se realizează se-
parat sau de asemenea cu ajutorul pompei de căldură [8].
57
Figura 52. Instalație cu captatori
masivi
5.Varianta cu vaporizare directă din sol
Sursa de căldură – solul
Acest sistem de vaporizare directă din sol funcționează la fel ca și cel sol/apă, numai că
agentul de lucru este apa preluată din pânzele freatice care nu mai cedează căldura agentului de
lucru, ci este adusă la o presiune mare direct în compresor crescându-i temperatura. Vaporii de
apă rezultați din compresor ajung în condensator, acesta fiind înconjurat de agent termic.
Temperatura agentului termic este mai redusă decât temperatura de condensare a agentului de
lucru, astfel încât vaporii se răcesc și se lichefiază (condensează) din nou. Căldura preluată în
vaporizator și suplimentar, energia electrică transferată prin comprimare, se eliberează în con-
densator prin condensare si se transferă agentului termic. În continuare agentul de lucru (apa)
este evacuat în pânzele freatice.
58
4.2. Utilizarea combustibilului solid regenerabil
Crescând cerințele pentru protecția mediului, crește necesitatea utilizării surselor
regenerabile de energie. În consecință, câștigă popularitate producerea căldurii și a electricității
de la soare, utilizarea energiei din mediu prin dezvoltarea pompelor de căldură și a combustiei
lemnului ca și sursă reînnoibilă în boilerele moderne cu combustibil solid. Indiferent dacă se vrea
arderea lemnului tot timpul sau doar ocasional, există în cataloagele Viessmann oserie de boilere
care să corespundă cerințelor utilizatorului. Spre exemplu firma Viessmann produce mai multe
tipuri de cazane: Vitolog 100 – boiler pe lemne, Vitolog 200 – boilere care funcționează prin
gazificarea lemnului, Vitolog 300 – boiler pe peleți de lemn.
Lemnul ca și combustibil este neutru din punct de vedere al emisiei de CO2 deoarece
produce atât CO2 cât este absorbit de plante. Cu atât mai mult, lemnul este disponibil și ușor de
preparat pentru ardere.
Boilerele moderne bazate pe combustibil solid utilizează foarte eficient energia din lemn.
Acestea sunt construite în așa fel încât o mare cantitate de căldură este trasferată încălzirii apei,
iar izolarea termică a clădirilor păstrează pierderile de căldură la minim. Când este folosit în
combinație cu un boiler pe gaz sau petrol, se poate opta pentru care dintre combustibili să fie
utilizați, reducând astfel dependența de un singur tip de combustibil.
4.2.1. Tipuri de cazan
Cazan pe lemne
Firma Viessmann fabrică boilerele pe lemne care produc de la 12.7 la 14.8 kW. Acestea
au o cameră de combustie mare care asigură combustia pe un interval de timp mai lung; grilajul
răcit cu apă și controlul ventilării aerului preîncălzit asigură utilizarea optimă a combustibilului.
59
Figura 53. Exemplu de cazan pe lemne
Avantajele utilizării acestui tip de boiler sunt:
• Au o capacitate de la 12,7 până la 14,8 kW;
• Buștenii utilizați pot să aibă până la 33 cm lungime;
• Valoarea estimată a capacității de output este de până la 14,8
kW;
• Grilajul răcit cu apă și controlul suplimentului secundar de
aer preîncălzit asigură optimizarea utilizării combustibilului;
• Permit utilizarea oricărui tip de coș cu tiraj natural;
• Permit instalare rapidă și utilizare simplă;
• Permit instalarea unui buncăr de alimentare mai mare pentru intervale de timp mai mari
ale combustiei;
Alimentarea simplă printr-o ușă largă frontală;
• Aerisire secundară preîncălzită și controlată, pentru completă, curată, nepoluantă.
Suprafețele de încălzire secundare fiind mari, dirijarea efectivă a gazului păstrând
temperatura scăzută a gazului, asigură de asemenea utilizarea eficientă a combustibilului. Din
cauza grilajului de dirijare a apei, temperaturile înalte produse de baza incandescentă sunt
utilizate complet. Apa caldă curge spre peretele inferior al boilerului prin grilajul de tuburi, unde
se amestecă cu apa rece de retur astfel crescând temperatura de retur și prevenind coroziunea
boilerului.
Cazan cu lemn gazeificat
Exemplu de boiler care funcționează pe bază de lemn gazeificat este dat în figura 54,
produs de firma Viessmann. Acesta are o eficiență de 13 până la 40 kW și permite alimentarea
cu bușteni până la 50 cm lungime, așchii sau brichete din lemn printr-un buncăr larg. Perioada de
pănă la 12 ore de combustie garantează intervale lungi între reîncărcări succesive. Sistemul unic
automat asigură temperatura necesară camerei de combustie pentru a atinge optimul în 3 minute.
60
Figura 54. Exemplu de cazan cu lemn gazeificat
Avantajele oferite de acest tip de boiler sunt
următoarele:
• Permite alimentarea simplă cu bucăți de lemn de
pănă la 50 cm, cu așchii sau cu brichete;
• Produce de la 13 la 40 kW;
• Permite automatizarea procesului de încălzire pentru
disponibilul de căldură pe minut;
• Optimizarea procesului de combustie prin controlul
automat al outputului: cu o eficiență de până la 92%,
cât și emisiilor;
• Prezintă un sistem digital de control și
autodiagnostic;
• Buncăre de alimentare mari care permit perioade mari de combustie de până la 12 ore fără
reîncărcare;
• Curățarea simplă, mecanică suprafețelor de încălzire.
Extragerea oxigenului din interiorul buncărului înseamnă că bucățile de lemn ard mai
degrabă fără flacără. De vreme ce oxigenul necesar arderii a fost înlăturat nu există flacără.
Viteza variabilă de aspirare a exhaustorului asigură cantitatea corectă a gazelor ghidate din
încălzitor spre camera de combustie ceramică. Aici este îmbogățit cu oxigen printr-un disc
rotativ de ventilare. Se realizează astfel o ardere curată a gazului la temperaturi înalte, chiar și la
încărcare parțială.În funcție de necesități, producerea gazului combustibil poate fi reglată astfel
încât valoarea outputului să fie de la 50% la 100%, cu o eficiență maximă de 92%, emisiile fiind
foarte scăzute.
Acest boiler are și o unitatea de control digitală dotată și cu un sistem de autodiagnostic,
cu ajutorul căreia se reglează combustia.
61
Cazan cu peleți
În figura 55 este reprezentat tipul de boiler Vitolog 300 pe băză de peleți de lemn
produs de firma Viessmann cu un output de 5 până la 26 kW. În ceea ce privește avantajele și
controlabilitatea nu diferă foarte mult de sistemele de încălzire pe combustibili convenționali
datorită modulării outputului și a controlului digital. Modulația este influențată de viteza
variabilă de aspirare a exhaustorului astfel încât puterea poate fi ptrivită necesarului de căldură.
Figura 55.Exemplu de cazan cu peleți
Avantajele utilizării acestui tip de boiler
sunt următoarele:
• Are o capacitate de 5 până la 26 de kW;
• Este la fel de controlabil ca și sitemele de
încălzire pe combustibili convenționali
datorită în principal modulării outputului și a
controlului digital;
• Are o eficiență a combustie de până la 95%;
• Permite automatizarea completă a alimentării
cu peleți;
• Are o unitate de control digital cu
monitorizare automată;
• Suprafețele de încălzire se curăță automat,
eliminându-se cenușa.
Un buncăr de 150 litri alimentează cu peleți printr-un sistem complet automatizat.
Conținutul buncărului de peleți ar trebui să dureze până la două zile. Un exhaustor de aer cald
asigură inflamarea automată în camera de ardere rezistentă la temperaturi înalte.
Suprafețele de încălzire sunt curățate automat, iar cenușa din camera de ardere este
îndepărtată automat. Dacă arderea este optimă, atunci reziduurile de cenușă sunt minime.
62
CAPITOLUL V
Calcule de alegere a componenetelor instalației
63
5.1. Determinarea suprafeței de captare și a capacității de acumulare de apă
caldă menajeră
5.1.1. Capacitatea de acumulare de a.c.m. (acumulator pentru circuitul solar)
Întreaga capacitate de acumulare (capacitatea acumulatorului de pe circuitul solar +
capacitatea boilerului) trebuie să fie dimensionate de la 1.5 la 2 ori mai mare decât necesarul pe
zi:
Se recomandă în acest caz un boiler pentru preparare de apă caldă menajeră Viessmann
Vitocell-B 100 cu capacitate de 300 litri (figura 55).
Figura 55. Secțiune prin boilerul Vitocell B 100
Încălzirea cu energie solară se dovedește mai puțin avantajoasă în
comparație cu prepararea de apă caldă menajeră. Perioada în care radiația
solară este mai intensă este decalată temporal față de perioada în care se
înregistrează un necesar maxim de energie termică pentru încălzire, în timp
ce consumul de căldură pentru prepararea de apă caldă menajeră este relativ
constant în timpul întregului an, în perioada cu consum maxim de căldură
pentru încălzire, energia solară care stă la dispoziție este foarte mică (vezi
diagramă). Pentru a asigura prin energie solară măcar o parte din căldura
necesară pentru încălzire, suprafața de captare trebuie să fie relativ mare. În felul acesta pot să se
producă pe timp de vară fenomene de stagnare pe circuitul solar. Din punct de vedere hidraulic,
instalațiile pentru încălzire parțială pot fi completate în mod simplu prin instalarea unui boiler
pentru preparare de apă caldă menajeră cu acumulare de agent termic pentru încălzire.
64
5.1.2. Suprafața de captare
Pe baza condițiilor meteorologice ca de exemplu radiația globală anuală, gradul de
înnorare etc, se fac estimări suficient de exacte pentru practică. Pentru a obține informații
detaliate în legătură cu cotade căldură acoperită prin energie solară pentru prepararea de apă
caldă menajeră, se recomandă pe baza acestor estimări efectuarea unui calcul
Determinarea suprafeței necesare de colectare
5.2. Calculul de alegere al pompelor de căldură și al colectorilor
5.2.1. Alegerea pompei de căldură
Deoarece pentru casa luată în considerare pierderile de căldură sunt de 2.64 kW am ales
pompa de căldură a firmei Viessmann, cu cea mai mică capacitate termică, și anume 4,8 kW,
Vitocall 300 tip BW 104, cu sistem de captare a energiei tip sol/apă, deoarece am considerat că
are cea mai mare eficiență din toate punctele de vedere, se poate adapta pentru colectori
orizontali, vericali dar și pentru sistemul apă freatică-apă sau aer-apă.
Date tehnice pentru Vitocall 300
Pompă de căldură sistem sol/apă cu acționare electrică pentru încălzire și preparare de
apă caldă menajeră în instalații de încălzire monovalente sau bivalente.
Carcasă tratată cu rășini epoxidice, cu dispozitive de închidererapidă. Silențioasă și fără
vibrații datorită compresorului cu două rânduri de rulmenți, inclusiv elemente de susținere
fonoabsorbante [8].
Agent de răcire fără freon, neinflamabil R 407 C (amestec de agent de răcire compus
din 23 % R 32, 25 % R 125 și 52 % R134a).
65
Schimbător de căldură în plăci din oțel inoxidabil, asamblat prin lipire cu cupru, pentru
circuitul de încălzire și schimbător de căldură în plăci din oțel inoxidabil, asamblat prin lipire cu
cupru pentru circuitul de apă sărată. Cu tablou de comandă integrat, rabatabil.
Cu automatizare digitală CD 50, comandată de temperatura exterioară pentru instalații
cu pompe de căldură cu 1 treaptă cu un circuit de încălzire fără vană de amestec și un circuit de
încălzire cu vană de amestec.
Cu dispozitiv pentru reglarea temperaturii din boilerul de apă caldă menajeră și pentru
comanda unui generator suplimentar de căldură (de exemplu cazan pe combustibil lichid/gazos).
Figura58. Pompa de căldură Vitocall 300 BW 104
Comandă prin meniu cu text ajutător care depinde de regimul de funcționare, ca afișare
textuală, cu sistem de diagnosticare și mesaj de avarie ca afișare textuală. Cu senzor de
temperatură exterioară și senzor de temperatură pe retur.
sau
Cu automatizare digitală CD 60, comandată de temperatura exterioară pentru instalații
cu pompe de căldură cu 2 trepte cu un circuit de încălzire fără vană de amestec și max. două
circuite de încălzire cu vană de amestec.
Cu dispozitiv pentru reglarea temperaturii pentru două boilere de apă caldă menajeră și
pentru comanda a două generatoare suplimentare de căldură. Comandă prin meniu cu texte
ajutătoare care depind de regimul de funcționare, ca afișare textuală, cu sistem de diagnosticare
și mesaj de avarie ca afișare textuală. Cu senzor de temperatură exterioară și senzor de
temperatură pe retur.
66
Eficiența termică impusă pentru Vitocall 300
Cu o pompă de căldură se poate mări, prin alimentarea cu energie mecanică,
temperatura surselor de căldură neutilizabile ca de exemplu aerul, apa freatică, solul. Pentru a
obține un indice de putere momentan ridicat, se tinde să se atingă o temperatură minimă pe tur,
de exemplu 35 °C, la încălzirea prin pardoseală. Cantitatea mai mare de căldură, cea cu care, de
exemplu se alimentează o instalație de încălzire, nu provine de la energia de acționare a
compresorului, ci este în principal energie solară, care se acumulează pe cale naturală în aer, în
sol și în apă.
Un principiu general valabil pentru toate pompele de căldură este: cu cât este mai mică
diferența de temperatură între temperatura apei calde și temperatura sursei de enrgie cu atât
eficiența termică este mai mare. Din acest motiv pompele de căldură sunt corelate cu sistemele
de încălzire de joasă temperatură, spre exemplu încălzirea prin pardosea care necesită o
temperatură de 27°C.
67
5.2.2. Dimensionarea colectorilor
5.2.2.1. Dimensionarea colectorilor orizontali
Figura 59. Transfer de căldură din sol
Căldura este preluată prin intermediul colectorilor de suprafață sau a sondelor pentru
sol. Căldura este transmisă de către sol spre circuitul auxiliar (circuit de apă sărată), care
transmite căldura agentului de lucru în pompa de căldură conform schemei din figura 59.
Figura 60. Variația anuală de temperatură
în sol
Variația de temperatură în sol
68
Temperatura variază în stratul superior în funcție de anotimp conform graficului din
figura 60. Imediat ce se coboară sub nivelul de îngheț, aceste variații sunt mult mai reduse.
Dimensionarea colectorilor
5.2.2.2. Dimensionarea sondelor pentru sol
5.3. Ventilarea și recuperarea căldurii
Sistemul de ventilare al clădirilor pasive energetic, are în primul rând rolul de a asigura
aerul proaspăt necesar menținerii parametrilor de calitate a aerului interior. În clădirile pasive
energetic, schimbarea aerului viciat, nu se realizează prin aerisire ci prin intermediul unui sistem
eficient de ventilare.
69
CAPITOLUL VI
Calculul termic al pompei de căldură
6.1.Generalități despre agenții de lucru ai pompelor de căldură
Pentru a permite funcționarea ciclică apompelor de căldură, agenții termodinamici din
acestea, preiau căldură prin vaporizare și cedează caldură prin condensare, la temperaturi scăzute
sau apropiate de ale mediului ambiant, deci trebuie să fie caracterizate de unele proprietăți
particulare, care îi deosebesc de agenții termodinamici din alte instalații.
Propritățile agenților de lucru:
• Să nu fie poluanți – este cunoscut faptul că unii agenți de lucru clasici și anume cateva
tipuri de freoni, contribuie la distrugerea stratului de ozon al stratosferei terestre;
• Presiunea de vaporizare trebuie să fie apropiată de presiunea atmosferică și ușor
superioară acesteia, pentru a nu apare vidul în instalații;
• Presiunea de condensare trebuie să fie cât mai redusă , pentru a nu apare pierderi și
pentru a se realiza consumuri energetice mici în procesele de comprimare impuse de
funcționarea acestor instalații;
• Căldura preluată de un kilogram de agent, prin vaporizare trebuie să fie cât mai mare,
pentru a se asigura debite masice reduse;
70
• Căldura specifică în stare lichidă trebuie să fie cât mai mică, pentru a nu apare pierderi
mari prin ireversibilități interne, în procesele de laminare adiabatică;
• Volumul specific al vaporilor trebuie să fie cât mai redus, pentru a se obține dimensiuni
de gabarit reduse ale compresoarelor;
• Să nu prezinte pericol de inflamabilitate, explozie și toxicitate.
Pentru a nu se utiliza denumirile chimice complicate ale acestor substanțe, agenții
frigorifici au fost denumiți freoni, sunt simbolizați prin majuscula R, (de la denumirea în limba
engleză – Refrigerant) și li s-a asociat un număr care depinde de compoziția chimică.
În cazul pompelor de căldură CFC-urile evoluează în circuit închis în sisteme etanșe,
meputând să ajungă în atmosferă decât în cazuri de avarie. La ora actuală înaintea oricărei
intervenții tehnice, este obligatorie recuperarea agentului frigorific din instalații, fiind interzisă
eliberarea acestuia în atmosferă.
Firma Viessmann, de la care am ales pompa de căldură, utilizează ca și agent de lucru
(frigorific) pentru pompa de căldură freonul R407C. Acesta este un amestec ale altor 3 freoni:
HFC-32/HFC-125/HFC-134a, cu participațiile volumice: 23/25/52. R407C a fost creat ca un
substituent care nu distruge stratul de ozon pentru înlocuirea agentului frigorific R22
în aerul condiționat casnic și într-o mare varietate de sisteme frigorifice.
În vederea realizării calculelor termice ale ciclurilor după care funcționează pompa de
căldură este necesară determinarea valorilor parametrilor termodinamici ai agentului utilizat, în
stările caracteristice. Se pot utiliza în acest scop tabele și diagrame termodinamice. În continuare
sunt prezentate valorile parametrilor termodinamici ai freonului R407C în stări de saturație –
tabelul 14, respectiv în stări de vapori supraîncălziți – tabelul 15. Aceste tabele le-am obținut cu
ajutorul programului de calcul CoolPack.
O altă metodă pentru determinarea mărimilor de stare ale agenților de lucru este
utilizarea diagramelor termodinamice, care permit determinarea acestor mărimi pe cale grafică și
în plus au avantajul că permit reprezentarea și studierea ciclurilor termodinamice ale pompei de
căldură. Cea mai utilizată diagramă termodinamică este diagrama presiune – entalpie, cu valorile
presiunii reprezentate în scară logaritmică. În figura 65, 66 și 67 este reprezentată diagrama lgp-h
pentru R407C, realizate tot cu ajutorul programului CoolPack.
Figura 65 reprezintă ciclul termodinamic real al proceselor de lucru pentru încălzirea
prin pardosea cu pompa de căldură Vitocal 300 tip BW 104 cu sonde pentru sol, figura 66
procesele de lucru pentru încălzirea prin pardosea cu pompă de căldură cu colectori orizontali,
iar figura 67 prezintă termodinamic real al proceselor de lucru pentru încălzirea apei calde
menajere, ambele pentru condițiile concrete prezentate în capitolele precedente.
71
Tabelul 14 Valori ale parametrilor termodinamici la saturație pentru R407C
Tabelul 15 Valori ale entalpiei vaporilor supraîncălziți pentru R407C
72
Figura65 Reprezentarea proceselor de lucru in diagrama lgp-h pentru încălzirea prin pardosea
cu sonde
Figura66. Reprezentarea proceselor de lucru in diagrama lgp-h pentru încălzirea prin pardosea
cu colectori orizontali
73
În aceste grafice pentru vaporizator a fost reprezentată o ușoară supraîncălzire a
vaporilor (de 5ºC) în vederea protecției compresorului prin evitarea aspirației picăturilor de
lichid, iar în condensator a fost luată în considerare o subrăcire a lichidului în vederea măririi
eficienței pompei de căldură.
Figura67. Reprezentarea proceselor de lucru în diagrama lgp-h pentru obținerea apei calde
menajere
6.2. Determinarea condițiilor de lucru
6.2.1. Regimul termic al vaporizatorului în cazul utilizării sondelor pentru sol
74
6.2.2. Regimul termic al vaporizatorului în cazul utilizării colectorilor
amplasați în sol
6.2.3.Regimul termic al condensatorului pentru încălzirea prin
pardosea
6.1.4. Regimul termic al condensatorului pentru încălzirea apei calde
menajere
6.2. Calculul termic al întregului ciclu
În acest cazse pune problema alegerii unei soluții optime care să asigure încălzirea
locuinței cât și apei calde menajere, cu o investiție minimă în echipamente cu costuri de
exploatare scăzute dar și posibilitatea amortizăzii în timp cât mai scurt a investiției.
Pentru a asigura încălzirea locuinței și a apei menajere, în cazul utilizării doar a pompei
de căldură, aceasta ar implica un consum energetic mai mare. În acest caz soluția cea mai bună
este utilizarea unui sistem format din pompa de căldură Vitocal 300 BW104 cu sonde amplasate
în sol 1×75 DN 32×3, în combinație cu panoul solar Vitosol 300 care să suplimenteze necesarul
de căldură pentru încălzirea apei împreună cu boilerul Vitocell 100, toate trei produse de firma
Viessmann, conform figurilor 77. Rezultatele centralizate ale calculului termic în vederea
alegerii soluției optime sunt afișate în tabelul 16.
75
Tabelul 16. Centralizarea calculelor termice
Regim de funcționare Eficiența termică ε Temperatura de încălzire Puterea consumată
t [ºC] P[kW]
Încălzire pardosea cu 5.64 27 0.4667
sonde
Incălzire pardosea cu 4.96 27 0.532
colectori plani
Incălzire apă caldă 4.024 45 0.656
menajeră
76
CAPITOLUL VII
Analiza comparativă a eficienței economice
Calculul necesarului de biomasă
Calculul costurilor anuale pentru încălzirea locuinței și a apei calde menajere
Calculul necesarului de energie electrică
77
2003826
1522356
1446614.4
1348644
1271769.84
489687
Gaz Peleti Brichete(fag) Lemn (fag) P.C. cu colectori P.C. cu sonda
Figura 76. Analiza comparativă a costurilor lunare ale energiei
Din diagramă se observă că pentru pompa de căldură cu sonde costurile lunare
energetice nu sunt cele mai mici, însă acest sistem este de preferat în comparație cu cazanul pe
lemne, deoarece acesta din urmă nu permite automatizarea, iar emisiile de CO2 sunt eliminate.
78
Concluzii
Conform studiului realizat cu ajutorul programului am evidențiat eficiența optimizării
valorilor unora dintre parametrii caracteristici anvelopei clădirii în vederea implementării unei
instalații de încălzire bazată pe surse regenerabile de energie. Având în vedere că investițiile în
aceste echipamnte sunt foarte ridicate s-a urmărit justificarea costurilor instalațiilor, pentru a
putea fi amortizate într-un interval de timp rezonabil.
Componentele sistemului de încălzire, ventilarea locuinței și încălzirea apei calde menajere
alese conform calculelor sunt produse de firma Viessman și anume: panoul solar Vitosol 300,
pompa de căldură Vitocall 300 BW 104, boilerul pentru acumularea apei calde menajere Vitocell
B 100, sistemul de ventilare Vitovent 100 și sondele pentru sol pentru colectarea energiei
geotermale.
Sistemul de încălzire trebuie să asigure atât încălzirea locuinței cât și a apei calde
menajere, existând o diferență de temperatură între cele două cazuri. Am ales ca pompa de
căldură să asigure confortul termic din imobil, iar pentru apa caldă menajeră încălzirea este
asigurată de panourile solare. În perioadele mai puțin însorite sau călduroase ale anului necesarul
termic pentru încălzirea apei se face cu o rezistență electrică.
Această combinație este mai eficientă din punct de vedere economic deoarece se
diminuează costurile lunare pentru încălzire.
Amplasarea sistemelor de încălzire cu surse regenerabile de energie sunt prezentate în cele
ce urmează.
79
Perspective de viitor
Pierderile minime de căldură prin transmisie și ventilație presupun o investiție
consistentă în structura de rezistență, stratul izolator și geamurile casei. Luând în considerare că
stadiul actual al softului face un studiu asupra necesarului de căldură, se poate oferi și o soluție
economică pentru optimizarea fluxului termic.Există posibilitatea calculării costurilor care
implică anvelopa clădirii cât și a echipamentelor componente sistemului de încălzire.
Această lucrare oferă soluții privind alegerea sistemului de încălzire însă există
posibilitatea proiectării detaliate ale componenetelor sale.
80
Prezentarea instalației
Figura 77. Vedere de ansamblu a casei cu sondă
81
Figura 78. Vedere de ansamblu a casei
82
Figura 79. Panourile solare
83
Figura 80. Instalția de încălzire a locuinței, a apei calde menajere și sistemul de ventilare
84
Figura 81. Pompa de căldură și boiler
85
Figura 82. Pompa de căldură
86
Figura 83. Boilerul
87
Figura 84. Încălzirea prin pardosea
88
Figura 85. Sistemul preparare a apei calde menajere
89
Figura 86. Sistemul de ventilare cu recuperare a căldurii
90
Figura 87. Vedere sistem de ventilare
91
Figura 88. Sistemul de încălzire al locuinție și al apei calde menajere
92
Bibliografie
1. JÄNTSCHI Lorentz Free Software Development. 1. Fitting Statistical Regressions, Leonardo
Journal of Sciences, Ed. AcademicDirect, Internet, Issue 1, p. 31-52, 2002.
2. JÄNTSCHI Lorentz, Monica ȘTEFU, Mihaela Ligia UNGUREȘAN Free Software
Development. 2. Chemical Database Management, Leonardo Electronic Journal of Practices and
Technologies, Ed. AcademicDirect, Internet, Issue 1, p. 69-76, 2002;
3.KUZMAN Ražnjević Tabele și diagrame termodinamice, Ed. Tehnică Bucharest 1978.
4. MĂDĂRĂȘAN Teodor și BĂLAN Mugur, Termodinamică tehnică, Ed. Sincron Cluj-Napoca
1999;
5.PODAR Margareta – Emilia Software for Study of a Household Heating Flux Requirement,
International Conference on Automation, Quality&Testing, Robotics (THETA 15), Junior
Section, Cluj-Napoca ;
6.PODAR Margareta – Emilia Studiul necesarului de căldură al locuințelor: implementarea
sistemelor de încălzire cu surse regenerabile de energie, Sesiunea de comunicări științifice a
studenților, Facultatea de Mecanică, Cluj-Napoca ;
7. COMISSION OF THE EUROPEAN COMUNITIES, Comunication from the Comisiion:
Biomass Action Plan, Brussels 7.12.2005;
8.OXFORD PAPERBACK Dictionary Thesaurus & Word Power Guide, Oxford UNIVERSITY
PRESS, 2001
9.Dicționar Tehnic Englez – Român, EDITURA TEHNICĂ, București 2004;
10.***Viessmann Technical guide
11.***STAS 1907/1,2 Calculul necesarului de căldură
12.*** http://www.viessmann.de/
13.*** http://www.heatpumpcentre.org/About_heat_pumps/
14.***www.pompedecaldura.ro
15.***http://www.solaria.ro/
16.***http://www.solara.ro
17.***http://www.harta-alba-iulia.ro/
18.*** http://www.php.net/manual/en/
93
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Studiul Sistemului de Incalzire a Unei Locuinte cu Consum Energetic Redus Si Utilizarea Surselor Regenerabile de Energie (ID: 161197)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.