INSTALAȚIE PENTRU ÎNCĂLZIREA ȘI CONDIȚIONAREA AERULUI, ÎNTR-O PENSIUNE TURISTICĂ MONTANĂ, UTILIZÂND SURSE REGENERABILE DE ENERGIE [301405]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE ENERGETICĂ

ȘI MANAGEMENT INDUSTRIAL

Domeniul: INGINERIE INDUSTRIALĂ

Programul de studiu: [anonimizat]-O [anonimizat]: Absolvent:

Ș.l.dr.ing. Barla Eva Mihuța Robert Nicușor

ORADEA

2016

Cuprins

CAP.I. INTRODUCERE…………………………………………………………………..5

I.1. Clasificarea imobilelor în care se pot utiliza surse regenerabile de energie……………………5

I.2. Descrierea imobilului (amplasament, dimensiuni, desene)………………………………………….8

I.3. Parametrii climatici……………………………………………………………………………………………….11

I.4. Prezentarea soluțiilor tehnice care se pot utiliza pentru încălzire și climatizare…………….14

CAP.II. SURSE DE ENERGIE REGENERABILE INTEGRATE ÎN ENERGETICA CLĂDIRILOR DE LOCUIT………………………………………….18

II.1. Influența stratului de izolație………………………………………………………………………………..19

II.2. Calculul necesarului de caldură și de frig………………………………………………………………20

II.2.1. Necesarul de caldură………………………………………………………………………………………..20

II.2.2. Necesarul de frig pentru restaurant…………………………………………………………………….20

II.3. Degajări de umiditate (raport de termoumidificare), reprezentarea în diagrama h-x a aerului umed…………………………………………………………………………………………………………….21

CAP.III. SOLUȚII TEHNICE DE ÎNCĂLZIRE / CONDIȚIONARE UTILIZÂND SURSE REGENERABILE DE ENERGIE……………………22

III.1. Utilizarea energiei solare…………………………………………………………………………………….22

III.2. Cazan cu combustibil solid regenerabil…………………………………………………………………27

III.3. [anonimizat]………………………………………………………………………………………………………………………….30

CAP.IV. SOLUȚII DE ÎNCĂLZIRE ȘI CONDIȚIONARE A AERULUI BAZATE PE SURSE REGENERABILE DE ENERGIE ADAPTATE PENSIUNILOR TURISTICE………………………………………………………….33

IV.1. Capacitatea minimă de acumulare a apei calde menajere……………………………………….33

IV.2. Calculul suprafeței necesare de captare și a numărului de colectori solari………………..34

CONCLUZII…………………………………………………………………………………………………………..46

BIBLIOGRAFIE…………………………………………………………………………….51

ANEXE………………………………………………………………………………………….60

Capitolul I

INTRODUCERE

1.1 Structura și justificarea elaborării proiectului

În momentul de față la nivel mondial, principala sursă energetică aproximativ 70 % se obține din arderea combustibililor: cărbune, petrol, gaze naturale, însă acestea sunt epuizabile iar arderea lor produce mari cantități de CO2. O a doua parte o constituie energia obținută în centralele nucleare și hidrocentrale. O treime din energia produsă este utilizată pentru încălzire și producerea de apă caldă menajeră[37].

În ritmul actual de creștere a consumului de combustibili clasici este nevoie să fie găsite surse energetice mai ieftine. Totodată începe să se observe tot mai mult efectul negativ al utilizării combustibililor clasici cum ar fii emisiile de agenți poluanți de tip Nox și CO2 sau amplificarea efectului de seră. De aceea este importantă implicarea specialiștilor în identificarea și promovarea de noi tehnologii și aplicații privind utilizarea resurselor energetice neconvenționale.

În cazul construcțiilor care utilizează surse regenerabile de energie mai ales, este deosebit de importantă eficientizarea energetică prin reducerea pierderilor de caldură, fapt realizabil cu ajutorul materialelor termoizolante cu conductivitate termică redusă utilizate atât în izolarea exterioară și cât și la cea interioară a pereților.

Lucrarea este structurată în patru capitole, concluzii rezulate din analiza utilizării resurselor regenerabile în paralel cu cele clasice la încălzirea și climatizarea spațiilor de cazare și auxiliare din cadrul pensiunilor turistice, anexe precum și lista bibligrafică consulatată pentru elaborarea acesteia.

În aplicația de bază a proiectului am propus o configurare personalizată a instalației de încălzire într-o pensiune turistică montană, utilizând și aportul surselor regenerabile de energie de tipul celei solare și a celei chimice obținută din arderea combustibilului solid de tipul biomasei.

Funcționarea acesteia se bazează pe conversia radiației solare în căldură și utilizarea acesteia apoi pentru încălzirea apei din instalația interioară. Pentru perioadele în care intensitatea radiației solare nu este suficient de mare se utilizează pentru încălzirea apei un cazan care funcționează cu combustibil solid regenerabil (lemn brut și peleți din reziduri lemnoase).

1.2. Clasificarea imobilelor în care se pot utiliza surse regenerabile de energie

De mare actualitate sunt analizele și intervențiile legate de economia de energie în condițiile asigurării unui confort corespunzător. Acest aspect a fost denumit ca fiind eficientizarea energetică a clădirilor[37]. În paralel cu reducerea necesarului de energie, se realizează două obiecte importante ale dezvoltării durabile și anume, economia de resurse primare și reducerea emisiilor poluante în mediul înconjurător.

Eficientizarea energetică a clădirilor reprezintă o prioritate de prim rang, având în vedere slaba calitate a majorității construcțiilor existente, fie vechi, fie ieftine. Pe de altă parte, costurile legate de reabilitarea termică a unei clădiri sunt mai mici decât costurile legate de instalarea unei capacități suplimentare de energie termică pentru încălzire. În România, consumurile energetice pentru sectorul populației sunt la nivelul a circa 40 % din consumul total de energie al țării, iar ponderea aceasta s-a constatat mai mult sau mai puțin peste tot în lume. În procesele de propagare a căldurii se urmărește fie determinarea energiei termice maxime care poate fi transmisă prin unitatea de suprafață, fie obținerea randamentului optim de utilizare a unor surse de căldură, sau reducerea la minium a trecerii unui flux termic printr-o anumită suprafață[37].

Fenomenele de transmitere termică sunt variabile în timp, ele fiind și fenomene ireversibile, deoarece diferența de temperatură care intervine nu poate fi niciodată infinit mică[3][10][11][37].

Mecanismele sau modurile de transfer al căldurii sunt: conducția termică, convecția termică și radiația termică. Fluxul de căldură prin anvelopa unei clădiri se poate realiza prin unul, două sau toate cele trei moduri combinate[37].

Conducția termică poate fi văzută ca transferul de energie de la particulele cu energie mai ridicată, aparținând corpului sau regiunii cu temperatură mai ridicată, către particulele cu energie mai coborâtă, aparținând corpului sau regiunii cu temperatură mai scăzută. Transferul propriu zis se realizează prin interacțiunea dintre particule. Ea mai reprezintă și transportul direct al căldurii în interiorul aceluiași corp material[37]. Apare într-un mediu staționar, fie el solid, lichid sau gazos prin transferul de energie icroscopică de la particulele componente (molecule, atomi) cu viteze mari spre cele cu viteze mici, ca urmare a ciocnirilor inerente dintre particule. Ca urmare, conducția termică se realizează mai bine prin solide si lichide decât în gaze, unde densitatea de particule este scăzută[37].

Materialele izolatoare termic au adesea o structură poroasă, cu spații umplute cu aer, reducând astfel fluxul de căldură prin anvelopă. Proprietatea materialelor de a transfera căldură prin conducție se numește conductivitate termică, iar valorile ei sunt dependente de temperatură. În literatura de specialitate sunt prezentate valori sau expresii de calcul prin conductivitatea termică a majorității materialelor utilizate în inginerie.

Convecția termică este o transmitere de căldură microscopică[37]. Apare între o suprafață și un fluid în mișcare, realizandu-se prin acțiunea combinată a conducției termice prin fluid și a mișcării microscopice de ansamblu a fluidului. Aceasta din urmă este în mare parte responsabilă de transportul de energie microscopică între suprafața și fluid. Într-o încăpere neizolată, de exemplu, aerul (culege) căldura de la peretele cald, apoi circulă, ajugând la peretele rece prin care ea se pierde. O parte a căldurii se transferă și prin amestecarea aerului cald cu aer rece. Convecția termică este de două feluri: convecție forțată, atunci când mișcarea fluidului este impusă cu mijloace mecanice (cu pompe, ventilatoare, etc) sau naturale (vânturile); și convecție naturală, atunci când mișcarea fluidului se naște natural din diferențele de densitate generate de diferențele de temperatură locale (fluidul mai cald urcă, iar cel rece coboară, formându-se așa numiții curenți convectivi)[37].

Radiația termică este radiația electromagnetică emisă de toate corpurile aflate în stare condensată, la temperaturi mai mari de 0 K. Ea este generată de agitația termică a constituenților substanței (atomi, electroni, ioni) care sunt în același timp purtători de sarcini electrice[10][11][37]. Ea mai reprezintă și calea de transmitere a căldurii sub formă de energie radiantă (sub forma undelor electromagnetice), ca urmare a modificărilor intervenite în configurația electronică a corpului emitor. Radiația termică se manifestă la orice nivel de temperatură și spre deosebire de conducție și convecție, nu necesită un mediu transportor. Sunt situații în care radiația termică este mică, chiar neglijabilă, în comparație cu celelalte moduri de transfer (la diferențe mici și medii de temperatură), sau sunt situații în care radiația termică este dominantă (la diferențe mari de temperatură, precum radiația incidentă de la soare, sau pe timp de noapte spre spațiul atmosferic îndepărtat).

Într-o clădire principalele tipuri de pierderi de energie se pot urmări în figura 1.1[37].

Fig. 1.1. Repartizarea pierderilor de energie la o construcție[37]

Controlul fluxului de caldură prin anvelopă se realizează prin intermediul unui material izolator termic, care învelește anvelopa clădirii pentru a-i reduce pierderile de caldură spre exterior. Consumul de energie termică pentru încălzire, cu referire la energia primară la nivelul sursei termice, depinde, atât de sarcina termică a consumatorului, cât și de performanțele de ansamblu ale instalației dar și de caracteristicile constructive și funcționale ale elementelor componente[37].

Clasificarea construcțiilor în funcție de cerințele energetice se poate efectua astfel[37]:

fără izolație termică;

cu izolație rudimentară;

termoizolație normală

case cu termoizolație bună;

case cu consum energetic redus;

case pasive energetic;

Capitolul II

SURSE REGENERABILE DE ENERGIE INTEGRATE ÎN ENERGETICA CLĂDIRILOR DE LOCUIT

2.1 Tipuri de energii regenerabile

Emisia gazelor cu efect de seră reprezintă o amenințare serioasă în ceea ce privește producerea schimbărilor climatice, cu efecte potențial dezastruoase asupra omenirii. Utilizarea surselor regenerabile de energie (SRE), împreună cu îmbunătățirea eficienței energiei (EE), pot contribui la reducerea consumui de energie, la reducerea emisiilor gazelor cu efect de seră și, în consecință, la prevenirea schimbărilor climatice periculoase1 . Potențialul neutilizat de biomasă, energie solară, hidro, eoliană și geotermală este încă important. Cu toate acestea, în ultimii ani, datorită unor mecanisme financiare de suport, cum ar fi mecanismul feed-in-tariff sau cel de acordare a certificatelor verzi, în multe țări europene acest sector s-a dezvoltat progresiv[37]. UE a adoptat o strategie proprie de luptă împotriva schimbărilor climatice, prin adoptarea unui plan pentru creștere durabilă, Europa 2020, în care a stabilit un set de obiective ambițioase în domeniul energiei (așa numitele obiective 20-20-20). Drumul către o economie cu emisii scăzute de carbon înseamnă dezvoltarea unui sector public local capabil să identifice și să sprijine oportunitățile economice. În particular, sectorul public local poate juca un rol strategic ca administrator al teritoriului și aplicant final al politicilor publice[37]. De aceea, în domeniul energiei durabile, este esențială consolidarea cunoștințelor angajaților din sectorul public local. Acesta este obiectivul cheie al acestui manual: întărirea compențelor și abilităților în domeniul planificării și managementului SRE[37].

Energia regenerabilă este energia care provine din resurse naturale, cum ar fi lumina soarelui, vantul, ploaia, mareele si din caldura geotermala, care sunt regenerabile (completate in mod natural). O resursa neregenerabilă este o resursa naturala, care nu poate fi reprodusa, cultivata, generata sau utilizata pe o scara care poate sustine rata de consum. Odata epuizata nu mai este disponibila pentru nevoile viitoare. De asemenea, resursele neregenerabile sunt resursele care sunt consumate mult mai repede decat natura le poate crea, ca de exemplu combustibilii fosili (cum ar fi carbunele, petrolul si gazele naturale), energia nucleara (uraniul) si anumite exemple acvifere. Minereurile metalifere sunt primele exemple de resurse non-regenerabile.

În conditiile concrete din Romania, în balanta energetică se iau în considerare urmatoarele tipuri de surse regenerabile de energie[32][37]:

– energia solară – utilizata la producerea de caldura prin metode de conversie pasiv a sau activa sau la furnizarea de energie electrica prin sisteme fotovoltaice;

– energia eoliană – utilizata la producerea de energie electric a cu grupuri aerogeneratoare;

– hidroenergia – centrale hidroelectrice cu o putere instalata mai mica sau egala cu 10 MW ("hidroenergia mica"), respectiv centrale hidro cu o putere instalata mai mare de 10 MW ("hidroenergia mare");

– biomasa – provine din reziduuri de la exploatari forestiere si agricole, deseuri din prelucrarea lemnului si alte produse; biogazul este rezultatul fermentarii in regim anaerob a dejectiilor animaliere sau de la statiile de epurare orasenesti;

– energia geotermală – energia înmagazinata în depozite și zacaminte hidrogeotermale subterane, exploatabilă cu tehnologii speciale de foraj si extractie.

În sectorul energetic din majoritatea statelor europene s-au produs transformări majore determinate de necesitatea creșterii sigurantei in alimentarea cu energie a consumatorilor, iar in cadrul acestei cerinte sursele regenerabile de energie oferă o solutie viabila, inclusiv aceea de protectie a mediului înconjurator.

Siguranta alimentarii cu energie a consumatorilor din statele membre ale Uniunii Europene este asigurata în mod obligatoriu prin luarea în considerare a importurilor, in conditiile liberalizarii pietei de energie si in conformitate cu nevoia stringenta de atenuare a impactului asupra mediului climatic planetar[37].

În paragrafele următoare se vor prezenta succint caracteristicile surselor regenerabile de energie adaptabile temei de proiect cu excepția utilizărilor energiei solare căreia i-a fost alocat un paragraf distinct:

2.2. Biomasa

2.2.1 Cracateristicile energetice ale biomasei

Biomasa reprezintă componentul vegetal al naturii. Ca formă de păstrare a energiei Soarelui în formă chimică, biomasa este unul din cele mai populare și universale resurse de pe Pământ. Ea asigură nu doar hrana, ci și energie, materiale de construcție, hârtie, țesături, medicamente și substanțe chimice[37]. Biomasa este utilizată în scopuri energetice din momentul descoperirii de către om a focului. Astăzi combustibilul din biomasă poate fi utilizat în diferite scopuri – de la încălzirea încăperilor până producerea energiei electrice și combustibililor pentru automobile[37].

Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor din agricultură, inclusiv substanțele vegetale și animale, silvicultură și industriile conexe, precum și partea biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane. (Definiție cuprinsă în Hotărârea nr. 1844 din 2005 privind promovarea utilizării biocarburanților și a altor carburanți regenerabili pentru transport). Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceasta include absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului[37][38].

Biomasa este ansamblul materiilor organice nonfosile, în care se înscriu: lemnul, pleava, uleiurile și deșeurile vegetale din sectorul forestier, agricol și industrial, dar și cerealele și fructele, din care se poate face etanol. La fel ca și energiile obținute din combustibilii fosili, energia produsă din biomasă provine din energia solară înmagazinată în plante, prin procesul de fotosinteză[37].

Principala diferență dintre cele două forme de energie este următoarea: combustibilii fosili nu pot fi transformați în energie utilizabilă decât după mii de ani, în timp ce energia biomasei este regenerabilă, putând fi folosită an de an[37][38].

2.2.2 Instalații de încălzire cu tilizarea biomasei ca sursă primară de energie

Sistemele de încalzire cu biomasă utilizează materii vegetale și organice, precum lemnul, rezidurile agricole si chiar deseurile urbane in scopul generarii de caldură[38]. Această caldură poate fi transportata si utilizata acolo unde se cere, pentru incalzirea si ventilarea cladirilor individuale sau in retea si chiar în procesele industriale. Sistemele de incalzire cu biomasa sunt diferite fata de combustia conventionala realizata in sobe pe lemn sau in seminee, prin controlul amestecului de aer si de biocombustibil in scopul maximizarii randamentului si minimizarii emisiilor. Ele includ si un sistem de distributie care transporta caldura de la locul combustiei la beneficiar. Multe sisteme de incalzire cu biomasa includ un mecanism de alimentare automata cu biomasa. În figura 2.1 se prezintă o centrală termică de capacitate mica de încalzire cu lemne amplasată într-o cameră specifică.

Ca forme de valorificare energetică a biomasei în conformitate cu rezultatele studiului din literatura de specialitate[37], mentionez:

– arderea directă cu generare de energie termică.

– arderea prin piroliză, cu generare de singaz (CO + H2).

– fermentarea, cu generare de biogaz (CH4) sau bioetanol (CH3-CH2-OH)- în cazul fermentării produșilor zaharați; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, în amestec cu benzina, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă.

– transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool și generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) și glicerol. În etapa următoare, biodieselul purificat se poate arde în motoarele diesel.

– degradarea enzimatică a biomasei cu obținere de etanol sau biodiesel. Celuloza poate fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivați glucidici, care pot fi ulterior fermentați la etanol.

Fig. 2.1 Centrală termică montată în cameră specială

Încalzirea cu biomasa nu este o nouă. Din cele mai vechi timpuri oamenii utilizeaza sobe si cuptoare alimentate cu lemn pentru a se încalzi. Dezvoltarea sistemelor de incalzire cu biomasa cu alimentare automata a inceput in anii 70 ai secolului trecut, ]n Scandinavia[38], atunci cand pretul petrolului a explodat. Astazi exista o multime de sisteme care functioneaza la scara mondiala si care utilizeaza diferite biomase. Cu toate acestea multi specialisti in incalzire cat si publicul larg nu sunt informati asupra rentabilitatii, eficacitatii si fiabilitatii sistemelor de incalzire cu biomasa. Din cauza problemelor asociate emisiilor de gaz cu efect de sera, recent accentul a fost pus pe inlocuirea combustibililor conventionali cu surse de energie care se regenereaza, ceea ce a determinat cresterea interesului pentru sistemele de incalzire cu biomasa deoarece aceasta are asigurata reinnoirea[38]. Încalzirea cu biomasa ofera numeroase avantaje propietarului sau comunitatii locale, in cazul unei retele de incalzire urbane. Acest tip de sistem poate inlocui resursele costisitoare de energie conventionala, cum sunt combustibilii fosili si electricitatea, cu resurse locale de biomasa. Biomasa este adesea disponibila gratis sau la costuri scazute, sub forma rezidurilor sau a produselor secundare neinteresante pentru industrie (de ex. Industria forestiera sau agricultura). Datorita utilizarii biomasei sunt diminuate rezidurile globale de poluanti si de gaz cu efect de sera; consumatorul este protejat contra variațiilor bruste și imprevizibile ale preturilor la combustibili fosili; sunt create noi locuri de munca la nivel local pentru colectare, preparare si livrare de materiale utilizabile. Sistemul de distributie a caldurii provenite de la centralele de incalzire cu biomasa faciliteaza de asemenea si recuperarea rezidurilor termice rezultate din producerea de energie electrica sau din procedee termice, asa incat aporturile de caldura pot fi transferate unor grupuri de cladiri sau chiar unor comunitati, totul in functie de conceptul retelei de incalzire urbana. Sistemele de incalzire cu biomasa presupun costuri de investitii mai mari decat cele ale sistemelor conventionale pe conbustibili fosili. In plus, calitatea biomasei variaza mai mult decat cea a conbustibililor fosili, care e relativ normalizata. Livrarea, depozitarea si manipularea sunt mai complexe si cer spatii mai mari. Toti acesti factori cer o implicare si o atentie crescuta din partea operatorilor acestor sisteme. Sistemele de incalzire cu biomasa sunt mai avantajoase fata de cele cu combustibili fosili atat prin costul combustibilului utilizat cat si a cheltuielilor de aprovizionare relativ scazute[38].

Data fiind complexitatea si dimensiunea sistemelor automatizate de incalzire, ele sunt in general utilizate in sectoarele industrial, comercial, institutional si comunitar. Ele sunt de obicei situate in zone rurale sau industriale unde restrictiile asupra emisiilor de poluanti sunt mai putin severe, unde este facilitat acesul vehicolelor de aprovizionare, unde echipamentele de manipulare a biomasei, cum sunt încarcatoarele, sunt deja amplasate iar mana de lucru calificata pentru a exploata un astfel de sistem de incalzire industrial este mai usor de gasit. Sistemele de incalzire cu biomasa sunt bine adaptate nevoilor procedeelor industriale deoarece multe dintre ele necesita un aport continuu de caldura. Sistemele de incalzire cu biomasa sunt mai eficace si ridica mai putine probleme tehnice, producand, in cursul unui an, o cantitate constanta de caldura al un nivel apropiat de capacitatea lor nominala de productie. Aceasta maximizeaza economiile prin inlocuirea cantitatilor mari de combustibili fosili scumpi, justificand astfel costurile de investitii initiale mai mari si costurile suplimentare in mana de lucru pentru functionarea sistemului[38].

Această sectiune descrie sistemele de incalzire cu biomasa si pietele carora le sunt accesibile, incluzand mai ales retelele de incalzire urbana, cladirile individuale, institutiile, centrele comerciale si aplicatiile legat de procedee industriale. In final sunt prezentate consideratii generale proprii sistemelor de încalzire cu biomasa.

Un sistem de încalzire cu biomasa este compus dintr-o centrală de încalzire, un sistem de distributie a caldurii și dintr-un sistem de aprovizionare cu biomasa[38].Acesta din urmă poate lipsi aprovizionarea putând fi manuală

3.2. Sisteme de încălzire bazate pe energia geotermală

Sursele geotermale constituie una dintre cele mai vechi surse de energie ale omenirii, dar exploatarea intensivă a acestor resurse a început practic la sfîrșitul secolului trecut.

Energia geotermală este o resursă reînnoibilă de energie care poate, cel puțin la scară locală, să contribuie semnificativ la reducerea consumului de combustibili fosili, în condiții competitive economic, contribuind nu numai la reducerea importului de combustibili fosili ci și la reducerea semnificativă a emisiilor poluante rezultate în urma arderii acestora[39].

După o schemă practică elaborată de Consiliul Mondial al Energiei, resursele geotermale se pot clasifica în[39]:

I. Resurse cu temperatură înaltă (>2250C)

Pot fi zăcăminte predominant lichide, zăcăminte predominant vapori, soluții cu concentrație mare de solide dizolvate, zăcăminte vulcanice.

II. Resurse cu temperatură medie (125-2250C)

Acestea pot fi zăcăminte predominant lichide, fluide efluente din zăcăminte cu temperatură înaltă, fluid rezidual de la utilizarea resurselor cu temperatură înaltă.

III. Resurse cu temperatură joasă (<1250C)

Acestea sunt zăcăminte în întregime lichide, fluide efluente din zăcămintele cu temperatură medie, fluid rezidual de la utilizarea celui de tip II.

IV. Resurse din roci uscate-fierbinți

Sistemele de încalzire centrală pot fi de mai multe tipuri în funcție de caracteristicile resursei geotermale . Pentru alegerea unei solutii constructive viabile din punct de vedere tehnologic și economic, trebuie să se țină cont de caracteristicile resursei geotermale disponibile, mai ales de compoziția chimică a fluidului geotermal și de temperatura și presiunea la capul de exploatare al sondei. În multe zăcăminte geotermale de joasă entalpie nivelul lichidului este sub nivelul solului, pentru producție fiind necesară utilizarea pompelor imersate în sondă. Aparatele termice utilizate pentru încălzirea încăperilor, pot fi de tip convectiv (calorifere uzuale din fontă, calorifere din tablă, tevi aripate, serpentine sau fascicule de țevi ventilate forțat, etc.), care necesită agent termic cu tenperatură mai mar (70-900C), sau panouri radiante (serpentine sau fascicule de țevi încastrate în pereți sau planșee ), care necesită agent termic cu temperatură mică (40-500C). Dacă fluidul geotermal nu prezintă pericol de coroziune sau de depunere, sau dacă pot fi prevenite usor și ieftin prin aditivare chimică , acesta poate fi utilizat direct ca agent termic în sistemul de încălzire. În cazuri foarte rare apa geotermală respectă condițiile impuse de standarde pentru apa potabilă, fiind în acest caz utilizată și ca apă caldă menajeră[39] .

Utilizarea apei geotermale nu se realizează în mod direct când depunerile de crustă sunt ridicarte ci după trecerea acesteia prin schimbătoare de căldură amplasate de obicei în puncte termice locale sau de cartier – în cazul încălzirii centralizate sau schimbătoare de căldură locale, de apartament – în cazul instalațiilor de încălzire individuale. Schimbătoarele de căldură sunt de tipul cu țevi, cu țevi în manta sau cu plăci. În funcție de sensul de curgere relativ al celor două fluide de lucru – rece și cald – schimbătoarele de căldură sunt în echicurent sau în contracurent[39].

3.3. Pompe de căldură

Există precizări care indică ca soluții cu grad ridicat de eficiență, pentru încalzirea și răcirea spațiilor de locuit cu recuperarea energiei termice, utilizarea pompelor de caldură[40] .

Principiul de funcționare al pompelor de caldură este același cu al oricarei mașini frigorifice dar inversat: pe timpul iernii încalzind spațiul de locuit, iar pe timpul verii fiind utilizat pentru climatizare. Energia utilizată este caldura solară înmaganizata în mediul inconjurator: apă, pământ , panza freatică, aer,etc[40]. Prin montarea pompei de caldură costurile pentru încălzire, apă caldă și aer condiționat se reduc cu până la 3/4 .

3.3.1. Principiul de funcționare

Principiul de funcționare al pompelor de căldură este invers frigiderului. În ciclul de încălzire , ansamblul frigorific al pompei termice absoarbe caldura din sursa de alimentare , consumă energie electrică pentru ridicarea temperaturii fluidului frigorific și transferă energia în ciclul termic unui agent termic secundar (agentul de climatizare)[40].

• Pompa preia caldura solară înmagazinată din mediul inconjurator: în apă, pământ panza freatică, în aer;

• Agentul frigorific are punctul de fierbere scazut – 40 C;

• Campresorul ridica temperatura, la temp de lucru 35-55 de grade

• Sunt utilizati agenți frigorifici fără clor (dupa noile reguli UE)

Ca tipuri de pompe în funcție de sursa de energie și de agentul termic de încălzire, sunt[40]:

• Sol/Sol – preiau caldura din sol – 60-90 de cm adâncime, funcție de zonă

• De mare adâncime – preiau caldura din puțuri forate la 100-200 m

• De apă – preiau caldură din apa lacurilor sau râurilor

• De panza freatică

• De aer în mediul înconjurator/aer ventilație în imobile

Părțile principale componente ale pompelor de căldură sunt[40]:

• Compresor

• Colector

• Vaporizator

• Condensator

• Auxiliare:

Acumulator de apă

Pompe de circulație

Dintre avantajele utilizării pompelor de căldură pot enumera[40]:

• Economii mari prin reducerea consumului de combustibil

• Nu folosesc substante poluante

• Nu este nevoie de coș de fum

• Nu este nevoie de rezervor de combustibil

• Nu este nevoie de manipularea combustibililor și nici curațirea coșurilor de funingine

• Sunt ușor de întreținut

• Nu poluează mediul

Pompele termice cu sursă termică solul înlocuiesc cu succes atât cazanele de încalzire pe combustibili clasici (gaz natural , gaz lichefiat , combustibil lichid , combustibil solid) cât și generatoarele de apă răcită (chillere) utilizate frecvent în climatizarea actuala a clădirilor.Atât cazanele de încalzire cat și chillerele de răcire sunt folosite la capacitatea nominala numai maxim 6 luni pe an pe când pompele termice cu sursa termică solul, sunt folosite la capacitate nominala tot anul , fie pentru producerea de caldură , fie pentru producerea de frig , fie pentru producerea simultana de caldura și frig. Cu toate acestea , datorită simplitații construcției lor și a fiabilității extrem de ridicate a ciclurilor frigorifice echipate cu compresoare evoluate , durabilitatea pompelor termice cu sursă termică solul s-a dovedit a fi mai mare sau cel puțin egală cu cea a echipamentelor clasice pe care le înlocuiesc[40].

Costurile de instalare a unei pompe de caldură care funcționează și pe caldură și pe climatizare sunt comparabile cu cele pentru instalarea unei centrale termice performante și a unui chiller; amortizarea se face în maximum 3 – 4 ani. Pentru conditiile conscrete din Romania aceasta perioada se poate reduce la max. 2 ani[40].

Cu cât suprafața de climatizat este mai mare cu atât investitia în pompa de caldură se amortizeaza mai repede.

Pompele de caldură sunt influențate cel mai puțin de eventualele impozite pe combustibil sau alte impozite. Pompele de caldură economisesc între 50-80% din costurile de încălzire; pentru fiecare kWh energie electrică utilizat, se obtin 4 kW energie termică, ca puter, cu costuri minime de întreținere[40].

3.3.2. Utilizarea pompelor de caldură la încălzirea clădirilor

Introducerea pe scară din ce în ce mai largă a pompelor de caldură cu comprimare mecanica de vapori in schemele de alimentare cu caldura a cladirilor este determinata de mai multe considerente:

existența unor surse gratuite de caldură de tipul: aer (aerul exterior sau aerul evacuat prin instalatiile de ventilare), apa (apa de suprafata, apa freatica, apa calda uzata evacuata prin instalatiile de canalizare, ape geotermale) si sol;

superioritatea sistemelor care utilizeaza pompe de caldură, atat din punct de vedere economic, cat și din punct de vedere al protecției mediului inconjurator prin reducerea semnificativa a emisiilor de CO2;

înlaturarea inconvenientelor provocate de utilizarea combustibililor clasici (transport, stocare, poluare);

posibilitatea utilizarii aceleiași instalații, printr-o simpla inversare a ciclului, pentru racire in anotimpul călduros.

Prin realizarea unor clădiri cu necesar de caldură redus, impuse de prețurile în creștere ale energiei termice, suportate din ce în ce mai greu de consumatori, crește si eficienta sistemelor de incalzire ce utilizeaza surse de energie neconvențională[37].

Implementarea pompei de caldură într-un sistem existent, conduce în mod firesc la interacțiuni cu sursa (sursele) de caldura din componenta acestuia. De la caz la caz, pompa de caldura se poate interconecta energetic cu sursele clasice existente sau le poate înlocui total dacă efectul util (cantitatea si calitatea caldurii produse), precum și eficienta economică a solutiei sunt acceptabile[40].

În cazul realizării unui sistem nou de alimentare cu caldura avand in componenta si pompa de caldura, pot fi realizate inca din faza de conceptie a solutiei toate conditiile necesare unei perfecte integrari a pompei de caldura in ansamblul sistemului, astfel incat in toate situatiile functionale sa se obtina eficienta maximă[40].

Pompa de caldură obține aproximativ trei sferturi din energia necesară pentru încălzire din mediul înconjurator, iar pentru restul pompa de caldură utilizează ca energie de actionare curent electric. Pompa de caldura ofera posibilitatea utilizarii caldurii ecologice (energie solara acumulata in sol, apa si aer) pentru o incalzire economică și ecologică. Pentru utilizarea practica a acestor surse de energie trebuie respectate urmatoarele criterii: disponibilitate suficienta, capacitate cat mai mare de acumulare, nivel cât mai ridicat de temperatură, regenerare suficientă, captare economică, timp redus de așteptare[40].

3.3.3. Regimuri de funcționare a pompelor de caldură

Regimul de funcționare a pompelor de caldură se adaptează sistemului de distribuție a energiei termice existent în clădiri[40]. În cazul în care este necesară o temperatură pe conducta de ducere superioară temperaturii maxime pe ducere a pompei de caldură (55°C), atunci pompa de caldură va funcționa numai în completarea unei surse de caldură clasice. În clădirile noi se va alege un sistem de distribuție cu o temperatură maximă pe conducta de ducere de 35°C.

Din punct de vedere tehnic se pot diferenția urmatoarele regimuri de funcționare:

Regimul de funcționare monovalent. În cazul regimului monovalent instalatia cu pompa de caldura acopera intregul necesar de caldura al cladirii. Sistemul de distribuție trebuie dimensionat pentru o temperatură pe ducere inferioară temperaturii maxime pe ducere a pompei de caldura.

Regimul de functionare bivalent. O instalatie de incalzire bivalenta are doua surse de caldura. Pompa de caldura cu actionare electrica este combinata cu cel putin o sursa de caldură pentru combustibili solizi, lichizi sau gazoși.

Regimul de funcționare monoenergetic este un regim de functionare bivalent la care cea de-a doua sursă de caldură (sursa auxiliară) funcționeaza cu acelasi tip de energie (curent electric) ca și pompa de caldură.

Caracteristici tarifare referitoare la regimurile de funcționare – pentru a face posibilă funcționarea economică a instalației de încălzire cu pompe de caldură, în unele țări, furnizorul de energie electrică ofera tarife speciale pentru pompe de caldură. Aceste tarife presupun de regulă, ca alimentarea cu energie electrică a pompelor de caldură să poata fi intreruptă în timpul în care rețeaua este suprasolicitată.

De exemplu, alimentarea cu energie electrică a instalațiilor cu pompe de caldură cu regim de functionare monovalent, poate fi intrerupta în 24 de ore de trei ori pentru maximum doua ore. Timpii de funcționare dintre două întreruperi nu trebuie sa fie mai mici decat perioada de întrerupere anterioară.

În cazul instalațiilor cu pompe de caldură cu funcționare bivalentă, alimentarea cu energie electrică se poate întrerupe în timpul perioadei de încălzire pentru maximum 960 ore. Pentru clădirile existente se recomandă regimul de funcționare bivalent, deoarece exista o sursă de caldură, care de obicei se poate utiliza în continuare, pentru a putea acoperi sarcinile de vârf, din zilele reci de iarnă cu temperaturi necesare pe ducere de peste 55°C.

Pentru clădirile noi s-a dovedit util regimul de funcționare monovalent, care se poate întrerupe. Pompa de caldură poate acoperi necesarul de caldură anual, iar perioadele de întrerupere nu conduc la perturbații în funcționare, deoarece, de exemplu, încălzirea prin pardoseală datorită capacitații de acumulare, poate depași perioadele de întrerupere fără a se constata modificări ale temperaturii de confort.

Ca și în cazul altor instalații de producere a energiei termice și în cazul instalațiilor cu pompe de caldură, este foarte importantă dimensionarea corectă a pompei, deoarece dacă apare supradimenionarea cu alegerea unor aparate cu puteri prea mari atunci și costurile vor fi ridicate iar amortizarea este aproape inexistentă pe durata de viață. Se va stabili necesarul de caldură pentru clădire Qnec, conform metodologiei precizată în actele normative în vigoare.

Capitolul III.

INSTALAȚII DE ÎNCĂLZIRE BAZATE PE ENERGIE SOLARĂ

3.1 Prezentare generală

Energia furnizată de soare prin formă de radiație constituie una dintre cele mai însemnate cantitativ forme de energie iar conversia acesteia se face cu ușurință atât sub formă de energie termică cât și de energie electrică. La nivelul lucrării de față am considerat important, datorită acestei ponderi în balanța energetică a planetei, atât a proceselor naturale cât și a celor antropice, tratarea distinctă a acesteia în capitolul de față.

La nivel mondial, principalul furnizor de energie cu pondere de aproximativ 60 % se provine din arderea combustibililor[23][37]: cărbune, hidrocarburi, gaze naturale sau lemn. Acestea resurse sunt însă epuizabile și arderea acestora produce mari cantități de CO2 sau alte tipuri de poluanți. O altă parte în producția de energie o dețin centralele nucleare și hidrocentralele. Circa o treime din energia produsă este utilizată pentru încălzire și producerea de apă caldă menajeră[23][37].

Radiația solară este un flux energetic care pornește de la soare uniform în toate direcțiile astfel pământul primește zilnic un flux important de energie solară. Pe Pământ ajunge o cantitate enormă de lumină solară care este absorbită sau reflectată înapoi în spațiu în timpul zilei.

Dintre proprietățile remarcabile ale energiei solare fac parte[37]:

este gratuită ca formă de energie primară,

este în totalitate ecologică,

conservă resursele energetice ale plantei și determină reducerea emisiilor de substanțe poluante,

instalațiile solare sunt simple și eficiente în exploatare,

se găsește în cantități nelimitate (practic inepuizabilă),

utilizând energia solară nu suntem afectați de creșterile de prețuri ale energiei termice convenționale,

nu implică instalații de prelucrare sau transport a resurselor, înainte de utilizare.

Valoarea medie a acestei energii care ajunge pe o suprafață perpendiculară în aceeași măsură, vara și iarna este echivalentă cu 1000 W/m2. Aceasta variază în funcție de unghiul de incidență pe receptor și de intensitate, ajugând pe Pământ mai degrabă sub formă de căldură decât ca lumină. Această resursă este însă distribuită inegal și fluctuant. Regimurile din apropierea ecuatorului primesc mult mai multă lumină decât zonele cu latitudine mai mare, iar norii pot absorbi sau împrăștia energia solară înainte ca aceasta să ajungă pe Pământ.

Intensitatea radiției solare directe depinde de starea atmosferei și de poziția pe glob, având variații zilnice și anuale în funcție de mișcarea globului terestru, aceasta fiind cauza modificărilor de temperatură de la zi la noapte și de la un anotimp la altul.

La pentrarea în atmosfera terestră, radiația solară înregistrează o pierdere în intensitate datorită reflexiei, dispersiei și absorției cauzate de particulele de praf și de molecule de gaz.

Radiația solară globală (radiația totală care ajunge la suprafața pământului), este egala cu suma dintre radiația directă și radiația difuză. Cu colectorii solari, în funcție de tipul acestora, poate fi captată până la circa 75 % din radiația globală.

Fig.3.1. Principiul de funcționare al captatorilor solari[34]

Conversia energiei solare în energie termică este una dintre cele mai utilizate aplicații ale acesteia. Atât în trecut cât și azi sistemele care produc apă caldă pe baza radiației solare au fost și sunt foarte răspândite. Aceste aplicații sunt posibile însă numai pe timpul zilei. În cazul conversiei în energie electrică se poate apela la stocarea pe timpul nopții în dispozitive speciale.

Utilizarea energiei solare prin intermediul sistemelor cu colectori solari: agent termic specific înmagazinează și transferă această energie termică serpentinei boilerului solar sau este stocată pentru a putea fi utilizată pentru prepararea apei calde menajere și/sau aport la încălzire, sau în instalațiile de condiționare a aerului.

Fig.3.2. Distribuția energiei solare în România[33]

Fig.3.3. Gradul de acoperire cu energie solară a necesarului de energie

pentru preparare a.c.m pe parcursul unui an[37]

Instalațiile solare corect dimensionate și dotate cu componente compatibile pot asigura între 50 și 60 % din energia necesară pe an pentru prepararea de apă caldă menajeră. Pentru o dimensionare economică a instalațiilor solare pentru apă caldă, este indicat să se folosească nivelul mediu de insolație a lunilor martie – octombrie. Energia solară poate servi la funcționarea unor instalații de producere a frigului pentru conversarea produselor perisabile, pentru obținerea gheții artificiale și pentru condiționarea aerului. Utilizarea energiei solare pentru producerea frigului este favorizată de faptul că în general, perioadele în care există o cerere mai mare de frig coincid cu cele în care radiația solară este mai intensă. Cele mai indicate instalații de producere a frigului cu ajutorul energiei solare sunt cele în care energia folosită este sub formă termică, cum sunt cele prin absorție. Instalațiile pot fi cu absorție continuă sau cu absorție periodică. Apa încălzită în colectorii solari este utilizată în generatorul de vapori al instalației de răcire cu absorție servind la producerea de apă răcită.

Folosirea în mod activ a energiei solare poate fi impartita în patru grupe: energie consumată pentru incalzire energie consumata pentru incalzirea apei energie consumata pentru gatit consumul dispozitivelor electrice Dispozitivele care transforma energia solara in electricitate sunt celule fotovoltaice. Un al doilea tip de echipament utilizat pentru energia solara este colectorul termosolar care transforma radiatia solara in energie termica, energie care trece de transferul agentilor de caldura si este utilizata cel mai frecvent pentru: producerea de apa caldă, inclazirea cladirilor, incalzirea apei în piscine sau incalzire si racire industrială[37].

3.2 Dimenionarea instalațiilor de încălzire cu captatoare solare

La calculele de dimensionare a instalațiilor solare se cere cunoașterea urmatoarelor date meteorologice: valorile radiației globale primite pe o suprafata orizontală sau sub un unghi oarecare, în decurs de o zi, o lună, un anotimp, distribuția densitații radiației solare, durata de stralucire a soarelui, numarul mediu al zilelor cu cer senin, parametrii aerului exterior (temperatura, umiditate relativă, presiune barometrică etc.), intensitatea și frecvența vântului, precipitatiile atmosferice, etc[28].

Pentru latitudinea geografică din zona României radiația globală în condiții normale (cer senin, fara nori, la amiază) este maxim 1000 W/m2. Cu ajutorul colectorilor plani, poate fi captată pâna la circa 75 % din radiația solară.

Pentru a atinge gradul optim de captare a energiei solare cu ajutorul captatorilor, este necesară orientarea acestora în direcția soarelui. Unghiul de înclinare și unghiul azimutal sunt determinante pentru orientarea colectorilor.

Unghiul de înclinare a este unghiul între orizontală și colector. În cazul montajului pe acoperișuri înclinate, unghiul de înclinare este dat de înclinarea acoperisului. Cantitatea cea mai mare de energie solară poate fi preluată dacă planul în care se afla colectorul este perpendicular pe radiația solară. Deoarece unghiul de inicidență al radiației solare depinde de oră și anotimp, planul în care se poziționează colectorii trebuie să corespundă poziției soarelui în intervalul cu radiație maximă. În practică s-a dovedit ca optime unghiurile de înclinație cuprinse între 30 și 55 grade[28].

Sistemele de preparare a apei calde menajere cu ajutorul energiei solare aduc importante economii de combustibil fosil și implicit conduc la reducerea poluării mediului ambiant.

Una dintre problemele de bază care se pune la dimensionarea instalațiilor de încălzire solare este cea a determinării configurației optime a câmpului de captatoare solare. Configurația cea mai frecventă este aceea de tip placă-tub; tuburile având diametre de 1,2 – 1,5 cm, fiind distanțate la 12 – 15 cm unul de celălalt și cu capetele lipite la câte o conductă de colectare cu diametrul ce cca 2.5 cm[28]. Izolația plăcii absorbante față de carcasă are, uzual, grosimea de 5 – 10 cm. Numărul optim de ferestre este dependent de o serie de factori, cum ar fi: climatul exterior, tipul suprafeței absorbante, temperatura la care trebuie obținută apa caldă etc. De regulă, 1-2 geamuri sunt suficiente; distanța dintre primul geam și placa absorbantă trebuie să fie de cca 2,5 cm iar distanța dintre geamuri – cca 1,5 cm[28]. În paragrafele următoare se va da un exemplu de calcul privind necesarul de captatoare solare pentru producerea de apă caldă ca agent de lucru în instalațiile de încălzire a pensiunilor și utilizare secundară ca apă caldă menajeră.

3.3. Calculul câmpului de captatoare solare

A. Calculul ariei de captare

În cazul încălzirii clădirilor se recomandă[28] suprafețe de captare egale cu Slocuibilă / 2 în cazul utilizării sistemelor active, sau cu 2Slocuibilă / 3 în cazul sistemelor pasive. Pe baza acestor recomandări se efectuiază o aplicație cu amplasament în zona climatică a depresiunii Beiuș.

Ca exemplu, pentru o clădire cu suprafața locuibilă de 120 m2, aria de captare va fi egală cu[28] :

SC = [m2] (3.1)

Între suprafața totale de captare și debitul fluidului există relația:

[m2] (3.2)

în care:

-m – cantitatea de apă caldă necesară zilnic(debit masic), în kg / zi;

-∆T – diferența dintre temperatura la care este furnizată apa caldăși temperatura apei reci de alimentare a instalației, în 0C;

-ηzi – randamentul mediu zilnic al instalației;

-Ezi – valoarea medie a densității zilnice a radiației solare incidente pe suprafața de

captare, în kcal / m2 zi.

-cp-căldura specifică a apei, (4,19 kJ/kg oC)

În cazul analizat, pentru zona Beiuș, densitatea zilnică a radiației solare este:

E = 800 W/m2 = 16.615 kJ /m2 zi

Randamentul mediu zilnic al instalației are valori cuprinse în intervalul ηzi =0,2 ÷ 0,7, el variind în funcție de diferența de temperatură ∆T și de temperatura ambiantă. Pentru o diferență între temperatura de livrare a fluidului și cea a mediului ambiant, ∆T ≈ 50oC, se poate calcula randamentul captatorului cu ajutorul ecuației fundamentale Hottel – Bliss – Whillier în forma generalizată:

η = 0 84428 – 6,3608 (3.3)

.

Înlocuind în relația (3.3) se obține pentru randametul captatorului:

η = 0 84428 − 6,3608∙50/80 −12 4127 ( 50/80)2

η = 0,84428 – 6,3608 ∙0,0625 -12,4127 ∙0,0039

η = 0,4

Din ecuația (2) rezultă că debitul fluidului este :

m = 0,021 kg/s

m = 0,021 kg /s

B. Amplasarea captatoarelor solare în câmp

La amplasarea captatoarelor solare se va avea în vedere respectarea următoarelor principii:

a) Captatorul va fi orientat întotdeauna spre sud.

b) Unghiul de înclinare al captatorului față de orizontală se alege în funcție de :

-latitudinea geografică a locului;

-de scopul în timp al instalației (cu funcțuinare permanentă sau cu funcționare sezonieră)

-de condițiile din mediul înconjurător (grad de poluare, grad de umbrire, etc.)

c).Captatorul poate fi amplasat pe acoperișul caselor, pe shed sau pe un schelet metalic, tip terasă.

C. Unghiul de înclinare a captatoarelor solare

Dacă instalația funcționează în tot cursul anului, pentru obținerea unui randament anual maxim de captare se recomandă orientarea captatorului spre ecuator (sud, în emisferă nordică) și înclinarea sa față de orizontul locului sub un unghi î ≈ (0.9…1,0) ϕ, unde ϕ este latitudinea locală.

În condițiile de funcționare numai pe durata sezonului cald, înclinarea optimă este î ≈ ϕ – (10o ÷15o), iar orientarea S – SV (în emisfera nordică).

Pentru condițiile climatice din România se recomandă alegerea unui unghiu de înclinare: α = 45o pentru instalații permanente (iarnă-vară).

D. Calculul umbririi panourilor solare

Pentru a evita umbrirea panourilor solare, acestea se vor amplasa pe un acoperiș tip shed, ca în figura 3.10.

Fig. 3.4. Schema de calcul a umbririi panourilor solare pe

un acoperiș tip shed.ψ

Notațiile din figură au semnificația următoare:

-L – lățimea shedului (partea opacă) -l – lățimea panoului solar -α – unghiul de înclinare al panoului față de orizontală -θ – unghiul făcut de raza solară cu orizontala -a -lățimea părții însorite a shedului -u – lungimea umbrei aruncate de panoul solar -U – lungimea umbrei aruncate de shed -Az – azimutul solar -ψ – unghiul făcut de raza solară cu suprafața captatorului

-A – lungimea (pasul) dintre două sheduri

Se vor mai utiliza și următoarele date : unghiul de înălțare, h, funcție de orăși de lună, și unghiul β pe care îl face normala la suprafață cu direcția nord.

Se va calcula umbra aruncată de un șir de panouri asupra șirului următor. Distanța dintre șiruri trebuie să fie mai mare decât umbra aruncată pe șirul următor, în perioada cea mai defavorabilă. Pentru a efectua această determinare trebuie cunoscute coordonatele orizontale: azimutul și unghiul de inălțare solară.

Pentru un captator cu α = 45o, h = 39o, Az = 243o (valoare medie pentru lunile septembrie-martie, între orele 9oo – 16oo), β = 180o (captator orientat spre sud) și dimensiunile: A = 4 m, L = 4 m, l =2,5m.

Relațiille de calcul utilizate, pentru determinarea mărimilor u, U, a sunt prezentate în continuare:

Ψ = Az – β (3.4)

Ψ = 243o – 180o

(3.5)

θ = arctg 1,77 = 60o

U = L(cosα + ) (3.6)

U = L(cos45o + ) = 4,37 m

u = l∙(cos α + ) (3.7)

u = 2,5(cos45 + ) =2,73 m

(3.8)

Condiția ca să nu existe nici un fel de umbrire este ca:

u = 2,73 < A = 4 m

Unghiul de înclinare se alege în funcție de destinația instalației solare. Din figura 3.11 se observă că pentru funcționare sezonieră (aprilie-septembrie) unghiul optim este mai mic, media fiind considerată α= 26o.

În fig 3.12 este prezentată diagrama radiației solare globale, ce cade pe un captator înclinat optim, pentru lunile aprilie și august . Punctul de maxim se atinge la ora 12.

4 5 6 7 8 9 10

luna

Fig. 3.5. Unghiul optim al panoului solar

Fig. 3.6. Radiației solare globale (α = optim)

C. Caracteristica consumator-energie utilă furnizată de captatoare

Orice instalație termică solară este alcătuită din :

-sistemul de colectare a energiei solare;

-sistemul de stocare a energiei termice obținute.

Parametrul comun pentru cele trei sisteme este temperatura fluidului caloportor (considerând o temperatură omogenă în sistemul de stocare). Deci pentru a cunoaște funcționarea instalației solare și aportul său la acoperirea consumului de energie, este necesară determinarea acestei temperaturi.

Randamentul unui captator solar depinde de ecartul dintre temperatura medie a fluidului în colector și temperatura mediului ambiant, ∆T.

Între energia utilă, furnizată zilnic de o suprafață de captare de 1 m2 și temperatura la ieșirea din captator există o dependență neliniară , Qu = f (∆T):

Qu = η(∆T) ⋅ Sc ⋅ E

Pentru un consumator oarecare, împărțind necesarul de energie la suprafața de captareși reprezentând grafic în funcție de ∆T se obține a doua caracteristică Qc = f (∆T):

Qc = m ⋅ cp ⋅∆T

Din intersecția celor două curbe se stabilește cantitatea de energie furnizabilă consumatorului, Eo și temperatura la care este livrată această energie, Tf..

Fig. 3.7. Caracteristica consumator- energie utilă furnizată de colectori.

Din grafic rezultă că diferența optimă de de temperatură ce se poate obține în condițiile date este:

∆T = 84 oC

dar ∆T = Tf-Ta , de unde se poate calcula temperatura de livrare a fluidului:

Tf = 84 oC + 10 oC

Tf = 94 oC

Energia furnizabilă consumatorului, Qo este :

Qo = 7 kJ/zi

Cunoscând necesarul mediu de energie zilnică, Qmed, se disting două cazuri :

a) Qmed > Qo

În acest caz Qo, reprezintă energia ce poate fi economisită, iar Tf, temperatura la care este distribuită această energie (identică cu temperatura din sistemul de stocare). Diferența (Qmed – Qo) constituie energia ce trebuie suplinită de o instalație termică convențională; b) Qmed < Qo În acest caz vom dispune de un supliment de energie ce va ridica temperatura rezervorului de stocare până la temperatura, ce corespunde intersecției, dreptei Qmed cu Qu(∆T) .

3.4 Scheme de conexiune a captatoarelor solare

În urma unui studiu aprofundat al acestei probleme, s-a ajuns la următoarele concluzii:

– conductele de colectare și de distribuție trebuie să aibă o secțiune suficientă de mare pentru ca principala cădere de presiune să aibă loc pe tuburile captatoarelor;

– atât în cazul sistemelor cu circulație forțată cât și a celor cu circulație naturală, conectarea în paralel din figura 3.8, pe aceleași conducte colectoare, a maximum 24 de tuburi poate conduce la rezultate satisfăcătoare;

– în cazul sistemelor cu circulație forțată, dacă captatoarele însumează peste 24 de tuburi, este necesară o grupare în serie – paralel sau în paralel serie a captatoarelor, fără a avea mai mult de 16 tuburi într-o conexiune paralel.

Numărul de captatori necesar, Nt, va fi dat de relația:

(3.9)

rezultând

Presupunând că temperatura de intrare în câmpul de captatoare este constantă și alegând drept parametru de optimizare ∆Topt, se impune încălzirea în trepte, numărul de trepte fiind :

(3.10)

în care ∆T- este direfența dintre temperatura pe care o dorim la ieșirea din captator și temperatura de intrare în captator, egală cu 50 oC, și ∆Topt -obținută din caracteristica consumator-energie utilă. Va rezulta evident că numărul de trepte va fi un număr întreg, deci prin aproximare:

Fig. 3.8. Metode de conectare a captatoarelor
a – paralel; b – serie – paralel; c – paralel – serie.

Dacă nt << Nt , rezultă că numărul de captatori ce vor trebui legați în paralel pe o singură treaptă, este dat de relația:

(3.11)

Rezultă: n =

În concluzie, rezultă că toate cele 6 captatoare vor fi prinse în paralel , într-o singură treaptă.

Folosirea energiei solare este o necesitate, și de asemenea analiza de ansamblu privind condițiile, implicațiile și restricțiile pe care le atrage dezvoltarea folosirii acestei energii. Numai pe această cale se pot evidenția direcțiile prin care se poate atinge în modul cel mai eficace scopul propus, în condițiile economice, de disponibilitate a materiilor prime și energiei, respectiv a impactului pe care utilizarea energiei solare îl are asupra societății și asupra mediului înconjurător.

Cu tot potențialul nelimitat al sursei, cota ce poate fi preluată din energia solară radiantă este limitată de numeroase condiționări.

Cea mai importantă limitare este caracterul ciclic și aleator al sursei. Aceasta leagă folosirea energiei solare de ample instalații de acumulare , ce reduc efectul util al și majorează atât costurile cât și consumurile de materiale.

Pentru majoritatea folosințelor este necesar să se apeleze la instalații hibride, în care o parte din nevoi urmează să fie acoperite în completare și pentru înlocuire cu alte surse de energie. În cazul instalațiilor de încălzire, cota ce poate fi preluată de energia solară nu depășește 50%, pentru zone cu condiții geografice și climatice asemănătoare României.

Randamentul limitat al captării și conversiei energiei solare reprezintă deasemenea o restricție: ea impune întrebuințarea de suprafețe mărite de captare, iar efortul material este practic de 10 ori mai mare decât în cazul utilizării surselor convenționale superioare.

Instalațiile de utilizare a energiei sunt foarte diferite și se eșalonează de la procedee simple, aplicabile pentru apă caldă de consum și pentru încălzire, până la procedee bazate pe tehnologii complexe, necesare obținerii energiei electrice.

Spre deosebire de instalațiile care ard combustibili convenționali, caracterul modular și cumulativ al instalațiilor solare face ca performanțele acestora să puțin influențate de factorul de scară.

Dimensionarea optimă a unei instalații solare de încălzire a unei clădiri sau a apei depinde de factori similari: investițiile cerute de instalație, costul combustibililor convenționali sau al energiei electrice, condițiile climatice, orientarea captatorului.

Din considerente economice, o instalație de încălzire 100% solară nu este în general rațională. Uzual , o instalație solară propriu-zisă trebuie să asigure cca 60-80% din cerințele anuale de încălzire ale unei clădiri, cu o capacitate a unității de stocare termică suficientă doar pentru acumularea energiei solare maxime pe durata unei zile.

Instalațiile solare sunt de introdus deci începând cu consumatorii mici și dispersați. Cota de energei solară ce se poate utiliza la un moment dat depinde și de ponderea acestor consumatori mici. Creșterea cotei de folosire a sursei solare peste o anumită limită înseamnă atât restructurarea unor consumatori existenți cât și modificarea unor opțiuni majore în dezvoltarea urbanizării, a industriei și a sistemului energetic național

Capitolul IV

SOLUȚII TEHNICE DE ÎNCĂLZIRE ȘI CONDIȚIONARE

A AERULUI UTILIZÂND SURSE REGENERABILE DE ENERGIE ADAPTATE PENSIUNILOR TURISTICE

4.1 Considerații generale. Descrierea construcției

Dintre resursele regenerabile prezentate, cele mai utilizate în sistemele energetice ale clădirilor de locuit sau similare de putere instalată relativ mică, sunt energia solară, energia eoliană și biomasa. Pompele de căldură și energia geotermală sunt utilizate mai ales în energetica clădirilor industriale sau a celor cu volume interioare mari.

Ținând cont de caracteristicile surselor regenerabile de energie, în cadrul proiectului de față, s-au emis propuneri privind utilizarea combinată a acestora cu sursele clasice. Acestea din urmă au încă o mare utilizare, mai ales în sistemele de mare putere și în asigurarea consumului energetic de bază.

Pentru evidențierea modului de dimenionare sau alegere a instalațiilor de încălzire și climatitare se consideră cazul unei pensiuni turistice.

Această pensiune cu o capacitate medie de cazare este situată în județul Bihor în zona premontană din vecinătatea localității Budureasa.

Pensiunea este structurată pe trei nivele. La parte există o sală de mese cu o capacitate de 140 de locuri, cameră de primire a oaspeților, bucătărie, baie cu toalete și lavoare, bucătărie, salon, hol și cămară. Pe partea exterioară a peretelui vestic este amplasat un garaj și centrala termică. La nivelul etajului sunt construite 6 dormitoare cu antreu și baie proprie plus un hol de acces și casa scării. La mansardă există 4 dormitoare cu aceeași structiră ca și cele de la etaj dar dimensiuni diferite. Mansarda este de asemenea prevăzută cu hor de acces propiru spre camerele de cazare.

Pensiunea are un grad mediu de izolație termică a pereților exteriori fiind prevăzută cu geamuri de tip termopan. Fiecare cameră are posibilitatea găzduirii a unui număr de 2 persoane.

În figura următoare se prezintă aspectul general al clădirii cu indicarea suprafețelor proiectate utile ale fiecărui nivel.

Fig. 4.1 Aspectul general al pensiunii și suprafețe utile ale nivelelor

Numărul și dimensiunile camerelor se prezintă în tabelul următor:

4.2. Prezentarea soluțiilor tehnice care se pot utiliza pentru încălzire și climatizare. Surse de energie propuse

Situația energetică propusă pentru pensiune este următoarea:

Energie electrică – se preia ca și consum de bază de la rețeaua electrică locală. Pentru cazurile întreruperilor energiei electrice de la rețea dar și poentru asigurarea consumului permanent a unor consumatori interni se va utiliza o instalație hibridă constituită din panouri fotovoltaice, turbine eoliene și generator diesel.

Energie termică – este asigurată de o centrală termică cu arderea biomasei în focar, cu cazan și boiler și de către panouri solare vidate. Centrala termică asigura apa caldă menajeră pe timp de iarnă, zi și noapte și pe timp de vară , pe durata nopții. Cu panourile solare se asigură apa caldă menajeră pe timp de vară, pe durata zilei.

Funcționarea instalației aferente pensiunii turistice montane este determinată de echipamentele care alcătuiesc componența instalației și este strâns legată de regimurile de temperatură la care funcționează.

Dimensionarea instalațiilor autonome de furnizare a energiei electrice pentru pensiune ale un caracter secundar pentru lucrarea de față. Dar, prin faptul că ea constituie o energie secundară necesară funcționării aparatelor de aer condiționat, se va propune un model de instalație autonomă hibridă și se va realiza un calcul de dimensionare a instalației cu panouri fotovoltaice.

4.2.1 Determinarea puterii electrice necesare în dormitoare

Pentru alimentarea receptoarelor electrice din camere, mai puțin dispozitivele de aer condiționat, se vor utiliza panouri fotovoltaice și turbine eoliene, instalate în paralel cu un generator diesel ce asigură și alimentarea de rezervă a întregii pensiuni când energia electrică de la rețea este întreruptă. De asemenea cu ajutorul panourilor fotovoltaice se va asigura și iluminatul băilor și a sălii de mese sau recepție, precum și iluminatul arhitectural exterior. Două turbine eoliene de 750 W vor asigura rezerva de putere pentru iluminatul din interiorul dormitoarelor.

Pentru aprecierea puterii întregului sistem fotovoltaic se va pleca de la puterea electrică totală instalată în dormitoare:

Receptoare existente propuse:

3 surse de lumină fluorescente cu descărcare, fiecare cu putere absorbită Pa = 20 W

1 televizor cu putere Ptv= 150 W

Uscător de păr cu Pu = 50 W

Puterea instalată pe cameră este Pt = 3·Pa + Ptv + Pu = 60 + 150 + 50 = 210 W

Puterea tuturor camerelor este: PTC = 10·Pt = 2100 W

Puterea totală a surselor de iluminat din sala de mese, recepție și arhitectură este Pti= 2400 W = 2,4 kW

4.2.2 Etape în dimensionarea instalațiilor fotovoltaice

La dimensionarea unei instalații fotovoltaice, se va evalua necesarul de putere electrică pentru incinta sau exteriorul pensiunii[36].

Se va realiza o instalație fotovoltaică care să furnizeze o putere electrică de 4,5 kW conform puterii totale a surselor existente, care să fie deci acoperitoare pentru consumul receptoarelor dedicate. Pentru realizarea unei instalatii fotovoltaice (generator fotovoltaic) care sa furnizeze energia electrică, este mai necesar aplicarea unui calcul de dimensionare.

Etapele unui astfel de calcul sunt precizentate în paragrafele următoare[36]:

Etapa I – Alegerea panourilor solare.

Consultand oferta furnizorilor de panouri fotovoltaice, se alege un panou solar policristalin de 150 W, tensiune de 12 V, curent panou 8.1 A, Vmp = 18.50 V

Etapa II – calculul numarului de panouri, pentru necesarul de putere de 4,5 KW

Nr. de panouri = Puterea cerută / Puterea panoului

Np = Pi/Pp = 4500/150 = 30 → Rezultă un necesar de 30 panouri fotovoltaice

Etapa III – determinarea suprafeței panourilor

Suprafața totală ST= Suprafata unui panou x Numarul total de panouri

Din caracteristicile tehnice ale panoului rezultă pot fi consemnate următoarele dimensiuni:

Lungime L = 1.45 m, lățime l = 0.7 m

ST = Sp·Np = 1.45·0.7·30 = 30.45 m2

Pentru montarea panourilor solare, avem nevoie de o suprafata de cel puțin 30.45 m2 și care să fie orientată spre sud

Etapa IV – alegerea schemei de conexiuni pentru panourile fotovoltaice

În acest caz se va alege o schemă de conexiuni paralelă cu trei șiruri,de câte 10 panouri fotovoltaice fiecare șir, conectate în serie.

Nr. șiruri Ns= 3

Nr. panouri/șir NPS = 10

Etapa V – determinarea caracteristicilor sursei fotovoltaice

Tensiunea instalată a sursei fotovoltaice se obtine folosind urmatoarea formulă:

US = Np/s·Up

US = 10*12 = 120 V

Curentul electric al sursei multiple se obține înmultind curentul generat de un panou fotovoltaic cu numarul de siruri

Ig = 4·8.1 = 32.40 A

Voc sursă = nr. panouri/sir* Voc panou = 10·22.6 = 226 V

Isc sursă = nr. sir*Isc panou = 4·8.6 = 34.4 A

Vmp sursă = nr. panouri/șir*Vmp panou = 10·18.50 = 185 V

Psursă = Vmp sursă x I sursă = 185·32.40 = 5994 W (5.99 KW)

Cu aceste valori se vor putea alege celelalte componente ale instalației fotovoltaice.

Etapa VI – Alegerea invertorului

Tensiunea de intrare a invertorului trebuie sa fie egala cu tensiunea maxima a generatorului fotovoltaic. U invertor = U sursă → U invertor = 120 V

O alta conditie în alegerea invertorului este aceea ca puterea maxima a generatorului fotovoltaic sa fie mai mică decat puterea de intrare a invertorului

P invertor > 4500 W

Etapa VII – Alegerea bateriilor de acumulatoare

Acumulatoarele sunt utilizate în sistemele fotovoltaice cu scopul de a stoca energia produsã de generatorul fotovoltaic pe timpul zilei, pentru a putea fi folosită când este nevoie  pe timpul noptii sau nebulozitate).

La alegerea bateriilor de acumulatoare trebuie ținut cont de urmatoarele date:

– pentru încărcarea bateriilor de 12V avem nevoie de panouri cu Vmp 16V – 20V

– pentru încărcarea bateriilor de 24V avem nevoie de panouri cu Vmp 34V – 40V

– pentru încărcarea bateriilor de 48V avem nevoie de panouri cu Vmp 62V -76V

Etapa VIII – Alegerea regulatorului de sarcină

Regulatoarele de sarcina au rolul de a controla incarcarea bateriilor de acumulatori. La alegera regulatorului de sarcina trebuie sa tinem cont de urmatoarele conditii:

– tensiunea nominala a regulatorului sa fie mai mica sau egala decat decat tensiunea nominala a generatorului fotovoltaic

– curentul de intrarea sa fie mai mare sau egal decât curentul de incarcare maxim, pe care generatorul il poate debita

Puterea maximă debitată de o instalatie fotovoltaică, este direct influentata de orientarea catre soare. Cazul cel mai favorabil este acela în care ca instalația fotovoltaică să urmareasca soarele în traiectoria sa pe bolta cerească.

În Europa, datorită faptului ca radiatia difuză este relativ marea, o instalatie fotovoltaica stationara poate produce pana la 70-80% din productia posibila, daca aceasta ar urmarii soarele.

Orientarea spre sud este determinata de doi factori:

– înclinarea panourilor fotovoltaice, adica unghiul dintre planul orizontal si panoul fotovoltaic
– azimutul, care indica orientarea catre Sud. La o orientare a instalatiei fotovoltaice spre sud, vom avea Sud 0o, Vest 120o, Est -120o

Toate aceste informații, concură la dimenionarea corectă a unei instalații fotovoltaice si în alegerea in cunostiinta de cauza a soluției optime. La alegerea panourilor fotovoltaice si dimensionarea instalatiei trebuie ținut cont în consecință de foarte multe date.

Cele mai importante caracteristici ale unui panou fotovoltaic, de care trebuie ținut cont în alegerea lui sunt:

– putera maximă;

– tensiunea în punctul de putere maximă;

– intensitatea curentului electric în punctul de putere maximă.

Se amplasează două turbine eoliene de 2 kW pe unitate de tipul celei din figurile de mai jos:

Fig. 4.2 Turbinele eoliene alese: sursa: http://www.epanouri.ro/shop/turbine-eoliene-wm/

Caracteristici tehnice ale turbinelor eoliene alese în conformitate cu datele furnizate în [35] sunt:

Putere: 2 kW la 12 m/s, max 2,5 kW la 20 m/s.

Tensiune 24, 48 V

Diametru rotor: 3,2 m.

Pilon fixare din otel: 9 metri, incluzând și toate accesoriile pentru montare. Amplasarea se va face cu utilizarea unei fundații din beton armat.

Greutate pilon: 200 kg, greutate totală agregat: 335 kg. Greutate turbină cca. 90Kg

Viteza demaraj 3 m/s; viteza maxima de lucru: 25 m/s.

Controler încărcare baterie si dump loader pentru protecție la supraturare.

4.3 Conceperea, configurarea și dimensionarea instalației de încălzire

Pentru determinarea necesarului de apă caldă furnizată de panourile solare se va folosi un program de calcul online numit PANASOL disponibil pe http://www.panosol.ro/proiectanti.php.

Interfața programului de calcul este prezentată în figura următoare:

Fig. 4.3 Program de calcul online pentru dimensionarea instalațiilor de încălzire solară[31]

Rezultatele calculului pentru pensiunea aleasă în condițiile configurate este prezentată în figura următoare:

Fig. 4.4 Interfață cu rezultatele de calcul a necesarului de energie termică produsă

cu panouri solare[31]

Pe baza numărului de tuburi vidate cerute și a cantității de apă caldă alocată fiecărei personae se va alege tipul de panou. De asemenea se va ține cont și de posibilitățile de amplasare ca suprafață pe acoperișul construcției și de numărul total de personae care utilizează concomitant sistemul. Producerea apei calde menajere cu ajutorul energiei solare se face prin schimbul de căldură între agentul termic din sistemul colectorilor solari și apa din boilerul de acumulare[37].

Din ofertele furnizorilor se alege tipul de panou cu tuburi vidate din figura următoare:

Fig. 4.5 Tipul de captator ales din oferta firmei ROMSTAL

Acest tip de captator furnizat de firma Romstal are următoarele caracteristici: Tip: constructiv Vision, producție proprie , preț:3800 RON, Nr. tuburi, 30, rezervor presurizat de 200 l, temperatura de lucru maximă este de 60 grade, temperatura minimă de lucru este de -35 grade, diametru exterior tuburi Dext= 50 mm, suprafață brută S= 3,98 mp. În condițiile rezultatelor rulării programului sunt necesare un număr de 18 panouri pentru capacitatea maximă de utilizare a căldurii și apei calde menajere. În al doilea caz se consideră că persoanele care constituie toată capacitatea de cazare utilizează concomitent apa caldă pentru nevoile proprii.

Schema individuală a sistemului de încălzire cu panouri solare este prezentată în figura următoare[13]

Fig. 4.6 Schema de principiu a sistemului de încălzire cu sursa caldă panouri solare[13]

(sursa: www.panouri-solare.ro)

Pentru asigurarea căldurii și apei calde menajere, pe durată continuă, în condiții de iarnă și vara pe timp de noapte se alege sistemul de încălzire cu centrală termică cu arderea biomasei, după cum s-a mai precizat.

Configurația acesteia conform recomandărilor specialiștilor este prezentată în figura următoare[14]:

Fig. 4 .6 Schema de principiu a sistemului de încălzire cu sursa caldă centrala termică(sursa: www.prity.ro)

Semnificația elementelor din schemă este următoarea:

1. Manometru

2. Termometru

3. Termostat electric.

4. Ventil termic preventiv.

5. Supapa automata.

6. Ventil  hidraulic preventiv

7. Drenaj, scurgere.

8. Vas de expansiune închis.

9. Filtru

10. Pompă recirculare .

11. Grup complementar automat

III.2. Cazan cu combustibil solid regenerabil

Calculul necesarului de căldură de bază se face utilizănd programul de calcul online cu interfața din figura următoare:

Fig. 4.7 Interfața mediului software utilizat pentru calculul necesarului de căldură[41]

Valorile obínute pentru diversele tipurile de încăperi sunt prezentate în anexele proiectului.

Combustibilul solid regenerabil pentru centrală este reprezentat de lemn sau rezidurile lemnoase obținute precum și peleți obșinuți în urma prelucrării industriale și semindustriale a lemnului. Cele mai importante surse de masă lemnoasă sunt: rumegușul, talașul și praful de lemn de la instalațiile industriale de prelucrare a lemnului, crengile, scoarța de copac precum și copacii nevalorificați din exploatările forestiere[37].

Funcționarea interconectată a celor două sisteme de încălzire, conform recomandărilor specialiștilor[14] este prezentată în figura următoare. Aceasta este și schema propusă pentru cazul pensiunii de față.

Fig. 4.8 Schema de interconectare a celor două sisteme de încălzire[14]

De o deosebită importanță pentru folosirea interconectată a diverselor sisteme de încălzire este implementare unor scheme de automatizare.

Rolul sistemului de automatizare într-o instalație de încălzire și climatizare este foarte important. Este unanim recunoscută afirmația că nu se poate purta o discuție despre creșterea eficienței unei instalații de încălzire și climatizare sau a gradului de confort pe care aceasta l-ar putea asigura fără să se cunoască posibilitățile de automatizare ale acesteia[37].

Rolul principal al sistemului de automatizre aferent unei instalații termice pentru încălzirea și climatizarea unei pensiuni este de a menține valoarea temperaturii incintei încălzite sau climatizate într-un interval prestabilit, care se încadrează în parametrii de confort și de a permite totodată o funcționare optimă a instalației de încălzire și climatizare.

Pentru a menține temperatura spațiului încălzit la o valoare dorită se montează câte un servomotor pe fiecare nivel al pensiunii comandat de către un termostat al cărui senzor de temperatură decelează variațiile de temperatură din spațiul încălzit și reglează debitul de agent termic secundar din instalația de încălzire în pardoseală. În acest mod este posibilă reglarea independentă a temperaturilor de pe fiecare nivel al pensiunii.

Când termostatul sesizează o creștere a temperaturii peste valoarea dorită în spațiul încălzit servomotorul va reduce debitului de agent termic secundar din circuitul de încălzire în pardoseală determinând astfel scăderea temperaturii mediului ambiant. Dacă temperatura spațiului încălzit depășește cu mult valoarea dorită servomotorul va reduce debitul de agent termic secundar până la închiderea circuitului de încălzire pe nivel. Pompa de recirculare a agentului termic secundar situată pe returul circuitului de încălzire pe fiecare nivel va sesiza o scădere a debitului, până la oprirea acesteia când termostatul va comanda totodată închiderea circuitului instalației de încălzire pe nivel prin intermediul servomotorului[37].

Când necesarul de căldură scade în condițiile creșterii temperaturii din spațiul încălzit și o parte din servomotoare sunt în poziția închis, agentul termic secundar, care este pompat de pompa de recirculare de pe returul circuitului de disipare a căldurii este redicționat de către o vană cu trei căi comandată de aceleași termostat print-o conductă de ocolire, astfel încât nu va mai circula prin schimbătorul intremediar de căldură până când valoarea temperaturii acestuia va înregistra o scădere care va determina scăderea temperaturii mediului încălzit care va fi detectată de senzorul de temperatură montat în aceasta. Sesizând această scădere o va transmite termostatului care va determina deschiderea vanei cu trei căi ce va redicționa agentul termic secundar prin schimbătorul intermediar de căldură unde acesta se va încălzi din nou[37].

Când necesarul de căldură scade de așa natură încât toate termostatele vor comanda închiderea tuturor servomotoarelor și a pompelor de pe fiecare nivel atunci termostatele comandă oprirea motorului pompei de circulație montată pe conducta de retur a circuitului de disipare a căldurii[37].

Apa de la sursă este pompată cu ajutorul unei pompe în boiler până la un nivel stabilit, unde este încălzită prin schimbul de căldură realizat între agentul termic primar din sistemul de preparare a apei calde menajere cu ajutorul colectorilor solari sau în cazul unei insuficiente radiații solare complementar și din sistemul de încălzire folosind cazanele cu combustibil lemnos[37].

În momentul utilizării apei calde menajere prin deschiderea unuia sau mai multor robineți de pe circuitul de apă caldă menajeră, astfel apa caldă menajeră fiind consumată, un senzor de nivel din interiorul boilerului va sesiza această scădere și va comanda pornirea motorului de antrenare a pompei de circulație ca va pompa apă de la sursă.

Circulația agentului termic primar din sistemul colectorilor solari este produsă de diferența dintre presiunea realizată de coloana de apă de temperatură mai ridicată și coloana de apă de temperatură mai coborâtă. În consecință consumul de energie electrică va fi mai mic, instalația funcționând pe principiul gravitației[37]. Senzorul de temperatură montat în boiler va comanda în momentul creșterii temperaturii apei în boiler servomotorului montat pe turul instalației cu colectori solari reducerea debitului de agent termic primar până la oprire[37].

Dacă senzorul termostatului detectează o temperatură insuficientă a apei în boiler realizată de sistemul de colectori solari, atunci se pune în funcțiune circuitul de încălzire cu ajutorul cazanului cu combustibil solid regenerabil.

Agentul termic primar al circuitului de producere a căldurii cu ajutorul cazanului pe combustibil solid regenerabil este pompat spre cazan de către o pompă de circulație care deservește acest circuit și care este montată pe returul acestuia. Pornirea și oprirea pompei de pe returul circuitului de producere a căldurii este comandată de către un termostat al cărui senzor de temperatură sesisează scăderea sau respectiv creșterea temperaturii apei din interiorul boilerului. Când senzorul de temperatură sesisează scăderea temperaturii apei din interiorul boilerului sub o valoare prestabilită termostatul comandă pornirea pompei de circulație de pe acest circuit.

Alegerea tipului de cazan pentru centrala termică în funcție de necesarul de căldură calculat precum și a instalației de aer condiționat pentru o incintă a pensiunii, alături de caracteristicile tehnice ale acestora se prezintă în anexele proiectului.

4.4 Conceperea, configurarea și dimensionarea instalației de climatizare

Instalația de climatizare este formată din dispozitive de producere a aerului condiționat comerciale. Calculul necesarului de frig și a puterii acestora se va face de asemenea prin utilizarea unui program online[19].

Dispozitivele de producer a aerului condiționat vor fi amplasate în fiecare dormitory, pe holuri, la recepție și sala de mese.

Interfața de calcul a programului se prezintă în figura următoare:

Fig. 4.8 Interfața programului de calcul pentru instalația de AC[19]

Un exemplu cu rezultatele de calcul pentru o incintă a pensiunii se prezintă în figura următoare. Pentru celelalte incinte se vor prezenta capturi cu rezultatele în anexele proiectului.

Fig. 4.9 Rezultate de calcul pentru o încăpere reyultată din[19]

CONCLUZII

Sistemele de încălzire care folosesc surse regenerabile de energie cele mai des utilizate sunt instalațiile de captare a energiei solare, instalațiile bazate pe arderea combustibililor regenerabili și pompele de căldură;

Odată cu pretențiile crescute față de confortul termic și implicit a creșterii necesarului de căldură în spațiile de cazare se impun reducerea costurilor cu energia achiziționată și a creșterii eficienței energetice a surselor de energie. Aceste deziderate pot fi atinse prin utilizarea surselor de energie regenerabilă cu eficiență crescută;

Pierderile minime de căldură prin transmisie și ventilație presupun o investiție consistentă în structura de rezistență , stratul izolator exterior și geamurile clădirii pensiunii.

Câteva dintre avantajele utilizării energiilor regenerabile pentru procesele de încălzire sunt următoarele :

Sunt ecologice;

Nu generează emisii de CO2;

Sunt disponibile în calități teoretic nelimitate;

Pot fi utilizate local;

Reprezintă soluții pentru mai multe categorii de conversie energetică;

Clădirea, prin caracteristicile sale de transfer termic (inerție, conductivitate termică), are o influență majoră in utilizarea sistemelor de energii regenerabile, deoarece necesarul de incălzire sau de răcire și timpul de intrare in regim a pompei de căldură sunt puternic afectate de aceste caracteristici.

Alegerea uneia sau a altei variante de instalație pentru încălzire se bazează pe mai multe aspecte. Una dintre acestea și poate cel mai important este prețul de cost.

Un alt aspect îl constituie protecția mediului ambiant care se constituie ca o condiție morală pentru evoluția societății și pentru dezvoltarea durabilă.

Bineînțeles că adoptarea variantelor se bazează pe o comparație între acestea din mai multe puncte de vedere. Analiza variantelor se face pe seama studierii avantajelor și dezavantajelor acestora.

Decizia privind implementarea unui sistem anumit de încălzire se face după parcurgerea mai multor etape începând cu un studiu de fezabilitate, urmând calculul necesarului de energie și finalizând cu studiul ofertei de preț a furnizorilor de echipamente.

Chiar dacă sistemele de încălzire bazate pe arderea combustibililor sunt surse de poluare de multe ori înlocuirea bruscă a acestora este imposibilă. Sunt însă posibilită de tratare a combuctibililor sau de absorbție și evacuare a emisiilor poluante care dacă aplicate corect reduc semnificativ agenții poluanți emanați în atmosferă. De asemenea prin utilizarea biomasei sau biogazului se pot substitui cantitățim mari de cărbune cunoscut prin efectele deosebit de nocive asupar mediului ambiant.

Sursele regenerabile de energie constituie indiscutabil rezervele viitorului în ceea ce privește conversia în energie electrică și termică. Aspetul legat de protecția mediului este esențial în dezvoltarea ebergeticii surselor regenerabile de energie. Chiar dacă în prezent multe tehnologii de valorificare a acestora sunt deficitare sau costisitoare, atenția specialiștilor trebuie să fie îndreptată asupra cercetării iar alternativele nu trebuie să fie lăsate pentru ultimul moment.

Obiectivele turistice din România pot constitui adevărate motoare în creșterea veniturilor aduse economiei naționale. De aceea și unitățile de cazare sunt componente economice care prin serviciile oferite aduc plusvaloare economiei naționale. Încurajarea dezvoltării unităților de primire a turiștilor de tipul pensiunilor, pot fi dezvoltate într-un ritm alert cu susținerea financiară a statului, prin fondurile puse la dispoziție de Uniunea Europeană.

Pentru asigurarea confortului turiștilor, sistemele de încălzire șiu climatizare au un rol primordial. Prin fondurile de mediu oferite pe diverse programe guvernamentale sunt încurajate instalarea de sisteme de încălzire bazate pe surse regenerabile de mică putere. Combinate cu sursele clasice și implementate mai ales în zone montane fără acces la utilități, cu atracții turistice valoroase datorită caracterului virgin al naturii, sursele regenerabile de energie sunt indicate a fi utilizate tot mai mult în cadrul unităților de cazare de tipul pensiunilor.

Bibliografie

[1]. Apahidean B, Mreneș M, Combustibili și teoria proceselor de ardere, Ed. U.T. Pres, Cluj-Napoca, 1997;

[2]. Leonăchescu N, Șandru E, Probleme de termotehnică, Ed. Didactică și Pedagogică, București, 1977;

[3].Mădărășan T, Bălan M, Termodinamică tehnică, Ed. Sincron, Cluj-Napoca, 1999

[4].Popa B, Vintilă C, Transfer de căldură în procesele industriale, Ed. Dacia, Cluj-Napoca, 1975;

[5]. Teberean I, Mădărășan T, Agenții termodinamici și mașini termice, Ed. Dacia, Cluj-Napoca, 1999;

[6]. Avram N, Încălzirea prin pardoseală – Henco Floor, Tehnica Instalațiilor, Ed. Minos, anul IV.5 (22)/2004;

[7]. Boian I, Interdependența condițiilor de lucru cu performanțele funcționale ale sistemelor de climatizare cu absorție pe bază de litiu-apă, Tehnica Instalațiilor, Ed. Minos, anul IV.5 (22)/2004;

[8]. Kelemen G, Ursa D, Alternativă energetică: Energia solară, Tehnica Instalațiilor, Ed. Minos, anul IV.1/2004,

[9]. Bălan M, Pompe de căldură și instalații frigorifice, Complemente de proces, calculul și construcția instalațiilor frigorifice, Utilizarea frigului artificial, Note de curs ;

[10]. STAS 6648/1,2-82, Parametrii climatici exteriori, calculul aporturilor de căldură din exterior;

[11]. Mădărășan T, Bălan M – Termodinamică tehnică, Ed. Sincron, Cluj Napoca, 1999;

[12]. Podar Margareta – Studiul necesarului de căldură a locuințelor: implementarea sistemelor de încălzire cu surse regenerabile de energie, Sesiunea de comunicări științifice a studenților, facultatea de Mecanică , Cluj Napoca, 2006;

[13]. www.panouri-solare.ro

[14] .www.prity.ro

[15]. www.romstal.ro

[16].*** I5-2010 / Normativ pentru proiectarea, executarea și exploatarea instalațiilor de ventilare și climatizare;

[17]. Bancea Olga, Dorhoi S – Ventilarea și climatizarea clădirilor, Colecția Student, Editura Politehnica Timișoara, 2007;

[18]*** www.termo.utcluj.ro/ufa/conditionare

[19]***http://alt-air.ro/calculator.htm

[20]. STAS 1907/1,2-97, Instalații de încălzire, calculul necesarului de căldură

[21]. www.ecolemn.ro

[22]. www.gealan.de

[23]. www.ioanina.ro

[24]. www.intelterm.ro

[25]. www.termo.utcluj.ro

[26] . http://www.panosol.ro/proiectanti.php

[27]. www.anre.ro

[28]. De Sabata C ș.a. – Bazele fizice ale conversiei energiei solare, Ed. Facla, Timișoara, 1982;

[29]. ***GP 017-1996 – Ghid pentru calculul consumului de căldura al clădirilor dotate cu sisteme de încălzire solara;

[30]. ***GP 026-1997 – Ghid pentru calculul consumului de căldură al clădirilor dotate cu sisteme de încălzire solară.

[31]. *** SR EN 12975-1 – Instalații termice solare și componentele acestora. Captatoare solare. Partea 1: Cerințe generale

[32].*** ICEMENERG /Studiu privind evaluarea potențialului energetic actual al surselor regenerabile de energie în romania (solar, vânt,biomasă, microhidro, geotermie), identificarea celor mai bune locații pentru dezvoltarea investițiilor în producerea de energie electrică neconvențională, București, 2008, http://www.minind.ro/.

[33]. ***Manualul inginerului termotehnician, vol. II, III, Ed. Tehnică, București, 1986;

[34] *** Îndrumător de proiectare solare, sursa: http://www.ganz.ro/uploaded-images/files/Indrmator%20proiectare%20solare.pdf.

[35]. http://www.epanouri.ro/shop/turbine-eoliene-wm/

[36]. http://www.electricalc.ro/sisteme-fotovoltaice-solare/dimensionarea-instalatiei

[37]. http://www.termo.utcluj.ro/diploma/incalzire_climatizare_pensiune.pdf

[38]. http://instal.utcb.ro/site/proiectecoordonare/serefen/cib.pdf

[39]. ROȘCA,M -Geotermalism și centrale geotermale.Ed.Universității din Oradea,1998.

[40]. Gavriliuc R – Pompe de căldură de la teorie la practică, Ed. MatrixRom, București, 1999;

[41]. www. casasidesign.ro/calculator-necesar-termic.html

AXEXA 1

Calculator necesar energie termică

Sursa: www.casasidesign.ro/calculator-necesar-termic.html

Fig. A 1 Interfață calcul necesar termic pentru dormitor de tip 1

Fig. A 2 Interfață calcul necesar termic pentru dormitor de tip 1

Fig. A 3 Interfață calcul necesar termic pentru baie de tip 1

Fig. A 4 Interfață calcul necesar termic pentru baie de tip 1

ANEXA 2

Calculator necesar putere aer condiționat

Sursa: http://alt-air.ro/calculator.htm

Fig. A5 Interfața de calcul dispozitiv AC pentru dormitor de tip 1

Fig. A6 Interfața de calcul dispozitiv AC pentru dormitor de tip 2

Fig. A7 Interfața de calcul dispozitiv AC pentru hol 1

Fig. A8 Interfața de calcul dispozitiv AC pentru hol 3

Fig. A9 Interfața de calcul dispozitiv AC pentru hol 3

ANEXA 3

Caracteristicile cazanului pentru centrala termică pe biomasă

Cazan cu gazeificare pe lemne Idella Fire Wood 100 KW – IFW-GE-100, productie germania (https://www.esolar.ro/cazan-cu-gazeificare-pe-lemne-idella-fire-wood-100-kw-ifw-ge-100.html).

ANEXA 4

Caracteristicile dispozitivului de AC pentru holuri

Deoarece pentru holuri valoarea minimă calculată pentru puterea instalațiilor de frig este de 14 189 BTU la capacitate maximă de încărcare cu persoane, se aleg dispozitive de aer condiționat de 18 000 BTU de tip HYUNDAI.

Caracteristici tehnice ale acestui dispozitiv sunt:

Capacitate de răcire 18000 BTU

Consum energie electrică de răcire Wr= 324 kWk/an

alimentare: monofazat

Tensiune frecvență 230/50 Hz

Agent frigorific: R-410 A

Greutate unitate internă: 14 kg

Greutate unitate externă: 44 kg

Pret/ unitate 3400 RON

Pentru ansamblul dormitoarelor(10), prețul dispozitivelor de aer conditionat este 34 000 RON