Capitolul Ii Instalatii Incalzire Iulie 2017 Final [309186]
CAPITOLUL II
INSTALAȚII DE ÎNCĂLZIRE
CUPRINS
II. INSTALAȚII DE ÎNCĂLZIRE
II.1. Noțiuni generale privind instalațiile de încălzire
O preocupare permanentă pentru oameni o constituie îmbunătățirea confortului lor. Clădirile de locuit și instalațiile aferente acestora reprezintă o continuă căutare sau provocare.
În România s-[anonimizat], clădiri multifuncționale dezvoltate pe orizontală și verticală iar din cele peste 7 milioane de gospodării și 8,4 [anonimizat] (RPL) 2011, [anonimizat]. Este greu de discutat despre gradul de izolare termică a [anonimizat] a elementelor de construcție folosite și de asemenea de confortul termic asigurat.
Astăzi asistăm la o creștere a numărului de locuințe individuale foarte variat din punct de vedere arhitectural și al gradului de confort pe care îl asigură.
[anonimizat].
În ultimii 25 [anonimizat], [anonimizat], conducte, [anonimizat] a acestor sisteme de încălzire.
[anonimizat], administrative, comerciale și industriale.
Sistemele de încălzire sunt concepute pentru a satisface toate cerințele utilizatorilor. Importantă este cunoașterea soluțiilor de implementare ale acestor sisteme și alegerea soluției optime.
[anonimizat]. Din energia termică aferentă unei clădiri cea mai mare parte este destinată instalației de încălzire. [anonimizat] a unei clădiri.
Importanța instalației de încălzire a [anonimizat].
[anonimizat] 20-20-20, promovarea surselor regenerabile pentru încălzire sunt doar câteva exemple care argumentează actualitatea studiilor pentru instalațiile de încălzire.
II.1.1. Definiția și componența instalației de încălzire
Definim instalația de încălzire ca fiind instalația cu rolul de crea și a menține temperatura aerului interior în limitele confortului termic.
[anonimizat] (caldură) constă într-o [anonimizat], transportul agentului termic și utilizarea căldurii.
Producerea căldurii se realizează într-un generator de căldură unde are loc arderea combustibililor și apoi transmiterea acesteia, unui fluid încălzitor, numit agent termic. Apoi, are loc transportul fluidului încălzitor de la locul de producere, la locul de utilizare a căldurii produse în instalațiile de încălzire.
Producerea căldurii, respectiv prepararea fluidului încălzitor se poate realiza în:
centralele termice propriu-zise (CT);
centrale electrice de termoficare (CET) și centrale nucleare de termoficare (CNET);
instalații pentru valorificarea surselor secundare de energie și a altor resurse naturale de energie cu excepția celor clasice (solară, geotermală etc.).
Alimentarea cu energie termică se poate realiza centralizat sau local. În cazul alimentării centralizate, o singură sursă poate alimenta mai multe clădiri iar alimentarea locală este specifică unei singure clădiri.
Elementele componente ale unei instalații de alimentare centralizată cu căldură sunt:
sursa de căldură;
rețeaua de distribuție;
punctul termic;
rețeaua exterioară a consumatorilor,
consumatorii cu instalația interioară de încălzire.
După mărimea ansamblului de clădiri și după specificul sursei de căldură se întâlnesc următoarele situații:
Alimentarea cu energie termică de la centrala termică (CT) a unui grup de blocuri (cvartal)
Fig.II.1.1. Schema unei instalații de alimentare cu energie termică de la o centrală termică a unui grup de blocuri (cvartal)
1 centrala termică (CT); 2 rețeaua exterioară a consumatorilor; 3 consumatori.
În figura Fig.II.1.1. este reprezentată schema de alimentare cu energie termică de la o centrală termică a unui cvartal de clădiri care reprezintă soluția specifică unor ansambluri mici de clădiri de locuit, sau a unor mici unități industriale, amplasate în ansamblul urban.
Alimentarea cu energie termică de la centrala termică (CT) a unei zone (cartier, ansamblu). Aceasta reprezintă o arie importantă a unui oraș mare sau, eventual, o localitate de mici dimensiuni în întregime.
În Fig.II.1.2. și Fig.II.1.3. este reprezentată schema unei instalații de alimentare cu căldură de la o centrală termică de zonă, situată în zona Copou a orașului Iași fiind singura zonă a orașului neracordată la CET Iași.
Fig.II.1.2. Aria de amplasare a centralei termice de zonă
Fig.II.1.3. Schema unei instalații de alimentare cu energie termică de la o centrală termică de zonă
1 – sursa de căldură – centrală termică de zonă, 2,3 – rețeaua de distribuție, 4,5 – consumatori.
Alimentarea cu energie termică de la o centrală electrică de termoficare – producătoare de energie termică și electrică (CET).
În Fig.II.1.4. se prezintă schema de alimentare cu energie termică de la o centrală electrică de termoficare și cazul particular a alimentării cu căldura a orașului Iași de la CET Iași (Fig.II.1.5.).
Fig.II.1.4. Schema unei instalații de alimentare cu energie termică de la o centrală termică de termoficare
1 – sursa de căldură (CET); 2 – rețeaua de transport primară; 3 – rețeaua de distribuție secundară; 4 – punct termic, A – zona industrială; B – zona urbană.
Sursa de căldură este reprezentată de cazane de abur de înaltă presiune, se prepară abur care este introdus în turbine la presiuni mari și pune în mișcare un generator electric care produce energie electrică.
Fig.II.1.5. Amplasarea CET Iași și rețeaua de termoficare a Campusului T. Vladimirescu
Soluția se justifică analizând criteriile economico-energetice, care au în vedere mărimea consumului de căldură industrial și urban, concentrarea consumatorilor, eșalonarea intrării în funcțiune a acestora, natura combustibilului etc.
Această soluție mai poate fi denumită și “încălzire la distanță” sau “încălzire urbană”.
În interiorul zonei de consum se folosește o rețea de distribuție. Agentul termic produs de sursa de încălzire are parametri diferiți față de cei ai instalațiilor interioare de încălzire centrală și, din acest considerent, se folosesc puncte termice pentru transformarea parametrilor agenților la valorile de consum (VALORI ale parametrilor). În punctele termice se realizează racordarea rețelei exterioare a consumatorilor la rețeaua de distribuție, respectiv prepararea apei calde de consum. Rețeaua de distribuție de la sursă până la punctul termic, se numește rețea primară iar cea de la punctul termic până la consumator se numește rețea secundară.
Atunci când într-o clădire, se află una sau mai multe surse de căldură care nu alimentează decât clădirea respectivă, se consideră că alimentarea cu energie termică se realizează local.
În Fig.II.1.6. este reprezentată schema unei instalații de alimentare cu energie termică de la o centrală termică proprie, care este soluția pentru încălzirea centrală de apartament (sau de bloc) cu centrală termică proprie (individuală) a unei clădiri.
Fig.II.1.6. Schema unei instalații de alimentare cu energie termică de la o centrală termică proprie
1 – centrala termică; 2 – instalația interioară de încălzire; 3 – consumator.
II.1.2. Clasificarea instalațiilor de încălzire
Clasificările convenționale împart instalațiile de încălzire după cum urmează:
Instalațiile locale de încălzire;
Instalațiile de încălzire centrală;
Instalațiile de termoficare.
Instalațiile locale de încălzire sunt instalații la care energia termică se produce chiar la locul de utilizare, în încăperile ce trebuiesc încălzite.
Soluțile pentru încălzirea locală sunt prezentate în Tab.II.1.1.
Tab.II.1.1. Soluții pentru încălzirea locală
2. Instalațiile de încălzire centrală
instalația de încălzire centrală cu apă caldă;
instalația de încălzire centrală cu abur;
instalația de încălzire centrală cu aer cald.
Instalația de încălzire centrală cu apă caldă este alcătuită din:
sursă de căldură;
rețelele de distribuție;
instalația interioară de încălzire.
În Tab.II.1.2. este prezentată clasificarea instalațiilor de încălzire în funcție de modul în care se realizează transferul de căldură în încăperi.
Tab.II.1.2. Modalități de transfer a căldurii în încăperi
În Tab.II.1.3. este prezentată clasificarea instalațiilor de încălzire în funcție de modul de circulație a apei calde.
Tab.II.1.3. Modul de circulație a apei calde:
În Tab.II.1.4. este prezentată clasificarea instalațiilor de încălzire în funcție de numărul de conducte care alimentează corpurile de încălzire.
Tab.II.1.4. Numărul de conducte care alimentează corpurile de încălzire
În Tab.II.1.5. este prezentată clasificarea instalațiilor de încălzire în funcție de tipul corpurilor de încălzire.
Tab.II.1.5. După tipul corpurilor de încălzire:
În Tab.II.1.6. este prezentată clasificarea instalațiilor de încălzire în funcție de modul de distribuție a conductelor.
Tab.II.1.6. Modul de distribuție a conductelor
În Tab.II.1.7. este prezentată clasificarea instalațiilor de încălzire în funcție de natura materialului din care sunt executate conductele.
Tab.II.1.7. După natura materialului din care sunt executate conductele
În funcție de modul de funcționare și exploatare a instalațiilor, acestea pot fi:
manuale;
semiautomatizate;
complet automatizate.
c) Instalațiile de încălzire centrală cu aer cald
Schema generală a unei instalații de încălzire cu aer cald este prezentată în Fig.II.1.7.
Fig.II.1.7. Schema instalației de încălzire cu aer cald
1 – sursa de căldură cu aer cald, 2 – tubulatură de introducere aer cald, 3 – tubulatură de evacuare/recirculare, 4 – grilă de introducere, 5 – grilă de evacuare.
Tab.II.1.8. prezintă clasificarea instalațiilor de încălzire cu aer cald după modul de circulație a aerului.
Tab.II.1.8. Modul de circulație a aerului într-o instalație cu aer cald
După rația de aer proaspăt, instalațiile de încălzire cu aer cald pot fi cu:
aer recirculat;
aer proaspăt;
mixte.
Instalațiile de termoficare (CET)
Acestea presupun producerea concomitentă a energiei termice și a energiei electrice, în termocentrale de mare putere. Transportul căldurii se realizează prin rețele de transport la distanță.
Instalațiile de termoficare pot fi:
urbane;
industriale.
II.1.3. Criterii de alegere a instalației de încălzire
Alegerea instalației de încălzire pentru o clădire sau pentru un grup de clădiri se face în funcție de destinația acestora. Pentru un domeniu mai larg de utilizare se recomandă folosirea ca agent termic a apei calde sau apei fierbinți și pentru cedarea de căldură se indică încălzirea folosind corpuri statice, încălzirea prin radiație și încălzirea cu aer cald.
Având în vedere definiția instalației de încălzire se poate afirma că aceasta urmărește ca temperatura aerului interior să fie cât mai uniformă în încăpere, fără variații care să influențeze starea generală de confort termic din interior.
Comparând încălzirea locală cu încălzirea centrală se observă cu ușurință avantajul încălzirii centrale, mai ales când sunt utilizate echipamente corespunzătoare și cu un mare grad de automatizare.
La alegerea instalației de încălzire pentru o locuință se au în vedere două aspecte principale:
aspectul termic dat de eficiență astfel încât instalația de încălzire să asigure condițiile de confort cerute pentru fiecare încăpere;
aspectul economic care se referă la realizarea instalației de încălzire precum și exploatarea și întreținerea lui cu cheltuieli minime.
Însă trebuie urmărite și alte aspecte referitoare la gradul de izolare termică a clădirii, combustibilul de care se dispune, de gradul de complexitate al clădirii, gradul de utilizare și nu în cele din urmă dacă este o clădire nouă sau veche.
Așadar, pentru clădirile de locuit, pot exista două situații distincte care se abordează diferit:
La construcțiile noi – unde alegerea instalației de încălzire presupune mai întâi un studiu al caracteristicilor tehnice și de cost a materialelor de construcție ce vor fi folosite, urmărindu-se alegerea unor materiale cu proprietăți termotehnice cât mai bune, la un preț cât mai redus;
La construcțiile existente – problema care se pune este legată de îmbunătățirea condițiilor de confort termic și, în același timp, de reducere a consumului de combustibil.
Schimbarea instalației de încălzire impune, totodată, un studiu legat de cheltuielile privind desființarea fostei instalații, posibilitățile de amplasare a corpurilor și a aparatelor de încălzire aferente noii instalații, precum și de cheltuielile suplimentare legate de eventualele măsuri de izolare termică a elementelor exterioare de construcții.
La alegerea instalației de încălzire trebuie să se aibă în vedere și faptul că instalația trebuie să fie durabilă, sigură în funcționare, ușor de întreținut și exploatat.
Se recomandă ca pentru clădirile vechi prevăzute cu încălzire locală cu sobe, să se utilizeze arzătoare automatizate dar, se recomandă utilizarea încălzirii centrale.
Pentru clădiri vechi prevăzute cu încălzire centrală cu circulație naturală se poate înlocui cu încălzire centrală cu circulație forțată.
Pentru clădiri noi soluția, cea mai utilizată este încălzirea centrală de apartament cu circulație forțată. Alte soluții funcționale pot combina încălzirea convectivă cu încălzirea prin radiație de joasă temperatură.
Instalația de încălzire trebuie să respecte următoarele:
Menținerea în încăperi a unei temperaturi uniforme atât în plan vertical cât și orizontal dar și evitarea fenomenului de radiație rece;
Reglarea temperaturii interioare în funcție de necesități și corelată cu inerția termică a elementelor delimitatoare ale încăperilor;
Asigurarea unor viteze a curenților de aer în limita confortului termic;
Alegerea surselor de căldura nepoluante sau cu un impact cât mai mic asupra mediului înconjurător și fără degajări de praf și zgomot;
Adoptarea soluțiilor pentru instalației de încălzire cu un raport cât mai bun cost de investiție/ cost de exploatare;
Asigurarea condiției ca fiecare beneficiar al instalației de încălzire să platească cât consumă.
II.1.4. Agenți termici
Agenții termici sunt fluide capabile să transporte, în anumite condiții, o cantitate de energie de la locul de producere la locul de consum sau, să transmită căldura unui alt fluid care, la rândul său, devine agent termic denumit agent termic secundar.
Cel mai des utilizați agenți termici sunt:
apă caldă (cu temperatura până la 100 °C);
apă fierbinte de joasă presiune (cu temperatura de 100…115 °C);
apă fierbinte de înaltă presiune (cu temperatura 115 °C);
abur de joasă presiune (cu presiunea ≤ 0,7 at);
abur de medie și înaltă presiune (cu presiunea 0,7 at);
aerul;
uleiul sau alte fluide care au temperaturi de vaporizare ridicate la presiuni mici.
Cel mai utilizat agent termic este apa caldă cu parametrii 95…75 °C, temperatura pentru tur și retur, în condiții nominale de temperatură exterioară.
Se folosesc valori mai reduse ale temperaturii pentru clădiri medicale precum și la creșe și grădinițe (80…65 °C), precum și pentru cele folosind sistemul de încălzire prin radiație cu suprafețe radiante (sub 60 °C). Se recomanda un ecart de temperatura de 20 °C pentru instalațiile de încălzire cu apă caldă, având temperatura nominală pe conducta de ducere 80…95 °C.
Variația debitului de agent termic se realizează fie prin variația debitului de fluid – agent termic (reglaj cantitativ), fie prin variația temperaturii agentului termic (reglaj calitativ).
Apa fierbinte se utilizează în rețele de transport și de distribuție la temperaturi de 150…70 °C în condiții nominale de temperatură exterioară. Temperatura apei fierbinți se alege în funcție de destinația spațiului încălzit, de sistemul de încălzire și de caracteristicile echipamentului de încălzire.
Trebuie de menționat, că apa este utilizată în stare lichidă și la temperaturi superioare celei de vaporizare la presiunea atmosferică, caz în care poartă denumirea de apă fierbinte (t 100 °C, spre deosebire de apa caldă, când t 100 °C – denumirea se referă la temperatura apei din conducta de ducere).
Pentru temperaturi de peste 100 °C, apa trebuie să se găsească în orice punct al instalației la o presiune totală (statică plus dinamică), mai ridicată decât cea de vaporizare, corespunzătoare temperaturii apei (pentru a împiedica vaporizarea apei în punctul respectiv).
În domeniul temperaturilor t = 100…115 °C se folosește denumirea de – apă caldă – corespunzând unei situații în care instalația respectivă este supusă unor măsuri de siguranță mai puțin severe decât apa fierbinte cu temperaturi mai mari de 115 °C (limita de 115 °C este stabilită convențional, în țara noastră, în alte țări folosindu-se și limite de 120 °C sau 100 °C).
Aburul este folosit ca agent termic pentru încălzire doar în industrie, adică unde este nevoie să se prepare de abur tehnologic.
Se recomandă utilizarea aburului la:
încălzirea clădirilor cu volum până la 500 m3, fără degajări de praf, amplasate izolat în incinte;
industriale;
instalațiile de încălzire cu aer cald, în condițiile asigurării unei posibilități de reglare a debitului de căldură furnizat de aparat;
încălzirea unor locuri de muncă izolate în hale mari de producție;
încălzirea unor încăperi în clădiri în care aburul se utilizează pentru nevoi tehnologice.
Aerul este utilizat pentru încălzire mai ales în instalațiile de climatizare (încălzire și răcire) dar și în cazul clădirilor cu inerție termică mică.
Uleiul (uleiul diatermic) folosit ca agent termic se regăsește în industrie, și utilizează agentul termic la temperaturi foarte mari.
II.1.5. Surse termice
Sursa termică constituie locul unde se produce, sau de unde se poate procura un anumit agent termic.
Sursele de căldură pentru încălzirea clădirilor sunt:
arderea combustibililor, solizi, lichizi sau gazoși.
agentul termic, de obicei apă fierbinte, furnizat de instalațiile de termoficare;
energia electrică în cazul încălzirii cu radiatoare electrice;
energia solară captată de panouri solare termice;
mediul ambiant (solul) în cazul încălzirii cu pompe de căldură.
Surse termice – Combustibili
Prin termenul combustibili sunt desemnați combustibilii clasici (cărbuni, petrol și derivatele sale, gaze naturale etc.).
Clasificarea combustibililor se poate realiza pe de-o parte după starea de agregare în combustibili solizi, lichizi și gazoși, iar pe de altă parte după proveniență în combustibili naturali și artificiali.
La combustibilii solizi și lichizi compoziția se exprimă în fracții (sau procente) masice, iar proprietățile lor fizice și chimice se exprimă raportate la 1 kilogram (kg).
La combustibilii gazoși compoziția se exprimă în părți (sau procente) volumice, iar proprietățile lor fizice și chimice se exprimă raportate la 1 metru cub normal (1m3N)
După puterea calorifică inferioară raportată la masa inițială combustibilii se clasifică în:
Combustibili inferiori, cu puterea calorifică inferioară sub 12,56 MJ/kg (3000 kcal/kg);
Combustibili medii, cu puterea calorifică inferioară între 12,56 – 20,93 MJ/kg (3000 – 5000 kcal/kg);
Combustibili superiori, cu puterea calorifică inferioară peste 20, 93 MJ/kg (5000 kcal/kg).
Combustibilii solizi
Dintre combustibilii solizi naturali fac parte biomasa din plante arse ca atare (paie, lemn), cărbunii, șisturile combustibile. Sunt considerați combustibili artificiali mangalul, cocsul și semicocsul, brichetele de cărbune, deșeurile combustibile solide (rumeguș, talaș, coji de semințe, puzderii etc.), combustibilii solizi pentru rachete.
Combustibilii lichizi
Singurul combustibil lichid natural este considerat țițeiul. Sunt considerați combustibili artificiali benzina, petrolul lampant, combustibilul pentru aviație, motorina, combustibilul lichid ușor, gazul petrolier lichefiat, păcura, metanolul, combustibilii lichizi pentru rachete.
Combustibilii gazoși
Dintre combustibilii gazoși naturali fac parte gazul natural și gazele de sondă. Sunt considerați combustibili artificiali gazul de furnal, gazul de cocserie, gazele de rafinărie, hidrogenul.
Surse termice – energia electrică
Încălzirea electrică are la bază efectul Joule prin care energia electrică poate fi transformată în căldură și utilizată (fromula). Această soluție prezintă pentru consumator multe avantaje: independență pentru orice investiție, posibilități facile de reglare, programare, contorizare, confort și lipsa oricăror forme de poluare.
Costul ridicat al energiei electrice în țara noastră limitează folosirea pe scară largă a acesteia pentru instalațiile de încălzire.
Sunt cazuri în care se justificată alegerea unei astfel de instalații de încălzire electrice pentru clădiri din zone care nu au posibilitatea utilizării gazului metan dar poate fi utilizată ca sursă de vârf (explicație) în cazul clădirilor cu încălzire neconvențională sau clasică.
Instalațiile de încălzire electrică pot fi: cu încălzire directă fără acumulare, cu acumulare sau mixte.
Ca aparate de încălzire se folosesc: radiatoare din tablă de oțel cu ulei diatermic, radianți electrici, aeroterme electrice, etc.
Surse termice – energia solară
Panourile solare termice sunt cele utilizate ca sursă termică.
Panorile solare termice sunt pot fi:
panouri solare plane;
panouri solare cu tuburi vidate.
O instalație cu panouri solare constă din panourile solare, lichidul de transfer al căldurii, pompa de circulație a lichidului, schimbătorul de căldură, rezervorul de acumulare și componentele de comandă/control.
Mai multe detalii se regăsesc în capitolul II.3.
Surse termice – Aerul, apa și solul în cazul încălzirii cu pompe de căldură.
Mediul ambiant, adică aerul, apa și solul pot fi surse de căldură atunci când utilizăm soluții de încălzire cu surse neconventionale și se folosesc pompele de căldură.
Sursele pompelor de căldură pot fi:
aerul (atmosferic, evacuat din incintele climatizate, gazele de ardere etc.);
apa (de suprafață, subterană, geo-termală sau tehnologică);
solul (pământul, deșeurile menajere).
Mai multe detalii se regăsesc în capitolul II.3.
II.1.6. Semne convenționale
În Tab.II.1.9. sunt prezentate semnele convenționale pentru conductele utilizate în instalațiile de încălzire. Completări referitoare la fitinguri, armături și îmbinări sunt prezentate în capitolul III – Instalații sanitare.
Tab.II.1.9. Semnele convenționale ale conductelor utilizate în instalațiile de încălzire
II.1.7. Mărimi și unități de măsură
În Tab.II.1.10. sunt prezentate principalele unități de măsură ale mărimilor ce intră în calculul și evaluarea instalațiilor de încălzire.
Tab.II.1.10. Mărimi și unități de măsură
Notă:
SI – Sistem internațional;
MKS – Sistemul metru-kilogram-secundă.
II.2. Sisteme de încălzire
II.2.1. Instalații de încălzire locală
Încălzirea locală este cea mai simplă instalație de incalzire si se recomandă a fi utilizată la clădiri individuale mici sau clădiri care au caracter sezonier si prezintă o serie de avantaje: cost de investiție redus, posibilitatea încălzirii numai a spațiilor utilizate, folosirea tuturor categoriilor de combustibili gazoși, lichizi și solizi, instalarea rapidă cu mijloace locale, exploatare ușoară, deci puțin costisitoare etc.
Sunt si multe dezavantaje ale acestui sistem de incalzire – randament termic mic, suprafețele încălzitoare au dimensiuni mari și ocupă mult spațiu în încăperea în care sunt amplasate respectiv pericol de incendiu în manipularea combustibilului.
Clasificarea instalațiilor de încălzire locală
Cele mai utilizate solutii pentru incalzirea locala sunt:
sobe din materiale ceramice sau metalice;
șemineuri;
încălzitoare electrice;
II.2.1.1. Încălzirea cu sobe
Cea mai simplă instalație de încălzire locală este încălzirea cu sobe, unde sursa termică și suprafața încălzitoare alcătuiesc un tot unitar care încălzește încăperea pe care o deservește.
În funcție de modul de acumulare și cedare a căldurii deosebim sobe cu acumulare și sobe fără acumulare de căldură, iar în funcție de combustibilul utilizat sobele pot funcționa cu combustibil solid, lichid si gazos. După modul constructiv, sobele sunt construite din zidărie de cărămidă și teracotă (ceramică) sau pot fi metalice.
Cele mai utilizate sunt sobele ceramice cu diferite forme geometrice exterioare (Fig.II.2.1.) a căror caracteristică principală este lungimea mare a traseului gazelor de ardere care duce la acumularea căldurii în pereții sobei și cedarea lentă a acesteia în încapere (Fig.II.2.2.).
Fig.II.2.1. Sobe ceramice
Fig.II.2.2. Traseul gazelor rezultate în urma arderii
1 – admisie aer, 2- gratar, 3- evacuare gaze de ardere, 4 – cenușar, 5 – cameră de ardere (focar), 6 – traseul gazelor de ardere. (http://negrestioas.olx.ro, http://ro.brunner.eu/, http://www.myhammam.ru)
Sobele metalice realizează o încălzire rapidă a încăperilor prin realizarea unor temperaturi ridicate a pereților însă cu un grad de confort redus. Combustibilul utilizat pentru acestea: lemn, cărbune, gaze naturale, gaze lichefiate sau combustibil lichid – CLU, motorină.
Tot din această categorie mai fac parte aparatele de încălzire alimentate cu gaze naturale și se compun dintr-un focar amplasat la partea inferioară, unde este amplasat arzătorul cu gaze, un dispozitiv de siguranță și racorduri la coș sau direct în exterior.
II.2.1.2. Încălzirea cu șemineuri
Șemineurile sunt sobe cu foc deschis sau închis (Fig.II.2.3.) racordate la coșuri de fum cu legătură directă cu exteriorul.
La șemineurile cu focar deschis transmisia căldurii se realizează în cea mai mare parte prin radiație iar la cele cu focar închis cedarea căldurii se realizează preponderent prin convecție așa cum se observă și în Fig.II.2.4.
Combustibilul folosit este, în general lemnul, randamentul fiind destul de scăzut. Se construiesc șemineuri cu grătarul din oțel sau fontă, cu posibilități de reglare a aerului necesar arderii și cu colectarea cenușii.
Fig.II.2.3. Construcția unui șemineu cu focar închis
1 – izolație de aluminiu, 2 – coș de inox, 3 – grilă de ieșire aer cald, 4 – plafon fals, 5 – grilă de decompresie, 6 – fum.
Acest mod de încălzire este folosit ca un foc de agrement și reprezintă un element decorativ montat în camera de zi pentru care acoperirea necesarului de căldură se realizează cu alte instalații de încălzire.
Fig.II.2.4. Șemineu decorativ
Sunt construite șemineuri cu posibilități de recuperare a căldurii din gazele de ardere care au intercalat pe traseul gazelor de ardere un schimbător de căldură gaze de ardere-apă – termoșemineu și pot furniza agent termic pentru o instalație de încălzire cu corpuri statice așa cum se observă în Fig.II.2.5.
Fig.II.2.5. Instalație termoșemineu
1 – termoșemineu; 2 – vas de expansiune; 3 – panou de comanda electronic; 4 – pompă de recirculare; 5 – sondă imersă; 6 – tub de siguranță; 7 – apă rece sanitară; 8 – apă caldă sanitară; 9 – supapă termică; 10 – tur instalație încălzire; 11 – retur instalație încălzire; 12 – robinet de golire; 13 – robinet de umplere; 14 – robinet cu sferă; 15 – preaplin; 16 – coș fum; 17 – radiatoare; 18 – consumator apă caldă menajeră duș.
Instalațiile cu termoșemineu se pot executa ca sistem autonom de încălzire, și nu necesită pompă de circulație. Se poate monta și pentru case fără alimentare cu energie electrică, putând asigura inclusiv apa caldă menajeră (Fig.II.2.6.a.).
Cazul instalației standard presurizate este prezentat în Fig.II.2.6.a. Șemineul poate fi montat în paralel/cascadă cu o centrală cu gaze naturale și circulație forțată (Fig.II.2.6.b.)
a) b)
Fig.II.2.6. Instalații cu termoșemineu : a) circulație naturală ; b) circulație forțată
1 – termoșemineu; 2 – stocator (puffer); 3 – radiatoare; 4 – vas de expansiune deschis; 5 – centrală termică cu gaze naturale; 6 – pompă de circulație. (www.semineesobe.ro, http://www.biostefeco.ro)
II.2.1.3. Încălzirea electrică
Încălzirea cu aparate electrice reprezintă un sistem de încălzire locală destul de puțin utilizată în România datorită costului energiei electrice. Aceste aparate electrice de încălzit sunt utilizate acolo unde nu există un combustibil clasic, sau pentru preluarea vârfurilor de consum de căldură.
Ca și sobele, acestea se pot împărți în aparate de încălzire fără acumulare de căldură și aparate cu acumulare de căldură.
Din categoria aparatelor electrice fără acumulare de căldură menționăm radiatoarele și convectoarele. Acestea au puteri termice cuprinse între 700 și 2500 W și sunt utilizate pentru încălzirea rapidă a locuințelor sau pentru acoperirea vârfurilor de necesar de căldură în perioada cu temperaturi exterioare scăzute.
Încălzirea cu aparate electrice cu acumulare de căldură constă în acumularea de căldură în perioada de noapte, când costul energiei este redus și cedarea ei în timpul zilei. Acest tip de încălzire se utilizează acolo unde există tarife diferențiale ale energiei electrice și sunt caracterizate prin simplitate și securitate.
Din categoria încălzitoarelor electrice fac parte radiatoarele electrice (Fig.II.2.7.) și aerotermele electrice.
Fig.II.2.7. Radiatoare electrice (http://www.calorserv.ro)
II.2.2. Instalații de încălzire centrală
II.2.2.1. Instalații de încălzire centrală cu apă caldă
Instalațiile de încălzire cu apă caldă sunt realizate după diverse scheme, în funcție de natura construcției, de condițiile locale etc.
Referitor la alcătuirea instalației de încălzire centrală se poate afirma că sunt trei părți componente (Fig.II.2.8.):
sursa de căldură – bazată pe arderea combustibililor, are în componența sa generatoarele de căldură, pompe, distribuitoare, recipiente sub presiune etc.
rețelele de distribuție – sunt alcătuite, în principal, din conducte, armături, compensatoare de dilatare, puncte fixe etc.
consumatorul – cuprinde corpuri și aparate de încălzire.
Fig.II.2.8. Schema de principiu a instalației de încălzire centrală
1 – sursă de căldură; 2 – distribuție primară; 3 – consumator – radiator.
Elementele componente principale ale unei instalații de încălzire cu apă caldă sunt (Fig.II.2.9.):
sursa de căldură (cazanul);
rețeaua de conducte pentru distribuția agentului termic la corpurile de încălzire;
corpurile de încălzire situate în fiecare încăpere;
elemente pentru siguranța instalației;
armăturile și dispozitivele de reglaj;
instalația pentru prepararea apei calde menajere (optional);
instalația de alimentare cu combustibil.
Aceste elemente se regăsesc la toate categoriile de instalații de încălzire centrală cu apă caldă, diferența fiind doar tipul constructiv și soluția adoptată.
Fig.II.2.9. Instalația de încălzire centrală (www.vigas.bg)
1 – boiler, 2 – supapă de siguranță, 3 – termostat, 4 – pompă de circulație, 5 – stocator apă caldă, 6 – vană de amestecare cu patru căi, 7 – radiator, 8 – vas de expansiune, 9 – valvă (deschisă în lipsa tensiunii), 10 – control electronic, 11 – grup de termometre, 12 – supapă de reținere.
II.2.2.2. Instalații de încălzire cu circulație naturală
Instalațiile de încălzire cu circulație naturală au fost primele utilizate pentru clădirile de locuit individuale.
La aceste instalații, datorită temperaturii mai ridicate, apa caldă din cazan, cu greutate specifică mai mică, este împinsă de apa rece din conducta de întoarcere cu greutate specifică mai mare și astfel se realizează circulația. Când ajunge în radiator, apa se răcește, realizându-se astfel în permanență o diferență de presiune necesară asigurării circulației.
Instalația se compune dintr-un cazan amplasat într-o încăpere la subsol, rețeaua de distribuție arborescentă și coloanele de alimentare a corpurilor de încălzire.
Funcție de tipul distribuției conductelor principale de ducere și întoarcere, instalațiile de încălzire cu circulație naturală pot fi cu distribuție inferioară (Fig.II.2.10.a.), cu distribuție superioară (Fig.II.2.10.b.) sau mixte (Fig.II.2.10.c.).
Fig.II.2.10.Schemele instalațiilor de încălzire cu apă caldă cu circulație naturală
C – cazan pentru încălzire; B – boiler pentru preparare apă caldă menajeră; VED – vas de expansiune deschis; Ca – conductă de aerisire; CPP – conductă de preaplin; CC – conductă de legătură.
Se disting trei tipuri de scheme de încălzire cu apă caldă cu circulație naturală în funcție de tipul distribuției și tipul vasului de expansiune, respectiv:
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție inferioară și vas de expansiune deschis;
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție superioară și vas de expansiune deschis;
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție mixtă și vas de expansiune deschis;
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție inferioară și vas de expansiune închis;
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție superioară și vas de expansiune închis;
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție mixtă și vas de expansiune închis.
Fig.II.2.11. Schema unei instalații de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție inferioară și vas de expansiune deschis
C – cazan pentru încălzire; B – boiler pentru preparare apă caldă menajeră; VED – vas de expansiune deschis; Ca – conductă de aerisire; CPP – conductă de preaplin; CC – conductă de legătură; CSD – conductă de siguranță ducere; CSI – conductă de siguranță întoarcere.
Fig.II.2.12. Schema unei instalații de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție superioară și vas de expansiune deschis
1- conductă de distribuție de ducere; 2 – conductă de distribuție de întoarcere; 3 – coloană de tur; 4 – coloană de retur; 5 – racord de tur; 6 – racord de retur; 7 – robinet de radiator; 8 – radiator.
Fig.II.2.13. Schema unei instalații de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție mixtă și vas de expansiune deschis
1 – conductă de distribuție de ducere; 2 – conductă de distribuție de întoarcere; 3 – coloană de tur; 4 – coloană de retur; 5 – racord de tur; 6 – racord de retur; 7 – robinet de radiator; 8 – radiator , 9 – robinet dezarisire; C – cazan pentru încălzire; B – boiler pentru preparare apă caldă menajeră; VED – vas de expansiune deschis; Ca – conductă de aerisire; CPP – conductă de preaplin; CC – conductă de legătură; CSD – conductă de siguranță ducere; CSI – conductă de siguranță întoarcere.
Majoritatea instalațiilor s-au executat în sisteme bitubular adică cu două conducte de alimentare a corpurilor de încălzire.
Conductele principale de ducere și de întoarcere precum și conductele de legătură la coloane ale corpului de încălzire se prevăd cu pante, astfel încât la umplerea cu apă a instalației, aerul să fie eliminat în exterior prin vasul de expansiune deschis.
Din punct de vedere al asigurării siguranței instalației, acestea s-au realizat în marea majoritate cu vas de expansiune deschis.
Există însă variante de realizare și cu vas de expansiune închis completat cu sistemul de siguranță format din supapele de siguranță (Fig.II.2.14.).
În Fig.II.2.14. este prezentată o variantă de realizare a unei instalații de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu distribuție inferioară, cu vas de expansiune închis cu circulație naturală.
Fig.II.2.14. Schema unei instalații de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație naturală, distribuție inferioară și vas de expansiune închis
C – cazan pentru încălzire; B – boiler pentru preparare apă caldă menajeră; VEI – vas de expansiune închis; VA – vas de aerisire; R – robinet; SS – supapă de siguranță.
Vasul de expansiune deschis are rolul de a prelua variațiile de volum ale apei datorate creșterii temperaturii, menținerea instalației în contact cu atmosfera și aerisirea instalației.
Umplerea instalației se face în punctul cel mai de jos al conductei de întoarcere (retur).
În varianta distribuției inferioare apare sistemul de aerisire de la partea superioară a conductei de ducere a fiecărei coloane, în care aerul este colectat și eliminat în exterior prin conducta orizontală racordată la conducta de siguranță ducere. Pentru a evita circulația nedorită a apei între coloane, legătura la conducta de siguranță ducere se face în sac.
La sistemul cu distribuției superioară, circulația este mai activă deoarece la presiunea termică realizată prin răcirea apei în corpul de încălzire, se adaugă cea produsă prin răcirea apei în coloane, atât pe conducta de ducere cât și pe cea de întoarcere.
Combustibilii utilizați pentru cazanul de încălzire pot fi cei clasici: combustibilul gazos, combustibil lichid sau combustibil solid.
Acest sistem de încălzire prezintă avantajul unei instalații simple cu țevi din oțel, armături din fontă sau oțel. Însă dezavantajul constă în utilizarea unor diametre mari ale conductelor și deci un consum mare de material.
Instalațiile de încălzire cu circulație naturală continuă să mai funcționeze în clădirile în care au fost executate cu ani în urmă, însă pe măsură ce se trece la reabilitarea lor, sunt înlocuite cu alte sisteme de încălzire.
II.2.2.3. Instalații de încălzire cu circulație forțată
Aceste instalații au aceași alcătuire ca și instalațiile cu circulație naturală, cu deosebirea că pe conducta de ducere sau întoarcere se intercalează una sau mai multe pompe. Se pot prevedea mai multe pompe în scopul asigurării funcționării. Instalațiile cu circulație forțată pot fi realizate în sistem bitubular sau monotubular, distribuția putând fi inferioară, superioară sau mixtă. Sistemul oferă avantajul unor diametre mai mici ale conductelor în comparație cu instalațiile cu circulație naturală și este recomandat a se utiliza în cadrul clădirilor cu suprafețe mari.
Scheme ale instalațiilor de încălzire cu apă caldă cu circulație forțată.
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație forțată, distribuție inferioară și vas de expansiune deschis;
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație forțată, distribuție superioară și vas de expansiune deschis;
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație forțată, distribuție mixtă și vas de expansiune deschis.;
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație forțată, distribuție inferioară și vas de expansiune închis;
Instalație de încălzire cu apă caldă, cu circulație forțată, bitubulară, distribuție superioară și vas de expansiune închis;
Instalație de încălzire cu apă caldă, bitubulară, cu circulație forțată, distribuție mixtă și vas de expansiune închis.
Sunt prezentate schemele instalațiilor de încălzire apă caldă, bitubulară, cu circulație forțată, cu vas de expansiune deschis, cu distribuție inferioară, (Fig.II.2.15.), distribuție superioară ( Fig.II.2.16.), cu distribuție mixtă (Fig.II.2.17.) iar în Fig.II.2.18. este prezentată schema unei instalații cu vas de expansiune închis și supape de siguranță.
Fig.II.2.15. Schema unei instalații de încălzire cu apă caldă, cu circulație forțată, bitubulară, distribuție inferioară și vas de expansiune deschis
C – cazan pentru încălzire; P – pompă de circulație agent termic; B – boiler pentru preparare apă caldă menajeră; VED – vas de expansiune deschis; Ca – conductă de aerisire; CPP – conductă de preaplin; CC – conductă de legătură; CSD – conductă de siguranță ducere; CSI – conductă de siguranță întoarcere.
Fig.II.2.16.Schema unei instalații de încălzire cu apă caldă, cu circulație forțată, bitubulară, distribuție superioară și vas de expansiune deschis
1 – conductă de distribuție de ducere; 2 – conductă de distribuție de întoarcere; 3 – coloană de tur; 4 – coloană de retur; 5 – racord de tur; 6 – racord de retur; 7 – robinet de radiator; 8 – radiator; 9 – robinet dezaerisire.
Fig.II.2.17.Schema unei instalații de încălzire, cu apă caldă, cu circulație forțată, bitubulară, distribuție mixtă și vas de expansiune deschis
1 – conductă de distribuție de ducere; 2 – conductă de distribuție de întoarcere; 3 – coloană de tur; 4 – coloană de retur; 5 – racord de tur; 6 – racord de retur; 7 – robinet de radiator; 8 – radiator; C – cazan pentru încălzire; P – pompă de circulație agent termic; B – boiler pentru preparare apă caldă menajeră; VED -vas de expansiune deschis; Ca – conductă de aerisire; CPP – conductă de preaplin; CC – conductă de legătură; CSD – conductă de siguranță ducere; CSI – conductă de siguranță întoarcere.
Fig.II.2.18. Schema unei instalații de încălzire cu apă caldă, cu circulație forțată, bitubulară, distribuție inferioară și vas de expansiune închis.
C – cazan pentru încălzire; P – pompă de circulație agent termic; B – boiler pentru preparare apă caldă menajeră; VEI – vas de expansiune închis; VA – vas de aerisire; R – robinet; SS – supapă de siguranță; Ca – conductă de aerisire.
Sistemul de încălzire cu circulație forțată este utilizat și la blocurile de locuințe în sistem centralizat.
Pentru clădirile de locuit unifamiliale sau cele cu un număr mic de apartamente, sistemul este utilizat numai la clădirile vechi și este luat în considerare ca soluție pentru clădirile existente.
II.2.3. Instalații de încălzire individuală centralizată
II.2.3.1. Elemente componente
Încălzirea individuală centralizată reprezintă un nou concept privind instalațiile de încălzire care îmbină avantajele unei încălziri individuale cu performanțele încălzirii colective.
Acest sistem este compus din patru părți principale (Fig.II.2.19.).
sursa de căldură – reprezentată de centrala termică cu echipamentul de preparare și distribuție a agentului termic.
rețeaua de distribuție primară – compusă din rețeaua de distribuție amplasată la nivelul centralei termice și coloanele de alimentare a modulelor termohidraulice.
modulul termohidraulic – care cuprinde echipamentele pentru măsură, distribuție și contorizare amplasate într-o nișă aferentă fiecărui apartament.
rețeaua de distribuție secundară sau bucla individuală de apartament – la care sunt racordate corpurile de încălzire.
La acest sistem de încălzire se remarcă modul de funcționare și exploatare precum și eficiența față de sistemele de încălzire prezentate anterior.
O particularitate a sistemului de încălzire individuală centralizată este posibilitatea contorizării consumului de energie termică la nivelul fiecărui apartament. Înregistrarea consumului de căldură se va putea face din exteriorul apartamentului într-un spațiu comun – casa scării.
Această cerință este reclamată de toți locatarii din clădirile existente din marile ansambluri de locuințe, deoarece fiecare dorește să plătească cât consumă și sistemul de încălzire individuală centralizată este capabil să satisfacă această cerință. De aici a rezultat opțiunea pentru distribuția orizontală, proprie fiecărui apartament.
Sistemul de încălzire individual-centralizat este recomandat pentru încălzirea locuințelor multifamiliale, fiind utilizat cu rezultate spectaculoase.
Fig.II.2.19. Schema generală a instalației de încălzire individuală centralizată
I – centrala termică, II – distribuția primară; III – module termohidraulice; IV – rețeaua de distribuție secundară (bucla de apartament); 1 – cazane pentru încălzire; 2 – pompă de circulație agent termic; 3 – distribuitor – colector; 4 – conductă de ducere pentru distribuția primară; 5 – conductă de întoarcere pentru distribuția primară; 6 – contor energie termică; 7 – racord de tur; 8 – racord de retur; 9 – robinet de radiator; 10 – radiator; 11 – robinet de dezaerisire; 12 – conductă de distribuție tur pentru rețeaua secundară; 13 – conductă de distribuție de retur pentru rețeaua secundară; 14 – modul termohidraulic; 15 – Robineti, 16 – robinet cu două căi cu servomotor; 17 – termostat camera.
Alte particularități ale acestui sistem de încălzire pot fi enumerate în continuare:
centrala termică comună cuprinde echipamentele necesare preparării agentului termic și a apei calde menajere, precum și sistemul de distribuție;
rețeaua de distribuție primară, care este comună pentru toată clădirea și face legătura între sursa de căldură și rețeaua secundară prin intermediul modulelor termohidraulice;
modulele termohidraulice care au rolul de separare a consumatorilor și înregistrare a consumurilor de energie termică;
rețeaua de distribuție secundară sau bucla de apartament care se poate realiza în diferite variante constructive;
înregistrarea consumurilor de energie termică, de apă caldă menajeră, de apă rece, prin existența contoarelor de căldură, contoarelor de apă rece și apă caldă la nivelul fiecărui modul termohidraulic.
Ca sursă de caldură se utilizează cazane de încălzire centrală pentru preparea agentului termic pentru încălzire și preparare apei calde de consum. Acestea sunt descrise pe larg in Capitolul II.5.2.
Rețeaua de distribuție primară este reprezentată de coloanele de distribuție a agentului termic, care sunt țevi din otel amplasate în spațiul comun, respectiv casa scării.
II.2.3.2. Module termohidraulice
Modulele termohidraulice au rolul de a realiza legătura între rețeaua de distribuție primară și rețeaua de distribuție secundară (bucla de apartament) și permit reglarea, contorizarea și distribuția agentului termic de la sursă către consumatori.
Cea mai uzuală modalitate de racordare este cea directă la rețeaua de distribuție primară (Fig.II.2.20.).
Fig.II.2.20. Modul termohidraulic cu racordare directă la rețeaua de distribuție primară
1 – coloană de retur a distribuției primare; 2 – coloană de tur a distribuției primare; 3 – robinet de reglare cu două căi cu servomotor; 4 – termostat încăpere.
Fig.II.21. Schema modului termohidraulic cu racordare directă.
1 – coloană de retur a distribuției primare; 2 – coloană de tur a distribuției primare; 3 – robinet de reglare cu două căi cu servomotor; 4 – termostat incapere; 5 – robinete de închidere (izolare); 6 – prize de temperatură; 7 – debitmetru; 8 – contor de căldură; 9 – robinet de reglare.
Fig.II.2.22. Schema modului termohidraulic cu racordare directă în varianta cu distribuitor colector.
1 – coloană de retur a distribuției primare; 2 – coloană de tur a distribuției primare; 3 – robinet de reglare cu două căi cu servomotor; 4 – termostat incapere; 5 – robinete de închidere (izolare); 6 – prize de temperatură; 7 – debitmetru; 8 – contor de căldură; 9 – robinet de reglare; 10 – distribuitor; 11 – colector.
Schemele în detaliu pentru racordarea directă sunt date în Fig.II.21. și Fig.II.22.
Elementele componente sunt: robinetele de închidere (izolare), vana cu două căi cu servomotor acționată de termostatul/programatorul de ambianță, robinetul de reglare hidraulică, contorul de căldură, prize de temperatură, debitmetru, butelia de egalizare a presiunii, distribuitor, colector.
Înregistrarea consumului de energie termică se realizează cu ajutorul contorului de căldură – iar reglarea temperaturii interioare precum și funcționarea după cerințele fiecărui beneficiar se realizează cu termostatul/programatorul care închide și deschide admisia agentului termic prin acționarea asupra vanei cu două căi.
Robinetul de reglare are rolul de a echilibra hidraulic bucla de apartament.
Se poate utiliza și un distribuitor – colector montat după vana cu două căi, la care se poate racorda individual fiecare corp de încălzire prin intermediul distribuitorului colector din bucla de apartament.
II.2.3.3. Bucla de apartament – rețea de distribuție secundară
Bucla de apartament reprezintă instalația de încălzire interioară formată din rețeaua de distribuție și corpurile de încălzire.
Rețeaua de distribuție interioară se poate realiza cu o distribuție radială, inelară sau arborescentă, în varianta de sistem bitubular sau monotubular.
Alegerea tipului de distribuție depinde de complexitatea clădirii, de poziționarea corpului de încălzire dar și de condițiile arhitecturale impuse.
În continuare sunt prezentate schematic câteva tipuri de rețele de distribuție.
În Fig.II.2.23. este prezentată o distribuție arborescentă, cu pozarea conductelor aparent, la nivelul plintei.
Fig.II.2.23.Rețea de distribuție secundară arborescentă
1 – conductă de distribuție tur; 2 – conductă de distribuție de retur; 3 – racord de tur; 4 – racord de retur; 6 – robinet de radiator; 5 – radiator; 7 – robinet de dezaerisire.
În Fig.II.2.24. s-a adoptat distribuția radială cu utilizarea unui distribuitor-colector.
Fig.II.2.24.Rețea de distribuție secundară radială cu distribuitor colector
1 – distribuitor-colector; 2 – robineti; 3 – racord de tur; 4 – racord de retur; 6 – robinet de radiator; 5 – radiator; 7 – robinet dezaerisire.
Fig.II.2.25. Rețea de distribuție secundară monotubulară
1 – conductă de distribuție tur; 2 – conductă de distribuție de retur; 3 – racord de tur; 4 – racord de retur; 6 – robinet de radiator; 5 – radiator; 7 – robinet de aerisire, 8 – coloane încălzire.
Rețeaua de distribuție este alcătuită din țevi multistrat cu inserție din aluminiu, țevi din polietilenă reticulată sau țevi din cupru care se montează aparent la plintă sau îngropat în șapa de egalizare.
Varianta de realizare cu distribuție radială și utilizarea distribuitorului – colector cu montarea conductelor în șapa de egalizare este cea mai utilizată. Această soluție conferă o estetică foarte bună dar și o funcționalitate deosebită.
În Fig.II.2.26.a. și Fig.II.2.26.b. sunt prezentate câteva tipuri de distribuitoare-colectoare utilizate în instalațiile de încălzire.
În cazul montării conductelor sub pardoseală, acestea se vor monta în manșoane de protecție.
Racordarea corpurilor de încălzire la rețeaua de distribuție se face diferențiat ținând cont de sistemul de distribuție, dar și de armăturile cu care sunt prevăzute corpurile de încălzire.
Modul de racordare a corpurilor de încălzire la rețeaua de distribuție prin intermediul unui distribuitor colector este prezentat în Fig.II.2.27.
Fig.II.2.27. Modul de racordare cu distribuitor colector
II.2.4. Instalații de încălzire prin radiație
Radiația este fenomenul de transmitere a căldurii de la un corp la altul sub forma energiei radiante.
Instalațiile care folosesc energia radiantă emisă sub formă de unde electromagnetice drept sursă principală de încălzire, fac parte din categoria instalațiilor de încălzire prin radiație (instalațiile ale căror suprafețe încălzitoare cedează prin radiație cea mai mare parte din căldura lor suprafețelor mai reci din încăpere).
Aceste instalații se caracterizează prin aceea că, suprafețele de încălzire, de obicei plane, sunt părți ale plafonului, pardoselii, pereților sau plăci amplasate sub plafon sau lângă pereți.
În raport cu instalațiile de încălzire convective, instalațiile de încălzire prin radiație prezintă o serie de avantaje:
repartiția uniformă a temperaturii în încăperi;
asigurarea unui grad de confort mai ridicat, datorită faptului că temperatura suprafețelor care delimitează încăperea este mai mare (comparativ cu alte instalații), în timp ce temperatura aerului este mai scăzută;
eliberarea spațiului folosit pentru amplasarea corpurilor de încălzire;
posibilitatea de a utiliza surse de energetice cu potențialul termic scăzut;
posibilitatea de răcire în timpul verii etc.
Ca dezavantaje pot fi enumerate următoarele:
costul de investiție mai ridicat;
inerția termică mare și, deci, posibilități reduse de reglaj;
interdependența dintre executarea lucrărilor de construcții și de instalații etc.
Clasificarea instalațiilor de incalzire prin radiatie
Instalațiile de incalzire prin radiatie pot fi clasificate dupa mai multe criterii, astfel:
Dupa temperatura medie a suprafetelor incalzitoare:
instalații de incalzire de joasa temperatura (θ = 25…90 șC) – caz in care suprafetele incalzitoare sunt chiar elemente de constructie;
instalații de incalzire de temperatura medie (θ = 100…180 șC) – caz in care suprafetele incalzitoare sunt realizate sub forma de panouri sau benzi suspendate pe plafonul incaperii;
instalații de incalzire de temperatura inalta (θ = 200…1000 șC) – caz in care elementele incalzitoare sunt radiatii electrici sau cei care functioneaza cu gaze sau cu combustibil lichid.
După modul de alcătuire a suprafețelor încălzitoare:
Instalații cu suprafețe încălzitoare:
de plafon;
de pardoseală;
de perete.
Aceste instalații folosesc drept agent termic atât apa caldă, cât și energia electrică.
Instalații cu panouri radiante metalice:
corpuri și plăci radiante suspendate;
benzi radiante;
profile radiante.
II.2.4.1. Încălzirea prin radiație de joasă temperatură
II.2.4.1.1. Încălzirea prin radiație de temperatură joasă temperatură cu agent termic apă caldă
Instalațiile de încălzire cu panouri radiante sunt instalații la care conductele de transport a agentului termic sunt înglobate în planșeu. Deși cunoscut de mult, acest tip de instalație nu s-a bucurat de o largă răspândire din cauza costului mai ridicat dictat de exigențele tehnologice superioare în raport cu instalațiile clasice.
Reconsiderarea acestui tip de instalație, constatată în ultimii ani, se datorează faptului că se dispune și se face apel din ce în ce mai mult la agenți termici cu parametrii scăzuți (ape geotermale, apa caldă produsă prin recuperarea căldurii din procese tehnologice, apa caldă produsă prin conversia energiei solare). În același timp, fabricarea tuburilor din materiale de sinteză (mase plastice termostabile la temperaturi de 80…90 °C) reduce mult costul instalației și simplifică tehnologia de montaj.
Încălzirea prin radiație de joasă temperatură, pe lângă faptul că oferă și posibilitatea utilizării agenților termici cu parametrii coborâți, prezintă avantaje în privința confortului termic:
gradient de temperatură redus;
repartiție mai uniformă a temperaturilor pe suprafețele delimitatoare;
ridicarea nivelului temperaturilor interioare ale suprafețelor delimitatoare și realizarea unei temperaturi de confort mai redus în condițiile unei temperaturi mai coborâte pentru aerul interior cu 1…3 °C, ceea ce constituie un indicator important de confort;
se economisește spațiu și se asigură o estetică arhitecturală superioară;
în perspectiva rezolvării problemei energetice, oferă posibilitatea răcirii încăperilor pe timpul verii, problemă deosebită din punctul de vedere al confortului.
Temperatura redusă a suprafețelor încălzitoare a impus utilizarea unor suprafețe de încălzire mari, rol pe care îl pot juca suprafețele delimitatoare ale încăperii, obținându-se:
încălzirea prin plafon, la care temperatura medie nu poate depăși + 40 °C, din considerente fiziologice;
încălzirea prin pardoseală, la care temperatura medie este limitată la +30 °C;
încălzirea prin pereți, unde temperatura medie poate atinge + 70 °C.
Din cauza limitării temperaturii suprafeței pardoselii și a imposibilității utilizării întregii suprafețe (amplasarea mobilierului), instalația de încălzire prin pardoseală nu se utilizează ca instalație unică de încălzire decât în cazul clădirilor cu un necesar redus de căldură, determinat de o izolație bună a pereților exteriori, de condițiile climatice moderate sau de temperaturi interioare reduse (biserici).
Se recomandă în încăperi cu pardoseli reci, unde încălzirea pardoselii este favorabilă (băi, piscine) sau în spațiile în care montarea corpurilor statice de încălzire este dificilă (expoziții, foaierele teatrelor, holuri de recepție, săli de sport, etc.).
Există posibilitatea de a încălzi unele părți ale pardoselii la nivelul parterului (standuri de vânzare), dar acest tip de instalație de încălzire este folosit uneori la încălzirea trotuarelor, a rampelor și a drumurilor.
II.2.4.1.1.1. Încălzirea prin pardoseală
Instalațiile de încălzire prin radiație de pardoseală cuprind un planșeu încălzitor, distribuitoare – colectoare (care reprezintă elementul comun pentru racordarea mai multor circuite de încălzire), echipamentul de reglare și sursa de energie termică.
Componența unui panou radiant de pardoseală sunt:
stratul de izolație (termică și fonică);
stratul de protecție a izolației;
țevile de încălzire;
șapa;
pardoseală finită;
alte elemente ca: strat de difuzie, izolație marginală, etc.
Aceste elemente pot fi diferite în funcție de instalație.
Temperatura suprafeței pardoselii este limitată din considerente fiziologice la maximum +30 °C, în funcție de destinația încăperii.
Temperatura suprafeței pardoselii (în încăperi de locuit, clădiri administrative și alte construcții cu destinații similare) este recomandta la + 29 °C în băi sau spații similare și + 33 °C pentru zona marginală.
În ceea ce privește proiectarea și execuția pardoselilor radiante s-au conturat două familii de procedee:
așa numitele procedee “umede“, care presupun înglobarea tuburilor într-o sapa de grosime redusă, foarte bine izolată termic față de dala de rezistență și față de pereții exteriori laterali;
procedeele “uscate“ la care tuburile se amplasează sub sapa, în contact direct cu lamele metalice. În acest caz tuburile nu sunt înglobate în beton. Acest procedeu determină o grosime totală mai redusă decât procedeul “umed“ de unde și interesul crescut pentru aplicarea în special în operațiile de renovare.
La începuturi, tehnica de realizare cea mai răspândită a fost cea constând în înglobarea tuburilor în dala de beton, pe treimea inferioară a grosimii dalei. Această dală plină, de grosime uniformă, era integrată în structura de rezistență. Astăzi s-a impus soluția unei dale desolidarizate de structura de rezistență și izolată termic față de aceasta. Toate aceste variante sunt prezentate în Fig.II.2.28.
Soluția practicată frecvent în străinătate este cea “umedă“. Schema de principiu a unei astfel de pardoseli este următoarea:
Fig.II.2.28. Structura unei pardoseli încălzitoare
1 – tencuială interioară; 2 – plintă; 3 – bandă perimetrală; 4 – suprafața finită; 5 – pat de mortar; 6 – șapă de ciment; 7 – tub încălzire; 8 – folie acoperitoare (folie PE sau hârtie bituminată); 9 – strat termo și fonoizolant; 10 – hidroizolație; 11 – placă de beton; 12 – sol.
Trebuie menționate următoarele precizări în privința elementelor componente:
Planșeul: Aceasta nu are voie să prezinte asperități mai mari de 5 mm, sau orice alte deformații care ar putea duce la formarea unor punți fonice și/sau la variații ale grosimii dalei. Toate conductele curente trebuie pozate, fixate și înglobate înaintea montării țevilor de încălzire, pentru a crea o suprafață de bază în vederea așezării izolației termice.
Izolația:
Funcție de tipul izolației se pot realiza trei tipuri de pardoseli:
placa cu nuturi (Fig.II.2.29.a.);
placa cu sine de fixare (Fig.II.2.29.b.);
placa cu plasă de sârmă (Fig.II.2.29.c.).
Sistemul cu placă cu nuturi este des utilizat deoarece este usor de montat (Fig.II.2.30.).
Fig.II.2.30. Aspecte de la montaj în sistemul cu plăci cu nuturi
Placa este realizată din polistiren cu grosimea de 46…60 mm iar dispunerea decalată a nuturilor permite o distanță de pozare de 7.5 cm în montaj extrem de flexibil țevilor (Fig.II.2.31.a., Fig.II.2.3.b.).
Plăcile cu nuturi au pe întregul lor perimetru un profil fălțuit, cu ajutorul cărora ele pot fi asamblate rapid și sigur (Fig.II.2.31.c.).
La sistemul cu placă cu șină de fixare, șina asigură o ridicare a țevii cu 5 mm și astfel se obține o înălțare minimă a startului de șapă. Cârligele și clipsurile de susținere a șinei garantează fixarea solidă a țevii (Fig.II.2.32.a., Fig.II.2.32.b.).
Sistemul cu plasă de sârmă este aplicabil pentru zone cu sarcini mari (Fig.II.2.33.a.). Plasa este din sârmă de oțel cu diametrul de 3 mm pe care se prind clipsuri rotative (Fig.II.2.33.b.) iar sistemul asigură o distanță de pozare de 5 cm și multiplu de 5.
Izolația marginală
Înaintea realizării dalei se va așeza un izolant marginal de-a lungul pereților, în jurul cadrelor și stâlpilor sub forma de banda perimetrală (Fig.II.2.34.). Izolația marginală se așează plecând de la planșeul portant până la suprafața finită și trebuie să permită o deplasare de cel mult 5 mm.
Fig.II.2.34. Bandă perimetrală
Stratul de protecție
Înainte de a executa dala, stratul de izolație se acoperă cu fâșii de polietilenă (cu grosimea de cel puțin 0,15 mm) sau cu alte materiale cu proprietăți asemănătoare.
Fâșiile se vor suprapune cel puțin 80 mm. Dacă se utilizează sapa lichidă, protecția stratului izolant trebuie să fie de tip etanș. Straturile de protecție nu sunt și bariere contra vaporilor.
Conductele din materiale de sinteză sau cupru au relansat instalația de încălzire prin radiație de joasă temperatură cu apa caldă.
Cele mai utilizate tipuri de materiale sunt:
polietilenă reticulară (PER);
copolimetrul de polipropilenă (PP);
polibutilena (PB).
cupru
Tab.II.2.1. Conductivitatea termică a materialelor din care sunt fabricate conductele
În Tab.II.2.1. sunt prezentate valorile conductivității termice a materialelor cele mai utilizate de unde se observă diferența între cupru și celelalte materiale de sinteză.
Tuburile PER, datorită conductivității termice mai ridicate, emit mai multă căldură decât celelalte două tipuri. Toate cele trei tipuri au un coeficient de dilatare de circa zece ori mai mare decât cuprul sau oțelul și sunt semisuple. Tubul PER este cel mai utilizat. El este fabricat pornind de la tubul de polietilene de înaltă densitate reticulat prin procedeu fizic sau chimic. Are o durată de viață de cel puțin 50 de ani și rezistă la o temperatură de 90 °C în regim permanent și la o temperatură de vârf de 110 °C. Tuburile PER se asamblează prin înșurubare folosind racorduri mecanice (neputându-se lipi sau suda). Indiferent de tipurile de tuburi și racorduri utilizate, este de remarcat că tehnologia de montaj se simplifică, este rapidă și nu necesită utilizarea unor procedee de sudură. În ceea ce privește diametrele tuburilor, variantele utilizate sunt:12 x 1,1 mm, 16 x 2 mm, 25 x 2,3 mm.
În afara posibilităților de prefabricare, tuburile sunt livrabile în colaci de lungime mare. Aceste tuburi mai prezintă următoarele avantaje:
prețul unui tub din material de sinteză este mai mic decât al celui din oțel sau cupru;
oferă un confort acustic sporit, zgomotele nemaifiind amplificate sau retransmise;
pierderile de presiune sunt reduse, deoarece nu au asperități;
suprafața netedă nu permite formarea depunerilor calcaroase, deci tubul își păstrează în timp secțiunea de curgere;
fiind realizate din materiale nemetalice, tuburile sunt insensibile la coroziune;
au greutate redusă.
Sistemul de fixare a conductelor trebuie să fie în așa fel încât să asigure poziția verticală și orizontală prevăzută. Distanța dintre punctele de fixare depinde de materialul din care este fabricată conducta, de dimensiuni și de instalație.
Stratul de sapa de egalizare
Grosimea și clasa de rezistență sunt alese în funcție de tipul structurii. Grosimea nominală deasupra conductei trebuie să fie de cel puțin trei ori grosimea celui mai mare agregat din materialul de înglobare, minim 30 mm. Conductivitatea termică a betonului utilizat trebuie să fie de minim 1 W/mK.
Fig.II.2.35. Dispozitiv de derulare a țevii
Rosturile de dilatare au rolul de a prelua variațiile dimensionale ale dalei.
Aditivul de șapă are rolul de omogeniza structura șapei, de îmbunătățire a rezistenței la tracțiune precum și a caracteristicilor termice.
Pardoseala finită poate fi realizată din: parchet, material textil, plăci ceramice, material plastic. Rezistența termică a pardoselii (aici fiind cuprinsă și izolația fonică de deasupra țevii) nu trebuie să depășească 0,15 m2 K / W.
Modul de realizare a unei instalații de încălzire prin pardoseală este prezentat în Fig.II.2.36.
Instalația trebuie să conțină un dispozitiv de limitare a temperaturii apei calde la valoarea maximă admisă (+50…+55 °C). Instalația trebuie echipată și cu un dispozitiv de siguranță, independent de sistemul de reglare având rolul de a întrerupe alimentarea cu apa caldă a circuitului de încălzire dacă temperatura agentului termic atinge +65 °C.
Acest dispozitiv nu se referă la instalațiile la care sursa de căldură, prin natura sa, nu poate furniza agentul termic cu temperatura de peste +65 °C. Fiecare buclă de încălzire va fi echipată cu două vane și un organ de echilibrare. Traseul conductelor instalației trebuie să permită umplerea completă și evacuarea aerului care poate să apară în timpul funcționării.
Fiecare distribuitor și colector trebuie echipat cu o vana de secționare generală, cu un robinet de purjare situat deasupra nivelului planșeului și cu un robinet de golire.
Fig.II.2.36. Schema unei instalații de încălzire prin pardoseală cu apă caldă
1 – sursa de caldura; 2 – distributia primara; 3 – pardoseală radiantă; 4 – distribuitor; 5 – colector; 6 – pompa de circulatie agent termic termostat cu armare manuală; 7 – vana cu 3 cai; 8 – robineti de închidere; 9 – robineți de golire; 10 – distribuitor; 11 – colector.
Fig.II.2.37. Componentele instalației de încălzire prin pardoseală
1 – conducta incalzitoare, 2 – banda perimetrala, 3 – izolatie, 4 – sapa, 5 – distribuitor-colector, 6 – cutia distribuitor-colector-ului.
Datorită inerției termice mari a planșeelor încălzitoare, comenzile de reglaj se fac resimțite în încăperi cu o întârziere considerabilă și mult amortizate.
Cum acumularea de căldură are loc în masa planșeelor, cedarea de căldură se adaptează cu greu unor variații de scurtă durată ale necesarului de căldură. La încăperile încălzite prin intermediul planșeelor s-a observat o supraîncălzire în sezoanele de tranziție între anotimpuri (necesarul de căldură al încăperilor scade în timpul zilei datorită temperaturilor mai ridicate ale aerului sau insolării).
Această supraîncălzire temporară este în esență o problemă de reglare și există măsuri relativ eficace care ar putea fi adoptate ori de câte ori este nevoie:
reglarea în funcție de temperatura exterioară (bucla deschisă);
efectuarea reglării centralizate cu luarea în considerare a insolării (măcar parțial);
reglarea debitului de apă caldă circulat în serpentine în funcție de temperatura interioară (buclă inchisă);
utilizarea termostatelor;
funcționarea intermitentă în condiția calculării precise a defazajului convenabil pentru secvențele de oprire, etc.
Există studii care demonstrează că în raport cu reglarea prin bucla deschisă, reglarea în bucla închisă permite reducerea consumului de energie cu 9 %, iar reglarea cu bucla închisă și pompa de circulație oprită pe timpul nopții permite reducerea consumului cu 19 %. (sursa)
Unitatea pentru reglarea temperaturii sau stație compactă, este utilizată în cazul încălzirii mixte (încălzire prin radiație-încălzire cu corpuri statice), atunci când parametrii agentului termic sunt diferiți pentru cele două instalații.
Este formată din (Fig.II.2.38.):
pompa de circulație;
vana de amestec cu trei căi;
blocul de comandă.
Fig.II.2.38. Elementele componente ale unității pentru reglarea temperaturii
1 – cap termostatic; 2 – termostat de conducta; 3 – termometru; 4 – pompă de circulație; 5 – vana de amestec cu 3 cai, 6 – sondă de temperatură; 7 – robinet reglaj.
Unitatea de reglare a temperaturii se montează împreună cu distribuitorul-colector (Fig.II.2.39.), iar schema de montaj este prezentată în Fig.II.2.40.
Fig.II.2.39. Vedere a ansamblului distribuitor – colector și a unității de reglare
1 – de la boiler; 2 – spre boiler, 3 – termometru circuit plecare boiler, 4 – termometru circuit spre boiler, 5 – pompă de circulație, 6 – cap termostatat, 7 – robineți pentru pompă, 8 – robinet de echilibrare, 9 – manometru, 10 – puncte de umplere/golire, 11 – element termostatic sensibil, 12 – dezaerisitor automat, 13 – valvă diferențială de bypass, 14 – dispozitive de reglare a temperaturii, 15 – debitmetre cu robineți de echilibrare încorporați.
Fig.II.2.40. Schema de montaj a unității de reglare a temperaturii
1 – conductă de distribuție tur; 2 – conductă de distribuție de retur; 3 – racord de tur; 4 – racord de retur; 5 – robinet de radiator; 6 – robinet retur radiator; 7 – radiator 8 – robinet de reglare cu două căi acționat automat cu servomotor; 9 – circuit întoarcere de la încălzirea prin pardoseală; 10 – pompă de circulație; 11 – termostat; 12 – serpentină încălzire prin pardoseală; 13 – circuit automatizare; 14 – conductă tur încălzire prin pardoseală; 15 – conductă retur încălzire prin pardoseală.
Blocul de comandă realizează parametrii agentului termic în funcție de temperatura interioară și exterioară și asigură poziționarea ventilului cu trei căi astfel încât temperatura agentului termic să nu depășească 50…55 °C.
O vedere de ansamblu a instalației de încălzire mixte într-o clădire de locuit este prezentată în Fig.II.2.41 și Fig.II.2.42.
Fig.II.2.41.Vedere de ansamblu dintr-o locuință – parter
1 – distribuitor-colector; 2 – conducte de alimentare tur-retur a distribuitor-colectoarelor; 3 – coloane de la nivel inferior la nivel curent și spre nivel superior; 4 – circuite separate de alimentare a serpentinelor pentru încălzirea prin pardoseală; 5 – bucle de încălzire prin pardoseală separate pentru fiecare încăpere; 6 – pasul serpentinei.
Fig.II.2.42.Vedere de ansamblu dintr-o locuință – etaj
1 – distribuitor-colector; 2 – conducte de alimentare tur-retur a distribuitor-colectoarelor; 3 – coloane de la nivel inferior la nivel curent și spre nivel superior; 4 – circuite separate de alimentare a serpentinelor pentru încălzirea prin pardoseală; 5 – bucle de încălzire prin pardoseală separate pentru fiecare încăpere; 6 – pasul serpentinei.
Fig.II.2.43. Vedere de ansamblu a sursei de încălzire – instalație interioară de încălzire prin pardoseală
1 – cazan; 2 – conductă de distribuție tur; 3 – conductă de distribuție de retur; 4 – boiler electric; 5 – coloane alimentare serpentine la niveluri superioare; 6 – circuite auxilare pentru utilizarea boilerului; 7 – serpentină încălzire parter; 8 – serpentină încălzire etaj.
Fig.II.2.43. reprezintă o vedere de ansamblu a sursei de încălzire și a instalației interioare de încălzire prin pardoseală.
II.2.4.1.1.2. Încălzirea prin plafon
Acest tip de încălzire oferă o uniformitate mai mare a temperaturii aerului și de asemenea o circulație mai puțin intensă, ceea ce constituie avantaje din punctul de vedere al confortului termic. Astfel. este disponibilă întreaga suprafață a plafonului, dar în cazurile defavorabile (suprafețe mari ale ferestrelor) vor fi prevăzute suprafețe încălzitoare suplimentare (în pereții exteriori, de exemplu). Există și dezavantajul nerespectării diferenței de temperatură între cap și picioare ceea ce a dus de multe ori la situații de disconfort.
Un alt avantaj îl constituie posibilitatea utilizării plafonului pentru răcirea încăperii în timpul verii, deci un plafon reversibil.
Primele instalații de încălzire prin plafon au fost realizate prin înglobarea în planșeu a unor serpentine din țeava de oțel (sistemul Crittal). Serpentina poate fi amplasată și sub planșeul de beton armat în soluțiile cunoscute (Frenger, Stramax) utilizându-se plafoane false suspendate de placa de beton. Soluțiile sunt costisitoare, ocupă spațiu și nu sunt aplicabile în cazul serpentinelor din mase plastice.
Există și instalații de încălzire prin radiație la care agentul termic este aerul cald însă prezintă dezavantajul rezervării unor spații importante pentru vehicularea debitelor mari de aer.
În scopul luării unei decizii privind aplicarea sau neaplicarea instalației de încălzire prin plafon, într-un anumit caz, se vor analiza avantajele și dezavantajele acesteia.
Acest tip de instalație se poate aplica cu precădere la muzee, săli de expoziție, spații comerciale.
Datorită avantajelor igienice, acest sistem de încălzire este răspândit în spitale, sanatorii, centre medicale.
Posibilitatea reversibilității încălzirii prin plafon, deci a răcirii încăperii pe timp de vară, constituie un atu pentru alegerea instalației de încălzire prin plafon în cazul clădirilor administrative și de birouri.
La clădirile de locuințe instalația a fost rar aplicat din cauza costului ridicat și a celorlalte dificultăți de ordin funcțional.
Sunt utilizate soltuții diverse pentru realizarea plafonului încălzit în funcție de sursa de căldură – energia electrică sau agent termic apă caldă.
În varianta utilizării agentului termic apă caldă, se folosesc țevi din polietilenă sau cupru înglobate în structura plafonului (Fig.II.2.44.).
Fig.II.2.44. Plafon tip Dériaz
1 – pardoseală; 2 – suport; 3 – șapă; 4 – placă beton armat; 5 – armatură; 6 – tirant; 7 – izolație termică; 8 – profil metalic; 9 – serpentină încalzitoare; 10 – lamelă din aluminiu; 11 – plasa rabiț; 12 – tencuială.
Fig.II.2.45. Detalii încălzire prin radiație plafon
Sunt situații când serpentina de încălzire este înglobată într-o placă de aluminiu pentru uniformizarea și mărirea suprafeței de încălzire.
II.2.4.1.1.3. Încălzirea prin pereți
Transformarea pereților încăperii în suprafețe încălzitoare, prin înglobarea unei serpentine, este posibilă cu următoarele mențiuni:
pereții exteriori necesită o izolație termică suplimentară;
există pericolul perforării serpentinei, în special în cazul clădirilor de locuit (de exemplu, cu suporți pentru tablouri);
amplasarea mobilierului limitează fluxul termic radiant al pereților.
Instalația de încălzire prin pereți se poate utiliza în diferite variante:
ca instalație individuală (Fig.II.2.46.a.)
în combinație cu instalația de încălzire prin pardoseală (Fig.II.2.46.b.)
în combinație cu instalația de încălzire cu radiatoare (Fig.II.2.46.c.)
Țevile se pot dispune în formă de meandră simplă (Fig.II.2.48.a.) sau meandră dublă (Fig.II.2.48.b.), iar pasul de montaj de 10 cm asigură aerisirea optimă. Detalii de montaj sunt prezentate în Fig.II.2.47.
Fig.II.47. Detaliu execuție serpentină încălzitoare pereți
Cea mai simplă utilizare a încalzirii prin pereți este prezentata in Fig.II.2.49., respectiv încălzirea cu panou radiant încastrat în perete sau amplasat la fata peretului cu si fara izolație termică.
a) b) c)
Fig.II.2.49. Încălzirea cu panouri radiante de perete
a) panou radiant încastrat b) panou radiant la fața peretelui cu izolație termică; c) panou radiant la fața peretelui fără izolație termică; 1 – panou radiant; 2 – izolație termică.
Se observă existența unei mari diversități de soluții în ceea ce privește instalațiile de incalzire prin radiatie de joasa temperatura, dar cu toate acestea specialiștii continuă studiul acestei tehnici de încăzire în vederea obținerii unor soluții îmbunătățite atât din punct de vedere al cheltuielilor de investiție cât și al parametrilor energetici.
II.2.4.2. Instalațiile de încălzire electrică prin radiație de joasă temperatură
Ca și în cazul încălzirii prin radiație de joasă temperatura cu agent termic apă caldă, încălzirea electrică prin radiație de joasă temperatură implică utilizarea suprafețelor delimitatoare ale încăperii ca suprafețe încălzitoare. Efectul se realizează prin înglobarea elementelor încălzitoare – cabluri electrice sau folii electrice încălzitoare în elementele de construcție.
În raport cu poziția acestora se disting următoarele posibilități:
încălzirea prin pardoseală – prin înglobarea elementelor încălzitoare în pardoseală: cabluri electrice încălzitoare sau folii electrice încălzitoare;
încălzirea prin plafon – prin înglobarea cablurilor electrice încălzitoare foliilor electrice încălzitoare sau casetelor radiante în plafon;
încălzirea prin pereți – prin înglobarea cablurilor electrice încălzitoare foliilor electrice încălzitoare sau panourilor radiante (radianți deschiși sau închiși) în pereți.
Utilizarea suprafețelor delimitatoare ale încăperii ca elemente radiante impune limitarea temperaturilor de suprafață din considerente fiziologice la următoarele valori:
40 °C – încălzirea prin plafon;
29 °C – încălzirea prin pardoseală;
70 °C – încălzirea prin pereți.
Soluțiile constructive pentru integrarea instalațiilor electrice de încălzire în elementele de construcție – pardoseală, plafon, pereți – sunt prezentate în continuare.
II.2.4.2.1. Încălzirea prin pardoseală
Încălzirea electrică prin pardoseală presupune un planșeu prevăzut cu elemente încălzitoare, echipamentul de reglare și programare și accesoriile sale (“legăturile reci”, transformatorul – în cazul când se utilizează cabluri încălzitoare alimentate la o tensiune diferită de tensiunea de alimentare de 230 V.)
Încălzirea electrică prin pardoseală se poate realiza prin înglobarea în structura pardoselei a cablurilor electrice încălzitoare sau a foliilor electrice încălzitoare.
II.2.4.2.1.1. Încălzirea prin pardoseală folosind cabluri electrice încălzitoare
Elementele încălzitoare (cabluri electrice – Fig.II.2.50.) sunt bifilare, inclusiv nul de protectie, cu protectie exterioară cu insertie de aluminiu, executate într-o gamă largă de puteri termice unitare – 6 W/m, 12 W/m, 15 W/m, 20 W/m și secțiuni de 3×1,5 mm2 sau 3×2,5 mm2.
Fig.II.2.50. Cabluri electrice încălzitoare
Există și varianta in care cablurile electrice încălzitoare sunt deja montate pe o plasă din material plastic, gata pregătită pentru montaj.
În ambele situații, cablurile încălzitoare sau ansamblul gata pregătit se montează în șapa de egalizare Fig.II.51.
Fig.II.2.51. Pardoseală încălzitoare cu cabluri încălzitoare
1 – strat de uzură – pardoseală finită; 2 – dală flotantă armată de grosime mică (5 cm); 3 – armătura dalei; 4 – element încălzitor (cablu electric încălzitor); 5 – suportul elementului încălzitor; 6 – izolație termică; 7 – planșeu suport.
Sunt utilizate și soluții de realizare în care se pozează cablul electric încălzitor într-o liră de încadrare metalică cu scopul de uniformizare și mărire a suprafeței de încălzire (Fig.II.2.52.).
Fig.II.2.52. Pardoseală încălzitoare – cablu încălzitor în liră de încadrare
1 – strat de uzură – pardoseală finită; 2 – dală flotantă armată de grosime mică (5 cm); 3 – armătura dalei; 4 – element încălzitor (cablu electric încălzitor) cu liră de încadrare; 5 – suportul elementului încălzitor; 6 – izolație termică; 7 – planșeu suport.
Fig.II.2.53. Execuția pardoselei încălzitoare electrice (http://www.stockelec.fr)
În Fig.II.2.53 sunt prezentate detalii privind execuția pardoselei încălzitoare electrice cu liră de încadrare.
Există soluții pentru utilizarea instalațiiei de încălzire electrică prin radiație de joasă temperatură și pentru clădirile existente. Soluția constă în adăugarea peste pardoseala existentă a unui strat de izolație pe care se pozează cablurile electrice încălzitoare și apoi un strat de șapă cu grosimea de 1…3 cm (Fig.II.2.54.).
Fig.II.2.54. Planșeu încălzitor realizat la o clădire existentă
1 – pardoseală finită; 2 – șapă 1-3 cm; 3 – cabluri electrice încălzitoare; 4 – izolație termică; 5 – pardoseală existentă.
II.2.4.2.1.2. Încălzirea cu mochetă încălzitoare
Un caz particular al încălzirii prin pardoseală este și încălzirea cu mochetă încălzitoare.
Mocheta încălzitoare are cablul electric înglobat și această soluție de încălzire este constituită dintr-un panou suport cu grosimea de aproximativ 12 mm (panou aglomerat din lemn), un strat de pâslă (aproximativ 5 mm), cablul electric încălzitor și un strat de mochetă (aproximativ 4 mm) – Fig.II.2.55.
Fig.II.2.55. Încălzirea cu mochetă încălzitoare
1 – mochetă – 4 mm; 2 – pâslă – 5 mm; 3 – cabluri electrice; 4 – panou suport – 12 mm; 5 – benzi cauciuc.
Între panoul suport și pardoseală se intercalează benzi de cauciuc cu rolul de a crea spații pentru trecerile cablului încălzitor și pentru ventilare naturală. În plus, aceste spații evită contactul direct între pardoseala rece și mocheta caldă.
Puterea maximă pe suprafață a mochetei încălzitoare este de 250 W/m2 pentru încălzirea locală.
II.2.4.2.1.3. Încălzirea prin pardoseală cu folii electrice încălzitoare
În anii ’80 elementele încălzitoare aveau o putere liniară de 33 W/m căreia îi corespunde o putere pe suprafață de 85 W/m2. O nouă tehnică înlocuiește cablul încălzitor cu un element plat-folia încălzitoare care poate atinge o putere pe suprafață de 90 W/m2.(Fig.II.2.56).
Fig.II.2.55. Încălzirea cu mochetă încălzitoare
1 – strat de uzură-pardoseală finită; 2 – dală flotantă armată de grosime mică (5 cm); 3 – armătura dalei; 4 – element încălzitor (folie); 5 – izolație; 6 – planșeu suport.
II.2.4.2.2. Încălzirea prin plafon
Încălzirea cu plafoane electrice prin radiație de joasă temperatură este un procedeu vechi și datează din anii ’60. Prezintă numeroase avantaje însă contraindicațiile sale în ceea ce privește confortul limitează folosirea lor. Se folosesc în cazuri bine precizate însă în urma unui studiu termic riguros.
Au fost perfectate două procedee de încălzire cu plafon electric radiant, în raport cu tipul elementului încălzitor:
cabluri electrice încălzitoare;
folii electrice încălzitoare;
II.2.4.2.2.1 Încălzirea prin plafon cu cabluri electrice încălzitoare.
Cablurile electrice încălzitoare pot fi înglobate în tencuiala plafonului (Fig.II.56.a), fie montate liber sub izolația termică (Fig.II.56.b)
Fig.II.2.56. Plafon încălzitor cu cabluri electrice
1 – pardoseală; 2 – izolație termică; 3 – izolație termică având folie de aluminiu la partea inferioară; 4 – șprițuială de ciment; 5 – plasă de sârmă; 6 – cablu încălzitor; 7 – plafon gips-carton suspendat; 8 – tencuială.
II.2.4.2.2.2. Încălzirea prin plafon cu folii încălzitoare
Procedeul este simplu și eficient, foliile încălzitoare aplicându-se în diferite moduri pe suprafața plafonului.
Pozarea se face în două moduri:
prin fixarea pe extradosul plăcii înainte de finisarea plafonului;
prin aplicarea pe suprafața plafonului existent finisat.
În prima soluție elementele încălzitoare pot fi prinse cu agrafe sau cu benzi adezive pe un suport din lemn sau metalic. Distanța dintre agrafe sau fixările adezive este de 20 sau 25 cm.
Fig.II.2.57. Utilizarea foliilor încălzitoare pentru încălzirea prin plafon
Fig.II.2.58. Secțiune prin plafon încălzitor
1 – structură portantă a plafonului; 2 – izolație termică; 3 – componenta portantă a gips-cartonului; 4 – folie încălzitoare; 5 – folie de acoperire din PE (0.25 mm grosime); 6 – plafon gips-carton (suspendat).
II.2.4.2.3. Încălzirea prin pereți
Încălzirea electrică prin pereți se realizează prin înglobarea în tencuiala acestora a unor elemente încălzitoare – folii sau cabluri încălzitoare.
Transformarea pereților în suprafețe încălzitoare este posibilă cu următoarele observații:
pereții exteriori necesită o izolație termică suplimentară;
există pericolul perforării elementelor încălzitoare, în special în cazul clădirilor de locuit (suporți pentru tablouri);
amplasarea mobilierului limitează fluxul termic al pereților.
În consecință se recomandă încălzirea prin pereți, ca sursă suplimentară, în combinație cu alt tip de încălzire electrică.
II.2.5. Încălzirea cu aer cald
Sistemele de încălzire cu aer cald utilizează aerul ca agent termic de transport iar necesarul de căldură pentru menținerea temperaturii interioare prescrise este asigurat de către aerul încălzit, introdus direct în încăperi.
Aceste sisteme de încălzire pot fi utilizate ca sisteme unice de încălzire sau în completare cu alte tipuri de sisteme de încălzire – încălzire cu corpuri statice sau cu panouri radiante.
Instalațiile de încălzire cu aer cald sunt utilizate în industrie, în spații mari și aglomerate dar și în organizările de șantier sau în spații cu destinații provizorii. Nu se utilizează acest sistem de încălzire în zonele cu degajări de praf sau alte surse de poluanți, în absența instalațiilor de ventilare locală.
Instalațiile de încălzire cu aer cald prezintă, în raport cu celelalte tipuri de instalații de încălzire, anumite avantaje:
încălzirea rapidă a incăperilor;
posibilitatea combinării cu instalația de ventilare;
evitarea pericolului de îngheț;
cheltuieli de investiții mai reduse.
Dezavantajele acestui sistem de încălzire sunt:
riscul formării curenților de aer care pot crea disconfort;
apariția fenomenului de stratificare termică;
încălzirea neuniformă a spațiilor interioare atât în plan vertical cât și în plan orizontal;
supraîncălzirea zonei superioare a spațiilor interioare;
reglaj cantitativ și calitativ dificil de realizat;
zomotul poate deveni principalul factor de disconfort, mai ales în încaperile de locuit.
Încălzirea aerului ce urmează a fi introdus în încăperi se realizează folosind schimbătoare de căldură. Aceasta se poate face direct – cu gaze de combustie, sau indirect – cu baterii de încălzire alimentate cu apă caldă, apă fierbinte sau abur. După soluția adoptată, prepararea aerului cald se poate face local, cu aparate instalate în încăperea încălzită, sau central, cu echipamentul instalat în centrala de aer cald.
II.2.5.1. Instalații de încălzire cu preparare locală a aerului cald
Instalațiile de încălzire cu preparare locală a aerului cald au sursa de încălzire amplasată într-un spațiu adiacent și sunt cele mai simple instalații de încălzire cu aer cald. Ciculația aerului cald se poate realiza natural sau forțat, cu ajutorul ventilatoarelor.
Sursele de energie care încălzesc aerul se pot clasifica astfel:
a. agregate cu focar propriu;
b. aeroterme;
c. dispozitive multifuncționale.
II.2.5.1.a. Încălzirea cu agregate cu focar propriu
Aparatele care prepară direct aerul cald au focar propriu, care este dimensionat pentru arderea combustibililor solizi, lichizi sau gazoși.
Din această categorie fac parte:
sobele pentru aer cald metalice sau din teracotă;
generatoarele de aer cald;
aerotermele cu gaze naturale.
Sobe pentru aer cald
Sobele pentru aer cald (Fig.II.2.59.) pot fi metalice sau din teracota și pot încălzi o singură încăpere sau mai multe încăperi aflate la același nivel sau la niveluri diferite. Aerul intră prin gratare amenajate in partea de jos a sobei, se incalzeste la suprafata exterioara a focarului si iese în încaperile alaturate prin guri amenajate în partea superioară.
a) încălzirea încăperilor aflate la același nivel b) încălzirea încăperilor aflate la niveluri diferite
Fig.II.2.59. Sobe pentru aer cald
1 – focar; 2 – sobă; 3 – guri de aer; 4 – perete exterior al sobei; 5 – aer rece; 6 – aer încălzit.
Generatoare de aer cald
Generatoarele de aer cald sunt destinate pentru încălzirea halelor industriale, construcțiilor agricole, spațiilor de depozitare sau pentru încălzirea tehnologică a materialelor de construcție. Acestea au focar propriu, schimbător de căldură gaze de ardere – aer si ventilator de circulatie fortata a aerului și pot fi generatoare stabile sau mobile.
Generatoarele mobile (Fig.II.2.60.) sunt destinate incalzirii locale a constructiilor industriale in timpul executiei pentru a asigura conditii de lucru, pentru accelerarea uscarii unor elemente de constructie executate prin procedee umede etc.
Aceste generatoare de aer cald sunt echipate cu injectoare automate pentru combustibil lichid sau arzătoare pentru gaz metan si functioneaza numai cu aer recirculat. În Fig.II.2.60 este prezentată alcătuirea unui generator de aer cald mobil cu combustibil lichid.
Aeroterme cu gaze naturale (Fig.II.2.61.) – servesc pentru incalzirea incaperilor de productie si sunt prevazute cu focar echipat cu arzator cu gaze naturale, schimbător de căldură, ventilator si guri de aer. Pot functiona cu aer proaspat, aer amestecat sau aer recirculat
Fig.II.2.60. Generator mobil de aer cald
1 – ventilator; 2 – arzător; 3 – cameră de ardere; 4 – schimbător de căldură; 5 – coș de evacuare a gazelor de ardere; 6 – gură de refulare a aerului cald; 7 – carcasă.
Fig.II.2.61. Aeroterme cu gaze naturale: Tip B – Aspirare din interior și evacuare în exterior, Tip C – Aspirare și evacuare externă
1 – aerotermă; 2 – aspirare aer pentru ardere – racord prin perete; 3 – evacuare gaze de ardere – racord prin perete; 4 – evacuare gaze de ardere – racord prin acoperiș; 5 – aspirare aer pentru ardere – racord prin acoperiș; 6 – tubulatură circulație aer – gaze de ardere.
Constructiv, pot fi două situații – aeroterme cu aspirația aerului necesar arderii din interior și evacuarea gazelor de ardere în exterior (tip B) sau aspirația aerului necesar arderii din exterior și evacuarea gazelor de ardere în exterior (tip C). Spațiul de încălzit se reduce la o încăpere sau la un număr redus de încăperi,distribuite în jurul aceleiaș surse de încălzire.
Încălzirea indirectă a aerului este utilizată în majoritatea cazurilor pentru clădiri industriale, social culturale și de locuit care dispun de agenți termici, apă caldă, apă fierbinte sau abur. În această situație prepararea aerului cald se realizează indirect, folosind schimbătoare de căldură – baterii de încălzire, care sunt utilizate în mod curent în instalațiile de ventilare și climatizare.
După sistemul de încălzire adoptat, central sau local, prepararea indirectă a aerului cald se face în centrala de aer cald, respectiv cu aeroterme instalate în încăperile de încălzit.
Fig.II.2.62. Exemplu de centrală de tratare a aerului (CTA)
Fig.II.2.63. Componența unei centrale de tratare a aerului (CTA)
1 – aer exterior (AE); 2 – clapetă reglaj AE; 3 – filtre; atenuator de zgomot; 4 – circuit agent termic; 5 – baterie de preîncălzire; 6 – baterie de răcire; 7 – circuit agent răcire; 8 – baterie de încălzire; 9 – carcasă; 10 – ventilator centrifugal; 11 – clapetă reglaj AT; 12 – aer tratat (AT).
Centralele de aer cald (Fig.II.2.62. și Fig.II.2.63.) – au în componență ventilatorul centrifugal sau axial, baterie de încălzire și filtru de separare a prafului. Funcționarea poate fi cu aer recirculat, dar și cu aer amestecat – aer proaspăt și aer recirculat. În acest caz se prevede și priză de aer proaspăt și cameră de amestec.
Aeroterme – Sunt aparate locale monobloc construite pentru amplasare pe perete sau la tavan și sunt alcătuite din ventilator, baterie de încălzire și jaluzele reglabile.
Aerotermele de perete (Fig.II.2.64.) pot funcționa cu aer recirculat, cu aer proaspăt sau cu aer amestecat. Pentru funcționarea cu aer proaspăt și aer recirculat acestea sunt prevăzute cu priza de aer proaspat (in perete sau in acoperis) si cutie de amestec.
Aerotermele de tavan funcționeaza numai cu aer recirculat.
Fig.II.2.64. Aerotermă de perete
1 – jaluzele reglabile; 2 – baterie de încălzire; 3 – ventilator; 4 – motor electric; 5 – elemente de fixare; 6 – carcasă.
Este sistemul cel mai folosit pentru încălzirea cu aer cald a halelor industriale. Astfel, se amplasează pe contur aeroterme de perete, iar in rest aeroterme de plafon. Amplasarea aerotermelor este determinata de caracteristicile jeturilor de aer pentru asigurarea incalzirii cat mai uniforme a halei iar jeturile de aer trebuie sa fie indreptate spre zona de lucru, pentru a asigura in principal încălzirea acesteia.
Temperatura si viteza aerului din jet, in sectiunea din zona de lucru, trebuie sa fie astfel alese incât sa se asigure conditiile de confort termic pentru ocupanți. Inaltimea de montare a aerotermelor de perete este dictata de unele instalatii tehnologice, dar trebuie sa fie de cel putin 2 m de la pardoseala pentru a nu deranja circulatia si activitatea din zona de lucru.
În cazul in care instalatia trebuie sa asigure si ventilarea încăperii, aerotermele de perete se prevad cu prize de aer proaspat, guri de preluare a aerului din incapere si cutii de amestec, Fig.II.2.65.a.
Pentru halele industriale cu înălțimi mari unde aerotermele sunt amplasate la inaltimi mari se recomandă ca aerul recirculat sa se preia din zona inferioara in apropierea pardoselii, Fig.II.2.65.b.
Pentru aceasta aerotermele de perete se prevad cu portiuni de canale verticale cu guri de aer care coboara in zona de lucru pana la 300…500 mm de pardoseala. În modul acesta se obtine o circulatie mai buna a aerului cald in zona de lucru si deci incalzirea normala a acesteia.
Fig.II.2.65. Aeroterme de perete cu aspirație la partea inferioară
1 – jaluzele reglabile; 2 – baterie de încălzire; 3 – ventilator; 4 – motor electric; 5 – elemente de fixare; 6 – carcasă; 7 – aer rece; 8 – aer cald; 9 – aer exterior; 10 – cameră amestec.
Agregatele locale de aer cald (Fig.II.2.66.) au aceiași componență – ventilator și baterie de încălzire (cu sau fara filtru de aer) dar se pot asambla la locul de montaj.
Fig.II.2.66. Agregate locale de aer cald
1 – aer rece; 2 – baterie de încălzire cu/fără filtru; 3 – reducție; 4 – elemente de susținere; 5 – tubulatură; 6 – ventilator acționat de motor electric; 7 – clapetă de reglare; 8 – aer cald.
Sisteme complexe de încălzire cu aer cald
Instalatiile de incalzire cu aer cald pot fi clasificate după locul de preparare a aerului cald, centrale sau locale sau dupa modul de circulatie a aerului, cu circulatie naturala sau mecanica. Cele mai utilizate sunt sistemele de circulatie mecanică, forțată, în diferite variante constructive- numai cu recirculare, numai cu aer prospăt sau cu aer amestecat.
Aerul cald preparat in centrala de aer cald este distribuit prin canale de aer si refulat in incaperi prin guri de aer, avand aceeasi alcatuire ca instalatia de ventilare mecanica.
În Fig.II.2.67. este prezentată schema unei centrale de aer cald cu funcționare cu aer recirculat.
Fig.II.2.67. Centrală de aer cald cu aer recirculat
1 – încapere; 2 – gură refulare; 3 – gură evacuare; 4, 5 – canale de aer; 6 – filtru de aer; 7 – ventilator; 8 – baterie de încălzire.
În Fig.II.2.68. este prezentată schema unei centrale de aer cald cu funcționare cu aer amestecat.
Fig.II.2.68. Centrală de aer cald cu aer amestecat
1 – încapere; 2 – gură refulare; 3 – gură evacuare aer recirculat; 4, 5 – canale de aer; 6 – filtru de aer; 7 – ventilator; 8 – baterie de încălzire; 9 – priză de aer proaspat; 10 – clapetă de amestec; 11 – gură evacuare aer viciat; 12 – evacuare aer viciat.
Fig.II.2.69. Centrală de aer cald cu aer proaspăt
1 – încapere; 2 – gură refulare; 3 – gură evacuare aer viciat; 4, 5 – canale de aer; 6 – filtru de aer; 7 – ventilator; 8 – baterie de încălzire; 9 – priză de aer proaspat; 10 – evacuare aer viciat.
În Fig.II.2.69. este prezentată schema unei centrale de aer cald cu funcționare cu aer proaspăt.
Mai multe informații referitoare la modalitatea de funcționare și componentele centralelor de tratare a aerului se regăsesc în Capitolul I – Instalații de ventilare și climatizare.
Parametrii de confort termic pentru zona de lucru, în funcție de specificul procesului de producție și activitate sunt prezentați în Tab.II.2.2.
Tab.II.2.2. Valorile parametrilor confortului termic minim în zona de lucru
II.3. Instalații de încălzire cu surse regenerabile
II.3.1. Forme ale energiilor regenerabile
Energia reprezintă capacitatea unui sistem fizic de a produce lucru mecanic. Uneori se menționează în definiția energiei și capacitatea unui sistem fizic de a produce căldură.
Energia este implicată în toate procesele care presupun orice fel de schimbare sau transformare, fiind responsabilă de producerea asestor schimbări sau modificări. Se poate considera chiar că materia în sine reprezintă o formă “condensată” de energie, iar această energie este înmagazinată în atomii și moleculele din care este alcătuită materia.
Energia se clasifică în:
Energia primară este aceea care se obține de la purtătorii naturali de energie, fără intervenția directă a omului (energia combustibilililor naturali, energia solară, energia eoliană).
Energia secundară rezultă din energia primară ca urmare a intervenției omului (termică, electrică, mecanică).
II.3.1.1. Cele mai uzuale forme de energie sunt:
Energia chimică – o regăsim înmagazinată în legăturile atomice care formează moleculele.
Energia nucleară – este energia obținută în urma reacției de fisiune/fuziune a nucleului atomic, de obicei uraniu-235 sau plutoniu-239.
Energia termică – suma energiei cinetice și potențiale ale tuturor atomilor și moleculelor în mișcare și care formează un corp solid, lichid sau gazos.
Energia electrică – este un flux de particule încărcate cu sarcină electrică numiți electroni și ioni. Mișcarea particulelor este produsă de forța câmpului electric.
Cele mai importante surse de energie, utilizabile la ora actuală cu tehnologiile disponibile sunt reprezentate de combustibilii fosili. Cele mai cunoscute tipuri de asemenea combustibili sunt petrolul și produsele obținute din acesta, gazele naturale și cărbunii.
Disponibilitățile energetice actuale se pot împărți în două categorii și anume rezerve energetice și resurse energetice.
Resursele energetice sunt surse de energie cunoscute, care însă nu pot fi exploatate în contiții de rentabilitate economică, utilizând tehnologiile existente, dar care ar putea fi valorificate în viitor, dacă se vor dezvolta tehnologii adecvate, sau dacă vor deveni rentabile în urma creșterii prețului energiei.
În prezent, cca. 85…90% din energia consumată anual pe Pamânt, este produsă prin arderea combustibililor fosili. În anul 2030 se estimează, din punct de vedere al sursei utilizate, că structura producției energetice va fi aproximativ următoarea:
75…85% din arderea combustibililor convenționali;
10…20% din fisiune nucleară;
3…5% din energie hidraulică;
cca. 3% din energie solară și eoliană.
II.3.1.2. Tipuri de energii regenerabile:
energia solară;
energia eoliană;
energia geortermală;
biomasa;
energia nucleară.
II.3.1.2.1. Energia solară
Fig.II.3.1. Energia solară (http://qsetenergy.qsetenergy.ro)
Soarele reprezintă sursa de energie a Pamântului, contribuind la menținerea temperaturii planetei mult peste valoarea de aproape 0K întâlnită în spațiul interplanetar și este singura sursă de energie capabilă să întrețină viața pe Pământ.
Soarele trimite către pamânt un flux de energie care corespunde unei puteri de 170 miliarde MW. Totuși, energia solară prezintă o serie de dezavantaje: concentrația de energie solară este mică, iar captarea ei se face greu, cu cheltuieli mari și este distribuită neregulat în timp și pe suprafața planetei.
O cantitate imensă de energie solară ajunge la suprafața pământului în fiecare zi. Această energie poate fi captată, și folosită sub formă de căldură în aplicații termo-solare, sau poate fi transformată direct în electricitate cu ajutorul celulelor fotovoltaice.
II.3.1.2.2. Energia vântului (eoliană)
Fig.II.3.2. Energia eoliană (http://www.stiridebine.ro)
O primă resursă energetică ce poate fi luată în discuție este cea eoliană, adică folosirea vântului. Aceasta este deja reprezentată printr-o tehnica de rutină, constituită de morile de vânt și o tehnică de vârf, constituită de sistemele puse la dispoziție de noua tehnologie care ne permite să realizăm minicentrale eoliene de 1…10 MW. Aceste sisteme pot fi construite în număr mare. De partea acestui tip de energie, omenirea, nu spera să aibă în anul 2000 mai mult din totalul energiei produse.
Este una din cele mai vechi surse de energie nepoluantă, o sursă de energie regenerabilă, generată din puterea vântului. Vântul este rezultatul activității energetice a soarelui și se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeței Pamântului. În fiecare oră pământul primește 1014 kWh de energie solară. Circa 1…2% din energia solară se transformă în energie eoliană.
Energia cinetică din vânt poate fi folosită să învârtă turbinele, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine sunt capabile să producă 5 MW de energie, deși acestea necesită o viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 km/h. În puține zone din lume se ating aceste viteze în mod constant, deși vânturi puternice se pot găsi la altitudine mai mare și în zone oceanice.
Energia eoliană este folosită destul de extensiv în ziua de astăzi, noi tipuri de turbine construindu-se în toata lumea, aceasta fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creștere în ultimii ani. Capacitatea totală mondială a turbinelor eoliene este 47.317 MW. Majoritatea turbinelor produc energie 25% din timp, această valoare crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice.
Se crede că potențialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât consumul actual. Acest nivel de utilizare a acestei surse ar necesita 12,7% din suprafața Pământului, excluzând oceanele, să fie acoperită de parcuri de turbine, însemnând că terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vânt pe kilometru pătrat.
În Europa sunt instalați aproximativ 34000 MW în turbine eoliene, care produc aproximativ 70 TWh, în timp ce în România sunt în funcțiune 2900 kW. Se estimează că 8% din energia produsă în țară este asigurată prin sistemele neconvenționale. Procentul este mult mai mare în țări ca Germania – 22% – și Danemarca – 31%.
II.3.1.2.3.Energia geotermală
Fig.II.3.3. Energia geotermală (http://www.our-energy.com)
Potențialul caloric geotermic mondial este estimat la cca. 1013 tone echivalent cărbune, dar el contribuie cu numai 0,05% la consumul mondial de energie. Temperatura solului crește cu 3oC la fiecare sută de metri în adâncime, astfel încât la o mie de metri adâncime am avea 30 oC. Ne putem imagina centrale geotermice în care apa pompată de la adâncimi de cca. 2000 m (în zonele mai calde) să ne livreze vaporii (la cca. 300 oC) necesari unor centrale de puteri mai mari de 1000 MW.
Energia geotermală este o categorie particulară a energiei termice pe care o conține scoarța terestră. Cu cât se coboară mai adânc în interiorul scoarței terestre, temperatura crește și teoretic energia geotermală poate fi utilizată tot mai eficient.
Este interesant de remarcat că 99% din interiorul Pământului are o temperatură de peste 1000 °C, iar restul de 1% se găsește la o temperatura de peste 100 °C.
Aceste elemente sugerează că interiorul Pământului reprezintă o sursă regenerabilă de energie care merită toată atenția și care trebuie exploatată într-o măsură cât mai mare.
Energia geotermală este utilizată la scară comercială, începând din jurul anilor 1920, când a început să fie utilizată în special căldura apelor geotermale, sau cea provenită din gheizere pentru încălzirea locuințelor sau a unor spații comerciale. Din punctul de vedere al potențialului termic, energia geotermală poate avea potențial termic ridicat sau scăzut.
Energia geotermală cu potențial termic ridicat este caracterizată prin nivelul ridicat al temperaturilor la care este disponibilă și poate fi transformată direct în energie electrică sau termică.
Energia geotermală de potențial termic scăzut este caracterizată prin nivelul relativ scăzut al temperaturilor la care este disponibilă și poate fi utilizată numai pentru încălzire, fiind imposibilă conversia acesteia în energie electrică. Energia geotermală de acest tip este disponibilă chiar la suprafața scoarței terestre fiind mult mai ușor de exploatat decât energia geotermală cu potențial termic ridicat, ceea ce reprezintă un avantaj.
Exploatarea energiei geotermale cu potențial termic scăzut necesită echipamente speciale concepute pentru ridicarea temperaturii până la un nivel care să permită încălzirea și/sau prepararea apei calde, ceea ce reprezintă un dezavantaj față de energia geotermală cu potențial termic ridicat. Echipamentele menționate poartă denumirea de pompe de căldură și au același principiu de funcționare ca al mașinilor frigorifice, functionând cu energie electrică.
În fiecare zi planeta noastră absoarbe energie solară pe care o înmagazinează sub forma de calorii în sol. Această rezervă gratuită este reaprovizionată în permanență, deci inepuizabilă. Captarea acestei energii termice și transformarea ei pentru utilizarea în încălzirea spațiilor interioare este posibilă grație unui generator termodinamic: pompa de căldură geotermică.
II.3.1.2.4. Potențialul energetic geotermal
Pe teritoriul României un număr de peste 200 foraje pentru hidrocarburi au întâlnit la adâncimi situate între 800 și 3500 m resurse geotermale de joasă și medie entalpie (40…120 °C). Exploatarea experimentală a circa 100 de foraje în cursul ultimilor 25 ani a permis realizarea unor evaluări a potențialului energetic al acestui tip de resursă.
Tab.II.3.1. prezintă o sinteză a principalilor parametri din perimetrele geotermale importante din România, inclusiv a potențialului energetic teoretic.
Utilizarea energiei geotermice extrase este în proporție de 37% pentru încălzire, 30% pentru agricultură (sere), 23% în procese industriale, 7% în alte scopuri.
Dintr-un număr de 14 sonde geotermale săpate între anii 1995 și 2000 la adâncimi de 1500…3000 m, numai două sonde au fost neproductive, înregistrându-se o rată de succes de 86%.
Tab.II.3.1. Principalele perimetre geotermale din România
Notă:calculată considerând că apa geotermală se răcește până la 30 °C.
II.3.1.2.5. Biomasa
Fig.II.3.4. Biomasa
Prin fotosinteză, învelișul vegetal al plantei produce o biomasă care corespunde unei energii apreciate la cca. 3.1021 J/an. Fiind regenerabilă, energia biomasei, este teoretic inepuizabilă, cu condiția ca omul să nu grabească procesele de deșertificare ale planetei. Din biomasa se pot opține combustibili (alcool, gaz metan, etc.), putându-se folosi ca biomasă deșeuri de lemn, trestie de zahar, deșeuri de cereale etc.
Pentru a putea vorbi însă practic de biomasă, ar trebui cultivate plante la care producția la hectar sa fie enormă (de ordinul 30…40 tone) iar conținutul caloric sa fie de ordinul 4…5000 kcal/kg.
Astăzi, cercetările se concentrează pe conversia biomasei în alcool, care ar putea servi drept carburant pentru suplimentarea și chiar înlocuirea benzinei și a motorinei. Alte forme lichide de energie obținute din biomasă ar fi uleiurile vegetale. Metanolul produs prin distilarea lemnului și a deșeurilor forestiere este considerat un carburant alternativ pentru transport și industrie, la prețuri care ar putea concura cu cele ale combustibililor obținuți din bitum și din lichefierea carbonului.
Etanolul ar fi un combustibil mai ieftin, dar problema mare este că utilizează resurse alimentare, cum sunt porumbul sau grâul. Dacă însă etanolul s-ar obține exclusiv din deșeuri alimentare sau agricole, deși costurile sale de producție ar fi mai mari, efortul s-ar justifica pentru că se reciclează deșeurile.
La alcooli se adaugă și biogazul, respectiv forma gazoasă a biomasei. Acest gaz cu o putere calorică destul de slabă, conținând în principal metan, se obține din materii organice, precum apele uzate sau bălegarul.
Principala resursă de biomasă o reprezintă însă lemnul. Energia asociată biomasei forestiere ar putea să fie foarte profitabilă noilor industrii, pentru că toată materia celulozică abandonată astăzi (crengi, scoarță de copac, trunchiuri, bușteni) va fi transformată în produse energetice. Utilizarea biomasei forestiere în scopuri energetice duce la producerea de combustibili solizi sau lichizi care ar putea înlocui o bună parte din consumul actual de petrol, odată ce tehnologiile de conversie energetică se vor dovedi rentabile.
De asemenea, terenurile puțin fertile, improprii culturilor agricole, vor fi folosite pentru culturi forestiere intensive, cu perioade de tăiere o dată la 10 ani. Pe de altă parte, biomasa agricolă (bălegarul, reziduurile celulozice ale recoltelor, reziduurile de fructe și legume și apele reziduale din industria alimentară) poate produce etanol sau biogaz.
Spre deosebire de biomasa forestieră, care este disponibilă pe toată perioada anului, biomasa agricolă nu este, de obicei, disponibilă decât o dată pe an. Biogazul provenind din bălegar poate încălzi locuințele, iar dacă este purificat și comprimat, el poate alimenta mașinile agricole.
Utilizarea deșeurilor animale sau ale industriei alimentare poate diminua poluarea, minimizând problemele eliminării gunoaielor și furnizarea de energie.
II.3.1.2.6. Energia nucleara
Dintre toate soluțiile enumerate, soluția primordială pentru următorul secol va fi (probabil), energetica nucleară. Fizicienii au descoperit și au pus la dispoziția umanității două categorii de fenomene cu ajutorul cărora se pot obține energie: fisiunea nucleară și fuziunea nucleară.
Pe linia centralelor nuclearo-electrice s-a ajuns să se construiască reactoare nucleare care să funcționeze numai cu uraniu natural și apă grea (CANDU). Această filieră (adoptată și de România pentru centrala nucleară de la Cernavodă) ne conduce și din punct de vedere industrial și tehnologic la condițile și soluțiile cele mai avantajoase, întrucât evită costisitoarea și complicata separare a izotopilor de uraniu. Această filieră nu asigură totuși, în momentul de față decât 10% din energia nucleară furnizată omenirii.
Condiții energetice actuale
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.
În luna decembrie 2005, ASPO anunța că prin măsuri de reducere a consumurilor, respectiv a producției, nivelul deficitului de petrol înregistrat în anul 2004 mai poate fi menținut sub control o perioadă de numai 1-2 ani, dar este iminentă o criză ireversibilă a petrolului și a gazelor naturale. Deficitul de petrol este sugestiv prezentat în Fig.II.3.5., conform datelor publicate de ASPO în anul 2004.
Fig.II.3.5. Evoluția producției de petrol și a noilor rezerve descoperite, ASPO 2004 (www.peakoil.net)
Din punct de vedere energetic și al dezvoltării durabile, Europa se confruntă în prezent cu o serie de provocări, dintre care cele mai importante sunt:
dependența exagerată de sursele energetice ale altor regiuni ale globului, dintre care multe sunt amenințate de instabilitate. Cererea de energie, asigurată cu resurse din afara Uniunii Europene în procent de 50%, urmează să crească la 70% la nivelului anului 2030 dacă nu se iau măsuri;
obligația îndeplinirii sarcinilor din Protocolul de la Kyoto privind reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră. Efectele schimbărilor climatice sunt din ce în ce mai evidente, iar cererea de energie este în creștere, estimându-se că emisiile de CO2 vor crește cu aproximativ 60% până în anul 2030, accelerând fenomenul de încălzire globală.
Una din modalitățile de punere în aplicare a noilor politici energetice elaborate de Uniunea Europeană este creșterea gradului de utilizare a energiei provenite din surse regenerabile.
În acest sens, Uniunea Europeană a elaborat Directiva 2001/77/EC privind promovarea energiei produse din surse regenerabile pe piața internă a electricității. Directiva 2001/77/EC impune Statelor Membre o serie de măsuri de creștere a producției de energie din surse regenerabile, prin crearea de facilități agenților economici ce promovează folosirea acestor resurse.
II.3.2. Potențialul surselor regenerabile din România
România, datorită poziției geografice, reliefului și condițiilor climatice rezultate din acestea, poate fi considerată “o țară cu resurse regenerabile modeste”. Sursele regenerabile pot avea însă o contribuție importantă la balanța energetică a țării și la diminuarea ponderii importului de resurse energetice.
Utilizarea lor poate fi făcută în sisteme centralizate – sistemul energetic național, sisteme locale centralizate de producere combinată a energiei electrice și termice, dar și pentru alimentarea cu energie electrică și termică a zonelor izolate, în cazul cărora racordarea la sistemele centralizate este neeconomică.
Fig.II.3.6. Distribuția teritorială a energiilor regenerabile (Ministerul Economiei)
Potențialul energetic al surselor regenerabile de energie este prezentat sintetic în Tab.II.3.2., conform "Strategiei de valorificare a surselor regeneraible de energie".
Tab.II.3.2. Potențialul energetic al surselor regenerabile de energie
(Planul Național de Acțiune în Domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER) – 2010)
Comparând datele din tabelele prezentate, rezultă că pentru a-și îndeplini obiectivul stabilit corespunzător anului 2020, România va trebui să valorifice 63,5 % din potențialul total al surselor regenerabile de energie de care dispune.
Aportul energetic al sistemelor solare-termale la necesarul de căldură și apa caldă menajeră din România este evaluat la circa 1434 x 103 tep (60 PJ/an), ceea ce ar putea substitui aproximativ 50% din volumul de apă caldă menajeră sau 15% din cota de energie termică pentru încălzirea curentă.
Utilizarea potențialului energetic solar urmează a se face prin:
sisteme solare termice pentru căldură și apă caldă menajeră din locuințe individuale sau instalații centralizate de mică anvergură. Pentru a fi utilizate cu eficiență ridicată aceste sisteme trebuie sã funcționeze "în regim hibrid" cu alte sisteme termice convenționale sau neconvenționale. Potențialul utilizabil în sistemele solare termice este apreciat la 1.434 mii tep;
sisteme fotovoltaice utilizate în principal pentru alimentarea cu energie electricã a unor consumatori izolati cu consumuri mici de energie. Potentialul exploatabil prin sisteme fotovoltaice în România este apreciat la 1.200 GWh/an.
Potențialul energetic eolian rezultă din utilizarea energiei vântului cu turbine eoliene (aerogeneratoare) cu puteri instalate unitare mari (la actualele tehnologii peste 750 kW), conectate la sistemul energetic și mai puțin functionând izolat în soluții hibride cu baterii de acumulatori în tampon pentru alimentarea cu energie a unor consumatori izolați.
Pe baza evaluărilor preliminare în zona litoralului, inclusiv mediul off-shore, pe termen scurt și mediu, potențialul energetic eolian amenajabil este de circa 2000 MW, cu o cantitate medie de energie electrică de 4500 GWh/an.
Distribuția geografică este realizată pe cinci regiuni distincte, pe zone geografice. (vezi Fig.II.3.8.).Valorile medii ale potențialului eolian variază între: peste 1.800 W/m2 – viteze de peste 11,0 m/s pentru regiunea I/zona montană înaltă și valori sub 50 W/m2 – viteze sub 3,5 m/s pentru regiunea V/zona dealuri și podișuri.
Regiunile cu potențial energetic eolian ridicat sunt: zona litoralului Mării Negre, podișurile Munteniei și Dobrogei și zonele montane înalte (greu de exploatat din cauza fenomenelor de iarnă). Potențialul eolian teoretic este evaluat la 23.000 GWh/an, cu o putere instalată de până la 14.000 MW. Zona litoralului, inclusiv zona offshore, are un potențial de cca. 4.500 GWh/an, cu o putere instalată de cca. 2.000 MW. Studii recente făcute de ICEMENERG arată că potențialul tehnic exploatabil are valori de cca. 3.600 MW cu o producție de energie de cca. 8.000 GWh.
România deține surse geotermale în ape de adâncime – cu exploatare prin foraj extracție, "de joasã entalpie" (cu temperaturi cuprinse între 25 °C și 60 °C) și de temperatură medie (cu temperaturi cuprinse între 60 °C și 125 °C).
Rezerva de energie geotermală cu posibilități de exploatare curentă în România este de circa 167 x 103 tep (7000 x 106 GJ/an). Cantitatea de energie echivalentă produsă și livrată la capul de exploatare al sondei este de circa 30,171 x 103 tep (1326 x 106 GJ/an), cu un grad mediu de folosire anuală de 22,3%. Limita economică de foraj și extracție pentru ape geotermale s-a convenit pentru adâncimea de 3300 m și a fost atinsă în unele zone din România, precum bazinul geotermal Bucuresti Nord – Otopeni, anumite perimetre din aria localităților Snagov și Balotești s.a.
Fig.II.3.9. Harta resuselor geotermale din România (Fluxul de căldură al României)
În România, potențialul hidroenergetic al râurilor principale este de circa 40.000 GWh/an, care se poate obține în amenajări hidroenergetice de mare putere (> 10 MW/unitate hidro) sau de mică putere (< 10 MW/unitate hidro), după următoarea repartizare:
amenajări hidroenergetice de mare putere (34.000 GWh/an);
amenajări hidroenergetice de mică putere (6.000 GWh/an).
În România potențialul energetic din biomasă este de 88.333 GWh/an împărțiți pe următorele tipuri de combustibili:
Reziduri din exploatări forestiere 13833 GWh/an;
Deșeuri de lemn – rumeguș 5667 GWh/an.
Deșeuri agricole rezultate din cereale, tulpini de porumb, resturi vegetale 55.806 GWh/an
Biogaz 6833 GWh/an;
Deșeuri și reziduri menajere urbane 6194 GWh/an.
Fig.II.3.10. Harta resuselor din biomasă din România (IINL, 2006)
Accelerarea ritmului de exploatare al surselor regenerabile de energie din România se justifică prin creșterea securității în alimentarea cu energie, promovarea dezvoltării regionale, asigurarea normelor de protecție a mediului și diminuarea emisiilor de gaze cu efect de seră.
II.3.3. Strategia utilizării resurselor energetice durabile în România
Valorificarea potențialului surselor regenerabile de energie conferă premise reale de realizare a unor obiective strategice privind creșterea siguranței în alimentarea cu energie prin diversificarea surselor și diminuarea ponderii importului de resurse energetice, respectiv, de dezvoltare durabilă a sectorului energetic și protejarea mediului înconjurător.
Sursele regenerabile de energie pot contribui la satisfacerea nevoilor curente de încălzire în anumite zone (rurale) defavorizate (ex.: biomasa). Pentru valorificarea potențialului economic al surselor regenerabile de energie, în condiții concurențiale ale pieței de energie, este necesară adoptarea și punerea în practică a unor politici, instrumente și resurse specifice.
Dacă am exploata la maxim întregul potențial solar din țara noastră am putea substitui in aceasta formă aproximativ 50% din volumul de apă caldă menajeră sau 15% din cota de energie termică pentru încălzirea curentă.
Biomasa ar putea acoperi aproape o cincime din consumul total de resurse primare al României, sau 89% din căldura necesară încălzirii locuințelor și prepararării hranei în mediul rural, numai prin consumul de reziduuri și deșeuri vegetale.
II.3.3.1.Distribuția procentuală a energiilor regenerabile pentru Romania este:
65% – biomasă;
17% – energie eoliană;
13% – energie solară;
4% – microhidrocentrale;
1% – geotermală.
Din păcate acest potențial este utilizat în extrem de mică măsură, cu excepția energiei hidraulice și a biomasei (lemn de foc), aceasta din urmă fiind arsă în majoritatea cazurilor în instalații neperformante energetic.
Pentru România, ținta prevăzută pentru anul 2020 de Directiva 2009/28/CE (Anexa 1 a directivei) este ca ponderea energiei din surse regenerabile în consumul final brut de energie să fie de 24%, aceasta reprezentând o creștere de 6,2% față de anul de referință 2005 (valoarea de referință pentru 2005 este de 17,8%).
Traiectoria orientativă pentru atingerea obiectivului este prezentată în Tab.II.3.3.
Tab.II.3.3. Traiectoria pentru atingerea ponderii de energie regenerabilă
(Directiva 28/2009)
Având în vedere prognoza evoluției consumului național de energie și considerând traiectoria pentru România stabilita prin Directiva 2009/28/CE, consumul final brut de energie din surse regenerabile de energie (SRE) are valorile din Tab.II.3.4.
Tab.II.3.4. (Documentul previzional elaborat în conformitate cu art. 4 (3) al Directivei 28/2009)
Fig.II.3.11. Ponderea surselor regenerabile de energie (SRE) în consumul total de energie al statelor UE – obiectiv ce trebuie atins în anul 2020 (EU Energy Policy Data Brussels)
Obiectivele generale ale Strategiei de valorificare a surselor regenerabile de energie constau în:
integrarea surselor regenerabile de energie în structura sistemului energetic național;
diminuarea barierelor tehnico-funcționale și psiho-sociale în procesul de valorificare a surselor regenerabile de energie, simultan cu identificarea elementelor de cost și de eficiență economică;
promovarea investițiilor private și crearea condițiilor pentru facilitarea accesului capitalului străin pe piața surselor regenerabile de energie;
asigurarea independenței consumului de energie al economiei naționale;
asigurarea, după caz, a alimentării cu energie a comunităților izolate prin valorificarea potențialului surselor regenerabile locale;
crearea condițiilor de participare a României la piața europeană de "Certificate verzi" pentru energie din surse regenerabile.
II.3.3.2.Strategia utilizării resurselor energetice durabile în România are următoarele ținte:
Valorificarea surselor regenerabile va reduce importurile de resurse energetice primare cu un echivalent de 19,65 TWh (energie electrică), respectiv cu 3.274,64 mii tep (energie termică).
Până în anul 2015 se estimează obținerea unei cantități totale de energie de circa 23,37 TWh (energie electrică), respectiv 3.527,7 mii tep (energie termică). Considerând ca valoare de referință consumul brut actualizat estimat pentru anul 2010, rezultă că ponderea surselor regenerabile de energie în producția de energie electrică va fi de circa 30,0% în anul 2010, respectiv de 30,4% în anul 2015. (DATE ACTUALE!)
Până în anul 2015 se vor construi capacități noi de exploatare a surselor regenerabile, cu o putere electrică totală de 789,0 MW
II.3.4. Instalații de încălzire cu surse regenerabile. Încălzirea solară
II.3.4.1. Utilizarea energiei solare
Fig.II.3.12. Exemplu de casă solară (http://www.freshair.ro)
Datorită caracterului precar al resurselor, costurilor și poluării mediului, alimentarea cu energie a devenit o problemă deosebit de importantă. Elaborarea sistemelor energetice constituie în primul rând un mijloc de reducere și menținere a costurilor energetice la un nivel scazut și protejarea mediului.
Din nevoile energetice ale locuinței, căldura constituie cca.40% atât pentru încălzirea spațiului locuit, cât și pentru producerea de apă caldă de consum.
Sursele de energie regenerabilă se pot utiliza pentru a produce căldură direct – fără a mai fi nevoie de vreun proces de conversie (de exemplu, încălzirea solară a apei).
Câteva dintre cele mai importante particularități ale sistemelor tehnice de producere a energiei termice cu ajutorul surselor regenerabile de energie, sunt:
Necesitatea utilizării unor soluții specifice de izolare termică;
Regimurile termice sunt caracterizate prin diferențe reduse de temperatură;
Necesitatea acumulării energiei termice.
Toate aceste particularități, sunt impuse de condiții tehnico-economice particulare, care trebuie avute în vedere la proiectarea sistemelor de producere a energiei termice cu ajutorul energiilor regenerabile, condiții care vor fi prezentate detaliat în continuare.
În proiectarea sistemelor clasice de încălzire, se cunoaște că utilizarea izolațiilor termice are ca efect reducerea consumurilor specifice de combustibili.
Experiența ultimilor ani, arată că în condițiile economice actuale, costurile inițiale ale investiției în izolația termică, sunt amortizate în cca. 2…4 ani, prin reducerea corespunzătoare a cheltuielilor pentru combustibili.
La proiectarea sistemelor de încălzire și producere a apei calde cu ajutorul energiilor regenerabile, necesitatea utilizării izolațiilor termice este și mai acută. Este evident că izolarea reduce pierderile de căldură, și prin urmare scade consumul de energie, dar în cazul utilizării energiilor regenerabile, scopul izolării este de a reduce cât mai mult posibil, necesarul de energie care trebuie asigurat. Acest obiectiv este extrem de important, deoarece tehnologiile de conversie în energie termică a surselor regenerabile de energie, sunt mult mai scumpe decat soluțiile clasice.
Transformarea, sau conversia energiei solare în energie termică, este realizată prin intermediul colectorilor solari, având funcționarea pe diverse principii constructive. Indiferent de tipul colectorilor solari, pentru ca randamentul conversiei energiei solare în energie termică să fie ridicat, este important ca orientarea captatorilor solari, să fie cât mai corectă.
Energia solară se utilizează în scopuri gospodărești, fiind eficientă în procese vizând încălzirea spațiilor sau/și prepararea apei calde de consum. O analiză energetică și economică care pune în balanță investițiile făcute în dotările speciale pentru captarea energiei solare și economia de energie în exploatare se impune de fiecare dată când se dorește realizarea unui astfel de sistem.
Întrucât cererea de energie termică nu coincide cu disponibilul de energie solară, sistemele de încălzire solară au o răspândire mai mică. Astfel, în perioada rece când necesarul de căldură este mai mare, și a cărui valoare crește o dată cu scăderea temperaturii exterioare, aporturile de căldură solară sunt mai mici și scad o dată cu reducerea timpului de strălucire a soarelui.
Deoarece energia solară disponibilă este defazată cu 180° față de necesarul de căldură pentru încălzire, rezultă ca importante măsurile de prevedere, în cadrul sistemului, a unei componente de acumulare a căldurii, a izolării suplimentare a construcției și a prevederii unor surse auxiliare.
Folosirea energiei solare ca sursă termică impune pe lângă măsurile mai sus menționate și o arhitectură aparte a clădirilor, precum și o orientare a lor în raport cu poziția soarelui pe bolta cerească. Elementele de captare a energiei solare vor trebui să fie orientate pe cât posibil spre sud.
De asemenea, instalațiile solare de încălzire, pentru a putea funcționa în bune condiții, sunt asociate cu alte forme de energie (eoliană, geotermală) sau folosesc în compensație căldura recuperată de alte surse (oameni, iluminat, aparate termice etc.). În ultimul timp s-au extins sistemele combinate cu pompele de căldură, reușind să îmbunătățească simțitor eficiența termică și economică a instalațiilor solare.
Analiza oportunității folosirii instalațiilor solare de încălzire se face pe baza unor factori ca: sarcina de încălzire, energia solară de care se dispune, capacitatea sursei auxiliare, costul investiției și durata de recuperare a investițiilor etc. De aceea se cere, ori de câte ori se pune problema implementării unor astfel de instalații, să se aibă în vedere atât partea tehnică (sistemul de încălzire care se poate adopta) cât și partea economică (cheltuielile de investiții și exploatare) precum și economia de combustibil scontată.
Față de clădirile conservative realizate în sistem constructiv convențional, casele solare se disting printr-o arhitectură specifică caracterizată de raportul dintre suprafața de captare a radiației solare Aps și volumul spațiului încălzit V. Pentru ca o construcție să fie „construcție solară" este necesar să fie îndeplinită condiția 0,04 < Aps/V < 0,12.
În cazul climei din țara noastră, încălzirea exclusiv a locuinței cu ajutorul energiei solare nu este posibilă, fiind necesară combinarea cu un sistem de încălzire clasic (folosind arderea combustibilului sau energia electrică).
Pentru utilizarea în scopuri de încălzire la clădirile de locuit, a energiei solare se utilizează două metode principale:
cu ajutorul panourilor de captare care absorb radiațiile solare, care transformă radiația solară în căldură și o transmit unui agent termic (lichid sau aer);
cu ajutorul pereților absorbanți amplasați pe fațada de sud a clădirii, folosind așa numitul efect de seră; acești pereți absorb radiațiile solare și le transformă în căldură, pe care o transmit direct aerului din încăperile de locuit fără a mai fi nevoie de alte instalații
În Fig.II.3.13 este prezentată componența unui sistem de încălzire și producere acm cu panouri solare combinat cu sursă de încălzire clasică.
Fig.II.3.13. Sistem de încălzire și producere acm cu panouri solare combinat cu sursă de încălzire clasică.
1 – panou solar (PS); 2 – conductă tur de la PS; 3 – conductă tur de la PS; 4 – serpentină circuit de la PS; 5 – boiler; 6 – apă rece; 7 – apă caldă; 8 – serpentină circuit de la CT; 9 – vas de expansiune; 10 – robinet; 11 – centrală termică murală (CT); 12 – coș de fum; 13 – circuit tur/retur de la CT; 14 – robinet cu 3 căi; 15 – distribuitor; 16 – colector; 17 – ventiloconvector; 18 – radiator.
II.3.4.1.1. Sisteme de încălzire a spațiilor utilizând energia solară
Sistemele de încălzire utilizând energia solară se pot clasifica în două principale categorii: sisteme pasive și sisteme active.
Sitemele pasive se caracterizează prin faptul că încălzirea spațiilor se face în mod natural, fără intervenția unui mijloc mecanic care să producă circulația unui agent termic.
Sistemele active presupun existența unor echipamente mecanice care să producă circulația agentului termic care transportă căldura între elementele de captare și spațiul încălzit.
Procesul de captare și conversie a radiației solare în căldură se bazează pe utilizarea efectului de seră, specific unor materiale transparente (sticla, policarbonat, plexiglas etc.) și se realizează prin sisteme specializate incluse sau nu în structura construcției solare. Indiferent dacă sistemul de încălzire este pasiv sau activ el conține o unitate de stocare a căldurii provenite din captarea radiației solare.
Această unitate este necesară întrucât sursa naturală de energie are o durată diurnă limitată, în timp ce construcția trebuie încălzită permanent. Funcția de stocare termică este asigurată fie prin echipamente specializate fie de către elementele de construcții.
În Fig.II.3.14 este reprezentată componența unui sistem de producere a apei calde menajere cu panouri solare.
Fig.II.3.14. Producere apă caldă cu panouri solare (http://atmosfera.md/)
1 – radiație solară; 2 – colector solar vidat; 3 – senzor pentru controlul temperaturii; 4. vas de expansiune; 5 – centru de comandă; 6 – controler; 7 – încălzitor electric; 8 – senzor de control al temperaturii; 9 – supapă de siguranță; 10 – racord de intrare (apă rece); 11 – racord de ieșire (apă caldă); 12 – rezervor de stocare (boiler) cu două schimbătoare de căldură de cupru; 13 – sistem general de încălzire pe baza cazanului electric, de gaz sau altui tip.
Sistemele de încălzire activă pot asigura și producerea apei calde de consum.
Sistemele pasive de încălzire utilizează aerul din încăpere ca agent încălzitor, iar sistemele active pot utiliza apa sau aerul ca agent termic care transferă căldura din zona de captare în cea de utilizare.
Sisteme pasive de încălzire solară
Sistemele pasive de încălzire conțin elemente specializate care captează radiația solară, realizează conversia acesteia în căldură și asigură transferul căldurii în spațiul locuit, prin mijloace naturale bazate pe procesele fundamentale de transfer de căldură și masă (conducție, convecție, radiație, difuzie), fără intervenția unor echipamente speciale (pompe, ventilatoare).
În funcție de soluțiile tehnologice elaborate până în prezent, se disting trei tipuri de sisteme pasive de captare a radiației solare utilizate pentru încălzirea spațiilor de locuit:
sistem indirect cu circulația controlată a aerului în sera;
sistem indirect fără circulația controlată în sera captatoare;
sistem aport direct- cu elemente transparente.
Primele două tipuri de sisteme pot fi aplicate la construcția unor case noi de tip unifamilial conducând la reducerea importantă a consumului energetic pentru încălzire.
Sistemul aport direct, eficient în varianta elemente transparente -ET, implică rezolvări arhitecturale speciale precum și intervenții ale instalației de încălzire auxiliare care necesită un înalt grad de automatizare. Instalația auxiliară de încălzire se poate realiza atât în varianta clasică cu agent termic lichid cât și în varianta utilizării sobelor electrice cu acumularea căldurii, în cazul în care se dispune de tarif diferențiat al energiei electrice, asociat cu o putere instalată proprie adoptării acestui tarif.
Casele solare – sistem pasiv – reprezintă construcții cu un confort sporit care implică investiții superioare față de construcțiile de locuit clasice. Costurile de exploatare, caracteristice acestor case solare sunt sensibil reduse, față de cele specifice construcțiilor clasice. Caracterul conservativ energetic al acestor construcții asociat soluției de utilizare eficientă a energiei mediului ambiant conduce la reduceri importante ale consumului de căldura pentru încălzire în raport cu construcții similare realizate conform tehnologiilor clasice.
De asemenea, dotarea casele solare cu elemente de construcții cu funcțiuni inteligente, fixe sau/și mobile conduce și la eliminarea disconfortul din sezonul cald, frecvent întâlnit în cazul caselor nesolare construite în zona de șes. Promovarea unor astfel de construcții moderne și ecologice în special, în zona de deal, care reclamă un sezon de încălzire prelungit, poate conduce la reduceri spectaculoase ale consumului de combustibil pentru încălzire și la promovarea unor noi tehnologii în domeniul instalațiilor termice.
Principalele recomandări de amplasare a clădirilor încălzite pasiv sunt:
regim de înălțime parter sau maxim parter și etaj;
sistemele pasive de încălzire solară se includ în fațadele orientate către sud;
se evită utilizarea obstacolelor în calea radiației solare – balcoane, retrageri ale fațadelor;
amplasarea funcțiunilor anexa pe fațada nord- bucătării, băi, WC, etc;
clădirile dotate cu sisteme pasive de încălzire solară nu trebuie să se umbrească între ele.
Sistemul indirect cu circulația controlată a aerului în sera captatoare este reprezentat de încălzirea solară cu pereți absorbanți și constituie soluția cea mai simplă de utilizare a energiei solare pentru încălzirea spațiilor locuite. Aceasta ridică însă problema privind modul de încadrare a suprafețelor absorbante în arhitectura clădirii.
Soluția de încălzire constă în alcătuirea peretelui de pe fațada sudică a clădirii ca perete absorbant al radiațiilor solare (perete Trombe), Fig.II.3.4.14.
Principiul de funcționare al unui asemenea sistem la o clădire este prezentat în Fig.II.3.15.
Fig.II.3.14. Încălzirea folosind perete absorbant (perete Trombe)
1 – radiație solară; 2 – vitraj; 3 – canal de aer; 4 – perete absorbant; 5 – aer rece; 6 – aer încălzit; 7 – clapetă de reglaj; 8 – transfer de căldură în încăpere; 9 – izolație termică.
Fig.II.3.15. Încălzirea solară a locuinței cu ajutorul pereților absorbanți folosind efectul de seră.
1 – radiație solară; 2 – vitraj orientat spre sud; 3 – canal de aer; 4 – perete absorbant; 5 – căldură transferată în încăpere; 6 – aer rece; 7 – aer încălzit; 8 – gură intrare aer; 9 – gură ieșire aer; 10 – elemente cu inerție termică mare. (http://www.jc-solarhomes.com/DIY/AIR/hot_air_solar_heating.htm)
Astfel, razele solare traversează ecranul din sticlă și cad pe suprafața absorbantă a peretelui (suprafață rugoasă vopsită în negru). Prin absorbția radiațiilor solare se produce pe de o parte încălzirea volumului de aer care se află între geam și perete, iar pe de altă parte încălzirea peretelui care lucrează ca un acumulator de căldură. Prin încălzire, aerul din spațiul dintre geam și perete se ridică și intră în încăpere prin gurile 1 la partea superioară, în timp ce aerul din încăpere, care este mai rece la nivelul pardoselii, se absoarbe prin gurile existente la partea inferioară a peretelui și astfel se stabilește o circulație de aer în sensul indicat de săgeți pe figură.
Ca și celelalte soluții de încălzire solară, nici aceasta nu poate asigura întregul necesar de căldură al unei locuințe, de aceea trebuie prevăzută o sursă termică pentru adaos. Din datele experimentale obținute în mai multe țări (Franța, Japonia, S.U.A.) precum și în țara noastră, rezultă că necesarul de încălzire al unei locuințe se poate acoperi în proporție de 60 70% prin absorbția energiei solare, folosind efectul de seră.
Din experimentările efectuate până în prezent s-a conturat concluzia că, pentru realizarea unor condiții corespunzătoare de confort termic la o casă solară este necesară o instalație de încălzire de adaos, iar pereții situați la est, vest, nord, trebuie să aibă o izolație termică foarte bună.
Pentru locuințele care folosesc energia solară pentru încălzire, sursa de căldură o constituie suprafețele care captează radiațiile solare (panouri de captare, pereți absorbanți). Celelalte elemente ale sistemului de încălzire capătă unele particularități determinate de această sursă de căldură.
În etapa actuală utilizarea energiei solare pentru nevoile de încălzire prezintă unele avantaje și dezavantaje.
Avantaje:
utilizează o sursă de energie foarte ieftină și practic inepuizabilă;
elimină cheltuielile legate de transport întrucât, considerând o anumită zonă geografică (de exemplu teritoriul țării noastre), captarea energiei se realizează chiar la locul de folosire.
Dezavantaje:
instalațiile pentru captare și utilizare sunt costisitoare și necesită mână de lucru cu înaltă calificare;
oricât de mare ar fi randamentul de captare al energiei solare, aceasta nu poate acoperi întregul necesar energetic al locuinței (ca urmare a periodicității diurne sau anuale), de aici necesitatea existenței unei surse suplimentare de energie;
există o neconcordanță evidentă între aportul de energie prin însorire și nevoile de energie ale locuinței (de exemplu: în perioada de iarnă nevoia de energie este maximă, iar aportul prin însorire este minim).
Sisteme active de încălzire solară
Sistemele active de încălzire solară implică existența unor sisteme mecanice de circulare a unui agent termic purtător de căldură între zona de captare și transformare a energiei solare în căldură și zona de utilizare a acesteia.
Dat fiind caracterul aleatoriu al energiei solare este necesar ca aceste sisteme să fie prevăzute cu sursă auxiliară, cu reglare automată, în funcție de cerințele consumatorului.
Aceste sisteme au o structură destul de diversă, neconvențională, în funcție de:
agentul termic utilizat: aerul sau apa;
sursa auxiliară: clasică, pompă de căldură, căldură reziduală sau apă geotermală;
tipul de stocare a căldurii: sensibil sau latent.
II.3.4.1.2. Sisteme de încălzire cu panouri de captare, cu agent termic lichid.
Instalațiile de încălzire care utilizează drept surse de căldură panourile de captare a energiei solare sunt realizate în funcție de mai mulți factori:
poziția geografică a locuinței;
caracteristicile constructive și tehnice ale panourilor de captare a energiei solare;
configurația și orientarea clădirii.
Tehnologii de captatoare solare:
Captatoarele solare sunt concepute pentru a converti energia radiației solare și trebuie adaptate scopului urmărit, ținând cont atât de performanțele energetice și economice.
Se disting trei tipuri de captatoare:
captatoare plane de sticlă;
captatoare fără sticlă(tip covor);
captatoare sub vid.
Caracteristici generale:
Un captator solar termic trebuie să aibă înainte de toate:
performanță ridicată în convertirea energiei solare în căldură;
rezistență mare la factorii agresivi externi (praf,zăpadă, grindină, vânt);
bună rezistență atât la temperaturi ridicate cât și la temperaturi joase;
păstrarea terformanțelor în timp (durata de viață de la 20 la 30 de ani);
montaj ușor.
Agentul termic folosit în instalație este în general apa cu unele adaosuri de substanțe pentru evitarea înghețului pe timp de iarnă (cunoscutele lichide antigel).
II.3.4.1.2.1. Colectori solari plani
Colectorii solari plani, reprezintă cea mai simplă soluție tehnică de realizare a colectorilor solari, o asemenea construcție fiind prezentată în Fig.II.3.16.
Fig.II.3.16. Construcția colectorilor plani
1 – carcasă de aluminiu; 2 – sigiliu de silicon; 3 – sticlă de protecție; 4 – element absorbant; 5 – izolație din vată minerală; 6 – element absorbant; 7 – racorduri țevi cupru. (http://cdn1.shopmania.biz/files/s1/129509706/p/l/1/colector-solar-plan-2mp-pk-sl-al~8304171.jpg)
Agentul termic circulă prin serpentina din cupru, care este fixată nedemontabil, sub o folie realizată tot dintr-un material bun conducător termic, acoperită cu un material absorbant.
Acest ansamblu, se montează într-o carcasă acoperită cu un panou de sticlă solară, caracterizată prin conținut scăzut de fier, pentru creșterea capacității de transfer a radiației termice.
Rezistența mecanică a sticlei, trebuie să fie suficient de ridicată, pentru a face față solicitărilor la care aceasta ar putea fi supusă în timpul exploatării, de exemplu căderilor de grindină. Partea inferioară a carcasei panoului solar, este izolată termic, pentru reducerea pierderilor prin convecție, în mediul ambiant.
Avantajul acestui tip de colectori solari, este că prezintă un randament termic suficient de ridicat, dacă radiația solară este intensă, în condițiile unor costuri relativ reduse ale investiției.
Dezavantajul principal îl reprezintă pierderile prin convecție relativ ridicate, la diferențe mari de temperatură între agentul termic și mediul ambiant.
II.3.4.1.2.2. Colectori solari cu tuburi termice
Principiul de funcționare al acestor tipuri de colectori, este prezentat în Fig.II.3.17.
În interiorul unui tub de sticlă cu pereți dubli, între care se realizează vid, pentru diminuarea pierderilor termice în mediul ambiant, se montează un tub termic etanș, încărcat cu o substanță care vaporizează sub acțiunea radiației solare. Vaporii astfel formați, se ridică în partea superioară a tubului termic, denumită condensator, care se găsește în contact termic cu agentul termic din instalația solară. Acest agent, răcește capătul superior al tubului termic și determină astfel condensarea vaporilor din tubul termic.
Căldura latentă de condensare a agentului din tubul termic, contribuie la încălzirea agentului termic din instalația solară, care curge prin conducta colectoare, în care se montează mai multe tuburi termice. Pentru a diminua pierderile termice, conducta colectoare se izolează termic.
În Fig.II.3.18. este prezentată construcția unui colector cu tuburi termice. În figuri se pot observa condensatoarele tuburilor termice. Tuburile termice sunt interschimbabile, deci păstrează toate avantajele tuburilor vidate.
Avantajul acestor tipuri de colectori, este reprezentat de randamentul termic cel mai ridicat, în condiții caracterizate prin radiație solară nu foarte intensă, ceea ce recomandă utilizarea acestor echipamente în zone cu intensitate moderată a radiației solare.
Dezavantajul acestor colectori, este reprezentat de costul ridicat și de necesitatea asigurării unui contact termic foarte bun între condensator și agentul termic din conducta colectoare a instalației solare.
Cele mai importante aspecte ale particularităților unor astfel de instalații sunt:
instalația se realizează de la început pentru o sarcină termică de bază în funcție de suprafețele de captare, ținând seama de faptul că, la nivelul tehnologiilor actuale de construcție a panourilor de captare, agentul termic nu poate fi încălzit (pe timp de iarnă) la temperaturi superioare valorii de 45…50 oC;
ca urmare a neregularității aporturilor de energie solară, se impune existența unei surse de energie de adaos (arderea combustibililor clasici, energie electrică etc.);
întrucât perioadele de însorire maximă nu coincid cu perioadele de necesar maxim de încălzire, este nevoie ca instalația să conțină elemente pentru acumularea căldurii;
ținând cont că instalația funcționează la temperaturi coborâte, este necesar ca elementele încălzitoare (corpurile de încălzire) să aibă o eficiență termică ridicată. În aceste cazuri sunt preferate corpurile de încălzire cu schimb termic convectiv (de exemplu ventiloconvectoarele).
În Fig.II.3.19, este prezentată schema de principiu a unei instalații de încălzire cu panouri de captare a energiei solare. În schemă au fost indicate în mod special elementele de reglare 2 întrucât acestea au un rol important pentru funcționarea instalației (punerea în funcțiune sau scoaterea sursei de căldură de adaos, reglarea regimului de funcționare a schimbătorului de căldură etc.)
Fig.II.3.19. Schema de principiu a unei instalații de încălzire cu panouri de captare a energiei solare
1 – radiație solară; 2 panouri de captare a energiei solare; 3 – conductă ducere (apă rece); 4 – conductă întoarcere (apă calcă); 5 – pompă de circulație; 6 elemente de reglare; 7 – acumulator de căldură (boiler); 8 – schimbător de căldură (serpentină); 9, 10 – circuit tur/retur consumator.
Captarea – 2 este un câmp de panouri solare, legate între ele printr-o rețea de conducte pentru circulația agentului termic.
Orientarea captării este numai către sud, iar înclinarea cât mai apropiată de verticală (maximum 30o 35o față de verticală). Captarea poate fi realizată ca o construcție independentă sau se poate integra în arhitectura construcției, ocupând fațada sudică a acesteia.
Sursa de căldură pentru adaos – 3 este constituită dintr-o sursă clasică: fie un cazan care să utilizeze arderea combustibililor, fie un încălzitor electric. Sursa de căldură pentru adaos trebuie dimensionată astfel încât la nevoie să preia întregul necesar de căldură al clădirii.
Integrarea sursei de căldură de adaos în instalație se poate face în mai multe moduri:
prin corpuri de încălzire complet separate în fiecare încăpere sau corpuri de încălzire speciale cu două circuite de încălzire (de exemplu radiator electric, ventiloconvector, sau cu un singur ventiloconvector încălzit cu agent termic de la captarea solară și cu rezistențe electrice);
cu sursă termică centrală (cazan, boiler electric etc.) situat între acumulatorul de căldură și consumator;
cu sursă de încălzire direct în acumulatorul de căldură (de exemplu rezistențe electrice introduse direct în recipientul acumulator de căldură).
Masa acumulatorul de căldură – 4 poate fi poate fi apa sau alt material de acumulare.
Consumatorul – 6 îl constituie corpurile (sistemele) de încălzire din încăperi. Se recomandă planșee radiante care funcționează cu agent termic la temperaturi joase sau ventiloconvectoarele care au eficiență termică ridicată, dar prezintă dezavantajul funcționării cu un anumit nivel de zgomot.
În cadrul schemelor practice de încălzire, elementele prezentate mai sus pot fi întâlnite sub diverse forme constructive și racordate în instalație în mod diferit în funcție de configurația instalației și regimul de funcționare al acesteia.
Fig.II.3.20.Utilizarea combinată a cazanului clasic și a energiei solare pentru prepararea apei calde menajere
1 – radiație solară; 2 – panou solar; 3 – sistem de pompare pentru circuitul solar; 4 – conducte circuit solar; 5 – senzor temperatură retur circuit solar; 6 – unitate electronică de control; 7 – boiler; 8 – senzor temperatură pentru apa din boiler; 9 – schimbător de căldură circuit solar; 10 – schimbător de căldură circuit centrală termică; 11 – centrală termică cu biomasă (CT); 12 – conducte circuit CT; 13 – vană cu 3 căi: 14 – clapetă de sens; 15 – pompă de circulație; 16 – consumator apă caldă menajeră; 17 – consumator energie termică.
Panourile solare sunt utilizate preponderent pentru prepararea apei calde menajere. In Fig.II.3.20. se prezintă schema unei instalații de preparare a apei calde menajere, cu agent termic lichid și sursă de adaos formată dintr-un cazan care folosește arderea unui combustibil clasic.
De regulă, astfel de instalații sunt realizate cu funcționare automată, pentru a asigura continuitatea alimentării cu căldură a preparatorului de apa calda cu acumulare (boilerul bivalent – cu doua serpentine de incalzire) de nivelul de însorire. Instalația se compune dintr-un circuit primar în care circulă agentul termic încălzit în panourile de captare a energie solare; căldura este transmisă circuitului secundar de la consumator prin intermediul boilerului bivalent. Acesta este alimentat cu caldură si de la cazanul clasic printr-o a doua serpentina astfel incat, in timpul noptii sau in cazul unui consum mare de apa calda menajera, va asigura alimentarea cu caldura a boilerului.
II.3.4.1.3. Încălzirea cu panouri de captare cu aer.
Încălzirea solara folosind panourile de captare cu aer are avantajul că simplifică instalația, dar inerția termică a sistemului fiind foarte mică, instalația se răcește imediat când soarele este acoperit de nori. Instalația este alcătuită din elemente comune tuturor instalațiilor de încălzire cu aer cald, cu deosebirea că sursa de căldură este constituită din panourile de captare a radiațiilor solare. Schema de functionare este complexa si rezultatele au aratat o eficienta mica a acestui sistem.
Pentru încălzirea solară cu aer cald soluția care a dat rezultate satisfăcătoare este utilizarea unor pereți absorbanți ai radiațiilor solare alcătuiți ca în Fig.II.3.21., prin așa numitul efect de seră.
Aerul utulizat ca agent termic este încălzit în spațiul dintre suprafața de captare și peretele absorbant și apoi este transportat în spațiul de încălzit cu un sistem compus din ventilator, tubulatura de transport a aerului și grile de refulare, respectiv grile de aspirație.
Fig.II.3.21. Încălzirea solară cu aer cald cu pereți absorbanți (http://www.solarwall.ro)
1 – panouri absorbante 2 – spațiu de aer; 3 – recuperarea căldurii cedate de peretele exterior; 4 – clapetă de amestec; 5 – ventilator; 6 – canal distribuție aer; 7 – încălzirea aerului exterior la trecerea prin perforațiile panoului; 8 – perforații în panou; 9 – aer la presiune redusă; 10 – panoul absorbant cu perforații; 11 – guri de introducere aer încălzit; 12 – aer exterior.
II.3.4.1.4. Sisteme de încălzire mixte – cu panouri de captare cu agent termic lichid si cu aer
O solutie utilizata cu succes este incalzirea cu panouri solare cu agent termic lichid si cu aer proaspat preincalzit la trecerea acestuia prin sol (Fig.II.3.22.).
Fig.II.3.22. Instalație pentru încălzirea solară cu aer cald folosind panouri solare și acumularea energiei termice
1 – radiație solară; 2 – panou solar (PS); 3 – conductă ducere spre PS (apă rece); 4 – conductă întoarcere de la PS (apă caldă); 5 – pompă de circulație; 6 – robinet de separare; 7 – vas de expansiune; 8 – vană cu 3 căi; 9 – recipient acumulare apă caldă; 10 – acumulator de căldură din piatră; 11 – priză aer exterior (rece); 12, 13 – tubulatură circulație aer; 14 – ventilator; 15 – guri de refulare aer cald în încăperi.
II.3.5. Instalații de încălzire cu surse regenerabile. Încălzirea cu apă geotermală.
II.3.5.1. Utilizarea apelor geotermale pentru încălzire
Fig.II.3.23. Utilizarea apei geotermale ca sursă de căldură (http://www.my-energy.ro)
Încălzirea cu energie geotermală este tehnologia care utilizează o energie existentă în pământ care ajută la încălzirea sau răcirea clădirilor. Având o temperatură relativ constantă, de 8 °C la o adâncime de circa 3 m, pământul oferă căldură pe timp de iarnă și răcire pe timp de vară.
Un consumator important al apei geotermale cu temperaturi între 90…150 °C îl reprezintă instalațiile de încălzire. Utilizarea apei geotermale la încălzirea locuințelor necesită cunoașterea unui număr mare de parametri cum ar fi: calitatea, temperatura și debitul apei geotermale, transportul apei de la sursa geotermală la consumator, comportarea aparatelor de încăzire în timpul exploatării, necesitatea sursei de adaos. Acești parametri tehnici, corelați cu cei economici, impun în final soluția tehnică de adoptat.
Clasificarea instalațiilor geotermale de încălzire
După calitatea apei instalații cu racordare directă sau indirectă a corpurilor de încălzire;
După raportul dintre cantitatea de căldură furnizată de sursa geotermală și necesarul de căldură pentru consumatorul de încălzire – instalații fără acumulare de căldură sau cu acumulare de căldură;
După modul de asigurare a parametrilor agentului termic la consumatorul de încălzire – instalații cu reglaj calitativ sau cantitativ;
După natura sursei de adaos – scheme care folosesc căldura de la o centrală termică, punct termic sau de la o instalație cu pompe de căldură.
Utilizarea eficientă a energiei geotermale la alimentarea cu energie termică a consumatorilor impune respectarea următoarelor condiții generale:
cunoașterea parametrilor de exploatare a sursei pe baza unui studiu hidrogeologic anterior și garantarea parametrilor: debit, temperatură, compoziție chimică, inclusiv previziuni asupra evoluției în timp de către furnizorul apei geotermale;
asigurarea unei bune corelări între amplasamentul sursei (sonda geotermală) și consumatorii de căldură.
Utilizarea în măsură cât mai mare a energiei termice disponibile a sursei geotermale prin:
realizarea unei răciri cât mai accentuate a apei în instalațiile consumatoare (înserierea instalațiilor, folosirea aparatelor termice performante);
asigurarea unei durate anuale de funcționare cât mai ridicate, prin funcționarea în regimul de bază al consumatorului și asocierea unor consumatori având curbe de sarcină diferite;
asigurarea compatibilității apei geotermale cu instalațiile utilizatoare prin prevederea unor măsuri corespunzătoare (tratarea apei, materiale adecvate, posibilități pentru intervenție și înlocuirea componentelor);
adoptarea următoarelor modalități de valorificare termică în funcție de nivelul de temperatură al apei geotermale: t = 30…50 °C;
încălzirea solariilor;
încălzire și preparare apă caldă de consum cu pompe de căldură;
preparare apă caldă de consum menajer sau tehnologic cu pompe de căldură t = 50…80 °C;
încălzire și preparare apă caldă de consum, prin asociere cu o centrală termică de vârf pentru consumatori civili, industriali și sere;
preparare apă caldă de consum menajer sau tehnologic t > 80 °C;
încălzire și preparare apă caldă de consum, pentru consumatori industriali;
încălzire în procese tehnologice de uscare.
Valorificarea energetică a resurselor geotermale și realizarea unui sistem de alimentare cu energie termică sunt condiționate, în primul rând, de existența consumatorilor de căldură (clădiri de locuit și social-culturale, clădiri de producție, sere etc.) în zona cu resurse.
În funcție de mărimea acestor consumatori și de densitatea sarcinii termice de încălzire, sistemele de alimentare cu energie termică pot fi:
centralizate;
locale.
Sistemele centralizate se prevăd pentru alimentarea cu energie termică a unei grupări de consumatori (o localitate, un cartier) având sarcina termică de peste 5 MW. Sursa este constituită de una sau mai multe sonde de producție apă geotermală care debitează într-o rețea comună ce alimentează punctul termic geotermal. Aici, apa geotermală cedează căldura agenților termici secundari, prin intermediul schimbătoarelor de căldură, după care, în final, este reinjectată în zăcământ prin sonda de injecție.
Punctul termic geotermal se cuplează cu o centrală termică de vârf și conlucrează pentru asigurarea nivelului de temperatură al agentului termic necesar la consumatori. Rețelele termice de distribuție nu se deosebesc cu nimic față de rețelele termice secundare urbane. Acestea au în componență conductele de încălzire ducere-întoarcere, conducta de apă caldă de consum și conducta de recirculare apa caldă de consum.
Sistemele locale se utilizează pentru alimentarea cu energie termică a unor consumatori mici, amplasați în vecinătatea sondei de producție, a căror sarcină termică este de 1…4 MW. Aplicațiile locale eficiente se obțin prin înserierea consumatorilor pe trepte de temperatură necesară, realizându-se unul sau mai multe circuite având regimuri hidraulice și termice distincte, grupate în funcție de mărimea și simultaneitatea în timp a consumurilor. În cazul unor ape geotermale necorosive se introduce apa geotermală direct în receptoarele instalațiilor interioare (serpentine de încălzire la sere, registre de încălzire la ateliere etc). Tendința generală este de a se abandona soluția utilizării directe a apei geotermale în instalațiile de la consumatori.
II.3.5.2. Surse geotermale
Fig.II.3.24. Temperatura apei geotermale (www.scrigroup.com)
Existența energiei acumulate în scoarța terestră este pusă în evidență prin creșterea progresivă a temperaturii solului cu adâncimea, pe verticala fiecărui punct.
Gradientul geotermic Gt reprezintă creșterea temperaturii solului cu adâncimea, pe unitatea de lungime și se exprimă în K/100 m. Valoarea medie pe glob a gradientului geotermic este Gt = 3 K/100 m.
Subsolul României prezintă zone întinse în care gradientul geotermic este mai mare decât această valoare, maximum constatat fiind Gt=7 K/100 m, în nordul Câmpiei de Vest.
În cazul în care o anumită structură geologică (soluri nisipoase, calcare, gresii fisurate) conține apă, aceasta ia temperatura rocilor în care este depozitată, existând astfel premizele valorificării energiei geotermale prin foraj.
Temperatura apelor geotermale este cuprinsă în domeniul 50…120°C, iar adâncimea de amplasare a acviferelor este de 1…3 km.
Potențialul energetic al resurselor hidrogeotermale se exprimă prin energia termică conținută în apa geotermală produsă la capul de sondă, considerând răcirea acesteia, în instalațiile de valorificare din aval, până la 30 °C. Se remarcă ponderea însemnată pe care o are încălzirea clădirilor și prepararea apei calde de consum.
II.3.5.3. Instalații geotermale de încălzire
II.3.5.3.1. Instalații de încălzire cu utilizare directă a apei geotermale
Încălzirea clădirilor prin utilizarea directă a apei geotermale (convențional pură) se face utilizând scheme simple și eficiente deoarece apa caldă folosită în corpurile de încălzire poate fi valorificată în continuare de alți consumatori.
Pentru valorificarea cât mai completă a apelor geotermale se utilizează scheme în trepte. În acest scop pot fi avute în vedere următoarele domenii de valorificare: încălzirea clădirilor și preparare apă caldă de consum pentru agricultură – sere, solarii, balneologie și agrement.
Schema de valorificare adoptată trebuie să țină seama și de calitatea apei geotermale. Se pot delimita următoarele categorii de ape:
a. convențional curate;
b. incrustante, corosive;
c. cu gaze combustibile;
d. puternic mineralizate;
e. poluante.
Reinjecția apei geotermale în sol, după utilizare, se impune din considerente de protecție a mediului (în cazul apelor poluante) și pentru conservarea zăcământului.
Schemele instalațiilor geotermale de încălzire, la racordarea directă a consumatorilor, Fig.II.3.25.și Fig.II.3.26., depind atât de parametrii apei geotermale cât și de parametrii ce trebuie asigurați la consumator. Astfel, se pot realiza scheme care să asigure parametrii la consumator prin reglaj cantitativ sau cu reglaj calitativ. De asemenea, funcție de potențialul termic al sursei se pot realiza scheme care să utilizeze numai apa geotermală sau apa geotermală în paralel cu o sursă clasică de căldură.
Fig.II.3.25. Instalație geotermală cu utilizare directă a apei geotermale, fără acumulare
1 sursă geotermală; 2 degazor; 4 – conductă transport; 4 filtru; 5 grup de pompare; 6 consumator; 7 alți utilizatori; 8 – dren de reintroducere a apei în pământ.
Fig.II.3.26. Instalație geotermală de încălzire cu racordarea directă a consumatorilor, cu acumulare
1 sursă geotermală; 2 degazor; 4 – conductă transport; 4 filtru; 5 grup de pompare; 6 consumator; 7 alți utilizatori; 8 – dren de reintroducere a apei în pământ; 9 – rezervor de acumulare.
În acest caz, debitul sursei geotermale fiind mai mare decât cel solicitat de consumatorul de încălzire, o parte din apa geotermală este acumulată în rezervorul 7 de unde poate fi utilizată ulterior împreună cu apa răcită de la consumatorul 5 pentru preparat apă caldă de consum.
II.3.5.3.2. Instalații de încălzire cu utilizare indirectă a apei geotermale
La racordarea directă a corpurilor de încălzire, apa geotermală avea caracteristici fizico-chimice care permiteau acest lucru. Însă, nu întotdeauna se întâlnește această situație, apele geotermale fiind în general puternic mineralizate, ceea ce duce la depuneri de săruri pe pereții conductelor și a corpurilor de încălzire. De aceea, în astfel de situații se recomandă separarea hidraulică a circuitului apei geotermale de circuitul agentului termic de încălzire prin intermediul unui schimbător de căldură în contracurent.
Fig.II.3.27. Instalație geotermală de încălzire cu racordare indirectă, cu sursă de adaos.
1 sursă geotermală; 2 degazor; 4 – conductă transport; 4 filtru; 5 grup de pompare; 6 consumator de încălzire; 7 alți utilizatori; 8 – dren de reintroducere a apei în pământ; 9 – schimbător de căldură fără acumulare; 10 – pompă de circulație circuit secundar; 11 – sursă de adaos; 12 – stație tratare chimică; 13 – pompă pentru reintroducerea apei în pământ.
În situația în care parametrii apei geotermale sunt inferiori celor solicitați de consumatorul de încălzire (mai ales în perioada de vârf de consum) se prevede o sursă de adaos clasică (centrală termică) montată de obicei în paralel cu conducta principală a circuitului secundar (circuitul agentului termic din instalația de încălzire), Fig.II.3.27.
II.3.6. Instalații de încălzire cu surse regenerabile. Încălzirea cu pompe de căldură
Fig.II.3.28. Utilizarea pompelor de căldură pentru încălzire
1 – încălzire prin pardoseală; 2 – captori îngropați; 3 – pompă de căldură; 4 – boiler apă caldă.
Ameliorarea eficacității proceselor energetice, industriale sau gospodărești se realizează în mare măsură prin introducerea în circuitul energetic a surselor secundare, care apar și se dezvoltă simultan cu aceste procese.
Pompele de căldură fac parte din categoria acestor surse, care pot aduce o contribuție importantă la o mai bună utilizare a energiei pentru alimentarea cu energie termică la niveluri termice moderate, solicitate de numeroase procese tehnologice și, în special, pentru încălzirea și prepararea apei calde de consum a clădirilor civile și industriale. Fig.II.3.28 arată un exemplu pentru utilizarea pompei de căldură sol-apă pentru încălzire.
Pompa de căldură este o instalație termică, care servește la „pomparea" căldurii de la o temperatură scăzută la una mai ridicată, adică preia căldura Eiz de la un izvor de căldură cu un potențial termic scăzut, de temperatură Tiz și cedează unui consumator căldura Ec, la un potențial termic mai ridicat, de temperatură Te, consumând în acest scop o energie de acționare EA. Aceasta, calitativ superioară izvorului și consumatorului de căldură, suferă o „devalorizare" până la nivelul Te al consumatorului de căldură, regăsindu-se cantitativ în căldura cedată acestuia.
Eiz+EA = Ec [kWh]
Derivând din instalația frigorifică, fiind identică constructiv cu aceasta, dar deosebindu-se prin scopul urmărit, pompa de căldură poate fi întâlnită sub toate cele trei tipuri clasice: cu comprimare mecanică, cu ejecție sau cu absorbție. Totuși, aplicațiile cele mai frecvente se bazează pe instalația cu compresie mecanică, acționată cu motor electric sau termic și pe instalația cu absorbție.
Izvorul pompei de căldură poate fi:
aerul (atmosferic, evacuat din incintele climatizate, gazele de ardere etc.);
apa (de suprafață, subterană, geotermală sau tehnologică);
solul (pământul, deșeurile menajere).
Consumatorul de căldură poate fi:
încălzirea unor spații, cu mențiunea că se impun sisteme cu temperatură scăzută (cu panouri radiante de pardoseală, cu aer cald, etc.);
prepararea apei calde de consum;
diverse procese tehnologice (uscare, distilare etc).
Izvorul pompei de căldură trebuie corelat cu un consumator adecvat, atât din punctul de vedere al simultaneității și constanței în timp a debitului, al temperaturilor sursei reci și calde, cât și al distanței relative.
II.3.6.1. Criterii privind utilizarea pompelor de căldură
Implementarea unei pompe de căldură într-un sistem de încălzire este determinată de următoarele criterii:
energetice (performanța la diferite temperaturi exterioare, constanța în timp a acestor performanțe, cantitatea și calitatea energiei de acționare solicitată, energia suplimentară de vârf necesară, resursele energetice din imediata vecinătate);
economice (întreținerea necesară și costul exploatării, investiția corespunzătoare, durata de amortizare);
diverse (posibilitatea recuperării căldurii din clădire, modul de utilizare a căldurii la consumator, agentul termic utilizat, posibilitatea utilizării simultane cu energia produsă și a efectului frigorific adiacent, fiabilitatea instalației, posibilitățile de reglare, nivelul de zgomot, gabaritul etc).
Pompa de căldură poate acoperi, singură, întregul necesar de căldură al consumatorului sau doar o parte, la funcționarea în regim bivalent, când o sursă clasică (centrala termică, încălzirea electrică) completează acest necesar, în perioada vârfului de sarcină. În acest caz se disting trei situații de funcționare:
când temperatura exterioară coboară sub temperatura limită de încălzire tu, necesarul de căldură este asigurat integral de pompa de căldură, aceasta producând chiar mai mult decât pierderile de căldură ale clădirii, până la temperatura punctului de echilibru termic, tpet;
când temperatura exterioară scade sub tPET, caz în care aportul gratuit de căldură de la mediu se diminuează, pompa de căldură asigură doar parțial necesarul de încălzire, restul fiind suportat de o sursă clasică, de vârf;
când temperatura izvorului te atinge punctul de oprire tpo, sub care pompa de căldură nu mai funcționează eficient, aceasta se deconectează, necesarul de căldură fiind acoperit integral de sursa clasică.
Aceste regimuri de funcționare depind de zona climatică în care este amplasată clădirea. Pentru zonele temperate, se apreciază că pompa de căldură acoperă 2/3 din necesarul anual de încălzire.
În perioada rece, când rețelele electrice sunt foarte solicitate, comutarea pe o sursă clasică, bazată pe o centrală termică (cu combustibil solid, lichid sau gazos) descarcă aceste rețele de consumul pentru alimentarea pompei de căldură, contribuind la exploatarea mai rațională a sistemului energetic. În Fig. II.3.29 este reprezentată conversia susrselor de energie –aer,apă,sol regenerabile în căldură utilizând pompa de căldură.
Fig.II.3.29. Conversia surselor de energie regenerabile în căldură
1 – compresor; 2 – condensator; 3 – ventil de laminare; 4 – vaporizator; 5 – expansiune; 6 – vaporizare; 7 – compresie vapori; 8 – condensare; 9 – încălzire/răcire.
II.3.6.2. Instalații de încălzire utilizând pompe de căldură aer-apă
Utilizarea principală a acestor instalații este pentru încălzirea clădirilor individuale (sau colective), birourilor si restaurantelor. Corpurile de încălzire impun temperatura ce trebuie produsă de pompa de căldură – în ventiloconvectoare, ejectoconvectoare sau aeroterme, t = 40 °C, iar în panouri radiante (de pardoseală, plafon, perete), t = 35 °C.
Pompele de căldură aer-aer răspândite, în general, în zonele cu climă moderată realizează bune performanțe în sezoanele de tranziție. Pentru preluarea vârfului de consum, în perioadele foarte reci, sunt prevăzute, de regulă, cu o instalație clasică, alternativă (centrală termică la instalațiile mai mari, încălzire electrică la instalațiile mai mici).
În numeroase cazuri, funcționarea instalației este reversibilă: vara ca instalație de climatizare, iarna ca pompă de căldură. Puterea termică obișnuită este de 1…5 kW, pentru agregatele individuale, necesare încălzirii unui apartament, ajungând până la 100 kW la sistemele centralizate. Aceste puteri termice reduse conduc la utilizarea numai a pompelor de căldură cu compresie mecanică.
Izvorul pompei de căldură poate fi aerul exterior, aerul evacuat sau un amestec de aer exterior cu aer recirculat din cel evacuat.
În cazul utilizării numai a aerului exterior, când temperatura suprafeței vaporizatorului, tsv, coboară sub punctul de rouă al aerului, se produce condensarea vaporilor de apă din aer pe suprafața de răcire. Când tsv<0 °C, condensatul îngheață și are loc givrarea vaporizatorului, având consecințe neplăcute asupra preluării căldurii de la izvor, prin rezistența termică suplimentară opusă. Se impune astfel degivrarea periodică, operație ce necesită întreruperea livrării de căldură către consumator, un consum suplimentar de energie si, uneori, chiar o investiție în plus, deci o diminuare a performanțelor pompei de căldură.
După modul de acoperire a necesarului de căldură, instalația poate fi prevăzută numai cu o pompă de căldură sau și cu o sursă de adaos (de vârf), de regulă, o rezistență electrică, în cazul funcționării bivalente.
La pompele de căldură apă-aer, circuitul apei poate fi deschis sau închis (în buclă). Instalațiile cu circuit deschis sunt utilizate numai ca pompe de căldură pentru încălzirea spațiilor, fiind realizate, monobloc iar amplasarea lor se realizează în exterior – la sistemele cu aer exterior (Fig.II.3.30.) sau la interior la cele cu aer evacuat (Fig.II.3.31.)
Sistemele cu aer exterior implica izolarea termică a condensatorului și a conductelor de apă precum și separarea într-o unitate externă a vaporizatorului și a compresorului și una interioara care adăpostește condensatorul și pompa de circulație a agentului termic.
Fig.II.3.30. Sisteme cu aer exterior
1 – unitate externă; 2 – unitate internă; 3 – boiler acm bivalent; 4 – cazan încălzire; 5 – boiler.
Fig.II.3.31. Sisteme cu aer evacuat – unitate monobloc
1 – pompă de caldură aer-apă monobloc; 2 – pompă circulație agent termic primar; 3 – vană cu 3 căi; 4 – boiler acm; 5 – schimbător de căldură; 6 – pompă de circulație agent termic secundar; 7 – pardoseală încălzitoare; 8 – consumator acm; 9 – radiator.
Pentru amplasarea în spații care solicită un zgomot redus, compresorul se plasează într-o carcasă izolată fonic și se renunță la ventilatorul condensatorului (încălzirea aerului realizându-se prin convecție liberă).
Pompele de caldura sunt echipamente care cresc temperatura unui mediu de lucru utilizand o cantitate de energie aditionala, pentru a produce energie utilă.
Fig.II.3.32. Schema generală a unei instalații frigorifice
1 – compresor; 2 – condensator; 3 – ventil de laminare; 4 – vaporizator; 5 – gaz subpresiune; 6 – lichid subpresiune; 6 – lichid joasă presiune; 7 – vapori joasă presiune. (http://www.creeaza.com/files/instalatii/143_poze/image001.png)
Principiul de funcționare a unei instalații frigorifice este prezentat în Fig.II.3.32 și a unei pompe de căldură în Fig.II.3.33.
Fig.II.3.33. Principiul de funcționare al pompei de căldură
1 – electricitate (1 unitate); 2 – compresor; 3 – gaz la temperatură ridicată; 4 – schimbător de căldură; 5 – energie termică (3 unități); 6 – ieșire apă încălzită; 7 – intrare apă rece; 8 – lichid cald; 9 – ventil de laminare; 10 – lichid cu temperatură scăzută; 11 – vaporizator; 12 – ventilator; 13 – aer exterior; 14 – gaz cald.
Elementele componente ale pompei de căldură
Vaporizatorul – are rolul de preluarea caldurii din mediul inconjurator – aer. În vaporizator agentul frigorific are o temperatură de fierberere redusa. Temperatura sursei – aerul este mai ridicata decat temperatura de fierbere corespunzatoare presiunii agentului frigorific. Aceasta diferenta de temperatură conduce la transmiterea caldurii din mediu la agentul de lucru, iar acesta fierbe si vaporizeaza. Caldura necesara vaporizarii acestuia provine de la sursa de caldura externa – aer.
Compresorul – are rolul de a crește temperatura
Vaporii rezultati din agentul de lucru sunt aspirati continuu din vaporizator de catre compresor.
Agentul frigorific este comprimat pana la atingerea temperaturii necesare pentru incalzire si prepararea apei calde menajere.
Condensatorul – are rolul transferului de caldura catre instalatia de incalzire
Vaporii agentului de lucru (agent frigorific) ajung in condensatorul pompei de caldura, care este inconjurat de agent termic. Temperatura agentului termic este mai redusa decat temperatura de condensare a agentului de lucru, astfel incat vaporii se racesc si condenseaza.
Energia (caldura) preluata de vaporizator plus caldura generată in timpul procesului de comprimare (in compresor) se elibereaza in condensator si se transfera agentului termic sub forma de energie utila pentru incalzire.
Ventilul de laminare
Agentul de lucru este ulterior returnat in vaporizator, printr-un ventil de laminare. Astfel, agentul de lucru trece de la presiunea ridicata a condensatorului la presiunea redusa a vaporizatorului.
La intrarea in vaporizator se ating din nou valorile initial ale presiunii si temperaturii. Circuitul este astfel inchis.
Agentul termic este R134a, care parcurge ciclul pompei de căldură între t0 = 3 °C și fc = 30 °C, asigurând o eficiență reală.
Vaporizatorul este de tip multitubular, cu vaporizarea freonului în spațiul dintre țevi, apa circulând în țevi, pentru a permite curățirea periodică.
Instalațiile în circuit închis (buclă de apă) sunt utilizate atât ca pompe de căldură (iarna), cât și ca instalații de răcire (vara), fiind reversibile (cu un sistem de inversare a ciclului).
Sunt utilizate, în principal, la clădirile care solicită simultan căldură și frig o perioadă importantă a anului, în această categorie sunt incluse clădirile cu fațadele diametral opuse (nord și sud sau est si vest), cât și cele care au spații interne importante și fațade mult vitrate. Cele două variante de realizare-utilizare a pompei de cădură aer –apă (cu monatj la exterior și cu montaj la interior), precum și elementele principale sunt reprezentate în Fig.II.3.34
Fig.II.3.34. Utilizarea pompei de căldură aer-apă pentru încălzire
(http://www.ubi-therm.ro/photo/buderus/pompa_de_caldura_aer_sole_principiu.jpg)
II.3.6.3. Instalații de încălzire utilizând pompe de căldură apă-apă
Aceste instalații sunt utilizate la:
recuperarea căldurii în marile clădiri, cu degajări importante din unele spații (climatizate) și utilizarea ei la încălzirea celorlalte spații (care solicită căldură);
pentru încălzirea și prepararea apei calde de consum din locuințe individuale sau colective, clădiri industriale sau agrozootehnice, complexe sportive, folosind un izvor extern de căldură.
Puterile termice realizate sunt în concordanță cu disponibilul izvorului de căldură, fiind întâlnite în domeniul valorilor medii și mari (500…5000 kW).
Pompa de căldură derivă din instalațiile frigorifice pentru produs apă glacială, cu condensator răcit cu apă, bazîndu-se pe compresia mecanică sau pe absorbție. Din punct de vedere constructiv sunt realizate monobloc și amplasate într-un spațiu tehnic.
Funcționarea pompei de căldură este asociată unei surse alternative de căldură (sistem bivalent) și unui turn de răcire (pentru eliminarea excesului de căldură).
Pot funcționa numai în regim de pompă de căldură sau/și ca instalație frigorifică. Reversibilitatea este asigurată prin inversarea ciclului agentului de lucru (la instalațiile de puteri mai mici) sau a circuitelor de apă (la instalațiile mari).
În Fig.II.3.35.este prezentat modul în care poate fi utilizată apa freatică în pompele de căldură.
Fig.II.3.35. Utilizarea apei freatice pentru pompe de căldură
1 – strat de apă freatică; 2 – apă rece; 3 – apă încălzită; 4 – pompă de căldură apă-apă; 5 – consumatori de căldură.
Fig.II.3.36. Utilizarea apei freatice ca sursă de căldură
Apa freatică, trebuie să se găsească la adâncimi relativ reduse, care să permită obținerea autorizației de foraj, adică maxim 50…70 m. Se recomandă totuși ca adâncimea de la care este preluată apa freatică, în cazul locuințelor familiale, să nu depășească 15 m, pentru că la adâncimi mai mari cresc mult costurile pentru realizarea celor două foraje, precum și costurile de exploatare datorate înălțimii ridicate de pompare a apei freatice. Distanța dintre cele două puțuri trebuie să fie de minim 5 m, iar amplasarea astfel încât sensul de curgere a apei să fie dinspre puțul prin care este absorbită apa, spre cel în care este evacuată apa. Nu este posibilă utilizarea ca sursă de căldură, a apei din lacuri freatice, deoarece în acest caz există pericolul înghețării apei în jurul sondelor, ceea ce împiedică funcționarea pompei de căldură.
Dezavantajele utilizării apei freatice ca sursă de căldură, sunt reprezentate de faptul că este necesar să existe un debit suficient de mare al apei freatice, iar compoziția chimică trebuie să se încadreze între limite bine precizate din punctul de vedere al unor componenți cum sunt: carbonați acizi, sulfați, cloruri, amoniac, sulfit de sodiu, bioxid de carbon liber (extrem de agresiv), nitrați, hidrogen sulfurați etc.
Condițiile prezentate, destul de restrictive, reduc sensibil posibilitățile de utilizare a apei freatice ca sursă de căldură.
Apa din lacuri și râuri poate fi utilizată de asemenea ca sursă de căldură, dar este necesară utilizarea unui circuit intermediar și trebuie evitată formarea de gheață pe colectorii amplasați în apă, deoarece gheața ar reduce mult intensitatea transferului termic dintre apă și agentul intermediar din colectori.
Apa de mare este și mai ușor de utilizat, deoarece la o adâncime de câțiva metri, nu se mai pune problema înghețării acesteia, dar și în cazul apei de mare, trebuie utilizat un circuit intermediar pentru preluarea căldurii.
II.3.6.4. Instalații de încălzire utilizând pompe de căldură sol-aer și sol-apă
Solul reprezintă o sursă de căldură eficientă, deoarece acumulează căldură atât direct sub formă de radiație solară cât și indirect de la ploi, respectiv de la aer. Căldura poate fi preluată cu ajutorul unor circuite intermediare plasate în sol, care absorb căldură și o transmit vaporizatorului pompei de căldură.Este posibilă și amplasarea direct în sol a vaporizatorului pompei de căldură.
Circuitele intermediare de preluare a căldurii din sol, sunt compuse din schimbătoare de căldură, denumite colectori, pompe de circulare a agentului intermediar, vas de expansiune, sistem de distribuție a agentului intermediar în colectori, dispozitive de aerisire etc.
Agentul intermediar din circuitele intermediare este reprezentat de soluții apoase de tip antigel, iar majoritatea producătorilor recomandă diverse amestecuri ecologice de acest tip. Uneori pot fi utilizate și soluții de apă sărată, dar nu se poate utiliza apa simplă, deoarece pe timp de iarnă există pericolul ca apa să înghețe, cel puțin în porțiunile de conducte aflate la suprafața solului, sau chiar în aer liber (chiar dacă sunt izolate). Dacă agentul intermediar ar îngheța, funcționarea pompei de căldură ar deveni imposibilă.
Temperatura de îngheț recomandată de majoritatea producătorilor pentru soluțiile de tip antigel utilizate în circuitul intermediar este de –15 °C.
Utilizarea solului ca izvor de căldură prezintă următoarele avantaje:
accesibilitate;
constanța temperaturii în timp, de la o adâncime dependentă de zona climatică și natura terenului;
temperatură destul de ridicată, chiar în sezonul rece;
când se folosește ca izvor solul cu deșeuri menajere, căldura degajată în timpul fermentării acestora ridică temperatura solului cu 2…3 °C.
Dezavantajele principale sunt:
conductivitate termică a solului foarte scăzută, care conduce la suprafețe mari pentru captarea căldurii;
investiție ridicată, datorată acestor mari suprafețe ale captatoarelor plasate în sol.
Există două tipuri de colectori care pot fi utilizați în circuitele intermediare de preluare a căldurii din sol. În Fig.II.3.37. sunt prezentați colectori orizontali, care se montează la adâncimi de cca. 1,2…1,5 m, iar în Fig.II.3.38. sunt prezentați colectori verticali, denumiți și sonde, care se montează prin forare, la adâncimi de până la cca. 100 m, peste aceste adâncimi fiind dificil de obținut autorizații pentru realizarea forajelor.
Fig.II.3.37.Colectori orizontali pentru captarea căldurii din sol
Fig.II.3.38. Colectori verticali pentru captarea căldurii din sol
II.3.6.4.1. Pompe de căldură sol-apă cu colectori orizontali
Fig.II.3.39. Pompă de căldură sol-apă cu colectori orizontali
1 – colector orizontal; 2 – distribuitor-colector, 3 – pompă de căldură sol-apă; 4 – boiler; 5 – schimbător de căldură; 6 – pardoseală încălzitoare.
Se utilizează numai în situația în care dispunem de spațiu suficient în jurul obiectivului pe care dorim să-l încălzim cu o pompă de căldură (PDC) . Suprafața mare de teren necesară pentru colectorii oriyontali și elementele principale ale pompei de căldură sol+apă sunt reprezentate în Fig.II.3.39.
Puterea specifică de extragere a căldurii din sol este cuprinsă între 10 W/m2 și 50 W/m2 (sol uscat necompactat 10 W/m2; sol compact umed 20…30 W/m2; sol ud nisip și pietriș 40 W/m2).
Schimbătorul de căldură SOL-APĂ este realizat cu tevi din polietilenă.
Distanța de instalare se calculează în funcție de suprafața de colectare necesară și de lungimea completă a instalației. Valoriile grosiere ale instalațiilor de colectare sunt între 50 cm la solurile compacte, umede și minim 80 cm pentru solurile uscate nisipoase.
Circuitul se îngroapă la 1…1,5 m în sol, suprafața de pământ superioară captatoarelor putând fi cultivată. Pentru a se evita inghetarea sistemului circuitul captatoarelor este umplut cu soluție antigel (glicol).
Avantajele sistemului: fiabil, simplu de realizat, investitie relativ mică, COP (coeficient de performanță) relativ ridicat.
Dezavantajul principal al sistemului este necesarul ridicat de spațiu și faptul că nu poate fi amplasat pe orice sol. Pentru creșterea performanțelor acestui sistem s-a propus utilizarea apei de ploaie pentru menținerea în stare umedă a solului în care este înglobat schimbătorul.
Sistemul este relativ simplu și este compus dintr-o folie impermeabilă ce este amplasată sub captatoarele plane și un sistem subteran controlat de distribuție a apei pluviale deasupra schimbătorului. Prin folosirea acestui sistem se poate realiza o captare foarte eficientă a căldurii pământului de până la 40 W/m2 ajungându-se la micșorarea suprafeței de captare cu până la 70% a captatoarelor plane. Sistemul influențează pozitiv vegetația aflată deasupra.
Amplasarea colectorilor de sol sub forma unor colaci elicoidali reduce suprafața de teren necesară însă trebuie avut în vedere că aceeași cantitate de energie termică este extrasă de pe o suprafața mai redusă, ceea ce poate avea consecințe asupra orizontului de îngheț, pe termen mediu și lung. Din Fig.II.3.40 rezultă parametrii pompelor de căldură geotermale, respectiv corelația dintre puterea pompei de căldură și lungimea colectorilor orizontali.
Fig.II.3.40. Parametrii pompelor de căldură geotermale
Întrucât aceste sisteme cu buclă închisă sunt destinate să lucreze și la temperaturi negative, fluidul de transfer termic este un amestec de apă cu 20% propilen glicol, avînd punctul de îngheț la -7…-8 °C. Chiar dacă acest amestec reduce într-o oarecare măsură eficiența instalației, condițiile de funcționare îl impun. Pentru a evita înghețarea amestecului, temperatura apei freatice va trebui să fie cu aproximativ 5…6 °C mai mare, adică de cca –2 °C. De altfel, scăderea temperaturii apei din sol atrage după sine înrăutățirea performanțelor și a eficienței pompei termice: o scădere a temperaturii de la –1 °C la –6,5 °C conduce la o scădere a performanței pompei termice cu 15%. În mod similar, în perioada de funcționare în regim de răcire, o creștere a temperaturii de la 21 °C la 32 °C va reduce performanța instalației cu cca 9%, iar a eficienței cu 25%.
II.3.6.4.2. Pompe de căldură sol-apă cu colectori verticali
Se recomandă când nu se dispune de spațiu suficient în jurul construcției.
Forajele se pot executa până la 250 m. În general sondele de adâncime se forează la100 m iar în cazul în care nu sunt condiții, la 50 m.
Puterea de extragere a căldurii cu sonde de adâncime:
sedimente uscate: 30 W/ml;
ardezie basalt 55 W/ml;
piatră densă cu conductivitate termică ridicată: 80 W/ml;
sol cu circulație puternică a apei freatice: 100 W/ml.
Distanța dintre sonde este de minim 5 m.
Puterea termică extrasă printr-un puț se recomanda a fi de cca. 7…10,5 kW. În fiecare puț se introduce o conductă în formă de buclă U. Aceste bucle sunt conectate la conductele de colectare-distribuire plasate orizontal în șanțuri și care fac legătura cu pompa termică amplasată în clădire. Conform normelor în vigoare (ISO-13256) temperatura standard a fluidului din buclele de colectare este pentru încălzire de 0 °C iar pentru răcire de 25 °C.
Adâncimea de forare depinde de puterea termică a pompei termice.
Pompele termice frecvent întâlnite pe piață sunt în gama de puteri 10…30 kW, fiind însă în continuă extindere.
Fig.II.3.41.Sistemul cu sonde verticale
1 – colectori verticali; 2 – conducte circuit primar pompă de căldură; 3 – pompă de căldură sol-apă; 4 – schimbător de căldură; 5 – boiler; 6 – pardoseală încălzitoare.
Folosirea PDC în cooperare cu izvoare geotermale de mare adâncime, ce au temperaturi de mii de grade °C (aceste izvoare numindu-se si "izvoare de rocă fierbinte") este posibilă doar după ce acestea din urmă au pierdut potențialul și au ajuns la temperaturi compatibile cu funcționarea unei PDC.
Sistemul cu sonde verticale are același principiu la bază cu cel al captatoarelor plane, iar elementele componente sunt reprezentate în Fig.II.3.41.
Avantajele acestui sistem constau în: fiabilitatea ridicată, nu ocupa spațiu mare, COP ridicat (având în vedere că "sursa rece" este mai "caldă" ca în cazul captatoatrelor plane), nu necesită aprobari speciale de mediu.
Dezavantaje: investiție mai mare, necesită utilaje speciale, personal bine pregătit în execuția lucrării.
Atât colectorii orizontali, cât și cei verticali, sunt realizați din tuburi de polietilenă, care asigură o durată foarte lungă de exploatare, absolut necesară acestor echipamente.
Colectorii orizontali, prezintă avantajul costurilor relativ reduse de realizare a excavațiilor necesare în vederea amplasării, mai ales în cazul unor construcții noi. În schimb, prezintă dezavantajul necesității unor suprafețe mari de amplasare a colectorilor, ceea ce reduce posibilitatea de utilizare a acestor tipuri de colectori. Dezavantajul se resimte mai ales în zonele urbane, unde prețul terenurilor de construcție este foarte ridicat și unde din acest motiv, suprafețele disponibile sunt limitate.
Colectorii verticali, prezintă avantajul necesității unor suprafete reduse de amplasare, dar prezintă dezavantajul costurilor ridicate de realizare a forajelor.
În cazul ambelor tipuri de captatori utilizati, pompele de caldura sol-apa sunt utilizate pentru incalzire si recomandarea principală este folosirea instalatiei de incalzire cu parametri termici scazuti, respectiv pardoseala incalzitoare (Fig.II.3.42.).
Fig.II.3.42. Pompă de căldură sol/apă pentru încălzirea prin pardoseală radiantă a unei locuințe
1 – captator de căldură orizontal; 2 – colector/distribuitor circuit primar PDC; 3 – pompă de circulație apă glicolată; 4 – pompă de căldură; 5 – pompă de circulație apă caldă; 6 – colector/distribuitor circuit apă caldă; 7 – pardoseală radiantă; K – compresor; C – condensator; VL – ventil de laminare; V – vaporizator.
II.4. Centrale termice
Centrala termică reprezintă o sursă de căldură bazată pe conversia unei forme oarecare de energie în energie termică. Transportul energiei termice se realizează cu un agent termic care asigură alimentarea centralizata a unor consumatori diverși: instalații de încălzire, de climatizare, de preparare a apei calde de consum, instalații tehnologice etc. În centrala termică are loc transformarea energiei primare (combustibil) cu ajutorul unui întreg ansamblu de utilaje și aparate.
In alcătuirea unei centrale termice intră cazanele, pompele, elementele de legătură și de distribuție, gospodăria de combustibil, elementele de evacuare a produselor arderii, instalațiile de automatizare etc.
Având în vedere rolul pe care îl reprezintă centrala termică, este absolut necesar ca la concepția ei să se aibă în vedere problemele de ordin tehnic – echipamente, scheme de funcționare dar și funcționarea și exploatarea.
II.4.1. Clasificarea centralelor termice
O centrală termica poate fi definită după mai multe criterii, cele mai importante fiind:
puterea instalată (centrale termice foarte mici, până la 70 kW, cu puteri mici, până la 100 kW, cu puteri medii, între 100 și 2000 kW și cu puteri mari, peste 2000 kW);
natura agentului termic utilizat (apa caldă cu temperatură maximă de 115 °C; abur de presiune joasă, sub 0,7 bar suprapresiune; apa fierbinte cu temperatura peste 115 °C; abur de presiune medie, peste 0,7 bar suprapresiune; fluide tehnologice speciale etc);
modul de vehiculare a agentului termic (cu circulație naturală; cu circulație forțata);
– modul de asigurare împotriva suprapresiunilor accidentale (la apa calda, cu vase de expansiune deschise; cu supape de siguranță și vase de expansiune închise; cu supape de siguranță și vase de expansiune deschise; la abur de presiune joasă, cu dispozitive hidraulice sau cu supape de siguranță);
natura combustibilului utilizat (combustibil gazos, lichid sau solid);
modul de exploatare a centralei (automată; cu supraveghere totală sau parțială; manuală).
II.4.1.2. Alegerea tipului de centrală termică
Factorii de care depind alegerea centralei termice sunt:
puterea termică totală, respectiv necesarul de căldură al sursei;
tipul cazanului și a agentului termic;
natura combustibilului;
locul de amplasare a centralei termice;
modalități de alcătuire și modul de asigurare;
gradul de automatizare.
Având în vedere criteriile precizate, distingem două situații – centralele termice existente trebuie aduse la nivelul exigențelor legislației la data efectuării înlocuirii de echipament, reparațiilor sau a refacerii integrale iar pentru centralele termice noi trebuie respectate factorii menționați.
Puterea instalată a centralei termice se determină în conformitate cu SR 1907/1-2014. Agenții termici se stabilesc ținând seama de natura consumatorilor și de economicitatea întregului sistem alcătuit din sursa de căldură, rețelele de transport și instalații interioare. Se recomandă producerea într-o centrală termică a cel mult doi agenți termici, cu prevederea posibilităților de a fi adaptați la necesitățile tuturor consumatorilor de căldură alimentați.
La alegerea tipului de combustibil se ține cont de posibilitățile de aprovizionare a zonei în care este amplasată centrala și de costurile de investiție și de exploatare. Se prefera combustibilul gazos, iar în lipsa acestuia se poate opta pentru combustibil solid, lichid, energie electrică sau surse neconvenționale. Se pot prevedea și doi combustibili: gaze naturale și alt tip de combustibil pentru situații în care, în perioadele de consum de vârf, presiunea gazelor în rețelele de transport este insuficientă. Combustibilul solid este admis conform normativului I13 numai pentru centralele termice amplasate în afara zonelor de locuit ținând seama de efectul de poluare, de posibilitățile limitate de automatizare și de dificultațile de transport ale combustibilului și ale cenușii; fac excepție centralele termice cu puteri până la 70 kW pentru care condițiile de amplasare sunt cele menționate pentru combustibilii gazoși sau lichizi.
Se recomandă ca vehicularea agentului termic apă caldă să se faca forțat deoarece circulația naturala (gravitațională) nu este proprie noilor tipuri de cazane și instalațiilor moderne, nu este mai economica, implică dificultăți în alegerea traseului conductelor și dificultăți de ordin estetic din cauza diametrelor mari ale conductelor, impune o diferență de cotă între consumatorul cel mai jos plasat și cazan, greu de îndeplinit.
De asemenea, se ține cont de particularitățile construcției în care este amplasată centrala termica și, nu în ultimul rând, de considerente economice.
Normativul I13-2015 recomandă asigurarea cu supape de siguranță și vase de expansiune închise iar modul de asigurare împotriva suprapresiunilor accidentale se alege conform STAS 7132.
Stabilirea locului de amplasare al centralei termice în spațiul unei clădiri se face pe baza criteriilor funcționale și economice, ținând seama și de posibilitățile de evacuare a gazelor de ardere respectiv de alimentare cu combustibil.
Modalitățile de alcătuire se realizează luând în considerare destinația clădirilor: de locuit (individuale sau colective), social-culturale și industriale. Se stabilește tipul sistemului de distribuție, numărul de conducte, precum și materialul din care sunt confecționate rețelele de distribuție: conducte din oțel, cupru sau materiale termoplastice dar și dotările tehnice, care se referă la contorizarea energiei termice consumate, reglările hidraulice necesare asigurării stabilității hidraulice a sistemului; reglările termice (locale-L sau centrale-C) concepute să asigure un minimum de gestiune a energiei termice respectiv gestiunea automată a energiei termice în concordanță cu cerințele moderne de exploatare ecologică a instalațiilor de încălzire.
Posibilitățile de alcătuire ale unui sistem de încălzire centrală cu apă caldă sunt prezentate în Tab.II.4.1. Se recomandă ca sistemele de distribuție să fie concepute, în acord cu particularitatea arhitecturală a fiecărei clădiri, a duratei de exploatare a conductelor și echipamentelor alese. Dotările tehnice trebuie să realizeze în primul rând nivelul de funcționare economică și să permilă progresiv atașarea unor componente care să asigure o gestiune eficientă a instalației.
Tab.II.4.1. Modalități de alcătuire a instalațiilor de încălzire cu apă caldă
Modul de exploatare a centralelor termice noi este automat, fără supraveghere permanentă, pentru centralele termice mici și mijlocii (cu excepția celor cu combustibil solid) și cu supraveghere permanentă pentru cele mari.
II.4.2. Centrale termice cu apă caldă
II.4.2.1. Criterii de alegere a echipamentelor din dotarea centralelor termice
La echiparea unei centrale termice se au în vedere următoarele aspecte:
folosirea cazanelor cu randament nominal de minimum 85% – pentru combustibilul gazos sau lichid – și 75% – pentru combustibilul solid;
adoptarea, ori de câte ori este posibil, a cazanelor care folosesc combustibilul gazele naturale;
asigurarea tuturor instalațiilor de producere a căldurii împotriva creșterii presiunii și temperaturii peste limitele admise – conform STAS 7132 și prescripțiilor termice ISCIR-C31;
folosirea pompelor de circulație cu montaj direct pe conductă;
alegerea vaselor de expansiune, de preferință, de tip închis, cu pernă de aer și membrană elastică, luând în considerare criteriile tehnice și economice;
alegerea schimbătoarelor de căldură pentru prepararea apei de consum, de preferință, cu acumulare (tip boiler) cu serpentină, în formă de cilindru vertical.
O centrala termică cu cazane mici (< 70kW) se poate amplasa în raport cu clădirea deservită astfel:
în exterior – într-o construcție specială, alăturată sau nu clădirii;
în interior – la subsol, la parter, pe etajul curent sau pe terasă, într-o incintă închisă.
II.4.2.2. Organizarea spațiului centralei termice
Locul de amplasare a centralei termice în spațiul unei clădiri precum și condițiile de amplasare vor ține seama de posibilitățile de evacuare a gazelor de ardere, de alimentare cu combustibil etc. La amplasarea centralei termice se vor respecta prevederile cuprinse în Normativele I18, I13, I6, I31 și I7. Centrala termică poate fi amplasată la orice nivel al clădirii cu excepția centralelor termice funcționând cu GPL care nu se pot amplasa la subsol.
Încăperile în care se instalează cazanele trebuie să fie bine aerisite, să fie protejate contra înghețului, să aibă umiditate interioară peste 60% și să nu prezinte pericol de incendiu. Echipamentele centralei termice trebuie să fie performante, fiabile și cu randamente ridicate. Se vor utiliza numai echipamente omologate, agrementate MLPTL și avizate ISCIR. Schemele funcționale ale centralelor termice împreună cu tot echipamentul trebuie să asigure solicitările cerute.
O centrală termică este alcătuită în principal din: sala cazanelor, camera pompelor, camera de preparare a apei calde de consum, gospodăria de combustibil și de evacuare a gazelor arse, atelierul de întreținere și reparații și grupul sanitar.
O centrală termică mică deservind spre exemplu o clădire de locuit cu câteva apartamente, funcționând cu apă caldă cu circulație naturală, are tot echipamentul (cazan, boiler pentru prepararea apei calde de consum, sistemul de umplere și golire, rezerva zilnică de combustibil etc.) amplasat într-o singură încăpere. Centrala nu necesită vestiar, grup sanitar și atelier mecanic deoarece este exploatată de locatarii imobilului. Încăperea de dimensiuni corespunzătoare, astfel încât să permită montajul și exploatarea echipamentului, trebuie să fie delimitată de elemente de construcție rezistente la foc, să permită accesul și evacuarea ușoară, să poată fi ventilată natural și să primească lumina naturală. În cazul utilizării combustibilului gazos, Normativul pentru proiectarea și executarea rețelelor și instalațiilor de utilizare a gazelor naturale I6-96 impune ca volumul minim al încăperii să fie de 18 m3, iar ferestrele exterioare să aibă o suprafață totală minimă de 0,05 m2 pentru fiecare m3 de încăpere. În Fig.II.4.1. se prezintă un exemplu de alcătuire a unei astfel de centrale termice mici.
În conformitate cu prevederile Normativului pentru proiectarea și executarea instalațiilor de încălzire centrală, I13-2015, cu Prescripțiile tehnice ISCIR, C1-79, cu Normativul Republican pentru proiectarea și executarea construcțiilor din punctul de vedere al prevenirii incendiilor, centralele termice echipate cu cazane de apă caldă sau de abur de presiune joasă pot fi amplasate în clădiri de locuit, social-culturale, agrozootehnice sau industriale, cu următoarele excepții:
sub sau alipit de încăperi din categoria A sau B de pericol de incendiu;
în sau sub săli aglomerate și căi de evacuare;
în sau sub încăperile de zi și dormitoarele pentru copii din creșe, grădinițe și cămine, sălile de clasă, laboratoare, săli de gimnastică din școli, saloane de bolnavi, săli de operații.
Fig.II.4.1. Alcătuirea unei centrale termice mici
1 – cazan încălzire; 2 – coș de fum; 3 – boiler acm; 4 – butelie egalizare presiune; 5 – vas de expansiune; 6 – conductă retur; 7 – conductă tur; 8 – alimentare gaz.
Cazanele care alimentează instalații de încălzire “de apartament“ se montează în interiorul locuinței, însă nu în camerele de locuit și cămările de alimente.
De asemenea, centralele termice nu vor fi amplasate sub sau lângă încăperi de locuit sau încăperi în care se desfășoară o activitate sensibilă la zgomot și trepidații. În cazul în care este imposibilă evitarea unei astfel de amplasări se vor lua măsuri speciale de izolare fonică.
Mărimea spațiului centralei termice se stabilește funcție de numărul și gabaritul utilajelor, de spațiile necesare exploatării, întreținerii și reparării acestora
Amplasarea echipamentului începe cu cazanele, amplasare care la rândul ei este determinată de poziția coșului de fum. Este recomandabil ca spațiul din fața cazanelor să primească lumină naturală și să nu prezinte nici un obstacol care să stingherească supravegherea, controlul și manevrele necesare exploatării.
În fața cazanelor de apă caldă și de abur de presiune joasă se lasă un spațiu liber având lățimea funcție de suprafața de încălzire a cazanului:
până la 10 m2 …… 1,0 m – între 55 și 90 m2 … 2,0 m;
între 10 și 30 m2 … 1,5 m – peste 90 m2…………2,5 m;
între 30 și 55 m2…..1,75 m.
Distanța de la mantaua laterală a cazanului până la peretele centralei termice sau până la mantaua cazanului vecin este de 0,8 m.
În cazul în care condițiile de montare, control și întreținere permit, se pot monta două câte două cazane fără distanță între ele, pe postament comun. Distanța de la spatele cazanelor, până la canalul de fum va fi stabilită conform indicațiilor constructorului cazanului. Înălțimea minimă liberă între părțile extreme ale cazanului și elementele de instalație cele mai apropiate va fi 20 cm.
În fața schimbătoarelor de căldură se prevede un spațiu liber având lungimea egală cu cea a fasciculelor de țevi sau serpentinelor. La schimbătoarele de căldură montate până la înălțimea de 1,8 m deasupra pardoselii, distanța minimă până la pereți va fi de 0,5 m.
Pompele (altele decât cele cu montaj pe conductă) se vor amplasa pe postamente din beton, grupate și aliniate, astfel încât să ofere posibilități de supraveghere ușoară.
Spațiul din jurul pompelor se va stabili funcție de mărimea pompelor, diametrele conductelor de racordare, mărimea și poziția armăturilor, dar nu va fi mai mic de 0,5 m între postamente.
Montarea distribuitoarelor se face de regulă pe console încastrate în pereți sau pe picioare din țeavă, la înălțime de aproximativ 1 m, astfel încât roțile de manevră să fie plasate la maximum 1,4…1,5 m de la pardoseală. Distanța de 100…150 mm de la perete asigură spațiul necesar izolării, tencuirii, gletuirii și vopsirii distribuitorului (colectorului) și trecerii prin spate a conductelor de golire.
În jurul rezervoarelor de orice natură se prevăd spații de acces de minimum 0,5 m. Aceste spații pot fi reduse pe două laturi până la 0,1 m dacă rezervorul poate fi deplasat pentru revizii și reparații. Rezervoarele având suprafața bazei peste 5 m2 se montează pe suporturi, asigurând sub rezervor un spațiu de minimum 0,2 m înălțime. Deasupra rezervoarelor care au gură de vizitare cu acces prin partea superioară, se lasă un spațiu liber cu înălțimea de minim 0,6 m.
Conductele din centrala termică se montează aparent. Traseele acestora trebuie bine studiate evitând consumuri inutile de material și asigurând o utilizare rațională a spațiului.
Armăturile se montează în locuri ușor accesibile și au etichete pentru identificare.
II.4.2.3. Echiparea centralelor termice
Echipamentul centralei termice: cazane, pompe, distribuitoare, conducte etc. se alege funcție de sarcina termică pentru încălzire QI, ventilare Qv, prepararea apei calde de consum Qac sau nevoi tehnologice Qt a consumatorilor alimentați:
[W] (II.4.1.)
Însumarea conform relației (4.1.) nu se face decât în cazul centralelor termice mici, care în realitate nu alimentează decât consumatori pentru încălzire și preparare apă caldă de consum. La centralele termice de putere medie exploatate după un program corespunzător de către un personal calificat, sarcina termică a centralei calculată prin simpla însumare a puterii consumatorilor poate conduce la supradimensionare, deoarece nu toți consumatorii funcționează simultan. Este recomandabil a se reprezenta grafic diferitele consumuri cu durata lor de-a lungul unei zile (24 ore), punând în evidență următoarele:
puterea instalată a centralei termice poate fi mai mică decât suma puterii tuturor consumatorilor alimentați;
puterea instalată trebuie să corespundă sarcinii QCT max, dar curba de consum total poate fi aplatizată (mai ales în cazul în care vârful apare pe o durată scurtă), prin adoptarea unui program de funcționare a consumatorilor corespunzător din acest punct de vedere sau prin prevederea de acumulatoare de căldură. Valoarea QCtmax poate fi redusă la QCT dacă vârfurile de consum care apar în intervalele orare 06:00-08:00, 12:00-16:00 și 20:00-23:00, datorită intervenției consumului de apă caldă sunt diminuate. Acest lucru este posibil prin prevederea pentru prepararea apei calde de consum a schimbătoarelor cu acumulare, care funcționând în perioadele de consum total minim asigură necesarul de apă caldă în perioadele de vârf.
În cazul centralelor termice care produc doi sau mai mulți agenți termici diferiți (apă caldă și abur), graficul trebuie întocmit pentru fiecare agent termic în parte.
Puterile considerate sunt cele corespunzătoare condițiilor de calcul. În exploatare însă puterile sunt mai mici, deoarece sarcina termică a instalației de încălzire, ca și a celei de ventilare, variază funcție de evoluția temperaturii exterioare, temperatură ce este în majoritatea timpului mai mare decât valoarea de calcul. Consumatorii care asigură prepararea apei calde de consum ca și cei tehnologici au o sarcină termică independentă de condițiile exterioare în general, dar care poate varia din alte motive. Rezultă de aici necesitatea ca centrala termică să fie astfel concepută încât să funcționeze cu randament maxim la sarcini termice variabile.
II.4.2.4. Determinarea mărimii și numărului cazanelor
Puterea totală a cazanelor trebuie să corespundă sarcinii termice maxime QCtmax,în care:
(II.4.2.)
Qi – sarcina termică pentru încălzire;
Qv – sarcina termică pentru ventilare;
Qac – sarcina termică pentru prepararea apei calde de consum;
Qt – sarcina termică pentru nevoi tehnologice.
La alegerea numărului de cazane se ține seama de cronograma consumului de căldură, de raportul consumurilor în funcție de perioada de consum (iarnă-vară) sau de natura lor (încălzire, preparare apă caldă de consum), de posibilitățile de amplasare a echipamentelor în centrala termică, precum și de implicațiile provocate de avarierea unui cazan.
Se urmărește obținerea unor indici optimi ai consumului de combustibil prin exploatarea intensivă a utilajelor și evitarea funcționării la sarcinii reduse. Ca orientare, numărul de cazane în funcție de sarcina termică nominală poate fi:
un cazan la centrale cu capacitate sub 0,1 MW;
două cazane la centrale cu capacități între 0,1 MW și 2 MW;
minim trei cazane la centrale care au capacități de peste 2 MW.
Numărul cazanelor se alege pentru fiecare agent termic, având în vedere următoarele criterii:
– un număr mare de cazane asigură o elasticitate în exploatare în condițiile sarcinii termice variabile ce caracterizează centrala termică, oferă o siguranță sporită în exploatare, defectarea unui cazan reprezentând reducerea puterii cu o cotă parte cu atât mai mică cu cât numărul de cazane este mai mare, dar conduce la cheltuieli de investiție mai mari, necesită spații suplimentare și poate determina necesitatea unui al doilea coș de fum;
– numărul cazanelor trebuie astfel ales încât prin scoaterea din funcțiune a unuia sau a mai multor cazane să se acopere cu randament maxim o sarcină termică necesară într-o anumită perioadă (de exemplu vara numai prepararea apei calde de consum), chiar dacă trebuie prevăzute cazane de mărime diferită;
– uneori, numărul de cazane este determinat de configurația spațiului avut la dispoziție, spațiu care nu permite decât montarea unor cazane de o anumită mărime maximă;
– numărul maxim de cazane dintr-o centrală se limitează la 5, dar pot fi montate și mai multe cazane (până la 10), în cazul etapizării investiției pe o perioadă mare, când se impune montarea în prima etapă a unor cazane de capacități mici, când se dovedește prin calcule economice că o altă soluție este mai avantajoasă și când spațiul disponibil impune o asemenea soluție.
Folosind criteriile expuse, se fac diferite variante de alegere a cazanelor din gama de fabricație și se reține soluția cea mai avantajoasă.
Pentru cazanele ce nu sunt alcătuite din elemente secționale, determinarea numărului și mărimii acestora se face direct, funcție de puterea lor nominală, fără a calcula inițial suprafața necesară, dar folosind de asemenea criteriile de mai sus.
Cazanele instalate în centrala termică, care prepară un singur fel de agent termic sunt, de regulă, de același tip și mărime. In funcție de perioada și natura consumurilor de căldură se pot folosi cazane de mărimi diferite, de exemplu, pentru prepararea apei calde de consum în perioada de vară. La cerințele beneficiarului sau în funcție de fiabilitate, gradul de siguranță în exploatare și durata de viață a echipamentului se pot prevedea în centrala termică cazane de rezervă.
II.4.2.5. Determinarea mărimii și numărului pompelor
Pentru vehicularea agentului termic – apa caldă – se prevăd, în raport cu mărimea puterii instalate, una sau mai multe pompe centrifuge. La alegerea, respectiv la comandarea pompelor, trebuie indicate caracteristicile acestora: debit G, în m3/h, presiune H, în Pa sau bar, puterea motorului de antrenare, în kW; turația n, în ture/min și, firește, tipul pompei. In Fig.II.4.4. sunt prezentate caracteristicile unei pompe. În functie de tipul racirii rotorului, se deosebesc doua categorii de pompe pentru circulatia agentului termic pentru încălzire – pompe cu rotor umed (Fig.II.4.2.) și pompe cu rotor uscat (Fig.II.4.3.)
Fig.II.4.4. Caracteristica unei pompe cu rotor umed cu turație variabilă
Debitul de agent termic G rezultă din relația potrivit căreia debitul de căldură vehiculat Q este proporțional cu produsul dintre debitul de agent termic și diferența de temperatură ducere – întoarcere t:
, [W] (II.4.3.)
din care rezultă:
[m3/h] (II.4.4.)
Presiunea pompei rezultă din însumarea pierderilor de sarcină distribuite și locale înregistrate de agentul termic în circuitul cazan – distribuitor – conductă de distanță – distribuție interioară – consumator și înapoi la colector și cazan.
Deoarece alegerea pompelor precede amplasarea lor și stabilirea traseului conductelor în centrala termică, pierderile de sarcină în conductele din centrala termică se vor aproxima, urmând ca după efectuarea calculului să se introducă la nevoie corecții privind presiunea necesară, asigurată de pompe.
Numărul pompelor se alege având în vedere că:
un număr mare de pompe asigură în exploatare o ușoară adaptare la regimul de debit variabil cerut de intrarea sau ieșirea din funcțiune a unor consumatori importanți, sporește siguranța în funcționare, dar sporește și costul instalației;
numărul pompelor depinde de mărimea debitului vehiculat;
pompele montate în paralel pentru același grup de consumatori pot avea debite diferite, dar aceeași presiune.
Alegerea pompelor se face folosind curbele caracteristice puse la dispoziție de fabrica producătoare, astfel încât punctul de funcționare să se situeze în zona de randament maxim.
În general se recomandă:
pentru instalațiile mici, până la 0,12 MW, o singură pompă în funcțiune și una în rezervă;
pentru puteri între 0,12 și 0,5 MW, două pompe, fiecare pentru debitul total, una în funcțiune, cealaltă în rezervă;
pentru puteri între 0,5 și 5 MW, trei pompe, fiecare cu debitul pe jumătate din debitul nominal, două în funcțiune și a treia în rezervă sau o pompă cu debitul nominal al instalației și două cu debitul pe jumătate;
pentru puteri termice mari se pot prevedea pompe separate pe grupuri de consumatori, prevedere de altfel obligatorie pentru instalațiile cu amestec în care sunt alimentați dintr-o sursă unică consumatori diferiți ca regim de temperatură.
Pompele montate în paralel sunt menținute în funcțiune, respectiv în rezervă, pe rând. La trecerea unei pompe în rezervă se închid vanele acesteia.
II.4.2.6. Asigurarea instalațiilor de încălzire cu apă caldă
Într-o instalație de încălzire cu apă caldă pot să apară suprapresiuni periculoase, până la explozie, ca urmare a fenomenului de dilatare și a depășirii temperaturii de vaporizare a apei, deci de intrare a cazanelor în regim de generatoare de abur.
Măsurile de siguranță împotriva suprapresiunilor accidentale, pentru instalațiile de încălzire cu apă caldă, sunt precizate în STAS 7132, Normativul I13, prescripțiile ISCIR și în ghidul pentru alegerea, întreținerea și executarea sistemelor și echipamentelor de siguranță elaborat de INCERC.
Măsurile de siguranță au scopul de a asigura permanent, concomitent și sigur următoarele funcțiuni:
preluarea variațiilor volumului de apă din instalație determinate de variațiile normale de temperatură;
evacuarea excedentului de apă sau a vaporilor produși accidental, ca urmare a deteriorării echipamentelor care asigură limitarea temperaturii agentului termic sau ca urmare a unei erori sau neglijențe în exploatare;
asigurarea unei mici rezerve de apă, care să compenseze pierderile de apă inevitabile ale instalației;
menținerea nivelului apei, în instalație, la o cotă care să asigure umplerea elementelor acesteia atât în regim static cât și dinamic;
evacuarea în atmosferă a aerului la umplerea cu apă a instalației și invers, pătrunderea aerului în instalație la golire;
asigurarea unei presiuni de regim astfel încât să nu se depășească presiunea admisă în instalația interioară. Asigurarea împotriva suprapresiunilor accidentale a instalațiilor de încălzire cu apă se poate realiza cu:
sisteme care asigură instalațiilor legătura directă și permanentă cu atmosfera, aplicabile pentru temperaturi ale agentului termic de maximum 95 °C;
sisteme în care legătura instalațiilor cu atmosfera nu este asigurată permanent, aplicabile pentru temperaturi ale agentului termic de maximum 115 °C.
II.4.3. Arzătoare
Arzătoarele au rolul de a transforma energia chimică a combustibilului în energie termică. Funcție de tipul combustibilului utilizat, arzătoarele se pot clasifica în: arzătoare cu combustibil lichid, arzătoare cu combustibil gazos sau arzătoare mixte.
Combustibilii cei mai utilizați sunt: gazul natural, motorina, combustibilul lichid de tip M (ce înseamnă), GPL (gaz petrolier lichefiat) sau CLU (combustibil lichid ușor). Pentru cei mai utilizați combustibili, se dau în Tab.II.4.2. compozițiile chimice.
Tab.II.4.2. Compozițiile chimice pentru diversi combustibili
II.4.3.1. Arzătoare de combustibil gazos
Arzătoarele funcționând cu gaze naturale se pot realiza în două variante constructive:
arzătoare cu aer aspirat (autoaspirante, atmosferice);
arzătoare cu aer insuflat (cu ventilator de insuflare).
Schema de principiu a arzătoarelor autoaspirante este prezentată în figura II.4.5.
Fig II.4.5. Schema de principiu a arzătorului autoaspirant.
1 – duză de gaz; 2 – camera de amestec; 3 – cap de ardere.
Utilizarea arzătoarelor autoaspirante este indicată numai pentru debite mici de combustibil, unde economia de investiție este preponderentă față de economia de combustibil și față de posibilitatea de reglare corectă a procesului de ardere. Deoarece jetul de combustibil gazos nu poate antrena mai mult de 0,4…0,6 din debitul de aer necesar arderii, se impune asigurarea de aer secundar prin practicarea de deschideri calibrate si reglabile în zona de ardere și asigurarea unei depresiuni în focar. Aerul secundar se reglează pentru situația cea mai dezavantajoasă a tirajului, respectiv a depresiunii in focar, ceea ce face ca la existența unui tiraj mai bun, excesul de aer să depășească limitele economice. Reglarea clapetei de admisie a aerului secundar trebuie realizat la punerea în funcțiune și trebuie avut în vedere ca la variații de presiune ale gazului se modifică debitul de combustibil al arzătorului și implicit proporția de aer primar introdus prin ejecție.
Avantajele acestor tipuri de arzătoare (Fig.II.4.6.) sunt: simplitate constructivă, autoreglarea aspirației de aer la variații de presiune a gazului, preț redus.
Fig II.4.6. Arzător autoaspirant
Fig.II.4.7. Arzător cu aer insuflat cu combustibil gazos
1 – automat de ardere digital; 2 – capac de protecție; 3 – motorul arzătorului; 4 – sistem de reglare debit de aer; 5 – sistem de aspirație aer; 6 – rampă de gaz compactă; 7 – robinet; 8 – transformator de aprindere; 9 – șurub de reglare a poziției deflectorului; 10 – ventolă; 11 – flanșa arzătorului; 12 – cap de ardere cu sistem de amestecare.
La arzătoarele cu aer insuflat aerul se introduce în zona de ardere cu ajutorul uui sistem de reglare a debitului de aer, amestecul aer-combustibil realizându-se în condiții destul de bune, eliminându-se practic posibilitatea apariției produșilor de ardere incompletă ca urmare a neomogenității amestecului combustibil. Aceste tipuri de arzătoare echipează cazanele cu focar sub presiune, asigurând în funcționare: controlul presiunilor minime și maxime ale gazului natural, controlul presiunii aerului în perioada de preventilare a focarului, controlul presiunii aerului la sarcină redusă (treapta I) și la sarcină maximă (treapta a II-a), aprindere electronică, supravegherea flăcării cu ajutorul sondei de ionizare, controlul închiderii vanei de gaz și nivel de zgomot redus (Fig.II.4.7.).
O noutate în ceea ce privește arzătoarele cu combustibil gazos o reprezintă arzătoarele radiante (Fig.II.4.8.). Aceste sunt produse de referință în domeniul tehnicii de încălzire caracterizate printr-un nivel redus de emisii poluante. Ele sunt adaptate perfect pentru funcționarea în regimuri de temperaturi foarte scăzute care favorizează producerea condensației.
Fig.II.4.8. Arzător radiant cu combustibil gazos
II.4.3.2. Arzătoare de combustibil lichid
Arzătoarele funcționând cu combustibil tip M (Fig.II.4.9.) sunt concepute pentru cazane al căror focar este fie în depresiune, fie sub presiune cu una sau două trepte de funcționare și prezintă următoarele caracteristici funcționale: pompă de combustibil lichid de tip volumetrică autoaspirantă, care asigură debit și presiune constantă, preîncălzitor de combustibil, control al presiunii aerului pentru treapta I și treapta a II-a de funcționare și electrovalve, pentru fiecare treaptă de funcționare.
Fig II.4.9. Arzător cu aer insuflat cu combustibil lichid tip M
1 – pompă de combustibil; 2 – motor; 3 – electrovană; 4 – corp arzător; 5 – buton de rearmare; 6 – unitate de control; 7 – fotocelulă; 8 – transformator de aprindere; 9 – bridă de fixare arzător; 10 – portjigleur (cu preîncălzire); 11 – electrozi de aprindere; 12 – cap de ardere; 13 – șurub de reglare a clapetei de aer; 14 – clapetă automată; 15 – ventilator; 16 – reglajul capului de combustie; 17 – preîncălzitor.
În. Fig.II.4.10.este prezentat capul de ardere cu sistem de amestecare.
Fig.II.4.10. Secțiune prin capul de ardere al arzătorului cu combustibil tip M
În Fig.II.4.11.este prezentat un arzător cu combustibil tip M montat pe cazan, observându-se ușurința cu care se realizează întreținerea acestuia.
Fig II.4.11. Arzător cu combustibil tip M montat pe cazan
II.4.3.3. Arzătoare de combustibil gazos-lichid
Arzătoarele mixte gaze naturale/combustibil lichid combină caracteristicile prezentate anterior și sunt utilizate în condiții speciale, mai ales atunci când sunt perioade în care alimentarea cu gaz natural la parametrii minimi necesari este greu de realizat.
II.4.3.4. Alegerea arzătoarelor
La alegerea arzătorului se va ține seama de parametrii funcționali și constructivi ai cazanului, caracteristicile tehnice ale arzătorului, modul și raportul de reglare al arzătorului. Un rol important în determinarea mărimii arzătorului îl are dimensiunea focarului. Relația între lungimea și diametrul focarului, respectiv consumul de combustibil al arzătorului este dată de către firma producătoare de arzătoare sub forma unor diagrame. Între puterea termică nominală a arzătorului și presiunea în focarul cazanului există o relație reprezentată grafic prin curba caracteristică (Fig.II.4.12.).
În funcție de puterea termică a arzătorului și presiunea din focarul cazanului se determină punctul de funcționare al arzătorului. Acest punct trebuie să fie în partea stângă a curbei caracteristice a arzătorului, cât mai aproape de aceasta. Dacă punctul este în afara suprafeței delimitată de curba caracteristică și axele de coordonate, atunci arzătorul nu asigură puterea necesară la presiunea din focar impusă. Dacă punctul de funcționare este în interiorul suprafeței dar mai depărtat de curba caracteristică, arzătorul va funcționa la presiuni mai mari decât cea necesară iar reglarea funcționării la presiuni mici va fi mai dificilă. În conformitate cu normele europene este necesară prevederea unei rezerve de putere de 10% la arzător și la ventilator față de puterea nominală. Acestea vor putea acoperi și creșterea de pierdere de presiune în cazan datorită condițiilor de exploatare.
Fig.II.4.12. Curba caracteristică a arzătorului
Funcție de tipurile de reglare a sarcinii arzătorului, acestea pot fi: cu reglare într-o treaptă, cu reglare în două trepte și cu reglare continuă. Arzătoarele cu reglare continuă sunt cele mai economice din punct de vedere al consumului de combustibil, pentru că își reglează în mod automat sarcina termică în funcție de valoarea momentană a necesarului de căldură.
O altă caracteristică a arzătorului care influențează valorificarea eficientă a combustibilului este raportul de reglare (între sarcina minimă și sarcina nominală a arzătorului), ce poate varia de la 1/2 la 1/5. Dacă acest raport este mai mare, atunci arzătorul poate să facă față mai eficient variațiilor de sarcină a consumatorului.
La alegerea arzătoarelor funcționând cu gaze naturale trebuie avută în vedere valoarea presiunii gazului din rețeaua de alimentare.
II.4.4. Evacuarea gazelor de ardere
II.4.4.1. Soluții constructive
Coșul de fum este o instalație pentru evacuarea gazelor de ardere și dispersia lor în atmosferă. Uneori are și rolul de a realiza un tiraj necesar acoperirii pierderilor de sarcină ale cazanului și aspirarea, totală sau parțială, a aerului de ardere.
Coșul poate fi cu tiraj natural, în acest caz tirajul este asigurat numai de efectul ascensional al gazelor calde de evacuare, sau cu tiraj forțat, când tirajul este amplificat de un sistem mecanic de exhaustare.
În unele cazuri constructive, coșul are o cămașă exterioară prin care circulă aerul de ardere, realizându-se astfel, pe de o parte, o preîncălzire a aerului prin recuperarea parțială a căldurii din gazele de ardere evacuate, pe de altă parte, o admisie a aerului de ardere dintr-o zonă exterioară încăperii cazanului.
Când amplasarea cazanului în raport cu construcția o permite, coșul se realizează vertical dintr-o conductă de formă circulară sau pătrată. În Fig.II.4.13. se prezintă variantele cele mai uzuale de coșuri din: tablă neizolată, tablă izolată termic, cărămidă, tuburi prefabricate din material ceramic rezistent la coroziune acidă sau din beton.
Fig.II.4.13. Variante constructive de coșuri de fum
II.4.4.2. Calculul coșului de fum
Evacuarea gazelor de ardere de la cazane se face, ori de câte ori este posibil, prin tiraj natural.
Tirajul cosului (H) constituie o diferență de presiune care ia naștere în coș, ca urmare a diferenței dintre temperatura gazelor de ardere la baza coșului și temperatura aerului exterior la ieșirea din coș.
H =h (g1 – g2), în N/m2 sau mmH2O; (II.4.5.)
H = înăltimea cosului de fum, in m;
g1 = greutatea specifică a gazelor arse la temperatura de evacuare (la baza coșului), în Kg/m3;
g2 = greutatea specifică a aerului exterior, în Kg/m3.
Pentru înțelegerea fenomenului trebuie precizat faptul că, în timpul circulației, aerul necesar procesului de ardere și mai apoi gazele arse, trebuie să învingă o serie de rezistențe.
Aceste rezistențe, respectiv pierderi de presiune, apar în cazanul propriu-zis (de obicei, se indică de către firma constructoare a agregatului de cazan), în canalul de fum exterior cazanului precum și în coșul vertical.
Dimensionarea coșului de evacuare a gazelor de ardere, pentru realizarea unui tiraj și pentru protecția atmosferei, impune a se ține seama de ansamblul proceselor termice și gazodinamice ce definesc funcționarea coșului, precum și de principalii parametri constructivi și funcționali ai coșului.
Unul din parametrii cei mai importanți este – viteza gazelor în coș – parametru care determină la rândul său, optimizarea celorlalte dimensiuni: diametrul și lungimea coșului.
Alegerea corectă a vitezei în coș are o influență hotărâtoare asupra economicității coșului deoarece, la o viteză mare a gazelor de ardere, corespunde un diametru mai mic al coșului, ceea ce conduce la un cost mai redus al investiției.
Viteza ridicată a gazelor de ardere la ieșirea din coș determină o supraînălțare a jetului la ieșire în atmosferă, ceea ce este foarte avantajos pentru dispersia noxelor.
În cazul în care sunt necesare două coșuri, acestea se pot monta alăturat pentru a se realiza o temperatură mai înaltă a gazelor în coș.
Secțiunea canalelor de fum va fi cu 20…30% mai mare decat secțiunea coșului.
Canalul de fum se va prevedea cu panta ascendentă de 10% în sensul curentului de gaze.
Canalul de fum trebuie să aibă o formă cât mai rectilinie, iar lungimea acestuia trebuie să fie cât mai scurtă.
Pe traseul de evacuare al gazelor arse nu trebuie să existe tronsoane orizontale ale coșului sau cu înclinație mai mare de 30ș față de verticală.
Cosurile de fum se includ în clădiri sau se amplasează independent, în funcție de dimensiunile lor în cerințele arhitecturale. În Fig.II.4.14 sunt prezentate elementele componente ale unui coș de fum amplasat pe fațada exterioară a clădirii.
Pentru evitarea răcirii puternice a gazelor de ardere în circulația lor prin coș și, mai ales, pentru evitarea unei temperaturi scăzute a peretelui coșului care ar putea determina condensarea vaporilor de apă pe peretele interior, coșul de tablă se poate izola termic, în exterior, cu un strat de vată minerală sau masă compactă de fibră minerală, cu grosime de 50…100 mm.
Coșurile interioare se izolează termic dacă trec prin încăperi în care căldura ar putea influența negativ confortul termic. Pereții coșului nu se includ în grosimea pereților.
Cosul de fum se supraînalță cu 0,5 m până la 1,5 m fata de acoperisul clădirii, sau deasupra celui mai apropiat obstacol, pentru a nu exista posibilitatea ca la gura coșului să ia naștere turbioane care ar modifica tirajul.
La cazanele moderne, funcționând cu gaze naturale sunt prevăzute din fabricație tubul de evacuare a gazelor de ardere/admisie aer și accesoriile aferente – Fig.II.4.15.
Fig.II.4.15. Racordarea cu tub evacuare gaze arse/admisie aer inclusiv accesorii
1 – racord gaze arse cazan; 2 – racord prin perete exterior tub evacuare gazearse/admisie aer; 3 – tub evacuare gaze arse/admisie aer; 4 – cot evacuare gaze arse/admisie aer; 5 – vizitare tub evacuare gaze arse/admisie aer; 6 – mufă îmbinare tub evacuare gaze arse/admisie aer; 7 – grătar de protecție – deflector.
Canalul de gaze de ardere având o lungime de 1…3m, cuprinde două tuburi concentrice, realizând evacuarea gazelor prin tubul central și admisia aerului de ardere prin tubul periferic. Canalul se termină cu un deflector montat în exterior, direct pe peretele centralei termice.
Sunt diferite modalități de racordare a cazanelor murale cu tub de evacuare a gazelor de ardere/admisie aer așa cum sunt prezentate în Fig.II.4.16.
Fig.II.4.16. Modalități de racordare cazanelor murale cu tub de evacuare a gazelor de ardere/admisie aer
1 – Racordare independentă cu tub de evacuare comun gaze de ardere/admisie aer; 2 – Racordare independentă cu tub de evacuare individual pentru gazele de ardere, respectiv tub pentru admisie aer; 3- Racordare cu tub comun de evacuare comun gaze de ardere/admisie aer; 4 – Racordare independentă cu tub de evacuare individual pentru gazele de ardere, respectiv tub pentru admisie aer.
II.5. Echipamente și materiale
II.5.1. Corpuri de încălzire
Corpurile de încălzire sunt schimbătoare de căldură străbătute vertical sau orizontal de agentul termic de la care preiau căldura înmagazinată și o cedează mai departe mediului ambiant.
Așadar, corpurile de încălzire au rolul de a compensa pierderile de căldură ale încăperilor, cu scopul de a realiza în exteriorul acestora temperatura de confort.
Suprafața acestora va trebui să fie astfel dimensionată încât fluxul termic cedat (Q) și să fie egal cu pierderile de căldură (Qi):
(Kcal/h) sau (W) (II.5.1.)
II.5.1.1. Clasificarea corpurilor de încălzire
Corpurile de încălzire cedează unei încăperi căldura primită de la agentul termic în două moduri:
prin convecție – datorită aerului care vine în contact cu suprafața sa;
prin radiație – datorită schimbului de căldură efectuat direct cu suprafețele situate sub incidența suprafeței lui.
Unul dintre criteriile de clasificare a corpurilor de încălzire este cel referitor la potențialul motor care asigură circulația aerului:
– grupa corpurilor de încălzire statice – la care circulația convectivă a aerului se produce în mod natural (radiatoare, convectoare, convectoradiatoare, radiatoare tip panou, panouri încălzitoare etc.);
– grupa corpurilor de încălzire dinamice – la care circulația aerului este activată prin mijloace mecanice (pentru mărirea schimbului de căldură, pentru lărgirea zonei de acțiune a corpului încălzitor sau în scopul obținerii ambelor efecte: ventiloconvectoare, aeroterme etc.).
II.5.1.2. Corpuri de încălzire statice
Concepția constructiv – funcțională a corpurilor de incalzire statice conduce la realizarea acestora (Fig.II.5.1.) astfel:
Țevi care cedează căldura direct în mediul de încălzit, circulația agentului termic se poate face:
– într-un fir – tipul serpentină (Fig.II.5.1.a.);
– în mai multe fire paralele – tipul registru (Fig.II.5.1.b.), țevile paralele pot fi orizontale (Fig.II.5.1.b1) sau verticale (Fig.II.5.1.b2), racordarea lor făcându-se prin câte un distribuitor și colector.
Țevi (tip serpentină sau registru) care cedează căldura în mediul încălzit indirect, prin intermediul unor elemente aplicate, care pot fi:
– foi de tablă, plane sau cutate, tip radiator panou (Fig.II.5.1.c.1);
– foi de tablă cu orificii speciale pentru circulația aerului – convectoradiator panou (Fig.II.5.1.c.2);
– aripioare din tablă, formând canale verticale – tipul convectoradiator (Fig.II.5.1.d).
Fig.II.5.1. Tipuri de corpuri încălzitoare
Țevi (tip serpentină sau registru) cu aripioare aplicate pe ele, amplasate într-o cutie – tipul convector (Fig.II.5.1.e), cedarea căldurii în mediul încălzit se face indirect, prin intermediul curentului de aer care trece prin cutia corpului încălzitor.
Tipul radiator (Fig.II.5.1.f) este corpul încălzitor de tip registru vertical fiind format prin îmbinarea mai multor elemente verticale cu mai multe coloane,
Tipul radiator panou (Fig.II.5.1.g) format din foi de tablă presate, care prin îmbinarea lor creează spații pentru circulația apei.
Din categoria corpurilor de încălzire statice cele mai utilizate sunt radiatoarele.
Funcție de materialul din care sunt executate se utilizează radiatoare din:
fontă;
oțel;
aluminiu.
II.5.1.2.1. Radiatoarele din fontă
Radiatoarele din fontă sunt corpurile de încălzire clasice care utilizează apa caldă ca agent termic, la o temperatură de maxim 115 °C și presiune maximă de funcționare de 6 bar sau aburul la presiune maximă de 0,7 bar- Fig.II.5.2
Fig.II.5.2. Radiatoare din fontă
II.5.1.2.2. Radiatoarele din oțel
Radiatoarele din oțel sunt realizate din tablă de oțel special cu bune proprietăți de ambutisare la rece, cu puteri termice mari. Se produc în două modele constructive: radiatoare din oțel tip panou –Fig.II.5.3 și radiatoare din oțel cu elemente –Fig.II.5.4
Cele mai utilizate sunt radiatoarele din oțel tip panou caracterizate prin puteri termice mari aferente dimensiunilor de gabarit.
Radiatorul are în componență 1, 2 sau 3 panouri exterioare și 1, 2 sau 3 elemente convectoare interioare-Fig.II.5.5. Un panou este format din două foi paralele din tablă ambutisată, în care sunt create câte un distribuitor și un colector orizontal, unite prin mai multe canale verticale pentru circulația agentului termic.
Fig.II.5.5. Radiatoarele se realizează prin combinarea acestor panouri și elemente convectoare (www.romstal.ro)
Sunt produse într-o gamă variată, având înălțimi cuprinse între 300 și 900 mm și lungimi standard de: 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800 și 3000 mm.
Puterile termice ale radiatoarelor sunt funcție de tipul constructiv, înălțime și lungime.
În afara modelelor prezentate există și radiatoare din oțel care oferă soluții în cazul spațiilor înguste Aceste modele au înălțimi cuprinse între 150 mm și 2100 mm, lățimi de 450, 600 și 750 mm.
O categorie specială a radiatoarelor din oțel o constituie radiatoarele de baie care sunt utilizate pentru spații mai mici cu montaj vertical, cu un design deosebit având și un rol decorativ- Fig.II.5.6. Sunt produse în diferite forme constructive cu elemente suplimentare (bare metalice, oglinzi, suporturi diverse, port-prosop) pentru a da posibilitatea uscării prosoapelor și chiar a lua formele încăperilor (radiatoare de colț, tip perete despărțitor). Acestea sunt vopsite în diferite culori sau chiar în versiuni cromate.
Puterile termice ale acestor radiatoare variază între 500 și 1900 W iar dimensiunile acestora variază între 450 – 750 mm lățime și 700 – 1700 mm înălțime.
Fig.II.5.6. Radiatoare din oțel decorative pentru băi
II.5.1.2.3. Radiatoarele din aluminiu
Radiatoarele din aluminiu-Fig.II.5.7 au calități deosebite care se datorează materialului din care sunt confecționate și tehnologiei de fabricație, permanent îmbunătățită.
Fig.II.5.7. Radiatoare de aluminiu
Principalele caracteristici calitative sunt designul, randamentul termic ridicat datorită bunei conductivități termice a aluminiului, conținut redus de apă care diminuează inerția termică și greutatea și spațiul ocupat redus în comparație cu puterea termică dezvoltată.
Radiatoare din aluminiu au înălțimea cuprinsă între 350 mm și 800 mm.
Din punct de vedere constructiv, radiatoarele din aluminiu sunt disponibile în gama 350, 500, 600, 700, 800 mm care reprezintă distanța dintre axe. Există modele create special pentru a rezolva problema încălzirii în încăperile unde spațiile disponibile pentru amplasarea radiatoarelor sunt înguste. Înălțimile acestora variază de la 900 la 2000 mm iar puterile termice de 235…437 W/element.
II.5.1.3. Corpuri de încălzire dinamice
II.5.1.3.1. Ventiloconvectoare (VC)
Încălzirea și condiționarea aerului au fost tratate ca instalații separate. Elementul de legătură este acum ventiloconvectorul, care tratează încălzirea și condiționarea în mod unitar.
Ventiloconvectorul este un aparat terminal al unei instalații de încălzire și/sau condiționare a aerului care conține două elemente de bază: o baterie de încălzire și un ventilator- Fig.II.5.8.
Fig.II.5.8.Ventiloconvectoare
Principiul de funcționare este simplu: aerul aspirat de ventilator este refulat, prin bateria de încălzire, în încăpere. În general se montează sub fereastră și folosesc exclusiv aer recirculat sau sunt și variante care permit amestecul cu aer proaspat sau aspirație exclusivă de aer proaspăt.
Există mai multe variante constructive: modelul vertical, modelul orizontal, precum și varianta destinată montării mascate, în pereți sau plafoane false, în special pentru încăperi mari sau pentru deservirea mai multor încăperi- Fig.II.5.9.
Fig.II.5.9.Variante constructive de Ventiloconvectoare
a) model vertical ; b) model orizontal ; c) model destinat montării mascate.
Ventilconvectorul cu montaj mascat în plafonul fals poate fi utilizat în varianta prezentată în Fig.II.5.10. pentru încăperi cu suprafețe mari sau deservirea mai multor încăperi. Aceste tipuri se apropie, ca funcționalitate și mărime de limita inferioară a gamei centralelor monobloc de tratare a aerului. Ca și acestea, folosesc tubulatura de aspirație și refulare, prize de aer, anemostate și guri de refulare.
Fig.II.5.10. Ventilconvectorul cu montaj mascat în plafonul fals
1 – ventiloconvector; 2 – plenum venticonvector; 3 – tubulatură flexibilă izolată; 4 – grilă de refulare aer tratat; 5 – tubulatură flexibilă neizolată; 6 – grilă de aspirație aer recirculat; 7 – priză de aer proaspăt; 8 – tubulatură aspirație aer proaspăt.
În funcție de agentul termic utilizat, ventiloconvectoarele permit încălzirea sau răcirea aerului din încăpere. Trebuie subliniat că ventiloconvectorul poate funcționa cu aceeași baterie, atât pentru încălzirea cât și pentru răcirea aerului (ventiloconvectoarele cu doua țevi), sau poate folosi două baterii separate (ventiloconvectoarele cu patru țevi), în funcție de opțiunea proiectantului.
Prin construcție, ventiloconvectoarele pot fi echipate cu următoarele elemente pentru:
reglare viteză (debit de aer) ventilator: în trepte (cel puțin 2 + oprire) sau continuă;
reglare debit de apă prin robinet cu două sau trei căi.
Comanda treptelor de viteză și a debitului de apă se poate face manual, de la comutator ori robinet, sau automat. Comutarea automată presupune existența unui termostat care să permită pornirea oprirea ventilatorului și/sau închiderea robinetului. Instalațiile evoluate presupun echiparea ventiloconvectoarelor cu un dispozitiv de comandă care acționează asupra robinetelor fiecărei baterii și a ventilatorului.
II.5.3.2. Criterii de selectare a corpurilor de încălzire
Alegerea corpurilor de încălzire are în vedere criterii tehnico-economice, igienice și estetice, ordinea acestor mărimi variind de la caz la caz.
În clădirile civile – în cazul utilizării unor agenți termici cu temperaturi ridicate se preferă corpurile statice care funcționează cu temperaturi superficiale scăzute (convectoradiatoare, convectoare etc.), iar în cazul agenților termici cu temperaturi moderate, se preferă corpurile de încălzire statice cu o componentă radiantă cat mai mare.
În clădirile industriale – unde există pericolul de lovire, se adoptă corpuri de încălzire cu rezistență mecanică mare și cedare de căldură, preponderent, prin radiație.
II.5.3.3. Modalități de amplasare a corpurilor de încălzire în încăperi
Amplasarea în încăperi a corpurilor de încălzire se realizează, de preferință, aparent pe pereții exteriori, sub ferestre, pentru că acest spațiu nu este utilizabil pentru mobilier și, mai ales, pentru că astfel se împiedică formarea curenților de aer rece și se compensează efectul de radiație om – fereastră. In Fig.II.5.11 sunt prezentate 9 variante de montaj a corpurilor de încălzire.
Amplasarea radiatoarelor trebuie să se facă astfel încât să nu impiedice circulația liberă a aerului, ținând seama că, cedarea de căldură se realizează, predominant, prin convecție.
De asemenea, trebuie asigurată posibilitatea curățirii ușoare a prafului depus, suport al florei microbiene. În acest scop, între radiator și pereți se lasă un spațiu liber de aproximativ 50 cm.
În situația în care radiatorul este amplasat într-o nișă în perete, este necesar ca peretele exterior din spatele radiatorului să aiba o rezistenta termică cel puțin egală cu cea a zidăriei de cărămidă plină, de 25 cm.
Lipirea pe perete a unei folii de aluminiu sau staniol, sporește gradul de izolare termică reducând schimbul de căldură prin radiație.
Fig.II.5.11. Modalități de amplasare a corpurilor de încălzire
1 – corp de încălzire; 2 – perete exterior; 3 – planșeu; 4 – nișă în perete.
50 mm – distanța minimă între corpul de încălzire și perete; 120 mm – distanța minimă între corpul de încălzire și pardoseală; a = 150 mm – distanța minimă pentru asigurarea circulației aerului.
II.5.2. Cazane de încălzire centrală
Cazanele de încălzire centrală au rolul de a transforma energia chimică a combustibilului în energie termică prin intermediul arzătorului și de a transmite această energie unui agent termic.
II.5.2.1. Clasificarea cazanelor de incalzire centrală
După natura agentului termic:
Cazane de apă caldă;
Cazane de apă fierbinte;
Cazane de abur.
După materialul din care sunt executate:
Cazane de fontă;
Cazane de oțel;
Cazane din inox.
După combustibilul ars:
Cazane pentru combustibil solid;
Cazane pentru combustibil lichid;
Cazane pentru combustibil gazos.
După modul de construcție:
Cazane orizontale;
Cazane verticale;
Cazane ignitubulare;
Cazane acvatubulare.
După regimul de presiune:
De presiune joasă;
De presiune medie;
De presiune înaltă.
După domeniul de utilizare:
Cazane de încălzire centrală;
Cazane industriale.
II.5.2.2. Cazane de încălzire centrală cu apă caldă
II.5.2.2.1. Cazanele secționate din fontă
Cazanele secționate din fontă sunt formate din elemente de fontă (Fig.II.5.15.) asamblate prin nipluri care alcătuiesc focarul și canalul de fum.
Materialul din care se realizează elementul cazanului este o fontă specială, eutectică, care asigură un transfer de căldură uniform, evitându-se fisurile produse de tensiuni temice și limitează formarea condensului.
În Fig.II.5.14. se observă componentele cazanului din fontă. Cazanul din fontă cu arzător atmosferic din Fig.II.5.12. este un cazan cu focar deschis, iar cazanul din fontă cu arzător cu aer insuflat din Fig.II.5.13. este un cazan cu focar presurizat.
II.5.2.2.2. Cazane din oțel
Cazanele din oțel sunt construite din țevi de oțel trase, care formează suprafețele convective de transfer termic (Fig.II.5.16.). La variantele moderne, aceste suprafețe se compun dintr-o țeavă de oțel trasă în interiorul unei altei țevi de oțel și presată astfel încât să se obțină o bună conectivitate termică. Prin nervurile longitudinale cu care este prevăzută țeava interioară se obține o creștere a suprafeței de transfer termic de 2,5 ori mai mare în comparație cu țevile cu suprafață interioară netedă. Punctele de contact dintre cele două țevi sunt dozate astfel încât spre partea posterioară a cazanului, unde temperatura gazelor arse nu mai este ridicată, preluarea căldurii spre apa din cazan să scadă, evitând scăderea temperaturii gazelor sub punctul de rouă al vaporilor conținuți.
În Fig.II.5.16. se prezintă structura unui cazan din oțel. Cazanul din oțel cu arzător cu aer insuflat din Fig.II.5.17. este un cazan cu focar presurizat. Cazanele din oțel pot fi fabricate cu două sau trei drumuri de gaze arse. Traseul gazelor arse este prezentat în Fig.II.5.18.
Cazanele din oțel sunt utilizate pentru prepararea agentului termic apă caldă, apă fierbinte, apă supraîncălzită, dar și abur (Fig.II.5.19).
II.5.2.2.3. Cazanele cu condensație
Cazanele în condensație fac parte din categoria cazanelor din inox. Aceste cazane, cu recuperatoare de căldură, reprezintă a noua concepție în ceea ce privește modul de folosire a combustibililor clasici.
Randamentul termic al acestora se determină pe baza puterii calorifice inferioare a combustibilului, care nu ține seama de căldura latentă a vaporilor de apă conținuți în gazele de ardere.
Dacă se aplică acest mod de calcul, la cazanele cu condensație se obțin uneori randamente termice mai mari decât unitatea. Acest aspect ar putea fi evitat dacă randamentul termic al tuturor cazanelor ar fi calculat în funcție de puterea calorifică superioară. Elementele componente ale centralelor termice cu condensație sunt prezentate în Fig.II.5.20.
Fig.II.5.20. Elemente componente ale centralelor termice în condensație
1 – suprafețe convective ale schimbătorului de căldură; 2 – arzător; 3 – vas expansiune; 4 – hidromodul; 5 – automatizare; 6 – carcasă; 7 – coș evacuare gaze arse; 8 – perete cameră ardere.
Cazane pentru combustibil solid
O altă categorie de cazane din oțel sunt cele pentru combustibil solid. Componentele unui cazan de încălzire pentru combustibil solid sunt prezentate în Fig.II.5.21. Cele mai utiizate sunt cazanele cu gazeificare și functioneaza in proces pirolitic de distilare uscata a lemnului. Prin arderea lemnului cu o cantitate de aer restransa, acesta devine jar incandescent. Aceasta transformare se realizeaza in acelasi timp cu aparitia gazului de lemn, care este apoi dirijat catre arzator, unde este ars in partea inferioara a cazanului, în zona spațiului de ardere sau zona de schimb. Aceasta metoda de ardere se mai numeste ardere cu flacără întoarsă și permite utilizarea eficientă a combustibilului – Fig.II.5.22
În Fig.II.5.23 sunt prezentate elementele componente ale unui cazan cu gazeificare.
Fig.II.5.23. Cazane combustibil solid cu gazeificare
1 – cameră ardere prin gazeificare; 2 – sistem de blocare al ușii de alimentare; 3 – automatizare pentru pornirea și funcționarea cazanului; 4 – sistem control și încărcare a rezervorului de acumulare; 5 – cameră de umplere; 6 – arzător ; 7 – grătar arzător.
II.5.2.2.4. Soluții moderne de cazane – unități integrate “murale”
Unitățile integrate murale (cu montaj pe perete), regăsite sub denumirea de centrala termică de apartament, reprezintă ansamblul care înglobează sistemul de producere a agentului termic pentru încălzire, sistemul de preparare a apei calde menajere și sistemul de pompare, sistemul de expansiune și sistemul de siguranță.
Centralele termice de apartament sunt cu montaj pe perete (murale) și se pot clasifica astfel:
– după tipul camerei de ardere:
– cameră de ardere deschisă;
– cameră de ardere închisă.
– după tipul evacuării gazelor de ardere:
– cu evacuare naturală a gazelor de ardere;
– cu evacuare forțată a gazelor de ardere.
– după tipul preparatorului de apă caldă:
– cu preparare instantanee – acestea se produc în două variante: cu schimbător de căldură cu plăci și cu schimbător de căldură bitermic;
– cu boiler.
În Fig.II.5.23.a. este prezentată o centrală termică murală, cu cameră de ardere închisă și schimbător de căldură cu plăci, pentru prepararea apei calde menajere și în Fig.II.5.23.b. o centrală termică murală cu cameră de ardere închisă și boiler încorporat pentru prepararea apei calde menajere care se caracterizează prin:
– modularea electronică a flăcării prin monitorizarea agentului termic cu sonde de temperatură;
– aprindere electronică și supraveghere printr-un electrod de ionizare;
– posibilitatea de prereglare a puterii maxime de încălzire care este o optiune utilă pentru apartamente mici și medii unde necesarul de căldură pentru încălzire este mai redus decât cel pentru prepararea apei calde menajere;
– schimbător de căldură cu plăci din oțel inoxidabil pentru producerea apei calde menajere;
– vas de expansiune închis și supapă de siguranță setattă la 3 bar;
– vană cu trei căi pentru devierea agentului termic spre schimbătorul de căldură sanitar cu acționare pe baza tensiunii diferențiale care se crează la deschiderea unui consumator;
– pompă de circulație a agentului termic cu turație variabilă;
– arzător din oțel inox;
– by-pass automat pentru instalații de încălzire, pentru protecția pompei în instalațiile cu robinete termostatice sau în instalații mai complexe cu vane cu trei căi;
– termostat de protecție la îngheț (tarat la 6 °C);
– vana de gaz cu dublu obturator, care se închide automat în cazul în care electrodul de ionizare nu sesizează prezența flăcării;
Fig.II.5.24. Schema unei centrale termice murale
1 – presostat aer; 2 – ventilator; 3 – colector gaze arse; 4 – grup arzătoare; 5 – electrod de aprindere și ionizare; 6 – vană gaz; 7 – senzor temperatură acm; 8 – robinet de umplere instalație; 9 – cameră etanșă; 10 – vas de expansiune; 11 – schimbător de căldură pentru încălzire și preparare acm; 12 – senzor siguranță; 13 – cameră de ardere; 14 – supapă de siguranță; 15 – dezaerisitor automat; 16 – presostat apă; 17 – flusostat; 18 – pompă circulație încălzire. (http://www.tehnoelectric.eu/wp-content/uploads/2011/02/schema-CT1.jpg)
Fig.II.5.24. Schemă de racordare la boiler extern
1 – centrală termică murală; 2 – boiler extern; 3 – corp de încălzire; 4 – ieșire apă caldă menajeră; 5 – intrare apă menajeră; 6 – tur instalație încălzire; 7 – retur instalație încălzire; 8 – tur boiler; 9 – retur boiler.
– termostatul de siguranță (tarat la 100 °C);
– presostatul de semnalizare a lipsei apei și dispozitivele de post-circulare a ventilatorului și a pompei;
– termostat de gaze arse și presostat diferențial montat între racordurile de aspirație a aerului de ardere și cel de evacuare a gazelor arse;
– monitorizarea funcționării, semnalizarea erorilor și autodiagnosticarea la nivelul tabloului de comandă;
– sistem inteligent de gestiune electronică și comandă de la distanță.
Schema unei centrale termice murale este prezentată în Fig.II.5.23 iar în Fig.II.5.24 este prezentată schema de racordare la un boiler extern .
În Fig.II.5.25. este prezentat un hidromodul. Acesta este compus din schimbătorul de căldură cu plăci și pompa de circulație a agentului termic iar în Fig.II.5.26. este prezentat panoul frontal de comandă care prin intermediul unei interfețe optice se poate conecta cu ușurință la un laptop dând posibilitatea de programare prin internet, telefon mobil etc, dar și o ușurință a operațiunilor de întreținere/depanare/service.
În Fig.II.5.27.a este reprezentată schema funcțională pentru o centrală termică murală cu cameră de ardere închisă, tiraj forțat și schimbător de căldură bitermic.
Fig.II.5.27. a) Schema funcțională pentru o centrală termică murală cu cameră de ardere închisă, tiraj forțat și schimbător de căldură bitermic b) Schema funcțională pentru o centrală termică murală cu cameră de ardere închisă, tiraj forțat și schimbător de căldură cu plăci
A – racord de tur pentru încălzire; B – racord pentru apa caldă menajeră; C – racord pentru gaz metan; D – racord pentru apă rece; E – racord de retur pentru încălzire; 1 – schimbător de căldură bitermic; 2 – bobină modulantă; 3 – sondă pentru încălzire; 4 – vană de gaz; 5 – robinet de umplere; 6 – supapă de siguranță; 7 – flusometru; 8 – presostat de apă; 9 – pompă de circulație; 10 – arzător; 11 – vas de expansiune; 12 – presostat diferențial; 13 – ventilator; 14 – dezaerisitor automat; 15 – termostat de siguranță; 16 – sondă de temperatură pentru apă caldă menajeră; 17 – by-pass; 18 – schimbător de căldură primar; 19- schimbător de căldură cu plăci
Prepararea apei calde menajere se realizează cu schimbatorul de căldură cu plăci în regim instantaneu- Fig.II.5.27.b. De aceea prepararea apei calde menajere este prioritară și se realizează cu vana cu trei căi, care închide circuitul spre instalația de încălzire și asigură circulația agentului termic numai prin schimbătorul de căldură cu ajutorul pompei de circulație. Atunci când nu se mai consumă apă caldă menajeră, se oprește circulația agentului termic prin schimbător și ventilul cu 3 căi deschide circuitul de încălzire și pompa de circulație asigură alimentarea cu căldură a corpurilor de încălzire.
În cazul unui necesar de apă caldă menajeră mai mare se poate utiliza un preparator de apă caldă menajeră cu acumulare. Boilerul are o capacitate cuprinsă între 40 și 60 de litri și poate acoperi consumurile reduse și de scurtă durată fără a solicita cazanul. Boilerul face corp comun cu cazanul de cele mai multe ori sau poate fi independent. Schema unei centrale termice murale cu boiler este prezentată în Fig.II.5.28.
Fig.II.5.28. Schema funcțională pentru o centrală termică murală cu boiler pentru prepararea apei calde menajere
1 – presostat; 2 – supapă de siguranță 3 bar; 3 – pompă de circulație; 4 – electrovalvă modulantă gaz; 5 – vas de expansiune închis 8 litri; 6 – supapă de siguranță vas de expansiune; 7 – cameră gaze arse; 8 – cameră access aer de combustie; 9 – tub evacuare gaze de ardere; 10 – tub introducere aer combustie; 11 – presostat diferențial de siguranță pentru ventilatorul de evacuare a gazelor de ardere; 12 – ventilator de evacuare a gazelor de ardere; 13 – supapă dezaerisire; 14 – aripioară schimbător de căldură; 15 – cameră de combustie; 16 – izolație ceramică; 17 – arzător cu gaze naturale din oțel inox; 18 – vană cu trei căi motorizată; 19 – hidrometru circuit încălzire; 20 – robinet manual dezaerisire; 21 – anod de magneziu; 22 – serpentină, 23 – boiler de 60 litri.
II.5.2.3. Pompe pentru instalații de încălzire centrală
Circulația agentului termic în instalația de încălzire este asigurată cu pompele de circulație. Rolul acestora este acela de a învinge rezistențele hidraulice liniare și locale pentru circuitul cel mai defavorizat al instalației de încălzire. Sunt utilizate pentru capacități mici și medii pompe cu montaj pe conductă (in-line) cu turație variabilă, consumuri de energie electrică redusă, silențioase și grad mare de fiabilitate. Pompele au racorduri filetate sau cu flanșe pentru montajul direct pe conducte. Părțile turnate în contact cu apa sunt din materiale rezistente la coroziune. Motoarele cu puteri sensibil mai mici decât cele tradiționale au 3 sau 4 viteze sau cu selecție manuală a vitezei dorite, iar cuzineții sunt de tip autolubrifiant. Există și varianta constructivă cu pompă dublă care utilizează o pompă de rezervă comutată automat în caz de defect.
Principalele caracteristici ale unei pompe sunt debitul de fluid G, în m3/h și diferența de presiune între refulare și aspirație exprimată în N/m2 sau în bar. În unele cazuri se folosește noțiunea: înălțime de pompare H ca fiind echivalentul în înălțime coloană de lichid a presiunii realizate de pompă. Este necesar, de asemenea, a se cunoaște puterea motorului de antrenare P, în kW, turația n, în rot/min, tensiunea de alimentare, în V, și frecvența curentului electric, în Hz.
II.5.2.3.1. Alegerea pompelor de incalzire centrală
Fabricile producătoare de pompe pun la dispoziția proiectanților caracteristicile G, H, P și randamentul al întregii game de tipodimensiuni, sub formă de diagrame (Fig.II.5.29.) sau tabele.
Fig.II.5.29. Caracteristica unei pompe cu rotor umed cu turație variabilă
Pompele de circulație trebuiesc întotdeauna alese astfel încât punctul de funcționare să se afle pe caracteristica Q/H corespunzătoare turației maxime a motorului, în punctul său, sau cât mai aproape de randamentul maxim (Fig.II.5.30.).
Fig.II.5.30. Alegerea pompei
În Tab.5.1. se prezintă caracteristicile principale ale unei pompe de circulație a agentului termic, cu rotor umed, motor EC și reglaj electronic al puterii.
Debitul de agent termic rezultat din calcul poate fi vehiculat cu una sau mai multe pompe legate în paralel. Montarea pompelor în paralel se practică în mod curent în scopul realizării unei elasticități în funcționare, precum și pentru sporirea siguranței în exploatare.
În cazul a două pompe identice funcționând în paralel pe aceeași rețea, curba caracteristică comună celor două pompe se obține prin dublarea debitelor caracteristice unei anumite înălțimi de pompare. Se pot monta în paralel și două pompe care au caracteristici diferite dacă înălțimea de pompare maximă este aceeași. Punctul de funcționare a două pompe montate în paralel se obține la intersecția curbei caracteristice comune a pompelor cu curba caracteristică a rețelei.
Tab.5.1. Caracteristicile principale ale unei pompe de circulație agent termic cu rotor umed, motor EC și reglaj electronic al puterii
Pompele trebuie astfel alese încât punctul de funcționare să se plaseze în zona de randament maxim.
În instalațiile de încălzire, in afara pompelor centrifuge pentru vehicularea apei calde se mai folosesc pompe pentru alimentarea cu condensat a cazanelor de abur, pompe cu clape pentru alimentarea manuală cu combustibil lichid sau pentru alimentarea manuală cu condensat a cazanelor mici de abur de presiune joasă și pompe cu roți dințate pentru alimentarea mecanică cu combustibil a rezervorului de consum zilnic.
II.5.2.4. Vase de expansiune
Într-o instalație de încălzire cu apă caldă pot să apară suprapresiuni periculoase, până la explozie, ca urmare a fenomenului de dilatare a apei sau ca urmare a depășirii temperaturii de vaporizare.
Standardul 7132/1986 clasifică instalațiile de încălzire centrală cu apă având temperatura maximă de 115 °C în două categorii:
instalații care sunt în legătură directă cu atmosfera, prevăzute cu vas de expansiune deschis;
instalații care nu sunt în legătură directă cu atmosfera, prevăzute cu supape de siguranță și cu vas de expansiune închis.
II.5.2.4.1. Vase de expansiune deschise (VED)
Funcțiunile unui sistem de siguranță cu vas de expansiune deschis sunt:
preluarea variațiilor de volum ale apei din instalație, datorită variațiilor normale de temperatură în procesul de încălzire – răcire și asigurarea unei rezerve de apă care să acopere pe o perioadă de timp rezonabilă pierderile mici, inevitabile;
descărcarea în atmosferă a aburului produs ca urmare a lipsei de supraveghere a cazanului, a unei erori, nepriceperi, neglijențe, defectare a automatizării etc;
menținerea în stare plină a instalației odată umplută, până la un nivel care depășește cota celui mai sus plasat consumator, în cazul distribuției inferioare, respectiv cota rețelei de conducte, în cazul distribuției superioare;
eliminarea aerului la umplerea instalației, respectiv pătrunderea lui la golire, astfel încât să nu se formeze saci de aer sau de apă.
Pentru îndeplinirea acestor funcții se impun, în afara condiției de bună dimensionare, condiții suplimentare:
montarea vasului de expansiune la o cotă superioară celui mai sus plasat consumator, respectiv superioară rețelei de distribuție a agentului termic, cu o valoare care la circulația forțată depinde de poziția pompei în circuitul agentului termic și de înălțimea de pompare (atât în regim static și în regim dinamic, graficul piezometric trebuie să se afle deasupra instalației);
traseul conductelor de siguranță să aibă o rampă continuă către vasul de expansiune, de minim 3%;
Pentru categoria de instalații la care ne referim, doar prima condiție poate ridica unele probleme (clădire lipsită de pod, instalație de apartament într-o clădire cu mai multe unități locative).
II.5.2.4.2. Vase de expansiune inchise (VEI)
În varianta de asigurare a instalațiilor de încălzire cu apă caldă prin supape de siguranță și vas de expansiune închis, funcțiunile sistemului de siguranță sunt îndeplinite astfel:
preluarea variației de volum și mica rezervă de apă de către vasul de expansiune închis;
menținerea în stare plină cu apă a instalației prin presiunea exercitată de perna de aer asupra apei din vasul de expansiune închis care, în acest caz poate fi montat la partea inferioară a instalației, în apropierea cazanului;
limitarea superioară a presiunii în instalație prin supape de siguranță montate pe cazan înaintea oricărui organ de închidere;
eliminarea aerului la umplerea și pătrunderea lui la golire prin conducte, vase și robinete de dezaerisire.
Limitându-ne strict la domeniul analizat, constatăm că fiecare din cele două sisteme de asigurare, prezintă prin comparație, avantaje care se cer corect evaluate și exploatate.
Astfel, sistemul cu vas de expansiune deschis este mai simplu, mai ieftin și mai sigur. I se poate imputa însă, că legătura permanentă cu aerul atmosferic favorizează coroziunea instalației, că impune o cotă de montare care în anumite situații nu poate fi asigurată și implică măsuri de protecție contra înghețului; încărcarea suplimentară a construcției și implicațiile de ordin seismic sunt în acest caz neglijabile, volumul și masa vasului fiind mici.
Sistemul cu supape de siguranță și vas de expansiune închis, cu membrană elastică de separație între perna de aer și apă,este mai costisitor, vasul are un volum total – pentru același volum util – mai mare, implică prezența supapelor de siguranță și a unor elemente minime de automatizare (blocarea alimentării cu combustibil la atingerea temperaturii maxime prescrise de cazan), în regim normal de funcționare, presiunea în instalație crește până la limita de rezistență a componentelor instalației. Are în schimb avantajul separării apei de aer prin membrana elastică și nu cere, după cum s-a mai arătat, condiții speciale în ceea ce privește cota de montare, iar racordul la cazan se reduce la o singură conductă scurtă.
Eroarea posibilă, constatată în practică, este aceea de a considera ca fiind facultativă prezența membranei elastice de separare aer – apă și de aici convingerea că un vas de expansiune închis se poate realiza artizanal, ca un simplu rezervor. În acest caz, fenomenul de dizolvare a aerului în apă este mai intens din cauza presiunii sporite și prin aceasta crește fenomenul de coroziune și frecvența operațiilor de eliminare a aerului din instalație, comparativ cu sistemul cu vas de expansiune deschis.
Pe de altă parte, eliminarea aerului (dezaerisirea) implică inevitabil pierderi de apă și de aici necesitatea operațiilor de completare. În lipsa membranei elastice, vasul de expansiune trebuie să fie prevăzut cu sticlă de nivel, cu o sursă de aer comprimat și un manometru pentru umplerea inițială în vederea punerii în funcțiune cât și pentru corecta refacere periodică a nivelului apei în vas și a presiunii aerului. Dar și în aceste condiții este greu de presupus că beneficiarul, care de obicei exploatează singur o asemenea instalație și chiar un meseriaș, vor ști să interpreteze corect informațiile date de sticla de nivel, manometrul și termometrul montat pe cazan, spre a aduce corecțiile necesare unei funcționări fără pericol a instalației.
Vasul de expansiune închis este prevăzut cu o membrană elastică de separație între perna de aer și apă (Fig.II.5.31.).
Fig:II.5.31. Tipuri de vase de expansiune (VE) închise
a – tip rectangular, Vu = 6…16 l; b – tip disc, Vu = 6….20 l; c – tip cilindric, Vu = 6…5000 l.
1 – racord la conducta de întoarcere a cazanului; 2 – peretele VE; 3 – membrană elastică; 4 – spațiu de apă cu volum variabil; 5 – spațiu de aer cu volum variabil; 6 – ventil pentru aer comprimat; 7 – suport.
Vasul de expansiune închis se montează la partea inferioară a instalației, in apropierea cazanului. Limitarea superioară a presiunii în instalație se realizează cu supape de siguranță montate pe cazan înaintea oricărui organ de închidere.
Eliminarea aerului la umplere și pătrunderea lui la golire se realizează cu robinete de dezaerisire manuale sau automate.
Constructiv, vasele de expansiune închise pot fi de tip rectangular, disc sau cilindru, iar volumele acestora variază de la 6 până la 5000 de litri (Fig.II.5.32.).
Fig.II.5.32. Modele de vase de expansiune închise
Sistemul cu supape de siguranță și vas de expansiune închis implică prezența unor elemente minime de automatizare cum ar fi blocarea alimentării cu combustibil la atingerea temperaturii maxime prescrise pe cazan. După cum s-a arătat avantajul este cota de montare iar racordul la cazan se reduce la o singură conductă scurtă.
II.5.2.5. Schimbătoare de căldură
Schimbătoarele de căldură sunt aparate utilizate pentru prepararea apei calde de consum în varianta cu acumulare (boiler) sau în varianta fără acumulare. De asemenea, se folosesc în sistemele de încălzire pentru zonele superioare ale clădirilor înalte sau pentru încălzirea clădirilor alimentate cu căldură în sisteme centralizate ce utilizează ca agent primar apa fierbinte sau aburul.
II.5.2.5.1. Schimbătoare de căldură cu acumulare
Boilerele sunt schimbătoare de căldură cu acumulare pentru prepararea apei calde menajere și se realizează în două variante constructive: orizontale (Fig.II.5.33.) și verticale (Fig.II.5.34.). Suprafața de schimb de căldură, respectiv serpentina, va fi dimensionată astfel încât să fie asigurate debitele de apă caldă menajeră corespunzătoare diferenței de temperatură din circuitul secundar (+10 °C temperatura apei reci, +60 °C temperatura apei calde) și diferenței de temperatură din circuitul primar.
Capacitatea boilerelor este cuprinsă între 80 și 1000 de litri.
Corpul boilerului este realizat din oțel cu protecție anticorozivă iar ca protecție suplimentară catodică se utilizează un anod de magneziu sau opțional prin anod alimentat de la o sursă externă.
Pierderile de căldură către exterior sunt diminuate prin acoperirea completă a boilerului cu un strat termoizolator. Constructiv, boilerele se pot realiza pentru preparare bivalentă de apă caldă menajeră în combinație cu panouri solare și cazan. Căldura furnizată de panourile solare este cedată apei din boiler prin serpentina inferioară. Opțional unele boilere pot fi echipate și cu sistem de încălzire electrică.
În afara variantei prezentate o altă gamă constructivă de boilere sunt cele Tank in Tank (explicatie) adică boilere realizate din oțel inoxidabil și rezistente la ape extrem de corozive fără limitare de temperatură (Fig.II.5.35.).
Oțelul inoxidabil utilizat datorită aliajului crom-molibden rezistă la toate temperaturile, la ape corozive până la 2000 mg de cloruri/litru.
Fig.II.5.35. Boiler tank în tank (rezervor în rezervor)
1 – rezervor interior din oțel; 2 – rezervor exterior din oțel; 3 – izolație din spumă poliuretanică rigidă; 4 – tur agent de încălzire (primar); 5 – retur agent de încălzire (primar); 6 – intrare apă rece (secundar); 7 – ieșire apă caldă sanitară (secundar); 8 – termostat de reglaj; 9 – termometru de control; 10 – bulb termostat de reglare; 11 – bulb termometru de control; 12 – aerisitor; 13 – jachetă metalică; 14 – racord recirculare apă caldă sanitară.
Aceste tipuri de boilere sunt utilizate pentru încălzirea directă a apei de mare, a apelor de balneo-terapie, a apei sanitare din regiunile cu ape foarte corozive și este sunt recomandate în aplicațiile industriale care folosesc ape corozive.
II.5.2.5.2. Schimbătoare de căldură fără acumulare.
Din această gamă cele mai utilizate sunt schimbătoarele de căldură cu plăci. Sunt aparate simple folosite pentru transferul de energie termică între două fluide, construite dintr-un pachet de plăci identice din oțel inoxidabil, cu etanșare, aliniate la partea superioară și inferioară pe două bare suport, între două plăci de presiune, una fixă și alta mobilă. Pachetul se strânge cu tiranți de strângere. Între plăci există spațiu liber pentru trecerea fluidului, ele fiind ținute echidistante de umflături, rizuri sau ondulații.
O placă este formată din doi pereți, unul reprezintă fața plăcii și celălalt spatele plăcii.
Fluidul 1 curge și scaldă de la un capăt la altul fața plăcii iar fluidul 2 curge și scaldă tot de la un capăt la altul, în contracurent cu fluidul 1, spatele aceleiași plăci. Astfel, căldura este transferată prin toată suprafața plăcii, în timp ce garniturile realizează etanșarea spre marginea plăcii și totodată separă fluidul 1 de fluidul 2 (Fig.II.5.36.).
Fig.II.5.36. Schema unui schimbător de căldură cu plăci
1 – schimbător de căldură cu plăci; 2 – plăcile schimbătorului; 3 – racord tur agent termic primar; 4 – racord retur agent termic primar; 5 – traseu agent termic primar; 6 – racord tur agent termic secundar; 7 – racord retur agent termic secundar; 8 – traseu agent termic secundar.
Fig.II.5.37. Elemente componente ale unui schimbător de căldură cu plăci
1 – pachet de plăci; 2 – placă de capăt; 3 – placă de presiune; 4 – tiranți; 5 – bară de ghidare.
Particularitatea schimbătoarelor de căldură cu plăci este aceea că se asigură o turbulență sporită a fluidului în interiorul acestora, garantând un schimb de căldură ridicat. Au un coeficient de transfer de căldură de 2500…5000 W/m2C și căderi de presiune relativ mici (0,2…0,3 bar/aparat), asigură pierderi de căldură nesemnificative, cu randament foarte bun, de 95…98% și nu necesită izolare termică.
Schimbătoarele de căldură cu plăci sunt rezistente la acțiunile corozive ale agenților termici, au o durată de viață de peste 25 ani.
Pachetul de plăci se desface ușor făcând posibilă curățirea rapidă și eficientă a plăcilor și înlocuirea eventualelor piese uzate sau defecte, acesta ocupând un spațiu incomparabil mai mic decât schimbătoarele tubulare. Elementele componente ale schimbătoarelor de căldură cu plăci sunt prezentate în Fig. II.5.37.
Schimbătoarele de căldură cu plăci (Fig.II.5.39.) se utilizează în termoficare la modernizarea punctelor termice, pentru încălzire sau pentru prepararea apei calde de consum, în procesele de încălzire și răcire, la recuperarea căldurii, la tratarea termică a unor lichide (ex. pasteurizare) și acolo unde fluidele de lucru sunt corozive (folosind plăci executate din oțeluri inoxidabile austenitice, oțeluri rezistente la medii foarte corozive).
Plăcile din oțel inoxidabil au grosimea de 0,5…0,6 mm (Fig.II.5.38.), ceea ce permite obținerea unui coeficient de transmisie foarte bun și totodată o emisie termică redusă la minim. Garniturile permit etanșarea schimbătorului, dar în același timp conduc și fluidul în interiorul schimbătorului. Ele sunt realizate din cauciuc rezistent la temperatura de 150 °C (propil-etilenă), cauciuc siliconic sau cauciuc pentru industria alimentară.
Debitele de apă variază de la 1 la 150 m3/h iar puterile termice de la 20 la 3500 kW.
II.5.2.6. Materiale și elemente comune ale instalației de încălzire
II.5.4.6.1. Țevi
Țevi din oțel
Pentru vehicularea agentului termic în instalațiile de încălzire se folosesc conducte din țevi de oțel fără sudură (STAS 403-75) sau țevi din oțel sudate longitudinal (STAS 7656-56) cu diametre de 3/8 până la 2 și țevi din oțel fără sudură, laminate la cald (STAS 404-71) sau țevi sudate longitudinal (STAS 7657-71) pentru diametre interioare mai mari de 51 mm.
Îmbinarea țevilor se face prin sudură cu excepția celor cu diametre până la 2 care se pot îmbina și prin fitinguri filetate în cazul rețelelor pentru vehicularea agenților termici cu parametrii normali (apă caldă până la 115 °C și abur până la 0,7 bar).
Conductele din oțel sunt cele clasice, folosite în instalațiile de încălzire în mod frecvent. Avantajele și de dezavantajele lor sunt binecunoscute iar utilizarea lor se face de la caz la caz în funcție de preferința proiectantului sau a beneficiarului.
Țevi din cupru
Cuprul (Cu) – materialul țevilor este aliaj din cupru fosforos dezoxidat cu min. 99,9% Cu + Ag. conținutul de fosfor fiind 0.015% ≤ P ≤ 0.040%. Țevile produse conform acestui standard pot fi utilizate la executarea sistemelor de alimentare cu apă caldă și rece, încălzire prin radiatoare și prin suprafețe, țevi pentru gaze naturale (numai in UE), gaz lichefiat, alimentare cu ulei și țevi pentru aer comprimat.
Pentru executarea sistemelor de instalații este recomandată folosirea țevilor și fitingurilor din cupru, imbinarea acestora realizandu-se prin cositorire sau brazare. Puritatea materialului țevilor de cupru este de 99,9%, temperatura de topire este de 1083 °C, conductivitatea este de 339 W/m·K, densitatea de 8900 kg/m3.
Țevile se produc cu diferite grade de duritate – moale R 220, semidure R 250, dure R 290. Marcarea țevilor din cupru este prezentată în Fig.II.5.40. Țeava moale din cupru este produsă cu diametre exterioare de 6…22 mm și este livrată in colac. Țevile din cupru semidure se produc cu diametre exterioare de 6…133 mm și sunt livrate în bare. Țevile din cupru dure se produc cu diametre între 64…267 mm și sunt livrate de asemenea în bare. Gama dimensională de bază a țevilor din cupru se prezintă în Tab.II.5.2 Țevile se pot procura cu sau fără înveliș de plastic. Învelișul de plastic rezistă la temperatură permanentă de 95 °C. La executarea lucrărilor de instalații de încălzire este permisă și utilizarea țevilor de cupru cu grosimea pereților < 1 mm, cu următoarele dimensiuni: 10 x 0,7 mm, 12 x 0,8 mm, 14 x 0,8 mm, 15 x 0,8 mm.
Fig.II.5.40. Marcarea țevii conform SR EN 1057 (www.cupru.com)
1 – marca fabricii producătorului; 2 – norma; 3 – diametru exterior (mm); 4 – grosimea peretelui țevii (mm); 5 – simbol marcare țevi semidure.
Tab.II.5.2. Gama dimensională de bază a țevilor de cupru
Țevile din cupru si fitingurile din cupru se pot imbina prin lipire capilară, presare sau sudare (Tab.II.5.3.).
Tab.II.5.3. Îmbinarea țevilor din cupru
Pentru întocmirea calcului hidraulic sunt recomandate diagrame pentru determinarea pierderilor de sarcină specifice pentru țevi din cupru așa cum este prezentată în Fig.II.5.41.
Fig.II.5.41. Diagrama pentru determinarea pierderilor de sarcină specifice pentru tevi din cupru
Țevi din materiale plastice
Dezvoltarea tehnologiilor moderne în industria chimică a permis realizarea unor tuburi din materiale plastice corespunzătoare din punctul de vedere al calității materialului și al duratei de utilizare, cu performanțe superioare materialelor clasice. Se produc conducte din mase plastice pentru instalațiile de apă rece, caldă și încălzire, înlocuind tot mai mult sistemele clasice care folosesc oțelul sau cuprul.
Diversitatea sortimentelor oferite de producători impune promovarea selectivă a acelor tipuri de materiale care corespund cerințelor impuse. Principalele materiale plastice care sunt utilizate la realizarea tuburilor pentru instalații sunt: polietilena, polietilena reticulară, polibutena, polipropilena, policlorura de vinil, policlorura de vinil clorurat.
În Tab.II.5.4.se prezintă principalele caracteristici fizice ale materialelor plastice, comparativ cu oțelul și cuprul.
Tab.II.5.4. Caracteristici fizice ale materialelor plastice
Se observă că densitatea () este mult mai mică (de până la 5 ori) decât a oțelului, conductivitatea termică () este și ea foarte mică ceea ce duce la eliminarea stratului izolator necesar în cazul țevilor metalice. În schimb coeficientul de dilatare liniară () este mult mai mare la PE și PER considerat a fi un dezavantaj.
În schimb ele prezintă multiple avantaje: rezistă la coroziuni, abraziune și depuneri, pierderi de sarcini reduse, greu inflamabile.
Țevi din materiale cu structură termoplastică
Polietilena (PE) este o poliolefină din grupul termoplastelor obținută prin polimerizarea etilenei, deci se poate îmbina cu ușurință prin sudare. Este simbolizată prin PE-HD (polietilenă de înaltă densitate) și PE-MD (polietilenă de medie densitate). Se clasifică în raport cu densitatea materialului, care depășește 0,93 g/cm3. Datorită slabei rezistențe la căldură, polietilena nu poate fi utilizată la instalații de apă caldă. În prezent instalațiile în care polietilena este utilizată cu precădere sunt rețelele urbane de alimentare cu apă, gaz și rețelele de evacuare a apelor uzate menajere. Metoda adecvată de asamblare, impusă prin însăși structura materialului, este sudura. Printre procedeele uzuale de îmbinare se menționează electrofuziunea și termofuziunea sau sudura cap la cap.
Polietilena reticulată (PER/VPE/PEX) are ca materie primă de fabricare polietilena de înaltă densitate. Acest material poate fi reticulat după diferite metode de fabricație, fiecare metodă fiind determinată de anumite cerințe tehnico-economice și de calitate. Reticularea lanțurilor lungi de molecule pe PE-HD duce la schimbarea proprietăților materiei prime, așa încât apare un nou material. Se formează un tub de material plastic flexibil, solid și rezistent la temperatură. Tubul PER nu poate fi însă sudat sau lipit. Îmbinarea se realizează cu fitinguri speciale de strângere sau cu nipluri. Tuburile din polietilenă reticulară se utilizează, în mod special, în instalațiile de încălzire și în instalațiile sanitare pentru apă caldă și apă rece.
Polibutena (PB) este un material sintetic termoplastic, parțial cristalin. Se deosebește, însă, de alți polimeri, mai ales prin faptul că apare în diferite forme cristaline, stabile și metastabile. Polibutena posedă o combinație neobișnuită de rezistență la lovire, flexibilitate și o mare rezistență la întindere și fluaj, la abraziune, și tensiune mecanică. Ea poate fi îmbinată atât prin sudare cât și prin fitinguri speciale de strângere. Se utilizează la realizarea instalațiilor interioare de alimentare cu apă rece și caldă, precum și la cele de încălzire.
Polipropilena (PP) este, de asemenea, un material termoplastic cu structură parțial cristalină. Se disting trei tipuri de polipropilenă: homopolimerizat (PP-H), copolimerizat în masă (PP-C) și copolimerizat static (PP-R).
PP-H se compune exclusiv din molecule de polipropilenă, are o flexibilitate foarte redusă și este relativ casantă la temperaturi mai mici de +5 °C. Se utilizează în special în domeniul industrial.
PP-C se obține prin combinarea moleculelor de polipropilenă cu cele de etilenă, acestea din urmă fiind plasate la intervale regulate între moleculele de polipropilenă. Rezultă o creștere a flexibilității, dar și o reducere a stabilității termice a materialului.
PP-R se obține tot prin introducerea de molecule de etilenă în masa de polipropilenă, dar la intervale neregulate. Această dispunere a particulelor de etilenă asigură o repartiție mai omogenă a tensiunii mecanice din peretele tubului. Tuburile de PP-R se îmbină prin sudare, iar rezistența chimică a acestui material îl face să fie utilizat mai ales în domeniul industrial.
Polipropilena este un material foarte bun pentru realizarea tuburilor și racordurilor pentru instalații interioare de apă potabilă și canalizare. De asemenea, tuburile armate cu aluminiu, pentru a prelua efectul dilatărilor la temperaturi de peste 70 °C, se folosesc la instalații de încălzire.
Policlorura de vinil (PVC) este un material sintetic din grupul termoplastelor amorfe obținut prin polimerizarea clorurii de vinil. Este cel mai vechi material plastic și cel mai răspândit, fiind utilizat în numeroase domenii industriale pentru produse de uz curent. Este ușor de lipit, sudabil și poate fi modelat la cald în mod repetat. Policlorura de vinil neplastifiată (PVC-U) este utilizată, în special, pentru realizarea sistemelor de conducte pentru instalații de alimentare cu apă potabilă și pentru canalizarea apelor reziduale.
Policlorura de vinil clorurat (PVC-C) este un material termoplastic cu structură amorfă, pornind de la clorura de vinil. Datorită adaosului de stabilizatori, poate acoperi un larg domeniu de utilizare (instalații de apă rece și caldă, încălzire, industriale, solare). Tuburile realizate din acest material nu se îmbină prin sudare, ci prin lipire și nu sunt flexibile.
Polietilena reticulată si aluminiu (PEX-AL) sunt realizate în două variante:
în trei straturi (tub de bază din policlorură de vinil clorurat de înaltă densitate, strat intermediar, peliculă de aluminiu pulverizat pentru instalații de încălzire (Fig.II.5.41);
sistem tub în tub, protejat în exterior de alt tub din polietilenă pentru instalații sanitare (Fig.II.5.42).
Sunt utilizate la instalațiile sanitare, încălzire centrală și prin pardoseală, industriale, solare și pentru piscine.
Gamă de dimensiuni a tuburilor este 14, 16, 20, 26, 32 mm, temperatura maximă de 95 °C și presiunea nominală de 10 bar.
În Fig.II.5.43.este prezentată diagrama pentru determinarea pierderilor de sarcină specifice în clasa de presiune PN6, la temperatura de 70 °C.
Fig.II.5.43 Diagrama pentru determinarea pierderilor de sarcină la țevi PER
Fitingurile reprezintă piese de legătură de formă tubulară folosite la îmbinarea țevilor sau a armăturilor. Fitingurile utilizate sunt din alamă cromată, iar îmbinarea se realizează prin presare la rece cu inel de presare-etanșare (Fig.II.5.44).
Fig.II.5.44. Fitinguri din alamă cromată cu imbinare prin presare-etansare
Fig.II.5.45.Fitinguri din alamă cromată cu imbinare prin presare-etanșare
Se pot utiliza și fitinguri cu îmbinare prin sertizare (Fig.II.5.46.) sau fitinguri cu îmbinare cu manșon alunecător (Fig.II.5.47.), aceste tipuri de îmbinări având un grad de etanșare superior în comparație cu îmbinarea prin presare. Țevile din polietilenă reticulate în prezența peroxizilor (PE-Xa) și cu strat de protecție împotriva difuziei de oxigen împreună cu fitingurile cu îmbinare prin sertizare sau cu manșon alunecător reprezintă soluția modernă pentru realizarea instalațiilor de încălzire și sanitare de alimentare cu apă caldă și apă rece .
Fig.II.5.46.Fitinguri cu îmbinare prin sertizare
Fig.II.5.47. Fitinguri cu îmbinare prin manșon alunecător
Durata de viață a țevilor PER este de minim 50 de ani, funcție de temperaturile de lucru.
Țevile se pot poza în șapa de egalizare a pardoselii sau aparent la plintă.
Țevile din PPR “Coprax” utilizează polipropilenă copolimeră și oferă posibilitatea realizării de instalații de apă rece, caldă și încălzire.
Gama diametrelor este cuprinsă între 16 și 90 mm, presiunea minimală PN = 10 bar pentru temperaturi ale apei calde de maxim 80 °C.
Conductivitatea termică redusă a materialului duce la pierderi mici de căldură a fluidului transportat și la diminuarea efectului de condensare pe suprafața exterioară.
În Fig.II.5.48. este prezentată diagrama pentru determinarea pierderilor de sarcină specifice pentru temperatura de 60 °C și presiunea maximă de serviciu de 10 bar.
Fig.II.5.48. Diagrama pentru determinarea pierderilor de sarcină la țevi PPR
Se produce și o gamă diversă de fitinguri – coturi, mufe, curbe, reducții, tuburi (Fig.II.5.49.)
Fig.II.5.49. Fitinguri pentru țeavă PPR
Îmbinarea se realizează prin procedeul de sudare prin polifuziune. Sudarea se realizează la o temperatură de 240 °C, durează câteva secunde iar după 90 minute, imbinarea sudată se răcește și instalația poate funcționa la parametrii normali.
Țevile din policlorură de vinil clorurat au cel mai mic coeficient de dilatare termică și oferă posibilitatea realizării de instalații sanitare, încălzire și indistriale. Gama de dimensiuni este cuprinsă între 16 și 110 mm, temperatura maximă de serviciu 90 °C și clasa de presiune PN25.
Deoarece rugozitatea peretelui interior are o valoare mică avem de a face cu pierderi de sarcină specifice foarte reduse.
Îmbinarea se realizează prin lipire la rece cu adeziv fără a utiliza scule și dispozitive speciale.
Tuburile de legătură se compun dintr-un tub interior din PER, dintr-o țeavă de aluminiu și o cămașă groasă din PE-HD. Sunt ușor de îndoit și permit racordarea la o instalație existentă din oțel sau cupru.
II.5.2.6.2. Armături de închidere și reglare pentru instalații de încălzire interioare.
Robinete de reglare a corpurilor de încălzire
Legătura dintre corpurile de încălzire și rețeaua de distribuție se face cu ajutorul armăturilor de racord, a fitingurilor și a țevilor.
Robinetele de radiator sunt destinate reglării debitului de agent termic care intră în corpul de încălzire.
Robinetele de reglare manuală pot fi de trecere (Fig.II.5.50.a.) sau colțar (Fig.II.5.50.b.) sau cu dublă reglare (Fig.II.5.51.).
Robinete manuale
Robinetele cu simplă reglare – realizează o reglare a temperaturii medii a corpului de încălzire prin reducerea debitului de agent termic care trece prin robinet între pozițiile închis-deschis.
Robinetele cu dublă reglare – pot realiza reglarea primară a temperaturii apei calde și suplimentar reglarea secundară prin reglaj hidraulic. La robinetele cu dublă reglare prereglarea se realizează cu ajutorul unui obturator conic telescopic (Fig.II.5.51.a.) sau prin limitarea cursei ventilului (Fig.II.5.51.b.).
Fig.II.5.51. Robinet cu dublă reglare
Gama dimensională uzuală (3/8”, 1/2“, 3/4”) poate fi completată și cu dimensiunile 1” și 1 1/4”.
Robinete termostatice
Se poate utiliza și reglarea termostatică atunci când corpurile de încălzire sunt prevăzute cu robinet termostatic.
Robinetul termostatat de radiator are o utilizare frecventă în reglarea automată a instalațiilor de încălzire datorită facilităților pe care le oferă la montare și exploatare. Se compune dintr-un robinet reglabil pe care se montează capul termostatat. Vechea acționare manuală este ușor de înlocuit cu un robinet termostatat, care se va seta la temperatura dorită în încăpere.
Robinetul termostatat valorifică aporturile de căldură în sensul că va micșora consumul de energie pe măsură ce soarele încălzește încăperea. Același lucru se întâmplă și dacă aportul de căldură din încăpere provine de la echipamente electrice sau ocupanți, și invers robinetul termostatat va crește debitul de agent termic când, de exemplu, soarele nu mai încălzește încăperea sau când temperatura aerului exterior scade.
Funcționarea capului termostatic cu lichid termosensibil (Fig.II.5.52.) sau cu senzor solid (Fig.II.5.23) se explică astfel: materialul termosensibil (lichid sau solid) din capul termostatic se dilată sau se contractă la variațiile de temperatură ale mediului ambiant (încăperea în care se află senzorul); pistonul de acționare se apropie de orificiul de închidere la creșterea temperaturii și se depărtează de acesta la scăderea temperaturii.
Manevrarea robinetului corespunde variației lungimii capsulei cu material termosensibil: dacă pistonul trebuie să parcurgă o cursă mai lungă pentru a închide orificiul robinetului, rezultă că temperatura de închidere trebuie să fie mai ridicată, iar dacă cursa pistonului este mai scurtă, închiderea se realizează la o temperatură mai scăzută. Deci, pentru a regla temperatura la care să se închidă robinetul, se reglează de fapt lungimea cursei pistonului. Scala de reglare variază cu tipul constructiv:
– robinetele termostatate cu senzor lichid au intervalul de reglare mai întins, 5…36 °C și o sensibilitate mai mare (histerezis 0,3 °C);
– robinetele termostatate cu senzor solid au intervalul de reglare mai restrâns, 8…32 °C și o sensibilitate mai redusă (histerezis 0,5 °C);
Există și variante constructive cu senzorul de temperatură montat la distanță, cu două sisteme de reglare:
– senzorul montat la distanță acționează ventilul de închidere amplasat la radiator, în care este integrat și elementul unui fluid de lucru termosensibil, conținut într-un tub caplilar;
– senzorul și elementul de reglare, montate în aceeași carcasă, amplasate la distanță, acționează ventilul de închidere al radiatorului, prin intermediul fluidului de lucru din tubul capilar.
Afișarea temperaturii interioare dar și alte date sunt disponibile într-o nouă variantă a capurilor termostatice – Fig.II.5.54.
Fig.II.5.54. – Cap termostatic cu afișaj electronic
Montarea robinetului termostatat de radiator cere o atenție deosebită. Poziția trebuie astfel aleasă încât capul termostatic să fie numai sub influența temperaturii mediului ambiant, care reprezintă mărimea reglabilă, eliminând influența factorilor secundari ce pot denatura fidelitatea reglării. În acest scop, se recomandă montarea orizontală a robinetului cu senzor încorporat, pentru ca schimbul de căldură cu mediul ambiant să se realizeze în condiții optime.
Este contraindicată montarea în poziție verticală a robinetului termostatat cu senzorul încorporat, deoarece curenții de convecție proveniți de la corpul de încălzire sau de la conductele adiacente pot influența funcționarea sa corectă.
Atunci când nu sunt îndeplinite condițiile unei montări corecte a robinetului termostatat cu senzorul încorporat, menționate anterior, se va utiliza robinetul termostatat cu senzor la distanță. Unele cazuri în care este indicată prevederea robinetelor termostatate cu senzor la distanță pot fi:
– senzorul este acoperit de perdele sau draperii;
– poziția robinetului permite montarea sa numai în poziție verticală;
– radiatorul sau convectorul este prevăzut cu mască;
– senzorul este expus unor curenți perturbatori.
Armături de reglare pe conducta de întoarcere
Robinetele de întoarcere (de retur) au rolul de a realiza reglarea hidraulică și de închidere a instalației (Fig.II.5.55.).
Fig.II.5.55. Robinete de întoarcere (de retur)
Se prevăd atunci când corpul de încălzire este echipat cu robinet cu simplă reglare.
Modelele de robinete de întoarcere sunt variate. Astfel, se pot utiliza în diferite variante:
– model fără prereglare – cu “obertail” universal cu etanșare conică metal pe metal;
– model cu prereglare cu “obertail” de construcție specială care permite reglarea în trepte, închiderea, umplerea și golirea radiatorului;
– modele speciale derivate din cele de bază, care reprezintă robinete de închidere cu golire și umplere la care s-a anulat funcția de prereglare și astfel corpul înglobează prin construcție două mufe cu filet, care fac racordarea la țeavă înlocuind astfel teul montat pe conducta de întoarcere.
Robinete cu racordare unica cu două căi
O altă posibilitate de reglare este cea cu robinet cu două căi cu racordare unică având teul de reglare incorporat și ventil cu simplă reglare cu termostat pentru montare în rețele bitubulare (Fig.II.5.56.).
Fig.II.5.56. Robinet cu două căi și ventil cu simplă reglare cu termostat
1 – robinet cu două căi; 2 – racord legătură tur; 3 – robinet reglaj; 4 – cap termostatic; 5 – racord tur; 6 – racord retur; 7 – corp de încălzire.
Schema de montaj este prezentată în Fig.II.5.57.
Fig.II.5.57. Schema de montaj în rețele bitubulare
1 – regulator electronic; 2 – electrovană; 3 – distribuitor; 4 – colector; 5 – racord tur; 6 – racord retur; 7 – racord legatură tur; 8 – robinet reglaj.
În cazul rețelelor monotubulare se utilizează robinet cu racordare unică cu by-pass reglabil cu ventil cu simplă reglare cu termostat (Fig.II.5.58.a.) sau robinet cu patru căi cu un singur racord intrare – ieșire agent termic pe la partea inferioară a corpului de încălzire prevăzut cu teu de reglare încorporat și robinet termostatic (Fig.II.5.58.b.).
Fig.II.5.58. Robinet cu racordare unică
a) secțiune prin robinet cu două racorduri, b) secțiune prin robinet cu un singur racord
1 – robinet termostatic; 2 – racord la intrarea în corpul de încălzire; 3 – racord la ieșirea din corpul de încălzire; 4 – mecanism interschimbabil; 5 – corp din aliaj de cupru; 6 – țeavă de legătură; 7 – racord la țeava de legătură; 8 – bypass; 9 – racord la conducta monotub de la distribuție; 10 – garnitură de etanșare; 11 – cap de izolare a corpului de încălzire; 12 – racord unic la corpul de încălzire ducere-întoarcere; 13 – țeavă din material plastic imersatâ în corpul de încălzire; 14 – capac.
În Fig.II.5.59. și Fig.II.5.60. sunt prezentate două scheme de montaj în rețelele monotubulare.
Fig.II.5.59. Schema de montaj în rețele monotubulare
1 – regulator electronic; 2 – electrovană; 3 – distribuitor; 4 – colector; 5 – racord tur; 6 – racord retur; 7 – robinet cu 2 căi.
Fig.II.5.60. Schema de montaj în rețele bitubulare
1 – regulator electronic; 2 – electrovană; 3 – distribuitor; 4 – colector; 5 – racord tur; 6 – racord retur; 7 – robinet reglaj; 8 – racord legătură tur; 9 – corp de încălzire.
Există și modele de radiatoare care sunt prevăzute din fabricație cu robinet cu dublă reglare, termostat și racord intergrat intrare-ieșire (Fig.II.5.61.).
Fig.II.5.61. Corp de încălzire cu armătură de reglare integrată
1 – robinet cu două căi; 2 – racord legătură tur; 3 – robinet reglaj; 4 – cap termostatic; 5 – racord tur; 6 – racord retur; 7 – corp de încălzire.
Această variantă de racordare este utilizată la distribuția inferioară orizontală realizată la pardoseală sau plintă.
În Fig.II.5.62. este prezentată o modalitate de pozare a unui astfel de radiator.
Fig.II.5.62. Modalitate de racordare a unui radiator cu racord integrat intrare – ieșire
Robinete de închidere pe conducte
Această categorie cuprine robinetele cu ventil sferic, cu sertar de reținere, cu ventil cu tijă înclinată, de reținere.
Robinete cu ventil sferic se execute din alamă nichelată iar scaunul și garniture sunt din teflon. Îmbinarea cu conductele se realizează prin înfiletare, cu filet interior sau exterior (Fig.II.5.63.) sau cu flanșe (Fig.II.5.64.) și sunt acționate cu pârghie de manevră din oțel. Sunt rezistente până la temperaturi de 185 ° si presiuni de 45 bar.
Fig.II.5.63. Robineți cu ventil sferic cu filet
1 – levier; 2 – piliță de blocare; 3 – tijă; 4 – tijă O-ring; 5 – corpuri filetate; 6 – sferă; 7 – garnitură PTFE.
Fig.II.5.64. Robineți cu ventil sferic cu flanșă
1, 2 – semicorpuri cu flanșe; 3 – levier; 4 – tijă; 5 – sferă; 6 – O-ring; 7 – pachet etanșare; 8 – garnituri.
Robinetele cu ventil înclinat sunt executate pentru fluide cu temperaturi de până la 200 °C și presiuni de 16 bar. Există variante constructive și pentru abur de joasă presiune cu temperaturi de max. 200 °C si presiuni de 16 bar (Fig.II.5.65.).
Fig.II.5.65. Robinet cu ventil inclinat pentru abur
1 – corp robinet; 2 – capac; 3 – tijă; 4 – disc; 5 – roată de manevră; 6 – bucșă; 7 – prize de presiune. (https://www.prestcom-instal.ro/)
Robinetele cu ventil drept sunt executate din fontă maleabilă sau cenușie, respectiv din alamă. Racordarea cu conductele se realizeză cu mufe filetate și domeniul temperaturilor de utilizare este de pâna la 115 oC iar presiunea nominală Pn = 16 bar sau cu flanșe (Fig.II.5.66.).
Fig.II.5.66. Robinetele cu ventil drept
1 – ventil drept; 2 – tijă; 3 – element fixare flanșă; 4 – roată de manevră; 5 – etanșare; 6 – disc; 7 – etanșare.
Robinetele cu sertar se execută din oțel, utilizând pentru îmbinare mufe sau flanșe. Pot fi execuate și din alamă. Sunt utilizate pentru fluide cu presiuni maxime de lucru de 16 bar iar temperaturile de pânp la 225 °C pentru diametre de 40…300 mm, respectiv 120 °C pentru diametre de 350…1000 mm. Robinetele cu sertar pot fi realizate cu sertar cauciucat (Fig.II.5.67.) sau cu sertar pană (Fig.II.5.68.).
Robinete de echilibrare hidraulică sunt utilizate pentru reglarea și ajustarea debitelor de fluid vehiculate în sistemele de încălzire cu debit constant sau variabil. Sunt folosite pentru rețele de distribuție sau pentru coloane, executate din alamă sau fontă, cu roți de manevră gradate, prize de presiune cu și fără golire. Se măsoară instantaneu debitul și apoi se reglează cu ajutorul aparatului de măsurare. Pentru sistemele cu debit constant, pentru care se utilizează vane cu 3 căi, se folosesc vane manuale care se montează pe fiecare consumator.
În cazul sistemelor cu debit variabil, care utilizează vanele cu 2 căi, se recomandă ca fiecare consumator sa fie echipat cu echipamente capabile să reacționeze rapid la schimbarea valorilor presiunilor diferențiale, respective – regulatoare de presiune diferențială (Fig.II.5.69.) și regulatoare automate de debit (Fig.II.5.70.).
Regulatorul de presiune diferențială menține disponibilul de presiune la o valoare constantă în circuitul reglat, împreună cu o vană partener și se montează la baza coloanelor de încălzire.
Fig.II.5.69. Robinet automat de presiune diferențială
1 – rozetă de manevră; 2 – tijă de setare a presiunii diferențiale; 3 – garnitură O-ring; 4 – arc; 5 – senzori de impuls; 6 – membrană; 7 – diafragmă de control; 8 – tijă; 9 – ventil; 10 – corp robinet; 11 – orificiu de intrare de sub diafragmă; 12 – orificiu de impuls spre diafragmă; 13 – orificiu de reglare.
Regulatoarele automate de debit sunt formate din două vane – un regulator de presiune diferențială și o vană de control.
Fig.II.5.70. Regulatoarele automate de debit
1 – capac de reglaj cu inel de blocare; 2 – distribuitor; 3 – arc de compresie; 4 – element de reglare; 5 – racord pentru circuitul de incalzire; 6 – etansare cu O-ring, nu necesita intretinere; 7 – ax de reglaj; 8 – manson; 9 – element de control.
Robinetele de reținere au rolul de a unidirecționa sensul de curgere a fluidelor. Sunt executate în diferite variante constructive – robinete de reținere cu clape respectiv cu clape și flanșe (Fig.II.5.71.) dar și în varianta cu disc (Fig.II.5.72.).
Robinetele de dezaerisire sunt utilizate pentru evacuarea aerului din instalațiile de încălzire și se disting două tipuri constructive – manuale (Fig.II.5.73.), care sunt folosite la corpurile de încălzire și automate (Fig.II.5.74.), care se montează pe conducte.
Supapele de siguranță sunt utilizate pentru protejarea instalațiilor de încălzire împotriva depășirii accidentale a presiunilor de lucru. Se utilizeză două tipuri – supape de siguranță cu membrane (Fig.II.5.75.) și supape de siguranță cu arc (Fig.II.5.76.).
Materialele termoizolante – sunt folosite în instalațiile de încălzire pentru izolarea conductelor care transportă fluide cu temperaturi mai mari de 50 °C montate în interiorul sau exteriorul clădirilor, în canale sau subsoluri tehnice precum și pentru izolarea aparatelor termice. Materialele termoizolante se utilizează pentru:
micsorarea pierderilor de căldură a fluidului transportat;
menținerea temperaturii fluidului vehiculat la valori proiectate;
menținerea temperaturii exterioare a conductei la valori sub 50 °C, impuse de protecția muncii;
evitarea încălzirii încăperilor prin care trec conductele;
evitarea pericolului de îngheț.
Materialele termoizolante sunt împărțite în trei categorii:
materiale de bază – vată minerală, vată baz,altică, cauciuc elastomeric cu celule inchise, spumă poliuretanică întărită, pâslă minerală, plută;
materiale de fixare – plasă de sârmă, carton ondulat, material plastic;
material pentru protecție – ipsos, tablă zincată, de aluminiu sau inox.
Materialele termoizolante trebuie să aibă următoarele proprietăți – să aibă coeficient de conductivitate termică redus, să reziste la temperaturi mari dar și la variații de umiditate și temperatură, să aibă rezistență mecanică mare, pentru a nu fi deteriorate.
Parametrii materialelor termoizolante sunt prezentate în Tab.II.5.5.
Tab.II.5.5. Temperatura medie de utilizare a principalelor materiale termoizolante și coeficientul de conductivitate termică
Izolarea termică se poate realiza sub diferite forme:
izolarea sub formă de saltele;
izolare sub forma de cochilii, segmenți, plăci semirigide.
Executarea izolației termice
În general, izolația termică a unei conducte sau echipament este alcătuită din: strat termoizolant, protecție mecanică a stratului izolant; protecția împotriva umidității și elemente de finisare.
Sunt prezentate diferite tipuri de izolații sub forma de saltele – din vată minerală sau bazaltică (Fig.II.5.77.) sau din cauciuc elastomeric cu celule inchise (Fig.II.5.79.).
Componența izolării cu cochilii din vată minerală sau bazaltică este prezentată în Fig.II.5.78., iar izolația sub formă de cochilii din cauciuc elastomeric autoadezivă cu celule închise este redată în Fig.II.5.80.
Fig.II.5.77. Izolații sub forma de saltele din vata minerala sau bazaltică
Fig.II.5.78. Izolatie sub forma de cochilii din vată minerală sau bazaltică
1 – țeavă; 2 – izolație cochilie din vată minerală sau bazaltică; 3 – îmbinare longitudinală; 4 – îmbinare laterală; 5 – bandă aluminiu autoadezivă.
Fig.II.5.81. Izolatie sub forma de cochilie protejată cu tablă zincată sau aluminiu
1 – țeavă; 2 – izolație cochile din cauciuc elastomeric cu celule închise; 3 – îmbinare longitudinală autoadezivă; 4 – protecție din tablă zincată sau aluminiu.
În fiecare formă constructivă se folosește un strat de protecție mecanică, un strat de protecție contra umidității și strat de finisare din tablă zincată sau aluminiu cu grosimea de 0,3…0,5 mm. În Fig.II.5.81. este prezentată componența izolației sub formă de cochilie protejată cu tablă zincată sau aluminiu. Imagini de ansamblu cu izolația conductelor protejate cu tablă zincată sau aluminiu sunt redate în Fig.II.5.82.
Armăturile conductelor se vor izola cu carcase demontabile din tablă zincată sau de aluminiu (Fig.II.5.83.).
Grosimea izolației termice
Aceasta se stabilește pe criterii tehnico-economice, respectiv pierderi de căldură și investiții minime. Conform normativului I13, criteriile de care se ține seama la calculul grosimii sunt:
pentru rețele termice de apă cu reglare calitativă – temperatura medie anuală a agentului termic;
pentru rețele de abur și apă cu parametri constantă – temperatura reală a agentului termic.
Temperatura mediului ambiant considerată în calcul este:
pentru montare aeriană sau în canale – temperatura medie a aerului exterior pentru perioada de funcționare;
pentru montare fără canal – temperatura medie a soluluila adâncimea de montare.
Grosimea izolației termice trebuie aleasă astfel încât să se asigure un randament de minim 0,8 al termoizolației. Randamentul termoizolației se determină cu relația:
[%]
unde:
q0 – pierdere de căldură unitară a conductei neizolate [W/m];
qiz – pierdere de căldură unitară a conductei termoizolate [W/m] (Tab.II.5.6)
[W/m]
unde:
Uc,i – coeficient global de transfer de căldură (Fig.II.5.84.) [W/m.K];
ΔT – diferența de temperatură medie între agentul termic și mediul înconjurător [K].
Tab.II.5.6. Pierderi de căldură unitare ale conductelor neizolate [W/m]
Fig.II.5.84. Coeficient global de transfer de căldură la conducte izolate
II.6. ELEMENTE DE CALCUL ALE INSTALAȚIEI DE ÎNCĂLZIRE
II.6.1. Determinarea necesarului de căldură pentru încălzire
Calculul necesarului de căldură pentru încălzirea unei clădiri prezintă o deosebită importanță, deoarece rezultatul acestui calcul constituie baza de dimensionare a instalației de încălzire.
Calculul necesarului de căldură a unei încăperi depinde de condițiile climatice în care este situat imobilul, de alcătuirea constructivă a elementelor delimitatoare, de inerția termică a acestora, de înălțimea și compartimentarea clădirii, de suprafața în contact cu solul, de regimul de funcționare al instalației etc.
Pierderile de căldură ale unei încăperi se determină în regim termic staționar, considerând atât temperatura aerului exterior cât și a aerului interior, constante. Caracteristicile termotehnice ale materialelor de construcție precum și coeficienții globali de schimb de căldură se consideră, de asemenea, mărimi constante.
Așadar, corpurile de încălzire care se prevăd în încăperi, au rolul de a ceda acestora un flux termic, în permanență egal cu pierderile de căldură prin transmisie (prin elemente delimitatoare către exterior sau către încăperile învecinate), de a acoperi necesarul de căldură pentru încălzirea aerului rece ce pătrunde în incinte prin rosturile ferestrelor și ale ușilor exterioare în condițiile în care temperatura interioară prestabilită nu trebuie să înregistreze variații sensibile (celelalte elemente ale instalației – cazanele, conductele, pompele, dispozitive de siguranță, instalații de ardere etc. – se dimensionează, de asemenea, pornind de la calculul necesarului de căldură).
În țara noastră, calculul necesarului de căldură se efectuează conform SR 1907 /1-2 2014 și se aplică tuturor categoriilor de clădiri, excepți-e făcând clădirile care se încălzesc rar (biserici, monumente istorice etc.), clădirile limitate de elemente de construcții, fără inerție termică (sere, clădirile subterane, halele industriale cu o înălțime mai mare de 8 m, construcțiile prevăzute cu instalații de încălzire locală sau cu instalații de încălzire prin radiație).
[W] (II.6.1.)
Qo – necesarul de căldură al unei încăperi [W];
i – flux termic necesar pentru încălzirea aerului proaspăt necesar asigurării confortului termic și calitatea aerului interior în încăpere și a aerului rece pătruns la deschiderea ușilor [W];
T – flux termic cedat prin transmisie, considerat în regim termic staționar, corespunzător diferenței de temperatură între interiorul și exteriorul elementelor de construcție care delimitează încăperea [W].
Fluxul termic cedat prin transmisie
[W] (II.6.2.)
Aj – aria suprafeței fiecărui element de construcție “j”, determinată luându-se în considerare dimensiunile interioare totale [m2];
Өi – temperatura interioară convențională de calcul, conform SR 1907 – 2 [°C];
Өej – temperatura spațiilor exterioare încăperii considerate [°C], care se ia după caz:
– temperatura exterioară convențională de calcul, θe, conform anexei A a standardului SR 1907;
– temperatura interioară convențională de calcul, θij, pentru încăperile alăturate, conform SR 1907-2.
Rj’ – rezistența termică specifică corectată a elementului de construcție “j” considerat, stabilită ținându-se seama de influența punților termice, conform STAS 6472/3 [m2K/W];
QS – fluxul termic cedat prin sol [W];
cM – coeficient de corecție a necesarului de căldură de calcul funcție de masa specifică a construcției.
Coeficientul de corecție a necesarului de căldură
Se determină în funcție de masa specifică a elementelor interioare ale construcției, mpi:
clădiri de locuit și similare și clădiri social-culturale cu pereți cu grosime < 0,125 m și planșee cu grosime < 0,10 m, cM = 1;
pentru alte construcții, cM = 0,94.
Fluxul termic cedat prin sol, QS, [W]
Fluxul termic cedat prin sol se determină ținând cont de cazurile reprezentative de amplasare a spațiului încălzit/neîncălzit față de cota terenului sistematizat. În calcule se ține seama tipul de acoperiș: terasă/pod – temperatura în pod θPD și de casa scărilor: încălzită/neîncălzită – temperatura casei scărilor θCS.
Cazurile care pot apărea sunt:
a) Spațiu de tip subsol tehnic neîncălzit – caracterizat prin temperatura θSB, care conține/nu conține conducte prin care se vehiculează fluide calde;
a) b)
Fig.II.6.1. Clădiri cu subsol, casă a scărilor, dotate cu: a) pod; b) terasă
b) Spațiu de tip subsol încălzit – caracterizat prin temperatura θi,0;
c) Clădire amplasată pe un soclu.
Fig.II.6.2. Clădire amplasată pe soclu, casă a scărilor și pod nelocuit
Exemplu de calcul pentru un subsol locuit cu temperatura interioară θi,0
Ipotezele de calcul: – subsol amplasat sub întreaga suprafață a parterului;
– anvelopa subterană a subsolului este izolată termic;
– clădirea este dotată cu casă a scărilor;
– clădirea dispune de terasă.
Determinarea fluxului termic disipat către mediul exterior din subsolul locuit se realizează cu relația:
[W] (II.6.3.)
unde,
(II.6.4.)
Alat+Apard – aria laterală a anvelopei subterane a subsolului locuit [m2];
Re,iz – rezistența termică de contur a subsolului locuit, conform Fig.II.6.3. [m2K/W];
Өec,iz – temperatura exterioară de contur a subsolului locuit, conform Fig.II.6.4. [°C];
Өej – temperatura interioară convențională de calcul pentru încăperile alăturate, [°C];
PE/FE, SBL – pereții și ferestrele exterioare ale subsolului locuit.
Fig.II.6.3. Determinarea rezistenței termice de contur
Fig.II.6.4. Determinarea temperaturii de contur proprie subsolului locuit izolat termic
Temperatura spațiului casei scărilor se determină cu ajutorul relației:
(II.6.5.)
unde,
δCS = 1 – pentru casa scărilor încălzită direct;
2 – pentru casa scărilor neîncălzită.
(II.6.6.)
(II.6.7.)
(II.6.8.)
(II.6.9.)
(II.6.10.)
Determinarea temperaturii casei scărilor se realizează astfel:
– pentru clădirile existente, cu relația (II.6.5.);
– pentru clădirile noi: 1) Se pornește de la condiția ca δCS = 0 și se determină θCS cu relația (II.6.5), apoi se verifică inegalitatea:
(II.6.11.)
unde, θCS,0 – temperatură minimă admisă în spațiul casei scărilor.
Dacă este satisfăcută inegalitatea (II.6.11.), în spațiul casei scărilor nu vor fi prevăzute echipamente de încălzire, iar în calcule se va utiliza temperatura θCS.
2) Dacă inegalitatea nu este satisfăcută, se va alege valoarea θCS,0 pentru temperatura casei scărilor, iar în acest spațiu se vor prevedea echipamente de încălzire a căror suprafață echivalentă termic AET,CS se determină astfel:
(II.6.11.)
Determinarea fluxului termic disipat către zonele secundare ale clădirii din zona principală “k”, se determină astfel:
– flux disipat către casa scărilor de la alte încăperi decât subsolul locuit:
(II.6.12.)
– flux disipat către casa scărilor de la subsolul locuit:
(II.6.13.)
Sarcina termică necesară pentru încălzirea aerului proaspăt necesar asigurării calității aerului interior și confortului termic și a aerului pătruns la deschiderea ușilor, de la temperatura exterioară de referință la temperatura medie a aerului interior se determină cu relația:
(II.6.14.)
unde,
na – numărul de schimburi de aer necesar în încăpere din condiții de confort fiziologic [h-1];
Vi – volumul interior al încăperii, determinat ținând cont de dimensiunile interioare ale încăperii [m3];
θa – temperatura aerului interior [°C];
θe0 – temperatura exterioară convențională de calcul – Anexa A din SR 1907 [°C];
Qu – sarcina termică pentru încălzirea aerului pătruns la deschiderea ușilor exterioare [W].
Conform SR 1907, numărul de schimburi de aer (na) se determină ținând cont de coeficientul de infiltrație a aerului prin rosturi (i), lungimea rosturilor ușilor și ferestrelor din fațadele supuse acțiunii vântului (L) și viteza convențională a vântului de calcul (v).
Sarcina termică pentru încălzirea aerului pătruns la deschiderea ușilor exterioare de la temperatura exterioară de referință la temperatura medie a aerului interior se calculează cu relația:
[W] (II.6.15.)
Au – aria ușilor exterioare care se deschid [m2];
n – numărul deschiderilor ușilor exterioare într-o oră, în funcție de specificul clădirii.
II.6.2. Calculul necesarului de căldură pe bază de indici
Pentru calculul aproximativ al necesarului de căldură pentru încălzire, Q, se pot folosi indici, pe baza unor proiecte întocmite anterior pentru clădiri cu destinații similare.
Rezultatele unor astfel de calcule estimative nu se pot folosi pentru dimensionarea instalațiilor de încălzire, dar oferă o simplificare esențială și acceptabilă pentru studiile tehnico-economice privind evaluarea mărimii și costul sursei de căldură, a consumului de combustibil și altele, pentru luarea unei decizii în legătură cu construirea unui obiectiv.
Metodele de calcul folosite în acest scop sunt prezentate în cele ce urmează.
Metoda caracteristicii termice de încălzire, utilizează caracteristica termică xi, în W/m2K, cu valori diferite de la clădire la clădire, relația folosită fiind:
[W] (II.6.16.)
în care:Ve – volumul total exterior al clădirii, în m2;
θi, θei – temperaturile de calcul, interioară, respectiv exterioară [°C].
Din relația de mai sus rezultă xi:
[W/m3K] (II.6.17.)
care trebuie dedusă sistematic pentru fiecare tip de clădire, deoarece tendința actuală este de a micșora cantitățile de căldură pierdute spre exterior, prin îmbunătățirea izolației termice, utilizarea tâmplăriei din P.V.C. sau aluminiu cu geamuri termopan, față de care valorile existente în literatura de specialitate nu mai corespund pentru noile clădiri.
Factorii care influențează valoarea caracteristicii xi sunt:
volumul clădirii (xi scade la creșterea volumului, până la Ve = 50000 m3, după care rămâne aproximativ constantă);
grosimea pereților exteriori și natura materialelor din care sunt alcătuiți (deci de inerția termică a acestora);
forma clădirii în plan (cea mai favorabilă este forma circulară sau pătrată, când are valoarea cea mai mică, aproximativ 60…65% din cea a formei dreptunghiulare);
numărul de etaje (descrește la creșterea numărului de etaje, devenind după 6 etaje constantă, având ca valoare 60…65% din cea pentru o clădire cu un etaj);
poziția clădirii față de alte clădiri vecine, xi scăzând sensibil la clădirile alipite de alte construcții.
II.6.3. Alegerea si dimensionarea corpurilor de încălzire statice
Mărimea și numărul corpurilor de încălzire montate într-o încăpere se determină prin calcul, astfel încât cedarea de căldură a acestora să egaleze pierderile de căldură Q, calculate în condiții nominale.
Metoda de calcul are pentru toate tipurile de încălzire aceeași bază teoretică, dar se diferențiază după construcția corpului de încălzire și anume:
corpurile de încălzire alcătuite din elemente (radiatoare, convectoradiatoare SP, convectoradiatoare tip panou CRP etc.);
corpuri încălzitoare având ca mărime caracteristică, lungimea (serpentine, registre, convectoare de plintă etc.);
corpuri de încălzire întregi, ce alcătuiesc o unitate (convectoare).
Într-o încăpere numărul corpurilor de încălzire montate, N, variază în raport cu mărimea necesarului de căldură și cu posibilitățile de montaj (numărul și mărimea ferestrelor) și se apreciază pe baza experienței proiectantului, astfel încât să rezulte o încălzire uniformă a încăperii fără ca suprafața de încălzire să fie dispersată în unități foarte mici. Prin urmare, din necesarul total de căldură al încăperii, unui corp de încălzire îi revine:
[W] (II.6.18.)
Mărimea corpului de încălzire exprimată după caz în număr de elemente componente n (metri de țeavă sau o anumită mărime tip pentru corpurile reprezentând o unitate nedivizibilă) rezultă din relația:
[ W ] (II.6.19.)
în care K este coeficientul total de transfer de căldură al corpurilor de încălzire, în W/m2K; s – suprafața prin care are loc transferul de căldură, în m2, iar tm – diferența medie de temperatură între agentul termic și temperatura de calcul a încăperii.
Diferența medie de temperatură are pentru apa caldă expresia:
[ K sau °C] (II.6.20.)
iar dacă raportul 1,4, diferența medie de temperatură poate fi exprimată considerând temperatura agentului termic ca fiind media temperaturilor de ducere și întoarcere, deci
[K sau °C] (II.6.21.)
În cazul aburului de temperatură ta
[K sau °C] (II.6.22.)
Metoda de calcul normalizată prin STAS 1797–79 face apel la noțiunea de flux unitar nominal
(II.6.23.)
exprimat în W/element, W/m sau W/buc și stabilit în condiții nominale acceptate prin norme internaționale, condiții în care se testează orice corp de încălzire:
temperatura încăperii (celula termică în care se fac testările) ti = +20 °C;
temperatura de ducere a apei calde td = +90 °C;
temperatura de întoarcere a apei calde tr = +70 °C;
temperatura aburului ta = + 100 °C.
II.6.4. Dimensionarea radiatoarelor
Utilizând fluxul unitar determinat în condiții nominale qn, denumit și putere unitară nominală, rezultă că fluxul total al radiatorului alcătuit din n elemente este:
[ W ] (II.6.24.)
Tab.II.6.2. Puterea termică unitară nominală, qn, a radiatoarelor din fontă
de unde: [elemente] (II.6.25.)
Funcționarea corpului de încălzire la alți parametri și în alte condiții decât cele nominale (din celula termică) face necesară introducerea unor corecții astfel încât conform STAS 1797-79:
[elemente] (II.6.26.)
în care:
a – coeficientul de corecție depinzând de numărul de elemente dintr-un corp, ținând seama de faptul că qn s-a stabilit pentru un radiator alcătuit din 10 elemente, iar la un radiator cu un număr mai mare fluxul unitar scade; valoarea coeficientului a se calculează cu relația stabilită experimental:
(II.6.27.)
ct – coeficientul de corecție pentru utilizarea radiatorului la o altă diferență medie de temperatură tm decât cea condițiile nominale, rezultat din relația stabilită experimental potrivit căreia pentru apă caldă:
[W/element] (6.28.)
în care exponentul m caracterizează variația coeficientului total de transfer de căldură al radiatorului în funcție de modificarea diferenței medii de temperatură între agentul termic și aerul încălzit.
Tab.II.6.3. Coeficientul de corecție ct pentru diferența medie de temperatură,diferită de cea nominală, la radiatoarele din fontă.
Tab.II.6.3. Coeficientul de corecție ct
Relația (6.4.5) devine deci
[W/element] (II.6.29.)
cc – coeficient de corecție pentru altă cădere de temperatură a agentului termic apă caldă, diferită de cea nominală; apare ca urmare a modificării în consecință a debitului de agent termic și deci a condițiilor de transfer de căldură și rezultă din relația experimentală:
[W/element] (6.30.)
sau
(6.31.)
Exponentul p caracterizând variația coeficientului total de transfer de căldură al radiatorului alimentat cu apă caldă, în raport cu modificarea debitului de agent termic are valori interesante (diferite de unitate) doar la instalațiile monotub, unde în raport cu modul de racordare al radiatorului poate avea valori între 0,03 și 0,1. La instalațiile curente cc = 1 ca și la instalațiile cu abur.
cr – coeficient de corecție funcție de modul de racordare a radiatoarelor alimentate cu apă caldă, mod care influențează circulația agentului termic.
cm – coeficientul de corecție funcție de modul de montaj a radiatorului, acesta putând influența transferul căldurii prin convecție prin favorizarea sau îngreunarea circulației gravitaționale a aerului și îngreunarea transferului de căldură prin radiație prin efectul de ecran;
ch – coeficientul de corecție pentru altitudine, se calculează cu relația (II.6.32.)
(II.6.32.)
Tab.II.6.4. Coeficientul de corecție pentru altitudine
El intervine datorită faptului că presiunea barometrică dependentă de altitudine influențează caracteristicile fizice ale aerului și apei din schimbul de căldură.
cv – coeficientul de corecție funcție de natura vopselei care influențează transferul de căldură prin radiație. Are valoarea 0,95 pentru vopsele de ulei de culori deschise, 1 pentru culori închise și 0,9 pentru vopsele cu pigmenți metalici. Nu se recomandă vopsirea cu lacuri cu bronz de aluminiu.
Numărul de elemente rezultat din calculul pentru un radiator se rotunjește la un număr întreg. În practică dimensionarea radiatoarelor se sistematizează într-un tabel.
II.6.5. Dimensionarea serpentinelor și a registrelor
Are drept scop determinarea lungimii l a țevilor ce vor constitui registrul sau serpentina. Utilizând și în acest caz noțiunea de flux unitar nominal qn, în W/m rezultă
[W] (II.6.33.)
din care:
[m] (II.6.34.)
Și în acest caz trebuie introduse corecții în funcție de condițiile de exploatare diferite de cele nominale. Puterile termice nominale ale țevilor din oțel netede precum și factorul de temperatură ct sunt indicate în tabele.
II.6.6. Calculul hidraulic al conductelor la instalațiile de încălzire cu apă caldă
Ansamblul de conducte împreună cu accesoriile respective care asigură transportul și distribuția fluidelor formează sistemul hidraulic sau instalația hidraulică. În instalațiile de încălzire asemenea sisteme sunt numeroase, de aceea este necesar să se cunoască fenomenele care au loc la mișcare fluidelor în aceste sisteme, pentru a putea realiza proiectarea, execuția și exploatarea lor în condiții bune.
II.6.7. Relațiile generale de calcul privind curgerea fluidelor în conducte
Curgerea fluidelor în conductele instalațiilor de încălzire este considerată ca o mișcare permanentă și unidimensională, fiind caracterizată prin două mărimi principale: viteza, v și cota piezometrică:
(II.6.35.)
Cota piezometrică reprezintă caracteristica de presiune a circuitului unidimensional. Într-o secțiune transversală a unui curent paralel are aceeași valoare în toate punctele, dar variază în lungul curentului, de la o secțiune la alta. Această variație se datorează faptului că, la curgerea fluidelor reale în conducte, se produce o disipare continuă a energiei hidraulice în căldură prin lucrul mecanic al forțelor interne de vâscozitate. De aceea, la calculul curenților unidimensionali se introduce în plus o mărime numită pierderi de sarcină hr (p), care are două componente: pierderea de sarcină liniară hd (pd) și pierderea de sarcină locală hl (pl):
[m] (II.6.36.)
s-au folosit notațiile din tehnica instalațiilor de încălzire unde pierderea de sarcină se exprimă ca o cădere de presiune
[N/m2] sau [Pa] (II.6.37.)
Pierderea de sarcină liniară hd sau pd caracteristică mișcării uniforme. Reprezintă consumul de energie mecanică a unității de greutate de fluid când aceasta parcurge distanța l, adică este energia consumată pentru învingerea rezistențelor de frecare a fluidului pe pereții interiori ai conductelor:
[N/m2] (6.38.)
Această pierdere de sarcină este dependentă de raza hidraulică, r, de viteza medie a fluidului v, de natura fluidului (caracterizat prin densitatea, , și coeficientul dinamic de viscozitate, ), precum și de rugozitatea absolută a pereților conductelor exprimată prin coeficientul lui Darcy, (coeficient de rezistență hidraulică liniară).
Coeficientul lui Darcy a fost studiat prin cercetări experimentale de Stanton, Prandtl, Nikuradze etc., obținându-se valori pentru regimuri de curgere a fluidelor laminare și turbulente. În tehnica instalațiilor unde regimul de mișcare a fluidelor în conductă este în general turbulent, valoarea coeficientului se poate calcula cu formula lui Colebrook–White:
(II.6.39.)
Panta hidraulică R sau pierderea de sarcină liniară raportată la lungime se calculează cu relația:
(II.6.40.)
Pierderea de sarcină locală hl sau pl caracteristică zonelor cu mișcări neuniforme. Reprezintă suplimentul de pierdere de sarcină care apare de-a lungul curenților în zonele cu schimbări de direcție, cu robinete, schimbări de secțiune de conducte etc.:
[N/m2] (II.6.41.)
în care este un coeficient de rezistență locală, dependent de forma obstacolului care produce rezistența locală și de numărul Reynolds al curentului.
Pierderea de sarcină totală. Pentru dimensionarea conductelor este necesar să se cunoască pierderea de sarcină totală hr (p) între două puncte (secțiuni) ale rețelei, deoarece în general este cunoscută presiunea disponibilă cu ajutorul căreia se pot învinge rezistențele hidraulice pe parcurs.
Pentru un tronson de conductă pierderile de sarcină totale, conform relației (II.6.41.), sunt:
[N/m2] (II.6.42.)
și ținând seama de relațiile (II.6.38.) și (II.6.42.) se poate scrie:
[N/m2] (II.6.43)
iar în cazul unei rețele formate din mai multe tronsoane, pierderea de sarcină totală este:
[N/m2] (II.6.44)
Relația se mai poate scrie:
[N/m2] (II.6.45.)
Unde, ținând seama de ecuația de continuitate , în care exprimând secțiunea conductei în funcție de diametrul, d, în mm și debitul de fluid, G, în kg/h, se obține forma finală a pierderilor de sarcină totale într-o porțiune de conductă:
[N/m2] (II.6.46.)
relație pe baza căreia se face calculul de dimensionare a rețelelor de conducte din instalațiile de încălzire centrală.
În calculele practice curente pot interveni două cazuri:
Cunoscută fiind rețeaua instalației, caracteristicile fiecărui tronson (lungimea l, diametrul d și debitul de fluid G) și traseul cu rezistențe locale, se cere să se determine pierderea de sarcină p. Problema este ușor de rezolvat, calculul rezumându-se la simpla înlocuire a valorilor în relația (II.6.7.12.)și efectuarea operațiilor respective.
Cunoscut fiind traseul rețelei de conducere și caracteristicile fiecărui tronson (lungimea l, debitul de fluid G) și în unele cazuri și presiunea disponibilă H, se cere să se determine diametrele tronsoanelor conductelor. Problema dimensionării este mai dificilă, întrucât coeficientul lui Darcy depinde atât de diametrul d al conductei (care este standardizat), cât și de viteza a fluidului. Întrucât ecuația prezintă două necunoscute ( și d), calculul de dimensionare se face prin încercări, împărțindu-se în două etape:
calculul preliminar, în care se stabilesc diametrele preliminare ale conductelor, presupunând cunoscute fie presiunea disponibilă H (cazul instalațiilor de încălzire cu circulație prin gravitație și abur de joasă presiune), fie viteza fluidului (cazul instalațiilor de încălzire cu circulație prin pompe și abur de presiune joasă);
calculul de verificare, în care se determină pierderea de sarcină reală în funcție de diametrele preliminare ale conductelor stabilite la primul punct, utilizând formula (II.6.7.12.).
II.6.8. Ecuația pierderilor de sarcină în rețelele instalațiilor de încălzire cu apă caldă
Întrucât în instalațiile de încălzire se obișnuiește să se folosească debitul de căldură Q transportat pe conductă, în locul debitului de apă G, ecuația fundamentală a pierderilor de sarcină în conducte (6.8.1.) ia forma:
[N/m2] (II.6.47.)
ținând seama că , unde t reprezintă diferența de temperatură a apei din conductă de ducere și din conducta de întoarcere (t = td – tr), iar c – căldură masică a apei.
Aplicarea formulei (2.30) sub această formă în calculele curente este destul de greoaie, făcând necesară defalcarea și sistematizarea calculului, în pierderi de sarcină liniară și pierderi de sarcină în rezistențe locale.
Pierderea de sarcină liniară unitară este dată de expresia:
(II.6.48.)
Pentru calculele curente pe baza acestei expresii și ținând seama pe de o parte de regimul de curgere, iar pe de alta de valoarea densității medii a apei, corespunzătoare temperaturii de 80 °C, s-a întocmit tabele în care sunt date, în funcție de debitul de căldură Q și de sarcină unitară R, diametrul d al conductei și viteza v a apei, pentru o diferență de temperatură a agentului termic (dus-întors) t = 20 °C. Pierderea de sarcină prin frecare de-a lungul fiecărui tronson de lungime l este pd = Rl.
Pierderea de sarcină locală se calculează cu relația:
(II.6.49.)
cunoscându-se viteza apei și coeficienții de rezistență locală . Tot pentru ușurința calculului s-au întocmit pe baza acestei expresii tabele din care se pot prelua valorile lui Z în funcție de viteza v și = 1.
II.6.9. Calculul rețelelor interioare bitubulare de încălzire cu apă caldă cu circulație forțată
Calculul hidraulic de dimensionare al conductelor instalațiilor bitubulare cu circulație forțată a apei calde constă în determinarea diametrelor și pierderilor totale de presiune, cunoscând configurația rețelei de conducte.
Trebuie cunoscute următoarele date de bază:
schema coloanelor și planul de distribuție;
numărul corpurilor de încălzire;
lungimea, coeficientul de rezistență hidraulică locală și sarcina termică pentru fiecare tronson de conductă;
rugozitatea absolută a conductelor;
temperatura apei în conductele de ducere și întoarcere ale instalației;
diferența de nivel intre capetele fiecărui tronson.
După întocmirea schemei coloanelor și a planului de distribuție se numerotează tronsoanele rețelei. Se face dimensionarea conductelor pe coloană. Se consideră schema coloanei din Fig.II.6.5. unde se cunosc: debitele de căldură la corpurile de încălzire QI, QII, …, QV, cât și debitele de căldură pe tronsoanele de conducte Q1, Q2, …, Q5; poziția corpurilor de încălzire în raport cu baza coloanei h1, h2,…, h5, lungimile tronsoanelor l1, l2,…, l9 și temperatura agentului termic td/tr. Calculul preliminar începe cu alegerea circuitului corpului de încălzire cel mai defavorabil, care trebuie să fie cel mai sus plasat și cel mai încărcat în raport cu baza coloanei (în cazul de față corpul de încălzire RV).
Presiunea disponibilă se determină cu ajutorul relației:
(II.6.50.)
sau
(II.6.51.)
Întrucât presiunea asigurată de pompă la baza coloanei este necunoscută, ea se poate estima astfel:
[Pa/nivel] (II.6.52.)
sau pentru cazul exemplului de față:
[N/m2] (II.6.53.)
Fig.II.6.5. Coloană a instalației de încălzire cu apă caldă cu circulație forțată (1…9 – tronsoane de calcul)
Se determină sarcinile termice de calcul pe tronsoane Q1-5 funcție de care se determină debitele volumice de apă:
(II.6.54.)
în care: – densitatea la temperatura medie între ducere și întoarcere [kg/m3];
c – căldura specifică a apei la temperatura medie între ducere și întoarcere [J/kgK];
t – diferența de temperatură [K].
Deoarece presiunea la baza coloanei este necunoscută, dimensionarea se efectuează pe baza vitezelor economice pentru circuitul principal și pe baza vitezelor maxime admise ale apei în conducte pentru circuitele secundare.
Expresia diametrului este dată de relația:
(II.6.55.)
iar relația pierderii de presiune hidrodinamică este:
(II.6.56.)
în care:
D1-5, L1-5 – diametrul și lungimea tronsonului 1-5;
v – viteza de circulație a apei;
p1-5 – pierderea de presiune pe tronsonul 1-5;
– densitatea apei;
1-5 – coeficientul de rezistență hidraulică liniară a tronsonului 1-5;
1-5 – suma coeficienților de rezistență hidraulică locală a tronsonului 1-5.
Calculul coeficientului de rezistență hidraulică 1-5 se efectuează cu relația:
(II.6.57.)
unde:
(II.6.58.)
(II.6.59.)
(II.6.60.)
în care: este rugozitatea absolută a peretelui conductei; ν – vâscozitatea cinematică a apei, funcție de temperatura acesteia; p – coeficientul de rezistență hidraulică corespunzătoare regimului turbulent pătratic (explicație) de mișcare a apei.
Calculul de verificare constă în stabilirea în mod analog ca la circulația prin gravitație a pierderii de sarcină totale pe întregul circuit al corpului de încălzire RV, care trebuie să îndeplinească condiția:
(II.6.61.)
Calculul se continuă cu dimensionarea racordurilor la celelalte corpuri de încălzire de pe coloană. Astfel, pentru circuitul corpului de încălzire RIV, presiunea disponibilă totală este:
(II.6.62.)
în care presiunea asigurată de pompă HPc se obține din relațiile ((II.6.61.) și (II.6.62.)):
(II.6.63.)
sau
(II.6.64.)
Înlocuind în relația (6.62.)se obține
(II.6.65.)
sau (II.6.66.)
Ținând seama de pierderile de sarcină pe tronsoanele comune 1, 2, 3, 4, din relația (II.6.66.)se obține presiunea disponibilă pentru dimensionarea conductelor racordului de încălzire RIV,
(II.6.67.)
în care după înlocuirea valorii presiunii disponibile HT IV și efectuarea calculelor se obține
(II.6.68.)
În mod analog se obțin și celelalte presiuni disponibile la racordurile corpurilor de încălzire RIII, RII și RI astfel:
pentru racordul corpului de încălzire RIII (tronsonul 7):
(II.6.69.)
pentru racordul corpului de încălzire RII (tronsonul 8):
(II.6.70.)
pentru racordul corpului de încălzire RI (tronsonul 9):
(II.6.71.)
Calculul de verificare constă în stabilirea pierderilor de sarcini totale pe fiecare racord al corpului de încălzire respectiv, care trebuie să îndeplinească condiția:
(II.6.72.)
Pentru dimensionarea rețelei de distribuție se consideră schema unei rețele de distribuție (Fig.II.6.6.) unde se cunosc debitele de căldură pe fiecare tronson Q1,…Q9, lungimile tronsoanelor l1,…l9 și parametrii agentului termic td și tr.
Fig.II.6.46 Rețea de distribuție dintr-o instalație de încălzire cu apă caldă cu circulație forțată
Calculul de dimensionare a conductelor se începe cu circuitul coloanei cel mai defavorabil plasat din punctul de vedere al pierderilor de sarcină (coloana cea mai depărtată de punctul de alimentare S), și cea mai încărcată din punct de vedere termic (în cazul de față se presupune ca fiind coloana V).
Diametrele preliminare ale fiecărui tronson se stabilesc în funcție de debitele de căldură transportate Q5, Q6, Q7, Q8 și Q9 și vitezele optime (crescătoare de la coloană spre punctul de alimentare). Vitezele optime se aleg atât pe considerente economice, cât și tehnice, adică a asigurării unui echilibru hidraulic în rețeaua de conducte. Se poate adopta pentru conductele principale din apropierea punctelor de alimentare viteza de 0,8…1,0 m/s, descrescând continuu până la 0,2…0,3 m/s. Se recomandă ca în calculul preliminar să se pornească inițial cu viteza de calcul de pe ultimul tronson al coloanei de la care se începe dimensionarea (în cazul de față pe tronsonul 5 se va lua în calcul viteza de pe ultimul tronson al coloanei V).
Pe baza vitezelor alese și a debitelor de căldură transportate pe fiecare tronson se determină diametrele preliminare.
Calculul se continuă cu determinarea pierderilor de sarcină totale pentru circuitul de la baza coloanei V la punctul de alimentare S (circuitul pentru care s-au stabilit diametrele preliminare), . Această pierdere de sarcină devine presiune disponibilă Hd în raport cu celelalte circuite ale instalației adică:
[N/m2] (II.6.73.)
În continuare se verifică dacă această presiune disponibilă poate fi consumată pe oricare din circuitele rețelei adică:
(II.6.74.)
În cazul în care această condiție nu este îndeplinită (nu este asigurat echilibrul hidraulic pe fiecare din circuitele rețelei de distribuție), se redimensionează conductele circuitului principal (punctul de alimentare S și baza coloanei V), mărind sau micșorând diametrele unor tronsoane de conducte.
Presiunile disponibile la care se dimensionează racordurile celorlalte coloane sunt:
racord coloana IV ;
racord coloana III ;
racord coloana II ;
racord coloana I ;
iar diametrele se calculează după metodologia indicată, în cazul în care se cunoaște presiunea disponibilă și debitele de căldură.
In concluzie, pentru circuitul principal se determină presiunea motrice necesară în punctul de alimentare, pentru a asigura buna funcționare a tuturor corpurilor de încălzire:
(II.6.75.)
în care: h1-5 este diferența de nivel între capetele tronsonului 1-5; d, r – densitatea apei din conducta de ducere și respectiv de întoarcere; g – accelerația gravitațională.
Termenul al doilea din relația (II.6.75.) reprezintă presiunea gravimetrică datorită diferenței de densitate a apei pe conducta de întoarcere și de ducere, care nu poate fi neglijată decât la clădiri cu mai puțin de trei niveluri, deoarece determină un spor de presiune de circulație, cu atât mai mare cu cât corpul de încălzire este situat la un nivel mai ridicat.
Pentru circuitele secundare, pe care se găsesc celelalte corpuri de încălzire, se calculează presiunea disponibilă în limita căreia se stabilesc diametrele tronsoanelor respective, cu condiția nedepășirii vitezelor maxime admise ale apei în conducte.
În general, o echilibrare perfectă fără organe suplimentare de corecție nu este posibilă din cauza sortimentului restrâns de diametre comerciale. Din această cauză disponibilul excedentar de presiune, calculat ca diferența dintre pierderea de presiune hidrodinamică diminuată cu presiunea gravimetrică, de pe traseul principal și pierderile de presiune diminuate, de asemenea, cu presiunea gravimetrică corespunzătoare, de pe traseul de alimentare a corpurilor de încălzire respective, se preia fie montând robinete de reglare la corpurile de încălzire, fie cu ajutorul diafragmelor de reglare montate pe conductele de distribuție. Diametrul diafragmelor de reglare se determină cu relația:
(II.6.76.)
în care: G este debitul vehiculat prin diafragmă, în dm3/s; H – presiunea disponibilă excedentară, în mm, iar a1 = 27,1-3,55, unde reprezintă raportul între grosimea și diametrul diafragmei.
Calculul suprafeței de încălzire a panourilor radiante
Cunoscute fiind încăperile care urmează a fi încălzite prin radiație, etapele de elaborare a metodologiei de calcul sunt următoarele:
calculul pierderilor de căldură;
alegerea tipului de panou încălzitor (plafon, pardoseală, perete);
calculul preliminar de stabilire a caracteristicilor termice și constructive ale panourilor;
calculul de verificare a panoului radiant și a condițiilor realizate în încăpere.
4.5.2.7.2.1 Calculul pierderilor de căldură
Se aplică relațiile de calcul din SR 1907/1-2014 pentru calculul necesarului de căldură, conform Cap.3.1, cu următoarele amendamente:
– se va ține cont de prevederile subcapitolului 4.3.2. a SR 1907/1 – 2014, precum și a anexelor G și H ale aceluiași standard.
4.5.2.7.2.2. Alegerea tipului de panou încălzitor
La alegere este necesar să se aiba în vedere:
– tipul clădirii și destinația încăperilor;
elementele componente și modul de execuție a planșeelor;
necesarul de căldură de acoperit cu panourile radiante;
distribuția serpentinelor, respectiv a panourilor radiante;
materialele din care sunt executate țevile încălzitoare.
Se recomandă, în general, panourile radiante de pardoseală executate cu țevi flexibile și panourile radiante de plafon, fie cu țevile montate în spațiul de aer, fie cu țevi cu lamele.
4.5.2.7.2.3. Stabilirea caractensticilor termice și constructive ale panourilor radiante
Etapele de desfășurare a calculului sunt următoarele:
calculul fluxului termic unitar pe care trebuie să-l cedeze panoul radiant
[W/m2] (II.6.77.)
în care:
qp – reprezintă pierderile de căldură ale încăperii [W];
– suprafața activă care urmează a fi prevazuta cu panouri radiante [m2];
stabilirea temperaturii medii a panoului radiant , utilizând nomograme;
stabilirea temperaturii medii a agentului termic, respectiv temperatura de ducere și întoarcere a apei calde în funcție de distanța l dintre țevi;
stabilirea suprafeței active a panoului radiant în funcție de distanța l dintre țevi, poziționarea acesteia în planul încăperii;
verificarea condițiilor realizate în încăpere în raport cu cele impuse de normele de confort termic, adică fluxul termic unitar qpc, recepționat de capul omului, calculat cu relația:
[W/m2] (II.6.78.)
să fie mai mică decât fluxul termic admisibil qpcadm, a cărui valoare se poate citi în Tab.II.6.6.
Tab.II.6.6. Valorile admisibile ale intensitatii de radiatie qpcadm asupra capului
în relația II.6.78. semnificația termenilor este următoarea:
hrpc – coeficientul de transfer termic prin radiație între panoul radiant de temperatură, , și capul omului de temperatură , a cărui valoare se calculează cu relația:
(II.6.79.)
Cpc – coeficientul de radiatie Cpc = 4,65 W/m2K, iar
b – este factorul de temperatură ale cărui valori se iau din Fig.II.6.7.;
φpc – coeficientul unghiular mediu, a cărui valoare depinde de mărimea și poziția panourilor radiante în raport cu poziția omului; valorile se pot calcula utilizând relații analitice sau folosind nomograma din Fig.II.6.8.;
-temperatura medie a panoului radiant [°C] (în Fig.II.6.7.);
-temperatura medie a capului omului cu valoarea (, în Fig.II.6.7.);
– coeficient care ține seama de absorbția radiațiilor de către gazele din încăpere (CO2 și vaporii de apă); valorile se iau, în funcție de distanța h dintre panou și om.
Exemple de calcul
Se prezintă două exemple de calcul privind modul de alegere și dimensionare a panourilor radiante de plafon și pardoseală.
Exemplul de calcul 1
Se cere să se încălzească prin radiație de temperatură joasă, utilizând panouri de plafon, o încăpere având dimensiunile 4,00×5,10 m, temperatura interioară = 18 °C și pierderile de căldură = 2500 W. Agentul termic este apa caldă cu temperatura = 60 °C.
Fig.II.6.9. Schemă cu amplasarea panourilor radiante de la exemplul 1
Rezolvare:
– se alege un panou de plafon cu lamele cu lățimea unei lamele l = 400 mm;
– în nomograma din Fig.II.6.10.a, pentru = 60 °C rezultă fluxul unitar cedat de panou qp = 200 W/m2;
– suprafața de încălzire totală: [m2];
– realizarea suprafeței de încălzire (Fig.II.6.9.) se obține alegând o lungime de panou L = 3,0 m și un număr n = 10 benzi de panouri, fiecare bandă având dimensiunile Lxl = 3,0×0,4 m cu distanța d = 0,1 m între ele, rezultând o suprafață activă:
[m2];
– fluxul de caldura cedat de panouri se compune din:
• fluxul de caldură cedat de zona activă:
[W]
• fluxul de căldură cedat de zona de margine; se calculează cu relația:
[W]
unde:
– fluxurile unitare de căldură q'pm și q"pm se obțin din nomograma din Fig.II.6.10.b, astfel:
– pentru distanța d = 10 cm dintre panouri și = 60 °C rezultă q'pm =6,5 W/m;
– pentru spațiul liber din jurul panourilor și temperatura = 60 °C, rezultă
q" = 5,6 W/m.
Fluxul de căldură suplimentar cedat de panouri este:
[W]
fluxul de căldură total cedat de panouri va fi:
[W]
care acoperă pierderile de căldură ale încăperii;
– verificarea condiției impuse pentru asigurarea confortului termic se realizează considerând că întreaga suprafață activă Apa a panourilor are o temperatură medie = 42 °C, valoare obținută din nomograma Fig.II.6.8.a., în funcție de temperatura medie = 60 °C și lățimea unei lamele l = 40 cm.
a) b)
Fig.II.6.10. Caracteristicile termice ale unui panou radiant cu lamele
a – fluxurile termice qp și q’p cedate de zona activă și zona superioară a panoului; b – fluxul termic cedat de zona din jurul panoului.
Temperatura capului s-a considerat:
°C.
Coeficientul de transfer termic:
[W/m2K]
în care valoarea factorului de temperatură b = 1,172 grd3 se obține din nomograme, în funcție de: = 30 °C și = 42 °C.
Coeficientul unghiular mediu:
se obține în funcție de raportul a/h = 3/2,5= 1,2 și b/h = 4,9/2,5 = 1,96, în care se consideră distanța dintre planul panourilor și capul omului h = 2,5 m, iar cele două dimensiuni ale suprafeței radiante a = 3,0 m și b = 4,9 m. Coeficientul de absorbție a radiațiilor se ia ε = 0,1 din tabelul de calcul în funcție de distanța panou-om h = 2,5 m.
Înlocuind valorile de mai sus se obține:
[W/m2]
mult sub limita maximă admisibilă qpc adm = 19 W/m2, valoare mentionată în tabelul 4.5.4.
Exemplul de calcul 2
Se cere să se realizeze încălzirea prin radiație de temperatură joasă, utilizând panouri de pardoseala, unei încăperi având dimensiunile 6,0×4,9 m; temperatura interioară = 20 °C; pierderile de căldura = 2148 W, din care în zona peretelui exterior (cu lățimea de 1 m) = 848 W corespunzător unei suprafețe Ac = 6 m2.
Rezolvare:
se alege o pardoseală finisată cu parchet, cu suprafața încălzitoare executată din țevi flexibile (poliuretan) montate în spirală dublă (Fig.II.6.11.);
Fig.II.6.11. Montarea serpentinelor în spirală dublă:
a – pozarea cu densitate de așezare constantă; b – pozarea cu densitate de așezare mărită de-a lungul a doi pereți exteriori; c – pozarea cu densitate de așezare mărită de-a lungul unui perete exterior.
suprafața încălzitoare a pardoselii se prevede a se executa din două serpentine în spirală dublă:
una în zona de centru și alta în zona de contur, prima având o distantă mai mare între țevile încălzitoare (Fig.II.6.12.).
Fig.II.6.12. Schema cu amplasarea tevilor în planul pardoselii de la exemplul 2
fluxul termic cedat de pardoseala radiantă se calculează conform SR 1907/1 – 2014:
pentru zona centrală:
[W/m2]
pentru zona de contur:
[W/m2]
Tab.II.6.7. Valorile fluxului termic unitar q'p
Tab.II.6.8. Temperaturile maxime Pmax ale panourilor radiante
Fig.II.6.13. Diagrama de calcul a pierderilor de sarcina liniare unitare R pentru conducte din polietilena 17×2 mm
– temperatura medie a pardoselii în cele două variante de realizare a suprafețelor încălzitoare se obține din nomograma din Fig.II.6.14., astfel:
• în zona centrală pentru q = 55,6 W/m2 și temperatura interioara = 20 °C, rezultă = 24,3 °C;
• în zona de contur pentru qp = 141,3 W/m2, rezultă = 32,2 °C;
• temperatura medie a agentului termic în cele două variante se obține din nomograma din Fig.II.6.14 unde:
Fig.II.6.14. Caracteristicile termice ale panoului radiant cu conducte montate liber intr-un spațiu de aer
• în zona centrală pentru q = 55,6 W/m2 și distanța dintre țevi l = 250 mm, se obține:
[°C]
• în zona de contur pentru qp – 141,3 W/m2 și distanța dintre țevi l = 80 mm, se obține:
[°C]
– lungimea totală de țeava utilizată pentru suprafața de încălzit, în cele două variante, se obține tot din diagrama din Fig. 4.5.33, astfel:
• pentru l = 250 mm, revin 4,0 m/m2 de pardoseală, iar pe întreaga zonă centrală:
[m]
• pentru l = 80 mm, revine 12,0 m/m2 de pardoseală, iar pe întreaga zonă de contur:
[m]
– fluxul de căldură cedat, de pardoseala încălzitoare, zonei inferioare se calculează în funcție de straturile componente ale pardoselii. Pentru calculele practice se utilizează Tabelul II.6.7, unde sunt date valorile fluxurilor termice unitare qp' în funcție de distanța dintre țevi l, temperatura medie a agentului termic și temperatura încăperii = 20 °C către care se face cedarea de căldură:
pentru l = 250 mm; = 20 °C; = 38,5 °C rezultă qp'= 11,1 W/m2 (prin interpolare);
pentru l = 80 mm; = 20°C;
= 43,5 °C rezultă q´pc= 20,7 W/m2 (prin interpolare).
– fluxul cedat de pardoseala radiantă:
• pentru zona centrală:
[W]
– pentru zona de contur:
[W]
– fluxul total cedat de pardoseala radiantă:
[W]
care acoperă pierderile de căldură ale încăperii.
– căderea de temperatură pe circuit se calculează cu relația:
[K]
• pentru l = 250 mm:
[K]
• pentru l = 80 mm;
[K]
– debitul de fluid pe un circuit se calculează cu relația:
[kg/h]
• pentru l = 250 mm; ΔT = 23 K și Φ’p = 1561 W:
[kg/h]
• pentru l = 80 mm; ΔT = 13 K și Φ’pc = 972 W:
[kg/h]
Pierderea de sarcină pe fiecare circuit se calculează utilizând diagrama din Fig. II.6.15.
• pentru circuitul cu l = 250 mm, prin care circulă un debit M´p = 58 kg/h, la o viteză v = 0,14 m/s se obține o pierdere de sarcină liniară unitară R = 0,18 mbar/m, iar pentru întregul circuit de lungime L = 93,6 m rezultă:
[mbar]
• pentru circuitul cu l = 80 mm, prin care circulă un debit M´pc = 64 kg/h, la o viteză v = 0,15 m/s se obține o pierdere de sarcină liniară unitară R = 0,22 mbar/m; pentru întregul circuit de lungime L = 72 m rezultă:
[mbar]
Observație: la pierderile de sarcină liniare (R.l) se adaugă și pierderile de sarcină locale, Z care se calculează în funcție de configurația suprafeței încălzitoare (țevi din material plastic în spirală).
Fig.II.6.15. Caracteristicile termice ale unei pardoseli încălzite cu țevi flexibile, cu suprafața finită executată cu mochetă având grosimea de cca 10 mm (temperaturile evidențiate sunt considerate maxime admisibile)
II.6.10. Etapele și modul de desfășurare a calculului de dimensionare pentru o instalație de încălzire
Ordinea de desfășurare a calculului este următoarea:
În Fig.II.6.16. sunt ilustrate etapele și modul în care se desfășoară calculul de dimensionare pentru o instalație de încălzire:
stabilirea zonei de temperatură (exterioară) în care se încadrează clădirea;
precizarea orientării laturilor clădirii față de punctele cardinale;
studiul planurilor arhitecturale => destinația clădirii și a încăperilor;
stabilirea încăperilor ce urmează a fi încălzite și a temperaturilor interioare (numerotarea încăperilor se face pentru fiecare nivel în parte, iar numerotarea camerelor și temperaturile interioare se notează în planuri);
efectuarea calculului necesarului de căldură pentru fiecare încăpere;
stabilirea tipului de instalație de încălzire: corpuri statice, aer cald, prin pardoseală etc.;
amplasarea corpurilor de încălzire în funcție de amplasarea ferestrelor și de înălțimea parapetului;
dimensionarea corpurilor de încălzire având în vedere caracteristicile lor geometrice;
amplasarea coloanelor cât mai aproape de corpurile de încălzire (pentru ca legăturile să fie cât mai scurte);
trasarea conductelor de distribuție în funcție de amplasarea coloanelor;
întocmirea schemelor coloanelor, notarea debitelor și a lungimilor fiecărui tronson de calcul (același lucru se realizează și prin schema conductelor de distribuție);
dimensionarea conductelor având toate aceste elemente stabilite.
Pentru dimensionarea centralelor termice sau a punctelor termice, calculul pornește de la debitul de căldură instalat (corpuri de încălzire), ținând seama, acolo unde este cazul, și de alți consumatori (instalații de ventilare, instalații pentru prepararea apei calde menajere, utilaje pentru spălătorii, etc.).
Fig.II.6.16. Etapele de calcul pentru dimensionarea instalației de încălzire
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: Capitolul Ii Instalatii Incalzire Iulie 2017 Final [309186] (ID: 309186)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.