Construcții Analiza performanțelor unui captator solar în condi ții [605973]

Construcții Analiza performanțelor unui captator solar în condi ții
climatice specifice României • H. Petran, M-L. Radu

53
ANALIZA PERFORMANȚELOR ENERGETICE ȘI DE MEDIU ALE
UNUI CAPTATOR SOLAR PE ÎNTREAGA DURATĂ DE VIAȚĂ A
ACESTUIA ÎN CONDIȚII CLIMATICE SPECIFICE ROMÂNIEI

Horia PETRAN
CS III, dr. ing, INCD URBAN-INCERC, Secția Performa nțe energetice și de
mediu ale construcțiilor durabile, e-mail: hp@incer c2004.ro
Mihai-Lucian RADU
ACS, ing, INCD URBAN-INCERC, Secția Performanțe ene rgetice și de
mediu ale construcțiilor durabile, e-mail: rmihailu [anonimizat]

Abstract . The paper has as main objective the energy and en vironmental
performances analysis of a solar thermal collector for domestic hot water,
during its entire life cycle, in the specific clima tic conditions of Romania.
An energy analysis taking into account the energy f lows which appear
during all phases of the life cycle is presented, t aking into consideration
the energy obtained by the solar collector and the energy consumed during
production process, transport, installation, mainte nance, disposal. These
processes generally consume energy produced in a cl assical way, from
fossil fuels, so different pollutants are generated . Under these
circumstances it’s interesting to observe if the st udied equipment is a truly
ecological one, managing to produce sufficient ener gy to counterbalance
energy consumption and pollutants release productio n processses, normal
use and disposal.

The analysis is performed using available data at E uropean level
considering the production of solar thermal collect ors. The energy
produced by the system is computed based on climati c data for Bucharest
(outdoor temperature and solar radiation).

Key words : Life cycle assessment, Renewable energy, Solar th ermal
collector

1. Introducere
Este cunoscut faptul că sectorul clădirilor
este responsabil pentru aproximativ 40%
din consumul de energie total din Uniunea
Europeană, acest procent fiind în continuă
creștere. Astfel, reducerea acestui consum
și utilizarea energiei din surse regenerabile în cadrul clădirilor constituie măsuri
importante necesare reducerii emisiilor de
gaze cu efect de seră și dependenței
energetice a Uniunii Europene.

Toate produsele și serviciile au un impact
asupra mediului pe parcursul duratei de

Urbanism. Arhitectură. Construcții • Vol. 3 • Nr. 1 • 2012 •

54 viață. Țările europene s-au concentrat
asupra acestui aspect luând în
considerare performanțele de mediu a
produselor/serviciilor ca un punct foarte
important al programelor europene care
vizează mediul înconjurător. Cu alte
cuvinte, problemele de mediu globale pot fi
atenuate numai în condi țiile în care se reduc
consumurile de energie și de materii prime
pentru fabricarea unei unități de produs.

Printre echipamentele ce permit utilizarea
energiei din surse regenerabile se numără
și captatoarele solare termice, utilizate în
special în cadrul clădirilor de locuit și social
culturale pentru prepararea apei calde de
consum. Acestea realizează conversia
dintre energia solară captată și energia
termică transferată fluidului de lucru.

Captatoarele solare sunt prezentate în
general ca “surse curate” ignorându-se
consumul energetic și impactul asupra
mediului al procesului de producție al
acestora, precum și al altor procese legate de
funcționarea eficientă a acestor echipamente.

2. Analiza energetică a ciclului de viață a
produsului
Dorința de a înăspri reglementările în
domeniul protecției mediului a fost
confirmată în „documentul verde al
Politicii Integrate de Produs (PIP)”
(Commission of the European Communities,
2001). Odată cu introducerea pe piață a
unui produs, există puține acțiuni care
mai pot fi întreprinse pentru a-i
îmbunătăți caracteristicile de mediu.
Abordarea PIP urmărește reducerea
impactului de mediu pe ansamblul
ciclului de viață al produsului începând
chiar cu proiectarea acestuia. În plus
promovarea în achizițiile publice a
produselor ecologi ce ar trebui să
stimuleze producătorii în investigarea impactului de mediu al produselor și în
diseminarea informațiilor legate de
mediu într-un format științific precum
declarația de mediu a produsului (DMP).
Pentru ca Politica Integrată de Produs să
fie eficientă, gândirea în ansamblu a
efectelor energetice și de mediu a unui
produs trebuie să fie luată în considerare
foarte serios de către producător.

Evaluarea pe întreaga durată de viață este
instrumentul cel mai bun, disponibil la
momentul actual, pentru caracterizarea
impactului asupra mediului al unui
produs. Pentru a se obține date corecte
este necesar ca datele de intrare să fie
preluate urmărindu-se proceduri
standardizate, detaliate în familia de
standarde ISO 14040, care reprezintă o
metodologie acceptată pe scară largă.

Pe baza acestor standarde, un grup de
cercetători de la Departamentul de
Cercetări Energetice și de Mediu
(DREAM) din cadrul Universității din
Palermo au realizat un studiu de caz ce
are în vedere analiza performanțelor
energetice și de mediu pe întreaga durată
de viață a unui captator solar (Ardente et
al , 2005a, 2005b).

În studiul men ționat datele privitoare la
fazele de produc ție, instalare și
mentenanță au fost colectate în mod
direct apelând la un producător italian.
Datele privitoare la materiile prime și la
sursele de energie au fost considerate, în
general, ca valori medii înregistrate în
Italia, iar când acest lucru nu a fost
posibil s-au utilizat date din alte țări
europene.

Sistemul studiat este are ca element de
conversie a energiei solare un captator
solar termic cu o suprafață totală de
2,13 m2 (2,005 x 1,165 x 0,910 m). Sistemul

Construcții Analiza performanțelor unui captator solar în condi ții
climatice specifice României • H. Petran, M-L. Radu

55 este compus din trei componente
principale:
– Captatorul solar (care include corpul
captatorului, placa absorbantă și
conductele prin care circulă agentul
termic);
– Rezervorul de acumulare (care include
schimbătorul de căldură, mantaua
acestuia, rezistența electrică și
conductele interioare);
– Suportul exterior (utilizat pentru
a fi xa si stemul pe acoperi șul
cladirii ).

Captatorul este un dispozitiv solar pasiv.
Rezervorul de acumulare se racordează la
suprafața absorbantă, constituind
împreună o singură unitate, iar circulația
agentului termic se desfășoară natural.
Astfel circuitul intern al captatorului nu
necesită pompe și deci nu există consum
de energie pentru vehicularea fluidului
de lucru. Acest tip de captator este
recomandat în special pentru locuințe
mici, cu un necesar de apă caldă menajeră
mic sau mediu.

Rezervorul și captatorul se pot instala
direct pe acoperișuri cu pantă, însă de
regulă producătorul furnizează un suport
metalic opțional care permite instalarea si
pe acoperișuri de tip terasă.

Această situație fiind frecvent întâlnită, în
sistemul analizat a fost inclus și suportul
exterior.

Au fost anali zate urmatoarele etape
ale ci cl ului de viață al captatoarelor
solare: producerea și distribuția
energiei și a materiilor prime, procesul
de producție a captatorul ui, instalarea,
mentenanța, procesarea deșeurilor și
transportul necesar pentru fiecare din
aceste etape.
Datele privitoare la procesul de producție
au fost prel evate pri ntr-o anal iză
amănunțită în teren. Procesul de
producție constă în principal în prelucrări
de părți metalice și asamblarea lor
împreună cu alte piese produse în
exterior (de obicei componente metalice
sau plastice mici, auxiliare). Principalele
trei componente (captatorul, rezervorul
de acumulare și suportul) sunt produse
diferit, apoi sunt ambalate și păstrate în
depozite (Fig. 2). În continuare, alte
companii se ocupă de vânzarea,
transportul și instalarea sistemelor solare
la utilizatorii finali.

Fig. 1. Captator solar termic cu rezervor de
acumulare și suport de prindere

Fig. 2 . Fluxul tehnologic de producere a
sistemului captator solar

Urbanism. Arhitectură. Construcții • Vol. 3 • Nr. 1 • 2012 •

56

Fig. 3 . Fluxul tehnologic de producere a captatorului sola r

Fig. 4. Detaliu de fabricare a cadrului captatorului solar

Fig. 5. Fluxul tehnologic de producție a rezervorului de a cumulare

Construcții Analiza performanțelor unui captator solar în condi ții
climatice specifice României • H. Petran, M-L. Radu

57

Fig. 6. Fluxul tehnologic de produc ție a suportului

Conform datelor furni zate de către
producători se presupune că durata
de vi ață a si stemul ui este de 15 ani. În
această perioadă de timp, în li psa
unor deteriorări posibil e datorate
unor acți uni mecani ce (cum ar fi
spargerea vi trajul ui ), si stemul nu
necesi tă o între ți nere frecventă. Ci cl ul
obi șnuit constă di ntr-o verifi care o
dată la 4-5 ani (în total 2-3 verifi cări
pe durata de vi ață).

În ceea ce privește mentenanța, principalele
ipoteze sunt:
– Este nevoie de 2-3 operațiuni de
mentenanța pe durata de viață a
produsului;
– Distanța totală parcursă de tehnicieni
este de 80 km, cu autoturism diesel;
– Fiecare operațiune include înlocuirea
următoarelor componente:
– protecțiile din PVC,
– materialul de etanșare,
– anodul de magneziu,
– rezistența electrică,
– agentul termic (50% apă, 50%
propilen-glicol).

Fabri carea sistemul ui presupune
producerea de deșeuri totalizând 4,4
kg, cu except ția ambalajelor. Compania
producătoare predă mai departe deșeurile
companiei de salubrizare specializată, care
se ocupă de procesarea lor ulterioară. 3. Consumul global de energie
În ceea ce privește consumul global de
energie se pot evidenția următoarele:
– Consumul global de energie
primară este 11,5 GJ Prim . Consumul
de energie directă este de doar 11%,
iar cel de energie înglobată de 89%.
– Energia consumată pentru
producție (542,6 MJ Prim electrici)
reprezintă mai puțin de 5% din
consumul global. Această valoare
demonstrează influența scăzută a
procesului de fabricație în bilanțul
energetic global.
– Consumul de energie (directă și
indirectă) aferent rezervorului de
acumulare este de aproximativ 4,4
GJPrim (38,6% din total).
Producerea captatorului presupune
un consum de energie asemănător
(3,7 GJ Prim 32% din total), în timp ce
pentru suport se consumă mai
puțin (în jur de 1,1 GJ Prim ).
– Procesele de instalare și de procesare
a deșeurilor au o incidență scăzută,
impactul acestora fiind datorat în
principal transportului. În cazul
instalării trebuie precizat faptul că
suportul este utilizat doar pentru
acoperișuri tip terasă. Dacă suportul
este considerat ca făcând parte din
procesul de instalare, contribuția
acestuia în consumul global de
energie va fi de 11,5%.

Urbanism. Arhitectură. Construcții • Vol. 3 • Nr. 1 • 2012 •

58 – Necesarul de energie al celorlalte
componente (rezistența din cupru și
conductele din polietilenă de înaltă
densitate) este mic, de doar 0,2
GJ Prim (0,9% din total). Ambalajul
are o influență mai mare (0,6 GJ Prim
și 2,5% din total).
– Mentenanța presupune un consum
semnificativ de energie (în jur de
11,5% din total). Acest procent
oarecum ridicat este explicat prin
utilizarea consumabilelor (în special
înlocuirea agentului termic).
– Propilen-gli colul este un flui d
derivat din petrol ce presupune
un consum primar de 77,4
MJ P rim /kg. În plus, acest flui d
este utilizat în cantitate mare în
captator (cca. 19 kg pe toată
durata de viață). În mod
corespunzător, acest flui d are o
mare inci dență asupra
rezul tatelor energeti ce (aprox.
13% di n consumul global).
– Transportul presupune consumul
a 700 MJ Prim (6,1% din total).
– Consumul de energie care poate fi
recuperată ul terior pri n arderea
materialelor după expirarea duratei
de viață este de aproximativ 13%
din consumul energetic global. În
jur de 60% este datorat utilizării
propilen-glicolului; acest fluid este
amestecat cu apă pentru obținerea
agentului termic și în general este
evacuat către rețeaua de canalizare
fără vreun proces special de tratare.
– În cadrul întregului ciclu de viață a
produsului se degajă 657 kg CO 2.

4. Determinarea cantității de energie captate
de sistem in condițiile climatice din România
Calculul cantității de energie captate se face
ținând cont de următoarele ipoteze de calcul:
– Captatorul solar se consideră montat
în Municipiul București, astfel că se
vor considera intensitațile radiației solare și temperaturile exterioare
aferente acestei localități, exprimate
în medii lunare pentru fiecare oră de
soare. Captatorul este orientat spre
Sud, la un unghi de 45 o față de
orizontală.
– Valorile indicilor de performanță
energetică a captatorului solar
analizat sunt valori medii pentru
captatoarele solare plane
existente pe piața autohtonă,
respectiv randamentul opti c (η 0)
este egal cu 0,80, eficiența termică
a plăcii absorbante (F’) este egală
cu 0,89 iar coefi cientul global de
transfer termic către exterior (k Σ)
este egal cu 3 W/(m 2*K).
– Debitul de ag ent ter mic pr in captatorul so lar
este de 0,02 kg/(s*m 2), respectiv de 153
kg/h, având în vedere faptul că aria
deschiderii captato rului est e de 2,13 m 2.
– Cantitatea de energie captată în
decursul unei zile și stocată în
rezervorul de acumulare este
consumată integral în decursul unei
zile, temperatura apei în rezervor
ajungând astfel la valoarea inițială.
– Modelul de calcul utilizat ia în
considerare caracteristicile optice și
termice ale captatorului, volumul
rezervorului de acumulare, varia ția
orară a parametrilor climatici ca
valori medii lunare pe durata de
însorire, temperatura apei reci
(Ardente et al , 2005; Contract PN 09,
2011; Duffie, 1992; Iordache, 2008).
– În aceste condiții, au rezultat
următoarele valori ale cantității de
energie captate și a cantității de CO 2
economisite, comparativ cu cazul în
care pentru prepararea apei calde de
consum s-ar fi utilizat combustibili
convenți onali (de exempl u
termofi care).
– Rezultatele sunt prezentate numeric
în tabelul 1 și reprezentate grafic în
Fig. 7 și 8 .

Construcții Analiza performanțelor unui captator solar în condi ții
climatice specifice României • H. Petran, M-L. Radu

59 Tabelul 1. Energia captată și economia de CO 2
luna Energie
captată Economie CO 2
[-] [kWh] [kg]
ianuarie 18,610 6,51
februarie 24,537 8,59
martie 28,113 9,84
aprilie 50,830 17,79
mai 74,298 26,00
iunie 77,871 27,25
iulie 82,696 28,94
august 79,472 27,82
septembrie 67,797 23,73
octombrie 42,722 14,95
noiembrie 19,213 6,72
decembrie 15,623 5,47
Total 581,781 203,62

Fig. 7. Reprezentarea grafică a cantității lunare de
energie captată de captatorul solar

Fig. 8. Reprezentarea grafică a cantității lunare de
dioxid de carbon economisită

5. Perioada de recuperare a consumului
de energie și a emisiilor de CO 2
Perioada de recuperare a consumului de
energie poate fi definită ca perioada de
timp necesară sistemului solar termic
pentru a capta o cantitate de energie
echivalentă celei utilizate pentru realizarea
sa (în valori de energii primare):
unde:
LCA energi e – consumul de energia primară în
timpul tuturor etapelor ciclurilor de viață (GJ);
Eutil ă – produc ție anuală utilă de energie (GJ/an);
EConsum – consumul de energie pentru
utilizarea sistemului de captare a energiei
solare (GJ / an).

În cazul sistemelor pasive, circulația
agentului termic se realizează natural și
deci E Consum are valoare nulă. Consumul
de energie utilă este estimat la 581,781
kWh / an. Perioada de recuperare este în
acest caz de aproximativ 5 ani și 6 luni.
Această val oare demonstrează
viabilitatea acestei tehnologii, având în
vedere că durata de viață a captatoarelor
solare este de cca. 15-20 ani.

Cunoscându-se consumul de energie
utilă, s-a calculat și reducerea emisiilor
poluante (EM S- i). Acest parametru
reprezintă emisiile pe care sistemul
auxiliar le-ar genera pentru a produce
aceeași energie. Valoarea Em S depinde
de tipul dispozitivului de încălzire
auxiliară utilizat.

Impactul global pe toată durata de viață
și reducerea emisiilor sunt rezumate de
un parametru sintetic denumit perioada
de recuperare a emisiilor (EM PT ). Acesta
se definește ca durata de timp după care
reducerea emisiilor generată de
utilizarea sistemului de captare a
energiei solare devine egală cu emisiile
generate în urma producerii acestuia. Se
poate calcula valoarea acestui parametru
pentru fiecare poluant în parte cu relația
următoare:

EM i – emisiile globale ale unui poluant „i”
legate de producție, asamblare, transport,
mentenanță și procesare deșeuri (kg i);

Urbanism. Arhitectură. Construcții • Vol. 3 • Nr. 1 • 2012 •

60 EM S-i – reducerea emisiilor anuale ale
unui poluant „i” (GJ pe an);
EM Co nsum-i – emisiile anuale de poluant „i”
legate de utilizarea sistemului captator solar.
Valoarea EM Co nsum -i este dată de consumul
de energie convențională (în special
energie electrică, pentru pompare) necesară
funcționării sistemului. Pentru sistemele
pasive EM Co nsum -i are valoare nulă.
Perioada de recuperare a consumului de
CO 2 este de aproximativ 3 ani și 2 luni.

Concluzii
Informațiile colectate în cadrul analizei
proceselor de producție, instalare,
mentenanță, transport și procesare a
deșeurilor pot fi un bun punct de plecare
pentru îmbunătățirea performanțelor de
mediu ale produsului. Analiza pe
întreaga durata de viață reprezintă un
element de bază în proiectarea ecologică,
dar în final trebuie considerate și aspecte
precum costul, durata de viață și
performanțele energetice ale produsului.

Cu privire la unitatea funcțională analizată,
consumul de energie primară estimat este de
11,5 GJ, dar energia utilizată în mod direct în
cadrul procesului de producție și instalare
reprezintă doar 5% din consumul total, iar 6%
este consumată pe transport în timpul
diferitelor etape ale ciclului de viață, restul
reprezentând consumul de energie pentru
producerea materiilor prime necesare. Aceste
rezultate dovedesc faptul că necesarul de
energie directă este mai mic decât necesarul
de energie indirectă și prin urmare
considerarea sau neglijarea anumitor
materiale poate duce la erori semnificative. De
exemplu neconsiderarea suportului de fixare
a captatorului conduce la o scădere cu 10% a
consumului de energie. În plus, mentenanța
poate însemna un consum crescut de energie datorită schimbării consumabilelor. Emisiile
indirecte reprezintă 80-90% din totalul
emisiilor și sunt influențate sensibil de
materialele considerate, iar emisiile directe
legate de transport au o incidență de 10-15%
în timp ce emisiile de poluanți către apă și sol
sunt reduse.

Captatoarele solare se dovedesc a fi sisteme
viabile de utilizare a energiei din surse
regenerabile în contextul climatic din
Romania, perioada de recuperare a energiei
consumate fiind cu mult sub durata de viață
estimată a echipamentelor. Din punct de
vedere al emisiilor de CO 2, perioada de
recuperare este și mai redusă, pentru un
captator solar cu performanțe termice medii
fiind de aproximativ 3,2 ani.

Perioada scurtă (în raport cu durata de viață)
de amortizare din punct de vedere energetic
și al emisiilor de poluanți demonstrează
caracterul ecologic al acestor echipamente.

BIBLIOGRAFIE

Commission of the European Communities.
(2001) Green paper on integrated product
policy , COM, 68 Final
Ardente F, Beccali G, Cellura M, Lo Brano V.
(2005) Life cycle assessment of a solar thermal
collector . Renewable Energy 30: 1031-1054
Ardente F, Beccali G, Cellura M, Lo Brano V. (2005)
Life cycle assessment of a solar thermal co llector:
sensitivity analysis, energy and enviro nmental
balances . Renewable Energy 30 : 109-130
Contract PN 09 – 14 03 02 (2011) Performa nțe
energetice și funcț ionale ale echipa mentelor și
sistemelor de captare, conversie și utilizare
termică a energiei sola re în Romania .
Duffie,J., Beckman, W. (1992) – Solar Engineering of
thermal processes, Second edition, John
Wiley & Sons.
Iordache F, (2008) Comportamentul dinamic al
echipamentelor si sistemelor termice – ediția
a III-a, Editura Matrix

Primit : 12 decembrie 2011 • Acceptat în forma finală : 20 ianuarie 2012