Cuprins …………………………………………………………………………………………………. 1 MOTIVAREA ALEGERII TEMEI:… [309997]

Cuprins …………………………………………………………………………………………………. 1

MOTIVAREA ALEGERII TEMEI:

CAPITOLUL 1

[anonimizat] 2

Conceperea unui sistem solar termal pentru fațadă destinat producerii de ACM (algoritm)

CAPITOLUL 3

Algoritm de dimensionare a [anonimizat]- plate

CAPITOLUL 4

[anonimizat], [anonimizat] (Institutul facultății)

CAPITOLUL 5

Prelucrarea datelor experimentale și analiza experimentală a celor 2 variante de montaj

CONCLUZII

CONTRIBUȚII PENTRU REALIZAREA LUCRĂRII DE DIPLOMĂ

MOTIVAREA ALEGERII TEMEI

Am ales această temă din inițiativa de a realiza un sistem practic și util care să producă apă caldă menajeră pentru standul de testare colectoare solare outdoor al Institutului de Cercetare Dezvoltare al Universității Transilvania din Brașov.

[anonimizat].

[anonimizat].

Fațadele clădirilor nemaifiind încălzite așa de puternic de la radiațiile solare oferă un confort termic al aerului climatizat scăzut.

Integrarea colectoarlor solar termice în clădiri are ca și utilizare elemente multifuncționale cum ar fi: [anonimizat], cât și de design arhitectural.

Clădirile existente cu asemenea colectoare sunt responsabile pentru producerea unei cantități mai mari de energie pentru încălzirea apei calde menajere.

Implementarea colectoarelor solare se face pe partea sudică a clădirilor, deoarece radiațiile solare cad direct pe colectoarele solare și au eficiență ridicată.

[anonimizat].

Pentru colectoarele solare implementate în clădiri se pot folosi ambele tipuri de tehnologii: [anonimizat].

În momentul de față tehnologia solar termică reprezintă o [anonimizat].

CAPITOLUL 1

ANALIZA STADIULUI ACTUAL AL CUNOAȘTERII ÎN DOMENIUL SISTEMELOR SOLAR TERMICE ȘI INTEGRAREA LOR ÎN MEDIUL CONSTRUIT

Energia solară este utilizată pentru a [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat]. Cantitățile uriașe ale acestei energii stau la baza majorității proceselor naturale de pe Pământ. În ultima perioadă tehnologia care s-a dezvoltat și s-a pus în practică și s-a ajuns la captarea și stocarea ei într-o anumită formă (în principal căldură sau electricitate) care să pemită utilizarea ei ulterioară.

Energia solară poate încălzi orice tip de locuințe în mod pasiv, datorită construcției acestora (casele pasive) sau poate fi stocată în instalații termice care acumulează energia termică. Căldura generată solar se poate folosi în principal la prepararea apei calde menajere, încălzirea agentului termic responsabil de temperatura ambiantă a casei, încălzirea piscinelor, bazinelor de înot, complexelor acvatice și în procesele industriale (turnurile solare, jgheaburi).

Acum s-au dezvoltat și instalații de aer condiționat care folosesc căldură solară, unde aceasta reprezintă energia principală necesară răcirii aerului pentru climatizarea încăperilor.

Utilizarea energiei solare reprezintă la nivel global cea mai eficientă metodă de a aduce căldura în locuințe. În general, cantitatea de căldură solară ce cade asupra acoperișului unei case, cât și pe fațada ei, este mai mare decât energia totală consumată și utilizată în casă.

Cu mijloace simple, eficiente constructiv și economice, se poate utiliza energia solară pentru a reduce sau chiar pentru a înlocui total celelalte surse de energie covențională necesare traiului dintr-o locuință modernă.

Dezvoltarea globală a adus în ultimul timp un mare progres în tehnologia sistemelor de energie regenerabilă deschizându-se noi oportunități în dezvoltarea resurselor curate ale planetei. Energia solară este inepuizabilă și cea mai abundentă dintre toate sursele de energie regenerabilă. Lumina de la soare pe care o interceptează Pământul este în jur de 2022 MW, iar dacă am folosi corect, ar fi de ajuns pentru toată omenirea. Noua tehnologia fotovoltaică combinată cu cea solară, cât și cea de climatizare reprezintă cel mai bun mod de a folosi la maxim energia primită de la Soare.

Astăzi se încearcă să se combine inteligent aceste trei tehnologii pentru a se integra sistemele în mediul construit și să se ajungă la independență energetică pentru întreaga populație.

În general, sistemele hibride pe care le avem astăzi combină o sursă de energie regenerabilă (în mare parte cea solară, fotovoltaică și cea eoliană) cu o sursa clasică de energie neconvențională pentru a reduce consumul mare de combustibil neregenerabil.

Aportul surselor de energie regenerabilă în producția globală de energie are o creștere semnificativă în ultimii ani, deoarece la începuturile ulizării pe scară largă a acestor surse de energii verzi fiind materializate prin adoptarea Convecției Cadru a Organizației Națiunilor Unite despre schimbările climatice ( Kyoto, 1997), prin care, cele 160 de state semnate, se angajează să reducă emisiile de dioxid de carbon cu 5% în perioada 2008 – 2012, față de nivelul din 1990.

Un impuls major în creșterea aportului surselor de energie regenerabile, în general, și a sistemelor solar termice în special, în producția de energie a Uniunii Europene, îl constituie semnarea în martie 2007 de către șefii de state și de guverne din UE27 a documentului cadru care impune atingerea obiectivului de 20% aport al energiei regenerabile în cadru energiei totale utilizte de către fiecare stat membru UE, până în 2020. În concordanță cu acest obiectiv, prin European Solar Thermal Industry Federation (ESTIF) s-a stabilit ca până în 2020, 50% din energia utilizată pentru încălzire/răcire să fie obținută din sisteme solar termice în industrie, construcții și mediul locuit.

Utilizarea tuturor surselor de energie regenerabilă a impus dezvoltarea continuă a tehnologiilor de fabricare și implementare a sistemelor de conversie a energiei regenerabile în vederea identificării unor soluții caracterizate prin eficiență ridicată, costuri reduse, fiabilitate, adaptabilitate de soluții pentru sistemele utilizate în conversia energiei solare în energie termică (denumite colectoare sau captatoare solare), adaptate la condițiile de locație și mediu din România.

2. ENERGIA SOLARĂ

Dintre formele de conversie a energiei solare, conversia fototermică prezintă un interes deosebit în toaste ramurile de activitate, întrucât căldura obținută poate fi folosită direct ( înmagazinată în direverse medii lichide, gazoase sau lichide) sau indirect (energie electrică, transformări termochimice etc.) [6]

Pământul face parte din sistemul solar și are o mișcare de revoluție în jurul Soarelui și de rotație propriei axe. Radiația solară într-o anumită locație de pe Pământ are aceiași variație anuală din punct de vedere calitativ. Vectorul Pământ – Soare are o mișcare în planul eliptic, unghiul dintre acesta și planul Pământului numindu-se unghi de declinație, δ. Acest unghi variază de la -23,45° pe 22 Decembrie la +23,45° pe 22 Iunie. [2]

Printre soluțiile la problema globală de energie, utilizarea energiei solare este, fără îndoială, una dintre cele mai încurajatoare căi ecomice, viabile, durabile și ecologice. Într-un sistem solar termic, energia solară poate fi exploatată prin încălzirea fluidului de lucru care circulă printr-un colector de căldură. În această lucrare au fost prezentate pe scurt conceptul colectorilor solare integrate pentru clădiri pe acoperiș și mai ales în fațade, cât și aplicațiile de colectare a energiei termice solare integrate și au fost abordate standardele pentru evaluarea performanțelor termice ale acestor sisteme termice solare. Au fost identificate caracteristicile majore, starea actuală și dificultățile existente legate de diferitele tipuri de colectoare solare termice. S-au rezumat și câțiva factori care afectează performanța termică, caracteristicile sistemelor termice solare și posibilitățile de integrare ale acestora în clădiri. Acest studiu facilitează înțelegerea întrebărilor predominante în tehnologia colectoarelor solare, diagnosticând noile direcții de cercetare spre îmbunătățirea performanțelor, abordând problemele importante legate de barierele arhitecturale, proiectarea și instalarea sistemului. De asemenea, această revizuire relevă tendința tehnologiei, în special avansarea din ultimii ani și activitatea viitoare solicitată.

Stratul superior de absorbție a energiei solare poate avea o acoperire selectivă și o configurație internă a conductei pentru a crește raportul de transfer de căldură de la stratul absorbant încălzit la fluxul de aer intern. Un colector de aer termic solar cu suprafață solară este format dintr-un strat de absorbție solară perforată, neglazată. Fluxul de aer încălzit la strat este tras printr-o serie de perforații mici de către un ventilator. O mare parte a aerului încălzit, care altfel ar compune pierderi convective de căldură de pe suprafața încălzită, este astfel încărcată în sistem. La debite relativ mari și la temperaturi scăzute de alimentare, sistemul de colectare a aerului termic solar poate afișa o eficiență ridicată a conversiei solare [57]. O diagramă schematică a aplicării colectorului de aer termic solar este prezentată în Fig. 19

4. Radiația solară pe fațadele solare

În Europa Centrală, iradierea solară anuală pe fațadă este de aproximativ 30% mai puțin decât iradierea pe un acoperiș orientat spre sud, cu o pantă de 45 de grade. O caracteristică ale fațadelor și colectoarelor integrate este profilul regulat al iradierii solare, acest lucru conduce la un randament mai mare în colector pe tot parcursul anului.

Cererea de energie trebuie să fie privită în raport cu iradiere pe zona de colectare în cazul sistemelor solare combinate, aceasta fiind cererea de apă caldă.

Radiația solară reprezintă un flux de energie electromagnetică provenită de la Soare. În spațiul cosmic au loc următoarele procese: un procent aproximativ de 29% este reflectat în spașiul cosmic, aproximativ 20% este absorbit/împrăștiat în atmosferă, fiind parțial radiația difuză (D), si cca. 48% rămâne radiație directă (B) receptată la nivelul suprafeței terestre.

Radiația globală, primită de la Soare, de o suprafață orizontală la nivelul solului pentru o zi senină, se compune din suma radiației directe și radiația difuză. Radiația solară directă depinde de orientarea suprafeței receptoare. Radiația difuză poate fi considerată aceeași, indiferent de orientarea suprafeței receptoare, chiar dacă în realitate există mici diferențe. Radiația solară este influențată de modificarea unghiului de înălțime a soarelui, a înclinării axei Pământului, de modificarea distanței Pământ – Soare precum și de latitudinea geografică.

Senzori

Pentru măsurarea intensității radiației solare totale și difuze sunt utilizate două piranometre. Unul este utilizat pentru determinarea intensității radiației totale, iar celălat (umbrit în timpul realizării experimentelor), este utilizat pentru determinarea intensității radiației solare difuze. [26]

Radiația solară pe fațadă

Fig. 4 Radiația solară distribuită pe fațadă

În figura de mai sus este prezentată efectul solar termic prin care energia solară este convertită în energie termică. În schema sistemului obeservăm cum radiația solară ajunge pe geamul colector care are un strat colorat prin care atrage lumina și o duce la absorbantul solar. O parte din radiația solară este reflectată de sticlă prin procesul de difuzie.

4.1 Captarea radiției solare

Poziția captatorilor solari este definită prin două unghiuri și anume, unghiul de înclinare față de orizontală, prezentat în figura 5 și notat cu α, respectiv unghiul azimutului, reprezentând orientarea față de direcția sudului, prezentat în figura 6. [11]

Fig. 5. Unghiul de înclinare al captatorilor solari față de orizontală

Fig. 6. Unghiul azimutului (orientarea față de direcția Sud) [11]

Figura 7 prezintă într-un mod sintetic, influența combinată a celor doi parametrii care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energiei solare disponibile.

Diagrama a fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obține cu ajutorul acesteia pot fi extrapolate pentru majoritatea țărilor din Europa, inclusiv pentru România. [11]

Fig. 7. Influența combinată a unghiului de înclinare și a unghiului azimutului,

asupra gradului de captare a energiei solare disponibile [11]

Analizând figura 7, se observă că unghiul de înclinare optim, care permite captarea optimă a radiației solare, este de cca. 15…55°, iar abaterea de la direcția Sud, poate să se situeze între ±40° fără a fi afectată capacitatea de captare a energiei solare. Pentru unghiuri de înclinare de 5…65°, radiația solară poate fi recuperată în proporție de 90…95%. Valorile prea reduse ale unghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarece favorizează depunerea de praf și mudărie pe suprafața captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutățirea performanțelor optice ale captatorilor. Pentru abateri de la direcția Sud, de ±60°, la anumite valori ale unghiului de înclinare, se poate recupera de asemenea 90…95% din radiația solară. Chiar și colectorii montați vertical, cu o abatere de până la ±20° față de direcția Sud, pot recupera 80% din radiația solară, ceea ce sugerează posibilitatea montării acestora pe fațadele clădirilor. Pe exemplul din diagramă se observă că în cazul unui unghi de înclinare de 30° și a unei abateri de la direcția Sud de 45°, care corespunde direcției SV, gradul de captare a radiației solare este de 95%. [11]

Ca o consecință a celor menționate, se poate spune că orientarea captatorilor solari față de orizontală și față de Sud, nu este o problemă atât de sensibilă, cum ar putea să pară la prima vedere. [11]

Compoziția spectrală a radiației solare

Principalele componente ale radiației solare care ajunge pe Pamânt și participarea fiecărei componente în radiația globală, din punct de vedere energetic, sunt:

– radiație ultravioletă 3%

– radiație vizibilă 42%

– radiație infraroșie 55%

Fiecărei componente a radiației, îi corespunde câte un domeniu bine definit al lungimilor de undă:

– radiație ultravioletă 0,28 – 0,38 μm (microni);

– radiație vizibilă 0,38 – 0,78 μm (microni);

– radiația infraroșie 0,78 – 2,50 μm (microni). [11]

Intensitatea radiației solare este influențată de următorii parametrii importanți:

poziția Soarelui pe cer (unghiul dintre razele solare și planul orizontal);

unghiul de înclinare a axei Pământului;

modificarea distanței dintre Pământ și Soare. [11]

3. COLECTOARE SOLARE – TERMICE

După modul de construcție, colectoarele solare care nu folosesc concentrarea pot fi plane sau cu tuburi vidate. Acestea au o aplicabilitate mai largă fiind folosite atât în instalațiile solar-termice ale spațiilor industrial – comerciale cât și ale celor casnice – rezidențiale. În general, acestea sunt orientate Sud și înclinate la un unghi optim față de soare, în funcție de locație.

În procesul de transformare e energiei solare în căldură, colectorul solar reprezintă componenta esențială a unui sistem solar-termic. Acesta poate avea diverse forme, construcția sa cunoscând o îndelungată dezvoltare atât în țara noastră cât și în străinătate.

Colectoarele solare sunt dispozitive care captează pe o suprafață, în general plană sau fixă, radiațiile (directe și difuze) solare, le absoarbe și le transformă în căldură. Acesta este transmisă mai departe printr-un agent purtător de căldură unui consumator.

Colectoarele solar-termice (CST) se pot clasifica în funcție de domeniul de utilizare, temperatura de funcționare, agentul termic utilizat și după modul de funcționare.

Colectoarele solare au diversitate de culori în funcție de designul și acceptarea arhitecturală ridicată, iar formele colectoarelor solare diferă de la formele clasice dreptunghiulare la cele trapezoidale, rotunde (dish).

3.1 Colectoarele solar-termice plane

Fig. 1. Colector solar plan plat

Un colector plan plat este format din dintr-o platformă ce constă dintr-o cutie de metal perfect izolat cu sticlă specială pentru atracția luminii solare sau capac din plastic (geam) și o placă de absorbție de culoare închisă care să preia energia calorică care vine de la soare. Radiația solară este absorbită pe placa absorbantă și transferată într-un fliud (apă, antigel sau alt agent termic) care circulă prin colector în tuburi. Acești colectori sunt încălziți de fluidul care circulă la o temperatură mai mică decât cea a punctului de fierbere. Sunt cele mai potrivite pentru aplicații în care temperatura este cuprinsă între 30°- 80° C.

Colectoarele solar-termice plane (CST) au ca agent termic un fluid în stare fie lichidă, fie gazoasă. CST se clasifică în funcție de natura agentlui termic, modul de asigurare a absorbției energiei solare, forma constructivă a ansamblului absorbant și după forma construcivă a canalului agentlui termic.

Randamentul de conversie al colectoarelor solar-termice depinde atât de orientarea colectorului, de tehnologia utilizată pentru construcția colectorului dar și de pierderile de căldură.

3.1.1. Componentele colectorelor solare plane

Colectoarele solare plane reprezintă partea cea mai importantă a sistemelor proiectate să opereze în intervale joase de temperatură (de la temperatura ambientală până la 60°) sau în intervale medii de temperatură (de la temperatura ambientală până la 100°) [AR1], [ME1], [ME2].

Fig. 2. Componentele colectorului solar termic plan plat

Într-un colector plan intervin următoarele componente principale, figura 2

plăcile transparente (1): se referă la unul sau mai multe rânduri de plăci de sticlă cu grosimea de 3-4 mm; majoritatea colectoarelor plane sunt executate din două rânduri de plăci, din care cea montată la exterior este din sticlă, iar cea din interior este o folie din material plastic; [7]

circuitul fluidului purtător de căldură (registru țevi) (2): conduce sau direcționează agentul termic de la intrare la ieșire; el se află plasat între două plăci, și curge printr-un registru de conducte prinse pe placa absorbantă; [8], [9]

placa absorbantă (3): este în general executată dintr-o placă metalică sau din alt material, acoperită cu un strat negru, în vederea creșterii gradului de absorbție a radiației solare și a scăderii gradului de emisivitate; ?

izolația termică (4): reduce pierderile de căldură din părțile inferioare și laterale ale colectorului; [10]

carcasa (5): conține toate componentele colectorului și le protejează de praf, umezeală, șocuri mecanice etc. [8]

3.1.2. Principiul de funcționare

Din punct de vedere funcțional, componenta principală a colectorului solar este elementul absorbant care transformă energia razelor solare în energie termică și o cedează unui agent termic (apă, antigel sau alt agent termic). Cu ajutorul acestui agent termic, energia este preluată de la colector și este fie stocată, fie utilizată direct (ex. apă caldă de consum).

Pentru a reduce pierderile termice inevitabile, este nevoie de o izolare termică a elementului absorbant de mediul înconjurător. În funcție de tehnica utilizată în acest scop se deosebesc:

colectoare ce utilizează materiale izolatoare obișnuite;

colectoare în care izolarea termică se realizează cu ajutorul vidului dar au o tehnologie de fabricație costisitoare;

colectoare ce se bazează pe tehnici simple și care se utilizează la încălzirea bazinelor de înot.

3.2. Colectoare cu tuburi vidate

Colectoarele cu tuburi vidate sunt compuse din mai multe tuburi de sticlă individuale, fiecare conținând o placă de absorber legat la o conductă de încălzire și suspendat în vid.

Colectoarele solare cu tuburi vidate reprezintă o instalație specială. Colectoarele se compun din tuburi paralele în spatele cărora se află reflectoare pentru concentrarea radiației solare. Tuburile vidate sunt compuse din două tuburi de sticlă concentrice între care este vid. Tubul din interior este înconjurat de o suprafață absorbantă de care este atașat un tub de cupru prin care circulă un agent termic. Vidul dintre tuburi reduce la minimum pierderile de căldură prin convecție și conducție, permițând obținerea de performanțe superioare (randament și temperaturi mai mari). Datorită faptului că temperaturile mai mari din instalația de încălzire pot necesita elemente speciale pentru eliminarea pericolului supraîncălzirii. Astfel de colectoare sunt mai eficiente în zonele cu temperatură moderată, utilizarea lor în zone calde justificându-se doar în instalații tehnice unde este nevoie de temperaturi mai mari. Un alt avantaj îl reprezintă faptul că suprafața absorbantă fiind mereu perpendiculară pe direcția razelor solare, energia absorbită este aproape constantă în cursul zilei. Tehnologia utilizată la fabricarea acestui tip de colector este asemănătoare celei de la centralele termice cu jgheaburi parabolice.

Fig.2. Colector cu tuburi vidate

3.2.1. Componentele colectorelor solare plane

Fig. 3. Componentele colectorului solar termic cu tuburi vidate [5]

Într-un colector cu tuburi vidate intervin următoarele componente principale:

Carcasa de aluminiu are rolul de a proteja restul componentelor importante din intalație care necesită funcții de protecție sporită față de mediul exterior

Spuma poliuretanică are rolul de a izola perfect carcasa de aluminiu și resul țevilor din interior

Garnitura din silicon are rolul de a îmbina perfect tuburile solare în carcasa de aluminiu și spuma poliuretanică

Tuburile solare au rolul de a atrage lumina solară și a o concentra către țevile de cupru

Țeava supraîncălzită are rolul de a prelua energia solară concentrată și a încălzi agentul termic

Suportul inferior de fixare a tuburilor. Pe acest suport de oțel inoxidabil sau aluminiu este montat colectorul solar pe acoperiș sau fațadă.

3.2.2. Principiul de funcționare al colectorului solar termic cu tuburi vidate

Apa este stocată într-un rezervor cilindric orizontal, construit din metal și izolat termic, în care se montează tuburile vidate. Acestea sunt realizate cu pereți dubli, din sticlă. între pereții din sticlă ai tuburilor se realizează vid (ca în termosuri), pentru a reduce pierderile termice în mediul ambiant. Pereții exteriori ai tuburilor de sticlă din interior, sunt acoperite cu un strat din material absobant, pentru a capta cât mai eficient radiația solară. Apa din rezervorul cilindric se va stratifica, în funcție de densitate. Straturile cele mai calde vor fi dispuse în partea superioară a cilindrului, iar cele mai reci, vor fi dispuse în partea inferioară a acestuia. Apa rece, va curge prin tuburile vidate, se va încălzi datorită radiației solare și prin efect de termosifon, datorită diferenței de densitate, se va întoarce în rezervor, unde se va ridica în partea superioară a acestuia, acumulându-se în vederea utilizării ulterioare.

Avantajul unor asemnea sisteme este reprezentat de absorbția directă a radiației solare, fără intermediul unui schimbător de căldură.

Dezavantajele sunt datorate faptului că apa circulă prin tuburile din sticlă, care este un material relativ fragil, chiar dacă este vorba despre sticlă solară cu proprietăți mecanice bune. Astfel, circulația apei nu poate fi realizată sub presiune, datorită solicitărilor mecanice la care ar fi supusă sticla. Un alt dezavantaj, este acela că umplerea cu apă a sistemului, trebuie realizată încet și treptat, pentru a nu se produce solicitări termice bruște în tuburi. [23]

Fig. 4. Principiul de funcționare al panoului solar termic cu tuburi vidate [5]

3.3. Colector solar fără geam

Colector solar compus din elemente tubulare plastice care se încălzesc prin expunere la lumina solară și transmit caldura lichidului din instalație. Colectorul solar fără geam nu are niciun tip de element de protecție împotriva dispersiilor termice prin convecție către aerul exterior; din acest motiv, când condițiile nu sunt favorabile (aer rece, lichid foarte cald sau expunere redusă la lumina solară) acest tip de colector are randament zero și nu mai produce apă caldă. Destinat în principal utilizării în timpul verii și în zone cu expunere puternică la lumina solară, pentru încălzirea piscinelor, locuințelor și utilizarea neregulată în timpul verii, dușuri solare.

3.4. Colector solar cu geam plan

Este compus dintr-o placă de captare în care curge lichidul din instalația solară. Suprafața plăcii este în mod normal tratată pentru a captura mai bine radiația solară. Placa de captare este introdusă într-un panou tip sandwich, compus din geamul frontal de protecție și un înveliș din oțel sau aluminiu, izolat în mod adecvat. Tuburile de încălzire, protejate împotriva aerului din exterior de către geam (deasupra) și de stratul izolant (dedesubt și în lateral), asigură o bună producție de apă caldă chiar și în condiții de aer extern rece, temperaturi medii sau ridicate ale agentului termic solar sau expunere la lumina solară medie sau scazută.

3.5. Colectori din plastic emailată

Aceste tipuri de colectoare sunt deobicei realizate din plastic negru sau cauciuc care a fost stabilizat pentru a rezista la razele ultraviolete nefiind izolate. Deoarece ele nu sunt izolate într-o mare parte din căldura absorbită este pierdută, în special când bate vântul și nu este cald afară. Aceste colectoare transferă căldura atât de bine din aer putând capta efectiv căldura în timpul nopții. Din cauza temperaturilor de lucru foarte scăzute acestea sunt utilizate doar pentru încălzirea apei din piscine.

Implementarea colectoarelor solar-termice în fațadele clădirilor

FAȚADE DE CLĂDIRI

Fațada reprezintă fiecare dintre părțile exterioare ale unei clădiri. De asemenea, este cea care determină întreg aspectul unei clădiri. [12]

Fațadele unei clădiri au, pe lângă scopul estetic, și rolul de a proteja întreaga locuință de factorii externi. [12]

O fațadă, pentru a fi foarte eficientă, trebuie să fie perfect izolată, fără să se țină cont de materialele folosite în construcția clădirii. Fațadele trebuie sa păstreze un ambient constant în interior și să permită umidității să iasă din camere, dar nu să rămână în clădire. [12]

Colectoare solare se pot monta pe fațade în poziție verticală perfect paralelă cu clădirea, cât și în poziție înclinată orientată față de soare.

Generalitiăți

Integrarea arhitecturală este printre cele mai importante căi în dezvoltarea și răspândirea tehnologiilor solare termice. Cu toate acestea, calitatea arhitecturală a majorității sistemelor integrate de termoficare solară existente în clădiri este destul de fezabilă, ceea ce reprezintă un avantaj în industria construcțiilor și a instalațiilor. [5]

Tehnologiile solar termice au un rol foarte important deoarece contribuie în reducerea consumului de energie fosil și a emisiilor de gaze cu efect de seră, în ciuda faptului că creșterea prețului petrolului a început recent să scadă piața. [5]

În partea practică, integrarea arhitecturală în clădirii a sistemelor solare termice actuale este în general caracterizată printr-un nivel important de calitate arhitecturală. Cel mai adesea, colectoarele solare sunt considerate doar ca un element tehnic ce se integrează în partea superioară a acoperișului, fie că sunt plate sau înclinate. Datorită montajului înclinat, randamentul anual al sistemelor montate pe acoperiș este maximizat, însă variațiile sezoniere ale producției de căldură provoacă riscuri de supraîncălzire în timpul verii și ar putea face dificilă dimensionarea sistemului în funcție de cererea de căldură. [5]

Utilizarea verticală a colectoarelor ar putea fi o soluție eficientă pentru multe clădiri, deoarece producția de apă caldă rezultată este mai bine distribuită pe parcursul anului. Mai mult, acest lucru mărește considerabil suprafața potențial instalată disponibilă pentru montarea lor, deoarece pot fi utilizate fațadele unde sunt instalate sistemele. (Bergmann, 2002, Kovacs și colab., 2003) [5]

Aspecte specifice fațadelor

Datele climatice influențează în mod indirect conformarea tipului de clădirii, randamentul instalațiilor de utilizare a energiei solare fiind influențat de următorii factori:

-umbrirea naturală sau artificială;

-înclinația și mărimea colectorilor;

-temperatura exterioară (incluzând și mijloace de protecție la ingheț );

-mișcarea maselor de aer; [16]

-poziționarea pe clădire.

Funcțiile unei fațade solare

Funcția de baza este captarea energiei solare și transmiterea ei pentru a fi transfomată în forme de energie utile clădirilor în care locuim și lucrăm. Pe de altă parte, noua tehnologie cu geam solar este mai folositoare casei noastre astfel:

Izolatie termică și acustică, la fel ca orice fereastra termopan triplustrat

Datorita poziționaării mini-modulelor solare oferă soare în timpul iernii și umbră pe timpul verii

Produce agent termic pe tot parcursul anului

Oferă confort în timpul zilelor însorite, captând mare parte din energia solară

Elimină efectul de seră pentru camerele orientate spre sud

Direcționează lumina spre spatele camerelor [25]

Avantajele sistemelor de încălzire în baza colectoarelor solare:

se aduc mari reduceri substanțiale ale cheltuielilor pentru aprovizionare cu apă caldă și pentru încălzire

cheltuiele anuale se reduc pentru încălzirea apei – cu 60%, pentru încălzire – cu 30% la costul de energie electrică

caracterul autonom al sursei de energiei transformate în căldură – al energiei Soarelui

creșterea dublă a termenului de funcționare al sistemului de încălzire existent – a boilerului sau a cazanului cu gaze deja existent, datorită reducerii solicitării acestora în proporție de pînă la 97%

integrarea ușoară în sistemul existent de încălzire sau de aprovizionare cu apă caldă

caracterul ecologic față de mediu și natură

inofensivitatea pentru sănătatea oamenilor, datorită lipsei de componente poluante. [24]

Dejavantaje

Fixarea pe fațadă este cel mai puțin benefică pentru randamentul anual de căldură. În acest caz randamentul anual este diminuat cu circa 30% în comparație cu orientarea optimă pe acoperiș. Instalarea pe orizontală nu reduce semnificativ randamentul anual (-10%).

Instalarea colectoarelor pe fațadă este avantajoasă în următoarele situații:

zone cu căderi masive de zăpadă;

instalația solară este destinată pentru aport la încălzirea centrală;

este necesară reducerea supraîncălziri pe timpul verii;

se dorește umbrirea fațadei;

clădiri care sunt înalte în care vântul puternic poate distruge instalațiile aflate pe acoperiș

Tipuri de integrare arhitecturală

Fig.1. Colectoare solare montate pe acoperiș și fațadă tip umbritor [15]

Fig.2. Colectoare solare instalate pe acoperiș și pe partea sudică a cladirii [15]

Fig.3. Colectoare solare instalate pe balcon [15]

Fig.4. Colectoare solare tip geam solar [15]

Fig.5. Coleactoare solare tip umbritor pentru terasă [15]

Fațade cu orientarea spre soare

Fig.6. Orientarea clădirii după soare [13]

Fațade umbrite

Fig.7. Traditional Green Facade, Lleida, Spain [14]

TIPURI DE FAȚADE

Colectoare plan plate pot fi atașate la fațadă la diferite unghiuri sau de asemenea, ele pot fi deplin integrate în fațadă.

Fațadele cu multe colectoare integrate pot reduce, dar nu să înlocuiască, izolarea termică necesară fațadei. Mai mult, ele pot substitui pentru elemente decorative. Figura 4.1.a [4]

Colectoarele cu tuburile vidate pot fi de asemenea asociate cu componente externe pentru suprafețe verticale. Fiind relativ ușor, unele tuburi vidate pot fi incorporate în scopul de rotație față de soare; ca atare, încât să obțină randamente mai bune decât în special fațade cu colectoare plane-plate. Având în vedere că tuburile trebuie să fie plasate în fața fațadei, ele au un efect redus asupra izolării termice al fațadei. Figura 4.1.b [4]

Radiația solară trece prin izolare și este absorbită de o suprafață plasată în spatele izolației. Figura 4.1.c [4]

În Figura 4.2.d este prezentat un restaurant la atitudinea de 2400 de metrii într-o zonă de ski din Austria cu un colector solare albastru de 120 metri pătrați. [4]

În Figura 4.2.e este prezentată școala canadiană fiind  integrat, de asemenea, SolarWall cu colectoare în fațade. [4]

Integrarea este considerată acceptabilă, deși cu siguranță nu la fel de bună ca exemplul anterior. [4]

Colectoarele solare sunt folosite ca fațade, dar normele care reglementează în raport cu structura cladirii nu sunt la fel de clare ca și în Canadair Hangar. Culoarea permisă colectoarelor solare integrate în perete trebuie luată în calcul în funcție de arhitectura clădirii. [4]

În Figura 4.2.f este reprezentată integrarea SolarWall într-un Hangar Canadair în Canada și este considerată a fi a doua integrare bună. [4]

Sistemul solar fară sticlă funcționează atât ca un colector solar, cât și ca fațadă. Acesta este amplasat pe peretele exterior, întărind structura clădirii. Utilizarea sistemului solar ca și colector solar poate face placarea fațadelor cu elemente de intărire a structurii care face ca integrarea sa fie un succes. [4]

În Figura 4.2.g este prezentat cea mai bună evaluare pentru arhitecți care a fost dată la integrarea balcon. [4]

Modulele solare ocupă întreaga suprafață a parapetului, iar în partea centrului de pe treapta superioară, sunt folosite ca și finisaj exterior în parapet. Dimensiunea și forma modulelor se potrivesc în grila unde se montează și se potrivesc cu stilul fațadei. Geamul satinat al colectorului și culoarea neagră a amortizorului se potrivesc culorii și materialului ferestrelor de mai sus și sunt dimensionate pentru a acoperi complet zona lor. Colectoarele apar ca parte integrantă a clădirii. [4]

Integrarea fațadelor solar termice

Sistemele solare integrate pe fațadă au devenit din ce în ce mai cunoscute, deși colectorii solari sunt în general limitați la acoperișuri. Cu toate acestea, în cazul în care zonele mari de colectori oferă energie pentru încălzirea spațiului, precum și pentru producerea apei calde, integrarea fațadelor are multe de oferit – deși face cerințe considerabile pentru producătorii de sisteme de energii regenerabile.

În principiu, sistemele de încălzire solară sunt utilizate pentru prepararea apei calde în instalațiile regenerabile. Cu toate acestea, atunci când vine vorba de aplicații cum ar fi încălzirea spațiului solar, uneori există o lipsă a unei zone de acoperiș orientate adecvat pentru instalarea colectoarele solare. În plus, atunci când colectorii sunt instalați pe acoperișuri existente, inclusiv pe acoperișuri plate, plantele decorative nu fac parte integrantă din designul arhitectural și se pot evidenția pe linia de acoperiș. Din aceste motive, unele colectoarele solare nu sunt acceptate de unii arhitecți care planifică designul.

Pentru a ajunge la o piață mai largă, sunt necesare sisteme de colectare, care să poată fi integrate în fațadele clădirilor; (Vezi Figura 1). Așa cum a arătat dezvoltarea sistemelor de fațadă pentru colectoarele solare, acest lucru deschide un sector de piață mare și nou. [4]

Fig. 1. Design-ul poate permite un colector integrat la fațadă să primească o iradiere maximă (Sursa: Sonnenkraft, Austria). [4]

Integrarea directă a fațadelor

La fel ca și integrarea acoperișului, există două modalități de integrare a colectorilor în fațadă: colectorii pot fi montați fie cu sau fără un spațiu de aer (spațiu de ventilație) între colector și perete. Din punct de vedere al fizicii clădirilor, instalarea cu un spațiu de ventilație este neprotejată și are aceleași caracteristici ca un acoperiș cald.

Într-un colector integrat direct în fațadă, izolația termică este o componentă a clădirii și a colectorului – nu există o separare termică între colector și perete sub formă de ventilație din spate (figura 2). Deoarece fizica clădirii trebuie luată în considerare pentru un colector integrat cu fațadă directă, acest tip de integrare va fi principalul obiectiv în următoarele cazuri.

În consecință, colectorul, care cuprinde un absorber, un capac transparent, profile din sticlă, agenți de etanșare și benzi de acoperire din tablă, își asumă următoarele funcții:

– acționează ca un colector plat

– îmbunătățește izolația termică a clădirii

– oferă protecție împotriva intemperiilor

– acționează ca element de proiectare structurală pentru fațadă

Fig.2. Secțiune transversală a unui perete cu un colector integrat-fațadă fără ventilație din spate [4]

1- finisaj interior;

2 – perete;

3 – izolatie;

4 – absorbant;

5 – geamuri [4]

Colectoarele integrate pe fațadă oferă, prin urmare, anumite avantaje:

– economii de costuri, deoarece componentele clădirii au mai mult de o funcție

– înlocuirea fațadei convenționale

– potrivirea atât pentru clădirile noi, cât și pentru renovarea clădirilor vechi

Fig. 3. Secțiunea transversală a peretelui cu rame de lemn având colector de fațadă atașat

Izolația colectorului – vată minerală de 40 mm

Izolarea clădirii – vată minerală de 160 mm

Strat de încălzire cu pereți interiori – placă din fibre de lemn de 50 mm

(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X07000576)

CAPITOLUL 2

Conceperea unui sistem solar termal pentru fațadă destinat producerii de ACM (algoritm)

Schema sistemului

Fig.5.

Fig.6.

Fig.7. Schema funcțională a sistemului solar termic

Colectorul solar termic realizează conversia energiei solare în energie termică care este transferată serpentinei inferioare a boilerului prin intermediul unui circuit închis (circuit solar) alcătuit din conducte din cupru, armături de separare, umplere și golire și fitinguri. Acest circuit este umplut cu un agent termic rezistent la îngheț (amestec de apă și propilen glicol, alt agent termic special) care este circulat cu ajutorul pompei de circulație P. Deoarece circuitul solar esteb închis și apar frecvent variații importante de temperatură (10°C … 100°C) este necesar un vas de expansiune (V) care trebuie să compenseze variațiile de volum ale agentului termic. Pentru protejarea instalației la suprapresiuni accidentale, circuitul solar este prevăzut cu o supapă de siguranță (S). Această pompă P este pornită doar atunci când temperatura colectorului solar termic este mai mare decât temperatura apei din boiler sau când este activ programul de răcire de noapte prin care apa din boiler este răcită pe durata nopții în perioadele cu aport solar mai mare decât necesarul de energie termică.

Boilerul are rolul de a stoca energia termică produsă de colectorul solar termic și de a furniza apa caldă menajeră consumatorilor conform programului de consum.

Prin intermediul sistemului digital se monitorizează suplimentar: cantitatea de energie termică produsă de sistemul solar termic prin măsurarea debitului de agent termic din circuitul solar cu ajutorul unui debitmetru (D) și a temperaturilor la intrare și ieșirea în/din colectorul solar termic cu senzorii de temperatură (T); temperatura aerului exterior este măsurată cu ajutorul senzorului de temperatura (Ta). În sistem se folosesc termometre (T), care măsoară temperatură agentului termic din circuit, de asemenea se utilizează și un manometru, care măsoară presiunea agentului termic.

La chiuvetă se consumă apa din boiler atunci când utilizatorii au nevoie de apă menajeră.

Legendă simboluri

Pompa de ciculație

Robinet

Vas de expansiune

DA Dezaerisitor

Debitmetru

Senzor de temperatură

Termometru

Manometru

Supapă de sigurranță

Automatizare

Sistem de monitorizare

Energia solara provenită de la soare cade perpendicular pe colectoarele solare. Acestea folosind procesul solar termic încălzeste apa din instalație. Apa caldă circulă prin instalație și este stocată în boiler. De asemenea când agentul termic din instalație nu are temperatura necesară este încălzit de la o centrală. Pompa instalației asigură circuitul agentului termic în instalație. Temperatura agentului din instalație ar trebui să fie uniformă atât de centarală cât și de colectorul solar

Această instalație realizează apă caldă menajeră, folosind colectoarele solare plan-plate Buderus care ajung la o temperatură de pâna 70 °C. Colectorul este montat pe fațada sudică, având avantajul că este luminat cât mai mult pe timpul zilei de către soare.

Instalația mai cuprinde următoarele componente:

-boilerul

– pompa de ciculație

– robineți

– vas de expansiune

– dezaerisitor

– debitmetru

– supapă de sigurranță

-senzor de temperatură

– termometru

– manometru

În toată instalația se află 50 litri de apă menajera care este pompată în tot circuitul sistemului care utilizează energie solară.

Instalația funcționează 24 de ore în fiecare zi. Pe timpul zilei surplusul de energie este stocat în boiler ca să poată fie utilizat pe timpul nopții.

Componentele Sistemului

Colectorul solar plan plat

Fig. 9. Colector solar plan-plat Buderus – Logasol SKS4

http://www.crs-thoussaint.be/fileadmin/pdf/Fiche_technique_LOGASOL_SKS_4.0__fr_.pdf

http://www.calor.ro/panouri-solare-apa-calda/panou-solar-buderus-logasol-sks-4-0-vertical

Pentru conversia energiei solare în energie termică s-a folosit colectorul solar plan plat, model Buderus – Logasol SKS4 având următoarele caracteristici tehnice din tabelul 1 :

Tab.1. Caracteristicile tehnice ale colectorului solar plan plat

Avantajele panourilor solare Logasol BUDERUS

diverse variante de instalare: pe acoperiș, încastrat, pe acoperiș plan sau fațadă la 45°

instalare simplă și rapidă, fără scule, datorită racordurilor flexibile

raport avantajos calitate/preț

Vasul de expansiune

Pentru preluarea variației volumului agentului termic din circuitul solare este necesară instalarea unui vas de expansiune închis având un volum nominal corespunzător caracteristicilor circuitului solar prezentate mai jos:

Vas de expansiune închis, cu membrană, marca Buderus – Germania tip Logafix D25 / 4-10 bar, culoare albă.

Se montează pe intrare apa rece în boiler, împreuna cu o supapă de siguranță sau pe racordul de recirculare apă caldă menajeră [29]

Vasul de expansiune este un element de siguranță care preia volumul suplimentar de agent termic dintr-o instalație datorită dilatărilor. Într-o instalație cu circuit închis și circulație forțată, volumul instalației este fix. Datorită modificării densității agentului termic, odată cu încălzirea lui, variația volumului agentului termic din instalație este preluată de vasul de expansiune, astfel încât presiunea să nu crească în instalație. [17]

Vasul de expansiune este un sistem închis, separat în doua printr-o membrana elastică de cauciuc. Pe de o parte avem pernă de aer iar pe cealaltă parte volumul agentului termic. În timpul încălzirii agentului termic, acesta iși măreste volumul, iar excesul astfel rezultat, intră în vas și comprimă perna de aer prin intermediul membranei elastice de cauciuc. Volumul vasului de expansiune și presiunea de preincarcare a pernei de aer sunt astfel calculate încât variațiile de presiune ale agentului termic din instalație să se încadreze în anumite limite. [17]

Capacitate: 25 L

Fig.8. Vasul de expansiune Buderus Logafix D25 Alb

Boilerul

Sistemul folosește un boiler cu o capacitate de 500 de litri. Caracteristicile tehnice ale acestuia următoarele: [27]

Tab.2. Caracteristicile tehnice ale boilerului

Rolul boilerului este de a acumula apa caldă și a o furniza într-o anumită cantitate și la un moment dat. [18]

Volumul nominal: 500 L

Fig.9. Boilerul

Pompa de circulație

Pentru circularea agentului termic prin circuitul solar se va folosi o pompă hidraulică centrifugală care trebuie să realizeze debitul volumic de 100 litri/oră impus prin sistemul solar termic și să asigure presiunea necesară învingerii pierderilor de sarcină liniare și locale prin conductele și respectiv fitingurile circuitului solar și a pierderilor de sarcină în componentele sistemului solar (colector solar, boiler etc.).

Pompele de recirculare a apei calde se montează în cadrul instalațiilor de circulație a apei menajere. Practic, rolul pompei de recirculare este acela de a înlocui rapid apa racită din țevi, trimițând-o în boiler prin instalația de apă rece, cu apa fierbinte. [19]

POMPE DE CIRCULATIE WILO STAR ST

Aceasta pompă de circulație este o pompă cu rotor umed, cu racord filetat. Trepte de turație selectabile pentru reglarea puterii

Particularități/avantaje ale produsului

Instalație hidraulică specială pentru utilizarea în instalațiile de energie termică solară

Consum de energie cu până la 30% mai redus datorită tehnologiei motorului clasa B

Carcasa pompei cu cap pentru cheie

Carcasa pompei cu strat de acoperire prin cataforeza (KTL), pentru evitarea coroziunii la formarea condensului

Date tehnice

Domeniu de temperatură admis între -10°C și +110°C, funcționare de scurtă durată (2 ore) +120°C

Alimentare electrică 1~230 V, 50 Hz

Grad de protecție IP 44

Racord filetat Rp ½ si Rp 1

Presiune de lucru max. 10 bar

Dotare si funcții

Regimuri de funcționare

Comutarea turației în trepte

Echipare

Loc pentru cheie la corpul pompei (doar la un diametru nominal DN 25)

Introducerea cablului este posibilă prin ambele părți

Racordare rapidă cu borne cu arcuri

Motor rezistent la curentul de blocare

Materiale

Carcasa pompei: fontă cenușie

Rotor hidraulic: Polipropilenă

Arborele acestei pompe de circulație este de otel inoxidabil

Lagar: carbune impregnat cu metal

Domenii de utilizare

Instalații termosolare High flow și Low flow [28]

Fig.10. Pompa de circulație Wilo

Debitmetru

Acest instrument foarte util pentru sistem măsoară eficient debitul de agent termic din toată instalația

Fig.11. Debitmetru MTWI ZENNER

Contoarele de apă caldă MTW ZENNER sunt cu mecanism uscat, cu transmitere magnetică, cu posibilitate de montare pe orizontală.

Contoarle au următoarele componente :

corp din alamă cu canal de intrare-ieșire a apei, pe canalul de intrare fiind prevăzut cu filtru;

turbina – dispozitiv de măsurare ce funcționează sub acțiunea apei;

integrator mecanic alcătuit din 5 tamburi cifrați și 4 cadrane cu ac indicator și scară gradată cu valoarea diviziunii de 0,05 dm³;

cuplaj magnetic care asigură transmiterea mișcării între turbine și integratorul mecanic; [34]

Automatizarea

Are rolul de a menține sistemul în perfectă funcționare cu toate instalațiile din dotare

Avantaje:

dimensiuni automatizare (L x I x A): 190 x 170 x 50 mm

display LCD cu pictograme animate, iluminate în fundal

utilizare simpla pe baza pictogramelor

circuit solar animat pentru afișarea stării de funcționare a instalației

se montează pe perete. [31]

Fig.12. Automatizarea Buderus Logamatic SC20/2

Am prelucrat datele experimentale măsurate cu dispozitivul Solys 2 prezentat în imaginile următoare:

Fig. Dispozitivul Solys 2

Radiația solară se măsoară în general cu ajutorul unui piranometru prin care se vede toată emisfera de deasupra lui și intră în contact cu radiațiile care vin atât de la soare, cât și de la cer, de fapt cu radiația solară globală. Acesta poate măsura precis și radiația directă care provine de la soare.

Dispozitivul este compus din:

un pirheliometru care este fixat pe partea laterală a dispozitivului de urmărire solară, având scopul de a urmări arcul solar mișcându-se pe orizontală (azimut) și pe verticală (zenit). Pentru a efectua măsurători corecte acest dispozitiv trebuie direcționat spre soare cu precizie mare. Acesta măsoară radiația directă (B) provenită de la soare.

un piranometru (cel din stânga-umbrit) care măsoară radiația solară difuză în plan orizontal (Dh), montat pe dispozitivul de urmărire. Pentru ca radiațiile solare sa nu ajungă la piranometru, acesta este umbrit cu un ansamblu de umbrire.

un piranometru (cel din mijloc) care măsoară radiația solară globală în plan orizontal (Gh)

un pirgeometru (cel din dreapta) care măsoară radiația infraroșie (componenta IR) [32]

Fig. Stația meteo

Stația meteo este compusă dintr-un senzor de temperatură/umiditate, având și un senzor de vânt/ploaie. Toate componentele sunt conectate prin cablu la senzorul de temperatură/umiditate; emițătorul pentru transferul wireless al datelor măsurate este integrat în senzorul termo-higrometric. Prin acest dispozitiv se măsoară temperatura aerului exterior, viteza vântului și direcția vântului. Toate datele vin monitorizate la dispozitivul Data Logger. [33]

https://www.germanelectronics.ro/timp-liber-electrocasnice/meteo/statii-meteo-digitale/statie-meteo-wireless-usb-cu-touchscreen-672861.html

Cea mai buna statie meteo pentru acasa

Date de proiectare:

– destinație clădire: LOCUINȚĂ;

– locație clădire: BRAȘOV;

– număr de utilizatori: 2 persoane.

– orientare acoperiș: azimut 0°, elevație 0°;

1. Evaluarea necesarului de energie termică pentru prepararea apei calde menajere.

Necesarul zilnic de energie termică pentru prepararea apei calde menajere determinat conform Normativul I9-2015 [20] pe baza datelor de proiectare este de 6.98 kWh/zi (Tab. 1.1).

Tab. 1.1 Necesarul zilnic de energie termică pentru prepararea apei calde menajere

Necesarul lunar și respectiv anual de energie termică pentru prepararea apei calde menajere va fi proporțional cu numărul de zile N din perioada evaluată (Tab.1.2).

Tab. 1.2 Necesarul lunar și anual de energie termică pentru prepararea apei calde menajere

Variația lunară a necesarului de energie termică pentru prepararea apei calde menajere este prezentată în Fig. 1.1.

Fig. 1.1 Necesarul lunar de energie pentru prepararea apei calde menajere

Ezi = nu*q*c* ρ*(tac-tar)* = 2*60*4190*1*(60-10)* = 6.98 kWh/zi

Elună = Ezi * N

2. Evaluarea energiei solare disponibile și captate în funcție de locația de implementare și de orientarea acoperișului clădirii cu ajutorul Meteonorm.

Cu ajutorul aplicației Meteonorm [21] pentru locația clădirii și orientarea acoperișului, se obțin valorile lunare ale energiei solare disponibile, temperaturii aerului exterior și vitezei vântului, prezentate în tabelul 2.1.

Tabel 2.1. Parametrii meteo pentru Brașov

Variația lunară a parametrilor meteo pentru locația de implementare este prezentată în Fig. 2.1

Figura 2.1. Energia solară disponibilă și temperatura aerului exterior în Brașov

Figura 2.1. Energia solară disponibilă și temperatura aerului exterior în Brașov

3. Evaluarea energiei solare disponibile și captate în funcție de locația de implementare și de orientarea acoperișului clădirii cu ajutorul modelelor matematice.

Utilizând modelul Meliss [22] și factorul de turbiditate TL determinat experimental pentru Brașov [4], energia solară disponibilă într-o zi senină (15 iunie) în Brașov este de 12143 Wh/m2 iar energia captată de un colector solar termic dispus în planul acoperișului având αn = 0° și ψn = 0° este de 7361 Wh/m2 (Tab.3.1).

Tab.3.1 Energia solară disponibilă și captată de un colector solar termic dispus în planul acoperișului având αn = 0° și ψn = 0°, în condiții de cer senin, pentru ziua de 15 iunie, în Brașov

Energia solară disponibilă și captată lunar respectiv anual se obțin considerând că ziua de 15 a fiecărei luni este o zi senină, valorile energiei solare disponibile și captate în aceste zile fiind ponderate cu factorii lunarși de traversare al norilor (FCC) și al radiației difuze (CD) determinați experimental pentru Brașov [4], și înmulțite cu numărul de zile al fiecărei luni în parte. Valorile obținute sunt prezentate în Tab.3.2.

Tab.3.2 Energia solară disponibilă și captată lunar în Brașov de un colector solar termic dispus în planul acoperișului având αn = 0° și ψn = 0°

Curbele de variație ale energiei solare disponibile și captate lunar în Brașov de un colector solar termic dispus în planul acoperișului având αn = 0° și ψn = 0° sunt prezentate în Fig.3.2.

Fig.3.2. Curbele de variație ale energiei solare disponibile și captate lunar în Brașov de un colector solar termic dispus pe fațadă având αn = 0° și ψn = 0°

MODELAREA RADIȚIEI SOLARE DISPONIBILE

Se calculează radiația globală cu relația:

G = B + D [W/m2] (1)

B – radiația solară directă, care se calculează cu relația:

B = B0 exp (- ) [W/m2] (2)

B0 – radiația extraterestră, care se calculeză cu relația:

B0 = 1367 · [1 + 0.0334 · cos(0.9856°N – 2.72°)] [W/m2] (3)

N – numărul zilei din an

TL – valoarea factorului de turbititate

α – altitudinea sau unghiul de elevație al razei solare ( depinde de timpul solar ts), care se calculează cu relația:

α = sin-1(cosδ · cosω · cosφ + sinδ · sinφ) (4)

ω – unghiul diurn (unghiul orar) al orientării razei solare ( de tip ecuatorial, care se calculează cu relația:

ω = 15° · (12 – ts) (5)

ts – timpul solar

δ – unghiul de elevație al orientării razei solare ( de tip ecuatorial), care se calculează cu relația:

δ = 23.45° · sin (6)

φ – latitudinea

D – radiația solară difuză, care se calculează cu relația:

D = 0.5 ·DH · (1 + sinα) (7)

DH – radiația difuză în plan orizontal, care se calculează cu relația:

DH = Dmax = CD · ( B0 – B) · sinα = CD · ΔBH [W/m2] (8)

CD – factor mediu lunar, care se calculează cu relația:

CD ≈ (9)

E ( DH ), E (ΔBH ) – energiile radiațiilor DH și ΔBH determinate, în condițiile reale ale locației considerate, entru un anumit interval de timp (oră, zi, lună, sezon, an, etc. )

(B0 – B) · sinα = ΔBH – pierderea de radiație directă, în urma traversării atmosferei terestre, raportată la planul orizontal

Gh – radiația solară globală în orizontal, care se calculează cu relația:

Gh = Bh + Dh [W/m2] (10)

Bh – radiația solară directă în plan orizontal

Dh – radiația solară difuză în plan orizontal

Gnexp – radiația solară captată experimental, care se calculează cu relația:

Gnexp = Bnexp + Dnexp [W/m2] (11)

Bnexp – rdaiația solară directă experimentală, care se calculează cu relația:

Bnexp = Bexp·cosν (12)

Dnexp – radiația solară difuză experimentală, care se calculează cu relația:

Dnexp = · Dhexp · ( 1 + sinα) (13)

Se calculează radiația solară globală în condiții de cer mediu cu relația:

Gm = Bm + Dm [W/m2] (10)

Bm – radiația solară directă în condiții de cer mediu, care se calculează cu relația:

Bm= B · FCC [W/m2] (11)

FCC – factorul de treaversare a norilor de către radiația directă

Dm = Dhm · [W/m2] (12)

Dhm – radiația solară difuză în plan orizontal în condiții de cer mediu, care se calculează cu relația:

Dhm = CD · (B0 – B) · sin α [W/m2] (13)

MODELAREA RADIAȚIEI SOLARE CAPTATE

Radiația solară captată se determină cu relația:

Gn = Bn + Dn [W/m2] (14)

Gn = Bn + Dn = + (15)

Bn – radiația solară directă, care se calculează cu relația:

Bn = B·cosν (16)

Dn – radiația solară difuză, care se calculează cu relația:

Dn = 0.5·DH[1+cos(90-αn)] = 0.5· DH(1+sin αn) (17)

Pt = SCST × Gn × ηCST [W] (18)

Pt – puterea termică calculată

SCST – suprafața colectorului (19)

ηCST – eficiența colectorului, care se calculează cu relația: (20)

η CST = η0 – k1· – k2· [%] (21)

η0 – performanța optică (de la producaător)

k1 – coeficient pierdere căldură 1 (de la producaător)

k2 – coeficient pierdere căldură 2 (de la producaător)

ΔT = Tm – Ta [°C] (22)

ΔT – diferența de temperatură

Tm – temperatura medie colector, care se calculează cu relația:

Tm = [°C] [23]

Ta – temperatura aerului exterior

Capitol

Prelucrarea datelor experimentale

Fig. Sitem de monitorizare

Descrierea sitemului de monitorizare

Sistemul de monitorizare din standul de testare colectoare solare outdoor are urmăoarele componente:

Un senzor de temperatură T1 de tip Pt 500; acesta măsoară temperatura care iese din colectorul solar plan plat montat pe fațadă

Un senzor de temperatură T2 de tip Pt 500; acesta măsoară temperatura care inră în colectorul solar plan plat montat pe fațadă

Un debitmetru; acesta măsoară debitul agentului termic ce circulă prin colectorul la ieșire

Un contor de energie termică te tip SHARKY folosit pentru măsurarea consumului de energie în sistemul de încălzire

Un calculator cu interfață ce măsoară celelalte date de la componentele sistemului de monitorizare stocate într-o bază de date

Fig. Contor Sharky

Fig. Debitmetru

Fig. Senzorii de temperatură T1, T2

http://axima.md/SiteDocs/ProductManuals/Manual_41.pdf (contor sharky)

http://www.etserv.ro/userfiles/file/fise-tehnice/SHARKY%20775.pdf

http://www.fasteco.ro/download/Senzori%20de%20temperatura%20Pt500.pdf (senzor de temperatura Pt 500)

SIMULĂRI NUMERICE

În ziua solstițiului de vara din data de 21 iunie 2016, observăm că în graficul radiației solare directe, de la ora 4:00 pâna la ora 20:00, colectorul captează radiația maximă directă de 360 W/m2 în miezul zilei față de radiația solară directă disponibilă de 945 W/m2.

În graficul radiaței solare difuze, obeservăm că în același interval de ore, colectorul captează radiația solară maximă difuză de 90 W/m2, la mijlocul zilei față de radiația solară difuză disponibilă de 185 W/m2.

În graficul radiaței solare captate, rezultă că în intervalul de ore 4:00-20:00, colectorul captează radiația maximă globală de 450 W/m2 în mijlocul zilei în raport cu energia solară globală disponibilă de 1130 W/m2.

În solstițiul de iarnă din data de 21 decembrie 2016, observăm că în graficul radiației solare directe, de la ora 4:00 pâna la ora 20:00, colectorul captează radiația maximă directă de 685 W/m2 în miezul zilei față de radiația solară directă disponibilă de 730 W/m2.

În graficul radiaței solare difuze, obeservăm că în același interval de ore, colectorul captează radiația solară maximă difuză de 35 W/m2, la mijlocul zilei față de radiația solară difuză disponibilă de 50 W/m2.

În graficul radiaței solare captate, rezultă că în intervalul de ore 4:00-20:00, colectorul captează radiația maximă globală de 720 W/m2 în mijlocul zilei în raport cu energia solară globală disponibilă de 780 W/m2.

În echinocțiu de primăvară din data de 20 martie 2016, observăm că în graficul radiației solare directe, de la ora 4:00 pâna la ora 20:00, colectorul captează radiația maximă directă de 665 W/m2 în miezul zilei față de radiația solară directă disponibilă de 920 W/m2.

În graficul radiaței solare difuze, obeservăm că în același interval de ore, colectorul captează radiația solară maximă difuză de 70 W/m2, la mijlocul zilei față de radiația solară difuză disponibilă de 120 W/m2.

În graficul radiaței solare captate, rezultă că în intervalul de ore 4:00-20:00, colectorul captează radiația maximă globală de 735 W/m2 în mijlocul zilei în raport cu energia solară globală disponibilă de 1040 W/m2.

În echinocțiu de toamnă din data de 22 septembrie 2016, observăm că în graficul radiației solare directe, de la ora 4:00 pâna la ora 20:00, colectorul captează radiația maximă directă de 660 W/m2 în miezul zilei față de radiația solară directă disponibilă de 905 W/m2.

În graficul radiaței solare difuze, obeservăm că în același interval de ore, colectorul captează radiația solară maximă difuză de 70 W/m2, la mijlocul zilei față de radiația solară difuză disponibilă de 120 W/m2.

În graficul radiaței solare captate, rezultă că în intervalul de ore 4:00-20:00, colectorul captează radiația maximă globală de 730 W/m2 în mijlocul zilei în raport cu energia solară globală disponibilă de 1025 W/m2.

În consecință, cea ai mare cantitate de radiație solară este captată în solstițiu de iarnă, apoi în echinocțiu de primăvară și toamnă, iar în solstițiu de vară cantitatea de radiație solară este ma mică deoarece lumina nu cade perpendicular pe coletorul solar.

Testatre experimentală

Au fost analizate datele din lunile ianuarie, februarie, martie….

grafice (putere, energie)

Modelarea matematică

Ianuarie

A fost aleasă cea mai senină zi din perioada evaluată, adică 31 ianuarie, pentru care valorile sunt prezentate în figura de mai jos

Fig. Puterea termică din luna ianuarie

Fig. Energia termică din luna ianuarie

Februarie

A fost aleasă cea mai senină zi din perioada evaluată, adica 11 februarie, pentru care valorile sunt prezentate în figura de mai jos

Fig. Puterea termică din luna februarie

Fig. Energia termică din luna februarie

Martie

A fost aleasă cea mai senină zi din perioada evaluată, adica 4 martie, pentru care valorile sunt prezentate în figura de mai jos

Fig. Puterea termică din luna martie

Fig. Energia termică din luna martie

Ianuarie

Primul pas pentru prelucrarea datelor a fost corecția timpul solar cu timpul local, deoarece calculele au fost realizate pentru timpul solar, iar datele măsurate au fost decalate cu un interval de timp, astefel încât curbele să se suprapună.

1) Prima dată s-a corectat valoarea factorului de tubiditate (TL) asttfel încât energia solară directă calculată (EB) să fie aproximativ egală cu energia solară directă experimentală (EBexp).

Pentru TL = 2,8: EB = 5,80 și EBexp = 6,12

A trebuit modificat TL = 2,6 astfel încât EB = 6,12

2) S-a corectat valoarea factorului mediu lunar (CD) astfel încât energia solară difuză calculată (EDh) să fie aproximativ egală cu energia solară difuză experimentală (EDhexp)

Pentru CD = 0,35: EDh = 0,64 și EDhexp = 0,54

A trebuit modificat CD = 0,295 astfel încât EDh = 0,54

Fig. Radiația solară globală în luna ianuarie

Fig. Radiația solară difuză în luna ianuarie

Fig. Radiația solară directă în luna ianuarie

Fig. Radiația solară captată în luna ianuarie

Fig. Puterea termică în luna ianuarie

Valorile energiei solare experimentale arată ca eficineța este tot timpul maximă, pe când energia solară calculată arată partea reală de fața locului.

Februarie

1) Prima dată s-a corectat valoarea factorului de tubiditate (TL) asttfel încât energia solară directă calculată (EB) să fie aproximativ egală cu energia solară directă experimentală (EBexp).

Pentru TL = 2,9: EB = 6,25 și EBexp = 5,86

A trebuit modificat TL = 3,16 astfel încât EB = 5,86

2) S-a corectat valoarea factorului mediu lunar (CD) astfel încât energia solară difuză calculată (EDh) să fie aproximativ egală cu energia solară difuză experimentală (EDhexp)

Pentru CD = 0,45: EDh = 0,98 și EDhexp = 0,79

A trebuit modificat CD = 0,345 astfel încât EDh = 0,79

Fig. Radiația solară globală în luna februarie

Fig. Radiația solară difuză în luna februarie

Fig. Radiația solară directă în luna februarie

Fig. Radiația solară captată în luna februarie

Fig. Puterea termică în luna ianuarie

Martie

1) Prima dată s-a corectat valoarea factorului de tubiditate (TL) asttfel încât energia solară directă calculată (EB) să fie aproximativ egală cu energia solară directă experimentală (EBexp).

Pentru TL = 3: EB = 7,38 și EBexp = 7,39

A trebuit modificat TL = 2,995 astfel încât EB = 7,39

2) S-a corectat valoarea factorului mediu lunar (CD) astfel încât energia solară difuză calculată (EDh) să fie aproximativ egală cu energia solară difuză experimentală (EDhexp)

Pentru CD = 0,45: EDh = 1,19 și EDhexp = 0,62

A trebuit modificat CD = 0,235 astfel încât EDh = 0,62

Fig. Radiația solară globală în luna martie

Fig. Radiația solară difuză în luna martie

Fig. Radiația solară directă în luna martie

Fig. Radiația solară captată în luna martie

Fig. Puterea termică în luna martie

Aceste grafice ne ajută să diferențiem raportul de eficiență și aportul de enrgie ale coletoarelor solare montate pe fațadă față de cele montate pe acoperiș.

Aceste colectoare instalate pe fațadă au eficiență ridicată pe timpul iernii, deoarece razele solare cad perpendicular pe colector, iar vara eficiența este mai scăzută, deaorece razele solare nu cad perpendicular pe colector și ajung indirect; Dar cu toate acestea pe timpul verii se încălzește mult agent termic, datorită faptului că soarele emite multe radiații solare.

Au alese cea mai senină zi din perioada evaluată, adica 4 martie, pentru care valorile … sunt prezentate în figura …

(grafic)

Verificare

Comparație radiația solară măsurată/calculată pentru ziua senină aleasă

-Ghexp-Gh (grafic)

-Dhexp-Dh (grafic)

-Bexp-B (grafic)

(grafic Gnexp-Gn)

1) Grafic puteri/lună – ( cea mai senină zi) (Emax)

2) Grafic energie/lună – (cea mai proastă zi) (Earia)

Verificare model matematic și …

(Grafic Pt – Ptm)

IBLIOGRAFIE

Duffie J. A., Beckman W. A. – Solar Engineering of thermal processes

Editura John Willey & Sons, INC (2006)

Dr. Peuser F.A. , Remmers K. H. , Schnauss M. – Solar Thermal Systems (Successful Planning and Construction), Editura Solarpraxis, Berlin , 2002

Kalogirou S. A. – Solar Energy Engineering (Processes and Systems)

Editura Elsevier, 2009

Weiss W. – Solar Heating Systems for Houses (A design handbook for solar combisystems), Editura : James & James

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0038092X07000576

KOMOR, P.Renewable Energy Policy, iUniverse, INC.,USA, 2004

MUKUND, R. Wind and Solar Power Systems, CRC Press LLC, Florida, 1999

TIWARI, G. N. Solar Energy – Fundamentals, Design, Modelling and Applications. Alpha Science International Ltd., India 2002

OHRING, M. Materials science of thin films – deposition & structure, Academic Press – Elsevier, USA, 2002

KLEEMANN, M. , Regenerative Energiequellen, Springer – Verlag, Berlin, 1993

http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/2_1.pdf

http://www.misiuneacasa.ro/fatada-decisiva-pentru-aspectul-unei-cladiri

https://blog.cosmopolis.ro/tag/avantajedezavantaje-ale-orientarii-locuintei-catre-nord/

https://www.researchgate.net/figure/264386256_fig16_Traditional-Green-Facade-Lleida-Spain

http://www.estif.org/fileadmin/estif/content/publications/downloads/unep_report_final_v04_lowres.pdf

http://bostenaru.natkat.org/ucyw/archi/solar.html

http://www.panourisolareconstanta.ro/panouri-solare/vase-de-expansiune-pentru-panouri-solare.html

http://www.benedekco.ro/boiler-acm-motan-ba120lpv/manual-boiler-acumulare-apa-calda-inox-120l.pdf

http://www.misiuneacasa.ro/avantajele-folosirii-unei-pompe-de-recirculare-a-apei-calde-menajere-cu-termostat

Normativul I9-2015 privind proiectarea, execuția și exploatarea instalațiilor sanitare aferente clădirilor

www.meteonorm.com

Meliss M., Regenerative Energiequellen Praktikum, Springer, Berlin 1997

http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/2_2.pdf

http://geosolar.md/ro/vs/oblasti-primeneniya/

https://sporulcasei.ro/fatada-solara-sau-cum-te-ajuta-ferestrele-sa-scazi-valoarea-facturilor-de-energie/

http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/2_5.pdf

http://www.calorserv.ro/produse/boiler-cu-2-serpentine-tesy-ev15-7s2-500-75-f42-tp2-500-l-TESEV15S500FTP2#tab=1

http://www.calor.ro/pompe-circulatie-apa-calda/pompa-de-circulatie-wilo-star-st-15-4#grafice

http://www.b-mag.ro/vas-expansiune-circuit-sanitar-buderus-logafix-d25-alb.html

http://debitrontermo.ro/wp-content/uploads/2016/03/Fisa-tehnica-contor-compact-de-energie-termica-SensoStar-2-cu-debitmetru-cu-tubina-ptr-debite-mici.pdf

http://www.b-mag.ro/automatizare-solara-buderus-tip-logamatic-sc-20.html

file:///C:/Users/Hi%20%20%20%20%20%20%20Vera/Downloads/Sun-Tracker-e-SOLYS-2-si-2AP–Brosura.pdf

https://www.germanelectronics.ro/timp-liber-electrocasnice/meteo/statii-meteo-digitale/statie-meteo-wireless-usb-cu-touchscreen-672861.html

http://www.calorserv.ro/produse/Contoare/contoare-de-apa/contor_de_apa___contor_apa_calda/contor-apa-calda-mtwi-15-cu-cadran-uscat-si-releu-reed-ZENMTWI15