Energia Utilizata In Cladirile din Sectorul Rezidential Si Cel Tertiar

Capitolul

Introducere

Clădirile reprezintă unul din consumatorii importanți de energie și sunt responsabile de o cantitate semnificativă de emisii de gaze cu efect de seră, acestea fiind după cum este bine știut responsabile de modificările climatice. Energia utilizata in cladirile din sectorul rezidential si cel tertiar este utilizată în special pentru iluminat, aparatura electrocasnică, prepararea apei calde de consum dar și pentru încălzirea și răcirea spațiilor. Din consumul total de energie din cadrul clădirilor din sectorul rezidențial din Uniunea Europeană, ponderea cea mai mare de aproximativ 69% este utilizată pentru încălzirea și răcirea spațiilor, 14 % pentru prepararea apei calde de consum, 13% pentru iluminat și aparatură electrocasnică și 4% pentru prepararea hranei

O importanță foarte mare în Uniunea Europeană dar și în celelalte țări dezvoltate ale lumii se acordă reducerii consumului de energie din sectorul clădirilor rezidențiale și terțiare. Utilizarea energiei într-un mod mai eficient este considerată o prioritate principală pe plan mondial din mai multe motive: pentru a obține o dezvoltare durabilă, pentru a reduce emisiile de dioxid de carbon, pentru a reduce potențial de încălzire globală, pentru economisirea resurselor dar și pentru creșterea competitivității sectorului economic privat. Din această cauză Uniunea Europeană a aprobat o serie de norme pentru a reducerea drastică consumului și utiliza într-un mod mai eficient a energiei. Cele mai importante sunt Directiva 31/2010/CE (Energy Performace of Building Directive) și BREEAM (Building Research Establishment Environmental Assessment Methodolog). Norme similar s-au adoptat în SUA, Leadeship in Energy& Environmental Design (LEED) dar și în Asia sau Australia. Practic pe tot globul există un interes deosebit pentru a se evidenția necesitatea realizării de construcții foarte bine izolate termic dar și etanșe concomitent cu utilizarea tehnologiilor eficiente de încălzire/răcire.

Obiectivul principal al politicilor energetice a clădirilor este de a scădea consumul de energie fără a compromite confortul, sănătatea ocupanților și nivelul de productivitate. Scopul este de a economisii energie primară dar și finală, de a reduce emisiile de dioxid de carbon precum și de a micșora costurile de exploatare a construcțiilor.

Sursa tradițională de obținerea a energie este arderea combustibililor fosili, în urma acestui proces are loc emisii de gaze cu efect de seră în special a dioxidului de carbon. Din această cauză dar și datorită faptului că rezervele de combustibili fosili sunt limitate, se dorește o stabilizare și chiar o limitare a energiei produse prin arderea combustibililor fosili. Dar datorită dezvoltării continue a societății umane, cererea de energie pe plan mondial este din ce în ce mai mare fiind în contradicție cu dorința de reducere a emisiilor de gazelor cu efect de seră.

Pe lângă reducerea consumului de energie un rol important în dezvoltarea durabilă dar și reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră îl constituie utilizarea energiei regenerabile.

Din totalul de energia utilizată în clădirile din sectorul rezidențial și cel terțiar energia termică are ponderea cea mai mare, aceasta fiind produsă în mod preponderant prin ardera combustibililor fosili, care conduc la emisii importante de dioxid de carbon în atmosferă.

Principale metode de reducere a gazelor cu efect de seră rezultate din procesul de producer a energiei termice utilizate în clădiri sunt reprezentate de creșterea gradului de izolare termică a clădirilor și utilizarea surselor de energie regenerabilă.

Interesul în creștere pe plan mondial pentru conceptul de a utiliza pentru încălzirea/răcirea spațiilor a energiei regenerabile a condus la utilizarea sureselor de căldură de temperatură scăzută precum solul, apa din pânza freatică, apa din lacuri etc. Cea mai întâlnită metodă de extracție a energiei termice din aceste surse este utilizarea pompelor de căldură care pentru o funcționare cu eficiență ridicată este necesar ca diferența de temperatură dintre sursa e energie și agentul termic să fie scăzută.

Principala metodă de a asigura confortul termic în clădirile din sectorul terțiar dar nu numai, este utilizarea sistemelor de ventilare și climatizare complexe, acestea sunt asociate în prezent cu un consum mare de energie primară. Această metodă a cunoscut o răspândire rapidă în a doua jumătate a secolului trecut când prețul energiei era unul foarte scăzut, odată cu creșterea prețului energiei care a avut loc la sfârșitul secolului trecut, această soluție de încălzire/răcire utilizată în mediul construit a devenit un concept irațional [23a].

Datorită disconfortului termic, sindromului de clădire bolnavă (Sick-Building-Sindrome), dar și a consumului excesiv de energie a apărut nevoia de a înlocui total sau parțial aceste sisteme și de a se dezvolta noi concepte de instalații pentru încălzirea și răcirea spațiilor din clădiri.

În prezent instalațiile de răcire/încălzire care răspund cel mai bine noilor condiții (de scădere a consumului de energie, de utilizare a energiilor regenerabile, de creștere a confortului termic) sunt considerate sistemele radiante de joasă temperatură utilizate împreună cu sistemele de ventilare care asigură doar debitul minim de aer proaspăt pentru asigurarea condițiilor de confort fiziologic. Aceste sisteme sunt caracterizate de temperaturi scăzute ale agentului termic pe perioada de încălzire respectiv de temperaturi ridicate ale acestuia pe perioada de răcire. Diferența de temperatură redusă dintre suprafața radiantă și aerul interior, recomandă utilizarea acestor sisteme în tandem cu cu o serie de echipamente cu eficiență ridicată, respectiv cu cele care utilizează energii regenerabile, cum ar fi: cazanele în condensație, pompele de căldură, panourile solare, precum și cele care utilizează apa din sol pentru răcirea naturală.

Din categoria sistemelor de încălzire/răcire cu suprafețe radiante de temperatură joasă fac parte panourile radiante, sisteme care au conductele montate în suprafața radiantă și sistemele de activare termică a structurii clădirii (TABS).

Deși sistemele moderne TABS sunt ultimele apărute (la începutul anilor 1990) dintre sistemele de încălzire/răcire, acestea cunosc o răspândire rapidă în clădirile din sectorul terțiar dar și cel rezidențial recuperând rapid decalajul față de celelalte sisteme radiante. La începutul anului 2001 în Germania existau aproximativ 60 clădiri dotate cu sisteme TABS suprafața de încălzire/răcire fiind cuprinsă între 250 și 40000 m2 [21a] iar în 2003 o treime din clădirile comerciale noi construite erau dotate cu astfel de sisteme. În Elveția în 2003 se estima că suprafața sistemelor TABS este de aproximativ 100000 m2 [22a], aceste sisteme cunosc o răspândire rapidă ajungând în anul 2007 ca suprafața lor să fie de aproximativ 460000 m2. În această perioadă scurtă de timp din 2001 până în 2007 sistemele TABS au reușit să recupereze decalajul față de sistemele de încălzire/răcire cu panouri radiante, suprafața instalată fiind mai mică doar cu 27%. În prezent utilizarea sistemelor de încălzire răcire cu sisteme TABS se realizează la aproximativ toate tipurile de clădiri, de la clădiri de locuit la clădiri industriale, de la clădiri de birouri la săli de sport, de la clădiri culturale la aeroporturi.

Creșterea rapidă a numărului de clădiri dotate cu sisteme radiante de încălzire/răcire dar și a suprafeței instalate și în special a celei TABS se datorează în mod deosebit avantajelor pe care acesta le are în timpul exploatării și a costurilor relativ mai scăzute ale investiției inițiale. Sistemele radiante de încălzire/răcire care utilizează agenți termici de temperatură joasă pentru încălzire, respectiv de temperatură ridicată pentru răcire sunt utilizate tot mai frecvent și datorită faptului că acestea reprezintă o soluție adecvată atât din punctul de vedere economiei de energie, cât și din cel al confortului termic permițând totodată utilizarea mai facilă în mediul construit surselor de energie regenerabilă.

În țara noastră sistemele de încălzire răcire TABS sunt foarte puțin răspândite spre deosebire de celelalte țări dezvoltate din Uniunea Europeană. Din această cauză este important să se cunoască performanțele funcționale ale acestor sisteme pentru particularitățile și zona climatică din țara noastră. Un alt aspect important de stabilit, pentru aceste condiții specifice țării noastre este eficiența întregului sistem pompe de căldură geotermale – sistemul de încălzire/răcire cu sisteme TABS.

Prin urmare clădirile noi și cele renovate trebuie proiectate, realizate și exploatate într-un mod optimizat cu scopul de a reduce consumul de energie primară utilizată și de a păstra sau chiar mări confortul termic interior. În acest scop trebuie alese și implementate cele mai eficiente soluții de încălzire/răcire care să răspundă noilor condiții de consum redus de energie și de utilizare a energiilor regenerabile.

Conținutul lucrării.

Capitolul 1 prezintă importanța utilizării sistemelor de energie regenerabilă dar și a studierii sistemelor de încălzire/răcire de tip TABS.

În Capitolul 2 se realizează o scurtă prezentare a legislației din UE referitoare la reducerea consumului de energie și a utilizării energiei regenerabile dar și o descriere a sistemelor radiante de încălzire/răcire și a sistemului (TABS) dar și o prezentare a unor clădiri reprezentative dotate cu astfel de sisteme, din lume și a celor proiectate de autor în țara noastră.

Capitolul 3 descrie modelarea fizico-matematică a proceselor de transfer termic în cazul sistemelor TABS utilizând metodă unidirecțională din EN 15377-2005 și cea bidirecțională.

Tot în acest capitol se realizează prezentarea grafică a coeficientului de transfer termic prin convecție de la agentul termic la conducta distribuție a acestuia. Rezultatele obținute din acest grafic, au fost utilizate ca și condiții la limită în procesul de simulare numerică.

Pentru calculul transferului de căldură bidirecțional s-a realizat o particularizare a metodei diferențelor finite pentru sistemele TABS și s-a realizat un program de calcul în cod SCILAB cu ajutorul căruia s-a calculat temperaturile din interiorul acestuia atât pe perioadă de încălzire cât și pe perioada de răcire și s-au trasat izotermele.

Capitolul 4 prezintă influența factorilor de proiectare (temperatura agentului termic, diametrul conductei, viteza de curgere a agentului termic în conducte, tipul stratului acoperitor al suprafeței radiante și viteza de mișcare a aerului) asupra performanțelor funcționale ale sistemelor TABS, determinarea acestora realizându-se cu ajutorul programul de simulare COMSOL Multiphysics. Cu rezultatele obținute s-a realizat o clasificare a influenței parametrilor de proiectare asupra performanțelor funcționale ale sistemelor TABS atât pentru perioada de încălzire cât și pentru perioada de răcire.

Capitolul 5 este împărțit în trei părți: în prima parte se descrie standul experimental, în a doua parte se prezintă rezultatele legate de transferul termic, iar în a treia parte se prezintă rezultatele legate de confortul termic.

În prima parte se descrie modelul experimental realizat în Laboratorul de suprafețe radiante de la Facultatea de Construcții din cadrul Universității Transilvania din Brașov. Modelul experimental a fost realizat cu scopul de a se realiza măsurătorile în regim dinamic de funcționare a sistemului TABS și de al valida rezultatele obținute prin diferite metode de calcul.

În partea a doua a capitolului se analizează atât pentru perioada de vară cât și pentru perioada de iarnă evoluția parametrilor termotehnici ai sistemului TABS (temperatura pe suprafețele radiante, fluxul termic unitar și căldura acumulată de acesta).

În partea a treia se realizează o analiză a confortului termic asigurat de suprafețele radiante din laborator pe perioada de încălzire și răcire a unui an prin intermediul a trei termeni și anume: temperatura operativă, a indicelui PMV și PPD.

În cadrul capitolului 6 se prezintă analiza comparativă a rezultatelor obținute prin mai multe metode (metode de calcul al transferului de căldură unidirecționale, bidirecționale și simulare numerică cu ajutorul programului Comsol Multiphysics) cu cele măsurate pe standul experimental. Scopul principal al acestui capitol este de a obține rezultate asupra preciziei fiecărei metode în parte și de a evidenția avantajele utilizării metodei de calcul cu diferențe finite.

Capitolul 7 prezintă avantajele utilizării energiei geotermale și a pompelor de căldură sol – apă la clădirile dotate cu sisteme TABS pentru climatul din țara noastră. Studiul s-a realizat pentru o clădire existentă în apropierea Bucureștiului pe care autorul a proiectat-o, având o destinație mixtă de birouri și service auto. Accentul punându-se în special pe influența pe care o are utilizarea pompele de căldură în țara noastră asupra reducerii gazelor cu efect de seră. Tot în acest capitol s-a analizat eficiența utilizării pompelor de căldură geotermală prin intermediul a doi parametrii: perioada de recuperare a investiției dar și costul specific al energiei termice furnizată de aceasta atât pe perioada de vară cât și pe perioada de iarnă.

În capitolul 8 se prezintă contribuțiile personale ale autorului și concluziile generale legate de performanțele funcționale ale sistemelor TABS, de precizia și complexitatea metodelor de calcul a acestora, de confortul termic asigurat de suprafețele radiante alimentate cu energie termică de la surse de energie regenerabile, dar și de utilizarea sistemelor de pompelor de căldură geotermală la clădirile dotate cu astfel de sisteme și propune perspective ulterioare pentru activitatea de cercetare legată de acest temă.

******

21a]Olesen, B. W. (2001) Messungen und Bewertung der Betonkernaktivierung in drei Gebäuden. International

Velta Congress.

22 a Koenigsdorff, R. (2003) Status und Perspektiven thermischer Bauteilaktivierung. Fachhochschule Biberach,

Beitrag zum Bauphysikertreffen, Biberach, Germany (in German).

23 a Energy storageandheatextraction – Fromthermallyactivatedbuilding systems(TABS)tothermallyhomeostaticbuildings Peizheng Maa,n,1, Lin-ShuWang a, NianhuaGuo b RenewableandSustainableEnergyReviews45(2015)677–685

După două decenii de la apariția sistemului